Tuesday, 30 April 2013

Conceptos Técnicos de Flushing Oleohidráulico. Principales Diferencias con Filtración.

 Estimados lectores, a continuación adjunto un post que nos ha enviado el Ing. Cristián Schimd, Ing. Electromecánico UTN Facultad Regional Mendoza y Director de Desarrollo de Grupo Sicelub Lubritech. Podéis conocer más sobre su empresa en www.sicelub.com


CONCEPTOS TÉCNICOS DE FLUSHING OLEOHIDRÁULICO. PRINCIPALES DIFERENCIAS CON FILTRACIÓN

INTRODUCCIÓN

Cuando en la Industria, se habla sobre el término “Control de la Contaminación”, es normal oír la palabra “Flushing” como una de las medidas necesarias para disminuir el contenido de partículas en un sistema de lubricación o hidráulico.

En este trabajo, nos proponemos definir correctamente este término, y que se entiendan las principales diferencias con el término “Filtración”.

Es de vital importancia que todas las partes involucradas, manejen la misma terminología, a los efectos de trabajar con propiedad y profesionalidad en el ámbito de la ingeniería en lubricación, y sus aplicaciones prácticas en la industria.

Palabras clave: Flushing, Reynolds, Filtración


DESARROLLO

Existen varias maneras de definir un procedimiento de Flushing, aquí escribimos textualmente la que aparece en la Norma ASTM D-6439-05 [1]. Dice así “Circulación de un líquido a través de un sistema de lubricación o componente, cuando la turbina no está operando, para remover contaminantes”.

Es de destacar que se señala al procedimiento como aquel indicado para realizar una remoción de contaminantes del equipo mecánico, su sistema de lubricación o componentes. No está enfocado en limpiar o filtrar el aceite, sino en limpiar el sistema, los componentes mecánicos y tuberías.

Para que el Flushing sea exitoso, es decir, retire la mayor cantidad de suciedad del sistema, y en el menor tiempo posible, se señalan varios aspectos a tener en cuenta, siendo los más importantes.

1-   Debe realizarse antes del primer arranque del equipo (Comisionado), o bien en Paradas Programadas.

2-   Lograr un régimen de circulación turbulento. Normalmente el Número de Reynolds debe ser mayor a 4.000; para asegurar que las distintas capas de fluido dentro de la tubería, tengan una mejor acción sobre las paredes internas de la tubería.

3-   Uso de elementos filtrantes de alta eficiencia. Se deben utilizar elementos filtrantes con un factor βx mayor a 200, para asegurar que las partículas removidas, sean retiradas del sistema.

4-   Utilización de Analizadores de Aceite en sitio. Es muy importante contar con equipos de análisis de Código ISO 4406 (Contenido de Partículas), para realizar un seguimiento del procedimiento, y determinar cuando la limpieza ha finalizado.

Lo anterior brindará Fiabilidad y Disponibilidad al Sistema, permitiendo un arranque sin sobresaltos, y la optimización del tiempo de puesta en marcha y parada programada, conceptos cada vez más demandados para incrementar la Producción Anual.

Para lograr un régimen turbulento, es necesario conocer los diámetros de tubería a intervenir, y aplicar la siguiente ecuación:

                                  Re = 21.200.Q /(V.d)   Q [lts/min]

                                   V [Cts], a la t° de trabajo

                                   d [mm]

En la práctica, para aumentar el Re, se puede optar por utilizar equipos externos de bombeo de alto caudal, usar un fluido de menor viscosidad para el trabajo, o bien calentarlo para disminuir su viscosidad. Generalmente, se opta por una combinación de todas las opciones anteriores.

Así por ejemplo, para realizar un Flushing en una Tubería de 8” (203,2 mm), utilizando un Aceite ISO VG 32, y considerando una temperatura de operación de 40°C, el caudal mínimo necesario para cumplir con los requisitos de la Norma sería de unos 1.230 lts/min.

En lo que respecta a filtros de alta eficiencia, se hace indispensable utilizar una batería de elementos filtrantes externos con un factor βx > 200, recordando que este factor βx nos indica qué tan eficiente en la remoción de partículas es el elemento filtrante. Para este caso βx > 200, significa que la eficiencia de remoción será mayor al 99,5% en partículas mayores a “x” micrones.

Estos filtros deben instalarle en el flujo completo de circulación preferentemente, por lo que normalmente se requieren grandes superficies, ya que recordemos que trabajamos con altos caudales.

Regresando sobre el punto principal de nuestro trabajo, vamos a señalar ahora las diferencias entre el procedimiento recién definido, y el que erróneamente suele utilizarse en la industria bajo el nombre de “Flushing”.

Cuando se menciona la palabra “Flushing”, en repetidas ocasiones se está refiriendo simplemente a una filtración externa tipo riñón del tanque de aceite o reservorio del sistema. Aunque se utilicen elementos filtrantes de alta eficiencia, el lector comprenderá fácilmente que los alcances de este procedimiento, son mucho más limitados que los alcances del Flushing definido por Norma. Aquí se pretende simplemente filtrar el aceite, dejarlo en Código, y no realizar una limpieza en el sistema, objetivo central del concepto “Flushing” definido con anterioridad.

Este procedimiento de filtración, puede ser realizado con el sistema en operación, utilizando caudales mucho menores, ya que el uso aquí de caudales elevados, generaría turbulencias dentro del reservorio que pueden afectar la normal operación del sistema de lubricación o control.

Normalmente lo aconsejado es realizar un Flushing al momento de arrancar un equipo por primera vez, y en cada Parada Programada, a fin de mantener el sistema limpio durante el ciclo de vida de la máquina, y prevenir de esta manera la contaminación del aceite lubricante. Durante la operación de la máquina, y de acuerdo a los resultados de los análisis de aceite que se realicen periódicamente, puede ser necesario conectar un equipo externo de filtración para disminuir la cantidad de partículas presentes en el sistema.

Combinando, y no confundiendo, los procedimientos de Flushing y Filtración durante la vida útil de los equipos, se logran una mayor duración de los componentes mecánicos, y por lo tanto una mayor fiabilidad de los equipos. Está demostrado, a través de cálculo de vida de rodamientos, o tablas de extensión de vida para cojinetes, sistemas hidráulicos, motores, engranajes, y otros elementos mecánicos, que mientras menor es el nivel de contaminación, mayor es la vida de estos elementos. [2]

En la siguiente tabla, se resumen los aspectos principales de ambos términos y sus diferencias:

Filtración
Flushing
Objetivo
Limpiar Aceite
Limpiar Sistema
¿Cuándo?
Operación Máquina
Arranque o Paro Programado
Caudales
Bajos
Altos (Re)
Eficiencia Filtración
Alta
Alta

En el gráfico que sigue, puede observarse como el hecho de utilizar elementos filtrantes de alta eficiencia, en lugar de los elementos filtrantes propios del equipo, aseguran una duración menor en el proceso del flushing.


Por otro parte, en la tabla siguiente se visualizan las principales diferencias entre un flushing convencional, y uno realizado bajo las premisas más exigentes de la Norma ASTM D-6439. Se resumen los principales puntos donde pueden obtenerse ventajas en fiabilidad y tiempo de realización del servicio.
 
 
CONCLUSIONES
Para lograr una puesta en marcha y/o arranque luego de una Parada Programada, es vital llevar adelante un procedimiento de flushing acorde a normatividad, asegurando el retiro de toda la suciedad del sistema, y en el menor tiempo posible, para mejorar el tiempo de producción del sistema intervenido.
Asimismo, durante la operación de los equipos, se debe prestar especial atención a la presencia de contaminantes en el sistema, con el objetivo de removerlos, y de esta manera asegurar la mayor vida útil de los elementos mecánicos. En este caso, el recurso de la filtración externa, siempre debe ser tenido en cuenta.
Es sumamente importante, conocer ambos procedimientos y aplicarlos en los momentos y de las maneras adecuadas, para obtener los mejores resultados desde un punto de vista técnico económico.
REFERENCIAS
[1] ASTM D-6439-05 “Standard Guide for Cleaning, Flushing, and Purification of Steam, Gas and Hydroelectric Turbine Lubrication System”
[2] Lubricación por Niebla de Aceite y su impacto positivo sobre la vida de los rodamientos. Trabajo presentado en I Taller Argentino de Tribología, Mayo 2012, Bahía Blanca.

 


Wednesday, 17 April 2013

Lubrication Regimes


 Knowledge of the lubrication regimes in which our machines run is essential to choose the best viscosity and type of lubricant with the target to avoid wear and improve energy saving, that is why to know the Stribeck curve is needed.

 To choose the right viscosity for an application is of crucial importance to avoid wear in machines, for this we usually follow the manufacturer recommendations but rarely do we consider parameters as the surface relative speed or the real running temperature. If we are not sure usually we increase the ISO viscosity grade but this does not ensure the wear protection.

 In addition these criteria don’t consider the equipment energy saving which can get worse without to improve the reliability.

 The best way to solve this problem is to know the lubrication regime our machines run, that is why we need to know the Stribeck curve.

 Describe by Richard Stribeck during the first years of the XX century, this Curve provide us an idea of the friction coefficient variation between two surfaces in function of the lubrication regime. This regime depends of a parameter related with the lubricant viscosity, the surfaces relative speed and the load.



 If we follow the abscissa axis, first we find the boundary lubrication regime in which the friction coefficient is too high due the film is too thin, lower than the surface roughness, so we cannot avoid the wear. If we cannot avoid running in this regime, due the running temperature, very low relative speed and/or very high load, we must use solid lubricants and pastes. Other option is to increase the lubricant viscosity to move to the next lubrication regime.

 In the mixed lubrication regime the film thickness is higher, around the surface roughness, so only there are isolated contacts. This regime provides a drastic friction coefficient decrease and we can find a curve minimum, it means is the suitable for energy saving. To avoid wear to use anti-wear additives is needed. 

 Both regimes are considered unstable because the increase of the temperature reduces the viscosity and increases the friction, as a result of that the lubrication regime moves to the left of the curve, the area that generates more wear.

 If we increase the viscosity or the relative speed we move to the elastohydrodynamic and hydrodynamic regimes, where we avoid wear because the film thickness is higher than the roughness.



 In the elastohydrodynamic regime, described by Ertel and Grubin and developed by Cheng, Hertzian contacts are found due very small contact surface and very high load, up to 3.0 GPa, that increase the viscosity of the lubricant, deform both surfaces and reduce the roughness. This lubrication regime is near the minimum of the Stribeck curve, in fact some authors think the minimum is in this regime, so to keep in this regime increases the energy saving and reduces wear. Gears, bearings and cams run in this regime.

 In the hydrodynamic regime the film thickness is much higher than the roughness, due the relative speed and the viscosity of the lubricant, this is why we avoid the contacts between the surfaces and eliminate wear. This regime is defined by the Reynolds ecuation. But the Stribeck curve indicates us that this regime increases the friction coefficient due the high viscosity so the energy saving gets worse, mainly if the relative speed between the surfaces is too high, in this case we must reduce the viscosity of the lubricant to move closer the minimum of the Stribeck curve. Journal bearings run in this regime.

 We can consider these regimes as stables because any variation of temperature produces a variation of the viscosity and the friction coefficient in the same direction so they stabilize themselves.

Monday, 15 April 2013

Regímenes de Lubricación


 Conocer los regímenes de lubricación en el que trabajan nuestras máquinas es fundamental para escoger la viscosidad y el tipo de lubricante adecuado con el objetivo de evitar desgastes y reducir el consumo energético, para ello es necesario conocer la curva de Stribeck.

 Escoger la viscosidad adecuada para cualquier aplicación resulta de vital importancia para evitar desgastes en las máquinas, esta elección suele realizarse teniendo en cuenta la recomendación del fabricante, pero raras veces se consideran parámetros como la velocidad relativa de las superficies o la temperatura real de trabajo. En caso de duda habitualmente aumentamos el grado de viscosidad ISO, pero esto no garantiza una mejor protección contra el desgaste.

 Además, con estos criterios no tenemos en cuenta el consumo energético del equipo, que se puede incrementar de forma importante sin que eso conlleve un aumento de fiabilidad.

 La mejor manera de solucionar este problema es conocer el régimen de lubricación en el que trabajamos y para ello necesitamos conocer la curva de Stribeck.



 Descrita por Richard Stribeck a principios del siglo XX, esta Curva nos proporciona una visión general de la variación del coeficiente de fricción entre dos superficies en función del régimen de lubricación. Este régimen depende de un parámetro que relaciona la viscosidad del lubricante, la velocidad relativa de las superficies y la carga a la que estas están sometidas.

 Si seguimos el eje horizontal, primero encontramos el denominado régimen de lubricación límite, en él el coeficiente de fricción es muy elevado debido a que la película lubricante es muy fina, inferior a la rugosidad de las superficies, por lo que no podemos evitar el contacto ni el desgaste. Si no podemos evitar trabajar en este régimen de lubricación, debido a las temperaturas de trabajo, velocidades relativas muy bajas y/o cargas muy elevadas, debemos utilizar lubricantes sólidos. La otra opción es aumentar la viscosidad del lubricante para desplazarnos al siguiente régimen de lubricación.

 Este lo denominamos lubricación mixta y en él el grosor de la película lubricante es mayor, aproximadamente igual a la rugosidad de las superficies, por lo que encontramos contactos puntuales. En este régimen se produce una disminución drástica del coeficiente de fricción y podemos encontrar un mínimo de la curva, eso significa que es el más adecuado en términos de eficiencia energética. Para evitar desgastes es necesario utilizar aditivos anti-desgaste adecuados a la aplicación. 

 Estos dos regímenes los consideramos inestables, ya que un aumento de la temperatura reduce la viscosidad y aumenta la fricción lo que multiplica este efecto desplazando el régimen de lubricación a la izquierda, la zona donde se genera mayor desgaste, de la curva.

 Si, por el contrario, aumentamos la viscosidad o la velocidad relativa de las superficies entramos en los regímenes de lubricación elastohidrodinámica e hidrodinámica, en estos casos tenemos garantizada la separación de las superficies debido a que el grosor de la película lubricante es superior a la rugosidad de las superficies, por lo que reducimos el desgaste al mínimo.

 El régimen de lubricación elastohidrodinámica, descrito por Ertel y Grubin y desarrollado por Cheng, se da entre superficies curvas entre las que se producen contacto Hertziano debido que encontramos unas superficies de contacto muy pequeñas y cargas muy elevadas, que traen como consecuencia una presión de contacto extremadamente elevada, alcanzando los 3.0 GPa, que incrementan drásticamente la viscosidad del lubricante y deforman ambas superficies reduciendo la rugosidad. Este régimen de lubricación está muy cerca del mínimo de la curva de Stribeck (algunos autores consideran que, de hecho, el mínimo se encuentra en este régimen) por lo que es interesante situarnos en esta zona para mejorar eficiencia energética a la vez que reducimos desgastes. Es el régimen de lubricación típico de engranajes, rodamientos y levas.



 En el régimen de lubricación hidrodinámica el grosor de la película lubricante es mucho mayor que la rugosidad, debido a la velocidad relativa de las superficies y la viscosidad del lubricante, por lo que evitamos completamente el contacto entre las superficies eliminando desgastes. Este régimen está definido por la ecuación de Reynolds. Sin embargo, la curva de Stribeck nos indica que en este régimen aumenta la fricción debido, precisamente, a la elevada viscosidad del fluido por lo que tiene un aspecto perjudicial para el consumo energético, sobre todo si la velocidad relativa de las superficies es muy elevada, en estos casos podemos reducir la viscosidad del lubricante para acercarnos al mínimo de la curva de Stribeck sin comprometer la protección al desgaste. Es el régimen de lubricación típico de cojinetes.

 Consideramos estos dos regímenes de lubricación estables ya que cualquier variación de temperatura varía la viscosidad y el coeficiente de fricción en el mismo sentido por lo que se estabiliza.