Mantenimiento proactivo en base a análisis de aceite lubricante. URUMAN 2004 Montevideo - Uruguay

MANTENIMIENTO PROACTIVO EN BASE AL ANALISIS DE ACEITE LUBRICANTE Doctor Ing Tribologia Manuel Rojas Nadal

Resumen: En el presente trabajo se desarrollan dos ejemplos sobre la aplicación de técnicas de mantenimiento proactivo en base a análisis de aceite lubricante. Utilizando técnicas de análisis físico-químico instrumental que son detalladas, es posible detectar en forma incipiente la aparición de problemas que evitan el desarrollo de fallas catastróficas en los motores diesel de locomotoras. La detección a tiempo de problemas en las unidades además de evitar daños severos ha permitido el replanteo del plan de mantenimiento preventivo de la flota. Esta metodología es aplicable a otros equipos lubricados ya sean estacionarios o móviles.

Introducción Toda máquina se desgasta: por el tiempo, por el funcionamiento y por múltiples agentes contaminantes a los que se ve expuesta. Sin embargo, la vida útil de un equipo puede ser alargada por alguna forma de mantenimiento: correctivo, preventivo, predictivo o proactivo. De la misma manera que los fluidos corporales son valiosos indicadores de las condiciones de los organismos vivos, las maquinarias tienen en los lubricantes precisa información acerca del estado de la amplia gama de piezas lubricadas. El trabajo de “monitoreo de aceite lubricante en uso” es un proceso científico de ensayos de laboratorio con el fin de determinar la presencia y origen de contaminantes en el aceite, así como de verificar eventuales cambios en las características del fluido. Por las múltiples funciones que ejerce (lubricación, refrigeración, limpieza, protección contra agentes corrosivos) y por el acceso a los puntos mas íntimos de una máquina, el aceite constituye un “trazador ” de extrema confianza: un análisis de las innumerables “impresiones” recogidas - elementos de contaminación, desgaste y/o oxidación, transformaciones fisicoquímicas – traducen, en manos

Autores: M. Sc. Q. Gustavo Pignalosa; M. Sc. Q. Carlos Mantero; M. Sc Ing. Leonardo Della Mea; Br. Ing. Ricardo Mosquera

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experimentadas, las verdaderas condiciones de los componentes de los sistemas lubricados. Así, con rapidez y precisión, se logra un valioso apoyo en el mantenimiento de conjuntos mecánicos: equipamientos automotrices e industriales (tractores, camiones, elevadores, reductores, guinches, compresores, sistemas hidráulicos, perforadoras, etc.) Monitorear regularmente lubricantes y fluidos hidráulicos o refrigerantes es garantía para un trabajo en niveles de contaminación no perniciosos: los resultados van desde la economía en el consumo del fluido (mayor tiempo de utilización en servicio) hasta la toma de decisión de la oportunidad de una intervención correctiva evitando grandes perjuicios económicos debido a fallas severas.

El Mantenimiento Predictivo busca detectar tempranamente fallas de un equipo mediante la utilización de técnicas como el análisis de aceite (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.), análisis vibracional o termografía. El Mantenimiento Proactivo enfatiza la rutina de la detección de parámetros de forma tal de permitir la corrección de las condiciones de causas de fallas, tratando así de evitar que la misma ocurra. De esta manera el Mantenimiento Proactivo actúa muchas veces corrigiendo el Protocolo de Mantenimiento Preventivo de los equipos monitoreados que surge de los fabricantes o de técnicos de mantenimiento, sustituyéndolo por el que se origina de un seguimiento minucioso de los parámetros relevados con las técnicas antes citadas.

La incorporación de técnicas de mantenimiento predictivo y proactivo mediante el análisis del lubricante de motores diesel de locomotoras ha permitido aumentar la confiabilidad y disponibilidad de los equipos, permitiendo reducir costos en repuestos, mano de obra, tiempo de paro, lubricantes, etc., mejorando el aprovechamiento de los recursos (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.).

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La experiencia adquirida hasta el momento ha permitido: 1)Optimizar la combustión, disminuir la dilución por combustible y la contaminación ambiental. 2)Conocer el desgaste normal de los motores 3)Reducir el consumo de lubricantes 4)Reformular el protocolo de mantenimiento preventivo En el presente trabajo haremos en primer lugar una breve descripción de las técnicas utilizadas en nuestro laboratorio, el procesamiento de los datos adquiridos y la experiencia positiva del relacionamiento creciente entre laboratorio y taller de mantenimiento. En segundo lugar daremos un par de ejemplos de como mediante un seguimiento riguroso del análisis de metales de desgaste y contaminación por técnicas de Espectrometría Atómica en aceite lubricante (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.) de locomotoras es posible detectar una causa de falla antes de que la misma produzca daños, evitando así el perjuicio en un equipo dado. También fue posible modificar el protocolo de Mantenimiento Preventivo de forma tal de evitar que estas fallas ocurrieran en la flota.

Laboratorio de Análisis de Aceite de Motores Como ya dijimos, el trabajo de analizar una muestra de aceite (u otro fluido) en uso, consiste en realizar un conjunto de ensayos de laboratorio con el fin de determinar la presencia de contaminantes en el aceite, su origen, así como de verificar eventuales cambios en las características del fluido. Estas informaciones son obtenidas y procesadas por personal especializado, utilizándose técnicas y equipamientos modernos. Es de destacar que para que el trabajo sea redituable el muestreo debe realizarse en forma adecuada: equipo en funcionamiento y a la temperatura de operación, envases nuevos para muestras, cantidad suficiente de muestra, datos del equipo (producto, horas, kilómetros), etc.

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Los ensayos más utilizados y su significación son: Viscosidad cinemática ( ASTM D-445) (5): una medida del la resistencia del aceite a fluir. El cambio de la misma en los aceites usados pone de manifiesto problemas de oxidación, presencia de agua, dilución por combustible, etc. Determinación de contenido de agua ( ASTM D-95)(6): La presencia de agua puede indicar problemas vinculados al agua de refrigeración, condensación, etc. Determinación del TBN (ASTM D-2896) (7): Mide la capacidad residual de aditivos básicos del lubricante que protegen al equipo de la corrosión . Análisis de metales por Espectroscopia de Absorción Atómica (AAS) (3). Existen tres fuentes que originan metales: metales de desgaste, aditivos y contaminantes (Fig. 1) Metales de desgaste: Estos metales indican desgastes en componentes particulares de una unidad estudiada permitiendo evaluar el estado de los mismos (hierro, cromo, plomo, cobre, etc.) Aditivos: Existen metales en numerosos paquetes de aditivos de lubricantes; la caída de concentración de los mismos dan una idea del deterioro de las propiedades del lubricante (Magnesio, Zinc, Calcio, etc.). Contaminantes: Contaminantes externos (polvo, tierra, refrigerante) pueden ser detectados de acuerdo a componentes metálicos presentes en los mismos, indicando una falla en la estanqueidad del sistema lubricante (Silicio, Sodio, Aluminio, etc.). Dilución por combustible por Cromatografía de gases (ASTM D-3524) (8) El pasaje de combustible al aceite es frecuente en motores con problemas de mala relación aire/combustible por problemas de inyección, compresión, etc. (Fig.2).

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Determinación de contenido de insolubles (insolubles en pentano y tolueno; ASTM D-893)(9): Indica la presencia de contaminantes sólidos (productos de oxidación, hollín, contaminantes externos) e identificación de la naturaleza de los mismos. Blotter test (Cromatografía de gota) Mediante una gota de aceite en un papel adecuado se obtiene una primera información cualitativa valiosa sobre el estado del mismo. Examen microscópico de cualquier partícula visible en la muestra o eventualmente en el filtro. La identificación cualitativa de la composición del metal revela componentes que están sufriendo el desgaste y el análisis morfológico sugiere modo y causa del mismo.

Fig. 1- Espectrofotómetro de absorción atómica

Fig.2- Cromatógrafo de gases

Procesamiento de Datos El manejo de las indicaciones de los parámetros aislados puede ser útil para la evaluación del aceite en uso, pero difícilmente lo es para la información del estado del equipo, para el cual es necesario un seguimiento histórico de las mismas. La construcción de una base de datos y gráficos de los parámetros en el tiempo permite, mediante la observación de los cambios en la tasa de crecimiento (indicada por la pendiente), alcanzar el objetivo estratégico del mantenimiento proactivo: detener el equipo antes que la falla ocurra.

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Es de destacar que existe un cronograma de muestreo estricto de cada equipo que ronda las 200 horas, pudiendo requerirse una frecuencia mayor de muestreo de acuerdo a las necesidades.

Flujo de la información El procesamiento de la información surgida del análisis del aceite culmina con un informe del estado del mismo y del motor, éste es enviado al taller mecánico, donde las acciones a tomar referentes al mantenimiento son elaboradas tomando las recomendaciones del laboratorio como una herramienta valiosa. El Laboratorio es retroalimentado con información surgida del Taller referente a reparaciones de mantenimiento correctivo o fallas severas de forma de permitir elaborar una lista de “síntomas” que sean detectados más fácilmente en el futuro con antelación por el equipo de mantenimiento (Fig. 3) Optimización de los protocolos de mantenimiento preventivo

Informe análisis lubricante

Taller de mantenimiento

Laboratorio

Motores / equipos Acciones de mantenimiento

Tareas de mantenimiento programado y no programado

Protocolos de mantenimiento preventivo (OEM)

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Fig. 3- Diagrama de flujo de información

Estudio de casos reales CASO 1. Pase de agua refrigerante a la cámara de combustión Detección del problema: alerta del laboratorio Los análisis de aceites correspondientes al motor diesel GE7FDL8 (de 2000 HP) de la locomotora General Electric C-18-7i Nº 2008 mostraban aumentos significativos en el contenido de Cromo y Sodio como lo muestra la figura 4. No se detectaban vestigios de agua en el análisis. Es de resaltar que hasta el momento en que se decidió la intervención en talleres no existía ningún síntoma de anomalía en el funcionamiento de la locomotora. La constatación de que las proporciones de Sodio y Cromo encontradas en la muestra de aceite del motor diesel guardaban la relación estequiométrica del bicromato de sodio (utilizado como inhibidor de corrosión en el refrigerante), indujeron a la búsqueda de una fuga de solución refrigerante. La experiencia de casos similares sin la detección de agua en el aceite, indicaba que el refrigerante debía entrar directamente a la cámara de combustión donde el agua resultaba evaporada dejando solamente residuos sólidos ricos en Cromo y Sodio, los que actúan como abrasivos. La no actuación a tiempo genera pérdidas en el bruñido del cilindro, problemas de empastamiento y consecuente pegado de aros, deficiencia en la compresión, en la combustión y en la potencia, en un proceso sinérgico.

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Concentración (ppm)

35 30 25 20 15 10 5 0

21000

Fe (ppm) Cr (ppm)

Hrs. Motor Diesel Cu (ppm) Na (ppm)

Pb (ppm)

Figura 4 – Evolución de metales de desgaste y contaminantes.

Identificación de la falla Antecedentes similares indicaban la posibilidad de falla del intercooler (intercambiador de calor agua-aire de admisión), realizándose entonces la desconexión e inspección de las cañerías de admisión donde no se pudo constatar la presencia de manchas de tonalidad verdoso-amarillenta características del bicromato de sodio. La sospecha entonces pasó a recaer sobre los sellos existentes en los conjuntos de potencia refrigerados con agua (chaqueta exterior-tapa de cilindro-camisa, ver figura 5) debiéndose proceder a los desacoples de los mismos para realizar pruebas hidráulicas Durante el desacople de las conexiones, en uno de ellos se observó que la boca de escape de gases tenía una zona de su pared con un aspecto lavado, sin la característica presencia de hollín (Figura 6). Se procedió entonces a retirar y desarmar el mencionado conjunto encontrándose deficiencias en el sello de agua debajo de la boca de escape. En los períodos de funcionamiento del motor resulta improbable el pasaje de refrigerante al escape debido a la relación de presiones existentes. Durante los periodos de parada del motor y debido a la presión hidrostática del refrigerante y a la inclinación con respecto a la vertical que presentan los conjuntos (motor en “V”) se produjo el llenado con solución refrigerante de la cavidad que se presenta lavada en la figura 3, desde la cual logró acceder a la cámara de combustión.

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30

12 boca de admisión 21 camisa 26 chaqueta 30 sello con defectos 31 boca de escape 34 tapa de cilindro

Figura 5. Esquema del conjunto de potencia

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Figura 6. Parte superior de la tapa de cilindros. Se aprecia la zona de sellado defectuoso y boca de escape mostrando el aspecto lavado y depósitos de cromatos.

Solución del problema El conjunto fue sustituido y la máquina liberada a servicio realizándosele un seguimiento especial con plazos mas estrechos entre las tomas de muestras de aceite a efectos de verificar su comportamiento. Una vez que se comprobó su normal funcionamiento, verificándose la no contaminación de la cámara de combustión con agua con sales de cromato, se procedió al protocolo habitual de seguimiento con la seguridad de haber evitado severos problemas de desgaste y mala combustión. El programa de inspecciones indicadas en el mantenimiento preventivo original de fábrica (estipulado en meses y años) indicaba la completa verificación de los conjuntos de potencia (incluyendo las pruebas hidráulicas) en el plazo indicado para la reparación general del motor que para el régimen del transporte de EEUU, se estipula en ocho años. El plan traducido al régimen de trabajo de nuestro ferrocarril fue acordado por técnicos de AFE en conjunto con técnicos extranjeros representantes de la firma General Electric llegados en 1994 con el fin de supervisar y asesorar técnicamente durante parte del período de garantía. En la adaptación a las condiciones de uso de nuestra realidad se adoptó la fuerte hipótesis de traducir el plan original de fábrica referenciado en años a kilómetros recorridos. Esto conlleva a que muchas revisaciones se realicen en tiempos que se extienden a más del doble del programa original desarrollado en EEUU. Cabe resaltar que la gran mayoría de los elementos componentes de una locomotora sufren un desgaste proporcional a los kilómetros recorridos, o a las horas de uso o al número de revoluciones efectuadas, por lo que muchos programas de

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Mantenimiento proactivo en base a análisis de aceite lubricante. URUMAN 2004 Montevideo - Uruguay mantenimiento de locomotoras toman alguno de estos parámetros como referencia, con la debida precaución de anunciar que su programa necesita ser corregido de acuerdo a las condiciones de servicio singulares del modo ferroviario operante en cada país. En el caso particular de elementos sellantes a base de elastómeros resulta evidente que su vida útil guarda directa relación con el tiempo de uso sin tener participación el número de kilómetros que haya recorrido la unidad, por lo que una hipótesis tan fuerte como la adoptada en la traducción del programa sólo es posible admitirla bajo un estricto seguimiento mediante ensayos y análisis como el presentado en este trabajo. En el momento actual, el resto de los equipos está sometido a un riguroso seguimiento de determinación de Cromo y Sodio en el aceite, como para evaluar si la tasa de fallo amerita una modificación del protocolo de Mantenimiento Preventivo.

CASO 2. Desgaste prematuro de cojinetes de bancada. Detección del problema: alerta del laboratorio Los análisis de aceites correspondientes a los motores diesel GE7FDL8 de la locomotoras General Electric C-18-7i mostraban aumentos significativos en el contenido de Plomo como lo muestra la figura 7 (muestra cercana a las 24.000 horas) correspondientes a la locomotora 2003, también en este caso hasta el momento en que se decidió la intervención en talleres no existía ningún síntoma de anomalía en el funcionamiento de la locomotora.

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EVOLUCION DEL DESGASTE LOC. 2003

ppm Metal

40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 22000

24000

26000

28000

30000

32000

34000

36000

Hrs. Motor

Fe(ppm)

Pb(ppm)

Figura 7 – Evolución de metales de desgaste y contaminantes.

Identificación de la falla En este caso la teoría nos indica que la única fuente de la que puede provenir el plomo es de los cojinetes que utilizan metal blanco (Babbit) como capa externa, dirigiendo entonces la sospecha a los cojinetes de biela y bancada. Se programó entonces la parada de la máquina con mayores contenidos de Pb cuando se dispuso del material y herramental para la sustitución de los cojinetes de bancada. De acuerdo a la experiencia y al programa de mantenimiento original estos deberían ser sustituidos en la reparación general correspondiente cercana a las 50000 horas cuando en este caso rondaba las 24000 horas. Una vez procedido al desarme se verificaron aprietes de fábrica excesivos y se constataron áreas con grandes pérdidas de metal blanco como se observan en las figuras 8 y 9.

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Figuras 8 y 9. Daño localizado del metal blanco de cojinetes de motor GE7FDL8

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Solución del problema Se sustituyeron los cojinetes de biela y bancada con el apriete indicado por el fabricante, comprobando en su seguimiento posterior que los niveles de Pb descendiesen a niveles considerados normales (como lo indica la figura 7). Las principales razones que se podían asignar como causantes del problema son: 1) Calidad del cojinete. 2) Error de diseño 3) Apriete excesivo (de fábrica). 4) Utilización de filtros de aceite no originales durante un periodo. (Los análisis de laboratorio indicaban en ese período aumentos en el nivel de hollín en el aceite) En la medida que los análisis de aceite indicaban un índice elevado del nivel de plomo se fueron sustituyendo los cojinetes de las respectivas máquinas haciéndolo en forma coordinada con revisaciones programadas a efectos de afectar minimamente la disponibilidad de máquinas en servicio, pasándose a trabajar exclusivamente con filtros originales. En la actualidad, trascurridos 36000 horas se encuentra que en determinadas motores se reitera el crecimiento de Plomo con tendencias similares a las encontradas anteriormente lo que parecería descartar las hipótesis de aprietes excesivos y de la utilización de filtros no originales, centrando la preocupación sobre la calidad de los cojinetes (problemas de adherencia del metal blanco) o de error de diseño (produciendo problemas en la capa de lubricación). Esto nos lleva actualmente a un replanteo de la solución definitiva. Esta falla no detectada a tiempo podría haber llevado al fundido del motor con el severo trastorno económico que conlleva teniendo presente el costo de mano de obra, de repuestos y lucro cesante.

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Conclusiones La utilización de las técnicas de análisis de aceite permiten corregir problemas a nivel incipiente atacando el problema en su génesis, reduciendo considerablemente los daños que de otra manera seria difícil evitar y rediseñar el programa de mantenimiento preventivo.

Se encuentra que esta metodología resulta en general beneficiosa para empresas que dispongan de equipos que utilizan fluidos lubricantes, refrigerantes y/o transmisores de energía, sujetos a desgaste y contaminación como motores, cajas de engranajes, compresores y sistemas hidráulicos.

Los beneficios de un Programa de Mantenimiento Proactivo (PMP) basado en análisis de aceite son: ¾ Detecta tempranamente problemas de tal forma que éstos corregidos antes que se conviertan en fallas mayores.

puedan ser

¾ Monitorea tanto “lo negativo” como “lo positivo”, así se ahorra en cambios prematuros de aceite y revisaciones innecesarias. ¾ Acorta los tiempos de reparación; usando los resultados del laboratorio el personal de mantenimiento va directo al núcleo del problema. ¾ Es posible programar con la debida antelación la disponibilidad de repuestos y personal de manera de actuar en un plazo conveniente para solucionar el problema detectado por el PMP. ¾ Monitorea los protocolos de mantenimiento preventivo, permitiendo verificar que este está siendo efectivamente realizado en tiempo y forma. ¾ Aporta información valiosa en la selección de equipos para revisaciones pesadas indicadas en el protocolo de mantenimiento preventivo. ¾ Desarrolla un perfil de cada pieza de un equipo ayudando a evaluar la performance de ésta y a la planificación del suministro de repuestos.

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Mantenimiento proactivo en base a análisis de aceite lubricante. URUMAN 2004 Montevideo - Uruguay ¾ Incrementa el valor del equipamiento usado, utilizando el historial del PMP como prueba de mantenimiento y condiciones apropiadas del mismo. ¾ Respalda los reclamos de garantía en las instalaciones de equipamiento nuevas.

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