Gestión de la salud de los aceites resistentes al fuego de sistemas electrohidráulicos de control (EHC) de turbinas de vapor

Ken Brown, Utility Service Associates. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América

La importancia de la salud de los fluidos nunca es más evidente que en un sistema electrohidráulico de control (EHC, por sus siglas en inglés) que es responsable de la tarea crítica de controlar el suministro de vapor a las turbinas que impulsan los generadores eléctricos en una planta de energía. Históricamente, estos sistemas empleaban fluidos a base de aceite mineral. Sin embargo, las crecientes temperaturas del vapor (500 °C a 550 °C) y las presiones de los fluidos hidráulicos (1500 psi o 10 bar) exigen el uso de fluidos resistentes al fuego para garantizar un funcionamiento seguro y confiable.

Los fluidos hidráulicos a base de éster fosfatado son los fluidos resistentes al fuego más comunes que se usan en la actualidad en sistemas EHC. Los fluidos a base de éster fosfatado ofrecen puntos de ignición y de inflamación más altos que los aceites minerales y, lo que es más importante, se auto extinguen y es menos probable que propaguen llamas o quemen un charco de aceite. Estas propiedades sirven para proteger al personal, los activos fijos y el público en general.

En términos generales, los ésteres son el resultado de una reacción química entre un ácido orgánico o inorgánico con un alcohol u otro compuesto orgánico que contiene el radical hidroxilo. Específicamente, los ésteres fosfatados pueden denominarse sales orgánicas de ácido ortofosfórico. Si bien hay miles de compuestos organofosforados, solo unos pocos son útiles como aceites base para fluidos resistentes al fuego. La Tabla 1 resume los fluidos a base de éster fosfatado comúnmente utilizados.

Tabla 1. Fluidos a base de éster fosfatado de triaril.

Los fluidos resistentes al fuego a base de éster fosfatado se introdujeron originalmente en la década de 1950 en respuesta a los incendios causados por el rocío de fluido hidráulico de líneas rotas sobre superficies calientes. Han brindado más de 50 años de servicio confiable a la industria de generación de energía. También se utilizan ampliamente en acerías y fundiciones, compresores de gas natural y sistemas hidráulicos de control de aeronaves.

La confiabilidad de los ésteres fosfatados depende de la calidad del mantenimiento. Ofrecen un desempeño excelente cuando se les da el mantenimiento adecuado. Se puede esperar corrosión, atascamiento de válvulas y un desempeño insatisfactorio del sistema cuando los ésteres fosfatados se ven privados del mantenimiento de fluidos adecuado.

Las fallas de un sistema EHC de una turbina de vapor, incluidas las servoválvulas atascadas o erosionadas y los filtros y cedazos obstruidos, se pueden evitar mediante la gestión activa de la calidad del fluido a base de éster fosfatado. Administre de manera proactiva la química de su aceite con soluciones para eliminación de contaminación que cumplan con los requisitos descritos en el estándar ASTM D8323.

¿Qué hay en un cambio de aceite?

Los fluidos a base de éster fosfatado deberían proporcionar años de servicio sin problemas. Muchas estaciones de generación de energía han superado los 20 años de servicio sin realizar un drenado total o parcial y han disfrutado de un desempeño confiable del sistema. Otros, sin embargo, se encuentran cambiando el fluido en cada ciclo de paro y aún sufren una rápida degradación del fluido (caracterizada por la acumulación de ácido y sedimentos), válvulas atascadas, servoválvulas erosionadas, filtros de servoválvulas obstruidos o bloqueados.

La diferencia en los dos escenarios se reduce al mantenimiento; prácticas a menudo simples y fáciles de corregir. La falta de mantenimiento efectivo de estos sistemas no se puede atribuir completamente a los operadores. A menudo, la documentación de los proveedores de turbinas está incompleta, desactualizada o es contradictoria en sus recomendaciones.

El nuevo fluido hidráulico de éster fosfatado es costoso, con un costo de USD $20 a USD $30 por galón, según el tipo de fluido y el proveedor. Pero el costo de los fluidos es solo la punta del iceberg. En primer lugar, el cambio de aceite en sí mismo puede generar problemas en el sistema si no se planifica y lleva a cabo correctamente. El siguiente es un resumen de los costos asociados con un cambio de fluido:

Compra de fluido nuevo (USD $20 a $30 por galón)
Tiempo de interrupción (hasta 14 días o más)
Costos de mano de obra
Costo de disposición de fluidos usados, incluidos bidones, almacenamiento, pruebas, envío y papeleo
Fluido de lavado, si es necesario
Disposición de fluidos de lavado
Costos no planificados basados en riesgos por retrasos, derrames y fugas, problemas de compatibilidad, contaminación, arranques en seco, etc.

Solo el precio del fluido puede sumar entre USD $ 30,000 y USD $ 50,000 y puede ocupar a una cuadrilla durante semanas. El precio total por hacer el cambio puede sumar múltiplos de esa cifra. Afortunadamente, sustituir un fluido generalmente coincide con una interrupción. Si no, el precio puede alcanzar algunos millones de dólares. Atascar las válvulas de control y cambiar las servoválvulas, o tener que reducir la potencia de la unidad para cambiar un elemento de filtro también puede ser costoso.

Por lo tanto, es una buena inversión mantener el fluido en buenas condiciones. Los cambios de fluidos y los equipos complementarios pueden enmascarar la causa raíz. Si no se corrige la causa raíz, los problemas tienden a reaparecer en tres a cinco años. Las centrales eléctricas que no pueden mantenerse al día con el mantenimiento básico enfrentarán mayores problemas con cualquier equipo nuevo que se agregue a su carga de trabajo.

Mantenimiento de fluidos a base de éster fosfatado

Aunque es un procedimiento fácil, a menudo se pasa por alto el mantenimiento de los fluidos. Por ejemplo, un fabricante de turbinas requiere cambiar los filtros de descarga de la bomba dos veces al año y los de purificación cuatro veces al año. El costo de este consumible es de solo USD $ 3,000, pero es un procedimiento que a menudo se ignora. Este mantenimiento simple es necesario porque estos fluidos los degradan un poco durante el servicio típico.

El fluido se presuriza, se somete a temperaturas elevadas, fluye a través de pequeñas tolerancias y se expone a contaminantes como agua, suciedad y aire. Con la mayoría de los sistemas, el equipo de filtración y purificación provisto originalmente y la composición del nuevo fluido compensarán la degradación normal. Esto debería extender la vida útil del fluido a 15 años o más. Si bien el equipo de purificación original suele ser adecuado, las actualizaciones, como purgas de aire automáticas para las carcasas, medidores de flujo, manómetros adecuados y mejores elementos filtrantes que se adaptan a las carcasas existentes, son complementos simples y rentables.

La mayoría de los problemas relacionados con los fluidos pueden atribuirse a la contaminación por un material incompatible o a una purificación de fluidos inadecuada por una o más de las siguientes razones:

Los elementos filtrantes no se cambian con la frecuencia suficiente.
El caudal a través de los elementos filtrantes es demasiado bajo, demasiado alto o no existe.
El elemento filtrante está demasiado húmedo, incluso cuando es nuevo.
Las carcasas de los sistemas de purificación están limitadas por el aire y requieren una mejor ventilación.
Las válvulas de alivio de presión y derivación del sistema o carcasa están defectuosas.
Se utilizan medios de purificación incorrectos.
Se usa el fluido incorrecto.
El fluido está sobre estresado debido a los calentadores, el funcionamiento de ambas bombas, falta de aislamiento térmico, etc.
El fluido está contaminado con otro fluido, sellador o químico incompatible.

El mantenimiento de fluidos es simple: Manténgalo seco, limpio y purificado. Preste atención a los problemas de compatibilidad de materiales y haga un monitoreo regular de la condición de los fluidos.

Manténgalo limpio, seco y purificado

La purificación efectiva es crítica para el desempeño efectivo de los fluidos y la confiabilidad del sistema. Los problemas con los sistemas de purificación pueden dar como resultado un aumento del número ácido, una disminución de la resistividad o un conteo de partículas excesivo.

Irónicamente, el fluido a base de éster fosfatado es muy higroscópico (atrae agua) pero tiene poca estabilidad hidrolítica (el fluido se degrada en presencia de agua). Algunas de las consecuencias de las prácticas deficientes de purificación de fluidos incluyen una vida útil más corta del fluido, corrosión, mayor mantenimiento, filtros obstruidos, filtros de servoválvulas bloqueados, desgaste electrocinético de los carretes y servoválvulas y válvulas tipo solenoide atascadas, todo lo cual se puede prevenir mediante la purificación adecuada del fluido.

La purificación de los ésteres fosfatados puede incluir las siguientes tecnologías de separación diferentes:

Filtros mecánicos de eliminación de partículas, generalmente elementos de eficiencia Beta 2 > 75 para proteger las servoválvulas de la adhesión.
Control del agua: la deshidratación al vacío elimina el agua disuelta, mientras que los separadores centrífugos no funcionan debido a la gran afinidad del éster fosfatado por el agua.
Remoción de ácidos por medios de adsortivos: tierras Fuller, alúmina activada, etc., se utilizan para eliminar los ácidos del fluido.

GE recomienda (Referencia GEK-46355E – Unidades Hidráulicas de Potencia) cambiar los elementos filtrantes de tierra Fuller cuando:

El diferencial de presión a través del filtro alcanza 30 psi (207 kPa), o cada tres meses, lo que ocurra primero, o
El contenido de cloro en el fluido es >150 ppm, o
El contenido de H₂O en el fluido es >0.20%, o
El número ácido alcanza 0.20 mg KOH/g. Este valor se redujo en las especificaciones de fluidos EHC, GEK 46357A, página 4, enero de 1979. La versión actual es la revisión E.

NOTA: Siempre cambie todos los elementos del filtro al mismo tiempo.

GE recomienda cambiar los elementos filtrantes cada tres meses. Sin embargo, las estaciones con sistemas de purificación en servicio durante 15 años o más han estado cambiando los elementos en intervalos de seis meses. Sin embargo, esto requiere nunca perder o retrasar un cambio de elementos para que el número ácido no aumente.

Lograr conteos de partículas constantemente bajos requiere que los filtros se mantengan adecuadamente, tanto por tiempo como por sus caídas de presión. Los filtros nuevos con elementos inorgánicos tienden a tener tasas beta de filtración más altas y deberían ser más efectivos para eliminar partículas más pequeñas.

Considere estas medidas adicionales en el mantenimiento de fluidos a base de éster fosfatado:

Manténgase dentro de los límites del OEM, cambiando los filtros cada seis meses.
Guarde y evalúe los elementos usados de los sistemas de purificación.
Guarde y evalúe los elementos filtrantes y mallas.
Registre la tendencia de las presiones diferenciales de los medios de filtro y purificación.
Registrar la reposición de fluidos (fecha, volumen y circunstancias).
Use etiquetas de máquina para anotar los detalles de cambio de filtros y medios.

Los sistemas de purificación portátiles pueden ser útiles a corto plazo para resolver problemas específicos. Los medios y sistemas de purificación adicionales también pueden ser beneficiosos, pero no pueden corregir todos los problemas. Incluso pueden crear nuevas dificultades si el fluido se lleva más allá de sus capacidades.

Para realizar correctamente el mantenimiento de los fluidos, los operadores y los mecánicos deben comprender los fluidos a base de éster fosfatado y sus tendencias y requisitos únicos. Estas personas deben entender claramente lo que constituye la mejor práctica del mantenimiento de los fluidos y tener procedimientos claros y escritos sobre su implementación.

Deben estar capacitados para reconocer condiciones anormales de los fluidos y sistemas. También se les debe animar a cuestionar la idoneidad de una parte nueva que parece diferente.

Compatibilidad con materiales

Si bien los ésteres fosfatados de triaril pueden tener las mismas viscosidades que los aceites minerales, los requisitos de los materiales pueden ser bastante diferentes. Los problemas de incompatibilidad con materiales están bien documentados, pero las infracciones pueden afectar incluso a las centrales eléctricas más grandes que tienen muchos miembros en su personal. Los siguientes son algunos ejemplos de problemas de compatibilidad:

Los elastómeros de etileno-propileno (EPR, por sus siglas en inglés) y butilo son adecuados para ésteres fosfatados, pero no para aceite mineral.
El elastómero de nitrilo (Buna-N) se usa comúnmente para aceite mineral, pero no debe usarse con ningún éster fosfatado.
Los fluidos a base de éster fosfatado a menudo se usan como plastificantes con materiales de cloruro de polivinilo (PVC, por sus siglas en inglés) para suavizar y dar flexibilidad. En consecuencia, los componentes de PVC de las máquinas y los alambres revestidos pueden ablandarse si se dejan en contacto con estos fluidos.
El éster fosfatado ablandará las pinturas estándar, por lo que se requieren pinturas a base de epoxi. El cuero, la celulosa (papel) y los elastómeros de fluorocarbono suelen ser compatibles.

Un método para evaluar la compatibilidad consiste en sumergir una muestra del material en el fluido a una temperatura elevada. Una prueba sencilla sugerida por GE es sumergir una muestra del material a probar en un fluido que se mantiene a 60 °C (140 °F) durante siete días. Se considera aceptable hasta un cinco por ciento de contracción o un 15 por ciento de elongación, por lo que incluso los materiales aprobados pueden verse afectados hasta cierto punto.

Además, los compuestos de elastómeros de la misma familia (o incluso de diferentes proveedores) pueden variar ampliamente. En caso de duda, comuníquese con el proveedor del componente para obtener recomendaciones específicas.

La idoneidad de un compuesto particular depende del material y la aplicación. En una aplicación puede ser aceptable cierta deformación, mientras que en otras puede no serlo. Por lo general, es aceptable con sellos estáticos capturados (juntas tóricas ranuradas), pero no con piezas en las que hay movimiento.

El hule o los selladores a base de silicona pueden no ser adecuados para el contacto con fluidos EHC, pero, según se informa, son aceptables como revestimiento para cables. Esto no se debe al ablandamiento.

Ha habido informes de efectos adversos sobre el tiempo de liberación de aire de las burbujas de aire atrapado en el fluido. En los sistemas susceptibles, puede conducir a una degradación más rápida del fluido debido a la entrada excesiva de aire en el sistema circulante presurizado.

Puede haber diferencias considerables entre las recomendaciones de los proveedores de componentes. En caso de duda, póngase en contacto con el proveedor del fluido o realice pruebas específicas para determinar la compatibilidad del material en cuestión. Una prueba de campo para una junta tórica es dejarla caer en un recipiente con fluido (densidad de 1.13). Si se hunde, es probable que la junta tórica sea Viton (densidad de 1.85) y sea aceptable.

Una junta tórica que flota, por otro lado, indica dos resultados posibles: podría ser Buna-N (densidad de 1.0), lo que no está bien; o podría ser caucho de butilo (densidad de 0.92), que es aceptable para aplicaciones de temperatura más baja.

No todos los compuestos son iguales porque los proveedores de sellos pueden tener diferentes mezclas. Existen versiones de la misma familia como Viton A, B y GF. La temperatura de aplicación también es importante; cuanto mayor sea la temperatura, mayores serán los efectos.

Puede haber variaciones en el desempeño de los materiales de diferentes fabricantes de sellos que suministren el mismo tipo de material con el mismo nombre comercial. Es posible que se requieran pruebas específicas para aplicaciones críticas o para problemas de hinchazón o desintegración. Consulte la norma ASTM D471 para obtener información sobre los métodos de prueba de compatibilidad entre fluidos y elastómeros.

PRECAUCIÓN: En caso de duda, llame al proveedor del fluido. No todos los datos de los proveedores de elastómeros son apropiados para usar con los fluidos en sistemas EHC.

Monitoreo de condición de los fluidos

Para reducir el impacto negativo de la degradación del fluido, se debe seguir estrictamente un programa de monitoreo de condición. El objetivo es reducir los problemas operativos y los daños a los equipos resultado de la degradación descontrolada de fluidos. Un elemento esencial para lograr este objetivo es la realización de análisis de fluidos por un laboratorio adecuado.

El monitoreo del fluido también incluye pruebas frecuentes y tendencias de las propiedades físicas y químicas seleccionadas para detectar cambios que podrían causar problemas operativos. Trate de detectar los pequeños problemas antes de que se conviertan en grandes problemas.

Los cinco principales proveedores de aceite para turbinas tienen 27 pruebas diferentes para los fluidos nuevos y entregas de fluidos nuevos. Por otro lado, tienen muy pocas pruebas para el monitoreo de condición. Los proveedores de fluidos realizan diferentes pruebas como parte de sus pruebas de control de calidad de rutina. Algunas estaciones contratan sus pruebas a laboratorios comerciales. Si utilizan un laboratorio interno, existe la posibilidad de que el laboratorio no tenga la experiencia adecuada con los ésteres fosfatados.

La resistividad es una prueba que a menudo se omite, probablemente debido a la dificultad de ubicar la celda de prueba del instrumento. Sin embargo, para sistemas de control de alta presión con servoválvulas, esta es una medición importante. Es necesario advertir del potencial desgaste electrocinético.

Un programa efectivo de monitoreo de la condición de fluidos es beneficioso por las siguientes razones:

El fluido que se mantiene en buenas condiciones químicas durará más y requerirá menos mantenimiento. Muchos de los subproductos de la degradación de los fluidos son autocatalíticos. Si se permite que se acumulen, degradarán al resto del fluido. Si no se cuida, esto empeorará a una tasa de degradación cada vez más rápida.
Los fluidos con número ácido bajo tienden a requerir menos cambios de medios de purificación que los fluidos que superan los límites aceptables. Los fluidos a base de éster fosfatado con altos números ácidos a menudo no se pueden recuperar con éxito con los sistemas de purificación del OEM, especialmente si se usa tierra Fuller.
Los fluidos y el sistema requieren menos mantenimiento cuando están limpios. Los contaminantes y las partículas de desgaste pueden acelerar la degradación del fluido. Además, el líquido limpiador debería significar un menor mantenimiento de los componentes del sistema sensibles a la suciedad, como bombas, elementos filtrantes, cedazos y servoválvulas.
Es menos probable que el fluido que siempre ha estado en buenas condiciones cause depósitos en las servoválvulas y válvulas solenoides. La vida útil del elemento del filtro también se puede extender y es posible que no sea necesaria la limpieza periódica recomendada del depósito. Los fluidos tienen una historia que se puede repetir. Incluso si el problema de un fluido se ha corregido, puede causar problemas en el futuro.
El análisis de fluidos puede advertir sobre problemas con bombas y válvulas antes de que otros signos sean evidentes. A menudo se pueden tomar medidas correctivas antes de que ocurra un daño significativo.
Todos los fabricantes de turbinas especifican un programa integral de monitoreo de la condición del fluido de control y cuesta poco. Los dos principales proveedores de fluidos a base de éster fosfatado brindan análisis de rutina del fluido de control de éster fosfatado sin cargo adicional. También proporcionan las botellas de muestreo.

El muestreo adecuado es importante, especialmente para el conteo de partículas. Al realizar análisis de fluidos:

Tome muestras de fluido con la frecuencia adecuada.
Tome muestras en el punto de muestreo apropiado.
Siga los procedimientos de muestreo correctos.
Utilice los procedimientos de prueba apropiados.
Utilice personal y laboratorio calificado.
Evalúe los resultados y tome las medidas correctivas apropiadas.

El fluido a base de éster fosfatado puede brindar años de servicio sin problemas si se toman medidas proactivas para prevenir problemas. El mantenimiento efectivo del fluido se logra mejor por personal capacitado que tenga experiencia con estos fluidos y sepa cómo realizar un análisis de causa raíz adecuado cuando surjan problemas. Para lograr el éxito con los fluidos a base de éster fosfatado, el usuario debe purificar diligentemente el fluido y utilizar el monitoreo de condición para recopilar información.

El mantenimiento del sistema de los fluidos EHC es una tarea desafiante, pero si se hace correctamente, recompensa a la central eléctrica con una disponibilidad mejorada y costos reducidos de mantenimiento del sistema y de los fluidos. Afortunadamente, hay ayuda disponible para aquellos que la buscan.

7 sencillos pasos para el cuidado de los fluidos de sistemas EHC de turbinas de vapor

Asigne una persona o un equipo para que sea responsable o esté disponible como recurso para la mayoría de los aspectos de operación y mantenimiento. Asegúrese de que haya cuente con la experiencia adecuada o capacitación reciente. De lo contrario, comuníquese con los proveedores para obtener ayuda y brindar la capacitación necesaria. Por ejemplo, GE tiene una reunión anual para usuarios. La mayoría de los otros proveedores también ofrecen seminarios.
Mantenga disponible material actualizado. Incluya datos técnicos del OEM y especificación de materiales de los proveedores para la turbina, el fluido, los filtros y los medios de purificación.
Siga las recomendaciones de mantenimiento de los fabricantes de turbinas. Si su procedimiento de mantenimiento es diferente, justifíquelo con registros técnicos detallados. Verifique los supuestos al menos una vez al año. La justificación debe tener en cuenta las consecuencias de no seguir las recomendaciones de los fabricantes. Por ejemplo:

Cambiar la tierra Fuller cada tres a seis meses según sea necesario
Apelmazar la tierra Fuller antes de las válvulas en el sistema
Cambiar el filtro de descarga de la bomba cada seis meses
Inspeccionar o limpiar los cedazos de las servoválvulas cada año

Compare el mantenimiento real con el recomendado al menos una vez al año. Revise los informes de trabajo y las salidas del almacén suele ser útil. Las salidas del almacén pueden ser particularmente útiles para garantizar que el trabajo se complete según lo requerido. También puede comprobar lo que se ha pedido o entregado. No utilice materiales sustitutos a menos que se demuestre que son técnicamente mejores.
Asegúrese de que los procedimientos de mantenimiento sean correctos. Ayude al personal nuevo o al personal que realiza un trabajo por primera vez a realizarlo correctamente. Muchas tareas comunes, como los cambios de filtro, no son simples ni obvias. De hecho, es más fácil hacerlo mal que bien. Afortunadamente, la mantenibilidad se puede mejorar a muy bajo costo con válvulas de liberación de aire o mejores filtros.
Sea proactivo, y si tiene dudas, pregunte. Verifique el estado del sistema al menos una vez por semana, incluidas las caídas de presión en todos los filtros y sistemas de purificación, la temperatura y el nivel del fluido. Tome muestras del fluido al menos cada dos meses y envíelo al laboratorio para que lo analice. El muestreo adecuado es esencial. El trazado de tendencias puede ser muy útil. Trate de mantener los parámetros del fluido dentro de los límites del OEM.
Inspeccione el sistema y las líneas una vez por semana. Verifique el desempeño de la máquina, busque goteos, barreras térmicas faltantes, líneas desgastadas, colgadores de tubería sueltos o cualquier cosa que pueda causar problemas. Durante el recorrido, anote las lecturas de presión y temperatura que se utilizarán para la tendencia.