Technical Concepts of High Speed Oil Flushing. Differences with Filtration

 Dear sirs, find attached this post by Ing. Cristián Schimd, Electromechanical Engineer UTN Facultad Regional Mendoza and Development Manager of Grupo Sicelub Lubritech. you can know more about his company in www.sicelub.com

TECHNICAL CONCEPTS OF HIGH-SPEED OIL FLUSHING. DIFFERENCES WITH FILTRATION

INTRODUCTION

 When one talks about the term Contamination Control in Industry, it is frequent to hear the word Flushing as one of the necessary measures to reduce the particle content in lubrication or hydraulic system.

 In this paper, we intend to correctly define this term and to clarify the main differences with the term Filtration.

 It is vital that all the parts involved use the same terminology to work properly and professionally in the field of lubrication engineering and its practical uses in the industry.

Keywords: Flushing, Reynold, Filtration.

DEVELOPMENT

 There are various ways to define a Flushing procedure; here we’ll quote the one that appears in ASTM D-6439-05 Standard ^[1]. It reads circulation of liquid through the lubrication system or a component, when the turbine is not operating, to remove the contaminant.

 It is important to highlight that the procedure is pointed out as the right one to remove contaminants from the mechanical equipment, its lubrication system or components. It is not focused on cleaning or filtering the oil, rather it is focused on cleaning the system, the mechanical components and pipes.   

 Several aspects have to be considered to achieve a successful Flushing procedure, that is, a procedure that removes the greatest amount of dirt from the system and in the shortest time possible. The most important ones are:

1- It has to be performed before the first start-up of the equipment (Commissioning), or in scheduled shutdowns (major outages).

2- Achieve a turbulent flow regime. Regularly, the Reynolds number should be greater than 4,000 to ensure that the different fluid layers inside the pipe have better action over the internal walls of the pipe.

3- Use of the high-efficiency filter media. Filter media with a β_x factor higher than 200 must be used to ensure that the particles removed are extracted from the system.

4- Use of in-situ oil analyzers. It’s very important to have analysis equipment of ISO 4406 code (Particle Content) to perform a follow-up of the procedure and determine when the cleaning has ended.

 The above mentioned will give Reliability and Availability to the System, allowing to obtain a start-up without shocks and the optimization during the times of start-up and scheduled shutdowns, concepts which are more and more demanded to increase the Annual Production.

 To achieve a turbulent regime, it is necessary to know the diameters of the tube which will be intervened, and to make the following equation:

                                   R_e = 21.200.Q / (V.d)  Q [lts/min]

                                   V [Cts], at the operating temperature

                                   d [mm]

 In practice, to increase the Re, one can choose to use external high-flow pumping equipment, a fluid of lower viscosity for the work, or simply to hit it up to reduce its viscosity. Generally, one chooses a combination of all the previous options. 

 Thus, for example, to perform a Flushing in an 8” pipe (203.2 mm), using ISO VG 32 oil, and taking into account an operating temperature of 40°C, the minimal necessary flow to fulfill the requirements of the Standard would be 1,230 lts/min.  

 In relation to high-efficiency filters, it is essential to use a set of external filter media with a β_x > 200 factor, remembering that this β_x factor indicates how efficient the filter media is in the removal of particles. In this case β_x > 200 means that the efficiency of removal will be higher than 99.5% in particles greater than x microns.

 These filters should be mounted in the complete flow of circulation. This is why, frequently, large surfaces are required since we are working with high flows.

 Going back to the main point of our paper, we will indicate now the differences between the procedure we have just defined and the one which tends to be wrongfully used in the industry under the name of Flushing.

 When the word Flushing is mentioned, one is many times simply referring to an external kidney loop filtration of the oil tank or the system reservoir. Even if we use high-efficiency filter media, the reader will easily understand that the reach of this procedure is much more limited than that of the Flushing defined by the Standard. In this case, we simply intend to filter the oil, take it into the right ISO Code and not perform a cleaning in the system, which is the main goal of the concept Flushing previously defined.

 This filtration procedure may be carried out with the system in operation using much lower flows, since the use of higher flows here, would generate turbulences inside the reservoir which may affect the normal operation of the lubrication or control system. 

 It is normally advised to perform Flushing at the moment of the first start-up of the equipment and at every scheduled shutdown to maintain the system clean during the life span of the machine, thus, preventing the lube oil contamination. During the operation of the machine, and according to the results of the daily oil analysis, it may be necessary to connect external filtration equipment to reduce the number of particles present in the system.

 Combining, and not confusing, the Flushing and Filtration procedures during the life span of the equipment, one can achieve a longer duration of the mechanical components, and, therefore, greater reliability of the equipment. Through the bearing life span calculation, or life extension tables for bearings, hydraulic systems, engines, gears and other mechanical elements, it is proven that the lower the contamination level, the longer the life span of these elements. ^[2]

 The following table summarizes the main aspects of both terms and their differences:

	Filtration	Flushing
Goal / Target	Clean Oil	Clean System
When?	Machine Operation	Start-up or Scheduled Shutdown
Flows	Low	High (Re)
Filtration Efficiency	High	High

 In the following graphic, we can observe how the use of high-efficiency filter media, instead of the filter media of the equipment, ensure a shorter duration in the flushing process. 

 On the other hand, the table below shows the main differences between a conventional flushing and one carried out under the most demanding premises of ASTM D-6439 Standard. It summarizes the main points where advantages in reliability and service performance time can be achieved.

CONCLUSIONS

 To achieve commissioning or a start-up after a scheduled shutdown, it is essential to carry out a flushing procedure according to the standards, thus ensuring the removal of all the dirt from the system and in the shortest time possible to improve the production time of the intervened system.

 Likewise, during the operation of the equipment, special attention must be paid to the presence of contaminants in the system with the aim of removing them, and, in this way, guarantee the longest useful life of the mechanical elements. In this case, the external filtration resource must always be taken into account.

 It is extremely important to be acquainted with both procedures and apply them in the appropriate times and ways to obtain the best results from a technical and economical point of view.  

REFERENCES

[1] ASTM D-6439-05 “Standard Guide for Cleaning, Flushing, and Purification of Steam, Gas and Hydroelectric Turbine Lubrication System”

[2] Lubricación por Niebla de Aceite y su impacto positivo sobre la vida de los rodamientos [Oil mist lubrication and its positive impact on the lifespan of the bearings]. Work presented in the I Taller Argentino de Tribología [I Argentinean Workshop in Tribology], May 2012, Bahía Blanca.

RCA: Maintenance isn't just repair.

 Some months ago I did a Maintenance assessment in a facility, the Maintenance team was very efficient, with strong skills, and they repaired quickly any breakdown.

 One day an auxiliary water pump failed, due the maintenance team had the training and instructions needed and the tools and spare parts were in the warehouse, the breakdown was repaired in less than two hours. An excellent job, they said.

  

 But I didn’t agree with them because I thought the job was uncompleted; to repair the pump as soon as possible is important but, Will the pump become fail again?

 Not only must the maintenance team repair the machines, but it has to look into the breakdown causes to avoid the failure happens again.

 So, I recommended them to implant an RCA (Root Cause Analysis) and train the maintenance team to performance it.

 RCA is a logical sequence of steps that allow isolating the facts surrounding an event of failure and determines the best course of action that will resolve the event and ensure that it isn’t repeated.

 An RCA can be as simple as a 5 Whys process, or can be a more complex one to include questions as What happened?, Where?, When?, What changed?, Who was involved?, Why did it happen? and, mainly, What is the impact? The process must go with some photos of the breakdown, the broken parts, and samples of lubricants and coolants.

 This process will spend only some minutes of the maintenance time, so it won’t lose its efficiency, but will allow making a small investigation to find answers to the two main questions: Will it happen again? and How can recurrence be prevented?  

 Including the answer to this last question in our maintenance program we will avoid downtimes in the future.

RCA: Mantenimiento no es sólo reparar.

 Hace unos meses hice un trabajo de consultoría en una instalación, el equipo de mantenimiento era muy eficaz, con una sólida formación, y reparaba rápidamente cualquier avería.

 Un día se averió una bomba de agua auxiliar, el equipo de mantenimiento disponía de la formación y las instrucciones necesarias, y en el almacén se disponía de las herramientas y los repuestos, así el equipo lo reparó en menos de dos horas. Un excelente trabajo, me dijeron.

  

 Pero, en mi opinión, el trabajo estaba incompleto; claro que era importante reparar la bomba lo antes posible pero, si no hacemos nada más, ¿volverá a repetirse la avería?

 Además de reparar, el equipo de mantenimiento debe averiguar las causas de la avería para evitar que esta vuelva a ocurrir.

 Para ello les recomendé crear un procedimiento RCA (Análisis de Causa Raíz  y formar al departamento de mantenimiento para su aplicación.

 Se trata de un proceso lógico que permite aislar las causas del fallo y así determinar la mejor estrategia para evitar que vuelva a repetirse.

 Para ello puede implantarse un sistema tan sencillo como el de los 5 Whys, o se puede preparar un sistema algo más complejo que incluya preguntas tales como ¿Qué ha pasado?, ¿Dónde?, ¿Cuándo?, ¿Qué cambió cuando se produjo la avería?, ¿Quién estaba involucrado?, ¿Por qué ocurrió? y, sobre todo, ¿Cuál fue el impacto? y se acompañe de algunas fotos de la avería, las piezas averiadas y muestras de lubricantes o fluidos refrigerantes.

 Este proceso solamente ocupará unos minutos al equipo de mantenimiento, que no perderá su eficacia, y permitirá realizar una pequeña investigación que de respuesta a las dos preguntas principales, que son ¿Volverá a ocurrir? y ¿Cómo puede evitarse?  

 Incluyendo la respuesta a esta última pregunta en nuestro plan de mantenimiento nos evitaremos nuevas averías y paradas en el futuro.

Conceptos Técnicos de Flushing Oleohidráulico. Principales Diferencias con Filtración.

 Estimados lectores, a continuación adjunto un post que nos ha enviado el Ing. Cristián Schimd, Ing. Electromecánico UTN Facultad Regional Mendoza y Director de Desarrollo de Grupo Sicelub Lubritech. Podéis conocer más sobre su empresa en www.sicelub.com

CONCEPTOS TÉCNICOS DE FLUSHING OLEOHIDRÁULICO. PRINCIPALES DIFERENCIAS CON FILTRACIÓN

INTRODUCCIÓN

Cuando en la Industria, se habla sobre el término “Control de la Contaminación”, es normal oír la palabra “Flushing” como una de las medidas necesarias para disminuir el contenido de partículas en un sistema de lubricación o hidráulico.

En este trabajo, nos proponemos definir correctamente este término, y que se entiendan las principales diferencias con el término “Filtración”.

Es de vital importancia que todas las partes involucradas, manejen la misma terminología, a los efectos de trabajar con propiedad y profesionalidad en el ámbito de la ingeniería en lubricación, y sus aplicaciones prácticas en la industria.

Palabras clave: Flushing, Reynolds, Filtración

DESARROLLO

Existen varias maneras de definir un procedimiento de Flushing, aquí escribimos textualmente la que aparece en la Norma ASTM D-6439-05 ^[1]. Dice así “Circulación de un líquido a través de un sistema de lubricación o componente, cuando la turbina no está operando, para remover contaminantes”.

Es de destacar que se señala al procedimiento como aquel indicado para realizar una remoción de contaminantes del equipo mecánico, su sistema de lubricación o componentes. No está enfocado en limpiar o filtrar el aceite, sino en limpiar el sistema, los componentes mecánicos y tuberías.

Para que el Flushing sea exitoso, es decir, retire la mayor cantidad de suciedad del sistema, y en el menor tiempo posible, se señalan varios aspectos a tener en cuenta, siendo los más importantes.

1-   Debe realizarse antes del primer arranque del equipo (Comisionado), o bien en Paradas Programadas.

2-   Lograr un régimen de circulación turbulento. Normalmente el Número de Reynolds debe ser mayor a 4.000; para asegurar que las distintas capas de fluido dentro de la tubería, tengan una mejor acción sobre las paredes internas de la tubería.

3-   Uso de elementos filtrantes de alta eficiencia. Se deben utilizar elementos filtrantes con un factor β_x mayor a 200, para asegurar que las partículas removidas, sean retiradas del sistema.

4-   Utilización de Analizadores de Aceite en sitio. Es muy importante contar con equipos de análisis de Código ISO 4406 (Contenido de Partículas), para realizar un seguimiento del procedimiento, y determinar cuando la limpieza ha finalizado.

Lo anterior brindará Fiabilidad y Disponibilidad al Sistema, permitiendo un arranque sin sobresaltos, y la optimización del tiempo de puesta en marcha y parada programada, conceptos cada vez más demandados para incrementar la Producción Anual.

Para lograr un régimen turbulento, es necesario conocer los diámetros de tubería a intervenir, y aplicar la siguiente ecuación:

                                  R_e = 21.200.Q /(V.d)   Q [lts/min]

                                   V [Cts], a la t° de trabajo

                                   d [mm]

En la práctica, para aumentar el Re, se puede optar por utilizar equipos externos de bombeo de alto caudal, usar un fluido de menor viscosidad para el trabajo, o bien calentarlo para disminuir su viscosidad. Generalmente, se opta por una combinación de todas las opciones anteriores.

Así por ejemplo, para realizar un Flushing en una Tubería de 8” (203,2 mm), utilizando un Aceite ISO VG 32, y considerando una temperatura de operación de 40°C, el caudal mínimo necesario para cumplir con los requisitos de la Norma sería de unos 1.230 lts/min.

En lo que respecta a filtros de alta eficiencia, se hace indispensable utilizar una batería de elementos filtrantes externos con un factor β_x > 200, recordando que este factor β_x nos indica qué tan eficiente en la remoción de partículas es el elemento filtrante. Para este caso β_x > 200, significa que la eficiencia de remoción será mayor al 99,5% en partículas mayores a “x” micrones.

Estos filtros deben instalarle en el flujo completo de circulación preferentemente, por lo que normalmente se requieren grandes superficies, ya que recordemos que trabajamos con altos caudales.

Regresando sobre el punto principal de nuestro trabajo, vamos a señalar ahora las diferencias entre el procedimiento recién definido, y el que erróneamente suele utilizarse en la industria bajo el nombre de “Flushing”.

Cuando se menciona la palabra “Flushing”, en repetidas ocasiones se está refiriendo simplemente a una filtración externa tipo riñón del tanque de aceite o reservorio del sistema. Aunque se utilicen elementos filtrantes de alta eficiencia, el lector comprenderá fácilmente que los alcances de este procedimiento, son mucho más limitados que los alcances del Flushing definido por Norma. Aquí se pretende simplemente filtrar el aceite, dejarlo en Código, y no realizar una limpieza en el sistema, objetivo central del concepto “Flushing” definido con anterioridad.

Este procedimiento de filtración, puede ser realizado con el sistema en operación, utilizando caudales mucho menores, ya que el uso aquí de caudales elevados, generaría turbulencias dentro del reservorio que pueden afectar la normal operación del sistema de lubricación o control.

Normalmente lo aconsejado es realizar un Flushing al momento de arrancar un equipo por primera vez, y en cada Parada Programada, a fin de mantener el sistema limpio durante el ciclo de vida de la máquina, y prevenir de esta manera la contaminación del aceite lubricante. Durante la operación de la máquina, y de acuerdo a los resultados de los análisis de aceite que se realicen periódicamente, puede ser necesario conectar un equipo externo de filtración para disminuir la cantidad de partículas presentes en el sistema.

Combinando, y no confundiendo, los procedimientos de Flushing y Filtración durante la vida útil de los equipos, se logran una mayor duración de los componentes mecánicos, y por lo tanto una mayor fiabilidad de los equipos. Está demostrado, a través de cálculo de vida de rodamientos, o tablas de extensión de vida para cojinetes, sistemas hidráulicos, motores, engranajes, y otros elementos mecánicos, que mientras menor es el nivel de contaminación, mayor es la vida de estos elementos. ^[2]

En la siguiente tabla, se resumen los aspectos principales de ambos términos y sus diferencias:

	Filtración	Flushing
Objetivo	Limpiar Aceite	Limpiar Sistema
¿Cuándo?	Operación Máquina	Arranque o Paro Programado
Caudales	Bajos	Altos (Re)
Eficiencia Filtración	Alta	Alta

En el gráfico que sigue, puede observarse como el hecho de utilizar elementos filtrantes de alta eficiencia, en lugar de los elementos filtrantes propios del equipo, aseguran una duración menor en el proceso del flushing.

Por otro parte, en la tabla siguiente se visualizan las principales diferencias entre un flushing convencional, y uno realizado bajo las premisas más exigentes de la Norma ASTM D-6439. Se resumen los principales puntos donde pueden obtenerse ventajas en fiabilidad y tiempo de realización del servicio.

 

 

CONCLUSIONES

Para lograr una puesta en marcha y/o arranque luego de una Parada Programada, es vital llevar adelante un procedimiento de flushing acorde a normatividad, asegurando el retiro de toda la suciedad del sistema, y en el menor tiempo posible, para mejorar el tiempo de producción del sistema intervenido.

Asimismo, durante la operación de los equipos, se debe prestar especial atención a la presencia de contaminantes en el sistema, con el objetivo de removerlos, y de esta manera asegurar la mayor vida útil de los elementos mecánicos. En este caso, el recurso de la filtración externa, siempre debe ser tenido en cuenta.

Es sumamente importante, conocer ambos procedimientos y aplicarlos en los momentos y de las maneras adecuadas, para obtener los mejores resultados desde un punto de vista técnico económico.

REFERENCIAS

[1] ASTM D-6439-05 “Standard Guide for Cleaning, Flushing, and Purification of Steam, Gas and Hydroelectric Turbine Lubrication System”

[2] Lubricación por Niebla de Aceite y su impacto positivo sobre la vida de los rodamientos. Trabajo presentado en I Taller Argentino de Tribología, Mayo 2012, Bahía Blanca.

 

Lubrication Regimes

 Knowledge of the lubrication regimes in which our machines run is essential to choose the best viscosity and type of lubricant with the target to avoid wear and improve energy saving, that is why to know the Stribeck curve is needed.

 To choose the right viscosity for an application is of crucial importance to avoid wear in machines, for this we usually follow the manufacturer recommendations but rarely do we consider parameters as the surface relative speed or the real running temperature. If we are not sure usually we increase the ISO viscosity grade but this does not ensure the wear protection.

 In addition these criteria don’t consider the equipment energy saving which can get worse without to improve the reliability.

 The best way to solve this problem is to know the lubrication regime our machines run, that is why we need to know the Stribeck curve.

 Describe by Richard Stribeck during the first years of the XX century, this Curve provide us an idea of the friction coefficient variation between two surfaces in the function of the lubrication regime. This regime depends on a parameter related to the lubricant viscosity, the surfaces relative speed and the load.

 If we follow the abscissa axis, first we find the boundary lubrication regime in which the friction coefficient is too high due the film is too thin, lower than the surface roughness, so we cannot avoid the wear. If we cannot avoid running in this regime, due to the running temperature, very low relative speed and/or very high load, we must use solid lubricants and pastes. Another option is to increase the lubricant viscosity to move to the next lubrication regime.

 In the mixed lubrication regime, the film thickness is higher, around the surface roughness, so only there are isolated contacts. This regime provides a drastic friction coefficient decrease and we can find a curve minimum, it means is suitable for energy saving. To avoid wear to use anti-wear additives are needed. 

 Both regimes are considered unstable because the increase in the temperature reduces the viscosity and increases the friction, as a result of that the lubrication regime moves to the left of the curve, the area that generates more wear.

 If we increase the viscosity or the relative speed we move to the elastohydrodynamic and hydrodynamic regimes, where we avoid wear because the film thickness is higher than the roughness.

 In the elastohydrodynamic regime, described by Ertel and Grubin and developed by Cheng, Hertzian contacts are found due to very small contact surface and very high load, up to 3.0 GPa, that increase the viscosity of the lubricant, deform both surfaces and reduce the roughness. This lubrication regime is near the minimum of the Stribeck curve, in fact, some authors think the minimum is in this regime, so to keep in this regime increases the energy-saving and reduces wear. Gears, bearings and cams run in this regime.

 In the hydrodynamic regime, the film thickness is much higher than the roughness, due to the relative speed and the viscosity of the lubricant, this is why we avoid the contacts between the surfaces and eliminate wear. This regime is defined by the Reynolds equation. But the Stribeck curve indicates us that this regime increases the friction coefficient due the high viscosity so the energy-saving gets worse, mainly if the relative speed between the surfaces is too high, in this case, we must reduce the viscosity of the lubricant to move closer the minimum of the Stribeck curve. Journal bearings run in this regime.

 We can consider these regimes as stables because any variation of temperature produces a variation of the viscosity and the friction coefficient in the same direction so they stabilize themselves.