Contaminación de aceites hidráulicos bio-basados

Nov. 11, 2013

Autor: Comunicación Noria

Última actualización: 04/26/24

Uno de los principales obstáculos en esta conversión de mercado es la sensibilidad de los fluidos elaborados con ésteres o fluidos biodegradables (bio-lubricantes) a la contaminación con los tradicionales aceites hidráulicos fabricados con básicos minerales. Algunas de las situaciones más comunes pueden deberse a un lavado deficiente durante el proceso de conversión de aceites minerales a bio-lubricantes o a la falta de atención durante el mantenimiento y reposición de nivel de aceite. Esto nos ha motivado a analizar los efectos de la contaminación con más detalle.

Efectos de la Contaminación

Cuando se contamina con aceite mineral en diferentes porcentajes, comienzan a aparecer problemas como generación excesiva de espuma, deficiente liberación de aire, obstrucción de filtros, entre otros. Como consecuencia, se presentan problemas de mal funcionamiento o daños severos a la maquinaria. Por ejemplo, en un puente móvil que se ha convertido a bio-lubricantes, fue necesario cambiar los filtros frecuentemente durante varios meses posteriores a la conversión, retornando a niveles normales después de ese periodo.

Existen varios reportes sobre conversiones fallidas de equipo hidráulico a bio-lubricantes, aunque en su mayoría esos reportes son imprecisos y carecen de documentación. La literatura al respecto es escasa. La experiencia de los fabricantes de equipo hidráulico y su temor a los costosos reclamos por garantía, han provocado una actitud muy cautelosa y restrictiva hacia el uso de bio-lubricantes.

Los fluidos hidráulicos biodegradables fueron estandarizados por primera vez por recomendación de la Asociación Alemana de Fabricantes de Maquinaria (VDMA, por sus siglas en alemán), la cual dio origen al estándar internacional ISO 15380. El estándar ISO 15380 establece que la contaminación del bio-aceite no debe exceder del 2 por ciento con fluido hidráulico mineral y del 1 por ciento en caso de HLPD (aceite hidráulico mineral con dispersante/detergente) o aceite de motor de combustión interna.

Conversaciones con fabricantes de fluidos han sugerido que los principales efectos del deterioro podrían no haber sido causados por el aceite mineral en sí, sino por los aditivos metálicos que atacan los ácidos grasos en las moléculas del éster que conducen finalmente a la formación de productos de reacción similares a jabón.

Situación del Mercado y Prácticas de Conversión

Los fluidos hidráulicos biodegradables y bio-básicos han aumentado su participación en el mercado durante la última década. A pesar de algunos avances en el mercado, la mayoría de los equipos móviles existentes todavía tienen aceite mineral en sus sistemas hidráulicos. Las empresas que deciden pedir máquinas nuevas con bio-aceites también desean convertir sus máquinas existentes, para reducir el número de lubricantes diferentes en sus almacenes. Por lo tanto, el número de máquinas usadas que se convierten de aceite mineral a bio-aceite es mayor que las máquinas nuevas adquiridas con bio-aceite de fábrica.

Fig. 1- Participación de mercado de fluidos hidráulicos biodegradables para equipo móvil en Alemania 

Los sistemas hidráulicos móviles tienen sólo poco más de la mitad de aceite en el depósito. Una gran parte del fluido está distribuido en las tuberías, cilindros y otros componentes hidráulicos. Es difícil drenar 80 o 90 por ciento del fluido sin desacoplar las tuberías y conexiones. Como consecuencia de esto, es casi imposible alcanzar la meta de drenado del 98 por ciento del fluido viejo para lograr el nivel de contaminación de menos del 2 por ciento para el fluido nuevo, a menos que se programe un mantenimiento mayor que incluya el desarmado completo.

Fig. 2 – Volumen remanente después de múltiples ciclos de drenado 

Para convertir a bio-aceite y evitar mezclar fluidos nuevos y viejos, los sistemas hidráulicos necesitan drenarse varias veces. En la figura 2 se muestra un ejemplo del número de ciclos de drenado que se requieren para obtener el resultado deseado del 2 por ciento. En este ejemplo, se asume que después de drenar la primera vez aún queda 27 por ciento de fluido viejo en el sistema. Un mejor proceso de drenado reducirá el número de ciclos. Queda claro que este es un procedimiento costoso y tardado. Además, hay varias desventajas asociadas a esta regla del 2 por ciento:

  • Cada bio-aceite es diferente. Algunos son más tolerantes que otros.
  • Cada producto de aceite mineral es diferente. Algunos son más agresivos que otros.
  • Cada sistema hidráulico es distinto. Algunos, por diseño, tienen más tolerancia a la contaminación que otros.
  • Es difícil medir la cantidad de aceite mineral en el bio-aceite después de finalizar el procedimiento de cambio de aceite.

Además de lo anterior, aún después de un drenado exitoso, los riesgos de contaminación continúan presentes en largos periodos, entre los que se incluye el relleno debido a pérdidas por fugas, instrucciones erróneas de mantenimiento, acoplamiento de equipo externo, etc.

Configuración Experimental

En el Instituto para Unidades y Mandos Hidráulicos de Potencia (IFAS, por sus siglas en alemán) se investigaron propiedades relevantes de aceites bio-básicos contaminados con aceites minerales. El objetivo era obtener una idea de qué tan grave era el problema y recopilar información sobre los efectos que se producen en diferentes concentraciones y combinaciones.

Para esto, se seleccionaron 10 diferentes bio-lubricantes hidráulicos de los tipos HETG y HEES de diferentes fabricantes. Estos bio-aceites se combinaron con siete lubricantes minerales, incluyendo un HLP46 común, así como HLPD, HVLP, HLP libre de zinc, aceite de motor SAE 15W-40 y un éster sintético de origen mineral. Se incluyó el aceite de motor entre los contaminantes minerales debido a que en ocasiones se utiliza como fluido hidráulico. También se menciona en las pautas de conversión en la norma ISO 15380 (Anexo A) con un límite de contaminación aún menor del 1 por ciento. Estos fluidos contaminantes se aplicaron en un rango de concentración entre 0,1 y 20 por ciento, dependiendo del grado de los efectos observados durante los experimentos.

Aunque las propiedades como la viscosidad, densidad y los efectos sobre materiales elásticos utilizados en los sellos y las mangueras no mostraron cambios inesperados, se encontró que la generación de espuma y obstrucción de los filtros fueron los aspectos más críticos que requirieron una investigación más profunda. También se observó algún efecto sobre las propiedades de liberación de aire.

A partir de una secuencia de prueba anterior, se observó que, dependiendo de la temperatura, las reacciones pueden tomar varias horas o días para desarrollarse. A una temperatura de 60° C, la mayoría de las reacciones se completaron en un lapso de ocho horas. Por lo tanto, todas las muestras utilizadas para los experimentos siguientes se sometieron primero a un tratamiento térmico a 60°C por 20 horas.

Fig. 3 – Generación de espuma después de tratamiento térmico

Los experimentos de espuma se llevaron a cabo de acuerdo con la norma ASTM D892, en el cual la espuma se genera por soplado de aire en el líquido. El volumen de espuma se midió dos veces, inmediatamente después de cortar la generación de espuma y una vez más después de 10 minutos. Habiendo efectuado previamente el tratamiento térmico en todas las muestras, se creyó necesario hacer sólo una secuencia de espuma a 24°C en lugar de las tres secuencias a diferentes temperaturas como recomienda el procedimiento estándar de prueba.

Los experimentos de filtración se realizaron a 25°C con papel filtrante con un tamaño de poro de 1.2 micrones y diámetro de 47 milímetros. Se escogió este tamaño de poro debido a un creciente número de sistemas hidráulicos móviles que están equipados con sistemas de filtrado con derivación (bypass) con filtros muy finos.

Se forzó el flujo creando un vacío constante del lado de salida del filtro. Para el experimento, se pasaron a través del mismo filtro tres muestras de 60 mililitros cada una, registrando el tiempo requerido para cada paso. La obstrucción del filtro durante el experimento se hizo evidente al aumentar los tiempos de paso del fluido.

El ensayo de liberación de aire se efectuó según la norma DIN 51381, la cual es equivalente a la ISO 9120. Se sopló aire en el fluido bajo las condiciones determinadas en el ensayo y se midió el tiempo hasta que el contenido de aire en el fluido se redujo nuevamente a un valor de 0.2 por ciento.

De todos los bio-aceites que se probaron, se observó que dos (números 1 y 7) fueron más sensibles a la contaminación con aceite mineral y se investigaron con más detalle. Ambos eran ésteres sintéticos de diferentes fabricantes con un contenido de bio-básico de 50% o más y con buena aceptación en el mercado.

Los aceites minerales utilizados en los experimentos de contaminación se identificaron con letras, como se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1. Aceites minerales empleados en los experimentos de contaminación 

Inspección Visual 

En la mayoría de los casos, la inspección visual podría ser una indicación temprana de la severidad de los cambios en las propiedades. Los resultados de las reacciones químicas que aparecieron típicamente fueron turbidez, a menudo en la parte inferior del recipiente en reposo, o como partículas más grandes flotando en o sobre la superficie del fluido. 

Generación de Espuma

En la figura 6 se muestran los resultados del ensayo de espuma con el bio-aceite 1 y diferentes contaminantes en variadas concentraciones. El volumen de espuma está indicado dos veces por muestra, inmediatamente después de la formación de espuma (valor superior) y después de 10 minutos de reposo (valor inferior). En el estándar ISO 15380 para bio-aceites, los niveles tolerados son 150 ml y 0 ml respectivamente. 

Fig. 6 – Ensayo de espuma con bio-aceite 1 contaminado con aceites minerales 

La columna de la extrema izquierda corresponde a bio-aceite puro, el cual muestra un buen valor, muy por debajo del máximo permitido. La contaminación con aceites hidráulicos A, B y D muestran resultados más altos, pero todavía aceptables con el 2%, pero exceden el máximo permitido en concentraciones de 5% o más. Cuanto mayor es la concentración del contaminante, más espuma se presenta incluso después de 10 minutos de reposo. En el caso de aceite de motor C, incluso con una contaminación de 0.5% (la mitad de la permitida en el estándar ISO) da un resultado inaceptable. Curiosamente, la última columna (fluido F sin zinc) muestra que incluso una contaminación tan alta como 10% no causa ningún problema en este ensayo. 

Mientras que el bio-aceite 1 tuvo buenos valores para la formación de espuma en estado puro y se vio seriamente afectado por los contaminantes, el bio-aceite 7 se mantiene en el promedio cuando no está contaminado y muestra un comportamiento casi sin alteración con todos los contaminantes, excepto con el aceite de motor C. En el caso del aceite de motor, un contenido de apenas 0.5% causa problemas. 

Fig.7 – Ensayo de espuma con bio-aceite 7 contaminado con aceites minerales 

Fig. 8 – Ensayo de espuma dependiendo del contenido de metal (bio-aceite 1) 

Puesto que el aceite mineral libre de zinc F parecía no causar ningún problema, era interesante comprobar la influencia del zinc y otros metales. Para información general, ambos valores de cada ensayo de espuma se combinaron y se graficó la suma sobre el contenido total de metal de las mezclas. Por el bio-aceite 1, existe una relación funcional casi lineal entre el contenido de metal y los problemas de espuma. En 20 microgramos/gramo y más (20 ppm), la formación de espuma alcanzó niveles inaceptables. En la Figura 9, la imagen fue totalmente diferente, donde el bio-aceite 7 mostró problemas sólo con el aceite de motor, pero no con los otros aceites. El aceite de motor tiene un alto contenido de calcio, mientras que muchos de los aditivos en los aceites hidráulicos son substancias a base de zinc. 

Fig. 9 – Ensayo de espuma dependiendo del contenido de metal (bio-aceite 7) 

Filtrabilidad

Como se ha descrito anteriormente, los experimentos de filtrabilidad fueron el resultado de pasar fluido tres veces consecutivas por el mismo filtro. Los bio-aceites se probaron en estado puro y luego con diversos contaminantes. El bio-aceite puro es fácil de filtrar, y los tres pases de fluido tomaron la misma cantidad de tiempo. Para el bio-aceite 1, la contaminación con aceites minerales A y B mostró un ligero incremento y tendencia a la obstrucción del filtro con 5%, así como la obstrucción completa con 10%. Podía verse una clara tendencia a la obstrucción con el aceite de motor C en todas las concentraciones, a partir de 0.5 por ciento. Al agregarle aceite mineral libre de zinc F no se causó ningún cambio con respecto al bio-aceite puro, incluso a un nivel de 10%. 

Fig. 10 – Ensayo de filtrabilidad con bio-aceite 1 contaminado con aceites minerales 

Fig. 11 – Ensayo de filtrabilidad con bio-aceite 7 contaminado con aceites minerales 

El bio-aceite 7, que era más estable que el bio-aceite 1 en el ensayo de espuma, fue mucho más sensible al aceite mineral en la prueba de filtrabilidad. Una contaminación con 2% de fluido hidráulico común A dio lugar a la obstrucción progresiva del filtro. En este caso, incluso el aceite mineral libre de zinc F causó problemas menores con 5% (la mitad de la concentración utilizada para el bio-aceite 1). El filtrado se hizo más fácil nuevamente después de pasar el aceite contaminado con una concentración de 10% de aceite B, que era un aceite HLPD con detergente, en donde se presentó menor obstrucción con una contaminación de 20% que cuando se hizo con 5 o 10%. 

Liberación de Aire

El tiempo de liberación de aire en el ensayo ISO 15380 está limitado a 10 minutos, un valor que se mantiene para ambos bio-aceites en estado puro. La adición de aceites minerales aumenta el tiempo medido, pero sólo en concentraciones superiores al 2% (1% en el caso del aceite de motor C), lo que es aceptable. Al igual que en el ensayo de espuma, el bio-aceite 1 inicialmente fue mejor que el bio-aceite 2 en estado puro, pero fue más sensible a la contaminación. 

Fig. 12 – Ensayo de liberación de aire con bio-aceite 1 contaminado con aceites minerales 

Fig. 13 – Ensayo de liberación de aire con bio-aceite 7 contaminado con aceites minerales 

Conclusión

Algunos fluidos hidráulicos elaborados con bio-básicos que se venden en el mercado son sensibles a la contaminación con fluidos hidráulicos comunes. Entre los problemas que se producen en los niveles de contaminación más altos están la formación de productos de reacción que conducen a filtrado deficiente, formación de espuma y alteración de las propiedades de liberación de aire de la mezcla. 

Es evidente que el grado de deterioro no se correlaciona con la cantidad de aceite mineral añadido, sino con la cantidad de metales introducidos a través de los aditivos presentes en algunos de los aceites minerales. De ahí que los fluidos minerales se analizaron para determinar su contenido de metales: zinc, calcio y magnesio. 

Los efectos observados fueron específicos para los distintos bio-aceites y para los diferentes aceites minerales. Los efectos tardaron varias horas o días para desarrollarse. Esto tiene varias consecuencias prácticas: 

  • Las reacciones entre los bio-aceites y los aceites minerales varían en un amplio rango, dependiendo de la combinación de los productos empleados. Un nivel de tolerancia del 2% de contaminación es una medida muy imprecisa. 
  • Los aceites minerales libres de metales o zinc parecen no causar mayores problemas. 
  • El efecto retardado observado aumenta el riesgo de daño para los usuarios, ya que el personal especializado de mantenimiento ya no estará disponible cuando los problemas aparezcan varias horas o días después de la conversión de equipos de aceite mineral a bio-aceite. 
  • Como un control de calidad después de la conversión, sería más fácil analizar el contenido residual de metales presente en la mezcla con procedimientos estándar de laboratorio en lugar de medir la cantidad residual de aceite mineral. 

Probablemente podría definirse un índice de tolerancia de metales específico para cada bio-aceite, así como un indicador de desempeño para el desarrollo de productos, que con el tiempo podría sustituir la inflexible regla del 2% en el estándar ISO 15380. 

Referencias
  • Sitio Web del Programa Alemán de Introducción al Mercado de Lubricantes Bio-básicos: www.bioschmierstoffe.info
  • VDMA (German Machine ManufacturersAssociation) prácticas  recomendadas: VDMA 24 568 – “BiologischschnellabbaubareDruckflüssigkeiten – TechnischeMindestanforderungen”; VDMA 24 569 – “Richtliniefür die Umstellung von DruckflüssigkeitenaufMineralölbasisnach DIN 51 524 aufbiologischschnellabbaubareDruckflüssigkeitenunderforderlicheMaßnahmenfür den Betrieb” – (La guía ha sido sustituida por ISO 15380)
  • ISO 15380:2002 – Lubricantes, aceites industriales y productos relacionados (clase L) – Familia H (Sistemas hidráulicos) – Especificaciones para las categorías HETG, HEPG, HEES, y HEPR
  • Theissen, H.: “Die MarktsituationbiologischabbaubarerundbiogenerSchmierstoffe in Deutschland 2006”, Aachen 2006 (disponible para descargar en www.bioschmierstoffe.info)
  • Murrenhoff, H.; Rüschkamp, H.: “Untersuchung des Verhaltens von BioölenmitRestanteilen von Mineralöl in hydraulischenAnlagen”, Reporte final FNR FKZ 22 014 803, IFAS Aachen 2006 (disponible para descargar enwww.fnr.de)
  • Geller, A.: “Untersuchung der Mischungsprobleme von BiohydraulikölmitMineralöl”, Tesis de Diplomado, Aachen 2006 (documentointerno)

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

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