Guía de grasas para altas temperaturas

Mar. 22, 2022

Autor: Noria Latín América

Última actualización: 07/03/23

Noria Corporation. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América
Hay muchos criterios a considerar al seleccionar una grasa para equipos lubricados con grasa que operan en altas temperaturas. La selección debe considerar el tipo y viscosidad del aceite base, índice de viscosidad, tipo de espesante, estabilidad de la composición formada por el aceite y el espesante), composición y propiedades de los aditivos, temperatura ambiente, temperatura de operación, contaminación atmosférica, carga, velocidad, intervalos de relubricación, etc. Con la variedad de detalles por resolver, la selección de grasas que deben adaptarse a condiciones de temperatura extrema plantea algunas de las decisiones de ingeniería de lubricación más desafiantes. El ingeniero de lubricación debe ser selectivo y discriminatorio al buscar una grasa que cumpla con los requisitos de desempeño en alta temperatura; es extremadamente importante seleccionar una grasa de alta calidad.

Alta temperatura

‘Alto’ es relativo cuando se caracterizan las condiciones de temperatura. Los rodamientos que funcionan en una mesa rodante de una acería pueden estar expuestos a temperaturas de proceso de varios cientos de grados y pueden experimentar temperaturas sostenidas de 120 °C a ±150 °C (250 °F a 300 °F). Los ensambladores de automóviles cuelgan piezas de metal pintadas en cintas transportadoras largas y las introducen a través de grandes hornos de secado para secar las superficies de metal pintadas. Las temperaturas de funcionamiento de estos hornos a gas se mantienen alrededor de 205 ºC (400 ºF). En estos dos casos, los criterios de selección difieren sensiblemente. Además de la resistencia al calor, la grasa que se utilizará en una aplicación de acería en caliente puede requerir una capacidad de carga excepcional, estabilidad a la oxidación, estabilidad mecánica, resistencia al lavado con agua y buena capacidad de bombeo, y a un precio adecuado para un consumo de gran volumen. Con todos los factores importantes a considerar, es útil tener una estrategia de selección de grasas.

Estrategias de selección

Un punto de partida razonable para seleccionar una grasa para altas temperaturas es considerar la naturaleza de las temperaturas y las causas de la degradación del producto. Las grasas se pueden dividir por temperaturas, como se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1. Rangos de temperatura por tipo de grasa

Existe una correlación general entre el rango de temperatura útil de una grasa y el precio esperado por Kg. Por ejemplo, una grasa a base de hidrocarburo fluorinado (un tipo de aceite sintético) puede funcionar con eficacia a temperaturas tan altas como 300 ºC (570 ºF) en aplicaciones espaciales, pero también puede costar cientos de dólares por Kg. El comportamiento a largo plazo de la grasa está influenciado por las causas de la degradación, tres de las cuales son particularmente importantes: la estabilidad mecánica (cizallamiento y tensión), la estabilidad oxidativa y la estabilidad térmica. El estrés oxidativo y térmico están interrelacionados. Las aplicaciones de alta temperatura generalmente degradarán la grasa a través del estrés térmico, junto con la falla oxidativa que ocurre si el producto está en contacto con el aire. Esto es similar a lo que se espera con la mayoría de las aplicaciones industriales lubricadas con aceite.

Propiedades de la grasa de alta temperatura

Aceites base

Al seleccionar lubricantes para aplicaciones lubricadas con aceite, a menudo se comienza con la consideración de las propiedades de desempeño del aceite base. Este es también un buen punto de partida para la grasa. La grasa se compone de tres componentes: el aceite base, el espesante y el paquete de aditivos. Hay una variedad de opciones a partir de las cuales el fabricante crea el producto final. La Tabla 2 incluye algunas de estas opciones.

Tabla 2. Componentes para elaborar grasas lubricantes

Los aceites base se pueden subdividir en tipos minerales y sintéticos. Los aceites minerales son el tipo de aceite base más utilizado y representan aproximadamente el 95 por ciento en las grasas fabricadas. Le siguen los ésteres sintéticos y los PAO (polialfaolefinas), seguidos por las siliconas y algunos otros aceites sintéticos exóticos. El Instituto Americano del Petróleo divide los aceites base en cinco categorías que son útiles para seleccionar inicialmente el aceite base por niveles de desempeño, como se muestra en la Tabla 3.

Tabla 3. Clasificación de aceites base según e API 1509

Los productos del Grupo I son aceites nafténicos y parafínicos refinados con solventes con un alto porcentaje de moléculas inestables ‘no saturadas’ que tienden a promover la oxidación. Además, existen productos polares que permanecen en los aceites base del Grupo I llamados heterociclos (moléculas que contienen nitrógeno, azufre y oxígeno). Aunque los productos polares son reactivos, ayudan a disolver o dispersar aditivos para producir el producto final. El Grupo II y el Grupo III son aceites minerales que han sido sometidos a un procesamiento extenso para eliminar las moléculas reactivas y saturar (con hidrógeno) las moléculas para mejorar su estabilidad. En cierto sentido, estos aceites base se parecen más a los hidrocarburos sintéticos del Grupo IV (PAO) que a los aceites minerales del Grupo I. Las propiedades oxidativas y térmicas pueden ser muy buenas como consecuencia de la eliminación de las moléculas heterocíclicas reactivas. Los básicos del Grupo IV son las polialfaolefinas (PAO), también conocidos como hidrocarburos sintéticos (SHC, por sus siglas en inglés), se producen combinando dos o más hidrocarburos más pequeños para sintetizar moléculas más grandes. Estos fluidos pueden tener una estabilidad ligeramente mejor, pero tienen un precio más alto. Los aceites base del Grupo V tienen un camino de degradación definido pero diferente (no principalmente térmico u oxidativo). Los aceites base minerales y sintéticos se degradan térmicamente junto con la degradación oxidativa si el producto está en contacto con oxígeno. El punto de quiebre en el que las moléculas de aceite individuales en un aceite mineral e hidrocarburos sintéticos altamente refinados (Grupo II+, Grupo III) comenzarán a desintegrarse, liberando átomos de carbono de la cadena molecular, es de aproximadamente 280 ºC a 320 ºC (536 ºF a 608 ºF). El fabricante de grasas seleccionará los materiales en función de la familiaridad, y tal vez de la disponibilidad, de las materias primas. Si el fabricante elabora un tipo particular de fluido de base sintética y está íntimamente familiarizado con los diversos mecanismos de destrucción de ese fluido, entonces es probable que este tipo de aceite base sintético a menudo sea seleccionado para el desarrollo de nuevos productos.

Espesantes

Los materiales seleccionados como espesantes de grasas pueden ser orgánicos, como la poliurea; inorgánicos, como la arcilla o la sílice pirógena; o un jabón simple/complejo, tal como complejo de litio, aluminio o sulfonato de calcio. La utilidad de la grasa con el tiempo depende de todo el conjunto, no solo del sistema de espesamiento o del tipo de aceite base. Por ejemplo, la silicona tiene un punto de goteo de 2,732 ºF (1,500 ºC) como un ejemplo extremo. Sin embargo, debido a que el desempeño de la grasa depende de una combinación de materiales, esto no representa el rango de temperatura útil. Algunas grasas espesadas con arcilla (bentonita) pueden tener puntos de fusión muy altos, con puntos de goteo anotados en las hojas de datos del producto como 500 ºC o más. Para estos productos que no se derriten, el aceite lubricante se quema a altas temperaturas, dejando residuos de hidrocarburo y espesante. El sistema espesante de poliurea orgánica ofrece límites de rango de temperatura similares a la grasa espesada con jabón complejo, pero además tiene propiedades antioxidantes y antidesgaste que provienen del propio espesante. Los espesantes de poliurea pueden volverse más populares, pero son difíciles de fabricar y requieren el manejo de varios materiales tóxicos. Mientras que el espesante tiene un alto punto de goteo, el compuesto comienza a degradarse térmicamente a temperaturas que limitan su utilidad con el tiempo a altas temperaturas. Sin embargo, no tiene las tendencias pro oxidantes de las grasas espesadas con jabón metálico. La excepción es el espesante de sulfonato de calcio complejo. Similar a la poliurea, posee propiedades inherentes antioxidantes e inhibidoras de la herrumbre, pero además tiene altos puntos de goteo y propiedades EP/antidesgaste inherentes. La opción de la tercera categoría es el jabón metálico simple o el jabón complejo. La grasa espesada con jabón complejo de litio tiene límites máximos de temperatura superiores a los de la grasa de litio simple, porque el espesante ofrece límites de degradación térmica más altos. En conjunto, los espesantes de jabón metálico tienen límites de degradación térmica que oscilan entre 120 ºC y 220 ºC (250 ºF y 430 ºF). Sin embargo, a menos que la composición de la grasa esté debidamente fortificada contra la oxidación y la degradación térmica, el producto final que muestre un punto de goteo de 260 ºC (500 ºF) o más no sería más útil para el servicio a largo plazo que una grasa con un punto de goteo bajo. El punto de goteo de la grasa no es lo mismo que la máxima temperatura de uso de la grasa. Una buena regla es restarle 50 ºC a la temperatura de punto de goteo para determinar la máxima temperatura de uso de la grasa.  

Tabla 4. Temperatura de punto de goteo y máxima temperatura de servicio de diversos espesantes

Aditivos

Los aditivos seleccionados para la fabricación de grasas también deben verse como partes del todo en lugar de simplemente partes discretas que deben resistir los límites de prueba establecidos. Los aditivos tienden a proporcionar propiedades a las grasas de manera similar a los aceites lubricantes: estabilidad a la oxidación, resistencia a la corrosión, resistencia al desgaste, características de flujo a baja temperatura, resistencia al agua, etc. El aditivo debe ser capaz de trabajar sinérgicamente con el espesante y el aceite para dar lugar a una mezcla equilibrada y estable de los tres componentes distintos.

Compatibilidad con grasas para altas temperaturas

La compatibilidad o incompatibilidad entre las grasas de alta temperatura debe abordarse antes de la selección. Debido a que las grasas representan una mezcla compleja de productos químicos con un equilibrio bien definido y diseñado, la adición de productos químicos no planificados tiende a alterar el equilibrio y degradar los niveles de desempeño. Siguiendo la regla de la tasa de Arrhenius, la reactividad química se duplica por cada 10 ºC de aumento de temperatura, los problemas de incompatibilidad son más pronunciados a temperaturas elevadas. La falta de compatibilidad se manifiesta como adelgazamiento de la grasa. Si se diluye, el usuario puede volver a lubricar para eliminar el producto original hasta que desaparezca el problema. Otra alternativa es que el usuario tome una decisión más difícil, que requiere desmontar el componente para retirar el producto original y limpiar el sistema. Los espesantes, aditivos y aceites base pueden tener problemas en diferentes rangos de temperatura y límites de tiempo en uso. Antes de convertir los sistemas principales a una grasa nueva, se pueden efectuar pruebas exhaustivas para evitar costos significativos y demoras debido a problemas de mantenimiento a largo plazo. Si bien las pruebas están justificadas cuando se cambia entre clases de espesantes, existe una probabilidad relativamente menor de que ocurran problemas cuando se cambia dentro de familias de jabones metálico o productos espesados ​​con jabón complejo (litio a litio, complejo de litio a complejo de litio, complejo de aluminio a complejo de aluminio, etc.). Las grasas generalmente se ablandan cuando se alcanzan los límites críticos (sin embargo, también es posible el endurecimiento), como consecuencia de que la matriz entre el aditivo, el aceite y el espesante se vuelve inestable y se descompone. Es difícil determinar exactamente cuándo ocurrirá la descomposición, considerando la temperatura y la línea de tiempo. Cuando se introducen variables, como una nueva mezcla de productos químicos (resultado de la mezcla de grasa), se vuelve más difícil predecir el resultado. Esto apunta a la importancia de no mezclar grasas. Con productos de grasa especialmente diseñados para altas temperaturas, estos problemas pueden volverse más pronunciados. Muchos de los fluidos exóticos utilizados en las grasas para temperaturas muy altas (poliéteres fluorados, perfluoro poliéteres, fenol poliéteres, siliconas, etc.) durarán más que sus sistemas espesantes. Si un componente particular de la grasa es sensible a la humedad, independientemente de la capacidad de la grasa para soportar el calor por sí sola, el uso del producto debe sopesarse frente al riesgo de degradación de la grasa por la humedad del proceso. Podría ser imprudente usar un tipo de grasa de aceite de glicol soluble en agua en una aplicación sujeta a mucha humedad, como un sistema de lavado de transportadores. Aunque el fluido puede resistir la descomposición térmica del calor del sistema de secado, la humedad presenta un riesgo de desempeño que puede no eliminarse por completo.

¿Cómo saber si una aplicación requiere un producto de alta temperatura y desempeño especial?

Debido a que los aceites, los aditivos y las bases reaccionarán a diferentes velocidades, hay algo bueno que decir sobre el uso de productos más simples. Considere si la aplicación es intermitente o continua a alta temperatura. Si es continua, 200 ºC (392 ºF) constantes o más), elija el producto de nivel superior después de las pruebas adecuadas. Si la temperatura es intermitente, entonces un producto de nivel medio puede ser igualmente útil con intervalos de relubricación ajustados adecuadamente.

Cómo seleccionar una grasa para altas temperaturas

Siga estos pasos al seleccionar una grasa para altas temperaturas:
  1. Determine el rango de temperatura real. La temperatura de funcionamiento puede ser inferior a lo que parece. Utilice un sensor de contacto o sin contacto para medir la temperatura de funcionamiento de la grasa. ¿Supera los 200ºC (392ºF)?
  2. ¿Es intermitente o continuo? Si es continuo, busque un producto de primer nivel que cumpla con los requisitos operativos.
  3. ¿Los ciclos de calefacción y refrigeración acompañan los intervalos de operación y fuera de operación de la maquinaria? Considere si la humedad puede ser inducida a través de la atmósfera o por contaminación.
  4. ¿Cuál es el intervalo u oportunidad razonable de relubricación? Si la relubricación va a ser difícil, entonces considere un producto de primer nivel para lograr un menor costo de uso aunque sea más costoso.
  5. Considere cualquier problema cosmético. ¿El producto puede gotear sobre un componente en proceso? La frecuencia y el volumen de la relubricación deben equilibrarse con los problemas de contaminación del producto.
Referencias Lansdown, A. Lubrication and Lubricant Selection: A Practical Guide.

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