INTRODUCCIÓN

finales del siglo XIX el Dr.Rudolf Diesel enfrentó, a untiempo, el desarrollo de unatecnología desconocida y la

requerida por las máquinas térmicasde la época, con las siguientescondiciones de contorno:

• Diseño y construcción de unsistema de inyección de combustiblede alta presión con suficiente precisiónpara crear, controlar e inyectar unadeterminada cantidad de combustible,cíclicamente.

• Diseño y construcción de unacámara de combustión que permitierala obtención de mejores relaciones depotencia y rendimiento.

• La cámara de combustión asídiseñada había de ser estancada bajounas condiciones de presión de

compresión mayores que las usualesde acuerdo al estado de los avancestecnológicos de la época.

• La fricción de los componentessometidos a tales presiones debía sermínima.

• Diseño y construcción del mássencillo sistema de conexiones para laslíneas de combustible de alimentacióndel nuevo motor.

Se presentaba, pues, un complejoproblema tribológico formulado juntocon las bases de diseño de uno de losinventos que ha revolucionado elpasado siglo XX: el motor decombustión interna alternativo (MCIA)en cualquiera de sus configuraciones,ya sea como motor de encendidoprovocado (MEP) o como motor deencendido por compresión (MEC). Unaadecuada colaboración, aunque nosiempre exenta de sinsabores, entre el

DESGASTE ADHESIVO (SCUFFING) ENCAMISAS DE CILINDROS Y AROS DEPISTÓN DE MOTORES DIESEL LENTOSDE DOS TIEMPOS

En este trabajo se describe el desgaste adhesivo(scuffing) que representa la más severa de lasagresiones a la que se ven expuestos aros de pistóny camisas de cilindro de motores diésel lentos de dostiempos aplicados a la generación eléctrica, al quemarcombustibles de bajo contenido en azufre.Al afectar simultáneamente, a estos dos elementosbásicos de la cámara de combustión, repercutenegativamente tanto en la continuidad del servicio delmotor, como en los costes asociados a la restituciónde las condic iones nominales de trabajo.

Adhesive wear, known under its more familiar Englishname scuffing is described in this contribution. Focuswill be made on scuffing afecting cylinder liners andpiston rings of two-strokes cycle low speed dieselsengines applied to electricity generation, burning low-sulphur heavy fuel oil.Scuffing is the most severe type of wear to wich pistonrings and cylinder liners are exposed because two mainbasic components are impaired simultaneously.Availability to keep the engine safetily running is nomore possible and extremely high reparation costs arerelated to get the nominal service condition again.

A

LUIS CONDE CID

FRANCISCOFERNÁNDEZ VACAS

MIGUELMARTÍNEZ MELGAREJO

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diseñador del motor y el suministradordel lubricante a lo largo de décadas halogrado conseguir que el scuffing decamisas de cilindros y aros de pistónsea, sin embargo, un problema pocofrecuente, apareciendo en casos enque la potencia específica ha crecidode forma considerable o comoconsecuencia de cambios, a vecesradicales, de las condiciones deoperación. Más recientemente, ungrupo de usuarios ha dejado oír su vozante instituciones autorizadas –CIMACcuenta con un “User Group” ante elque se ha presentado informaciónsobre severos incidentes- describiendoepisodios de scuffing tanto en motoresmarinos, como en sus equivalentes eninstalaciones estacionarias aplicados ala generación de electricidad. A pesarde la dilatada vida del problema, sólounas pocas respuestas definitivas sehan podido encontrar. Un mejorconocimiento de las circunstancias deiniciación de scuffing es un atractivoreto que es necesario afrontar confirmeza, pero con la certeza de sucomplejidad y extensión.

INFLUENCIA DEL

CONTENIDO DE AZUFRE

EN EL COMBUSTIBLE

El cuidado del medio ambienterequiere el control de las emisiones deSOx procedentes de los gases de escapede instalaciones terrestres y de grandesbuques. La IMO (International MaritimeOrganization) ha propuesto limitar aun 5 % en peso el porcentaje de azufrea nivel global y a 1.5 % en determina-das zonas especiales. En la ComunidadCanaria, esta limitación se mantienedesde hace más de cinco años en el 1% en peso.

Las solicitaciones térmicas ymecánicas de los motores diesel lentosde 2T se han visto incrementadas engran medida por la presión de losusuarios para disponer de mejoresrendimientos, manteniendo laposibilidad de quemar combustibles

residuales. Además, se ha empezadoa advertir la aparición de residuos enforma de lacas oscuras en el interiorde las camisas de cilindros, y observadofallos severos ligados a la utilizaciónde combustibles de bajo contenido enazufre, inicialmente tenidos comomenos agresivos para el motor, quehan ocasionado desgastes excesivos.

En función de estas condicionesde contorno, aparece la necesidad deanalizar las anomalías causadas por elcontenido de azufre y establecer quéacciones correctoras implantar.

Anomalías causadas por lautilización de combustibles con altocontenido en azufre:

• Desgaste corrosivo en las zonasde baja temperatura de los pistones ycamisas de cilindros. El azufre contenidoen el combustible origina la formaciónla H2SO4 en las zonas subenfriadas delas camisas de cilindros. La crecientepresión de trabajo de los motoresactuales facilita que se alcance el puntode rocío de las especies corrosivas queno pueden ser neutralizadas por lareserva alcal ina del aceite delubricación. La uti l ización deldenominado fuel BIA (bajo contenidoen azufre; S < 1%) ha significado undecrecimiento muy significativo de estetipo de desgaste.

• Deposición de lacas negras enlas zonas internas de las camisas decilindros.

• Desgaste corrosivo por altatemperatura en las válvulas de escape,asientos de válvulas y zonas del pistóndi rectamente expuestas a lacombustión.

• Contaminación medioambientalpor SOx.

Anomalías causadas por lautilización de combustibles con bajocontenido en azufre:

• Scuffing de camisas de cilindroso excesivo desgaste de aros de pistóny camisas. Este fenómeno puede ser

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reconocido por la presencia de estríasásperas uniformemente distribuidas alo largo de las superficies que lo sufren.En situaciones críticas, el scuffing llegaa producir la microsoldadura delmaterial ocasionando arrastre dematerial. El scuffing está asociado a lapresencia de zonas expuestas a altatemperatura, resultado del colapso dela película de lubricante. (foto 1)

Algunas de las teorías que tratande explicar la aparición de estefenómeno son:

Exceso de basicidad en lacámara de combustión

Ante una excesiva capacidad deneutralización del lubricante decilindros, bien por un alto BN del aceiteo por alto BT, la reserva alcalina basadaen aditivos de carbonato cálcico queno encuentran suficiente ácido sulfúricopara combinarse, forma depósitos enla corona del pistón, espaciocomprendido entre la primera ranuray la cara del pistón expuesta acombustión, en forma de cenizas demuy alta dureza.

Estas cenizas se adhieren a lacorona del pistón ocasionando un ligerodesgaste abrasivo de las camisas delcilindro que permite cada vez mayoracumulación de cenizas de alta dureza.Estas cenizas presentan una gran avidezpor la absorción del lubricante, lo quelleva a un insuficiente reparto del

mismo, así como al bruñido de lacamisa, con lo que el lubricante perderáopciones de encontrar pequeñasimperfecciones donde depositarse paracumplir su función.

La acción correctora más eficazhasta el momento ha sido reducir elBN del lubricante, si bien no se hamostrado como una solución definitiva.

Insuficiente entorno corrosivo

Recientes estudios han demostradoque la presencia de un entornocorrosivo debido a la actividad de losácidos formados en el proceso deoxidación de los aceites bases, puedecontribuir a la reducción del riesgo descuffing. Como posible explicación, sesupone que la actividad de los ácidosque contribuyen a minimizar el riesgode scuffing es similar a la de los aditivosanti-scuffing comúnmente usados enlubricantes para engranajes, cojinetesu otras aplicaciones industriales.

La oxidación contribuye a unincremento en la viscosidad dellubricante, por lo que las investigacionesrealizadas han tomado la viscosidadc i n e m á t i c a c o m o v a r i a b l eindependiente. De esta forma, se hacomparado el comportamiento de unmismo aceite base mezclado conproductos de alta viscosidad, sinoxidación, con el comportamiento dedicho aceite sin aditivar en condicionesoxidadas. Se ha podido comprobar quemientras que el incremento deviscosidad puede tener un efectoreductor en la aparición de scuffing,su influencia es mucho menor que laderivada de la presencia de ácidoscarboxíl icos procedentes de laoxidación. Aunque este proceso no esbien conocido en la actualidad, sepiensa que la mejora es debida a ladeposición de los ácidos carboxílicossobre los intersticios de las superficiessometidas a fricción. Sin embargo, estosácidos incrementan el riesgo decorrosión, promueven la degeneraciónde las propiedades de los aditivos y

FOTO 1: PORCIONES DE AROS DE PISTÓNCON DIFERENTES TIPOS DE DESGASTES

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estimulan la producción de residuosde alto peso molecular en forma delodos.

En suma, puede concluirse que latolerancia de un cierto ambientecorrosivo que lleve a la eliminación,supuestamente controlada, de lasinterfases sometidas a fricción no es elmejor procedimiento para reducir losepisodios de scuffing en motores dealtas solicitaciones termo-mecánicas.

Influencia de la duración delfrente de llama

El centro de desarrollo de Shell enAmsterdam en colaboración con laprestigiosa firma Ricardo & Co. haninvestigado hace unos años estefenómeno utilizando una cámara decombustión sin turbulencia, similar ala utilizada en motores de 2T.

La filmación del proceso decombustión puso de manifiesto grandesdiferencias en las características del frentede llama. Determinados combustiblesresiduales producían un frente de llamade muy corta duración, mientras queotros, también combustibles residualespero de bajo contenido en azufre segúnla procedencia del crudo origen,mantenían una duración del frente dellama superior en varios casos a lacorrespondiente a combustibles másligeros.

El significado de estas observa-ciones no ha sido suficientementeaclarado, dando paso a más preguntas

que respuestas. La transmisión de calorde las últimas fases del frente de llamaes probablemente menor que en elcaso de combustibles ligeros, pero deactividad suficiente para quemar, o almenos degradar la película delubricante en caso de que el frente dellama alcance las paredes de la camisa.

Es necesario eliminar los perniciososefectos de la alta temperatura decilindros, especialmente cuando sonocasionados por la combustión decombustibles de bajo contenido deazufre.

SISTEMAS DE DIAGNOSIS

PARA LA DETECCIÓN DE

SCUFFING

Monitorizar la temperatura demetal de la camisa es la mejorherramienta para la detección del iniciode un proceso de scuffing. En el gráficoadjunto (Fig. 1) se reproducen losresultados del proceso mencionado,donde se observa con toda nitidezcómo se produce un incremento detemperatura acompañado de unasevera oscilación respecto a su valormedio inicial. Este comportamiento dela temperatura del metal de la camisaindica que se ha producido el colapsode película del lubricante, entrando encontacto zonas de los aros de pistóncon la superficie interior de la camisa,provocando el inicio de un proceso descuffing

Otro sistema para detectar que unproceso de scuffing se está iniciandoes la medición del desgaste del primeraro del pistón. Este tipo de sistemas,desarrollados por Wärtsilä NSDSwitzerland Ltd., han contribuido adetectar con anticipación el inicio delos procesos de scuffing, permitiendoreducir el alcance de los dañosproducidos. S in embargo, suconcepción de funcionamiento, ya queha de producirse el daño para que seadetectado, no protege al usuario demotores de 2T de sufrir este tipo dedaños.

FIGURA 1: EL INCREMENTO DE TEMPERATURA EN DETERMINADOS CILINDROS, CONSEVERAS OSCILACIONES RESPECTO A SUS VALORES INICIALES, INDICAN QUE SE HAPRODUCIDO UN COLAPSO EN LA PELÍCULA DEL LUBRICANTE, POR LO QUE ENTRAN ENCONTACTO ZONAS DE LOS AROS DEL PISTÓN CON LA CAMISA DEL CILINDRO, CON LAPOSIBLE APARICIÓN DEL SCUFFING.

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ENUNCIADO DE CASOS Y

ACCIONES REALIZADAS

En los once motores de dos tiemposaplicados a la generación de energíaeléctrica en plantas estacionarias en losque se ha seguido la aparición de dañospor scuffing, la secuencia ha sido lasiguiente:

1.Entrada en funcionamientoconsumiendo un tipo de combustiblesegún el emplazamiento cuyos requisitosgenerales se concretan en dos tipos decombustibles:

Combustible fueloil residual de 180cSt, porcentaje de azufre < 2.7 %

Combustible fueloil residual de 380cSt, porcentaje de azufre < 2.7 %

2.Por requerimientos medio-ambientales se pasa a consumir uncombustible residual denominado BIA(bajo índice de azufre), en el que se limitóel porcentaje de azufre a valores inferioresa la unidad, manteniendo casi invariables

el resto de parámetros. Inicialmente,también se conservó el tipo de lubricantede cilindros.

3.Tras un corto periodo de operaciónen estas condiciones, en los dos tipos demotores afectados, modelos B&W10L67GBE y NSD 9RTA76 se presentaronepisodios de scuffing de diferenteseveridad. (fotos 2 y 3). Comoconsecuencia, y sobre la base del análisisde las causas de aparición del scuffing

y de los sistemas de diagnosis, se decidellevar a cabo en dichos motores lassiguientes acciones:

1.Lubricantes de cilindros.

• Se han ensayado diversos tipos delubricante hasta encontrar el mejoracuerdo entre basicidad, capacidad deneutralización, detergencia y dispersanciade los residuos de combustión. Lasolución de compromiso se basa en lautilización de lubricantes de 30 BN, yaque aportan suficiente detergencia ydispersancia, aunque la limitación de lacapacidad de neutralización acorta lavida útil de aros de pistón y camisas decilindros.

2. Elementos de la cámara decombustión.

• Modificación de la geometría dela parte superior de la camisa del cilindro,instalando un elemento de eliminaciónde residuos sólidos abrasivos. (Fig. 2)

FIGURA 2: LA PARTE SUPERIOR DE LA CAMISA DEL CILINDRO SE EQUIPA CON UNARO DE GRAN DUREZA, (ANTIPOLISHING-RING) PARA CONTROLAR Y MANTENERLOS DEPÓSITOS DE CARBÓN FORMADOS EN LA CABEZA DEL PISTÓN, DENTRO DEUN ESPESOR SUFICIENTEMENTE PEQUEÑO PARA PREVENIR CUALQUIER CONTACTOENTRE LA CAMISA Y LOS DEPÓSITOS, EN CUALQUIER POSICIÓN DEL PISTÓN.

FOTO 2: CABEZA PISTÓN TRAS PROCESO SCUFFING. SEOBSERVAN RESTOS DE CENIZAS EN CORONA DE Y PASODE RESIDUOS DE COMBUSTIÓN POR DEBAJO DEL ARO.

FOTO 3: DURANTE EL PROCESO DE SCUFFING SE HAPRODUCIDO EL COLAPSO DE LOS AROS EN SUS RANURAS.

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• Instalación del primer aro delpistón en ejecución cromo-cerámicade alta resistencia. (Fig. 3)

• Incremento de la temperaturade trabajo de la zona intermedia de lacamisa de cilindro para evitar alcanzarcondensaciones de especies químicasácidas.

3. Operación de los motores.

• Instalación de sistemas demonitorización de las temperaturas depared de camisa de ci l indros.

• Instalación de sistemas demonitorización del desgaste del primeraro de cada pistón.

• En los motores tipo 9RTA76 seha modificado el principio y final de lainyección del combustible. Esto esfactible debido al sistema VIT (VariableInjection Timing) que permite optimizarla inyección de combustible en funciónde la potencia entregada por el motor.Resulta ser una solución parcial, menoseconómica, ya que si bien se reduce lapresión máxima de combustión seproduce un incremento de temperaturadurante la fase de escape y unincremento significativo de consumode combustible.

CONCLUSIONES

1. La monitorización del desgastede aros de pistón, así como de latemperatura de pared de camisas decilindro, se ha mostrado de especialayuda para minimizar la accióndestructora del desgaste ocasionado porscuffing, en motores de 2T quemandocombustibles residuales de bajo índicede azufre.

2. Aunque la tasa de aparición deprocesos de scuffing ha disminuido conla utilización de lubricantes de bajo BN,el problema de usar combustibles BIA nodesaparece, ya que el comportamientode aros de pistón y camisas de cilindro seve perjudicado al presentar tasas dedesgaste abrasivo y corrosivo mayores.La menor detergencia y dispersancia deque se dispone al utilizar lubricantes debajo BN, exige la introducción de aditivosde alto coste, no siempre bien equilibrados,que acaban promoviendo e lensuciamiento de los aros en sus ranuras,no eliminación de cenizas, mezclas confuel no quemado y un mayor nivel deensuciamiento de los colectores de barrido.

3. Para reducir la temperaturamedia de la cámara de combustión seha de recurrir a un exceso derefrigeración de las camisas, alcanzandoen ciertos puntos la zona del punto derocío de especies ácidas, así como lamodificación de parámetros claves defuncionamiento que afectan alrendimiento del motor.

FIGURA 3: PARA EVITAR LOS DEPÓSITOS DE CARBÓN EN LAS RANURAS DE LOSAROS DEL PISTÓN, SE UTILIZA UN PACK DE TRES AROS, OPTIMIZADOS PARAINCREMENTAR SU VIDA OPERATIVA CON REVESTIMIENTOS ESPECIALES CONTRA ELDESGASTE.

FOTO 4: IMAGEN DE LOS TRES PRIMEROS AROS DE PISTÓNY CORONA, VISTOS A TRAVÉS DE LAS LUMBRERAS DEADMISIÓN TRAS LA IMPLANTACIÓN DE LA MODIFICACIÓN,UTILIZANDO LUBRICANTE DE ALTO BN

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FOTO 5: VISTA ZONA SUPERIOR DE UNA CAMISA DECILINDROS, CON MEDIDAS DE DESGASTE TRAS UN PRIMERCONTROL CON 5000 HORAS DE TRABAJO. NO SE OBSERVANDESGASTES APRECIABLES.

4. Se ha iniciado la transformaciónde la cámara de combustión de losmotores tipo WNSD 9RTA76, parapermitir utilizar lubricantes de altabasicidad y poder detergente-dispersante, eliminar la deposición decenizas en zonas del pistón y manteneruna temperatura controlada de lascamisas de cilindros en todo el recorridoútil de trabajo (fotos 4 y 5). Sólo conla adopción simultánea de medidascorrectoras de tipo físico-químico ymecánico puede garantizarse unfuncionamiento libre de scuffing, asícomo la restitución de las condicionestécnico-económicas de operación demotores de 2T quemando combustiblesde bajo contenido en azufre.

BIOGRAFÍAS

LUIS CONDE CIDDoctor Ingeniero Industrial por la

ULPGC, es Profesor T itular deUniversidad del Dpto. de Ingeniería deProcesos, impartiendo docencia en elárea de Máquinas y Motores Térmicos.Su línea de investigación abarca larenovación de carga de los motores decombustión interna y sus efectoscontaminantes, sobre los que hapublicado diversos artículos encolaboración con el CEANI (ULPGC) yel grupo de MT de la ESII de Sevilla.

Direccion:Dpto. de Ingeniería de Procesos.ULPGCCampus Universitario de Tafirae-mail: lconde@dip.ulpgc.es

FRANCISCO FERNANDEZ VACASIngeniero Industrial, especialidad

Técnicas Energéticas por la UPM. Realizalos estudios de doctorado en el Dpto.de Ingeniería de Procesos de la ULPGC.En la actualidad es coordinador demantenimiento de motores diésel enla Subdirección de Producción UNELCO-ENDESA en Canarias.

Dirección:UNIÓN ELÉCTRICA DE CANARIASGENERACIÓN, S.A.Subdirección de Producción. Servicios

centrales de mantenimiento.Avda. José Ramírez Bethencourt, 2235004 Las Palmas de Gran Canaria.Tel.: 928 309 948 /Fax: 928 309 986e-mail: ffernandez@unelco.es

MIGUEL J. MARTINEZ MELGAREJODoctor Ingeniero de Minas es

Catedrático de Universidad condocencia en Máquinas Eléctricas yCentrales Eléctricas.

Fue Director Técnico de UniónEléctrica de Canarias S.A. durante 27años, dirigiendo la construcción de lamayoría de las Centrales Eléctricas delas Islas Canarias.

Fue becario en Inglaterra por laConfederación de Industrias Británicasespecializándose en: ReactoresNucleares, Turbinas y Generadores deVapor, Alternadores, Interruptores yTransformadores de Potencia.

Trabaja en la línea de investigaciónen relación con el Análisis de losSistemas Eléctricos de Potencia.

BIBLIOGRAFÍA

COOK, S.J. (2001): Prevention ofscuffing in 2-stroke crosshead marinediesel engines. CIMAC Congres,Hamburg, pags. 1412-1417

LIM, K. y LIDDY, J.JP. (2000):Cylinder oils positioning for the future.Marine Propulsion Conference ,Amsterdam.

PETERON, M.B. y WINER, W.O.(1982): Wear control handbook.Glossary of terms adn definitions in thefield of friction, wear and lubrication.ASME, New York, pag.1182.

SAYLES, R.S. (2000): A case studyof cylinder liner wear in relation tovarnish films in a large long strokemarine diesel engine. SAE Paper 2000-01-1783.

SCHENK, C. , HENGEVELD, J. YAABO, K. (2000): The role oftemperature and pressure in wearprocesses in low speed diesel engines.ISME Tokyo.

WILSON, K. (1998): Cilindre linerscuffing in 2-strokes low speed enginesas experienced by users WG membersand others. CIMAC Congress,Copenhagen.

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