Se ha hablado mucho sobre la contaminación por partículas y su efecto en la vida en servicio de los componentes. Es bien sabido que una mejora en la contaminación por partículas mediante un Código de Limpieza ISO más bajo puede resultar en un aumento del 10 al 30 % en la vida útil de componentes sensibles a la contaminación, como válvulas hidráulicas, bombas, cojinetes y rodamientos.
La industria invierte millones de dólares cada año en mejorar la tecnología de filtración para reducir la contaminación por partículas. Algunas de las empresas más avanzadas reducen las tasas de fallas hasta en un 90% simplemente controlando la limpieza de los fluidos. Sin embargo, en algunas industrias y entornos, el agua es un contaminante mucho más insidioso que las partículas sólidas y, a menudo, se pasa por alto como la principal causa de fallas en los componentes.
Estados de coexistencia del agua en el aceite
El agua puede existir en el aceite en tres estados o fases. El primer estado, conocido como agua disuelta, se caracteriza por la dispersión de moléculas de agua individuales en el aceite. El agua disuelta en un aceite lubricante es comparable a la humedad del aire en un día húmedo: sabemos que el agua está ahí, pero al estar dispersa molécula a molécula, es demasiado pequeña para ser vista.
Por esta razón, un aceite puede contener una concentración significativa de agua disuelta sin indicios visibles de su presencia. La mayoría de los aceites industriales, como los fluidos hidráulicos, los aceites para turbinas, etc., pueden contener hasta 200 a 600 ppm de agua (0,02 a 0,06 %) en estado disuelto, dependiendo de la temperatura y la edad del aceite. Los aceites envejecidos pueden contener de tres a cuatro veces más agua disuelta que el aceite nuevo.
Una vez que la cantidad de agua supera el nivel máximo para permanecer disuelta, el aceite se satura. En este punto, el agua se suspende en el aceite en gotitas microscópicas conocidas como emulsión. Esto es similar a la formación de niebla en un día fresco de primavera. En este caso, la cantidad de humedad en el aire supera el punto de saturación, lo que resulta en una suspensión de pequeñas gotitas de humedad o niebla. En un aceite lubricante, esta «niebla» se suele denominar neblina, y se dice que el aceite es turbio o brumoso.
Añadir más agua a una mezcla emulsionada de aceite y agua provocará la separación de las dos fases, lo que produce una capa de agua libre, así como de aceite libre y/o emulsionado. Esto es similar a la lluvia cuando la humedad en el aire se vuelve excesiva. En el caso de los aceites minerales y sintéticos PAO con una gravedad específica inferior a 1,0, esta capa de agua libre se encuentra en el fondo de los tanques y cárteres.
Los efectos de la contaminación con agua
En un sistema de lubricación, las dos fases más dañinas son el agua libre y la emulsionada. En los cojinetes deslizantes, por ejemplo, la incompresibilidad del agua con respecto al aceite puede provocar la pérdida de la película hidrodinámica, lo que a su vez provoca un desgaste excesivo. Tan solo un 1 % de agua en el aceite puede reducir la vida útil de un cojinete de deslizamiento hasta en un 90 %.
En el caso de los rodamientos, la situación es aún peor. El agua no solo destruye la resistencia de la película de aceite, sino que, tanto el agua libre como la emulsionada, sometidas a las temperaturas y presiones extremas generadas en la zona de carga de un rodamiento, pueden provocar una vaporización instantánea, lo que provoca desgaste erosivo.
En determinadas condiciones, las moléculas de agua pueden fragmentarse en sus átomos constituyentes de oxígeno e hidrógeno como resultado de las altas presiones generadas en la zona de carga de un rodamiento. Debido a su tamaño relativamente pequeño, los iones de hidrógeno producidos por este proceso pueden absorberse en la superficie de la pista del rodamiento, lo que provoca un fenómeno conocido como fragilización por hidrógeno.
La fragilización por hidrógeno se debe a un cambio en la metalurgia de la subsuperficie. Este cambio debilita o fragiliza el material del rodamiento y lo hace propenso a agrietarse bajo la superficie de la pista. Cuando estas grietas subsuperficiales se extienden a la superficie, pueden producirse picaduras y desconchados.
Dado que los efectos del agua libre y emulsionada son más perjudiciales que los del agua disuelta, una regla general es asegurar que los niveles de humedad se mantengan muy por debajo del punto de saturación. Para la mayoría de los aceites en servicio, esto significa de 100 a 300 ppm o menos, dependiendo del tipo de aceite y la temperatura.
Sin embargo, incluso a estos niveles, pueden producirse daños considerables. En general, no existe un valor específico para el contenido de agua y se deben hacer todos los esfuerzos razonables para mantener la contaminación del agua lo más baja posible.
Daños en los rodamientos relacionados con el agua
El agua no solo tiene un efecto perjudicial directo sobre los componentes de las máquinas, sino que también influye directamente en el envejecimiento de los aceites lubricantes. La presencia de agua en un aceite lubricante puede multiplicar por diez el proceso de oxidación, lo que resulta en un envejecimiento prematuro del aceite, especialmente en presencia de metales catalíticos como el cobre, el plomo y el estaño.
Además, se sabe que ciertos tipos de aceites sintéticos, como los ésteres fosfatados y los ésteres de ácido dibásico reaccionan con el agua, lo que provoca la destrucción de la base y la formación de ácidos.
No solo el aceite base puede verse afectado por la contaminación con agua. Ciertos aditivos, como los sulfurosos de tipo AW y EP, y los antioxidantes fenólicos, se hidrolizan fácilmente en agua, lo que provoca la pérdida de los aditivos y la formación de subproductos ácidos.
Estos subproductos ácidos pueden causar desgaste corrosivo, especialmente en componentes que contienen metales blandos, como el Babbitt, utilizado en cojinetes deslizantes y componentes de bronce y latón. Otros aditivos, como los demulsificantes, dispersantes, detergentes e inhibidores de corrosión, pueden ser arrastrados por el exceso de humedad. Esto provoca la acumulación de lodos y sedimentos, la obstrucción de los filtros y una deficiente demulsibilidad del aceite/agua.
Medición del agua
Para controlar los niveles de humedad, es necesario detectar su presencia. Existen cinco métodos básicos de prueba para determinar el contenido de humedad de un aceite lubricante. Estos métodos van desde un aparato sencillo hasta una prueba química más compleja, o una sonda para medir el porcentaje de saturación, ligeramente más costosa, ideal para la detección en sitio. También puede incluir tecnología más avanzada, típicamente utilizada en laboratorios, para la determinación precisa del nivel de agua en ppm.
La prueba más básica es la prueba de crepitación. En esta prueba, se calienta una plancha a 130 °C (320 °F) y se coloca una gota de aceite en el centro. La humedad presente en el aceite se refleja en el número de burbujas que se observan al vaporizarse el agua. Dependiendo del lubricante, unas pocas burbujas pequeñas indican aproximadamente entre 500 y 1000 ppm (0.05 % a 0.1 %) de agua.
Un número significativamente mayor de burbujas de mayor tamaño puede indicar entre 1000 y 2000 ppm de agua, mientras que un crujido audible indica niveles de humedad superiores a 2000 ppm. La prueba de crepitación solo es sensible al agua libre y emulsionada.
Otra prueba sencilla en sitio consiste en usar una celda de presión. La muestra se prepara con un reactivo químico (hidruro de calcio), se coloca en un recipiente y se agita vigorosamente. Se monitorea la variación de presión dentro de la celda para determinar la presencia de agua libre.
El costo de este tipo de instrumento es relativamente bajo, aunque deben considerarse los costos operativos de los reactivos, así como algunas cuestiones relacionadas con la salud y seguridad que estos conllevan. Entre los proveedores se incluyen Kittiwake, Koehler y Dexsil.
Un tercer tipo de prueba de detección de agua en sitio consiste en el uso de un sensor de humedad relativa. Este sensor utiliza una rejilla de capacitancia de película delgada que puede determinar la cantidad de humedad que la atraviesa. Tanto en aire como en aceite, la tecnología es la misma y los datos de salida suelen expresarse como un porcentaje de humedad relativa.
Como se mencionó anteriormente, el porcentaje de HR indica si el aceite ya ha alcanzado el punto de saturación. Sin embargo, al igual que en la atmósfera, a menor temperatura, menor es el punto de saturación en términos de concentración de agua. Si bien es matemáticamente posible obtener un valor en ppm del porcentaje de HR en relación con la curva de saturación del aceite a una temperatura conocida, la idea detrás de este tipo de sensor es proporcionar una alerta temprana proactiva de problemas inminentes, así como una función de detección antes de enviar una muestra a un laboratorio comercial.
Este artículo sobre el punto de saturación del aceite describe claramente el desempeño y la aplicabilidad de esta herramienta. La ventaja de este método reside en sus costos operativos relativamente bajos y en su posibilidad de instalación permanente en equipos críticos de la planta para brindar monitoreo en tiempo real. Entre los proveedores se encuentran Pall Corporation y Rockwell Automation – Entek.
Además de los métodos de detección en sitio, otro método común para detectar agua es la espectrometría infrarroja por transformadas de Fourier (FTIR). Esta prueba es sensible al agua libre, emulsionada y disuelta; sin embargo, su precisión está limitada a un límite de detección inferior de aproximadamente 1000 ppm.
Esto es adecuado para algunas aplicaciones, pero insuficiente para aplicaciones industriales típicas. Los laboratorios comerciales que utilizan este método suelen informar que la muestra contiene menos del 0.1 % del volumen de agua. Entre los proveedores se incluyen Bio-Rad, MIDAC, Nicolet y Thermolube.
El método más preciso para determinar la cantidad de agua libre, emulsionada y disuelta en un aceite lubricante es la prueba de humedad de Karl Fischer. Si se utiliza correctamente, la prueba de Karl Fischer puede cuantificar niveles de agua tan bajos como 10 ppm o 0.001 % y debe ser el método de elección cuando se requieren concentraciones de agua más exactas. Se debe tener cuidado al utilizar la prueba de humedad de Karl Fischer para evitar las interferencias causadas por los aditivos sulfurosos EP y AW. Entre los proveedores se incluyen Mettler y Metrohm.
Independientemente del método utilizado para determinar los niveles de agua, una cosa es segura: el agua es una de las principales causas de fallas en los lubricantes y los componentes, causando baja confiabilidad de las máquinas. Como con todos los contaminantes, es importante no solo reconocer su presencia, sino también tomar medidas para controlar o eliminar la fuente de entrada de agua. De ser posible, los niveles de agua en todas las máquinas deben mantenerse por debajo del límite de saturación, haciendo todo lo posible por mantener los niveles de humedad lo más bajos posible.
Ya sea que elija instalar respiradores con desecante, mejorar los sellos o utilizar un filtro centrífugo o una unidad de deshidratación por vacío grande, reducir el nivel de agua en todo tipo de equipos puede extender drásticamente la vida útil del lubricante y la máquina.
Noria Corporation. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América