Cómo seleccionar aceites para turbinas de gas

Con frecuencia escuchamos la pregunta “cuánto durará mi aceite de turbina” y la respuesta, en términos de ingeniería, es siempre la misma: “depende”. Algunos proveedores de aceite afirman que el aceite en una turbina de gas puede durar entre 5 y 15 años, pero sigue siendo una respuesta aventurada, pues no se están tomando en cuenta todas las variables que intervienen en la vida del aceite, como son la presencia de agua, la temperatura de operación, la severidad del ciclo de operación, las prácticas de mantenimiento, la calidad del lubricante, entre otras. Todas ellas tendrán un importante impacto en la ampliación o reducción del intervalo de vida en servicio del lubricante. No se puede dudar que un aceite de buena calidad, que se analiza regularmente, al cual se le mantiene apropiadamente, tendrá una vida más larga que un aceite de baja calidad, mal mantenido y sin un monitoreo frecuente. A continuación revisaremos algunas de las características de desempeño de un aceite para turbinas de gas, que le brindarán una larga vida y reducirán los problemas en servicio.

Propiedades físicas y químicas

Los aceites para turbinas de gas, vapor e hidráulicas, pertenecen a la familia conocida como aceites R&O (aceites inhibidos contra la herrumbre y corrosión). La severidad de operación de la turbina, como es el ciclo de trabajo, riesgo de contaminación, temperatura de operación, geometría de la turbina, además de las prácticas de mantenimiento, imponen retos únicos al lubricante.

El volumen de aceite fluctúa entre 1,000 y 50,000 litros, siendo este un incentivo importante desde el punto de vista económico para buscar extender la vida útil del aceite. Para lograr reducir las tasas de reposición de aceite (normalmente en el orden de 5% anual) se requiere contar con lubricantes de alta calidad y alto desempeño. Cuando en la turbina no hay problemas significativos de contaminación, la vida del aceite depende principalmente de su estabilidad a la oxidación. Esta característica puede afectarse adversamente por el calor, agua, aire y la contaminación con partículas metálicas. En el lubricante están presentes algunos aditivos que ayudan a proteger al aceite contra la oxidación, como es el caso de los antioxidante, inhibidores de herrumbre y corrosión, y demulsificantes. Por su parte, la turbina también cuenta con medios físicos que ayudan a este mismo fin, como son los filtros de aceite, enfriadores y sistemas de remoción de agua.

Los aceites para turbinas están formulados para permitir que el agua y las partículas se separen y asienten en el tanque, donde pueden removerse por medio de las válvulas de drenado y por sistemas de filtración externa, tipo riñón, durante la operación.

Características de desempeño recomendadas

En la mayoría de las turbinas de gas, la principal causa de falla del aceite es la elevada temperatura de operación. La demanda de turbinas de gas con mayor eficiencia y las temperaturas extremadamente altas son el principal incentivo para utilizar lubricantes con mayor resistencia a la temperatura. Las temperaturas en los cojinetes de las turbinas de gas típicas fluctúan entre 71°C y 121°C (160°F a 250°F) y se espera que en las turbinas de nueva generación sean aún mayores. Los fabricantes de turbinas de gas han elevado los valores de desempeño mínimos requeridos para la prueba RPVOT (Prueba de oxidación en recipiente rotatorio presurizado, ASTM D2272) y TOST (Estabilidad a la oxidación en aceites de turbina, ASTM D943) para que sean capaces de trabajar a esas elevadas temperaturas.

Conforme se introducen las turbinas de gas de nueva generación, los cambios en los ciclos de operación también traen consigo nuevas exigencias a los lubricantes. Algunos problemas específicos de los lubricantes para turbinas de gas que operan en servicio continuo comenzaron a mediados de los años 90s. Las mayores temperaturas de operación en los rodamientos y su operación intermitente aumentaron las fallas de los sistemas hidráulicos que retardaban el arranque. Para solucionar este problema, se formularon lubricantes basados en aceites hidrofraccionados (Grupo II), incrementando al mismo tiempo la vida útil de estos lubricantes, logrando alcanzar hasta 5 años de vida en aplicaciones de turbinas de gas cuando los lubricantes minerales sólo duraban 2 años.

Turbinas de gas aero-derivadas

Este tipo de turbinas enfrentan retos únicos, que exigen aceites con una muy elevada estabilidad a la oxidación. El primer aspecto a considerar es el hecho de en este tipo de turbinas el aceite está en contacto directo con las superficies metálicas, en donde las temperaturas fluctúan entre 204°C y 315°C (400°F a 600°F), y la temperatura del aceite en el tanque está entre 71°C a 121°C (160°F a 250°F). El aceite en estas turbinas, que son muy compactas, debe lubricar y enfriar las superficies, transfiriendo el calor al aceite que reposa en el tanque. Adicionalmente, cuando operan en forma cíclica, el estrés térmico y oxidativo es más elevado, lo que exige lubricantes con mayor estabilidad térmica y oxidativa. Los aceites minerales estándar (Grupo I y II) no logran superar estas exigencias, por lo que es imperativo emplear lubricantes sintéticos de alta pureza. También puede aplicarse la estrategia de aplicar una tasa de relleno de 0.6 litros por hora para ayudar a rejuvenecer el aceite en el sistema.

Los lubricantes para este tipo de turbinas típicamente tienen una viscosidad de apenas 5 cSt a 100°C. Los rotores giran a una velocidad entre 8,000 y 20,000 rpm y utilizan rodamientos en lugar de cojinetes; la capacidad de los tanques es, en promedio, de apenas 200 litros.

Los aceite sintéticos para turbinas de gas están formulados de manera que cumplan y excedan las demandas de las turbinas de aviación militares, identificadas en el formato de Especificación Militar (MIL-L), las cuales están escritas para asegurar que siempre estén disponibles aceites de calidad similar y que en cualquier parte del mundo se cuente con lubricantes completamente compatibles, cumpliendo además con las especificaciones del fabricante original del equipo (OEM).

Los primeros aceites para este tipo de turbinas fueron los Tipo I, que empleaban lubricante sintético base diéster.

Los aceites para turbinas Tipo II se comenzaron a comercializar a principios de los años 1960s para cumplir con las demandas de desempeño de la Marina de los Estados Unidos. Se utilizaba un aceite básico sintético poliol éster, clasificado como MIL–PRF-23699. La mayoría de las turbinas aero-derivadas actuales utilizadas en generación de energía emplean este tipo de lubricante, que es mucho mejor que el anterior Tipo I.

A principios de los años 1980s se mejoraron los aceites Tipo II para cumplir con las nuevas exigencias de la Marina, buscando una mejor estabilidad a la alta temperatura. Esto hizo que se desarrollara la MIL–PRF–23699 HTS. En 1993 apareció la primera formulación de aceite de turbinas de cuarta generación para satisfacer las condiciones de elevadas temperaturas y cargas de los jets. El desarrollo de nuevas tecnologías en aceites para turbinas de gas es constante.

Especificaciones de aceites para turbinas de gas

Los aceites para turbinas son una mezcla de aceites altamente refinados o hidroprocesados, y algunos sintéticos, usualmente con viscosidad ISO VG 32, 46 o 68. Los fabricantes han desarrollado aceites que cumplan con las distintas demandas de las turbinas en diferentes aplicaciones.

Algunos fabricantes de turbinas han dejado de especificar alguna marca de lubricante en particular debido a los constantes cambios en la tecnología sus turbinas y en la formulación de los lubricantes. Algunos OEMs han identificado o recomiendan cierto lubricante que cumple con los criterios de prueba y que saben que cumple satisfactoriamente con el nivel de desempeño esperado, llegando incluso a estipular que aun cuando el lubricante no cumpla con todos los valores recomendados, sean utilizados.

Por lo general, los fabricantes de turbinas y de lubricantes concuerdan que un aceite que supera satisfactoriamente el desempeño esperado bajo ciertas condiciones específicas de operación, representa un lubricante de buena calidad y desempeño.

Sin importar el tipo de servicio de un aceite de turbina, la calidad del aceite base y los aditivos son el principal factor de influencia en la vida útil esperada. Los aceites básicos de alta calidad se caracterizan por un mayor porcentaje de moléculas saturadas, menor porcentaje de aromáticos y niveles más bajos de azufre y nitrógeno. Los aditivos utilizados deben evaluarse profundamente y mantenerse bajo un estricto control de calidad.

La clave en la formulación de aceites para turbinas está en lograr que retengan sus propiedades de desempeño en la operación. Algunos aceites de turbinas obtienen buenos resultados en las pruebas de laboratorio, pero pueden degradarse en forma prematura por el agotamiento de los aditivos y oxidación del aceite básico. Si bien las pruebas de laboratorio son una buena forma de evaluar un lubricante, la experiencia en campo puede ayudarle a determinar su longevidad. Es importante que el análisis de las características del lubricante no se base en la ficha de especificaciones técnicas, sino en los resultados reales de las propiedades del lubricante, efectuadas en el laboratorio, o utilizando para ello el certificado de calidad de la fabricación del lote, ya que pueden presentarse ligeros cambios de un lote a otro o variaciones en la formulación por cambio en la tecnología.

Los aceites para turbinas de gas pueden formularse con aceites minerales convencionales (Grupo I) o hidroprocesados (Grupo II). Cada vez es mayor la tendencia a utilizar aceites Grupo II o sintéticos para turbinas de gas.

La mayoría de los aceites hidrofraccionados tendrán un alto valor en las pruebas TOST y RPVOT, a diferencia de los aceites minerales convencionales. La estabilidad a la oxidación es un factor clave en las turbinas de gas de uso severo. Por otro lado, los aceites minerales convencionales tienen una mejor solvencia que los hidrofraccionados. Esta característica puede ayudar a disolver mejor los aditivos, mejorando su retención, mejorando su capacidad para disolver los subproductos de la oxidación, que podrían ocasionar la generación de lodos y barnices.

Noria Corporation. Traducido por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América.