INTRODUCCION
Muchas empresas que han intentado implementar programas de mantenimiento predictivo basados en el análisis de laboratorio al aceite en servicio han desistido de él porque eran más los inconvenientes que se presentaban tratando de cumplir con los objetivos que los beneficios que obtenían a cambio. Estas dificultades en su mayor parte se presentan porque los resultados de los análisis no se entregan a tiempo, no se le analiza al aceite lo que se requiere para sacar conclusiones que conduzcan a la solución de problemas, los laboratorios o los fabricantes de aceites entregan los resultados sin recomendaciones, la veracidad de los resultados no es confiable, las frecuencias del monitoreo no corresponden a las requeridas para hallar tendencias, falta de capacitación del usuario en lubricación y en Tribología o no se presupuestan recursos económicos para efectuar análisis con laboratorios privados.
Es muy importante que las compañías vinculadas con el sector productivo del país y que estén interesadas verdaderamente en reducir sus costos de mantenimiento, se involucren de una manera seria, decidida y con un alto nivel técnico en los programas de monitoreo de los aceites lubricantes; al principio surgirán dificultades como en todos aquellos programas que requieren tiempo, estudio y dedicación, pero estas fácilmente se podrán resolver con paciencia y mucho entusiasmo.
Los análisis de laboratorio al aceite usado junto con el monitoreo de las vibraciones en los equipos rotatorios permitirá tener herramientas precisas que conduzcan a la solución global de problemas que pueden llegar a ser críticos. El análisis clásico de un aceite industrial (viscosidad, contenido de agua, número ácido total y contenido de metales en ppm) que se realice en forma aislada y sin ninguna periodicidad, no es suficiente para tomar decisiones acerca de si el equipo puede continuar en servicio o se debe parar para desarmarlo con el fin de cambiarle las partes que “posiblemente” estén averiadas. El monitoreo tomado de esta manera conducirá a que los costos de mantenimiento y de producción se aumenten considerablemente y que el personal de mantenimiento no tome los programas de análisis de aceites como una herramienta eficaz que le permita programar mantenimientos correctivos en los equipos.
Los programas de análisis de aceites deben mejorar la calidad de las decisiones de mantenimiento, incrementando la integridad de las máquinas y reduciendo los costos de mantenimiento, de lo contrario no serán eficientes desde ningún punto de vista. Para lograr este objetivo es necesario saber que programas de monitoreo se le deben efectuar al aceite en servicio y cuando realizarlos.
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ANÁLISIS DEL ACEITE
Los análisis de laboratorio a los aceites usados se deben llevar a cabo teniendo en cuenta una programación periódica de toma de muestras para su análisis y el re-análisis cuando sea necesario. Ningún programa de muestreo tendrá éxito, si un aceite que presenta algo anormal no se vuelve a analizar una o más veces dentro del intervalo normal del muestreo para investigar más a fondo las causas de un problema que se puede presentar a mediano ó a largo plazo en el equipo rotativo. Por ejemplo, este puede ser el caso del aceite de un sistema hidráulico que se analiza cada dos meses y que en el último análisis presentó un alto contenido de agua, pero que para llevar a cabo los correctivos necesarios se espera el próximo análisis de laboratorio. (Dentro de 2 meses). En este caso el re-análisis del aceite hidráulico permitirá predecir una posible falla e implementar los correctivos que sean necesarios para evitar que ésta se presente. Siempre se debe buscar, cualquiera que sea el problema, que el análisis periódico del aceite y el re-análisis sean el mejor seguro de vida que puedan garantizar la longevidad del equipo rotativo.
Objetivos del análisis de aceite
El análisis de aceite que se le efectúe a un aceite que se encuentra en servicio debe tener los siguientes objetivos:
- Análisis de las características físico-químicas, según las normas ASTM, con el fin de detectar cómo están
las propiedades del aceite, y definir si está oxidado de tal manera que se pueda dejar en servicio ó sea necesario cambiarlo.
- Análisis de contaminantes, tales como:
- Contenido de agua: ASTM D95.
- Dilución por gases ó combustibles: ASTM D92 - Contenido de partículas sólidas: ISO 4406.
- Análisis del nivel de desgaste de los mecanismos lubricados, mediante la espectrofotometría de emisión
atómica y la ferrografía.
Pruebas de laboratorio
Los análisis de laboratorio al aceite usado deben tener como objetivo evaluar la condición del aceite, monitorear su grado de contaminación y el nivel o la gravedad del desgaste que se está presentando en el equipo rotativo. Es muy importante tener cuidado de que la muestra de aceite que se tome del equipo si sea lo más representativa posible, que las botellas para muestreo estén completamente limpias y que el procedimiento empleado para tomar la muestra de aceite si sea el correcto.
Las diferentes pruebas de laboratorio a realizar dependen del tipo de aceite (industrial ó automotriz) y del equipo en el cual está trabajando. El análisis de las propiedades físico-químicas del aceite usado se llevan a cabo mediante los métodos establecidos por las normas ASTM y el análisis del desgaste utilizando la espectrofotometría por emisión atómica, el conteo de partículas y la ferrografía.
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El éxito de un análisis Físico-Químico al aceite usado depende en un alto porcentaje en conocer exactamente cuáles son las pruebas que se le deben efectuar, ya que mientras, por ejemplo, la prueba de demulsibilidad para un aceite para turbinas de vapor es importante, no así para un aceite de tipo automotor con aditivos detergentes-dispersantes.
En la Tabla No16 se especifican las diferentes pruebas de laboratorio según las normas ASTM que se le deben efectuar a los aceites usados de acuerdo con el tipo de servicio.
Tabla No16
Pruebas de laboratorio al aceite en servicio de acuerdo con el tipo de mecanismo
No Propiedad Físico-química Método ASTM Mecanismo lubricado Compresores Sistema Hidraulc Motores eléctric. y bombas Turbinas de vapor Turbinas a gas MCI Gasolina y Diesel Reduct. Engran. Automt. Transm. Automt Dieléc- tricos
Aire Refrig. Gases
H2S Isobutil, Propano 01 Gravedad Especifica D287 (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) 02 Viscosidad D88 X X X X X X X X X X 03 Indice de Viscosidad D567 (9) (9) (9) (9) (9) (9) (9) X (9) (9) 04 Punto de Inflamación D92 X X 05 Carbón Conradson D-189 (2) (2) (2) 06 TAN ó NN D-664 X X X X X X X X X 07 TBN D-664 X X 08 Insolubles Pentano- Benceno D-893 (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) 09 Tensión Interfacial D-971 X X 10 Dilución.por combustible D-322 X 11 Demulsibilidad D-1401 (3) X (1) 12 Formación de Espuma D-892 (10) (10) (10) (10) (10) (10) (10) (10) (10) 13 Agua y Sedimentos D-95 (3) (3) (3) (3) (3) (3) (3) X 14 Corrosión al cobre D-130 (4) (4) (4) (4) (4) (4) (4) (4) 15 Herrumbre D-665 (5) (5) (5) (5) (5) (5) (5) (5) 16 Contenido de cenizas D-482 X X 17 Rigidez dieléctrica D-1816 X X X 18 Contenido de azufre D-1266 (6) 19 Contenido de cloro D-808 (6) 20 Contenido de metales
Espectrofotometria de Emisión Atómica
Calcio X Bario X Magnesio X Hierro X X X X X X X X X Cromo X Aluminio X Estaño X Cobre (7) (7) (7) (7) (7) X X X (7) X Plata (8) Plomo X Vanadio X Sodio X Níquel X Boro X
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Notas:
(1) Opcional. Se hace para corroborar los resultados de otros análisis. (2) Para temperaturas de operación por encima de los 80°C.
(3) Si el contenido de agua ocasional ó permanentemente es alto ( 0,50 vol.).
(4) Se analiza cuando el contenido de agua en el aceite es alto ( 0,5 vol.) y hay presencia de bronce, babbitt ó cobre (metales blandos) en el mecanismo lubricado.
(5) Se analiza cuando el contenido de agua es alto ( 0,5% vol.) y hay presencia de materiales ferrosos en el mecanismo lubricado. Siempre que se analiza (3), se debe analizar (4) ó (5).
(6) Si el aceite es del tipo Extrema Presión.
(7) Si hay cobre, bronce ó babbitt en el mecanismo lubricado. (8) Si los cojinetes de apoyo del cigüeñal son de plata. (9) Se le hace solamente al aceite nuevo.
(10) Se hace cuando persista la formación de grandes cantidades de espuma ó de burbujas de gran tamaño.
Los análisis de laboratorio son una valiosa herramienta en los programas de mantenimiento siempre y cuando los resultados se sepan interpretar. En la Tabla No17 se especifican los valores máximos y mínimos permisibles para las diferentes pruebas de laboratorio efectuadas bajo las normas ASTM.
Tabla No17
Valores máximos ó mínimos permisibles para las diferentes pruebas de laboratorio
01. Gravedad específica, gr/cm3 Método ASTM D287
Características Resultado del análisis
Valor mínimo ó máximo permisible Causas posibles del estado del aceite
Su valor en servicio no es fundamental para determinar el estado del aceite, pero sirve para comprobar otras características como la viscosidad, el contenido de insolubles en Pentano y el Número de Neutralización ó TAN.
Alta Oxidado.
Contaminación con otro aceite de mayor viscosidad. Baja Diluido. Contaminado con agua. 02. Viscosidad cSt/40ºC y cSt/100ºC Método ASTM D88/D445
Permite evaluar el espesor de la película lubricante.
Alta 5% turbinas vapor, gas e hidráulicas. 10% sistemas hidráulicos y circulatorios. 25% reductores y compresores. 25% fluidos térmicos. 40% en aceites automotores. Contaminado con partículas sólidas.
Contaminado con otros aceites de mayor viscosidad.
Igual Aceite en buen estado.
Oxidado ó diluido en la misma proporción. Baja Dilución gasolina/ACPM. Contaminación con aceite de menor viscosidad.
03. Indice de Viscosidad, adimensional Método ASTM D567
En aceites para transmisiones automáticas tipo ATF, es importante analizar esta
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propiedad porque permite evaluar la estabilidad de los aditivos mejoradores de IV.
Bajo Contaminación con
aceite de un IV menor. Dilución por combustible. Aditivos de IV cizallados. 04. Punto de Inflamación, ºC Método ASTM D92
Es importante en aceites de compresores que compriman gases con H2S, propano e
isobutano.
Alto Contaminado con otro
aceite de un PI mayor.
Bajo 180°C mínimo en fluidos térmicos y en aceites automotrices gasolina y diesel.
150°C en los demás tipos de aceite.
Dilución por combustible.
Contaminación con H2S, propano, iso-
butano.
05. Residuos de Carbón Conradson, %peso Método ASTM D189/D524
Para altas temperaturas se debe evitar el uso de aceites derivados del petróleo con altos contenidos de Carbón Conradson.
Alto Hasta 0,1% por peso en los aceites para cilindros de compresores.
Para otros tipos de aceite hasta 0,5% por peso. Temperaturas operación superiores a 80ºC. Sobre-lubricación en cilindros de compresores. Bases lubricantes de mala calidad.
06. Número Acido Total, mgrKOH/gr.ac.us. Método ASTM D664
Indica el grado de oxidación del aceite usado. Sin embargo, no es definitivo en el cambio del aceite usado porque pueden haber ácidos presentes no corrosivos ó gases corrosivos diluidos en el aceite que aún no atacan las superficies metálicas de los mecanismos lubricados.
Alto Incremento de 0,7 en aceites con aditivos de EP.
Incremento de 0,3 en aceites sin aditivos de EP, turbinas de vapor, gas e hidráulicas, compresores y transformadores.
Incremento de 0,5 en sistemas hidráulicos
Oxidado.
07. Número Básico Total, mgrKOH/gr.ac.us. Método ASTM D664
Es importante para evaluar la capacidad detergente-dispersante de los aceites automotores.
Bajo La mitad del valor original en aceites automotrices Diesel con ACPM con más de 0,5% por peso de azufre.
Hasta 1,0 en aceites automotrices a gasolina.
Disminución de la reserva alcalina del aceite automotor.
08. Insolubles en Pentano, %peso Método ASTM D893
0,005% turbinas vapor/hidráulicas/gas. 0,5% reductores de velocidad.
0,1% compresores aire y refrigeración. 1% transferencia de calor. 1,5% motores gasolina/Diesel. 0,5% motores a gas. Productos resultantes de la degradación del aceite. Metales procedentes del desgaste y de los aditivos de tipo metálico.
Carbón formado por una combustión incompleta.
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0,7 % aceites automotrices gasolina.
1,0% aceites automotrices Diesel.
Carbón formado por una combustión incompleta.
10. Tensión Interfacial, Dinasxcm Método ASTM D971
Evalúa la capacidad de separar el agua del aceite por centrifugación.
18 minutos aceites turbinas de vapor.
20 minutos aceites dieléctricos.
Contaminación con agua.
Oxidación del aceite.
11. Factor de potencia Hz/ºC Método ASTM D924
Alta 0,3% máximo para aceites de transformadores.
12. Dilución por combustible, %volumen Método ASTM D322
Permite analizar problemas de desgaste en los anillos y camisas del motor. La presencia de combustible en el aceite corrobora la disminución de la viscosidad y del punto de inflamación del aceite.
Alto 2% en aceites automotrices a gasolina.
- 5% en aceites automotrices Diesel.
Marcha en vacío a baja temperatura.
Desgaste anillos/cilindros Mala carburación ó
filtro de aire sucio.
Ventilación deficiente.
13. Demulsibilidad, emulsión/tiempo Método ASTM D1401
Permite verificar el contenido de aditivos anti- emulsionantes que aún le quedan al aceite industrial usado.
Alta El aceite tiene una buena demulsibilidad si se separa totalmente del agua en un minuto. El resultado se expresa como (40-40-0)1’; ó sea 40 cc de aceite, 40 cc de agua y 0 cc de emulsión.
En turbinas industriales son permisibles hasta 3 cc ó ml de emulsión en 1 hora.
Contaminación con excesiva cantidad de agua.
14. Estabilidad a la espuma, ml ó cc/min Método ASTM D892
En aceites de circulación es importante que tengan baja tendencia a la formación de espuma.
Alta 25% máximo de volumen en aceites para turbinas industriales.
Para otros tipos de aceites el fabricante lo especifica.
Bajo nivel de aceite. Entrada de aire en la
succión de la bomba.
Contaminación con agua.
15. Agua y sedimentos, %volumen Método ASTM D95/96
Se debe drenar periódicamente el agua del depósito de aceite.
Alto 0,2% para cualquier tipo de aceite. 0,005% para los de transformador. 0,0073% para los de refrigeración.
Condensación de agua. Sellos defectuosos. Falta tubo de ventilación. 16. Corrosión, número/letra Método ASTM D130
Se puede elevar por contaminación con H2S,
pero se puede restituir a su valor original con proceso de diálisis.
Alto Hasta 3a en mecanismos donde hay cobre ó bronce (metales blancos).
Oxidación del aceite. Contaminación con agua. Contaminación con H2S. 17. Herrumbre, adimensional Método ASTM D665
Se debe efectuar cuando el aceite opera con altos contenidos de agua.
Pasa No pasa
Materiales ferrosos en presencia de aceite contaminado con agua.
18. Contenido de Ceniza, % peso Método ASTM D482/874
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0,1% Se puede incrementar
por partículas metálicas de desgaste ó contaminantes del medio ambiente.
19. Punto de anilina,ºC/ºF Método ASTM D611
Permite determinar la composición de la base lubricante: parafínica, nafténica o aromática.
Alto
20. Estabilidad a la oxidación,Hr/TAN Método ASTM D943
Baja Por debajo de 1000 horas para un TAN de 2,0. Base lubricante Inestable. Bajo contenido de aditivos anti-oxidantes.. 21. Rigidez Dieléctrica, Kv Método ASTM D877/D1816
Importante en los fluidos dieléctricos. Baja Mínimo 24 Kv en fluidos para transformadores y en aceites para compresores de refrigeración.
Contaminación con agua.
De las pruebas más importantes, además de la viscosidad y del TAN (Número Acido Total), que se le deben efectuar al aceite usado es el contenido de humedad. El agua tiene un efecto devastador sobre el aceite y las piezas lubricadas porque da lugar a oxidación y corrosión respectivamente. En los aceites con aditivos antidesgaste a base de Ditiosfosfato de Zinc (ZDDP) reacciona con ellos y da lugar a la formación de ácido sulfúrico eliminando la película límite.
ANÁLISIS DE DESGASTE
El desgaste es multifacético y no hay una manera exacta de definir este fenómeno altamente costoso para los departamentos de mantenimiento. Sin embargo se puede considerar como la pérdida de material que sufre un elemento, en este caso mecánico, que hace que su forma geométrica cambie y que su funcionamiento se vuelva errático y antifuncional.
El análisis de la tendencia normal al desgaste de un mecanismo permite elaborar la curva tribológica para cada uno de los elementos metálicos que lo constituyen. Ver Gráfico No 9.
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Gráfico No9
Curva tribología de desgaste del pistón de un Motor de combustión interna
Hay múltiples razones por las cuales en un mecanismo se puede presentar el desgaste ya sea adhesivo, abrasivo, corrosivo, erosivo, por cavitación, o por corrientes eléctricas. Cualquiera de ellos puede ser el resultado del acercamiento de dos superficies en movimiento relativo que trabajan bajo condiciones de película fluida o por la presencia de partículas sólidas en una concentración por encima de la máxima permisible, ya sea en lubricación EHL o fluida.
Las técnicas más importantes para evaluar el desgaste en un mecanismo son:
- Espectrofotometría por emisión atómica
Es la prueba básica de desgaste que se le realiza a los aceites usados y permite analizar periódicamente el contenido en ppm (partes por millón) de cada elemento metálico presente en la muestra reflejando la tendencia constante al desgaste de los elementos mecánicos que lubrica el aceite. La Espectrofotometría por emisión atómica se efectúa paralelamente con el análisis Físico-Químico del aceite usado.
Dentro del intervalo de cambio del aceite se pueden llevar a cabo uno o más análisis; el número dependerá del tipo de máquina y de sus condiciones de operación. El contenido en ppm de los diferentes metales presentes en la muestra de aceite usado debe estar dentro de la tendencia constante al desgaste de ese elemento mecánico; si está por encima existe la “posibilidad” de que se esté presentando un problema en el mecanismo. Los principales inconvenientes que presenta la Espectrofotometría por emisión atómica para tomarla como herramienta única en la toma de decisiones sobre la criticidad del desgaste de un componente mecánico es que no permite evaluar las partículas mayores de 10 m, ni el número ni su forma. No es lo mismo tener 100 ppm de hierro de un tamaño de 20 m que de 2 m, o 100 partículas de un tamaño de 20 m que 5 partículas de 20 m. Por lo tanto cuando la tendencia constante al desgaste de un componente mecánico de un determinado metal se sale en forma continua y periódica (cada vez que se cumple la frecuencia de cambio del aceite) de su valor normal y tiene una tendencia ascendente (si es constante es posible que hayan variado las características del lubricante utilizado) es necesario recurrir inicialmente a la técnica del conteo y clasificación de las partículas y finalmente a la Ferrografía para verificar si el incremento de la tendencia normal al desgaste del mecanismo reviste alguna gravedad y es necesario en caso tal programar la parada del equipo y reemplazar el componente desgastado.
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Durante la etapa productiva del mecanismo y si éste tiene una tendencia normal al desgaste no es necesario recurrir al conteo de las partículas ni a la ferrografia; en la etapa del envejecimiento moral si es necesario hacerlo para determinar exactamente en qué momento se debe parar el equipo y reemplazarle el componente desgastado.
La tendencia constante normal al desgaste es típica para cada mecanismo y tipo de lubricante y se determina (cuando el fabricante del equipo no la especifica) con base en la duración del aceite que se está utilizando; puede ser diferente si se cambia el tipo de lubricante. La presencia de metales dentro de la tendencia constante es normal y tiene su origen en el desgaste que sufre la película límite cuando el mecanismo se pone en movimiento o se detiene y entran en contacto directo las superficies metálicas, o cuando en lubricación de película fluida hay variaciones del tipo de flujo, pasando de laminar a turbulento. Un buen lubricante se caracteriza porque da lugar a una tendencia constante al desgaste mínima.
Cuando dentro de una frecuencia de cambio del aceite, éste se analiza varias veces, el contenido de cada metal es acumulativo llegando al valor de la tendencia constante cuando se cumple la frecuencia de cambio del aceite. Ver Gráfico No10.