Integración del muestreo y análisis de grasa en los programas de mantenimiento de turbinas eólicas

Abstracto

Si bien el análisis de aceite es una parte bien establecida de un programa de monitoreo basado en condición (CBM, por sus siglas en inglés), las dificultades inherentes al muestreo y análisis de grasa en servicio han impedido durante mucho tiempo la integración del análisis de grasa en la mayoría de los programas de CBM. Debido a este descuido, un porcentaje considerable de máquinas altamente críticas no reciben análisis de lubricante y, por lo tanto, carecen de datos de confiabilidad significativos. Las turbinas eólicas son especialmente vulnerables a esta omisión debido a la cantidad de componentes altamente críticos que están lubricados con grasa en cada turbina. El rodamiento principal, los rodamientos del generador, los rodamientos de cabeceo y de orientación están todos lubricados con grasa y tradicionalmente no están sujetos a análisis de lubricante, lo que los deja vulnerables a condiciones de desgaste no detectadas. Los avances recientes en las técnicas de muestreo y análisis de grasas están liderando una expansión en el monitoreo de grasas de las turbinas eólicas. Este artículo analizará los hallazgos recientes del análisis de grasa en rodamientos principales y de cabeceo de turbinas eólicas utilizando nuevas técnicas de muestreo y análisis descritas en ASTM D7718 y D7918.

Mantenimiento de la lubricación de la turbina eólica

Las turbinas eólicas son parte de una creciente industria de energías renovables. Ciertas regiones del mundo son particularmente adecuadas para desplegar turbinas eólicas para capturar esta fuente de energía, y están apareciendo en cantidades cada vez mayores. Gran parte del mantenimiento de las turbinas eólicas hasta la fecha se ha centrado en la caja de cambios de la transmisión, un aumentador de velocidad lubricado con aceite que toma la velocidad de rotación relativamente lenta de las palas de la turbina y la convierte en una velocidad suficientemente mayor para el generador. Si bien es apropiado centrarse en la transmisión, de ninguna manera es el único componente lubricado donde la confiabilidad es una preocupación. Hay no menos de seis componentes principales lubricados con grasa en la mayoría de los diseños de grandes turbinas eólicas que actualmente dominan el mercado. Incluyen el rodamiento principal, los rodamientos del generador y los rodamientos de paso y orientación.

Para cada uno de estos componentes lubricados con grasa, una falla en el funcionamiento puede interrumpir completamente o afectar significativamente la eficiencia y la capacidad de generación eléctrica. Sin embargo, obtener una muestra confiable de grasa de estos rodamientos puede ser un desafío. Encontrar una solución a los desafíos del muestreo y análisis de grasa puede tener un impacto financiero significativo mediante la detección temprana de desgaste anormal o la identificación de grasa degradada o contaminada. Obtener muestras representativas con soluciones de análisis de grasas útiles y de bajo costo es fundamental para mantener adecuadamente estos activos. Recientemente se han desarrollado nuevas técnicas de muestreo y análisis de grasa definidas por ASTM D7718 y ASTM D7918.

Obtención de muestras

En la mayoría de las circunstancias, los procedimientos para obtener muestras de grasa de la carcasa del rodamiento y los engranajes no son consistentes y probablemente no representan la verdadera condición de la grasa «activa» cerca de la superficie lubricada. La grasa también puede contener partículas y otros contaminantes recogidos durante el proceso de muestreo.

Para engranajes o rodillos abiertos, la recolección de una muestra se logra mejor con un kit que utiliza una herramienta similar a una espátula para permitir que el muestreador recoja la grasa entre los rodillos o engranajes abiertos. La espátula se utiliza para raspar la grasa de los rodillos y la grasa se coloca en una jeringa. La grasa en la jeringa se inyecta en el dispositivo de muestreo de grasa. Debido a la naturaleza no newtoniana de la grasa, puede resultarle difícil moverse bajo vacío (puede ser insuficiente para alcanzar el límite elástico para el flujo); por lo tanto, durante el proceso de muestreo, el émbolo de la jeringa se retira del cuerpo tirando completamente del mango hacia atrás y hacia afuera, y el cuerpo abierto se rellena con grasa con la espátula. Se vuelve a insertar el émbolo y la grasa se puede mover fácilmente mientras está bajo presión para llenar el muestreador de grasa.

El diseño del muestreador de grasa también está optimizado para análisis posterior en laboratorio. Al proporcionar una superficie de sellado en el cilindro de montaje, todo el volumen de grasa está disponible para su análisis. La extracción de la grasa se realiza bajo condiciones variables de presión y fuerza, y la respuesta de la grasa se puede medir y relacionar con la consistencia de la grasa y las características de flujo de una grasa nueva. A medida que la grasa se extruye para su análisis, también se deposita sobre un sustrato de película delgada para un análisis preciso mediante FTIR, RULER, análisis espectrométrico y otras pruebas que brindan información detallada sobre la oxidación, la contaminación, la mezcla y el desgaste en la grasa.

Extensión de mango en T

Para rodamientos a los que se debe acceder a través de un puerto de purga o drenado, se han desarrollado otras herramientas de muestreo. De manera similar al principio del “ladrón” de fluidos, el dispositivo debe poder viajar desde el orificio de acceso hasta la ubicación de lubricación activa, cerca del área de contacto del rodamiento o engranaje, y evitar la grasa no representativa en el camino.

El muestreador de grasa se inserta con una extensión de mango en T para permitir la activación remota y la captura de la muestra en el sitio de uso activo de grasa y generación de desgaste, adyacente a los engranajes acoplados o la superficie de rodamiento.

Mango delgado

Los tamaños típicos de los puertos de drenado de los rodamientos en una turbina eólica son de alrededor de 0.60″ de diámetro, pero en algunas aplicaciones de rodamientos principales y de paso el puerto de drenado es más pequeño y requiere una herramienta más pequeña para extraer la muestra de grasa. La herramienta delgada fue diseñada para puertos de drenado en tamaños que van desde 0.28″ a 0.60″ de diámetro.

Diseño delgado de bolsillo

El diseño delgado de bolsillo fue creado para superar los desafíos de muestreo del rodamiento de paso. Dos de los desafíos de muestreo más comunes con los rodamientos de paso son el acceso al puerto de purga y el espacio libre en el puerto de purga. El diseño delgado de bolsillo está diseñado para usarse con espacios libres para los puertos de purga de menos de 2 pies. El diseño delgado se puede utilizar con una mano, lo que permite al operador alcanzar, si es necesario, el puerto y extraer la muestra de grasa. La muestra de grasa se retira con una espátula y luego se transfiere a un muestreador de grasa y se envía al laboratorio para su análisis posterior.

Opciones básicas de análisis de grasa

Las siguientes pruebas conforman un proceso simplificado de análisis de grasa que utiliza el dispositivo de muestreo de grasa descrito en ASTM D7718. Esto permite realizar las dos primeras pruebas como parte de la preparación de la muestra para las pruebas siguientes. Esto reduce la cantidad requerida de manipulación y preparación de las muestras, reduciendo así los costos potenciales de realizar análisis de grasa de rutina y especiales para equipos críticos [3].

Monitoreo de partículas ferrosas según ASTM D7918

Existe una dificultad para evaluar las partículas de desgaste en la grasa debido a la incapacidad de agitar una muestra para distribuir uniformemente las partículas, como se hace con los aceites. Esta falta de uniformidad de distribución puede conducir a resultados engañosos porque la porción de la muestra seleccionada para la disolución y el análisis puede estar sesgada hacia arriba o hacia abajo con respecto al contenido de partículas de desgaste. Una forma de compensar esa condición es medir los efectos ferromagnéticos de la grasa insertando el dispositivo de muestreo de grasa en el centro de un campo magnético generado por una bobina. Este método minimiza la dispersión de datos debido a problemas de distribución de partículas y mejora la tendencia y la sensibilidad de los resultados.

Consistencia de la grasa según ASTM D7918

Al medir la carga en diferentes condiciones durante la extracción de la grasa a través del troquel de extrusión, la consistencia de la grasa se puede comparar con la consistencia de la grasa nueva. Los cambios en este valor, ya sea que indiquen un adelgazamiento o un espesamiento de la grasa, se pueden utilizar para señalar esta propiedad. Posteriormente, la grasa se distribuye sobre un sustrato de película delgada en secciones de 0.25 gramos que se pueden distribuir fácilmente a otros instrumentos en el laboratorio para realizar pruebas adicionales. Un análisis detallado de seguimiento con un reómetro puede clasificar aún más la condición de la grasa y brindar información detallada sobre el flujo y el comportamiento de corte de las grasas en condiciones dinámicas.

Espectrometría FTIR comparativa

Los espectros FTIR se crean a partir de nuevas de grasa muestras para todas las grasas del programa de una instalación. Utilizando un equipo de reflectancia transversal atenuada horizontal (HATR, por sus siglas en inglés), se aplica una fina película de grasa a través del cristal. Las grasas en servicio se analizan y comparan contra los espectros de las grasas nuevas. En particular, para diferentes familias de grasas, los espectros FTIR son bastante diferentes y pueden compararse para ver si se ha producido una mezcla significativa. En otros casos, es posible que grasas similares (dos grasas de poliurea diferentes) no tengan diferencias significativas en sus espectros, pero en ese caso hay menos probabilidad de problemas de compatibilidad. Aun así, muchas grasas dentro de la misma familia de diferentes fabricantes se pueden diferenciar mediante el análisis FTIR. Además, esta prueba es valiosa para monitorear la oxidación de la grasa y la presencia de ciertos aditivos orgánicos.

Antioxidantes

El instrumento RULER funciona según el principio de voltamperometría de escaneo lineal. Al aplicar este método de prueba, en el que se aplica un voltaje variable a la muestra mientras se mide el flujo de corriente, se puede determinar la presencia y concentración de varios aditivos antioxidantes (incluido, entre otros, ZDDP) en función de su potencial de oxidación electroquímico único y la magnitud de la corriente inducida. El monitoreo de antioxidantes residuales en las grasas puede proporcionar información sobre la efectividad de las frecuencias de relubricación de la grasa. Por ejemplo, una muestra de grasa que ha sido purgada de un rodamiento en el intervalo de relubricación establecido, cuando se analiza y se determina que tiene una gran cantidad (quizás 70% o más) de antioxidantes residuales, y que también muestra buenas características de consistencia, puede ser un candidato para la extensión del intervalo de relubricación. Por el contrario, una muestra de grasa de purga que muestra niveles mínimos o nulos (menos del 25 %) de antioxidantes residuales puede no estar completamente protegida de los factores estresantes oxidativos durante el ciclo de vida de la grasa y puede ajustarse adecuadamente a un intervalo de relubricación más corto.

Espectrometría de metales

La grasa se pesa o se distribuye sobre el sustrato de película fina y se añade a un vial de vidrio donde se diluye y disuelve con una mezcla filtrada de disolvente de grasa. Luego, esta mezcla líquida se analiza mediante espectrometría de electrodo de disco giratorio (RDE, por sus siglas en inglés) o por plasma inductivamente acoplada (ICP, por sus siglas en inglés) y los resultados se normalizan en ppm a 1 gramo de grasa según el peso medido de la grasa que se disolvió. La concentración de metales en la grasa se puede comparar con la grasa nueva con el fin de identificar diferencias significativas en los metales de los aditivos que podrían indicar una mezcla de grasa. También se puede deducir la presencia de metales de desgaste.

Colorimetría de grasa según ASTM D7918

Las observaciones visuales de la apariencia de la grasa son una herramienta de evaluación común para la evaluación de campo de componentes lubricados. Los cambios de apariencia, incluido el oscurecimiento y los colores inesperados o mezclados, son a menudo la primera condición que se observa y que puede indicar condiciones de lubricación o mezcla inusuales. El deseo de evaluar y fundamentar empíricamente tales observaciones condujo al desarrollo de una celda óptica, utilizada para presentar una muestra de grasa de manera uniforme para el posterior análisis espectral de luz visible. Esta celda óptica de colorimetría de grasa está diseñada para crear una trayectoria óptica para el espectrómetro de luz visible e incluye un cajón deslizante que presenta la película delgada de grasa extruida sobre un sustrato producido a partir del método de extrusión de matriz. La longitud de trayectoria resultante de 0.040” (1.0 mm) está respaldada por un espejo de acero inoxidable pulido, que permite probar la grasa de manera uniforme sin interferencia de la luz ambiental y sin contacto con la muestra de grasa.

Se ha sugerido que la colorimetría de grasas puede tener valor en la fabricación de grasas. Las grasas comerciales actuales suelen estar teñidas, con fines de diferenciación y mercadotecnia. El color específico de una grasa se identifica estrechamente con la marca, y mantener la consistencia en el color del producto, sin afectar el rendimiento, puede ser importante desde el punto de vista de la percepción. Las pruebas por lotes de grasas mediante la comparación de un lote en proceso con un perfil colorimétrico pueden permitir a los fabricantes de grasas evaluar cuantitativamente el color e incluir un paso de control de calidad sobre la apariencia como parte del proceso.

Integración de datos y análisis avanzado

En conjunto, estas pruebas se pueden utilizar para evaluar la condición de la grasa, determinar el grado de mezcla con una grasa incorrecta, detectar oxidación, medir el agotamiento de los aditivos antioxidantes y categorizar el grado de desgaste presente en la muestra. Estas pruebas se pueden realizar de manera rentable porque el instrumento de medición de consistencia prepara la grasa como un sustrato de película delgada para la normalización del peso y la fácil disolución del espesante de grasa, de modo que la muestra líquida se puede analizar con equipos típicos de análisis de aceite.

Pruebas adicionales

Si surgen inquietudes durante la lista de pruebas de análisis anterior, se pueden realizar análisis de seguimiento utilizando las siguientes pruebas:

Ferrografía analítica

Esta prueba también se puede realizar en la grasa disuelta (preparada como para espectrometría de metales) para identificar visualmente la cantidad, forma, composición y severidad del desgaste de las partículas en la muestra. Este método y sus beneficios están bien documentados para el análisis de aceite y tienen beneficios similares para muestras de grasa obtenidas correctamente. La diferencia clave para las grasas es que es necesario comprender que los niveles de desgaste son acumulativos durante la vida útil de la grasa y que las cantidades relativas de partículas observadas pueden ser engañosas si se comparan muestras con diferencias significativas en el tiempo de servicio de la grasa.

Microscopía de membrana

Cuando las partículas de interés no son metales o son metales no ferrosos, puede resultar ventajoso preparar una membrana Millipore extrayendo una muestra diluida al vacío a través de la membrana y analizando microscópicamente el contenido de partículas para identificar la presencia de desgaste o partículas contaminantes y cuantificar relativamente su presencia. A menudo, esta prueba es más difícil con grasas que con aceites, debido a la dificultad de disolver completamente los espesantes de grasa lo suficiente como para pasar a través de la membrana. La selección de los solventes es crítica y algunos tipos de espesantes de grasa no funcionan bien en esta prueba, con la presencia de fibras espesantes que dominan la membrana del filtro y oscurecen otras partículas.

Reología de grasa

El uso de un reómetro y la evaluación de parámetros tales como la medición de la fuerza normal y la viscosidad aparente pueden ser importantes en la caracterización de las propiedades de la grasa. Investigaciones anteriores [1,2] han indicado el valor de aplicar mediciones reológicas a grasas nuevas y usadas, y se están realizando investigaciones para optimizar este análisis y relacionar los parámetros medidos con las propiedades físicas cambiantes. Las mediciones reológicas brindan información sobre los cambios debidos a mezclas de grasas incompatibles, trabajo excesivo de la grasa y oxidación severa. Una de las capacidades de esta prueba es la de evaluar la compatibilidad de grasas mezcladas. Los resultados de los datos de esta prueba brindan información sobre la bombeabilidad de la grasa, las características de corte y la tendencia de una grasa o mezcla de grasas determinada a sufrir «canalización» o «tunelización» en aplicaciones de rodamientos y engranajes.

Muestreo y análisis de grasa en aplicaciones de turbinas eólicas

Muestreo y análisis de grasa de rodamientos de paso

Recientemente, se realizó un muestreo y análisis de grasa en una serie de rodamientos de paso defectuosos donde se pensaba que el fabricante había empacado originalmente la grasa incorrecta en el rodamiento. Se tomaron muestras de grasa del rodamiento defectuoso utilizando la tecnología de mango delgado y se devolvieron para análisis de laboratorio. Además, se tomaron muestras de grasa de otros rodamientos similares retirados de servicio al mismo tiempo, así como de piezas rotas de la jaula. Se tomaron muestras de los orificios de suministro en el exterior de la pista exterior, así como a través del sello, para comparar los resultados y evaluar las ubicaciones candidatas para el muestreo en el futuro. La comparación de elementos y el análisis FTIR mostraron que había una concentración residual significativa de grasa A en las muestras del orificio de suministro, incluso después del reciente cambio de producto a grasa B. Las diferencias significativas observadas entre el área debajo del sello cerca de los elementos rodantes y las muestras tomado del orificio de suministro indicó que la grasa del orificio de suministro es parte de la región no activa y probablemente no fue un buen indicador del estado del rodamiento. Las muestras de sellos mostraron niveles de desgaste mucho más altos además de una mejor comparación con la grasa B, lo que indicaría que estas muestras estaban en una región que participaba activamente en la lubricación del rodamiento. Se determinó que las muestras futuras del sello probablemente darían una mejor indicación del estado del rodamiento.

Además, la inspección física de la pieza de jaula rota mostró ranuras oscuras en la superficie de la jaula frente a los elementos rodantes. El análisis ferrográfico avanzado de las muestras de grasa de los sellos confirmó la presencia de óxidos negros que indican altas temperaturas localizadas debido al deslizamiento y la pérdida de la condición de la película lubricante. En una aplicación de carga alta y baja velocidad, como ésta, es posible que nunca se establezcan condiciones de película completa en el rodamiento, en cuyo caso es fundamental un aditivo antidesgaste o de extrema presión para brindar protección a las superficies de contacto. La presencia de sólidos blancos en la formulación de la grasa B tenía como objetivo proporcionar esta protección contra daños por lubricación límite. La presencia continua de grasa A; sin embargo, genera preocupación sobre la efectividad del cambio de producto de la grasa A a la grasa B. Se sugirió una purga continua y un reemplazo con grasa B.

Pruebas de flota de fin de garantía

Los propietarios de turbinas eólicas estadounidenses utilizaron análisis de grasa para evaluar si su flota de turbinas en todo el país salía de la garantía. El análisis completo de grasa de una turbina eólica cuesta aproximadamente entre US $500 y US $750 por año. Cuando estos problemas se encuentran tempranamente con el análisis de grasa, generalmente se pueden solucionar en una torre por menos de US $2,000. Si se produce una falla en el rodamiento, el costo del reemplazo puede ser de US $350,000 o más (en el extranjero). El análisis de grasa es una herramienta excelente para obtener indicaciones tempranas de problemas de desgaste y consistencia de la grasa. También se puede utilizar para optimizar la frecuencia de relubricación y ahorrar en cambios de grasa.

Conclusión

El análisis de grasas presenta una oportunidad importante para ampliar las capacidades de diagnóstico de la maquinaria. Los desafíos históricos de obtener muestras representativas y tendencias se están abordando a través de desarrollos tecnológicos descritos en ASTM D7718. El desarrollo posterior de métodos de análisis repetibles descritos en ASTM D7918 utiliza cantidades más pequeñas de grasa; lo que produce mayor valor en los resultados del análisis y fomenta el muestreo de grasas de lugares donde la confiabilidad es importante. Al diseñar adecuadamente el equipo de muestreo de grasa, la cuestión del reabastecimiento óptimo de grasa también puede abordarse mediante el establecimiento de programas de muestreo. Dondequiera que haya una máquina crítica, independientemente del tipo de lubricante, la demanda de confiabilidad impulsa el desarrollo de métodos de muestreo y técnicas de análisis mejorados para producir la valiosa información presente en el análisis de lubricantes.

Referencias

Nolan, S., Sivik, M., “El uso de reología de tensión controlada para estudiar las propiedades estructurales de altas temperaturas de las grasas lubricantes”, NLGI 71.ª reunión anual, Dana Point, CA, 2004.
Johnson, B., “El uso de un reómetro de tensión en lugar de penetración de cono”, 74.ª reunión anual del NLGI, Scottsdale, AZ, 2007.
Wurzbach, R., “Streamlined Grease Sampling and Analysis for Detection of Wear, Oxidation and Mixed Greases”, Reunión anual de NLGI, Williamsburg, VA, EE. UU., junio de 2008.