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Centro América y CaribePara asegurar la disponibilidad requerida de la planta, es necesario inspeccionar regularmente el grado de contaminación por partículas sólidas y monitorear el contenido de agua en lubricantes no acuosos. Aplicaciones y componentes sensibles con frecuencia se clasifican de acuerdo a sus límites de tolerancia de contenido de agua en miligramos/kilogramo (mg/kg) o partes por millón (ppm).
En el laboratorio, este valor se mide generalmente por el método de Karl Fischer. El resultado es la suma del agua libre y disuelta. Sin embargo, el agua sólo causa daño si está libre. El agua disuelta no es un problema. Todos los lubricantes contienen agua disuelta. Si no se conocen los límites respectivos de solubilidad (saturación) del fluido en uso, no es posible interpretar los resultados por el método de Karl Fischer. Por lo tanto, usar los métodos apropiados de medición y determinar los límites individuales de solubilidad de agua son precondiciones importantes para implementar estrategias modernas de mantenimiento.
Agua libre y sus consecuencias
El agua libre acelera la degradación del aceite debido a la hidrólisis de fluidos base éster o por la reacción de aditivos como el dialquil ditiofosfato de zinc (ZDDP) y sulfonato de calcio. De estas reacciones se producen sustancias pegajosas que pueden llevar a la falla de las válvulas en sistemas de control de aceite así como a la disminución de la vida de servicio de los filtros. Además, el agua causa un incremento del desgaste debido a la cavitación dentro de las bombas y válvulas, corrosión y disminución de la capacidad de carga de la película lubricante. La vida de los rodamientos también sufre deterioro con un nivel relativamente bajo de contaminación con agua. Ignorar este problema puede provocar serios daños con altos costos.
Orígenes del agua
El agua en fluidos hidráulicos y lubricantes puede encontrarse en tres estados físicos – disuelto, líquido y gaseoso. El agua en forma de gas se encuentra dentro del aire del medio ambiente, así como en forma disuelta dentro de los fluidos en operación. El agua en forma líquida se forma por condensación resultante de los cambios de temperatura; este estado del agua por lo general no debería estar dentro de los fluidos hidráulicos ya que causará un incremento en los costos de operación debido a los problemas mencionados previamente.
Para entender mejor el cambio de la condición física de la forma no crítica del vapor de agua a las dañinas gotas de agua, deben examinarse a detalle las leyes más importantes.
Humedad (Humedad relativa)
Los principios básicos para los gases son explicados en la Ley de Dalton.
El aire está compuesto principalmente de moléculas de oxígeno y nitrógeno, así como de pequeñas cantidades de moléculas de agua y otros gases. Dentro de un cuarto cerrado, esos componentes podrían causar una presión parcial sobre los muros. Pw es la presión parcial del agua. Si la distancia entre las moléculas es suficientemente grande en comparación con su diámetro, y no existe ninguna otra interacción, entonces aplica la ley de Dalton. Esto significa que la presión total del aire iguala a la suma de las presiones parciales de todos sus componentes. Si la presión de vapor de saturación (Pws) se ha fijado dentro del volumen de aire, se encontrará dentro del gas el máximo número de moléculas de agua. Si incrementa el número de moléculas de agua, esto podría causar condensación, esto es, gotas de agua en forma líquida. Prácticamente, la humedad relativa juega el rol más importante.
Presión de vapor de saturación
Dentro de una capa de aire sobre la superficie de un líquido determinado, se generaría una presión de vapor equilibrada si se incorporase la capa de aire superior. El valor de la presión de vapor depende de la temperatura y el tipo de líquido. El límite de presión de vapor de saturación prevalece si el nivel de condensación y el nivel de evaporación están equilibrados. Un aumento de la temperatura conduce a un incremento considerable en la presión de vapor de saturación (figura 3).
Actividad del agua
La actividad del agua (aw) mide las moléculas de agua libre contenidas en un material (líquido o sólido). La correlación matemática entre la presión de vapor de saturación y la actividad del agua se muestra en la figura 4. La actividad del agua se define como el cociente entre la presión de vapor de saturación sobre el material y la presión de vapor de saturación sobre el agua pura.
La presión de vapor del agua sobre el fluido/material respectivo depende de las características del material, por ejemplo, el tipo de aceite básico y los aditivos. La actividad del agua cambia dependiendo del contenido real de moléculas de agua libre y sirve como una medida del valor de diferencia real en comparación con el límite de saturación. Esto significa que puede aumentar o disminuir durante el uso del fluido en función de factores tales como el cambio en los aditivos o la generación de productos de degradación. Este aspecto en particular debe observarse cuando se trata de determinar las curvas de saturación específicas para un determinado tipo de aceite. En consecuencia, la relación matemática entre el valor límite de saturación y contenido de agua (ppm) cambiará. Además, la actividad del agua (saturación) es sustancialmente dependiente de la temperatura. En fluidos diferentes a los gases, el cambio debido a la presión es insignificante, ya que son más o menos fluidos incompresibles.
Métodos para determinar el contenido de agua
Hay varios métodos para determinar el contenido de agua. Estos pueden diferenciarse en función de si se mide el contenido de agua en forma disuelta o si se determina el contenido de agua absoluta, es decir, además de la medición de agua disuelta, también se toma en cuenta el agua libre. Dos de las técnicas comunes son FTIR y el método de Karl Fischer. En la práctica se utilizan pruebas sencillas de detección con el fin de hacer una estimación aproximada del contenido de agua. Entre las pruebas más utilizadas están la inspección visual, la prueba de crepitación y el método de agitación.
Medición de la actividad del agua/humedad
La humedad relativa se mide típicamente por medio de sensores eléctricos. En el caso de los lubricantes, se utilizan principalmente sensores de humedad capacitivos.
Un electrodo permeable al vapor de agua sirve como una capa de contacto para la muestra. Por debajo de este electrodo, que está recubierto con metal noble, existe el dieléctrico, por lo que las características eléctricas se ajustan en función de la humedad relativa. Su contraparte se encuentra por debajo de un sustrato base de vidrio o plástico. Su construcción es similar a un capacitor de placas. Debido a la difusión de las moléculas de agua libre en movimiento, se establece un balance de humedad. El resultado se compara siempre contra la solubilidad máxima de la media (saturación).
Es posible calcular la correlación con el contenido absoluto de agua en ppm o mg/kg sólo si se conoce el límite de solubilidad y se determina la curva de saturación. La precisión de los sensores disponibles está entre 2 y 5 por ciento de humedad relativa.
Determinación de agua usando FTIR
FTIR se basa en el hecho de que la absorción de las moléculas individuales dentro del lubricante varía dependiendo de sus enlaces típicos. El dispositivo de FTIR compara el espectro de la muestra actual con los datos respectivos del aceite nuevo. El espectro de una muestra de aceite usado contaminado con agua difiere de la muestra de aceite nuevo con respecto a sus oscilaciones del OH en un número de onda entre 3,650 a 3,150 cm-1. Por medio de las intensidades de las bandas o el cálculo del área dentro de este rango de número de onda, es posible determinar el contenido de agua de acuerdo con la ley de Beer-Lambert.
Si el espectro de aceite nuevo se modifica debido a un cambio en el contenido del lubricante, o si el aceite usado se mezcla con otro tipo, o si los grupos OH aumentan debido a la degradación del aceite, pueden presentarse diferencias considerables con respecto a los valores calculados de agua. Por lo tanto, es necesario tener en cuenta todas las posibilidades a la hora de evaluar los resultados de FTIR para evitar interpretaciones equivocadas. En consecuencia, el límite mínimo de 1,000 ppm parece plausible. El límite máximo se alcanza cuando aparecen gotas de agua no homogénea. Debe evitarse el uso de este método para lubricantes con un límite de saturación por debajo de 1,000 ppm.
Determinación de agua por el método Karl Fischer
No es fácil determinar con precisión el contenido de agua dentro de un lubricante o fluido hidráulico. Algunas sustancias requieren titulación. La titulación coulométrica según Karl Fischer se basa en un método electroquímico. El dispositivo consta de dos componentes: el titulador Karl Fischer y un horno integrado. Se introduce cierta cantidad de la muestra de aceite en un vial de vidrio sellado herméticamente a través de un diafragma (Figura 7). El vial de vidrio se coloca en el horno y el diafragma se perfora con una cánula. Se vierte nitrógeno en la muestra y después en el recipiente de titulación. Debido al proceso de calentamiento, se evapora el agua dentro de la muestra de aceite (vapor de agua). Con este método, sólo el vapor de agua que fue absorbido por el flujo de nitrógeno es conducido al interior del recipiente de titulación. Se evitan completamente los efectos secundarios que pudiesen causar los aditivos.
Nivel de saturación de agua de diferentes tipos de fluidos
El límite de saturación de un lubricante depende de su calidad, por ejemplo, el tipo de aceite básico, aditivos, contaminación o sub-productos de la degradación. El valor límite cambia en relación con el número real de moléculas de agua libre. Este parámetro varía durante la vida de operación de los fluidos hidráulicos y lubricantes dependiendo de los cambios en el fluido. Este aspecto es especialmente relevante cuando es necesario para determinar curvas de saturación de aceite específicos, ya que la relación matemática entre el límite de saturación y el contenido de agua en ppm del producto nuevo podría cambiar después de algún tiempo en uso.
En lo que respecta a aceites de motor, esto normalmente significa que disminuye la solubilidad en agua a la misma temperatura, debido a que los aditivos se consumen y por lo tanto ya no están disponibles para unirse a las moléculas de agua. Para la mayoría de los fluidos hidráulicos y lubricantes de circulación, la solubilidad en agua aumenta cuando los fluidos están en uso debido al aumento en el número de constituyentes polares resultantes del incremento de los productos de degradación. Ellos, a su vez, pueden enlazarse a moléculas de agua adicionales.
En el laboratorio Oelcheck, se analizaron varios cientos de muestras de aceite con paquetes de aditivos diferentes y distintas viscosidades. El contenido absoluto de agua se determinó por el método de titulación coulométrica Karl Fischer, mientras que la actividad de agua (humedad relativa) se determinó por medio de sensores de agua. Se excluyeron las muestras sobresaturadas. Además de muestras de aceite nuevo se analizaron muestras de aceite usado de varios componentes. La figura 8 muestra algunos niveles de saturación típicos de diferentes fluidos hidráulicos. Se observan márgenes estrechos debido a la alteración de los paquetes de aditivos y diversas influencias. La figura 9 muestra los valores límite de lubricantes comunes.
Especificación y límites
Conscientes de las consecuencias negativas causadas por el agua libre dentro de los fluidos hidráulicos y lubricantes, varios fabricantes y organizaciones de estándares han publicado directrices y valores límite sobre el contenido de agua permisible. Las tablas 1 y 2 muestran algunos ejemplos para fluidos elaborados con básicos sintéticos y minerales.
Los valores límite se dan sólo para el contenido absoluto de agua. De hecho, tuvo que comprobarse que ciertos valores límite no se hubieran excedido. Esto llevó a la correlación entre los valores de los sensores de humedad en por ciento de humedad relativa y el contenido absoluto de agua (ppm o mg/kg), siendo determinada y guardada como «calibración». Hasta ahora, los estándares para los niveles máximos de humedad relativa se indican sólo por unos pocos fabricantes de filtros y sensores de humedad.
El ajuste de las especificaciones existentes, directrices y estándares indicando el nivel máximo de humedad relativa/actividad del agua puede ser significativa, por razones técnicas y económicas. Esto podría simplificar sustancialmente el uso de sensores de humedad, ya que sería innecesario determinar las curvas de saturación, y podría ignorarse la correlación matemática.
La figura 10 muestra una explicación de los valores límites razonables para el uso de sensores de humedad basado en los valores medidos (humedad relativa).
Recuerde, el agua es generalmente la fuente líquida de la contaminación del lubricante. La medición y la observación de la humedad relativa/actividad del agua puede servir como un indicador temprano del posible desarrollo de la perjudicial agua libre. Con el fin de evaluar el riesgo y poner en marcha las medidas necesarias para evitar un daño severo, es útil conocer el nivel de saturación del líquido en uso. Por lo tanto, se recomienda establecer valores límites adicionales con respecto a la humedad relativa máxima en comparación con el valor de saturación.
Noria Corporation. Traducido por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América.