1. 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.
compresión mayores que las usuales
INTRODUCCIÓN
de acuerdo al estado de los avances
tecnológicos de la época.
finales del siglo XIX el Dr.
A • La fricción de los componentes
Rudolf Diesel enfrentó, a un
sometidos a tales presiones debía ser
tiempo, el desarrollo de una
mínima.
tecnología desconocida y la
• Diseño y construcción del más
requerida por las máquinas térmicas
sencillo sistema de conexiones para las
de la época, con las siguientes
líneas de combustible de alimentación
condiciones de contorno:
del nuevo motor.
• Diseño y construcción de un
Se presentaba, pues, un complejo
sistema de inyección de combustible
problema tribológico formulado junto
de alta presión con suficiente precisión
con las bases de diseño de uno de los
para crear, controlar e inyectar una
inventos que ha revolucionado el
determinada cantidad de combustible,
pasado siglo XX: el motor de
cíclicamente.
combustión interna alternativo (MCIA)
• Diseño y construcción de una
en cualquiera de sus configuraciones,
cámara de combustión que permitiera
ya sea como motor de encendido
la obtención de mejores relaciones de
provocado (MEP) o como motor de
potencia y rendimiento.
encendido por compresión (MEC). Una
• La cámara de combustión así
adecuada colaboración, aunque no
diseñada había de ser estancada bajo
siempre exenta de sinsabores, entre el
unas condiciones de presión de
15

2. 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
reserva alcalina del aceite de
INFLUENCIA DEL
lubricación. La utilización del
CONTENIDO DE AZUFRE
denominado fuel BIA (bajo contenido
EN EL COMBUSTIBLE
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 ser
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3. 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
lubricantes para engranajes, cojinetes
CON DIFERENTES TIPOS DE DESGASTES
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
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4. 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.
Es necesario eliminar los perniciosos
FIGURA 1: EL INCREMENTO DE TEMPERATURA EN DETERMINADOS CILINDROS, CON
SEVERAS OSCILACIONES RESPECTO A SUS VALORES INICIALES, INDICAN QUE SE HA
efectos de la alta temperatura de
PRODUCIDO UN COLAPSO EN LA PELÍCULA DEL LUBRICANTE, POR LO QUE ENTRAN EN
CONTACTO ZONAS DE LOS AROS DEL PISTÓN CON LA CAMISA DEL CILINDRO, CON LA
cilindros, especialmente cuando son
POSIBLE APARICIÓN DEL SCUFFING.
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.
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5. RTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOSARTÍCULOS
el resto de parámetros. Inicialmente,
ENUNCIADO DE CASOS Y
también se conservó el tipo de lubricante
ACCIONES REALIZADAS
de cilindros.
En los once motores de dos tiempos
3.Tras un corto periodo de operación
aplicados a la generación de energía
en estas condiciones, en los dos tipos de
eléctrica en plantas estacionarias en los
motores afectados, modelos B&W
que se ha seguido la aparición de daños
10L67GBE y NSD 9RTA76 se presentaron
por scuffing, la secuencia ha sido la
episodios de scuffing de diferente
siguiente:
severidad. (fotos 2 y 3). Como
consecuencia, y sobre la base del análisis
1.Entrada en funcionamiento
de las causas de aparición del scuffing
consumiendo un tipo de combustible
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.
y de los sistemas de diagnosis, se decide
FOTO 2: CABEZA PISTÓN TRAS PROCESO SCUFFING. SE
OBSERVAN RESTOS DE CENIZAS EN CORONA DE Y PASO
llevar a cabo en dichos motores las
DE RESIDUOS DE COMBUSTIÓN POR DEBAJO DEL ARO.
siguientes acciones:
Combustible fueloil residual de 180
1.Lubricantes de cilindros.
cSt, porcentaje de azufre < 2.7 %
Combustible fueloil residual de 380
• Se han ensayado diversos tipos de
cSt, porcentaje de azufre < 2.7 %
lubricante hasta encontrar el mejor
acuerdo entre basicidad, capacidad de
2.Por requerimientos medio-
neutralización, detergencia y dispersancia
ambientales se pasa a consumir un
de los residuos de combustión. La
combustible residual denominado BIA
solución de compromiso se basa en la
(bajo índice de azufre), en el que se limitó
utilización de lubricantes de 30 BN, ya
el porcentaje de azufre a valores inferiores
que aportan suficiente detergencia y
a la unidad, manteniendo casi invariables
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)
19
FOTO 3: DURANTE EL PROCESO DE SCUFFING SE HA
PRODUCIDO EL COLAPSO DE LOS AROS EN SUS RANURAS.

6. 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 se
FIGURA 3: PARA EVITAR LOS DEPÓSITOS DE CARBÓN EN LAS RANURAS DE LOS
ve perjudicado al presentar tasas de
AROS DEL PISTÓN, SE UTILIZA UN PACK DE TRES AROS, OPTIMIZADOS PARA
INCREMENTAR SU VIDA OPERATIVA CON REVESTIMIENTOS ESPECIALES CONTRA EL
desgaste abrasivo y corrosivo mayores.
DESGASTE.
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
rendimiento del motor.
CONCLUSIONES
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.
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7. 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
Vapor, Alternadores, Interruptores y
BIOGRAFÍAS
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.
COOK, S.J. (2001): Prevention of
Su línea de investigación abarca la
scuffing in 2-stroke crosshead marine
renovación de carga de los motores de
diesel engines. CIMAC Congres,
combustión interna y sus efectos
Hamburg, pags. 1412-1417
contaminantes, sobre los que ha
LIM, K. y LIDDY, J.JP. (2000):
publicado diversos artículos en
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.
A S M E , N e w Yo r k , p a g . 1 1 8 2 .
e-mail: lconde@dip.ulpgc.es
SAYLES, R.S. (2000): A case study
of cylinder liner wear in relation to
FRANCISCO FERNANDEZ VACAS
varnish films in a large long stroke
Ingeniero Industrial, especialidad
marine diesel engine. SAE Paper 2000-
Técnicas Energéticas por la UPM. Realiza
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
scuffing in 2-strokes low speed engines
Dirección:
as experienced by users WG members
UNIÓN ELÉCTRICA DE CANARIAS
and others. CIMAC Congress,
GENERACIÓN, S.A.
Copenhagen.
Subdirección de Producción. Servicios
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