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    desgaste camisa cilindros desgaste camisa cilindros Document Transcript

    • RTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOS DESGASTE ADHESIVO (SCUFFING) EN CAMISAS DE CILINDROS Y AROS DE PISTÓN DE MOTORES DIESEL LENTOS DE DOS TIEMPOS En este trabajo se describe el desgaste adhesivo LUIS CONDE CID (scuffing) que representa la más severa de las agresiones a la que se ven expuestos aros de pistón FRANCISCO y camisas de cilindro de motores diésel lentos de dos FERNÁNDEZ VACAS tiempos aplicados a la generación eléctrica, al quemar c o m b u s t i b le s d e b a j o c o n t e n i d o e n a z u f r e . MIGUEL Al afectar simultáneamente, a estos dos elementos MARTÍNEZ MELGAREJO básicos de la cámara de combustión, repercute negativamente tanto en la continuidad del servicio del motor, como en los costes asociados a la restitución d e la s c o n d i c i o n e s n o m i n a le s d e t r a b a j o . Adhesive wear, known under its more familiar English name scuffing is described in this contribution. Focus will be made on scuffing afecting cylinder liners and piston rings of two-strokes cycle low speed diesels engines applied to electricity generation, burning low- sulphur heavy fuel oil. Scuffing is the most severe type of wear to wich piston rings and cylinder liners are exposed because two main basic components are impaired simultaneously. Availability to keep the engine safetily running is no more possible and extremely high reparation costs are related to get the nominal service condition again. INTRODUCCIÓN compresión mayores que las usuales de acuerdo al estado de los avances finales del siglo XIX el Dr. tecnológicos de la época. A Rudolf Diesel enfrentó, a un tiempo, el desarrollo de una • La fricción de los componentes sometidos a tales presiones debía ser tecnología desconocida y la mínima. requerida por las máquinas térmicas • Diseño y construcción del más de la época, con las siguientes sencillo sistema de conexiones para las condiciones de contorno: líneas de combustible de alimentación del nuevo motor. • Diseño y construcción de un sistema de inyección de combustible Se presentaba, pues, un complejo de alta presión con suficiente precisión problema tribológico formulado junto para crear, controlar e inyectar una con las bases de diseño de uno de los determinada cantidad de combustible, inventos que ha revolucionado el cíclicamente. pasado siglo XX: el motor de • Diseño y construcción de una combustión interna alternativo (MCIA) cámara de combustión que permitiera en cualquiera de sus configuraciones, la obtención de mejores relaciones de ya sea como motor de encendido potencia y rendimiento. provocado (MEP) o como motor de • La cámara de combustión así encendido por compresión (MEC). Una diseñada había de ser estancada bajo adecuada colaboración, aunque no unas condiciones de presión de siempre exenta de sinsabores, entre el 15
    • ARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSAR diseñador del motor y el suministrador residuales. Además, se ha empezado del lubricante a lo largo de décadas ha a advertir la aparición de residuos en logrado conseguir que el scuffing de forma de lacas oscuras en el interior camisas de cilindros y aros de pistón de las camisas de cilindros, y observado sea, sin embargo, un problema poco fallos severos ligados a la utilización frecuente, apareciendo en casos en de combustibles de bajo contenido en que la potencia específica ha crecido azufre, inicialmente tenidos como de forma considerable o como menos agresivos para el motor, que consecuencia de cambios, a veces han ocasionado desgastes excesivos. radicales, de las condiciones de operación. Más recientemente, un En función de estas condiciones grupo de usuarios ha dejado oír su voz de contorno, aparece la necesidad de ante instituciones autorizadas –CIMAC analizar las anomalías causadas por el cuenta con un “User Group” ante el contenido de azufre y establecer qué que se ha presentado información acciones correctoras implantar. sobre severos incidentes- describiendo episodios de scuffing tanto en motores Anomalías causadas por la marinos, como en sus equivalentes en utilización de combustibles con alto instalaciones estacionarias aplicados a contenido en azufre: la generación de electricidad. A pesar de la dilatada vida del problema, sólo • Desgaste corrosivo en las zonas unas pocas respuestas definitivas se de baja temperatura de los pistones y han podido encontrar. Un mejor camisas de cilindros. El azufre contenido conocimiento de las circunstancias de en el combustible origina la formación iniciación de scuffing es un atractivo la H2SO4 en las zonas subenfriadas de reto que es necesario afrontar con las camisas de cilindros. La creciente firmeza, pero con la certeza de su presión de trabajo de los motores complejidad y extensión. actuales facilita que se alcance el punto de rocío de las especies corrosivas que no pueden ser neutralizadas por la INFLUENCIA DEL reserva alcalina del aceite de CONTENIDO DE AZUFRE lubricación. La utilización del EN EL COMBUSTIBLE denominado fuel BIA (bajo contenido en azufre; S < 1%) ha significado un El cuidado del medio ambiente decrecimiento muy significativo de este requiere el control de las emisiones de tipo de desgaste. SOx procedentes de los gases de escape • Deposición de lacas negras en de instalaciones terrestres y de grandes las zonas internas de las camisas de buques. La IMO (International Maritime cilindros. Organization) ha propuesto limitar a • Desgaste corrosivo por alta un 5 % en peso el porcentaje de azufre temperatura en las válvulas de escape, a nivel global y a 1.5 % en determina- asientos de válvulas y zonas del pistón das zonas especiales. En la Comunidad d i re c t a m e n t e e x p u e s t a s a l a Canaria, esta limitación se mantiene combustión. desde hace más de cinco años en el 1 • Contaminación medioambiental % en peso. por SOx. Las solicitaciones térmicas y Anomalías causadas por la mecánicas de los motores diesel lentos utilización de combustibles con bajo de 2T se han visto incrementadas en contenido en azufre: gran medida por la presión de los usuarios para disponer de mejores • Scuffing de camisas de cilindros rendimientos, manteniendo la o excesivo desgaste de aros de pistón posibilidad de quemar combustibles y camisas. Este fenómeno puede ser16
    • RTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOS reconocido por la presencia de estrías mismo, así como al bruñido de la ásperas uniformemente distribuidas a camisa, con lo que el lubricante perderá lo largo de las superficies que lo sufren. opciones de encontrar pequeñas En situaciones críticas, el scuffing llega imperfecciones donde depositarse para a producir la microsoldadura del cumplir su función. material ocasionando arrastre de material. El scuffing está asociado a la La acción correctora más eficaz presencia de zonas expuestas a alta hasta el momento ha sido reducir el temperatura, resultado del colapso de BN del lubricante, si bien no se ha la película de lubricante. (foto 1) mostrado como una solución definitiva. Insuficiente entorno corrosivo Recientes estudios han demostrado que la presencia de un entorno corrosivo debido a la actividad de los ácidos formados en el proceso de oxidación de los aceites bases, puede contribuir a la reducción del riesgo de scuffing. Como posible explicación, se supone que la actividad de los ácidos que contribuyen a minimizar el riesgo de scuffing es similar a la de los aditivos anti-scuffing comúnmente usados en FOTO 1: PORCIONES DE AROS DE PISTÓN CON DIFERENTES TIPOS DE DESGASTES lubricantes para engranajes, cojinetes u otras aplicaciones industriales. Algunas de las teorías que tratan de explicar la aparición de este La oxidación contribuye a un fenómeno son: incremento en la viscosidad del lubricante, por lo que las investigaciones Exceso de basicidad en la realizadas han tomado la viscosidad cámara de combustión cinemática como variable independiente. De esta forma, se ha Ante una excesiva capacidad de comparado el comportamiento de un neutralización del lubricante de mismo aceite base mezclado con cilindros, bien por un alto BN del aceite productos de alta viscosidad, sin o por alto BT, la reserva alcalina basada oxidación, con el comportamiento de en aditivos de carbonato cálcico que dicho aceite sin aditivar en condiciones no encuentran suficiente ácido sulfúrico oxidadas. Se ha podido comprobar que para combinarse, forma depósitos en mientras que el incremento de la corona del pistón, espacio viscosidad puede tener un efecto comprendido entre la primera ranura reductor en la aparición de scuffing, y la cara del pistón expuesta a su influencia es mucho menor que la combustión, en forma de cenizas de derivada de la presencia de ácidos muy alta dureza. carboxílicos procedentes de la oxidación. Aunque este proceso no es Estas cenizas se adhieren a la bien conocido en la actualidad, se corona del pistón ocasionando un ligero piensa que la mejora es debida a la desgaste abrasivo de las camisas del deposición de los ácidos carboxílicos cilindro que permite cada vez mayor sobre los intersticios de las superficies acumulación de cenizas de alta dureza. sometidas a fricción. Sin embargo, estos Estas cenizas presentan una gran avidez ácidos incrementan el riesgo de por la absorción del lubricante, lo que corrosión, promueven la degeneración lleva a un insuficiente reparto del de las propiedades de los aditivos y 17
    • ARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSAR que respuestas. La transmisión de calor de las últimas fases del frente de llama es probablemente menor que en el caso de combustibles ligeros, pero de actividad suficiente para quemar, o al menos degradar la película de lubricante en caso de que el frente de llama alcance las paredes de la camisa.FIGURA 1: EL INCREMENTO DE TEMPERATURA EN DETERMINADOS CILINDROS, CON Es necesario eliminar los perniciososSEVERAS OSCILACIONES RESPECTO A SUS VALORES INICIALES, INDICAN QUE SE HAPRODUCIDO UN COLAPSO EN LA PELÍCULA DEL LUBRICANTE, POR LO QUE ENTRAN EN efectos de la alta temperatura deCONTACTO ZONAS DE LOS AROS DEL PISTÓN CON LA CAMISA DEL CILINDRO, CON LAPOSIBLE APARICIÓN DEL SCUFFING. cilindros, especialmente cuando son ocasionados por la combustión de estimulan la producción de residuos combustibles de bajo contenido de de alto peso molecular en forma de azufre. lodos. SISTEMAS DE DIAGNOSIS En suma, puede concluirse que la PARA LA DETECCIÓN DE tolerancia de un cierto ambiente SCUFFING corrosivo que lleve a la eliminación, supuestamente controlada, de las Monitorizar la temperatura de interfases sometidas a fricción no es el metal de la camisa es la mejor mejor procedimiento para reducir los herramienta para la detección del inicio episodios de scuffing en motores de de un proceso de scuffing. En el gráfico altas solicitaciones termo-mecánicas. adjunto (Fig. 1) se reproducen los resultados del proceso mencionado, Influencia de la duración del donde se observa con toda nitidez frente de llama cómo se produce un incremento de temperatura acompañado de una El centro de desarrollo de Shell en severa oscilación respecto a su valor Amsterdam en colaboración con la medio inicial. Este comportamiento de prestigiosa firma Ricardo & Co. han la temperatura del metal de la camisa investigado hace unos años este indica que se ha producido el colapso fenómeno utilizando una cámara de de película del lubricante, entrando en combustión sin turbulencia, similar a contacto zonas de los aros de pistón la utilizada en motores de 2T. con la superficie interior de la camisa, provocando el inicio de un proceso de La filmación del proceso de scuffing combustión puso de manifiesto grandes diferencias en las características del frente Otro sistema para detectar que un de llama. Determinados combustibles proceso de scuffing se está iniciando residuales producían un frente de llama es la medición del desgaste del primer de muy corta duración, mientras que aro del pistón. Este tipo de sistemas, otros, también combustibles residuales desarrollados por Wärtsilä NSD pero de bajo contenido en azufre según Switzerland Ltd., han contribuido a la procedencia del crudo origen, detectar con anticipación el inicio de mantenían una duración del frente de los procesos de scuffing, permitiendo llama superior en varios casos a la reducir el alcance de los daños correspondiente a combustibles más producidos. Sin embargo, su ligeros. concepción de funcionamiento, ya que ha de producirse el daño para que sea El significado de estas observa- detectado, no protege al usuario de ciones no ha sido suficientemente motores de 2T de sufrir este tipo de aclarado, dando paso a más preguntas daños. 18
    • RTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOS ENUNCIADO DE CASOS Y el resto de parámetros. Inicialmente, ACCIONES REALIZADAS también se conservó el tipo de lubricante de cilindros. En los once motores de dos tiempos aplicados a la generación de energía 3.Tras un corto periodo de operación eléctrica en plantas estacionarias en los en estas condiciones, en los dos tipos de que se ha seguido la aparición de daños motores afectados, modelos B&W por scuffing, la secuencia ha sido la 10L67GBE y NSD 9RTA76 se presentaron siguiente: episodios de scuffing de diferente severidad. (fotos 2 y 3). Como 1.Entrada en funcionamiento consecuencia, y sobre la base del análisis consumiendo un tipo de combustible de las causas de aparición del scuffing según el emplazamiento cuyos requisitos generales se concretan en dos tipos de combustibles: FIGURA 2: LA PARTE SUPERIOR DE LA CAMISA DEL CILINDRO SE EQUIPA CON UN ARO DE GRAN DUREZA, (ANTIPOLISHING-RING) PARA CONTROLAR Y MANTENER LOS DEPÓSITOS DE CARBÓN FORMADOS EN LA CABEZA DEL PISTÓN, DENTRO DE UN ESPESOR SUFICIENTEMENTE PEQUEÑO PARA PREVENIR CUALQUIER CONTACTO ENTRE LA CAMISA Y LOS DEPÓSITOS, EN CUALQUIER POSICIÓN DEL PISTÓN. FOTO 2: CABEZA PISTÓN TRAS PROCESO SCUFFING. SE OBSERVAN RESTOS DE CENIZAS EN CORONA DE Y PASO y de los sistemas de diagnosis, se decide DE RESIDUOS DE COMBUSTIÓN POR DEBAJO DEL ARO. llevar a cabo en dichos motores las siguientes acciones: Combustible fueloil residual de 180 cSt, porcentaje de azufre < 2.7 % 1.Lubricantes de cilindros. Combustible fueloil residual de 380 cSt, porcentaje de azufre < 2.7 % • Se han ensayado diversos tipos de lubricante hasta encontrar el mejor 2.Por requerimientos medio- acuerdo entre basicidad, capacidad de ambientales se pasa a consumir un neutralización, detergencia y dispersancia combustible residual denominado BIA de los residuos de combustión. La (bajo índice de azufre), en el que se limitó solución de compromiso se basa en la el porcentaje de azufre a valores inferiores utilización de lubricantes de 30 BN, ya a la unidad, manteniendo casi invariables que aportan suficiente detergencia y dispersancia, aunque la limitación de la capacidad de neutralización acorta la vida útil de aros de pistón y camisas de cilindros. 2. Elementos de la cámara de combustión. • Modificación de la geometría de la parte superior de la camisa del cilindro, instalando un elemento de eliminación de residuos sólidos abrasivos. (Fig. 2) FOTO 3: DURANTE EL PROCESO DE SCUFFING SE HA 19 PRODUCIDO EL COLAPSO DE LOS AROS EN SUS RANURAS.
    • ARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSAR 2. Aunque la tasa de aparición de procesos de scuffing ha disminuido con la utilización de lubricantes de bajo BN, el problema de usar combustibles BIA no desaparece, ya que el comportamiento de aros de pistón y camisas de cilindro seFIGURA 3: PARA EVITAR LOS DEPÓSITOS DE CARBÓN EN LAS RANURAS DE LOSAROS DEL PISTÓN, SE UTILIZA UN PACK DE TRES AROS, OPTIMIZADOS PARA ve perjudicado al presentar tasas deINCREMENTAR SU VIDA OPERATIVA CON REVESTIMIENTOS ESPECIALES CONTRA ELDESGASTE. desgaste abrasivo y corrosivo mayores. La menor detergencia y dispersancia de • Instalación del primer aro del que se dispone al utilizar lubricantes de pistón en ejecución cromo-cerámica bajo BN, exige la introducción de aditivos de alta resistencia. (Fig. 3) de alto coste, no siempre bien equilibrados, • Incremento de la temperatura q u e a c a b a n p ro m o v i e n d o e l de trabajo de la zona intermedia de la ensuciamiento de los aros en sus ranuras, camisa de cilindro para evitar alcanzar no eliminación de cenizas, mezclas con condensaciones de especies químicas fuel no quemado y un mayor nivel de ácidas. ensuciamiento de los colectores de barrido. 3. Operación de los motores. • Instalación de sistemas de monitorización de las temperaturas de pared de camisa de cilindros. • Instalación de sistemas de monitorización del desgaste del primer aro de cada pistón. • En los motores tipo 9RTA76 se ha modificado el principio y final de la inyección del combustible. Esto es factible debido al sistema VIT (Variable FOTO 4: IMAGEN DE LOS TRES PRIMEROS AROS DE PISTÓN Injection Timing) que permite optimizar Y CORONA, VISTOS A TRAVÉS DE LAS LUMBRERAS DE ADMISIÓN TRAS LA IMPLANTACIÓN DE LA MODIFICACIÓN, la inyección de combustible en función UTILIZANDO LUBRICANTE DE ALTO BN de la potencia entregada por el motor. Resulta ser una solución parcial, menos 3. Para reducir la temperatura económica, ya que si bien se reduce la media de la cámara de combustión se presión máxima de combustión se ha de recurrir a un exceso de produce un incremento de temperatura refrigeración de las camisas, alcanzando durante la fase de escape y un en ciertos puntos la zona del punto de incremento significativo de consumo rocío de especies ácidas, así como la de combustible. modificación de parámetros claves de funcionamiento que afectan al CONCLUSIONES rendimiento del motor. 1. La monitorización del desgaste de aros de pistón, así como de la temperatura de pared de camisas de cilindro, se ha mostrado de especial ayuda para minimizar la acción destructora del desgaste ocasionado por scuffing, en motores de 2T quemando combustibles residuales de bajo índice de azufre. FOTO 5: VISTA ZONA SUPERIOR DE UNA CAMISA DE CILINDROS, CON MEDIDAS DE DESGASTE TRAS UN PRIMER CONTROL CON 5000 HORAS DE TRABAJO. NO SE OBSERVAN DESGASTES APRECIABLES. 20
    • RTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOS 4. Se ha iniciado la transformación centrales de mantenimiento. de la cámara de combustión de los Avda. José Ramírez Bethencourt, 22 motores tipo WNSD 9RTA76, para 35004 Las Palmas de Gran Canaria. permitir utilizar lubricantes de alta Tel.: 928 309 948 /Fax: 928 309 986 basicidad y poder detergente- e-mail: ffernandez@unelco.es dispersante, eliminar la deposición de cenizas en zonas del pistón y mantener MIGUEL J. MARTINEZ MELGAREJO una temperatura controlada de las Doctor Ingeniero de Minas es camisas de cilindros en todo el recorrido Catedrático de Universidad con útil de trabajo (fotos 4 y 5). Sólo con docencia en Máquinas Eléctricas y la adopción simultánea de medidas Centrales Eléctricas. correctoras de tipo físico-químico y Fue Director Técnico de Unión mecánico puede garantizarse un Eléctrica de Canarias S.A. durante 27 funcionamiento libre de scuffing, así años, dirigiendo la construcción de la como la restitución de las condiciones mayoría de las Centrales Eléctricas de técnico-económicas de operación de las Islas Canarias. motores de 2T quemando combustibles Fue becario en Inglaterra por la de bajo contenido en azufre. Confederación de Industrias Británicas especializándose en: Reactores Nucleares, Turbinas y Generadores de BIOGRAFÍAS Vapor, Alternadores, Interruptores y Transformadores de Potencia. LUIS CONDE CID Trabaja en la línea de investigación Doctor Ingeniero Industrial por la en relación con el Análisis de los ULPGC, es Profesor T itular de Sistemas Eléctricos de Potencia. Universidad del Dpto. de Ingeniería de Procesos, impartiendo docencia en el BIBLIOGRAFÍA área de Máquinas y Motores Térmicos. Su línea de investigación abarca la COOK, S.J. (2001): Prevention of renovación de carga de los motores de scuffing in 2-stroke crosshead marine combustión interna y sus efectos diesel engines. CIMAC Congres, contaminantes, sobre los que ha Hamburg, pags. 1412-1417 publicado diversos artículos en LIM, K. y LIDDY, J.JP. (2000): Cylinder oils positioning for the future. colaboración con el CEANI (ULPGC) y Marine Propulsion Conference , el grupo de MT de la ESII de Sevilla. Amsterdam. Direccion: PETERON, M.B. y WINER, W.O. Dpto. de Ingeniería de Procesos. (1982): Wear control handbook. ULPGC Glossary of terms adn definitions in the Campus Universitario de Tafira field of friction, wear and lubrication. e-mail: lconde@dip.ulpgc.es A S M E , N e w Yo r k , p a g . 1 1 8 2 . SAYLES, R.S. (2000): A case study FRANCISCO FERNANDEZ VACAS of cylinder liner wear in relation to Ingeniero Industrial, especialidad varnish films in a large long stroke Técnicas Energéticas por la UPM. Realiza marine diesel engine. SAE Paper 2000- 01-1783. los estudios de doctorado en el Dpto. SCHENK, C. , HENGEVELD, J. Y de Ingeniería de Procesos de la ULPGC. AABO, K. (2000): The role of En la actualidad es coordinador de temperature and pressure in wear mantenimiento de motores diésel en processes in low speed diesel engines. la Subdirección de Producción UNELCO- ISME Tokyo. ENDESA en Canarias. WILSON, K. (1998): Cilindre liner Dirección: scuffing in 2-strokes low speed engines UNIÓN ELÉCTRICA DE CANARIAS as experienced by users WG members GENERACIÓN, S.A. and others. CIMAC Congress, Subdirección de Producción. Servicios Copenhagen. 21