Guía completa para la caracterización de depósitos de lubricantes

La práctica actual de los usuarios de lubricantes industriales ha sido suponer que todos los depósitos o barnices son iguales. Uno tiende a mirar el color de un depósito y suponer que, dado que es marrón, debe ser igual a la muestra marrón observada anteriormente. Esta suposición puede estar lejos de ser correcta y puede llevar a tomar acciones correctivas incorrectas. Hay muchos tipos de química en los materiales del barniz.

Cuando uno piensa en lodo o barniz, el concepto necesita ser ampliado. Este material no son simplemente los productos de oxidación o degradación del lubricante; de manera más general, es el material que sale del fluido con el potencial de causar problemas operativos. Los problemas de confiabilidad de la maquinaria no solo son causados por la degradación del fluido y los depósitos de barniz, sino también por cualquier material que no sea una fase única homogénea con el lubricante. Por lo tanto, cualquier material extraño que cause depósitos en el lubricante puede potencialmente definirse en esta categoría.

Proceso de caracterización de depósitos

La caracterización de los depósitos se convierte en el camino hacia la causa raíz de su formación. Existe una amplia variedad de tecnologías de prueba disponibles para determinar la química de los depósitos. Sin embargo, a veces es un desafío para las plantas operativas obtener muestras de depósitos para permitir estos análisis. Es mucho más fácil obtener una muestra del lubricante en servicio. En este caso, el primer paso es separar los productos de degradación del aceite que se cree que son responsables de generar los depósitos a partir de muestras de aceite en servicio. El paso de separación desarrollado se puede realizar física, mecánica o químicamente.

El siguiente paso es determinar la composición orgánica e inorgánica del depósito. Dos pruebas útiles para analizar el lubricante son la espectrometría de elementos y la espectrometría infrarroja por transformada de Fourier (FTIR, por sus siglas en inglés). Las pruebas comunes de caracterización de depósitos utilizadas en estos estudios son FTIR y espectrometría por fluorescencia de rayos X (XRF, por sus siglas en inglés). Luego, estos resultados se comparan para proporcionar una caracterización química del depósito, así como para permitir que se determine una posible causa raíz. Estos pasos se presentan en la Fig. 1.

Figura 1: Proceso de determinación de la causa raíz

Proceso de caracterización de depósitos

La caracterización de los depósitos se convierte en el camino hacia la causa raíz de su formación. Existe una amplia variedad de tecnologías de prueba disponibles para determinar la química de los depósitos. Sin embargo, a veces es un desafío para las plantas operativas obtener muestras de depósitos para permitir estos análisis. Es mucho más fácil obtener una muestra del lubricante en servicio. En este caso, el primer paso es separar los productos de degradación del aceite que se cree que son responsables de generar los depósitos a partir de muestras de aceite en servicio. El paso de separación se puede realizar física, mecánica o químicamente.

El siguiente paso es determinar la composición orgánica e inorgánica del depósito. Dos pruebas útiles para analizar el lubricante son la espectrometría de elementos y la espectrometría infrarroja por transformadas de Fourier (FTIR). Las pruebas comunes de caracterización de depósitos utilizadas en estos estudios son FTIR y espectrometría por fluorescencia de rayos X (XRF). Luego, estos resultados se comparan para proporcionar una caracterización química del depósito, así como para permitir que se determine una posible causa raíz. Estos pasos se presentan en la Fig. 1.

Degradación del lubricante y formación de depósitos

Hay muchas fuentes de degradación del lubricante que a menudo conducen a la formación de depósitos. Algunos de estos incluyen:

Oxidación
Degradación térmica
Microdiéseling
Descargas eléctricas
Zonas de temperatura extrema
Combustión
Degradación ultravioleta
Contaminación
Lubricante u otro líquido incompatible
Suciedad y partículas duras
Agua
Gas
Subproductos de la reacción de aditivos

Una vez que un fluido ha sufrido degradación o ha estado expuesto a contaminación o falla de iniciación, existen varios factores para determinar la propensión del lubricante a desarrollar depósitos. La formulación puede desempeñar un papel importante en esto. Las formulaciones del aceite de motor contienen dispersantes para suspender o solubilizar en el fluido el hollín y otros productos de degradación. El aceite base del lubricante también contribuye a su solvencia y a las capacidades de control de depósitos del fluido. Los aceites minerales tienen menor solvencia y los fluidos sintéticos API Grupo V tienen mayor solvencia.

Además de la formulación del lubricante, otras dos variables que determinan la formación de depósitos son la temperatura y la presión. Estos factores son particularmente relevantes cuando los productos de degradación son solubles y entran y salen fácilmente de una solución. Las temperaturas más bajas disminuirán la solvencia de un fluido, provocando que algunos tipos de subproductos de degradación se precipiten, formando depósitos. La presión también puede sacar estos contaminantes de la solución, lo que explica una de las razones por las que es común ver depósitos en cojinetes lisos y de empuje.

Figura 2: Clasificaciones de depósitos

Contenedores para clasificación de depósitos

Hay muchos mecanismos que degradan los lubricantes y un número aún mayor de químicas diferentes que se encuentran en los depósitos de lubricante. Sin embargo, el número virtualmente ilimitado de depósitos químicos puede clasificarse por sus características físicas y la fuente de su formación. Clasificar los depósitos en contenedores de clasificación es beneficioso para comprender mejor la fuente de los depósitos y determinar los esfuerzos de remediación apropiados. Este artículo sugiere algunas nomenclaturas y definiciones para estos contenedores de clasificación de depósitos, como se muestra en la figura 2.

Estos contenedores se pueden definir primero como Nivel 1 en términos generales en función de su química, como se ilustra en la Fig. 3.

Figura 3: Contenedores de clasificación de depósitos de nivel 1

Una mejor comprensión de la composición del depósito permite clasificaciones adicionales basadas en la fuente de formación del depósito. La diferencia química más básica es si el depósito es orgánico o inorgánico.

Los depósitos inorgánicos se pueden definir como aquellos depósitos que son insolubles en solventes orgánicos altamente polares y no contienen características espectrales de carbono-hidrógeno.

Los depósitos orgánicos se pueden definir como material que contiene enlaces carbono-hidrógeno (CH2 y CH3), es principalmente insoluble en solventes de hidrocarburos (lo que lo convierte en un depósito) y, a menudo, es soluble en solventes orgánicos polares.

El contenido de agua también se encuentra en muchos depósitos. Aunque el agua es un sedimento potencial en sí mismo, más a menudo es parte del depósito. A menudo determina la consistencia y la tenacidad de un depósito. Es común encontrar agua en los depósitos cuando se generan por primera vez, lo que permite que los depósitos se limpien fácilmente. Estos tipos de depósitos a menudo se denominan lodos; sin embargo, no necesariamente contienen la química para convertirlos en lodos reales. Con el tiempo, estos depósitos pueden deshidratarse y curarse sobre superficies metálicas, lo que dificulta su eliminación mecánica. Estos depósitos a menudo se denominan barniz.

Por el contrario, se ha demostrado que los depósitos de lodos son aquellos que contienen sales metálicas de ácidos carboxílicos.

Cuando estos depósitos se secan, se convierten en polvos. Se diferencian físicamente del barniz en que siempre son depósitos blandos. Estos depósitos se clasifican como depósitos orgánicos derivados oxidativamente con partes inorgánicas.

Los depósitos que caen en el contenedor de lubricante son aquellos componentes que forman parte de la formulación del aceite. Ocasionalmente, uno puede encontrar un componente de aditivo que salió de una solución del lubricante y se depositó en el sistema. La mezcla incorrecta o la incompatibilidad de los aditivos es una causa principal de este tipo de depósito. Las incompatibilidades entre dos formulaciones de lubricantes también pueden causar que una o más de las formulaciones de aditivos salgan de la solución para formar un depósito.

También es posible una categorización adicional de los depósitos en un conjunto de contenedores de clasificación de nivel 2, lo que permite agrupar por las fuentes de formación de depósitos.

Depósitos orgánicos

Los depósitos orgánicos a menudo son solubles en el lubricante en servicio, lo que les permite entrar y salir de la solución según el entorno. Estos depósitos a menudo se denominan “contaminantes blandos”. Los depósitos orgánicos se pueden dividir además en subcategorías derivadas de formulación, termoplásticos, de descomposición térmica, derivadas por oxidación y derivadas de contaminantes. Esta Clasificación de Nivel 2 se ilustra en la Fig. 4.

Figura 4: Nivel 2 – Clasificaciones de depósitos orgánicos

Derivados de la formulación

Muchos componentes de aditivos pueden contribuir a la formación de depósitos ya sea después de haber reaccionado o debido a que se salen de la solución en un estado sin reaccionar. Es común ver productos de reacción de componentes de los aditivos de sacrificio en depósitos. En los lubricantes R&O (inhibidos contra la herrumbre y oxidación), es común encontrar especies antioxidantes primarias reaccionadas en los depósitos, que producen depósitos orgánicos.

Termoplástico

Algunos procesos de degradación a alta temperatura producen moléculas de alto peso molecular que crean depósitos que actúan como termoplásticos. Estos depósitos suelen ser sólidos a temperatura ambiente; sin embargo, se vuelven líquidos y fluyen a temperaturas elevadas (normalmente a temperaturas de funcionamiento del fluido o inferiores). Es común ver este tipo de depósito en fluidos que han fallado debido a chispas de descarga eléctrica.

Descomposición térmica

Las moléculas de hidrocarburos normalmente se remperán a temperaturas superiores a 300 °C. Hay dos acciones que pueden ocurrir. La primera es cuando las moléculas pequeñas, escindidas, se volatilizan del fluido. Esta parte de la reacción no forma depósitos. El segundo es la condensación molecular. A medida que las moléculas pequeñas se separan, la porción restante de la molécula se condensará. Esta condensación es en ausencia de aire, por lo que la deshidrogenación será parte de su descomposición. Como producto final, se observará la formación de coque, sin embargo, se observan numerosos depósitos químicos antes de que se forme el coque.

Derivados oxidativamente

Los depósitos derivados de la oxidación se encuentran entre las clasificaciones más comunes que se encuentran en los depósitos de lubricantes porque la oxidación es uno de los principales modos de falla del lubricante. Estos depósitos suelen tener un peso molecular más alto que el lubricante, lo que contribuye a su incapacidad para permanecer en solución. Muchos asumen incorrectamente que la mayoría de los depósitos encajan en esta categoría.

Derivados de la contaminación

Los contaminantes orgánicos pueden ingresar al sistema de lubricación, iniciando una reacción. Esta reacción puede ser con la formulación actual o puede ser incompatible con el fluido, resultando en un depósito de contaminantes orgánicos. Esto se ha observado con algunos tipos de gases contaminantes que pueden reaccionar con el lubricante en servicio para crear depósitos orgánicos únicos. Se ha descubierto que la entrada de gas amoníaco, por ejemplo, reacciona con los productos de degradación derivados de la oxidación para crear depósitos que consisten en amidas primarias. Se sabe que otros gases producen sus propios depósitos característicos.

Derivados biológicamente

Los depósitos que se derivan del crecimiento biológico incluyen materiales vegetales como el azúcar, el algodón y las proteínas que se consideran derivados biológicamente. Estos son a menudo de procesos de fermentación. El crecimiento microbiano también puede causar depósitos clasificados en este contenedor. Aunque estos depósitos son de naturaleza orgánica, normalmente se encuentran con los depósitos inorgánicos durante el aislamiento.

Depósitos inorgánicos

Los depósitos inorgánicos también se definen como un contenedor de clasificación de depósitos de nivel 2. Estos depósitos inorgánicos incluyen metales de desgaste y suciedad. En la clasificación inorgánica, se encuentran las categorías de carbón y vida vegetal. Estos dos contienen alguna funcionalidad de carbono-hidrógeno; sin embargo, se comportan de manera más similar a los inorgánicos que a los orgánicos. Además, el carbón a menudo se identifica erróneamente como coque u hollín y, por lo tanto, debe colocarse cerca de estos materiales en el árbol de clasificación. Cuando el coque se forma como un depósito, a menudo se observa un depósito de descomposición térmica correspondiente en el contenedor de clasificación de depósitos orgánicos. La sinergia entre estos dos permite una mejor identificación de la fuente y, por lo tanto, la determinación de la causa raíz.

La elección de las herramientas analíticas que se emplean también se puede definir mediante la clasificación de la muestra. Si uno observa la química orgánica, las metodologías de prueba deben adaptarse a la caracterización orgánica. De manera similar, los constituyentes inorgánicos tienen un conjunto diferente de herramientas para su caracterización.

Dave Wooton, Wooton Consulting Greg Livingstone, Fluitec Internacional. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América