Cómo monitorear y mantener los fluidos de éster fosfatado

Los fluidos de éster fosfatado se han utilizado para controlar miles de turbinas de vapor durante los últimos 60 años. Con tanta experiencia de usuario, se podría suponer que se comprenderían bien sus desafíos operativos y que las plantas de energía podrían mantener la calidad de estos fluidos con facilidad. Por el contrario, los fluidos de éster fosfatado suelen ser el talón de Aquiles de la mayoría de los programas de lubricación.

Modos de degradación

Los principales modos de degradación de los fluidos de éster fosfatado son la hidrólisis y el microdiéseling. Estos fluidos también pueden degradarse debido a la oxidación, la degradación térmica y la formación de jabones metálicos. La causa y el efecto de la degradación del fluido de éster fosfatado en los sistemas de control electrohidráulico (EHC, por sus siglas en inglés) de turbinas de vapor se ilustra en la Figura 1.

Figura 1. Modos de degradación de los fluidos de ésteres fosfatados en sistemas EHC de turbinas de vapor

Hidrólisis

La hidrólisis es la fuente más común de degradación en los ésteres fosfatados. Las altas temperaturas de funcionamiento, las fugas de vapor intermitentes y la naturaleza higroscópica de los fluidos proporcionan un entorno ideal que favorece las reacciones de hidrólisis. El límite de saturación de los ésteres fosfatados a la temperatura de funcionamiento es aproximadamente de 3,000 a 5,000 partes por millón (ppm) de agua. Durante la hidrólisis, el aceite produce un ácido más fuerte y uno más débil. El ácido más fuerte sufre una serie de reacciones, formando posteriormente derivados del ácido fosfórico y alquilfenoles.

La temperatura, el agua y el aceite son los tres parámetros principales que controlan las reacciones de hidrólisis, siendo el consumo de agua el factor limitante. Estas reacciones son autocatalíticas y se inician a temperaturas prolongadas más bajas de 100 a 120 grados Celsius. Por lo tanto, se recomienda mantener el contenido de agua por debajo de 500 ppm y el número ácido por debajo de 0.2 miligramos de hidróxido de potasio por gramo (mg KOH/g).

Figura 2. Reacciones de hidrólisis en fluidos de éster fosfatado

Microdiéseling

El microdieseling implica la compresión de una burbuja de aire atrapada cuando pasa a través de una bomba de alta presión. Al colapsar, la burbuja de aire libera una gran cantidad de energía térmica, lo que provoca altas temperaturas en el rango de 800 a 1,000 grados Celsius. Estas temperaturas descomponen el fluido de éster fosfatado en sus moléculas constituyentes y conducen al oscurecimiento del fluido. En algunos casos, el microdieseling puede provocar la formación de hollín y productos de combustión incompleta.

Las partículas de hollín son carbonosas, negras y de tamaño submicrónico. Pueden permanecer en suspensión o formar depósitos y barnices en las partes internas del sistema. Estas partículas tienen el potencial de obstruir las servoválvulas, provocando graves problemas de confiabilidad. La presencia de partículas de hollín impacta en el desempeño de las medias captadoras de ácido y también en la resistividad del fluido. Por esta razón, es fundamental controlar el color del aceite.

Jabones metálicos en ésteres fosfatados

Los usuarios de sistemas EHC emplean con frecuencia la tecnología tradicional de medias de eliminación de ácido, como las tierras Fuller, para una eliminación más rápida del ácido. Esta tecnología lixivia varios metales como aluminio, silicio, calcio, sodio y magnesio. Por lo tanto, es importante monitorear el análisis de elementos del fluido. Los metales lixiviados reaccionan con los ácidos del fluido para formar jabones, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Formación de jabón metálico debido a la lixiviación de metales por medias captadoras de ácidos que reaccionan con los ácidos

Los jabones metálicos pueden ser alcalinos o neutros. Generalmente son insolubles, pero pueden disolverse en el fluido según su estado. Cuando se producen, estos jabones tienden a precipitarse y formar depósitos en el sistema. También afectan la resistividad del fluido y otras propiedades de desempeño.

Los sistemas que utilizan tierra Fuller a menudo ven una disminución en la resistividad tras la aplicación inicial de la tecnología de intercambio iónico. La resistividad reducida se debe a la eliminación de metales del sistema. La implementación de la tecnología moderna de medias captadoras de ácidos, como las resinas de intercambio iónico, puede eliminar los metales lixiviados existentes y evitar una mayor lixiviación de metales en el fluido.

Monitoreo de condición

Un programa de monitoreo de condición proactivo es esencial para mantener exitosamente los fluidos de ésteres fosfatados. Los reportes de análisis de aceite tradicionales para estos tipos de fluidos no brindan información crucial sobre la salud del fluido en servicio. Se recomiendan métodos de prueba más nuevos o no tradicionales para monitorear la salud del fluido de manera proactiva. Las curvas de titulación de número ácido, la voltamperometría de barrido lineal y la colorimetría de membrana (MPC, por sus siglas en inglés) se encuentran entre los métodos de prueba más eficaces.

Curvas de titulación de ácido

La prueba del número ácido (ASTM D974) se usa comúnmente para medir el número ácido (AN, por sus siglas en inglés) de los fluidos en servicio. En esta prueba colorimétrica, un cambio de color determina el punto final, lo que dificulta la medición para muestras más oscuras. Además, este método solo mide los ácidos más fuertes y no los ácidos carboxílicos (barniz orgánico) o los ácidos más débiles (alquilfenoles). En su lugar, se recomienda la prueba ASTM D664, que mide una gama más amplia de ácidos y proporciona un número ácido total (TAN, por sus siglas en inglés). Además de medir todos los tipos de ácidos, este método de prueba no se ve afectado por el color del fluido, lo que reduce el número de errores. El aparato D664 también es automático, lo que erradica cualquier sesgo debido al operador en comparación con la prueba D974. En la Figura 4 se muestra una curva de titulación de ácido, generada por el método de prueba D664.

Figura 4. Curvas de titulación de ácido defluidos base éster fosfatado nuevos, contaminados y en servicio

Voltamperometría de barrido lineal

La voltamperometría de barrido lineal se utiliza ampliamente para monitorear los antioxidantes de aceites de turbinas, según ASTM D6971. Se aplica un barrido lineal a las muestras de fluido en una celda electrolítica, lo que da como resultado un voltamograma. De manera similar, este método de prueba se puede utilizar para monitorear los alquilfenoles generados durante la hidrólisis y la degradación térmica. Para los aceites de turbina, este método muestra el consumo de antioxidantes, pero para los ésteres fosfatados, puede revelar un aumento de los contaminantes generados por la degradación del fluido. La voltamperometría de barrido lineal es muy sensible a los alquilfenoles y mide por debajo de 100 ppm. Por tanto, es el método preferido para comprobar las reacciones de hidrólisis y condensación en el fluido base éster fosfatado.

Colorimetría de micro membrana

La industria de generación de energía utiliza habitualmente colorimetría de micro membrana (MPC, por sus siglas en inglés) para medir el potencial de barniz. También se aplica un método similar al fluido de éster fosfatado. El método implica mezclar 50 mililitros de muestra con 50 mililitros de disolvente. Después de mezclar, la mezcla fluida pasa a través de la membrana de celulosa-éster. La medición del color en la superficie de la membrana produce un valor “delta E”. Cuanto mayor sea el color, mayor será el potencial de barniz.

Observar el color en una membrana de MPC puede proporcionar aún más información sobre el fluido. Por ejemplo, una mancha negra puede indicar la formación de hollín en el sistema. Una mancha marrón oscura puede revelar productos de combustión incompleta formados a temperaturas muy altas, mientras que una mancha verde puede indicar lixiviación de cobre.

Se puede obtener más información de una membrana MPC simplemente realizando la prueba con un volumen de muestra bajo y enjuagando la membrana con un solvente polar. La presencia de hollín o barniz orgánico puede identificarse al microscopio.

Frecuencia y límites de prueba

La Tabla 1 muestra los límites de acción recomendados para monitorear los fluidos de ésteres fosfatados. La gestión proactiva de los fluidos puede ayudar a reducir el costo de mantenimiento a largo plazo y prolongar la vida útil de la máquina. Algunas pruebas adicionales, como la medición de viscosidad, los cloruros, el conteo de partículas, la liberación de aire y la formación de espuma, pueden proporcionar más información sobre la salud del fluido y el sistema.

Tabla 1. Métodos de prueba de monitoreo de condición recomendados y sus límites condenatorios para fluidos de éster fosfatado

Control de contaminación

Se utilizan comúnmente diferentes tecnologías de control de la contaminación, como la filtración electrostática, las medias de retención de ácidos y el secado por membrana de aire, para eliminar los compuestos de degradación o los contaminantes de los fluidos de ésteres fosfatados. La Figura 5 muestra estas tecnologías y sus aplicaciones objetivo.

Figura 5. Diferentes tecnologías recomendadas para eliminar contaminantes específicos

Filtración electrostática

La tecnología de filtración electrostática se utiliza para eliminar el hollín y los productos de combustión incompleta. Funciona según los principios de electroforesis y dielectroforesis. La electroforesis es el movimiento de partículas dispersas bajo la influencia de un campo eléctrico espacialmente uniforme en relación con un fluido. La dielectroforesis es el fenómeno de un campo eléctrico no uniforme que ejerce una fuerza sobre una partícula dieléctrica. El campo eléctrico espacialmente uniforme carga la partícula. La partícula cargada se aglomera y el filtro elimina las partículas.

Medios de captación de ácido

La tecnología de media de intercambio iónico es un medio moderno de tratar el fluido de éster fosfatado en servicio para la reducción de la acidez. Existen múltiples beneficios de la tecnología de intercambio iónico sobre las técnicas tradicionales como las medias de tierras Fuller. El tratamiento de intercambio iónico elimina varios tipos de contaminantes, incluidos ácidos fuertes (derivados del ácido fosfórico), ácidos débiles (alquilfenoles), barniz orgánico soluble (barniz carboxílico), jabones metálicos y algunos geles de polifosfato. Además, las medias de intercambio iónico pueden restaurar la resistividad de un fluido.

Diferentes combinaciones de medias han mostrado tasas variables de eliminación de ácido y saturación de ácido, dependiendo de la condición del fluido de éster fosfatado. Algunos medios eliminan solo los ácidos más fuertes, mientras que otros eliminan la mayoría de los ácidos más débiles. Por lo tanto, es esencial utilizar mezclas de medias personalizadas. Las curvas de titulación de ácido pueden servir como una herramienta útil para evaluar el desempeño de las medias identificando la naturaleza de los ácidos, la adsorción y la saturación de ácidos.

Secado por membrana de aire

Un secador por membrana de aire barre el aire seco a través del espacio superior de un depósito de un sistema EHC. El aire seco reduce el contenido de humedad del fluido a través de transferencia de masa. Los secadores de membrana de aire pueden ser efectivos para mantener bajos niveles de humedad en sitio y pueden ser menos costosos y requerir un mantenimiento menos intensivo que los sistemas de deshidratación al vacío.

Figura 6. Se muestra una reducción en el contenido de humedad después de la aplicación de un secador de membrana de aire.

Mantenimiento de los fluidos de éster fosfatado

Ahora debería comprender mejor los problemas más importantes que enfrentan los usuarios en el manejo de fluidos de éster fosfatado y por qué las pruebas de análisis de aceite estándar no siempre identifican ciertos problemas. Esta información también debe proporcionar una hoja de ruta para probar el estado de los ésteres fosfatados, así como las acciones recomendadas para ayudar a garantizar años de desempeño sin problemas.