Tres contaminantes comunes y pruebas para detectarlos

2 de junio de 2017

Aaron Black, Polaris Laboratories.Traducido por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América

Publicado en la revista Machinery Lubrication (4/2015)

La principal causa de la pérdida de ingresos debido al tiempo de inactividad de la maquinaria es a menudo el resultado directo de algún tipo de contaminación, ya sea tierra, agua, material de proceso, lubricante incorrecto, o alguna mezcla de estos. Los resultados del análisis del lubricante pueden identificar estos contaminantes, pero a menos que usted esté consciente de los problemas reales que pueden surgir de ellos, es difícil implementar las acciones correctas.

En este artículo revisaremos los contaminantes más comunes, las pruebas del análisis del lubricante que tienen más probabilidades de identificarlos, algunos de los resultados más comunes y las acciones normalmente recomendadas para tratar de corregir el problema.

Abrasivos

Los abrasivos son los primeros en la lista por ser el problema que más resalta en los resultados del análisis de lubricante, ya que tienden a causar el mayor daño. Generalmente son contaminantes duros y su tamaño puede estar en el rango de los claros dinámicos que hay entre los componentes de la maquinaria, por lo que pueden causar mucho desgaste. Las formas más frecuentes de los abrasivos son el polvo y la tierra (probablemente suspendidos en el aire, o posiblemente introducidos durante las tareas de mantenimiento) y de productos del proceso (si en el proceso existe cualquier cantidad de partículas, es posible que este particulado ingrese al sistema de lubricación y cause daño, sin importar qué tan suave o dura sea la partícula).

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Figura 1 – Abrasivos

La contaminación con partículas abrasivas tiene como consecuencia el desgaste de la maquinaria, pero también puede provocar la degradación del lubricante.

El desgaste abrasivo o desgaste por corte se encuentra generalmente en sistemas en donde existe una carga deslizante en cualquier sitio de la máquina. Comúnmente se da en cojinetes planos u otros componentes de metales suaves, en donde las partículas abrasivas pueden introducirse en el metal suave y luego cortar la dura superficie de acero. Esto no quiere decir que no se pueda tener desgaste de corte en una aleación de cobre; el metal producido depende de la metalurgia de las superficies que entran en contacto y la dureza del contaminante.

2 Tres contaminantes comunes y pruebas para detectarlos

Figura 2 – Desgaste por corte

Los sistemas en donde se presenta movimiento rotatorio (rodamientos, engranajes, etc.) son más propensos a tener picaduras causadas por contaminación abrasiva. Como las partículas ruedan a través de la zona de carga, la presión extrema ejercida sobre el punto de contacto entre las pistas y los elementos rodantes pueden picar las superficies, dando origen a grietas e iniciando el desgaste por fatiga, y potencialmente, el desconchado (spalling).

fig3 Tres contaminantes comunes y pruebas para detectarlos

Figura 3 – Fatiga/picado (pitting)

Aunque la degradación del lubricante por lo general es causada por otra fuente, puede verse una ligera disminución en su vida debido a la contaminación con partículas. Cuando una unidad se desgasta, el metal liberado por los abrasivos puede convertirse en un catalizador, y estas partículas incrementan el área superficial que puede entrar en contacto con el lubricante y los subproductos de la degradación.

Para identificar los contaminantes abrasivos y el desgaste que causan, se utiliza el análisis espectrométrico de elementos metálicos (AES). Si usted ha efectuado un análisis a un aceite contaminado con partículas, lo que normalmente ve es un aumento en la concentración del metal de los elementos que entran en contacto directo con los abrasivos. En engranajes, tenderá a encontrar altos niveles de hierro con metales de baja aleación (cromo, níquel, manganeso), y un aumento en el nivel de silicio y de aluminio si hay suficiente contaminación, ya que por lo general la relación silicio-aluminio es de aproximadamente 3 a 1.

Otra prueba común para monitorear la contaminación es el conteo de partículas. Cabe destacar que el conteo de partículas no distingue las partículas que está contando. Agua, aire, tierra, fibras, metales, etc., pueden contarse como una “partícula”, así que para identificar qué tipo de contaminante está presente, tendrá que hacer algunas pruebas adicionales o buscar en los demás resultados del análisis del lubricante.

Una recomendación típica en su reporte del análisis del lubricante será corregir primero el punto de ingreso de las partículas. Esto no siempre es posible para el usuario final, pero la protección de la maquinaria debe ser una de las principales recomendaciones de un analista. Por desgracia, es muy común que no exista una buena interacción entre el laboratorio y el usuario final, por lo que, a falta de este conocimiento, el analista debe apostar siempre por proteger la maquinaria.

Después, es probable que le sugieran filtrar el lubricante, lo que no siempre es factible para el usuario. Una vez más, la principal preocupación del analista al hacer recomendaciones debe ser proteger a la máquina. Si la filtración definitivamente no es una opción, puede ser que le sugieran cambiar el lubricante. Esto no es tan óptimo como la filtración, pero cuando se tiene contaminación es muy probable que su lubricante nuevo esté mucho más limpio que el lubricante que tiene en el sistema, por lo que conseguirá diluir el nivel de contaminación y reducir el desgaste abrasivo.

También pueden recomendarle que efectúe algún tipo de prueba de excepción. Esto dependerá de si en el sistema hay un desgaste evidente. La ferrografía analítica o la prueba de membrana pueden ayudar a evaluar la severidad del daño que se ha presentado en la unidad, para determinar si es necesario tomar medidas inmediatas, o si el desgaste no es tan grave como podría parecer.

Agua

El agua es el siguiente contaminante más común y que probablemente le causará problemas a la maquinaria. Hay tres formas en que puede estar el agua en el aceite.

El agua disuelta generalmente no es perjudicial, excepto en circunstancias extremas o maquinaria altamente sensible, en las cuales debe haber niveles excepcionalmente bajos de agua. Este tipo de agua ingresa al lubricante a través de la humedad del aire y el lubricante simplemente la absorbe hasta alcanzar su punto de saturación. En este punto aún no se aprecia ningún signo de contaminación con agua, tales como opacidad o turbidez.

El agua emulsionada es la forma más dañina de la contaminación. Se presenta cuando hay suficiente cantidad en el lubricante y se rebasa su punto de saturación. Al llegar a este punto, puede entrar en la corriente de lubricación. La agitación mecánica causada por la máquina puede favorecer la formación de la emulsión; esta también puede ser causada por algún aditivo del lubricante. Sin importar el mecanismo principal de formación, por lo general el lubricante se ve opaco o turbio. La opacidad es causada por las pequeñas gotitas de agua que están dentro del aceite. Esta forma de agua es la más perjudicial, ya que fluye libremente con el lubricante y se introduce en la zona de carga.

fig4 Tres contaminantes comunes y pruebas para detectarlos

Figura 4 – Degradación del lubricante

El agua libre es un poco menos dañina que la emulsionada, pero sigue siendo un problema. Algunos lubricantes no retienen el agua en suspensión más allá del punto de saturación y la separan. El agua por lo general es más densa que los lubricantes minerales, por lo que se irá al fondo del tanque, donde puede ser drenada. Algunos de los problemas que se derivan de la continua contaminación con agua son: el agua se vuelve parte de la corriente de lubricante y puede afectar la formación de la película lubricante; afecta la capacidad del lubricante para separarse del agua (demulsibilidad) dejando que se formen emulsiones; puede promover la contaminación biológica (hongos y bacterias) que contribuyen a degradar aún más el aceite y obstruir los filtros; existe la posibilidad de un riesgo de seguridad si se permite el ingreso continuo de agua al tanque, desbordándolo.

La contaminación con agua causa daño tanto al lubricante como a la maquinaria. La principal degradación que causa en la maquinaria es la herrumbre. Cada vez que el lubricante se contamina con agua, existe la posibilidad de que se forme herrumbre en casi cualquier superficie de hierro/acero. La herrumbre es muy dura, más dura que el acero, y crea partículas abrasivas que se suman al problema del agua.

Otro problema de la contaminación con agua es la fragilización por hidrógeno. En este fenómeno, el agua se descompone en oxígeno e hidrógeno, siendo absorbido el hidrógeno por las superficies metálicas. Esto crea una superficie más dura, pero más frágil, que no puede flexionarse como lo requiere la lubricación elastohidrodinámica para permitir que los elementos rodantes funcionen correctamente. Como consecuencia se provoca el agrietamiento de las superficies rodantes, dando inicio al desconchado.

En lo que respecta a la película lubricante, el principal problema con el agua es que se introduce en la zona de carga de los componentes. En este punto, el agua es incapaz de soportar carga, por lo que esta colapsa de forma continua sobre una película lubricante mucho más delgada y hace que los componentes entren en contacto, ocasionando desgaste.

El agua causará envejecimiento prematuro del lubricante. Un concepto ampliamente aceptado es que el agua reducirá la vida útil del lubricante a una décima parte de su vida potencial.

El agua en un tanque de lubricante también causa la formación de lodos; esto es principalmente una consecuencia del envejecimiento prematuro del lubricante (degradación), pero se le debe poner atención especial, pues puede provocar diferentes problemas, como un aumento en la viscosidad, que podría afectar la efectividad de la lubricación por salpique, o posiblemente obstruir los filtros.

fig5 Tres contaminantes comunes y pruebas para detectarlos

Figura 5 – Degradación de la maquinaria

La identificación de la contaminación con agua en muchos casos se puede efectuar en sitio. La primera forma de identificarla es visualmente – el agua emulsionada hará que el aceite tenga una apariencia blanca lechosa. Debe tenerse cuidado al hacer la inspección visual, ya que otra causa de que el aceite se vea turbio es la presencia de aire, por lo que debe ir más allá para avanzar en la dirección correcta.

La siguiente forma de identificar la presencia de agua es utilizando la prueba de la plancha caliente, que puede hacerse en sitio o en la mayoría de los laboratorios comerciales. Puede hacer esta prueba en la modalidad “pasa/no pasa”, ajustando la temperatura de la plancha y colocando una gota de aceite, observando si la muestra cruje como cuando pone a asar una rebanada de tocino. Por supuesto, esto debe hacerse con precaución, ya que si hay una gran cantidad de agua en el aceite podría generarse una salpicadura de material muy caliente. Existen otros métodos, pero la plancha caliente es una buena herramienta para la detección de agua en sitio.

fig6 Tres contaminantes comunes y pruebas para detectarlos

Figura 6 – La contaminación con agua con frecuencia puede ser identificada con una prueba visual, como la prueba de crepitación o de la plancha caliente.

Si necesita una medición de agua más precisa, o detectar niveles de agua en pequeñas cantidades, debe efectuar la prueba de Karl Fischer. Hay múltiples variantes de esta prueba (las más comunes son la coulométrica y la volumétrica) y todas tienen capacidades similares, pero debe comprobar cuál es la que se está haciendo y si satisface sus necesidades. El método coulométrico tiende a ser más preciso para bajos niveles, y el volumétrico tiende a ser más preciso en volúmenes más altos, pero hay modificaciones que pueden mejorar las capacidades de ambos métodos. Algunos aditivos de los lubricantes pueden afectar los resultados de esta prueba, por lo que deben tenerse en cuenta; entre ellos están los aditivos que contienen azufre (ZDDP, EP, etc.).

Las recomendaciones típicas en los reportes del análisis del lubricante deben indicar la corrección de la fuente de ingreso de agua. En la mayoría de los casos, si es posible, esta es la primera acción a tomar antes de cualquier otra; en algunas aplicaciones, se tiene que remover continuamente el agua durante la operación debido a que no puede detenerse la entrada de agua ni parar la máquina.

La siguiente recomendación más común es cambiar el lubricante. Esta recomendación puede venir acompañada de sugerencias de otros métodos para eliminar el agua (drenado del fondo, deshidratación, centrifugado, etc.) en función del conocimiento del analista del laboratorio acerca del tamaño del tanque y las capacidades de la planta. Esta recomendación es común porque el daño causado por el agua puede ser muy importante, y para proteger a la maquinaria, se requiere, de ser posible, remover completamente el agua.

Lubricante incorrecto

El problema de aplicar lubricantes incorrectos se presenta en una diversidad de formas, por lo que he seleccionado las que vemos más comúnmente: Aceite base mineral en un depósito con lubricante a base de glicol, aditivos faltantes/aditivos erróneos, y viscosidad incorrecta.

Aceite mineral en lubricante base glicol

Cuando se introduce aceite mineral en un tanque con lubricante de base glicol, veremos un incremento en la viscosidad y la presencia de lodos, debido a la reacción química que se da entre los hidrocarburos y el glicol. Si alguna vez se ha topado con una fuga de refrigerante en un motor, justo esto es lo que empieza a suceder. Si no, basta con considerar que dos de los principales componentes de ese depósito negro dentro del motor son hidrocarburos y glicol.

Una vez que inicia la reacción química, puede empezar a percibir un desgaste excesivo debido a que la viscosidad del lubricante es extremadamente alta. Además, como los dos lubricantes típicamente no se mezclan, la película lubricante en la zona de carga no estará formada por un solo lubricante y la capacidad de soporte de carga se verá reducida.

Es probable que la vida del lubricante se reduzca considerablemente debido a las reacciones químicas que se producen. En este caso, es poco lo que puede hacer para recuperar un lubricante a base de glicol contaminado con un aceite mineral, por lo que la vida útil del lubricante es prácticamente cero.

Debido al aumento en la viscosidad y la formación de lodos, se observará un flujo más lento en los filtros e incluso pueden llegar a obstruirse. Junto con las reacciones químicas, puede haber un aumento en la formación de ácidos como subproducto de la degradación y de la reacción química, los cuales pueden atacar las superficies lubricadas si se les permite permanecer demasiado tiempo en el lubricante.

Para identificar la presencia de un aceite mineral en un sistema con lubricante a base de glicol, es probable que se pueda hacer mediante las pruebas de viscosidad y el análisis espectrométrico de elementos metálicos. El analista también tendría que tener información sobre el lubricante que se está utilizando, para ser capaz de discernir si lo que muestran los resultados de las pruebas concuerdan o no con lo que deberían estar mostrando.

La principal recomendación que recibirá en el reporte de resultados del análisis del lubricante, si se encuentra un problema de contaminación de aceite a base de glicol y aceite mineral, es drenar todo el aceite y limpiar el tanque. Un lubricante como este, una vez contaminado, no cuenta con ninguna alternativa de filtración o alguna manera de eliminar el químico incorrecto, como sucede con el agua, así que se tiene que eliminar físicamente la contaminación y cambiar el lubricante.

Otra de las recomendaciones que podría recibir es revisar las prácticas de lubricación, dado que la principal causa de este tipo de contaminación es la falta de un sistema de identificación de lubricantes (o identificación deficiente) que debe aplicarse a la maquinaria, así como en los dispositivos de aplicación de lubricante.

Cabe hacer notar que en el mundo de los lubricantes a base de glicol se están presentando grandes cambios, en particular en el ámbito de glicoles compatibles con minerales. Estos glicoles, derivados de butileno, son mucho más compatibles que las tecnologías anteriores, que utilizan propileno y etileno, y el análisis de aceite de estos productos continúa evolucionando. Como parte de esta información puede cambiar, se debe tener en cuenta al revisar los datos del análisis de lubricante de un sistema con aceite a base de glicol.

Aditivos faltantes o incorrectos

Cuando el problema es la falta de aditivos o estos no son los correctos, puede haber muchas interferencias y problemas posibles, así que cubriremos los más probables. Es común notar la falta de un aditivo EP o un aditivo AW en un lubricante para cojinetes, engranajes o sistemas hidráulicos. Si le falta uno de estos aditivos y el equipo lo requiere, en función de las tolerancias y la carga de trabajo, podría haber excesivo desgaste adhesivo, desde ligero hasta severo. Esto es porque la función de estos aditivos es proteger las superficies cargadas cuando la viscosidad del lubricante es insuficiente, y sin ellos, las superficies entran en contacto.

Si se agrega un lubricante con aditivos detergentes a un sistema de lubricación que contiene aditivos demulsificantes, el aditivo detergente destruirá completamente la propiedad de separar el agua. En este caso, la única solución es drenar y remplazar completamente el lubricante, o se correrá el riesgo de que el ingreso de agua provoque daño a los cojinetes. Un hecho lamentable es que este problema es más común de lo que se piensa. En el caso de un tanque de aceite para turbinas, con capacidad de 6,000 litros, se ha observado que cuando se contamina con apenas un litro de aceite de motor diésel, puede afectarse severamente su demulsibilidad.

Si en un sistema con componentes fabricados con metales amarillos (aleaciones de cobre) el fabricante recomienda no usar aceite con aditivos EP, es porque cuando este aditivo alcanza la temperatura de activación es muy corrosivo para estos metales y puede degradarlos rápidamente.

En estos casos, la primera prueba que le mostrará el problema nuevamente es el análisis espectrométrico de elementos. Esta prueba le permite detectar los componentes metálicos de los aditivos presentes en el lubricante y ver los cambios en los niveles de los aditivos con respecto a la línea de base. Además, puede detectar altos niveles de, por ejemplo, cobre, plomo o estaño, ya que las partículas generadas por el desgaste corrosivo son pequeñas (menos de 5µm) y fácilmente detectables por cualquiera de las técnicas de AES.

También se podría apreciar algún cambio mediante las pruebas de oxidación y nitración. Estas pruebas tienen rangos de detección en el mismo número de onda en donde se detectan algunos aditivos, y pueden dar un falso positivo de incremento de nivel del aditivo.

Por último, usted puede identificar un aditivo incorrecto efectuando una comparación del espectro infrarrojo (FTIR). Mediante esta prueba, pueden analizarse dos lubricantes y comparar los espectros resultantes de ambos en un solo gráfico para ver si hay alguna diferencia en su composición química a nivel molecular. En muchos casos, esta no es una prueba de rutina y debe efectuarse como una prueba de excepción.

Una de las recomendaciones que podría recibir en sus reportes del análisis del lubricante respecto a estos problemas podría ser el efectuar pruebas de excepción (ferrografía analítica, por ejemplo) si hay un desgaste elevado, y determinar si ha habido una degradación significativa de la superficie metálica. Los resultados del análisis del lubricante también pueden incluir la recomendación de revisar las especificaciones del fabricante en cuanto al lubricante a utilizar, así como las temperaturas de operación para identificar cómo se relacionan con la selección del lubricante de la máquina.

Viscosidad incorrecta

Otro de los problemas que se pueden observar con un lubricante equivocado es la viscosidad incorrecta. Cuando la viscosidad es demasiado alta, en una caja de engranajes puede verse un aumento en el desgaste, debido principalmente a la reducción o ausencia de la capacidad de salpique requerida para lubricar adecuadamente los engranajes y rodamientos. En sistemas hidráulicos, una alta viscosidad puede dar lugar a un desempeño lento y bajas tasas de filtración.

En casi todos los casos de baja viscosidad, encontrará un desgaste elevado debido a que la película lubricante no es lo suficientemente gruesa para evitar que las superficies entren en contacto entre sí durante la operación.

Para detectar un problema de viscosidad usted debe efectuar una prueba de viscosidad. También debe tener la línea de base del aceite nuevo, ya que la viscosidad puede cambiar de un lote a otro y podría ser difícil detectar el relleno con un lubricante similar de una viscosidad diferente.

En algunos casos, también puede detectar este problema con el análisis espectrométrico de elementos, pues los niveles de aditivos comúnmente fluctúan junto con el cambio de viscosidad, incluso dentro de la misma línea de productos, ya que los aditivos utilizados para lograr las propiedades necesarias no son siempre idénticos de un grado de viscosidad a otro.

Las recomendaciones relacionadas con problemas de viscosidad pueden ser bastante complejas. Esto se debe a que, además de la posibilidad de haber colocado en la unidad un aceite de viscosidad equivocada, también puede haber sido causada por un cambio en las condiciones de operación que ha afectado a la unidad, como excesiva agitación mecánica o temperaturas excesivas, que podrían causar la ruptura de la molécula del lubricante (reduciendo la viscosidad) u oxidación excesiva (aumentando la viscosidad).

Si la temperatura ambiente sube, es posible que la viscosidad sea demasiado baja a la temperatura de operación y comience a aumentar el desgaste.

Fuera de esta posibilidad, la recomendación más común en el reporte de análisis de lubricante será cambiar el lubricante. Si el volumen de aceite es muy grande, podría recibir la recomendación de endulzar el aceite (drenar una parte del aceite y rellenar con lubricante nuevo) para mejorar la viscosidad, si no está muy lejos de la especificación y no ha habido cambio en la concentración de aditivos.

Conclusiones

Tenga en cuenta que esta es apenas una pequeña porción de los problemas que pueden surgir y que la capacidad de su laboratorio para efectuar las pruebas cambia continuamente. Constantemente aparecen nuevas tecnologías y métodos mejorados que se convierten en una mejor opción, más accesible económicamente. Si tiene actualmente algún problema que necesite analizar, asegúrese de que se está utilizando el mejor método existente, el más eficaz.

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