"AUMENTO DE CONFIABILIDADE DE TURBO-MÁQUINA A PARTIR DA PURIFICAÇÃO DE ÓLEO DE FORMA PERMANENTE, CONTINUA E

DEDICADA REMOVENDO CONTAMINANTES SÓLIDOS, GASES E ÁGUA”

Aaron Granados (1) Renato Pradillas (2) Gustavo Shimizu (3)

Resumo Este trabalho pretende documentar e validar os benefícios e vantagens de tecnologias de ultima geração na purificação de fluidos industriais (óleos dielétricos, hidráulicos, térmicos e óleos lubrificantes) de forma continua e permanente removendo água (dissolvida, livre e emulsionada), sólidos (material de desgaste interno, vernizes, gel, etc.) e gases (hidrocarbonetos Teb≥ 75 °C) para mantê-los limpos conforme as normas de qualidade de óleo tais como ASTM D 6224 e ISO 8068. A implementação de programas de purificação continua de óleos, que lubrificam turbo-máquinas de alto rendimento é uma necessidade imperativa que se justifica técnica, econômica, ecológica e desde o ponto de vista de seguridade industrial. As grandes quantidades de dinheiro usadas anualmente por troca de óleo e gastos por manutenção corretiva desnecessária são uma importante reserva de produtividade. Com tecnologias adequadas, estas reservas podem transformar-se numa substancial economia para as empresas, oferecendo um período mais longo de vida aos equipamentos envolvidos. Adicionalmente, estabelecer um programa de analises de laboratório aos óleos lubrificantes da turbo-máquina e equipamento crítico, proporcionará informação sobre o estado da integridade física do equipamento e ajudará a tomar medidas preditivas – preventivas antes que exista alguma falha no equipamento.

(1) Grupo SICELUB Lubritech Diretor de PureOil

(2) Lubritech do Brasil Serviços de Lubrificação Diretor

(3) Lubritech do Brasil Serviços de Lubrificação Engenheiro de vendas regional Sul / Sudeste

1. Introdução A turbo-máquina é um equipamento dinâmico crítico cujo elemento principal é um rotor por onde circula um fluido de forma continua gerando uma transferência de energia entre o fluido e a máquina. Estes equipamentos são instalados dentro das indústrias de processo continuo como Extração e produção de petróleo, Refinação, Petroquímicas, Gás e Energia, indústria do papel, Mineração, Siderúrgica, Automotiva, entre outras. A implementação de programas de purificação continua para manutenção preventivo / preditivo de óleos lubrificantes, diminui drasticamente as custosas reparações da turbo-máquina de alto rendimento que, na maioria dos casos, são o coração de um processo ou área industrial. Adicionalmente, estes programas contribuem que a vida dos óleos lubrificantes seja estendida, em alguns casos a mais de 10 anos. A decisão para substituir os óleos de um equipamento de processo é baseada na perda de propriedades críticas de lubrificação, que se deve principalmente à contaminação ou degradação do óleo. Para lubrificantes que não se encontram submetidos a temperaturas elevadas, como óleo hidráulico e óleo de turbinas, com uma limpeza adequada livre de contaminantes, podemos obter um aumento na vida útil do óleo a mais de 10 vezes, alem de beneficiar a operação e lubrificação do equipamento. 2. Fase de Estudo Os contaminantes são aquelas partículas que não fazem parte da formulação original do fluido industrial as quais atuam em contra da função original do fluido e geram danos consideráveis e na maioria das ocasiões irreversíveis. Estes contaminantes são facilmente encontrados em sistemas de lubrificação da turbo-máquina conforme o seguinte esquema: Turbinas de Gás Partículas sólidas, vernizes e gases Turbinas de Vapor Umidade e sólidos Sistemas Hidráulicos Sólidos Os contaminantes típicos são: ÁGUA Por natureza, o óleo de base mineral é higroscópico, ou seja, ele absorve água com facilidade, inclusive aquela que se encontra no ar. No fluido industrial, podemos encontrar água em três formas: dissolvida, livre e emulsionada, a qual debilita a película lubrificante ou a desloca, modifica a viscosidade do óleo, provoca oxidação e desgaste no equipamento originado por uma fricção excessiva e desnecessária. Á água dissolvida é aquela quantidade de água que existe no óleo por debaixo de seu ponto de saturação; á água livre é quaisquer quantidades de água que se encontre por cima do ponto de saturação; e a água emulsionada é água livre formando uma emulsão estável devido a reações eletroquímicas das moléculas da água-óleo, é a mais nociva para a turbo-máquina e curiosamente é a forma que mais se encontra no fluido lubrificante. A água se considera o inimigo número um do óleo lubrificante já que, entre outras coisas, alguns aditivos são parcialmente solúveis em água e

ao separar-se do óleo por decantação ou centrifugação, se perdem junto com água livre. A água livre ao entrar em contacto com os rolamentos que se encontram submetidos a temperaturas elevadas pode vaporizar-se subitamente provocando danos severos ao equipamento e a suas partes internas. Quando os óleos apresentam uma emulsão estável com água, é impossível separar-se por centrifugado. El centrifugado pode eliminar altos conteúdos de água livre pero não água emulsionada. Se logramos reduzir o conteúdo de água no óleo desde 400 partículas por milhão em um mililitro (ppm) até 25 ppm, a vida dos rolamentos se incrementa até 6 vezes, ou seja, se utilizamos uma lubrificação com óleo que apresenta um conteúdo de água de 400 ppm, o rolamento dura 1 ano porem a vida desse rolamento pode-se estender até 6 anos com diminuir o conteúdo de umidade até 25 ppm.

Efeito do óleo com água na vida dos rolamentos

Os níveis ideais de conteúdo de água de óleos lubrificante para turbinas, compressores, bombas, etc., são simplesmente os menores possíveis. O conteúdo de água para os óleos minerais lubrificantes comumente utilizados em turbo-máquinas deve estar debaixo de seu valor de saturação, isto é, exclusivamente água dissolvida. O conteúdo de água dissolvida deve ser semelhante ao conteúdo de um óleo novo sem contaminação, entre 50-100 ppm para óleos lubrificantes minerais tipo turbinas (ISO VG 32-68). Os níveis que indica a norma ASTM D 6224 e ISO 8068 são 500 e 200 ppm respectivamente como limite máximo de conteúdo de água no óleo. SÓLIDOS Aparecem em todos os sistemas de lubrificação por diversas causas, pero em forma alarmante em equipamentos que manuseiam gases com alto conteúdo de partículas finas ou que se encontram perto de caldeiras. Os sólidos podem ser partículas metálicas de desgaste, gomas, produtos de degradação de óleo,

0

50

100

150

200

250

Porcentagem de extensão

da vida relativa

25 100 400 1000

ppm

ASTM 6304

Agua

produtos de corrosão do equipamento, partículas de carvão, poeira, etc. os quais entopem os sistemas de filtração ou incrustam e corroem os condutos onde circula óleo. Em alguns equipamentos onde óleo é utilizado no sistema de controle da turbina pode ocasionar disparos de turbina, pois o contaminante pode bloquear as válvulas. Em sistemas onde existe presencia de sólidos e água, os condutos chegam a entupir virtualmente ocasionando problemas ou se catalisam em forma de lodos. Os sólidos menores de 3 micra são os mais difíceis de remover, pois os filtros comuns para este tamanho de partículas são mais custosos no momento de instalar-se, e nas vezes gera um Diferencial de Pressão muito grande como conseqüência dos poros tão fechados no meio filtrante.

Processos para remover partículas

O método padrão para classificar o nível de contaminação de um sistema de lubrificação está descrito na normatividade ISO 4406:1999. Nesse sistema de classificação, a contagem de partículas é realizada com um método de contagem microscópica ou com um contador automático de partículas. O resultado da contagem de partículas sólidas é convertido em um código composto por 3 dígitos dependendo do número de partículas encontradas em um mililitro de óleo maiores do que quatro, seis e quatorze micra segundo a seguinte tabela.

Classificação ISO 4406:99

Ou seja, um óleo com 4.521 partículas maiores a 4 micra, 827 partículas maiores a 6 micra e 320 partículas maiores a 14 micra, corresponde um código ISO 4406 de 19/17/15. GASES DISSOLVIDOS Este problema é comum achar-se em sistemas onde se utiliza óleo para selagem, mesmo que o sistema de lubrificação tenha um sistema desgasificador. A contaminação dos óleos com gases inflamáveis diminui drasticamente a temperatura de inflamação original do óleo lubrificante até 50°C ou menos, gerando um risco na operação do equipamento por um possível incêndio. Em geral os fabricantes de turbo-máquinas especificam temperaturas de inflamação por encima dos 170°C nos óleos lubrificantes. As normas ASTM D 6224 e ISO 8068 indicam aciones corretivas para diminuir em 30°C a temperatura de inflamação. Alem, os gases dissolvidos no óleo diminuem drasticamente a viscosidade, segundo seu conteúdo, provocando severo desgaste ao equipamento. Existem gases (Cl2, H2S, etc.), que ao dissolver-se no óleo lubrificante incrementam a acidez de este provocando ataque químico ao equipamento e a degradação do óleo.

HIDROCARBONETOS LEVES Os hidrocarbonetos leves atuam como dissolventes do óleo lubrificante e reduzem a viscosidade. Também podem diminuir os pontos de inflamação ocasionando desgaste e riscos de seguridade Industrial. ELECTROSTATICA E CALOR Estes dos fenômenos afetam fortemente a qualidade do óleo. A eletrostática submete ao óleo a altas temperaturas devido às descargas eletrostáticas que pode provocar um elemento filtrante demasiado fechado que provoque fricção excessiva ao óleo provocando com isto a degradação do óleo, promovendo a geração de subprodutos de degradação como vernizes, geles e lodos. O calor degrada o óleo quando este não tem sido especificado para alta temperatura. A temperatura ambiental também afeta o desempenho do óleo. Os contaminantes afetam diretamente a operação segura e confiável de seu equipamento, tendo com isto as seguintes referencias de afetação a turbo-máquina por problemas nos sistemas de lubrificação.

ESTATÍSTICA DE CAUSAS DE QUEBRADE TURBO GERADORES

54% Contaminação no

sistema de lubrif icação

34% Falha no sistema de

bombeamento de óleo de respaldo

5% Instalação

ou reparação

inadequada

5% Falha

de mancais

2% Outros

Fonte: ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE

Falhas nos subsistemas da turbomaquina

75

63

5046

44

29

1612

7 6

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Subsistemas

Número de falhas

1. Lubrif icação

2. Extração de v apor

3. Admissão de v apor

4. Condensado

5. Sistema elétrico

6. Mancais

7. Instrumentação

8. Sistema do excitador

9. Sistema de resf riamento

10. Motor de baixa

v elocidade

3. DESCRIÇÃO DA SOLUCÃO A recomendação de instalar purificadores permanentes, dedicados e continuo garante que o óleo lubrificante esteja sendo tratado o tempo todo com um processo de remoção de todos os contaminantes. A seleção da tecnologia para o tratamento de contaminantes com Água e Gases se descreve na seguinte tabela.

COMPARAÇÃO TECNOLÓGICA DE PROCESSOS DE PURIFICAÇÃO DE ÓLEOS LUBRIFICANTES Alguns das tecnologias que removem água no óleo incluem outras formas de tratamento do óleo

REMOCION DE ÁGUA GAS TECNOLOGIA BENEFICIOS DESVENTAJA

LIVRE EMUL. DISSOL Centrifugado

Só água livre é removida, Sujeira e outros sólidos também são removidos

Gases dissolvidos não podem ser removidos Pode incrementar a emulsão com água Risco de separação de Aditivos conforme a norma ASTM D 4174 parágrafo 12.3.1 nota 8. A eficiência do processo de centrifugação depende de variáveis como fluxo, viscosidade do óleo e densidade dos contaminantes com o óleo conforme o parágrafo X 3.1.3.1 da norma ASTM D 6439-05.

SIM SIM NÃO NÃO

Filtros Coalescentes

Só água livre é removida Aditivos podem ser removidos por este método Efetivo para uma faixa muito curta de viscosidade e gravidade especifica Necessidade de proteger ao filtro coalescente no momento de que se apresenta alta contaminação por sólidos, conforme a norma ASTM D 4174 parágrafo 12.4 Desempenho máximo em remoção de água é de 150 ppm conforme a norma ASTM 6439-05 parágrafo X 3.1.5

SIM NÃO NÃO NÃO

Desidratação ao vácuo

Pode remover água dissolvida, livre y emulsionada. O lubrificante contaminado é aquecido ao vácuo para separar água Combinado com um meio de filtração resulta ser efetivo

Alto custo para um baixo desempenho contra o fluxo de operação. Excesso de vácuo pode eliminar os aditivos que tenham uma pressão de vapor baixa, conforme a Norma ASTM D 4174 parágrafo 12.5 e a normatividade ASTM D 6439-05 parágrafo X3.1.7 Não apto para trabalho em área classificada

SIM SIM SIM

Desidratação por Transferência de ar de Massa por pressão positiva de dupla etapa

Remove água menor a 100 ppm alem de contaminantes por gases conforme a norma ASTM D 4378-03 parágrafos 8.2.7.1 e 8.2.7. e ASTM D 6224 tabela 3. Os aditivos não são removidos por não usar força centrifuga nem pressão negativa (vácuo) Nitrogênio ou ar são utilizados para realizar a remoção de gases num ambiente seguro e confiável. Opção de remoção de sólidos. Adequado para trabalho em área classificada

SIM SIM SIM SIM

ASTM D 6439 Standard Guide for Cleaning, Flushing, and Purification of Steam, Gas, and Hydroelectric Turbine Lubrication Systems. ASTM D 4378-03 Standard Practice for In-Service Monitoring of Mineral Turbine Oils for Steam and Gas Turbines. ASTM D 6224 Standard Practice for In-Service Monitoring of Lubricating Oil for Auxiliary Power Plant Equipment. ASTM D 4174 Standard Practice for Cleaning, Flushing, and Purification of Petroleum Fluid Hydraulic System

O processo de transferência estabelece o movimento de uma propriedade (massa, momentum ou energia) em uma direção sob uma força impulsora. A transferência de massa cambia a composição de soluções sem que aconteça uma reação química onde geralmente transfere-se uma substancia a través de outra. Por esta causa, ela é utilizada em muitos processos industriais com a finalidade de separar e purificar produtos e subprodutos. O sistema de desidratação e purificação de óleo Thermojet ® utiliza o principio de transferência de massa para conservação e acondicionamento de óleos lubrificantes operando de forma continua, permanente e dedicada nas turbo-máquinas das unidades de processo. O óleo é succionado mediante uma bomba dupla de engrenagens acionada por um motor elétrico e passa por um filtro que utiliza cartuchos substituíveis de diferentes faixas de filtração para poder eliminar as partículas contaminantes e reduzir o código de limpeza segundo a norma ISO 4406. O óleo filtrado passa por um aquecedor elétrico de temperatura controlada para garantir a remoção da água livre, dissolvida e emulsionada assim como gases contaminantes e hidrocarbonetos leves. Na câmara misturadora de duplo edutor em línea vai acontecer o principio de transferência de massa, onde óleo é misturado com ar ou nitrogênio para remover água e gases. A descarga da saída da câmara misturadora é enviada ao tanque depósito de separação para garantir a separação dos contaminantes. O óleo purificado retorna ao reservatório principal da turbo-maquina para continuar realizando sua função de lubrificação. Também é importante mencionar que o sistema Thermojet ® é apto para trabalho em área classificada, o que permite purificar a totalidade das turbo-máquinas dentro das indústrias.

No caso da remoção de pequenos sólidos (nas vezes partículas menores a um micra) e neutralização dos efeitos elétricos dos produtos de degradação do óleo, a tecnologia mais adequada para este tratamento é aglomeração de partículas mediante cargas balanceadas que separa o fluido carregando as partículas positiva e negativamente. Quando o fluido e misturado as partículas contaminantes incrementam de tamanho e são facilmente removíveis em elementos filtrantes sem a necessidade de utilizar filtros de alto custo.

Quando existem vernizes no óleo é preciso que o processo de eliminação de contaminantes seja continuo já que a aglomeração de cargas balanceadas logra separar o verniz que se encontra incrustada nos elementos internos do sistema de lubrificação e controle logrando uma limpeza com óleo em serviço.

Mancais com vernizes

Mancais após de purificação com aglomeração de partículas

A diferencia do sistema de aglomeração de partículas de cargas balanceadas e precipitadores eletrostáticos se descrevem na seguinte tabela.

Características Aglomeração Precipitadores Elétricos

Comentários

Remoção de Partículas Grandes (> 30 micra)

Boa Boa

Remoção de Partículas Medianas (10-30 micra)

Boa Boa

Remoção de Partículas Finas (3-10 micra)

Boa Boa

Nanofiltração (<3 micra) Boa Limitada

Desempenho de Purificação em Presencia de Água

Boa Baixa

Aglomeração funciona em óleo contendo 20% de água em comparação dos precipitadores Eletrostáticos que aceitam só 0.5%

Custos de Manutenção Baixo Alto Freqüência muito alta de reposiciones de malhas coletoras

Custos de Reparação Baixo

Remoção de Lodos, Geles y vernizes

Boa Limitado

A Remoção de vernizes nos Precipitadores Eletrostáticos é limitada, pois dependem da boa condição das malhas coletoras.

Remoção de Produtos de Oxidação

Boa

Fluxo 170, 200 e 800 GPM

Limitado a 2 GPM

Classificação de áreas Boa

Filtros de Alto Desempenho Boa Aglomeração utiliza ultima geração de filtros

Confiabilidade de Operação Alta Limitada Precipitadores Eletrostáticos Contam com sistemas de By-pass no momento que o óleo tenha 0.5% de água.

Normatividade Satisfatório Aglomeração Cumpre normatividade API, ISO, ASTM

Precisamente os purificadores de óleo serão nossa póliza de garantia que manterá a limpeza do sistema e a qualidade do lubrificante por tempo indefinido. 4. ONDE SE APLICA Aplica-se em sistemas de lubrificação forçada e fechada que existem nos equipamentos de alto desempenho tais como turbinas de vapor, turbinas de gás, compressores centrífugos, turbo-geradores e equipamento com alto volume de óleo lubrificante que são susceptíveis a uma falha operativa por baixa qualidade ou contaminação do lubrificante ou no sistema de lubrificação. É importante estabelecer que dependendo do volume de óleo a tratar-se, se definirá o tamanho do purificador a ser utilizado. Estabelece-se como uma regra

baseada em nossa experiência, que a dimensão do purificador para um determinado volume de óleo tem que circular pelo menos sete vezes o volume num lapso de um dia. Também, a velocidade de contaminação não deverá ser maior à velocidade de remoção do purificador. Em aqueles sistemas fora de especificação API 610 fabricados em aço carbono é indispensável à realização de Turboclean®1 para garantir o trabalho dos purificadores por tempo mais prolongado e não como uma solução corretiva de limpeza do óleo lubrificante. 5. CASO DE ESTUDO A implementação do programa de lubrificação integral foi aplicada exitosamente numa estação de compressão numa turbo-compressor reciprocante obtendo os seguintes resultados após da instalação do sistema. VISCOSIDADE A viscosidade de óleo permite que exista uma ótima lubrificação entre as superfícies que estão em contato evitando um contato metal – metal. A presencia de água e gases no óleo pode reduzir o grau de viscosidade do óleo aumentando o risco de perder a película lubrificante o que aumenta a temperatura do óleo no mancal criando um ponto de alta temperatura o que pode ser arriscado se o óleo apresenta um ponto de inflamação baixo. No caso recuperou-se a viscosidade do óleo após um mês de operação do Thermojet eliminando água e gases.

1 Tecnologia de flushing óleo hidráulico de alto caudal e turbulência conforme a normatividade

ASTM D 6439 e ASTM D 4378

PONTO DE INFLAMAÇÃO Na indústria de processo, manter óleo com ponto de inflamação maior a 200°C é um fator de segurança muito importante, pois o óleo é considerado um combustível e em situações criticas com um baixo ponto de inflamação, ele poderia criar uma faísca ou iniciar um incêndio. Conseguiu eliminar os gases dissolvidos no óleo aumentando o Flash Point do óleo.

CÓDIGO DE LIMPIEZA Manter o óleo e o sistema de lubrificação limpo gera muitos benefícios. O objetivo segura e confiável no equipamento. Para obter isto, é necessário instalar elementos filtrantes de alta qualidade, os quais são classificados segundo sua eficiência definida por o fator de redução β para um tamanho especifico. Quanto maior seja o fator β maior será a eficiência do filtro. A classificação expressa o numero de partículas especificadas antes e depois do filtro. No caso reduziu-se a limpeza do óleo do código ISO 18/15 a 15/10.

ÁGUA Utilizando o Thermojet, conseguiu-se reduzir o conteúdo de água no óleo desde uma situação de grandes quantidades ao padrão que estipula a normatividade e os fabricantes dos equipamentos que é por debaixo dos 100 ppm.

5. BENEFICIOS OBSERVADOS A implementação do sistema de purificação evitou a necessidade de trocar o óleo do equipamento constantemente devido à perda de viscosidade pela alta concentração de água e gases dissolvidos nele. Também ajudo a aumentar o Flash Point evitando uma possível incidência de fogo dentro ou fora do equipamento o que pode gerar uma parada não programada da unidade ou no pior dos casos, o risco de perder uma vida humana. Lembremos que a seguridade de nosso pessoal é fundamental numa área industrial. A melhoria no sistema de lubrificação trouxe outros ganhos significativos com o aumento da vida útil do equipamento, que gerou uma economia pela redução do consumo de lubrificante, redução de paradas programadas e gastos de manutenção, para poder ser utilizada em mais tecnologia e assim criar um círculo de inovação e aumento de qualidade continuo. Na seguinte tabela mostra-se o ganho na vida útil do equipamento ao reduzir o nível de contaminação e o conteúdo de água no óleo. A redução de 1200 ppm de água para 80 ppm aumento a vida útil do equipamento em 2.3 vezes pelo menos. A redução do código ISO 18/15 para um código 15/11 aumento quase 2 vezes.

Incremento da vida útil relativa do Equipamento/Óleo ao remover água

Incremento da vida útil do Equipamento/Óleo ao remover sólidos

CONFIABILIDADE Os seguintes pontos são critérios determinantes na seleção de purificadores conectados de forma continua, permanente e dedicada na turbo-máquina.

� Desgasificar óleo lubrificante de forma continua em 99 %, reduzindo os contaminantes como acido sulfídrico y bióxido de carbono a níveis menores de 10 PPM.

� Retirar água livre e emulsionada do óleo lubrificante de forma continua em 99 %, reduzindo água dissolvida a níveis menores de 30 PPM.

� Filtrar e remover do óleo lubrificante 99 % das partículas com tamanhos de 3 a 10 Micra.

� Filtrar e remover do óleo lubrificante Nano partículas com tamanhos de 0.01 a 2 Micra.

Cumprir com as normas ASTM D 4378-03 parágrafo 8.2.7.1 e 8.2.7; ASTM D 6224 tabela 3, alem das normas NEC, API, OSHA em referencia a aspectos de construção, segurança e normatividade ambiental Estas medidas não:

• Incrementam Confiabilidade e Disponibilidade da turbo-máquina nas estações de compressão.

• Evitam as perdas de Produção por paradas não programadas a causa de deficiências de lubrificação.

• Evitam deficiências derivadas dos parâmetros de alta temperatura e sobreaquecimento dos Equipamentos turbo-compressores.

• Eleva Produtividade dos Equipamentos Turbo-compressores, derivado de otimizar a disponibilidade do equipamento crítico.

• Diminuem as emissões ao meio ambiente por manter limpos os lubrificantes.

Lograremos que os lubrificantes não se contaminem e degradem de forma rápida como acontece na atualidade e com isto teremos economias de óleo lubrificante alem de menor disposição de resíduos perigosos ao meio ambiente. 7. CONCLUSÃO Instalar um programa de lubrificação integral baseado na purificação de óleos de forma dedicada, continua e permanente. Permite manter níveis de limpeza do óleo e do sistema com baixas impurezas e boa saúde que oferece corridas de produção estendidas de forma produtiva, com segurança e mínimo de resíduos de material perigoso, mantendo o sistema de lubrificação e o fluido industrial em ótimas condições refletindo no aumento da confiabilidade da turbo-máquina. Lembremos que a vida dos equipamentos rotativos se move em películas menores a 15 micra. Dimensiones invisível ao olho humano, mas não para os equipamentos.