Monitoreo de condición del lubricante por medio de la conductividad eléctrica

La conductividad eléctrica es una medida de la capacidad de un fluido de cargarse electrostáticamente. Por lo general se expresa en picosiemens por metro (pS/m). Además del tipo de fluido, la conductividad también depende de la concentración de los portadores de carga móviles. Por ejemplo, el agua destilada pura es ligeramente conductora. Sin embargo, si el agua contiene impurezas tales como sales, ácidos o álcalis, entonces su conductividad aumenta.

Los lubricantes normalmente son ligeramente conductores y por lo tanto pueden trabajar como aislantes en transformadores o interruptores. Sin embargo, los aceites también pueden conducir corriente eléctrica. Su conductividad depende de diversos factores, incluyendo el tipo de aceite básico, sus aditivos y la polaridad.

Conductividad del aceite

Cuanto menos refinado es un lubricante, más polar y más conductor es. Basado en el método de fabricación y el nivel de refinación, el Instituto Americano del Petróleo (API) ha clasificado los aceites básicos en cinco grupos (vea la Tabla 1).

Los aceites básicos minerales del Grupo I, refinados por solventes, son la opción más simple. Anteriormente representaban la mayor proporción de la producción de lubricantes. En los últimos años, esa proporción ha ido disminuyendo constantemente, ya que cada vez se están utilizando más los aceites básicos más refinados, de los grupos II y III, y los básicos sintéticos del grupo IV para fabricar los lubricantes de alto desempeño. Esta tendencia de utilización de aceites básicos mejor refinados y las alternativas sintéticas está basada en el hecho de que generalmente tienen mejores características, como una mayor estabilidad de oxidación. Sin embargo, aun cuando los aceites básicos de mayor calidad tienen muchas ventajas, también hay preocupaciones sobre algunas de sus propiedades modificadas, la cuales pueden conducir a problemas, especialmente cuando se producen combinaciones desfavorables. Una de tales consecuencias es el barniz, que puede deberse a la alteración del desempeño de solvencia del aceite básico con respecto a los subproductos de la oxidación.

Tabla 1 – Clasificación de los aceite básicos de acuerdo con el API

Otra consideración es el daño que pueden causar las descargas electrostáticas a los componentes y al lubricante. La conductividad del lubricante es un importante factor en la acumulación de carga, y es dependiente del tipo de aceite básico utilizado (vea la Tabla 2).

Además del aceite básico, los aditivos tienen un efecto significativo en la conductividad de un aceite. Mientras mayor sea la proporción de aditivos órgano-metálicos, mayor será la conductividad del lubricante. Un ejemplo típico serían los aditivos órgano-metálicos utilizados con frecuencia en el ditiofosfato de zinc (ZnDTP). Como un probado aditivo de usos múltiples en aceites de motor y aceites hidráulicos, el ZnDTP mejora la protección contra la corrosión y el desgaste, mientras que al mismo tiempo funciona como un antioxidante. Sin embargo, se considera que el zinc tiene implicaciones peligrosas para la salud, por lo que debe evitarse en lo posible el uso del ZnDTP. Al reducir la presencia de este aditivo, disminuye también la conductividad del aceite y aumenta el riesgo de carga estática.

Tabla 2. Conductividad de los aceites y fluidos hidráulicos a 23°C (73°F)

La conductividad de un lubricante no sólo está influenciada por el aceite básico y el paquete de aditivos; también depende de la temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la conductividad del aceite. Desafortunadamente, no existe una correlación lineal entre los dos parámetros, ya que cada tipo de aceite tiene su propia relación conductividad/temperatura. Además, es posible que a una temperatura constante, la conductividad también cambie durante la operación debido a las reacciones entre los aditivos, los metales de desgaste, reacciones con las superficies metálicas, presencia de agua y la formación de subproductos de la oxidación y degradación del lubricante.

Fig. 1- Relación entre la conductividad del lubricante y la temperatura

Cargas electrostáticas

Si bien el monitoreo de la conductividad hasta ahora ha sido incapaz de tener mucho éxito en el área de la tecnología de sensores, está ganando importancia con respecto a las cargas y descargas electrostáticas en sistemas hidráulicos y de lubricación.

En sistemas de lubricación por circulación, por lo general se pueden producir cargas electrostáticas si hay fricción en el flujo, entre el aceite y las superficies que lo rodean. La fuerza de la carga estática depende de muchos factores diferentes y parcialmente interconectados. La densidad de energía, que se acumula en el sistema y conduce a posteriores descargas, es dependiente de la conductividad del aceite y el flujo presente. Mientras más aceite fluya a través de una tubería y menor sea la conductividad del aceite, mayor será el potencial de una carga electrostática.

El aceite puede ser afectado por cargas electrostáticas especialmente si:

Está formulado con un aceite básico del Grupo II o III.
Contiene aditivos no polarizantes (a base de zinc).
La conductividad del aceite nuevo o usado es menor de 400 pS/m.
Fluye por tuberías o mangueras demasiado estrechas.
Fluye a muy alta velocidad.
Produce fricción en elementos filtrantes de diseño deficiente.
Las tuberías y mangueras no están conectadas a tierra.
El nivel de aceite ha bajado demasiado.
Contiene una elevada proporción de aire no disuelto (burbujas).

Descargas electrostáticas y posibles consecuencias

Si el nivel de carga eléctrica en el sistema se vuelve demasiado grande, se producirá una descarga electrostática (ESD). En tales casos, se presentan chispas o microchispas. Típicamente, se escuchará un sonido crepitante o similar a un clic cerca del filtro o en el tanque. Si la carga es lo suficientemente alta, la descarga se puede repetir varias veces en rápida sucesión. Las descargas tienen lugar principalmente en zonas con combinaciones de materiales muy distintos. Con frecuencia se aprecia gran afectación en los filtros modernos que están manufacturados con una alta proporción de plástico.

Las microchispas causadas por una carga estática pueden llevar a temperaturas cercanas a los 10,000°C. Esto puede ser extremadamente peligroso incluso si los fluidos son poco inflamables. Además, si se han formado vapores de hidrocarburo en la zona de ventilación del tanque, el sistema podría generar combustión espontánea. Cuando se producen chispas por descarga eléctrica dentro de una turbina, en un sistema hidráulico o de circulación de aceite, estas normalmente son sofocadas rápidamente por el aceite. No obstante, estas miniexplosiones pueden causar perforaciones en los filtros o dañar seriamente al aceite, causando una mayor acumulación de barniz, lodos y residuos.

Efectos en aceites hidráulicos y de turbinas

En los últimos años, las cargas y descargas electrostáticas se han estado presentando con mayor frecuencia en los sistemas hidráulicos y de turbinas. Varias situaciones son responsables de esto, entre ellas:

Los modernos fluidos hidráulicos y aceites de turbinas se han vuelto cada vez menos conductivos, debido a la tendencia mundial de utilizar aceites más refinados y aditivos más modernos. Anteriormente, los aceites para turbinas estaban formulados con aceites básicos relativamente conductivos, del Grupo I, ligeramente refinados. Actualmente, se están utilizando más los aceites básicos con mejor nivel de refinación, del Grupo II o Grupo III, que tienen mayor resistencia a la oxidación, especialmente en aceites para turbinas de gas. Estos aceites son considerablemente menos conductivos. Además, los aceites de turbinas normalmente contienen muy pocos aditivos órgano-metálicos, que ayudan a evitar la formación de depósitos no deseados (barniz).Los sistemas nuevos presentan un diseño más compacto, con tanques de menor capacidad, considerablemente más pequeños, con un volumen desplazado proporcionalmente mayor.
Los requerimientos de pureza del aceite han aumentado. Esto a su vez ha dado lugar a mayores tasas de filtración.
La intensidad de la filtración y las propiedades de carga electrostática del aceite (como resultado de la filtración) han aumentado.
Los aceites de baja conductividad, que a menudo está muy por debajo de 1,000 pS/m en ciertas condiciones, se ha traducido en un aumento de la tendencia a generar cargas electrostáticas.

Medición de la conductividad para prevenir daño

A fin de evitar daños por descargas electrostáticas, debe identificarse algo más que la conductividad del aceite nuevo. El parámetro también es importante para lubricantes en uso, especialmente cuando se trata de grandes volúmenes, si no se sabe nada del aceite usado o se percibe un olor a quemado o hay partículas de hollín visibles. Actualmente, algunos laboratorios de análisis de lubricante efectúan mediciones de conductividad a diferentes temperaturas. El proceso ha sido probado durante varios años y se efectúa conforme a la norma ASTM D2624. Originalmente fue desarrollada para la inspección del queroseno de los aviones para evitar accidentes causados durante la carga de combustible a las aeronaves.

Como se mencionó anteriormente, el valor de la conductividad del aceite se mide en pS/m. Si la conductividad es superior a 400 pS/m a 20°C (68°F), hay poco riesgo de daño al aceite o el sistema debido a cargas electrostáticas. Sin embargo, si el valor es inferior, hay una real posibilidad de que ocurra este fenómeno.

Si se utiliza un aceite con alto riesgo de ESD, no es suficiente con conectar a tierra todo el sistema. El voltaje en el interior del sistema no podrá ser descargado a través de un cable de puesta a tierra. Afortunadamente, hay otros enfoques para prevenirlo.

4 formas de evitar problemas electrostáticos

Instale filtros especiales libre de estática en vez de los filtros convencionales. Estos filtros pueden descargar o incluso impedir que se produzca la carga.
Utilice un aceite de diferente manufactura y mayor valor de conductividad.
Seleccione o modifique las combinaciones de materiales del sistema, de manera que se evite la formación de microchispas, a pesar de la presencia de cargas electrostáticas.
Para minimizar el potencial de carga, optimice el diámetro de las tuberías, el tiempo de reposo del aceite en el tanque y el volumen de aceite en el tanque.

Noria Corporation. Traducido por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América.