Al igual que la viscosidad, la prueba del punto de inflamación siempre ha sido una parte estándar de la especificación de un lubricante y, debido a su bajo costo, simplicidad y versatilidad, la prueba también es popular entre la comunidad del análisis de aceite usado. Utilizada más comúnmente como una prueba rápida del tipo pasa/falla para la dilución por combustible, han surgido más aplicaciones en los últimos años. El analista de laboratorio puede desplegar información sobre el punto de inflamación de un aceite usado para solucionar problemas tales como fallas térmicas, radiación gamma, contaminación con solventes, aceites mezclados (o incorrectos) y contaminación con anticongelante.
¿Qué es el punto de inflamación de un aceite?
El punto de inflamación es la temperatura más baja a la cual el vapor por encima de la muestra de aceite se encenderá momentáneamente o formará una flama cuando una fuente de ignición pase sobre este. El punto de inflamación (típicamente 225 ºC o 440 ºF para aceites minerales) es una indicación de los riesgos de seguridad de un lubricante con respecto al fuego y explosión. El punto de inflamación y el ligeramente más alto punto de fuego están cubiertos por los estándares ASTM D92 y D93.
Sin embargo, el punto de inflamación no debe confundirse con la temperatura de autoignición (AIT, por sus siglas en inglés), que es la temperatura (típicamente 360 ºC o 650 ºF para aceites minerales) a la que el vapor de aceite arderá espontáneamente sin una fuente de ignición. Esta es una propiedad importante de los fluidos hidráulicos resistentes al fuego en los sistemas electrohidráulicos de control (EHC) en turbinas de vapor.
Según ASTM, que estandarizó por primera vez la prueba en 1924, el punto de inflamación es la temperatura más baja a la que una fuente de ignición hace que los vapores de la muestra (lubricante) se enciendan en condiciones específicas. Se dice que el aceite “se inflamó” cuando aparece una llama y se propaga instantáneamente por toda la superficie.
El aceite flamea porque se produce una mezcla inflamable cuando se calienta lo suficiente, lo que hace que los vapores emerjan y se mezclen con el oxígeno en el aire. La temperatura del punto de inflamación de un aceite corresponde aproximadamente a una presión de vapor de 3-5 mm Hg (milímetros de mercurio).
Cuando se aplica una pequeña llama (fuente de ignición) a la superficie del aceite, esta mezcla vaporosa se quemará momentáneamente y luego se extinguirá si se ha alcanzado la temperatura crítica. El calentamiento continuo del aceite (típicamente entre 28 a 42 ºC o 50 a 75 °F por encima de la temperatura del punto de inflamación) hará que se alcance el “punto de fuego”. Como su nombre lo indica, el punto de fuego es la temperatura a la que se produce una llama sostenida (por más de cuatro segundos).
Uso del punto de inflamación para detectar y cuantificar la dilución por combustible
Originalmente, el punto de inflamación se desarrolló con el propósito de determinar el peligro de incendio de los combustibles y aceites al almacenarlos o transportarlos. Sin embargo, combinado con otras pruebas como la viscosidad, el índice de viscosidad y la gravedad específica, el punto de inflamación puede ayudar a revelar tanto la calidad del petróleo crudo del que se deriva el lubricante como la calidad del proceso de refinación.
El punto de inflamación también puede identificar si el aceite base era un corte único ancho o estrecho o si representa una mezcla de dos fracciones (dos aceites base de diferentes viscosidades mezclados). El punto de inflamación puede dar alguna indicación sobre la volatilidad y el contenido de los componentes más volátiles del aceite siendo analizado. Sin embargo, el punto de inflamación no dice nada sobre la volatilidad integral del aceite.
A diferencia de los aceites minerales que comienzan a evaporarse mucho antes de que se alcancen sus puntos de inflamación, algunos sintéticos no se evaporan hasta que comienzan a degradarse (destilación destructiva). Por lo tanto, los puntos de inflamación de estos sintéticos pueden variar mucho más que los de los aceites minerales de viscosidades similares refinados convencionalmente.
Si bien existen métodos más precisos para medir la dilución por combustible (p. Ej., destilación por vapor para gasolina y cromatografía de gas para combustibles diésel y gasolina), el punto de inflamación es muy útil como herramienta de detección de pasa/falla que es adecuada para la mayoría de las aplicaciones de análisis de aceite usadas. Debido a los bajos puntos de inflamación de la mayoría de los combustibles, generalmente se puede confiar en una caída repentina de la temperatura de inflamación en el aceite de motor como una indicación de dilución. Sin embargo, hay excepciones, particularmente en el caso del combustible diésel.
Debido a que a menudo hay una superposición de los componentes volátiles de las fracciones ligeras de algunos aceites lubricantes con las fracciones pesadas del combustible, la presencia de una dilución por combustible puede ser menos clara. Esto es particularmente cierto cuando toda la dilución por combustible es el resultado del paso de gases de combustión (blow-by), es decir, combustible que ingresa al cárter a través de la cámara de combustión. En tales casos, solo las fracciones pesadas pueden ingresar al aceite con las fracciones ligeras oxidadas como parte de los gases de escape.
Sin embargo, en el caso de fugas de combustible crudo, incluido el goteo por los inyectores, todas o un alto porcentaje de las fracciones ligeras del combustible se pueden mezclar con el aceite en el cárter. Otro factor que influye es que las altas temperaturas del cárter en operación por sí solas a menudo son suficientes para evaporar fracciones ligeras del combustible, dejando las fracciones pesadas menos volátiles y más viscosas mezcladas con el aceite y potencialmente son indetectables con la prueba de punto de inflamación.
La dilución por combustible reduce la viscosidad de un lubricante. Sin embargo, si solo se usa la viscosidad para detectar la presencia de combustible, es posible que se detecte poco o nada de disminución de viscosidad por los motivos descritos anteriormente.
Esto se ve agravado por los efectos del espesamiento de viscosidad causados por el hollín (también producido por el blow-by), la volatilidad del aceite base (espesamiento) y el adelgazamiento por corte del mejorador de índice de viscosidad (IV). Es posible que el aceite de motor se adelgace debido a la dilución por combustible (o no si las fracciones ligeras se evaporan), que haya adelgazamiento debido al corte del mejorador de IV, espesamiento por la volatilización y por el aumento en la concentración de hollín, todo al mismo tiempo.
A primera vista, esto podría parecer un problema que no es un problema si la viscosidad combinada no cambia. Sin embargo, a pesar del efecto de neutralización en la viscosidad, las posibles consecuencias destructivas, incluida la pérdida de dispersancia, de protección antidesgaste y de estabilidad a la oxidación, representan un riesgo grave.
El punto de inflamación puede mejorar la capacidad de un programa de análisis de aceite para identificar de manera confiable niveles anormales de combustible. Incluso cuando se usa solo como una prueba de excepción, puede proteger contra una conclusión de un falso positivo de dilución por combustible en un resultado original de baja viscosidad.
Por ejemplo, si la baja viscosidad fue causada por un relleno con aceite incorrecto (de menor viscosidad), el punto de inflamación puede confirmarlo al indicar que no hay cambio con respecto a la línea de base del aceite nuevo. La dilución por combustible, sin embargo, casi seguramente registraría un punto de inflamación más bajo que el del aceite nuevo de referencia. La Figura 3 muestra un gráfico que presenta la relación general entre el punto de inflamación y el porcentaje de dilución (combustible bruto).
Debido a que a menudo toma 30 minutos o más obtener el punto de inflamación usando los procedimientos comunes de copa abierta Cleveland o copa cerrada Pensky Marten, muchos laboratorios prefieren el procedimiento de copa cerrada de pequeña escala descrito en ASTM D3828. En este procedimiento (Método A), se preestablece un punto de inflamación objetivo, digamos 20 a 30 °C más bajo que la línea de base del aceite nuevo (Figura 3), correspondiente a 1.5 a 2.0% de dilución por combustible. La pequeña cantidad de aceite utilizado (2 ml) permite alcanzar rápidamente la temperatura objetivo, generalmente entre 1 a 2 minutos. Se aplica un encendedor para iniciar la flama; si se obtiene un destello, el aceite no pasa la prueba, lo que sugiere la posibilidad de dilución por combustible
En el caso de que un aceite no pase en la prueba de punto de inflamación, se podrían prescribir una o más pruebas de excepción para confirmar y cuantificar la dilución por combustible. Las posibles pruebas de excepción incluyen cromatografía de gases y espectrometría infrarroja por transformadas de Fourier (FTIR, por sus siglas en inglés). Así también se puede implementar la determinación de la temperatura del punto de inflamación finita para estimar el porcentaje de dilución por combustible (Figura 4).
Dependiendo de la aplicación, para motores diésel, generalmente se establece un límite de precaución alrededor del 1.5% de dilución (aproximadamente -20 °C del punto de inflamación) y un límite crítico en 3% a 5% de dilución (-40 °C a -60 °C del punto de inflamación). Las curvas de calibración específicas de la aplicación basadas en el protocolo de prueba real (copa abierta, copa cerrada, etc.), marca/grado de aceite de motor y tipo de combustible mejorarán en gran medida la precisión al traducir una caída en el punto de inflamación al porcentaje de dilución por combustible.
Además de la viscosidad y punto de inflamación hay otras pruebas de análisis de aceite de rutina que podrían revelar dilución por combustible, como el análisis de elementos (reducción proporcional de concentraciones de aditivo), la prueba de la gota, prueba de crepitación, olor y estabilidad a la oxidación (por ejemplo, RPVOT y calorimetría de escaneo diferencial o DSC). También se ha reportado que el índice de viscosidad cambiará bruscamente debido a la dilución por combustible.
Se ha descubierto que las concentraciones de combustible diésel superiores al cinco por ciento provocan una pérdida prematura de la dispersancia, lo que provoca formación de depósitos y obstrucción del filtro. Esto podría observarse a partir de la prueba de la gota o definiendo la proporción de insolubles de pentano coagulados a insolubles de pentano no coagulados (ASTM D 893), en ocasiones llamado índice de dispersión; un número bajo sugiere una pobre dispersancia.
Otras aplicaciones para pruebas de punto de inflamación en análisis de aceite usado
No es común que los laboratorios empleen la prueba de punto de inflamación en aplicaciones distintas al análisis de aceite usado de motor. Sin embargo, dependiendo de la aplicación de la máquina, el entorno operativo, el potencial de contaminación y las condiciones de tensión, una prueba de punto de inflamación puede proporcionar la indicación más temprana de ciertas fallas y condiciones de causa raíz.
Por lo tanto, debe considerarse su uso al definir los conjuntos de pruebas de rutina para todos los programas de análisis de aceite usado. Definitivamente debería estar entre varias pruebas de excepción estratégicas utilizadas para confirmar y diagnosticar condiciones no conformes ocasionales marcadas por pruebas de rutina como la viscosidad y la espectrometría infrarroja. A continuación, se muestra una lista de aplicaciones para pruebas de punto de inflamación distintas de la dilución por combustible:
Ruptura de las moléculas del aceite base
Ocasionalmente, las temperaturas localizadas muy altas pueden conducir a la ruptura y evolución de gases dentro del aceite, disminuyendo el punto de inflamación. Esto puede ocurrir debido a las altas temperaturas de inflamación (que no deben confundirse con el punto de inflamación) de la compresión de las películas altamente cargadas en los contactos rodantes de ciertos rodamientos y reductores. También puede ocurrir donde las temperaturas de la superficie de la máquina son extremadamente altas debido a la proximidad con vapor o con hornos.
La mala aplicación de calentadores de alta densidad de potencia en tanques también puede causar ruptura térmica. La aireación de los sistemas hidráulicos comúnmente somete al fluido a temperaturas adiabáticas extremadamente altas cuando las burbujas de aire se presurizan repentinamente (también puede ocurrir en compresores y zonas de carga de rodamientos). En los sistemas hidráulicos esta condición se denomina microdieselling cuando las temperaturas dentro de las burbujas de aire comprimido son lo suficientemente altas como para generar una auto ignición.
Independientemente de la fuente de calor, si se permite que las temperaturas localizadas del aceite excedan los 550 °C, existe un riesgo real de ruptura (dependiendo del tipo de aceite y otras condiciones de operación). La ruptura puede conducir a la formación de subproductos finos de carbón (coque) y volátiles de bajo punto de ebullición dentro del aceite que reducen la temperatura del punto de inflamación. Además, la exposición a la radiación gamma, como en el caso del sistema hidráulico de manejo de combustible en una planta de energía nuclear, puede causar la evolución de gas y un punto de inflamación más bajo.
Contaminación
Debido a que el punto de inflamación es sensible a los componentes de bajo punto de ebullición dentro del aceite, un cambio en el punto de inflamación (hacia arriba o hacia abajo) podría indicar la presencia de un contaminante. Además del combustible diésel y la gasolina hay otros contaminantes comunes de bajo punto de ebullición, como el gas natural (motores y compresores de gas) y solventes.
La contaminación con solventes puede encontrarse cuando, por ejemplo, una caja de engranajes se limpia con diésel, gasolina, queroseno u otro limpiador inflamable. Se sabe también que ciertos contaminantes realmente aumentan el punto de inflamación. Esto puede ocurrir por un alto nivel de contaminación con agua en el aceite, una interferencia común en las pruebas de punto de inflamación. La contaminación con agua también puede dar un falso punto de inflamación bajo, particularmente en ciertos equipos miniflash que usan cambios de presión para detectar la inflamación.
La evaporación del agua puede dar un falso positivo para combustible, por ejemplo. El agua también puede apagar la llama en los casos en que se usa una llama piloto de gas. Una solución para lidiar con el agua es agregar partículas de sulfato de calcio o carbonato de calcio antes de realizar la prueba. La centrifugación es otra solución. También se ha reportado que el polvo de carbón y el glicol (anticongelante) pueden sintetizar componentes volátiles del aceite, lo que da como resultado un aumento en el punto de inflamación.
Aceite incorrecto/aceite mezclado
Como se muestra en la Figura 5, los puntos de inflamación para los aceites minerales refinados convencionalmente pueden variar desde 165 °C para un aceite de viscosidad ISO 22 hasta 260 °C para un aceite de viscosidad ISO 1000. Los puntos de inflamación también varían algo dentro de los grados de viscosidad según el tipo de petróleo crudo y el proceso de refinación.
Como se mencionó anteriormente, los lubricantes sintéticos exhiben típicamente puntos de inflamación más altos que los aceites minerales. Por lo tanto, a veces es posible detectar un aceite incorrecto o mezclado con el punto de inflamación. Sin embargo, desde un punto de vista práctico, otras pruebas de rutina como FTIR, AN, viscosidad y color son más efectivas para alertar a los usuarios de lubricantes incorrectos o mezclados. En estos casos, la prueba de punto de inflamación sirve mejor en un rol de confirmación.
Sustracciones al aceite
Un lubricante sometido a altas temperaturas de funcionamiento durante un largo período de tiempo podría perder una parte considerable de sus fracciones ligeras por evaporación. Algunos lubricantes, debido al refinado del aceite base y las mezclas de una alta viscosidad con una baja viscosidad para producir una viscosidad media combinada, son más susceptibles a la volatilización que otros.
Además, es posible que el uso rutinario de deshidratadores por vacío a altas temperaturas de entrada pueda causar la evaporación de ciertos aditivos y fracciones de aceite base de bajo punto de ebullición.
Muestreo y manejo de muestras
Para asegurar resultados precisos del punto de inflamación, es importante que se presente al instrumento una muestra representativa. Por varias razones, esto es más fácil decirlo que hacerlo. Vale la pena señalar que las precauciones aquí son igualmente ciertas para cualquier prueba (FTIR, cromatografía de gases, etc.) utilizada para medir contaminantes de bajo punto de ebullición, como el combustible.
Muchos combustibles, por ejemplo, se evaporarán del aceite con el tiempo si la muestra no está sellada adecuadamente. Las fracciones ligeras de combustible pueden difundirse literalmente a través de las paredes de ciertos recipientes de muestreo, como los de polietileno y polipropileno. En tales casos, se prefieren botellas de plástico y vidrio PET.
También puede haber pérdida de fracciones livianas del combustible cuando se usan bombas de muestreo por vacío para extraer aceites de motor calientes de los cárteres. El vacío generado no solo ayuda a extraer el aceite, sino que puede reducir drásticamente el punto de ebullición del combustible, causando su evaporación. Por esta y otras razones importantes, la ubicación de muestreo preferida para aceites de motor es en la línea de presión, entre la bomba y el filtro, utilizando un procedimiento de muestreo de zona viva aceptable.
También debe tenerse precaución en el laboratorio. Las muestras no se deben dejar sin tapar, someter a vacío o calentar antes de la prueba de punto de inflamación o cualquier prueba de dilución por combustible. Hay muchos procedimientos detallados y pautas incluidas en los estándares de punto de inflamación de ASTM que deben observarse para asegurar la calidad y la precisión de la prueba.
Pruebas estandarizadas de punto de inflamación para lubricantes
Para asegurar la precisión y la calidad, es mejor seguir procedimientos estandarizados de punto de inflamación y configuraciones de instrumentos. Hay muchas pruebas diferentes que han sido publicadas por las autoridades de estándares como ISO, ASTM e IP. Sin embargo, solo tres se usan comúnmente para lubricantes y fluidos hidráulicos y, debido a las diferencias en estos procedimientos, siempre se debe citar una temperatura de punto de inflamación específica para el procedimiento empleado. Vea una breve descripción de los tres procedimientos de punto de inflamación en la Figura 6.
Copa Abierta Cleveland (COC)
Este procedimiento de prueba utiliza un recipiente abierto de metal que se llena con la muestra de aceite. El aceite se calienta a una velocidad prescrita y periódicamente se pasa una pequeña llama piloto (encendedor) sobre su superficie. Esto continúa hasta que aparece un destello. La temperatura del aceite se registra entonces como su punto de inflamación.
Este procedimiento es el más utilizado para evaluar las propiedades físicas y químicas de un lubricante nuevo. Sin embargo, en el laboratorio de análisis de aceite usado este procedimiento puede requerir más aceite del que normalmente está disponible y un tiempo de prueba extremadamente largo.
Para la dilución por combustible, el límite inferior de sensibilidad puede ser inadecuado porque, al estar abierto, no retiene los vapores el tiempo suficiente para obtener una flama.
Copa cerrada Pensky-Marten
Con esta prueba, la muestra se confina en un recipiente cerrado en el que se introduce periódicamente la llama piloto. Además, el lubricante se agita durante el período de calentamiento y se registra la temperatura más baja a la que aparece una flama.
Al igual que con el método COC, se necesita una cantidad considerable de aceite y tiempo para realizar la prueba. Sin embargo, hay instrumentos completamente automatizados con varios proveedores. Una ventaja que tiene Pensky-Marten sobre el método COC al medir la dilución por combustible es la sensibilidad mejorada a las concentraciones más bajas de combustible (Figura 9).
Probador cerrado a pequeña escala
Este probador de punto de inflamación a pequeña escala tiene varios nombres (por ejemplo, mini-flash) y es quizás el más adaptable para el análisis de aceite usado de rutina. Si bien tanto el Pensky-Marten como el copa abierta Cleveland se pueden usar como un probador de tipo pasa/falla, este procedimiento lleva a cabo la prueba de detección (Método A) con solo 2 ml de fluido en solo 1-2 minutos.
También se puede obtener el punto de inflamación finito (Método B) pero se necesita más fluido y tiempo. También vale la pena señalar que tanto la repetibilidad como la reproducibilidad de este procedimiento son claramente mejores que las dos pruebas anteriores (Figura 10). Muchos laboratorios de análisis de aceite usado de alta producción usan este procedimiento con muestreo automático en el modo de pasa/falla en la detección de dilución por combustible.
Conclusiones
El punto de inflamación ha soportado la prueba del tiempo. La prueba de punto de inflamación en muchas aplicaciones de análisis de aceite usado sigue siendo el método de elección para detectar ciertos contaminantes y condiciones no conformes de lubricación. En otros casos, el punto de inflamación sirve como una herramienta de diagnóstico confiable o una prueba de confirmación cuando ya se ha marcado una condición sospechosa. Como casi todo en el mundo del análisis de aceite, el éxito en el uso del punto de inflamación depende de mucho cuidados a condiciones tales como el manejo de las muestras y el protocolo de prueba.
Referencias
- ASTM Annual Book of Standards (1999)
- Gill, Augustus H., A Short Handbook of Oil Analysis, J.B. Lippincott Company, 1898.
- Caines, A. J. and R. F. Haycock, Automotive Lubricants Reference Book, SAE 1996.
- Snook, Willett A., Lubrication, Volume 54, No. 9, 1968. Texaco Publication
- Moller, U.J., Lubricants in Operation, Mechanical Engineering Publications, Ltd.
- Shublein, R.L., Synthetic Lubricants and High-Performance Functional Fluids, Marcel Dekker, 1999
Noria Corporation. Traducido por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América.