FILLCORE INDUSTRIAL
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Los compresores centrífugos y turbocompresores son equipos rotativos de alta velocidad que exigen aceites de turbina de máxima pureza, estabilidad oxidativa prolongada y capacidad para mantener la película hidrodinámica en cojinetes de manguito y cojinetes de patín oscilante. Esta guía técnica detalla especificaciones, tipología de equipos, sistemas de aceite, sellos de gas seco y programas de monitorización de condición.
Los compresores centrífugos y turbocompresores comprenden una familia amplia de máquinas de flujo dinámico que transfieren energía al gas mediante la acción de un rodete de alta velocidad. La elección del lubricante no puede disociarse del tipo de compresor, su velocidad de giro, el servicio de proceso y la arquitectura del sistema de aceite asociado.
Diseño compacto con el rodete en voladizo respecto a los cojinetes. Muy frecuente en aplicaciones de baja relación de presión: ventiladores industriales, soplantes de proceso, turbocompresores de pequeño caudal. Las velocidades de giro oscilan entre 8 000 y 30 000 rpm según el diámetro del rodete. Los cojinetes de manguito (sleeve bearings) trabajan en régimen hidrodinámico completo a estas velocidades; el número de Sommerfeld es alto, la película es estable y el aceite ISO VG 32 suele ser suficiente si las temperaturas de salida del cojinete se mantienen por debajo de 70°C.
Compresor con varios rodetes en tándem dentro de una carcasa cilíndrica forjada de alta presión. Es el caballo de batalla de la industria del gas natural, petroquímica y refinería: reinyección de gas, compresión de hidrógeno, compresión de etileno. Las presiones de descarga pueden superar los 300 bar en aplicaciones de reinyección. El sistema de aceite es independiente y sofisticado: incluye depósito elevado (overhead tank), bomba principal accionada por el tren, bomba auxiliar de arranque/parada, bomba de emergencia, refrigeradores de aceite, filtros duplex y purificador centrífugo. La viscosidad habitual es ISO VG 46 para cojinetes de gran diámetro con carga elevada, aunque en algunos diseños modernos de cojinetes de patín (tilting pad) de alta velocidad se usa VG 32 para reducir las pérdidas viscosas.
Los compresores axiales se utilizan en plantas de aire de proceso de gran caudal y como primera etapa en algunas plantas criogénicas de separación de aire. Son equipos de caudal muy elevado y baja relación de presión por etapa. Las velocidades periféricas del rotor son altas (hasta 350 m/s en las últimas etapas). Los cojinetes de patín oscilante (tilting pad journal bearings, TPJB) proporcionan estabilidad dinámica excepcional y son la elección estándar en compresores modernos de alta velocidad. El aceite ISO VG 32 turbina de Grupo II o III, con muy baja tendencia a la formación de barniz, es el estándar de facto.
En muchas plantas, el compresor centrífugo forma un tren con una turbina de vapor o de gas como driver. El sistema de aceite suele ser compartido (aceite de turbina igual que el aceite de compresor) o separado en casos donde los requisitos divergen. La turbina de vapor introduce vapor y agua en el sistema de aceite a través de los sellos de laberinto, por lo que la demulsibilidad (ASTM D1401) y la resistencia al agua son parámetros críticos. La turbina de gas introduce calor severo: el aceite en los cojinetes de la turbina puede alcanzar 90-100°C de temperatura de película, exigiendo aceites de Grupo III o PAO con resistencia oxidativa superior.
Los cojinetes radiales y axiales de los compresores centrífugos son los elementos críticos cuya integridad depende directamente de la calidad del aceite. La distinción entre cojinetes de manguito (sleeve / plain bearings) y cojinetes de patín oscilante (tilting pad bearings) tiene implicaciones directas en la selección de viscosidad y limpieza del aceite.
Son cojinetes de geometría fija cilíndrica o elíptica. El número de Sommerfeld elevado a las velocidades de operación garantiza régimen hidrodinámico completo. Son más tolerantes a pequeñas variaciones de limpieza del aceite, pero en diseños de manguito elíptico o de tres y cuatro lóbulos la holgura es menor y la sensibilidad a la contaminación sólida aumenta. La viscosidad ISO VG 32 o VG 46 se elige según la velocidad de giro y la carga radial: a mayor velocidad y menor carga, menor viscosidad (VG 32); a menor velocidad y mayor carga, mayor viscosidad (VG 46).
Los tilting pad bearings son la solución moderna para compresores de alta velocidad porque eliminan la inestabilidad rotordinámica (oil whirl / oil whip) que puede aparecer en manguitos a altas velocidades. Cada patín oscila libremente, generando su propia cuña hidrodinámica. La holgura entre patín y eje es pequeña (típicamente 1,0 a 1,5 ‰ del diámetro), lo que hace al cojinete muy sensible a la limpieza del aceite: una partícula sólida mayor que la holgura puede rayar el Babbitt (aleación de estaño/plomo del revestimiento). Por ello, la clasificación ISO 4406 requerida es ≤ 16/14/11 para el aceite en servicio, y muchos fabricantes exigen ≤ 15/13/10 durante la puesta en marcha.
El cojinete de empuje (thrust bearing) absorbe las fuerzas axiales del gas sobre el rodete. En el diseño Kingsbury, varias aletas de Babbitt oscilan sobre pivotes. Las cargas específicas son elevadas (hasta 2-3 MPa en picos de operación transitoria). El aceite de turbina VG 46 es preferible al VG 32 cuando la carga axial es alta, porque la película más gruesa aumenta el margen de seguridad. La temperatura del aceite de salida del cojinete de empuje es el parámetro de alarma más crítico: por encima de 80°C el Babbitt comienza a ablandarse y por encima de 120°C puede producirse daño irreversible.
La especificación de aceite de turbina para un compresor centrífugo se define por la intersección de varias normas industriales, los requisitos del fabricante del equipo (OEM specifications) y las condiciones de proceso.
La norma API 614 (Capítulo 1 y Suplemento A) es el estándar de diseño de sistemas de aceite para maquinaria rotativa en la industria del petróleo y gas. Define los requisitos de limpieza del aceite (ISO 4406 cleanliness codes), las pruebas de aceptación del sistema (flush procedure — flushing del circuito hasta alcanzar el código de limpieza requerido antes de arranque), los alarmas y disparos por temperatura y presión de aceite, el dimensionado del depósito (mínimo 3-5 minutos de volumen de circulación) y el rundown tank (depósito de gravedad que suministra aceite durante la parada de emergencia). Cumplir API 614 es condición necesaria para la mayoría de contratos EPC en refinería y petroquímica.
ISO 8068-3 define la familia L-TD (aceites de turbina sin aditivos EP, para turbinas de vapor y compresores centrífugos) y L-TG (con aditivos de carga extrema, para turbinas de gas con engranajes integrados). Para compresores centrífugos sin engranajes de alta velocidad integrados, el tipo L-TD en ISO VG 32 o VG 46 es el estándar. Los requisitos mínimos incluyen: índice de viscosidad ≥ 95, punto de fluidez ≤ -9°C, RPVOT (ASTM D2272) ≥ 1 000 min para aceites de Grupo II, demulsibilidad ASTM D1401 ≤ 30 minutos a 54°C, contenido en agua ASTM D6304 ≤ 0,05%, número ácido total (TAN, ASTM D664) en límite inicial ≤ 0,2 mg KOH/g.
El estándar DIN 51515 es el equivalente alemán de amplia aceptación en Europa. DIN 51515-1 (L-TD) especifica aceites de turbina de tipo mineral o hidrocracking (Grupo I, II) sin aditivos de extrema presión; DIN 51515-2 (L-TG) añade requisitos de resistencia a la micropicadura (micropitting) para turbinas con engranajes integrados. Los fabricantes europeos de compresores (Siemens Energy, MAN Energy Solutions, Sulzer, Atlas Copco) suelen referenciar DIN 51515 o sus propias listas de aceites aprobados derivadas de esta norma.
Los aceites de Grupo I (base solventada) han sido prácticamente desterrados de los compresores centrífugos modernos por su inferior resistencia oxidativa y mayor tendencia a la formación de barniz (varnish). Los aceites de Grupo II (hidrocracking severo) ofrecen una vida útil razonable con intervalos de cambio de 4 000-8 000 horas en condiciones normales. Los aceites de Grupo III (isomerización de ceras, VHVI) y los PAO (polialfaolefinas) aportan mayor resistencia oxidativa (RPVOT >2 000 min), menor tendencia al barniz y mejor comportamiento a bajas temperaturas, justificando su uso en compresores de turbina de gas donde el aceite se expone a temperaturas superiores. Sin embargo, los PAO puros tienen compatibilidad reducida con algunas juntas elastoméricas (NBR) y con ciertos recubrimientos de los sistemas de aceite: es necesario verificar compatibilidad antes de migrar desde mineral a PAO.
El overhead tank es un depósito pequeño (50-200 litros) instalado por encima del nivel de los cojinetes. Su función es suministrar aceite por gravedad durante los primeros segundos tras un corte de energía, mientras el eje desacelera. El caudal de gravedad debe ser suficiente para mantener la película hidrodinámica hasta que el eje se detenga completamente. La altura del depósito respecto al cojinete (normalmente 3-6 metros) determina la presión de suministro por gravedad: a 5 m de altura, la presión neta es aproximadamente 0,05 bar, suficiente para mantener flujo laminar en cojinetes de baja velocidad pero insuficiente para mantener presión dinámica en cojinetes de alta velocidad. Por ello, el overhead tank complementa al rundown tank: la secuencia es bomba principal → fallo energía → overhead tank → rundown tank → parada completa.
En compresores con sellos de aceite de contacto (contact liquid seals, oil film seals), el sistema de aceite de sello opera a una presión ligeramente superior a la presión de proceso en el sello. Esto evita la fuga de gas de proceso hacia la atmósfera. El aceite de sello recircula a través de una trampa desgasificadora (seal oil degassing drum) que separa el gas de proceso absorbido en el aceite antes de devolver el aceite al depósito. El aceite de sello puede ser el mismo que el aceite de cojinetes (sistema integrado) o un sistema separado con aceite de mayor viscosidad (VG 46 o VG 68). La contaminación del aceite de sello por gas de proceso (H₂S, hidrocarburos livianos) degrada el aceite y puede acidificar el sistema: el monitoreo del TAN y la viscosidad del aceite de sello debe ser más frecuente que para el aceite de cojinetes.
El depósito de aceite está equipado con un eliminador de niebla (mist eliminator o breather) que evita la entrada de polvo ambiental y la salida de vapor de aceite. En entornos industriales con alta concentración de partículas (cementeras, fundiciones), el breather debe incorporar filtro absoluto de 3-5 micras. La presurización del depósito con gas inerte (nitrógeno seco) es práctica común en plantas de gas y petroquímica para prevenir la oxidación del aceite en el depósito y eliminar la entrada de humedad ambiente.
Los sellos de gas seco (DGS, Dry Gas Seals) han reemplazado en gran medida a los sellos de aceite de contacto en compresores centrífugos modernos. Su principio de funcionamiento es radicalmente diferente y tiene implicaciones directas en el sistema de lubricación.
En un DGS, el sello primario se forma entre dos caras: una cara rotatoria (rotating face, normalmente de carburo de silicio o carburo de tungsteno) y una cara estacionaria (stationary face, de carburo de silicio o grafito). Las ranuras espirales (spiral grooves) en la cara rotatoria generan una presión de gas hidrodinámica que separa las caras con una película de gas de 3-5 micras. NO hay aceite en la zona de sellado. Esto elimina las emisiones de aceite al proceso y al sistema de depuración de gas de fuga (flare o tratamiento), y elimina la contaminación del gas de proceso por aceite.
Aunque el sello primario no usa aceite, requiere un suministro de gas de sellado (primary seal gas) limpio y seco. Típicamente se usa nitrógeno filtrado o gas de proceso filtrado. Los requisitos son estrictos: contenido de sólidos ≤ 1 mg/Nm³, partículas ≤ 1 micra, contenido de líquidos ≤ 0 (gas supercalentado). El sello de respaldo (secondary seal o backup seal) de tipo laberinto con gas de amortiguamiento (buffer gas) usa nitrógeno a presión. En algunos diseños de DGS de doble cara (double seal), el gas de barrera entre los dos sellos primarios es nitrógeno o gas de proceso a presión intermedia.
El sello de respaldo (separation seal) entre el DGS y los cojinetes puede ser de tipo laberinto con gas de separación (separation gas), o un sello de contaminación de aceite (oil contamination seal) que impide que el aceite de los cojinetes alcance el DGS. En algunos diseños, el sello de contaminación de aceite usa un laberinto de baja presión con un flujo pequeño de aceite de sello que actúa como barrera. Este aceite debe ser el mismo aceite de turbina del sistema principal. El acoplamiento flexible entre el motor driver y el compresor (coupling) generalmente es de tipo disco o de tipo diente (gear coupling); los gear couplings requieren grasa o aceite de engranajes EP en el acoplamiento mismo, pero este volumen es pequeño y separado del sistema de cojinetes.
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El sistema de refrigeración del aceite es uno de los elementos más críticos para la vida útil del lubricante en un compresor centrífugo. La temperatura del aceite en la entrada de los cojinetes debe mantenerse entre 40 y 45°C para garantizar la viscosidad correcta y minimizar la degradación oxidativa. Cada 10°C de aumento permanente en la temperatura de operación reduce la vida útil del aceite aproximadamente a la mitad (regla de Arrhenius aplicada a la oxidación de aceites minerales).
Los refrigeradores de aceite son intercambiadores de calor de carcasa y tubo (shell and tube) o de placas (plate heat exchanger). En aplicaciones de refinería y petroquímica, se prefieren los de carcasa y tubo por su robustez y facilidad de limpieza. Los refrigeradores de placas se usan en plantas de proceso con agua de enfriamiento de alta calidad. La temperatura del agua de enfriamiento debe ser al menos 5°C por debajo de la temperatura objetivo de aceite para garantizar el diferencial de temperatura mínimo (LMTD). En plantas tropicales con agua de torre a 35-38°C, alcanzar 40°C en el aceite de entrada a cojinetes requiere diseño cuidadoso del intercambiador o el uso de aceite de mayor viscosidad (VG 46 en vez de VG 32) para compensar la mayor temperatura de operación.
Para mantener la temperatura de entrada de aceite constante bajo variaciones de carga y temperatura ambiente, el sistema incluye una válvula termostática de mezcla (temperature control valve, TCV) que mezcla aceite caliente sin enfriar con aceite frío del refrigerador. La TCV se calibra típicamente en 40-43°C de setpoint. Si la TCV falla en posición cerrada (aceite caliente sin enfriar), la temperatura sube rápidamente y el sistema dispara por alta temperatura de aceite (típicamente alarma a 65°C, disparo a 75°C en entrada a cojinetes; alarma a 75°C, disparo a 90°C en salida de cojinetes, según API 614).
El barniz (varnish) es el mayor problema de fiabilidad en compresores centrífugos y turbinas en el mundo moderno de aceites de alta viscosidad índice. Es un depósito lacado de color amarillo-marrón-negro formado por la insolubilización y depositación de productos de oxidación del aceite sobre superficies metálicas calientes. Sus efectos son: pegado de servoválvulas, obstrucción de orificios de aceite en cojinetes, reducción del caudal de aceite, adherencia en el empuje del cojinete, y en casos extremos, gripado.
Los aceites de Grupo I (parafínicos solventados) tienen mayor capacidad de solubilización de sus productos de oxidación gracias a los aromáticos naturales presentes en la base, que actúan como disolventes de depósitos polares. Paradójicamente, esto significó que los problemas de barniz eran menos frecuentes con aceites más antiguos de Grupo I. Los aceites de Grupo II y III, al ser más puros y casi libres de aromáticos, tienen menor poder solvente: los productos de oxidación precipitan más fácilmente. Los aceites nafténicos (bases nafténicas de bajo índice de viscosidad pero alto poder solvente) se han utilizado históricamente en turbinas por su capacidad de mantener depósitos en solución; sin embargo, su menor resistencia oxidativa limita su vida útil. Los PAO presentan el menor poder solvente de todos los tipos de base.
La degradación del aceite de turbina sigue una cinética de oxidación autocatalítica: durante la fase de inducción (inhibited life), el paquete de antioxidantes (fenólicos y aminas aromáticas) consume el oxígeno disuelto y los radicales peróxido. Cuando los antioxidantes se agotan, la velocidad de oxidación se dispara (breakdown phase) y los productos de oxidación (ácidos carboxílicos, peróxidos, lactonas, polímeros) se acumulan rápidamente. La transición de la fase inhibida a la fase de rotura es prácticamente abrupta en aceites de Grupo II y III, lo que hace crítico el monitoreo del nivel de antioxidantes antes de que se agoten (prueba RULER, Remaining Useful Life Evaluation Routine).
El programa de monitorización del aceite de turbina en un compresor centrífugo es el único mecanismo que permite anticipar el fallo del aceite antes de que cause un incidente de maquinaria. Los ensayos rutinarios deben cubrir tanto la degradación oxidativa como la contaminación y los cambios físico-químicos.
Rotating Pressure Vessel Oxidation Test. Mide la resistencia oxidativa residual del aceite en servicio bajo presión de oxígeno a 150°C. Un aceite de Grupo II nuevo tiene RPVOT > 1 000 min. En servicio, el límite de recambio suele fijarse en 25% del valor del aceite fresco (típicamente 250-300 min). La caída brusca del RPVOT indica agotamiento de antioxidantes y riesgo de barniz inminente.
Cuantifica por voltametría cíclica la concentración residual de antioxidantes fenólicos y amínicos en el aceite en servicio, referenciada al aceite nuevo. Límite de acción habitual: < 25% del nivel inicial. El RULER es más sensible que el RPVOT para detectar el agotamiento prematuro de antioxidantes y es recomendable en sistemas con alta temperatura de operación (turbinas de gas).
Número ácido total. Mide la acidez generada por oxidación del aceite. Límite de alarma: TAN ≥ 0,5 mg KOH/g (para aceite nuevo con TAN ≤ 0,2 mg KOH/g). Límite de cambio: TAN ≥ 1,0 mg KOH/g. Un TAN elevado indica oxidación avanzada y puede correlacionarse con corrosión de metales no ferrosos en el sistema (latón en válvulas, aleación de Babbitt).
Limpieza del aceite por conteo de partículas en tamaños ≥ 4 µm, ≥ 6 µm y ≥ 14 µm. Límite de operación normal: ≤ 16/14/11. Valores por encima de este código indican contaminación con partículas de desgaste o ingreso de suciedad ambiental. El aumento sostenido de partículas de hierro (ferrografía) puede indicar desgaste progresivo de cojinetes.
Medida a 40°C y 100°C. Variación tolerable respecto al aceite nuevo: ±10% en servicio normal. Un aumento de viscosidad indica oxidación y polimerización. Una reducción de viscosidad indica dilución con condensados de proceso (agua, solventes). Cualquier variación superior al 10% requiere investigación de causa raíz antes de continuar la operación.
Límite de alarma: ≥ 0,05% (500 ppm). El agua libre en el aceite de turbina promueve la corrosión de cojinetes y superficies de acero en el depósito, favorece el crecimiento microbiano en aceites de bajo uso (standby equipment) y reduce la vida de los antioxidantes. En trenes con turbina de vapor, el control del agua es especialmente crítico dado el potencial de ingreso de vapor por sellos de laberinto desgastados.
Aunque en trenes integrados se usa un único aceite compartido, las exigencias técnicas de la turbina de gas y del compresor centrífugo difieren en aspectos importantes:
En general sí, si la velocidad de giro es alta (> 6 000 rpm) y la temperatura de operación del aceite es controlada a 40-45°C. Sin embargo, en cojinetes de patín oscilante de diámetro grande (> 150 mm) con alta carga axial, el VG 46 proporciona una película más gruesa y mayor margen de seguridad. Consulte siempre las recomendaciones del fabricante del compresor (API 614 Supplement A) y la curva de carga vs. viscosidad del cojinete.
Sí, es altamente recomendable realizar un flush con aceite de enjuague compatible (puede ser el propio PAO diluido o un aceite de lavado de baja viscosidad) antes de introducir el PAO nuevo. Los PAO tienen poder solvente diferente al Grupo II: pueden movilizar depósitos de barniz existentes en el sistema, generando una contaminación inicial del aceite nuevo. Además, verifique compatibilidad de todas las juntas elastoméricas del sistema con PAO antes del cambio.
El sello de aceite de contacto requiere un sistema de aceite de sello separado (o integrado con el de cojinetes) que opera a presión superior a la del proceso. El aceite se contamina con gas de proceso y debe monitorizarse frecuentemente. El DGS no usa aceite en el sello: sólo requiere gas de sello limpio y seco. El sistema de aceite del DGS es únicamente para los cojinetes, lo que simplifica la operación y elimina las emisiones de aceite al sistema de antorcha.
El RPVOT está justificado semestralmente como parte del programa de monitorización estándar, y de forma anticipada cuando: el TAN supera 0,3 mg KOH/g; el aceite presenta aspecto oscuro o turbio; se ha producido un evento de alta temperatura (alarma de temperatura en cojinete); o cuando se acercan las 3 000-4 000 horas en aceites Grupo II. El RULER es complementario al RPVOT y permite detectar el agotamiento de antioxidantes de forma más temprana y sensible.
En compresores críticos (API 614 Categoría 1) con sistema de aceite de sello expuesto a contaminación de proceso, la purificación centrifugadora online es altamente recomendable. Elimina el agua libre y las partículas finas que no retiene el filtro de presión. Para compresores de aire sin contacto con proceso y con sellos de laberinto simples, la purificación centrifugadora puede programarse de forma intermitente (1-2 horas por semana) en lugar de continua.
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