Anlisis de Propiedades

Anlisis de Aceite

Todo anlisis de aceite persigue monitorear las causas de falla de los lubricantes con la finalidad de extender la vida til de los equipos evitando su desgaste acelerado y degradacin de sus componentes.

Esta bsqueda trata de identificar y eliminar las causas raz de falla, permitiendo tomar acciones para desviar tendencias y mejorar las condiciones de operacin.

Para lograr un programa efectivo y econmico de MBC se debe realizar un estudio intensivo de la operacin, mantenimiento e informacin de las fallas de los equipos ms importantes de Planta. Ser aconsejable considerar aquellas mquinas cuyos modos de falla tengan mayor gravedad, sus efectos y sntomas relevantes.

Pero cualquier anlisis de un aceite, con el fin mencionado ms arriba, se lo puede ubicar en alguna de las siguientes tres categoras.

Qu estamos analizando?1. Propiedades de los fluidos.2. Contaminacin.3. Partculas de desgaste.

Propiedades fsicas yqumicas del aceite usado (proceso de envejecimiento)Contaminantes destructivos de la mquina y del fluido.Presencia e identificacin departculas dedesgaste.

Pruebas posibles:

Conteo de partculas

Anlisis de humedad

Anlisis de viscosidad

Densidad de partculas

Ferrografa analtica

TAN/TBN

FTIR

Prueba de membrana

Punto de inflamacin

Anlisis de elementos

Beneficio primarioBeneficio menorSin beneficio

Fuente: Laboratorio Dr. Lantos

10A.J.P.24/08/20131. Anlisis de Propiedades de los Aceites

Las causas del envejecimiento de un aceite son:

Y Fatiga por temperatura.

Y Catlisis.

Y Fatiga por corte.

Y Aireacin.

Y Contaminacin con Agua.

La fatiga por corte se presenta generalmente en los trenes de engranaje, aros y cilindros.Con la presencia de agua generalmente se produce hidrlisis.

OxidacinLos oxidantes convierten las molculas de aceite en molculas altamente reactivas como los perxidos y los radicales libres.Como oxidantes tenemos al calor, aire, agua y catalizadores metlicos.

La oxidacin es retardada por los antioxidantes pero no prevenida.

Una oxidacin excesiva aumenta la viscosidad del aceite por medio de la formacin de lacas. En realidad a bajos niveles de oxidacin el aumento de la viscosidad es leve.

Causas de oxidacin

Y TemperaturaLa temperatura es uno de los peores enemigos del aceite en cuanto a la oxidacin. Existe una regla prctica que dice que si a un aceite trabajandopor encima de los 70 C, le bajamos la temperatura de funcionamiento en 10 C, aumentamos la vida til al doble. Es decir que por cada 10 C que se baje la temperatura se aumenta en una proporcin de 2 su vida til.

Y AguaEl agua en el aceite puede incrementar la velocidad de oxidacin en ms de 10 veces. Sencillamente cuando se emulsiona con el aceite lava el paquete de aditivos antioxidantes.

Y AireEl porcentaje de aire disuelto en un aceite es proporcional al ndice de acidez (TAN). Por ejemplo un aceite cuya concentracin de aire pasa de 3% a 12%, aumenta en 4 veces su nmero cido (el TAN pasa de 0.15 a 0.6)

Y Catalizadores metlicosLas partculas metlicas que ms aumentan la acidez son las partculas de hierro, acero y cobre, sobre todo stas ltimas. En los aceites sintticos este proceso se produce ms lentamente.

Finalmente, para el estudio de la oxidacin, podemos decir que monitoreando laviscosidad y el TAN, estamos en condiciones de analizar el estado del antioxidante.

ViscosidadLa viscosidad es uno de los parmetros ms importantes de un aceite. Existen factores a tener en cuenta a la hora de elegir la viscosidad adecuada para una determinada aplicacin.

Algunos factores que tienden a requerir viscosidades altas son abrasivos en el aceite, cargas de impacto, bajas velocidades, alta temperatura de operacin.Mientras que los factores que nos permitiran seleccionar menores viscosidades son los aditivos EP, las altas velocidades, superficies suaves, y el uso de intercambiadores de calor.

El ingreso de agua aumenta la viscosidad del aceite pues una emulsin es ms viscosa que el aceite.

Equivalencia de viscosidad

ISO VG(cSt)SAE(motor)SAE(engranajes)SUS (100 C)SUS (40 C)

150409075700

1003085 W60500

682080 W55350

462075 W45250

3210 W--43150

225 W--40100

15------80

10------60

Para convertir cSt a SUS multiplicar cSt por 4,632 a 40 C 4,664 a 100 C

Causa de los cambios de viscosidad

Disminucin de viscosidadIncremento de viscosidad

Cambios en el aceite base (cambios moleculares) Ruptura trmica de las molculas. Cizallamiento de los mejoradores de IV. Polimerizacin Oxidacin Prdidas por evaporacin Formacin de carbn y xidos insolubles

Adiciones al aceite base (contaminacin) Combustible. Refrigerante. Solventes. Agua (emulsiones) Aireacin Holln Anticongelante

Gentileza Laboratorio Dr. Lantos

Todas las causas internas del aumento de la viscosidad son irreversibles, mientras que las causas externas (excepto la contaminacin con anticongelante) son corregibles por deshidratacin al vaco.

A qu temperatura es mejor medir la viscosidad.

A 40 C vemos mejor el incremento de viscosidad producido por la oxidacin del aceite o por falla trmica. Tambin para detectar la contaminacin con agua, con combustible y con refrigerante.

A 100 C es mejor para detectar la ruptura del mejorador de IV y para analizar el comportamiento del aceite cuando se utiliza en aplicaciones a elevadas temperaturas.

Siempre es conveniente analizar an la viscosidad del aceite nuevo, porque las normas internacionales toleran un +/- 10% de error en los valores indicados por el fabricante.

Acidez y BasicidadTanto el TAN (Total Acid Number) como el TBN (Total Basicid Number) indican la tendencia al agotamiento de ciertos aditivos como el ZDDP, detergentes e inhibidores de corrosin.Se los denomina Nmero de Neutralizacin e identifica el inicio de la corrosin del aceite bsico y mide el nivel de cidos corrosivos. A su vez con el TBN se mide el nivel de reserva alcalina.

Con la acidez medimos la degradacin o envejecimiento del aceite. El valor de acidez de una aceite nuevo esta compuesto por la acidez de la base ms la acidez de los aditivos.

TAN(Total) = TAN(base) + TAN(aditivos)

El valor de reserva alcalina esta compuesto por la reserva alcalina de los aditivos.

TBN(Total) = TBN(aditivos)

El TAN es muy til para detectar cidos corrosivos. Veamos la siguiente tabla.

Tipo de AcidoFuenteAplicacin del lubricante

OrgnicoProductos de las oxidacin del aceiteAmbientes severos

ClorhdricoDegradacin de refrigerante frenCompresores frigorficos

FluorhdricoDegradacin de refrigerante frenCompresores frigorficos

SulfricoContaminacin con gasoil, agua y H2S.Ruptura de aditivos AD y EPMotores diesel Compresores de gas naturalSistemas hidrulicos

NtricoNitracin y xidos nitrososMotores a gas Motor a gasolina

FosfricoAmbientes de minas con fosfatosEquipos mviles, circuitos hidrulicos especiales

Notas sobre el monitoreo del TAN

Y El TAN pierde precisin en el rango 0,1 a 0,5; porque estos valores estn dentro de la incertidumbre propia del mtodo.Y Para aceites minerales, TAN > 4 se considera altamente corrosivo

Y En aceites que trabajan a altas temperaturas, los cidos de la oxidacin pueden evaporarse o polimerizarse, dando como resultado la prdida de los sntomas de oxidacin.Y Cuando ingresa agua al aceite, los cidos alcanzan el mximo potencial corrosivo.Y El TAN mide la concentracin de cido, no la potencia del mismo.

Por su lado el TBN mide la alcalindad de los detergentes. Un valor de prevencin en un TBN del 50% del valor del aceite nuevo.

Algunas causas posibles de un TBN bajo son:

Y Cambios de aceite muy prolongados. Y Aceite inadecuado para esa aplicacin. Y Sobrecalentamiento.Y Combustible con alto contenido de azufre.Y Excesiva fuga de gases en el motor.Y Humedad en el aceite.Y Alta contaminacin metlica.

17

15TBN mnimo del aceite13nuevo

TBN segn ASTM D 289611

TBN mnimo9del aceiteusado

7

5

3

100.511.522.53

Porcentaje en pesode azufre en el combustible (ASTM D 57990)

Gentileza Laboratorio Dr. Lantos

Agotamiento de aditivosEl agotamiento de los aditivos se puede dar de tres maneras diferentes. Por descomposicin, por separacin y por adsorcin.

Y Cuando el agotamiento se da por descomposicin, las molculas de aditivo cambian irreversiblemente.Se puede producir ruptura de las cadenas moleculares, hidrlisis por la combinacin de las molculas del aditivo con el agua, degradacin trmica por la accin del calor, u oxidacin con la formacin de hidroperxidos y radicales libres.

Y Cuando ocurre una separacin del aditivo se presenta o bien un asentamiento por condensacin (los aditivos se vuelven insolubles y precipitan); por filtracin; por evaporacin (los deshidratadores de vaco evaporan los aditivos), o por centrifugacin (los aditivos rgano-metlicos de alta densidad se separan bajo altas fuerzas centrfugas)

Y Si ocurre el agotamiento por adsorcin, los aditivos dan un paseo en las partculas o en las gotas de agua o se adhieren a las superficies.El agua arrastra los aditivos polares al fondo del tanque (lavado por agua), las partculas atrapan los aditivos en los filtros o los arrastran al fondo del tanque (separacin por partculas), los aditivos polares se adhieren a las superficies del equipo (adsorcin superficial), o bien los aditivos AD y EP forman pelculas jabonosas (contactos de rozamiento).

Una prueba de campo comn para detectar la presencia de carbn acumulado, es utilizar una hoja de papel secante y verter una gota de lubricante. Despus de transcurrido unos minutos, el centro de la gota nos indica la presencia de carbn.

Pruebas comunes en aceites usados

Viscosidad (ASTM D445) a 40 C y/o 100 C

Neutralizacin (ASTM D974). Acidez (TAN) y Alcalinidad (TBN)

Punto de inflamacin (ASTM D92). Presencia de fracciones de aceites ligeros que se vaporizan fcilmente.

Anlisis de elementos (ASTM D5185). Presencia de elementos inorgnicos que producen cenizas, tpicamente aditivos.

FTIR para aditivos. Localizacin por infrarrojos de aditivos antioxidantes y aditivos antidesgaste (molculas)

Estabilidad a la oxidacin (ASTM D2272). Condiciones altamente estresantes, determinan la vida oxidativa restante del aceite.

FTIR para oxidacin. El infrarrojo determina varios componentes de la oxidacin en el aceite.

Propiedades dielctricas. Evala las propiedades aislantes de un aceite influenciado por xidos y otras molculas polares.

Resistividad/Conductividad (ASTM D1169). Evala la tendencia de conductividad de un aceite (similar a las propiedades dielctricas)

Color (ASTM D1500). Color del aceite influenciado por degradacin oxidativa, trmica y por contaminantes.

2. Anlisis de Contaminacin de Aceites

En el punto anterior se analizaron las maneras de evaluar las propiedades fsicas y qumicas del aceite. Si observamos el grfico de la pgina 1, vemos que adems es necesario monitorear los contaminantes que pueden estar afectando a la mquina y al propio aceite.El anlisis de la contaminacin de los fluidos apunta a combatir la principal causa de desgaste y falla del lubricante, y constituye la estrategia central de un mantenimiento proactivo.

Observemos el siguiente cuadro:

ContaminantesCambios en la qumica del aceiteCambios en las propiedades fsicas del aceiteQumicamente atacan la superficie de la mquinaMecnicament e destruyen la superficie de la mquina

SlidosOxidacin Agotamiento de aditivosEfectos de la viscosidadBarniz adherenteAbrasin Fatiga de la superficie

AguaOxidacinAgotamiento de aditivosEfectos de la viscosidadDestruccin cida

HerrumbreCavitacin

Rayado

CombustibleAgotamiento deaditivos AromticosPunto de inflamacinAcido sulfricoPrdida de laresistencia de pelcula

Viscosidad

Glicol (anticongelante)Oxidacin LodoIncremento de laviscosidadHerrumbre ycorrosin CavitacinPrdida de laresistencia de pelcula

AireOxidacinIncremento de la acidezLacas/Carbonizaci nFatiga de la superficie

CalorDegradacin trmica

OxidacinIncremento de la viscosidadBarniz

AcidezPrdida de laresistencia de pelcula

2.a) Slidos

De las partculas contaminantes importan cinco caractersticas:

1) DUREZA

2) CANTIDAD

3) TAMAO

4) PESO

5) ANGULARIDAD

Cuando las partculas contaminantes ingresan a las mquinas sufren un proceso de fragmentacin y propagacin. Las partculas de mayor tamao al entrar en contacto con los mecanismos producen un mayor nmero de partculas de menor tamao. Algunas partculas sern eficazmente transportadas a los elementos filtrantes mientras que otras se sedimentarn.

Segn General Electric La confiabilidad y el mantenimiento son una funcin del control de la contaminacin y el control de la contaminacin conduce a una vida ms larga.Los rodamientos podran tener una vida infinita si las partculas ms grandes de la pelcula lubricante fueran eliminadas. S.K.F.

Causas de falla en los rodamientos (SKF)

Lubricacin inadecuada

Contaminacin

Sobrecarga

Diseo pobre

Desgaste

Condiciones ambientales

Varios

020

406080100Causa de falla %

La limpieza de los lubricantes se mide en unidades de limpieza. La limpieza de los lubricantes o su nivel de limpieza afecta positiva y directamente a la vida de la mquina.

Se dice que una unidad de mejora en la limpieza del lubricante produce cinco unidades de extensin de vida de la mquina.

Veamos algunos valores relativos sobre el tamao de las partculas. La pregunta seracun grande es una partcula de 10 micrones?

El ojo humano no es capaz de ver por debajo de los 40 micrones. Un micrn es igual a 0,001 mm, es decir una milsima de milmetro.

Valores relativos:

ElementosTamao (micrones)

Cabello humano80

Polvo fino del piso40

Glbulo blanco20

Polvo de talco10

Glbulo rojo de la sangre5

Bacteria3

Una relacin interesante es que mientras la partcula se hace grande.......la cantidad se hace pequea.

Que podemos esperar durante un conteo de partculas de un aceite despus del filtro.

Sin filtro o antes del filtro

Filtro de 20 micrones

>100

51-100

21-50

Filtro de 5 micrones

11-20

6-10

3-5

0-2 micrones

Conteo de partculas despus de un filtro de 5 micrones.

Cdigo ISO de contaminacin de slidos

Ejemplo de un conteo de partculas (cerca de una parte por milln)Tamao (micrones)Cantidad de partculas mayores que (por ml)117524139665171014414552025501.3750.271000.08Cantidad de partculas por mlMayores queHasta e inclusiveNmero R8000016000024400008000023200004000022100002000021500010000202500500019130025001864013001732064016160320158016014408013204012102011510102.5591.32.580.641.370.320.6460.160.3250.080.1640.040.0830.020.0420.010.021R4/R6/R14

ISO 16/13

Particularidades del cdigo ISO

4 micrones6 micrones14 micronesCdigo ISO

25013214119/16/13

50006408019/16/13

50016418120/17/14

10000130016020/17/14

En la tabla de la pgina anterior aparece un ejemplo de un conteo de partculas cerca de una parte por milln. Aproximadamente 10 ppm es equivalente a 0,001%.

Tamao de partculas vs. vida de un rodamiento

Macpherson prob la vida de un rodamiento utilizado en una caja de engranajes de un helicptero, filtrando el aceite a diferentes tamaos.

Curva de Macpherson

La mejora en la limpieza aqu produce una gran extensin de la vida til

14

Millones de ciclos hasta lafalla por fatiga12La mejora en la limpieza en este rango10produce nicamente beneficiosmarginales.

8

6

4

2

361020304050

Micrones

Se pueden establecer algunas relaciones que se verifican en la mayora de los casos. Por un lado tenemos que mientras ms pequeas son las partculas, mayor cantidad habr.A su vez, mientras ms pequea es la partcula, mayor es su dureza.

Lo anterior significa que controlar la poblacin de las partculas pequeas es la clave para el control del desgaste.

Tres pasos fciles para el Mantenimiento Proactivo de aceites

1) Establecer los objetivos o metas de limpieza. Los nuevos objetivos debern mostrar mejoras en la limpieza.

Engranajes Industriales17/16/13

Caja engranajes mviles17/16/13

Rodamientos de bolas15/13/11

Rodamientos de rodillos16/14/12

Motor diesel17/16/13

Turbina de vapor18/15/12

Mquina de papel19/16/13

Circuitos hidrulicos16/14/11

Compresores17/15/12

2) Tomar acciones especficas para lograr los objetivos.

a) Reducir el ingreso de contaminantesb) Mejorar la filtracin

Algunos valores de limpieza que se pueden obtener en funcin del tipo de filtro.

FiltroISO

25 nominales21/18

10 nominales19/16

10 absolutos16/13

6 absolutos14/11

3 absolutos12/9

3) Medir los niveles de contaminacin frecuentemente

a) Lo que se puede medir, se puede controlarb) Exhibir las cartas de control con los resultados de las mediciones

Medios Filtrantes

Fibra de vidrioCelulosa (pulpa de papel)

Ms poros por cm2El medio se obtura por el tamao de la fibra

Tamao de poro consistentePorosidad inconsistente

Mayor capacidad de retencin de tierraAbsorbe agua

Tolerante a altas temperaturasSujeto a la fatiga y falla por alta temperatura

Econmico

Los elementos filtrantes pueden ser de tasa nominal o de tasa absoluta.Tasa nominal: unidad en micrones que indica el porcentaje de remocin de contaminante. No es representativa por su falta de reproducibilidad.Tasa Absoluta: es el tamao en micrones de la partcula dura ms grande y esfrica que pasa por el elemento filtrante.Tasa Beta (x): Es el cociente del nmero de partculas iguales o mayores a un tamao dado (x) en el fluido entrante con respecto a las partculas del mismo tamao(x) en el fluido saliente.

2.b) Agua

% Eficiencia = 1 x 100

El agua es el segundo contaminante ms destructivo, aunque frecuentemente es ignorada como una causa primaria de falla. Dentro de las mejores prcticas para evitar la contaminacin debemos restringir su ingreso y reconocer su presencia. Ademsdebemos analizar su estado y concentracin, y por ltimo eliminarla.

El agua puede encontrarse en diferentes estados de coexistencia. Partiendo de la concentracin tenemos que el agua puede estar disuelta (invisible). En este caso las molculas de agua estn dispersas una por una en todo el aceite como humedad. Su concentracin puede estar entre 0 y 500 ppm, dependiendo del tipo de aceite, su vejez y su temperatura.Luego podemos encontrar agua emulsionada (estado nebuloso). El agua se encuentra formando glbulos microscpicos dispersos en una suspensin estable como niebla. Puede haber entre 200 y 1.000 ppm, variando esta cantidad en funcin del envejecimiento del aceite.Por ltimo el agua se puede encontrar libre, cuando se mezcla con el aceite se asienta en el fondo del tanque / depsito como lluvia. Puede estar en concentraciones mayores a 1.000 ppm.

Los efectos del agua se manifiestan tanto en el aceite base como en los aditivos. En la base por medio de la hidrlisis y la oxidacin. Adems fomenta los problemas de aireacin y tienen efectos devastadores sobre la viscosidad. Por ltimo afecta a las propiedades dielctricas porque reduce la capacidad aislante del aceite. Por otra parte ataca a los aditivos. A los antioxidantes formando hidrlisis, es decir una reaccin qumica con el agua, forma sedimentos y cidos. Los detergentes y dispersantes se lavan formando lodos, sedimentos, bacterias, etc. Es caracterstico el mal olor de las bacterias en los filtros cuyo aceite contiene bacterias. El aditivo ZDDP se ve seriamente afectado, dando como resultado sulfuro de hidrgeno y cido sulfrico.

2.c) AireEl aire puede encontrarse en cuatro (4) estados de coexistencia. Puede estar disuelto, en niveles normales de hasta un 10% para aceites minerales. No hay nebulosidad. De esta forma se acelera el proceso de agotamiento de los aditivos y laoxidacin.Otro estado posible es el atrapado, donde se forman burbujas de aire microscpicas inestables. Ya hay nebulosidad. Tiene efectos sobre la compresibilidad del aceite. Pobre transferencia de calor, falla de la resistencia de la pelcula, oxidacin, cavitacin y formacin de barniz. Puede estar libre, como bolsas de aire atrapadas en zonas muertas, regiones altas y tuberas. Trae efectos de compresibilidad hidrulica, corrosin, prdida de los controles del sistema.Por ltimo la podemos encontrar como espuma, en los tanques altamente aireados y superficies de los contenedores (> 30%). Los inconvenientes sobre la maquinaria son los mismos que en el caso del agua en estado libre.

2.d) CalorGeneralmente hay que pagar un alto precio por operar el aceite a altas temperaturas. Ya se mencion anteriormente que para una aceite que trabaja por encima de los 70 C, si logramos bajar su temperatura de operacin en 10 grados, aumentamos su vida til al doble. Son numerosas las desventajas, pero las principales son:

agotamiento de aditivos, oxidacin acelerada, barniz, carbonizacin, prdida de la resistencia de pelcula e incremento de la corrosin.

2.e) Contaminacin con Glicol/anticongelanteDentro de sus efectos encontramos el espesamiento del aceite, emulsiones y geles, formacin de cidos, falla de filtros y pobre lubricacin.

2.f) CombustibleLa contaminacin por combustible en un aceite se da por dilucin. En un motor de combustin interna puede haber fuga de gases, excesiva marcha en vaco, anillos y/o camisas daados. Junto con posibles defectos en inyectores y bomba de combustible son las principales causas que pueden dar origen a la contaminacin por dilucin.Los efectos sobre el aceite son la prdida de viscosidad, dilucin de aditivos, prdidade pelcula lubricante, oxidacin prematura del aceite y formacin de azufre en el aceite con riesgo de corrosin.

3. Anlisis de Partculas de Desgaste

El tercer segmento en el anlisis de los aceites es determinar todas las caractersticas posibles de las partculas de desgaste.

Lo que se intenta determinar es origen del desgaste, cun avanzado se encuentra, cul es la velocidad y como pudo haberse evitado el problema.El desgaste generalmente comienza en forma lenta con pocas partculas para luego terminar en la falla catastrfica con una densidad de poblacin de partculas extremadamente grande.

son:

Algunas de las tecnologas utilizadas para analizar las partculas de desgaste

Anlisis espectromtrico: Los resultados que se obtienen son en ppm. Se puede determinar los elementos que constituyen la partcula, la metalurgia y la concentracin. Anlisis de densidad ferrosa: Se trata de una trampa magntica, permite determinar tamao, metalurgia y concentracin. Ferrografa analtica: Tiene gran utilidad para tamaos mayores a 8 micrones. Es un mtodo visual y se puede determinar concentracin,metalurgia, tamao, textura, etc.

Fuente:

Aceites y Lubricantes Industriales.- Y.P.F.Seminario de Mantenimiento Proactivo y Anlisis de Aceites.- Laboratorio Dr. Lantos y Noria Asoc. Informes Tcnicos y Publicaciones de la firma S.K.F.