Establecimiento de límites dependientes del tiempo para mejorar la interpretación de los resultados del análisis de lubricantes

Los límites basados en tiempo monitorean parámetros que no pueden ser evaluados en forma absoluta; en otras palabras, estos parámetros no pueden ser juzgados como normales o anormales sin tener en cuenta el tiempo. Considere el siguiente ejemplo: 100 ppm de hierro (Fe) a 10 horas o 100 ppm de hierro a 1,000 horas. Sin tener en cuenta el tiempo, “100 ppm” simplemente no tienen sentido alguno.

Los límites basados en tiempo se pueden dividir en dos grupos. El primero, tasa de cambio (RoC, por sus siglas en inglés) puede ser aplicado a cualquier parámetro que demuestre su dependencia del tiempo. El segundo tipo, límites para intervalos de cambio cortos (SOFI, por sus siglas en inglés), es un medio alternativo para monitorear el desgaste en ciertos tipos de componentes.

Límites por tasa de cambio – RoC

Considere el perfil de desgaste típico de un componente industrial.

Los niveles de desgaste comienzan aproximadamente a partir de cero. A medida en que el componente se desgasta, es de esperarse un incremento en las concentraciones de metales de desgaste con el tiempo. En la figura 1 se muestra un perfil típico de desgaste. Se realizó un cambio de aceite a las 400 horas, de ahí el descenso en los metales de desgaste. Observando la figura 1, se nota que la generación de desgaste es bastante constante, sin embargo, observando una gráfica hecha utilizando el concepto de tasa de cambio RoC, la información que se muestra es bastante diferente.

Para convertir un resultado a tasa de cambio RoC, se debe usar la siguiente ecuación:

Donde:

es el resultado convertido a tasa de cambio, RoC

x₀ es el resultado obtenido del reporte del análisis del lubricante de la muestra actual

x_-1 es el resultado obtenido del reporte del análisis del lubricante de la muestra anterior

t₀ es el tiempo al cual fue tomada la muestra actual

t_-1 es el tiempo al cual fue tomada la muestra anterior

En la ecuación 1, se deben considerar dos factores:

Si la muestra es la primera toma después de un cambio de aceite al componente, x_-1 y t_-1 no están definidos. Para x_-1, sustituir por un resultado razonable que se podía esperar de una muestra tomada inmediatamente después del cambio de aceite. Si la viscosidad no puede ser analizada, tome el valor de la viscosidad del aceite nuevo. Si no tiene resultados de desgaste, utilice como resultado inicial cero.
El parámetro de tiempo puede tener varias unidades. Puede ser horas o kilómetros del aceite, horas o kilómetros de la máquina, un tiempo estimado del aceite en servicio si la máquina no dispone de un contador de tiempo o kilómetros, o litros de combustible consumidos por el motor. La unidad de tiempo no es importante, sin embargo, es necesario que t₀ y t_-1, sean medidos en las mismas unidades.

Tomado los resultados de la Figura 1, se puede generar una nueva gráfica de RoC vs. tiempo. El gradiente, o primera derivada de la curva resultado-tiempo en la Figura 1 se grafica nuevamente, así que lo que era una línea creciente ahora se aproxima a una tendencia horizontal (Figura 2).

La Figura 2 resalta un salto en la generación de hierro en las muestras tomadas entre las 300 y 350 horas (muestras 7 y 8). Esto no se evidencia claramente en la Figura 1.

En muchos casos, no es suficiente una gráfica como la de la Figura 1. Durante la vida del aceite en un componente, a menudo se realizan rellenos de aceite al sistema. Esto debe ser tomado en cuenta ya que cada vez que se agrega aceite, ciertas propiedades del lubricante se diluyen, como, por ejemplo, concentración del desgaste, contaminantes y aditivos.

Tomado en cuenta el relleno de aceite, y para asegurarse que la dilución no afecta los resultados, estos deben ser normalizados por el laboratorio tomando en cuenta el volumen de relleno de aceite. Para hacerlo, se debe introducir un factor de normalización por relleno. Se ha simplificado la ecuación de normalización por volumen para facilitar su comprensión:

Donde:

N_m es el factor de normalización por relleno de aceite.

V es el volumen de aceite del reservorio o cárter.

v es el volumen de aceite añadido después del último cambio de aceite.

Las unidades de V y v no tienen un significado especial, sin embargo, deben ser reportadas en las mismas unidades.

La ecuación 1 debe entonces ser modificada como sigue:

Donde:

X_m es el resultado de RoC normalizada por consumo de aceite

N_m es el factor de normalización por relleno de aceite.

¿Qué tan importante es la normalización de resultados por relleno de aceite? Depende de la precisión. Si uno estima que el relleno de aceite es constante, y en algunos casos esta es una estimación aceptable, entonces el factor de normalización es una constante entre una muestra y otra, y puede ser ignorado. Sin embargo, se pueden presentar problemas si la tasa de consumo cambia. Considere el caso en el cual un motor de combustión interna presenta contaminación con tierra produciendo desgaste en los anillos, y estos, por el desgaste, hacen que el consumo de aceite incremente. En este caso, ignorar el factor de normalización no ayuda a encontrar el problema.

Observe en este ejemplo cómo los resultados de RoC pueden ser aplicados a un motor.

Una gráfica con los resultados puros, como en la Figura 3, no proporciona mucha información. Los resultados son erráticos y difíciles de interpretar.

Haciendo una gráfica de RoC, la figura 4 proporciona una gráfica diferente. La curva tipo dientes de sierra de la Figura 3, ha sido reemplazada por una curva donde es más fácil aplicar los límites para interpretación. Note en la Figura 4 que los datos no se han normalizado por relleno de aceite. Los límites en la Figura 4 han sido seleccionados arbitrariamente, sin embargo, ayudan a ilustrar el principio. Da la impresión de que el motor está operando adecuadamente, con un ligero incremento del hierro en la muestra 3.

En la Figura 5, los datos de RoC han sido normalizado tomando en cuenta el relleno de aceite.

Inmediatamente se evidencia una condición de operación anormal en este motor. Una mirada a la Tabla 1 muestra que los niveles de desgaste se han mantenido más o menos constantes (en relación al período de uso), pero el consumo de aceite se ha incrementado dramáticamente.

Esta situación ocurre regularmente en motores donde: se ha incrementado el ingreso de tierra, lo que incrementa el desgaste y el consumo de aceite. El relleno adicional de aceite diluye los incrementos en desgaste (y en los resultados de contaminación), por lo que no hay evidencia de desgaste si no se toma en cuenta el relleno de aceite. También puede ocurrir sobrecalentamiento. Esto ocasiona que los compuestos volátiles o de las fracciones ligeras del aceite, se evaporen. Esta pérdida volumétrica debe ser corregida con el relleno de aceite. En oportunidades, algún tipo de desgaste puede ser asociado con el sobrecalentamiento, y los resultados de desgaste pueden ser diluidos debido al relleno de aceite. De forma tal que, si la precisión en la interpretación de los resultados es importante, es imperativo obtener y registrar los volúmenes de aceite en el relleno del motor.

Límites para intervalos cortos de cambios de aceite

Otro tipo de límite que puede ser utilizado en algunos casos para monitorear resultados de desgaste es el de intervalos cortos de cambio de aceite (SOFI, por sus siglas en inglés). Puede ser tomada como una alternativa de los límites establecidos por RoC.

Los límites basados en SOFI pueden ser usados donde:

El intervalo de cambio de aceite es relativamente corto
Hay típicamente pocas muestras, posiblemente sólo una, durante el ciclo de vida del aceite
Las muestras a menudo son tomadas a más de la mitad de la “frecuencia estándar” predefinida o a menos del doble de dicha frecuencia

La “frecuencia estándar” es típicamente el intervalo de cambio recomendado por el fabricante original del equipo (OEM, por sus siglas en inglés).

Los intervalos de SOFI son adecuados para motores y otros componentes automotrices que llenan los requisitos indicados anteriormente.

La técnica descansa no sólo en normalizar los resultados por relleno de aceite, también toma en cuenta el tiempo en uso del aceite. De nuevo, el tiempo no significa solo horas – pueden ser kilómetros o consumo de combustible.

Ya se discutió la normalización por relleno de aceite. La normalización por tiempo se calcula utilizando la siguiente ecuación:

Donde:

N_t es el factor de normalización por tiempo

t_s es la frecuencia estándar de cambio o muestreo de aceite

t_p es el período en que el aceite ha estado en servicio

Para normalizar los resultados por tiempo, utilice la siguiente ecuación:

Donde:

x_t es el resultado normalizado

x es el resultado a ser normalizado, dato sin normalizar

Para normalizar por tiempo y relleno de aceite:

Donde:

x_tm es el resultado normalizado por tiempo y por relleno de aceite.

Usando los resultados de la Tabla 1 y normalizándolos por tiempo y relleno de aceite, se obtiene la curva de la Figura 6.

Las Figuras 5 y 6 son ligeramente diferentes, pero ambas transmiten la misma información. En la práctica, los intervalos de límites SOFI podrían probablemente ser utilizados donde sólo es tomada una muestra en el intervalo de uso del aceite, en cuyo caso el resultado sería el mismo como el de la gráfica RoC normalizada por relleno de aceite.

Algunas notas sobre los límites SOFI:

Ignore las muestras que son tomadas a menos de la mitad de la frecuencia estándar definida o a más del doble de dicha frecuencia. Esto es porque para los límites SOFI se estima una relación lineal resultado-vs-tiempo, y también se estima comenzar con un valor inicial de cero. Si bien esto puede ser cierto para la generación de desgaste en relación a la frecuencia estándar, resulta no ser cierto para otros lugares de la curva. Los niveles de desgaste no comienzan en cero, ya que usualmente queda algún residuo del aceite usado anteriormente que contamina al aceite nuevo. Cuando el aceite ha estado en uso por mucho tiempo, las tasas de deposición se aproximan a las tasas de generación, por lo que la curva de desgaste comienza a aplanarse.
No intente utilizar los límites SOFI para propiedades del aceite que no comiencen en o cerca de cero al principio de la vida del aceite. La viscosidad, por ejemplo. Si se tiene un tiempo de uso de 125 horas, y la frecuencia estándar es de 250 horas, y estimando que no se ha rellenado con aceite, usando la Ecuación 4 para normalizar por tiempo daría un resultado de 0.5. Sustituyendo este valor en la Ecuación 5 daría una viscosidad normalizada de la mitad de su valor inicial, lo cual obviamente es falso.
Los límites SOFI no deben ser usados para resultados de contaminación del aceite. En estos casos utilice límites proactivos independientes del tiempo (PTI, por sus siglas en inglés) o reactivos independientes del tiempo (RTI, por sus siglas en inglés). La contaminación es una propiedad independiente del tiempo.

Establecimiento de límites

Ahora que se han seleccionado los límites correctos, se pueden escoger entonces los valores que definirán estos límites.

Existen varias formas de establecer los límites. Los detalles del cómo hacerlo están fuera del alcance de este artículo; sin embargo, se recomiendan los siguientes puntos de partida:

Para limites independientes del tiempo, consulte las recomendaciones del fabricante del aceite y las especificaciones del OEM. Use estas recomendaciones para el arranque. Hay varias técnicas para refinar estas especificaciones basadas en las expectativas de vida del aceite y de la máquina.
Para limites dependientes del tiempo, utilice el análisis estadístico. Recopile los resultados históricos del aceite, aplique las conversiones y normalizaciones en caso de ser requeridas, calcule el promedio y la desviación estándar de los resultados. Cree límites de alarma y precaución utilizando el promedio más o menos (lo que sea aplicable, en algunos casos ambas son aplicables) una desviación estándar, y establezca un límite crítico utilizando la media más o menos dos desviaciones estándar.
Los límites no están para ser ajustados y olvidados. Al igual que todo en un programa de lubricación, los limites están sujetos a los principios de mejora continua. Utilice en estos casos el sentido común: si un límite nunca se alcanza, entonces está muy holgado. Si el límite es continuamente excedido, tal vez sea poco realista para la aplicación.

Interpretación de los límites

Habiendo seleccionado los límites correctos y determinado los valores de dichos límites, es tiempo de ponerlos en práctica. Existen tres reglas a seguir:

Si un resultado excede intermitentemente el límite de precaución, no tome acción alguna, simplemente continúe el monitoreo.
Si un resultado excede el límite de precaución tres veces consecutivas, se requiere generar una acción
Si un resultado excede el límite critico de una vez, se requiere tomar una acción inmediatamente

Estos resultados están ilustrados en la Figura 7.

Conclusiones

Resumen del proceso de selección de límites:

Determine las propiedades independientes del tiempo o dependientes del tiempo de los resultados a analizar. Investigue el resultado “absoluto”. Si su valor en un determinado momento en el tiempo es irrelevante con relación al tiempo actual de uso, es una propiedad independiente del tiempo. Una propiedad dependiente del tiempo es una que no tiene sentido si no se toma en cuenta el tiempo en que el aceite ha estado en servicio.
Seleccione los límites independientes del tiempo (RTI y PTI) para propiedades que satisfacen la definición de independientes del tiempo.
Seleccione los límites PTI para monitorear propiedades que puedan ser controladas directa e inmediatamente. Tales propiedades incluyen típicamente la humedad y la contaminación con partículas. Aquí unos resultados fuera del límite no significan que el aceite o la máquina estén dañados, simplemente sugieren que se debe hacer algo, porque de otra manera el aceite y la máquina pronto se dañarán.
Seleccionar límites del tipo RTI para monitorear aquellas propiedades independientes del tiempo que no son directamente controlables. Tales propiedades incluyen el número ácido, el número básico, la viscosidad y el contenido de aditivos. En la mayoría de los casos, llegar a un límite RTI automáticamente indica que se debe realizar un cambio de aceite.
Seleccionar límites del tipo RoC para monitorear propiedades dependientes del tiempo. Todas las propiedades pueden ser monitoreadas con límites del tipo RoC. Donde sea necesario, normalice por relleno de aceite.
Algunas propiedades pueden ser tiempo-dependientes o tiempo-independientes, por lo que se puede utilizar más de un tipo de límite para monitorear la misma propiedad. La viscosidad puede utilizar un límite RTI para determinar un cambio de aceite basado en tiempo y un límite RoC para monitorear tasas de cambio anormales.
Seleccionar límites del tipo SOFI como una alternativa a los límites RoC, para monitorear desgaste en componentes con intervalos cortos de cambio de aceite y muy pocas muestras, probablemente solo una, durante el intervalo de uso del aceite. Normalice estas propiedades tanto por tiempo como por consumo de aceite.

La Tabla 2 indica las pruebas del análisis de aceite más comunes dónde los límites discutidos en este artículo tienen más probabilidades de ser utilizados. Esta tabla debe ser vista como límites genéricos en lugar de límites específicos. También note que donde se indican que hay dos límites tiempo dependientes o dos límites tiempo-independiente, con sólo seleccionar uno de ellos es más que suficiente.

La selección correcta de los límites no es difícil una vez que se han comprendido los conceptos detrás de ellos. Desgraciadamente, si no se comprenden estos conceptos, se puede llegar a una incorrecta selección y uso, así como a una reducción en los beneficios que el análisis del lubricante puede proporcionar. El ejemplo más común es la selección de límites de desgaste independientes del tiempo. Este enfoque podría llevar a un cambio de aceite prematuro o a generar un excesivo desgaste para alcanzar el límite establecido.

Es indispensable tener una buena comprensión del proceso de selección de límites para aprovechar todos los beneficios de esta poderosa técnica. Los límites implican más que solo un límite de envejecimiento reactivo, así que sea proactivo con la selección de límites para alcanzar las metas de confiabilidad.

Referencias

“Statistically Derived Rate-of-Change Oil Analysis Limits and Alarms.” Practicing Oil Analysismagazine, January-February 2002.
KOWA as cited in Oil Analysis II Course Notes. 2004.

Lectura relacionada:

Para más información sobre cómo establecer límites efectivos, consulte los siguientes artículos:

Establezca correctamente los límites del análisis de aceite

Límites y alarmas del análisis de aceite por tasa de cambio derivada estadísticamente