DIPLOMADO ANÁLISIS DE LUBRICANTE NIVEL II. INTERPRETACIÓN DEL ANÁLISIS DE …elearning.bigriveripn.com/descargas/EXPERTOS/NORIA/Nivel... · 2014-09-12 · y la terminación de

DIPLOMADO ANÁLISIS DE LUBRICANTE NIVEL II. INTERPRETACIÓN DEL ANÁLISIS DE LUBRICANTE

28


29

2 Procesos de degradación del lubricante 2.1 Objetivos específicos

El alumno reconocerá los procesos más comunes de degradación del lubricante. El alumno reconocerá el proceso de degradación por oxidación, sus causas y los síntomas desde la perspectiva de las pruebas del análisis de lubricante y las inspecciones físicas. El alumno identificará las causas de la oxidación y conocerá las medidas proactivas para controlarla y evitarla.

2.2 Oxidación

Es ampliamente conocido que la oxidación es el mecanismo primario de la degradación de los lubricantes. También es ampliamente conocido que un lubricante oxidado no puede lubricar efectivamente los componentes de una máquina. Una vez colocado el lubricante en la máquina, este comienza a envejecer (degradarse). Esta degradación está dividida en dos procesos diferentes: la oxidación, que es la reacción química de las moléculas del lubricante con el oxígeno; y la degradación térmica, que se presenta cuando el lubricante está sometido a condiciones de alta temperatura. En la práctica, el envejecimiento por oxidación es el que predomina, con una influencia significativa en la vida útil de un lubricante. Debido a las constantes exigencias para que el diseño de la maquinaria sea más compacto y potente, con depósitos de lubricante cada día más pequeños, y con intervalos más extensos para el cambio del lubricante, el estrés térmico sobre el lubricante ha sufrido un impacto importante en los últimos años. En este sentido, la resistencia a la oxidación y a la degradación térmica ha adquirido una elevada importancia en el diseño de los nuevos lubricantes.

“El aceite no es como el vino; no se pone mejor con el paso del tiempo, sino que se degrada y oxida.”

La oxidación de la base lubricante (hidrocarburo) puede describirse por la reacción conocida como el mecanismo de formación de radicales libres a través de la formación de radicales alquílicos y peróxidos. Las etapas de esta reacción se muestran en la figura 2.1.


30

La etapa de iniciación, también conocida como auto-oxidación, consiste en la abstracción del hidrógeno del hidrocarburo (base lubricante) por el ataque del oxígeno, formando un radical alquílico. El radical alquílico reacciona con el oxígeno para formar un radical alquil peróxido. La siguiente etapa en la propagación de la cadena es la abstracción del hidrógeno por un radical peróxido procedente de otro hidrógeno que forma un hidroperóxido y un radical alquilo, el cual reacciona nuevamente con el oxígeno. La diferencia en reactividad de los diferentes radicales explica por qué los hidrocarburos lineales y no ramificados exhiben una mayor estabilidad a la oxidación que los hidrocarburos ramificados, aromáticos e insaturados. Las etapas adicionales incluyen la ramificación de la cadena (ruptura homolítica del hidrocarburo, incremento en el número de radicales libre, fase autocatalítica de la oxidación) y la terminación de la reacción en cadena de los radicales por recombinación de dos radicales para producir especies no reactivas y sin radicales.

Figura 2.1 El proceso de oxidación

Los productos más comunes del proceso de oxidación de un lubricante son los alquilhidroperóxidos (ROOH), dialquil peróxidos (ROOR´), alcoholes (ROH), aldehídos (RCHO), cetonas (RR´C=O), ácidos carboxílicos (RCOOH), ésteres (RCOOR´) y otros. Por un proceso de policondensación se forman productos de


31

alto peso molecular que son los responsables del incremento en la viscosidad del lubricante a medida que este envejece. En reacciones subsecuentes de policondensación y polimerización, todos estos productos de oxidación, que en determinado momento son solubles en el lubricante, se transforman en polímeros insolubles que se convierten en depósitos tipo barniz, laca y lodos.

Debido al carácter ácido de la mayoría de los productos de oxidación del lubricante, incrementa su potencial corrosivo (número ácido). Adicionalmente, el ataque de los radicales alquilperóxidos sobre la superficie de la máquina es el responsable de desgaste corrosivo. Además, esos metales disueltos en el lubricante pueden formar sales que también se depositan como lodos.

Todo lo anterior produce un agotamiento de los aditivos y la degradación de la base lubricante, propiciando su cambio.

¿La oxidación es el modo de degradación del lubricante más común? Desde el momento en que el lubricante ingresa a la maquinaria inicia el proceso de oxidación.

2.2.1 Ejercicios

Mencione cuáles son las cuatro causas que incrementan el proceso de oxidación del lubricante.

2.2.2 Ejemplo

Un lubricante que no es cambiado a tiempo, agotará los aditivos antioxidantes y como resultado la oxidación se disparará de manera incontrolable pudiendo llegar al extremo de convertir el lubricante en un semisólido por la polimerización de las moléculas. El lubricante genera, por la oxidación, algunos sub-productos ácidos de naturaleza orgánica (muy corrosivos), los cuales atacan la máquina.

Un lubricante se degrada de manera continua desde que ingresa a la máquina, monitorear la salud del lubricante y sus aditivos nos permite identificar el momento óptimo para su cambio e identificar condiciones anormales que pudieran afectar a la maquinaria.


32

2.3 Degradación térmica

A diferencia de la oxidación, los efectos de la degradación térmica por calor o compresión son menos entendidos que los de la oxidación. Una degradación o falla térmica ocurre normalmente cuando la base lubricante entra en contacto con superficies muy calientes durante su recorrido en un sistema de lubricación, o debido a un aumento repentino y rápido de temperatura asociado a una compresión adiabática de las burbujas de aire atrapadas en el lubricante cuando pasan a través de bombas, cojinetes, rodamientos y otros elementos presurizados dentro de un sistema de lubricación. Cuando esto ocurre, la película de lubricante que entra en contacto con la superficie caliente de la máquina, o con la burbuja de aire comprimida, puede cambiar químicamente. Temperaturas por encima de los 200°C son suficientes para iniciar un proceso de degradación térmica. En el caso de calor por compresión, un pequeño incremento de 250 psi por encima de la presión atmosférica es capaz de incrementar la temperatura del lubricante de 40°C a más de 200°C.

Debido a que la degradación térmica prácticamente se produce en ausencia de cantidades significativas de oxígeno, los subproductos que se forman por esta degradación son diferentes a los que se forman durante el proceso de oxidación. Comparativamente, son pocos los compuestos oxigenados que se forman bajo este modo de falla. Debido a que no se forman moléculas que contengan dobles enlaces carbono-oxígeno del grupo carbonilo, la longitud de onda de 1740 cm-1 utilizada para evaluar la degradación por oxidación de la base lubricante no muestra ningún incremento en el espectro infrarrojo cuando la falla térmica es el modo fundamentalmente predominante. Del mismo modo, como no se forman productos oxigenados intermedios, por ejemplo ácidos carboxílicos, el número ácido del lubricante no cambia cuando se produce una degradación térmica. Sin embargo, la degradación térmica produce cambios físicos y químicos en el lubricante.

¿Las altas temperaturas aplicadas a la molécula del lubricante pueden producir un efecto permanente de pérdida de la viscosidad? La molécula del lubricante se rompe y por ello la viscosidad baja.

Uno de los indicadores iniciales de este modo de falla es el cambio de color en el lubricante. El cambio de color es debido a la formación de carbón y óxidos


33

insolubles, resultantes de la degradación de la base lubricante, que permanecen suspendidos en el lubricante. Algunas pruebas, como la filtración con membrana (usando una membrana de 0.8 micrones o menos), o una prueba de ultracentrífuga, utilizando una centrífuga de alta velocidad, pueden remover estos contaminantes y analizarlos visualmente para dar una indicación temprana de una falla por degradación térmica.

La prueba de FTIR también es efectiva en la detección temprana de una falla térmica. En lugar de revisar la absorbancia en la región de 1740 cm-1 correspondiente a productos oxigenados, se debe revisar la absorbancia en la región de 1600 a 1640 cm-1. En esta región del espectro infrarrojo absorben los productos originados por una degradación térmica, especialmente los compuestos nitrogenados. Un incremento significativo en esta región del espectro apunta hacia una falla térmica como el mecanismo dominante de la degradación del lubricante.

En algunas circunstancias, cuando el calentamiento es severo y prolongado, como en los lubricantes de transferencia de calor o de templado de metales, las moléculas del lubricante pueden sufrir de una ruptura térmica. Esta ruptura térmica se puede considerar como la rotura de la columna vertebral de las moléculas del lubricante. Como la viscosidad está relacionada directamente con el tamaño de las moléculas del lubricante (longitud de la cadena de carbón), una degradación térmica severa produce una disminución en la viscosidad del lubricante, la cual puede ser utilizada como una prueba de detección temprana. En este sentido, la cromatografía de gases es una de las pruebas más precisas para determinar la degradación térmica de los lubricantes, porque es capaz de separar las moléculas similares (como las moléculas de hidrocarburos del lubricante) por su tamaño. Por lo tanto, una cromatografía de gases mostraría una gran cantidad de moléculas pequeñas del lubricante, como resultado de la ruptura ocasionada por un calentamiento severo.

2.3.1 Ejemplo

Un calentamiento súbito del lubricante por falla del sistema de enfriamiento, ocasionará que las moléculas estén sujetas a un estrés térmico que puede ocasionar una ruptura térmica de la molécula. Al romperse la molécula del lubricante, la viscosidad se reducirá de manera permanente.


34

2.4 Agotamiento de aditivos

Los aditivos son compuestos orgánicos o inorgánicos, disueltos o suspendidos en el lubricante. Las concentraciones varían de 0.1 a 30 por ciento en volumen, dependiendo del tipo de aplicación del lubricante.

Tienen tres funciones básicas:

Mejorar propiedades existentes en la base lubricante, como por ejemplo, su resistencia a la oxidación, su capacidad anticorrosiva, antiespumante y demulsificante

Eliminar propiedades indeseables en la base lubricante, como por ejemplo, su punto de fluidez y su índice de viscosidad

Darle propiedades nuevas que la base lubricante no posee, como por ejemplo, características de soporte de carga (extrema presión y antidesgaste), detergente/dispersante, desactivación de metales y adhesividad

Funcionan por sus características polares, que no es más que la atracción direccional entre de las moléculas de los aditivos y otros elementos polares en contacto con el lubricante, como las superficies de las máquinas, el agua, las partículas metálicas, hollín, insolubles de la degradación del lubricante, ácidos, etc. En otras palabras, son elementos de sacrificio, que se agotan gradualmente.

Los aditivos se agotan de diferentes maneras; las más importantes son:

Por descomposición (cambios irreversibles en sus moléculas). Los mecanismos más comunes de la descomposición de los aditivos son:

o Neutralización: cuando los aditivos alcalinos (BN) del lubricante reaccionan con los ácidos que se forman como subproductos de la combustión de un combustible con azufre

o Ruptura de sus moléculas: como por ejemplo el daño que sufre un mejorador del índice de viscosidad cuando es sometido a un esfuerzo cortante severo y en condiciones de altas temperaturas. Las moléculas del aditivo se rompen, inhibiendo la capacidad del lubricante para prevenir los cambios pronunciados en su viscosidad por efecto de las variaciones en las temperaturas

o Hidrólisis: que consiste en la reacción química del agua con las


35

moléculas de los aditivos. La presencia de calor hace que la molécula de agua se divida en sus átomos de oxígeno e hidrógeno, los cuales reaccionan con el ZDDP, formando compuestos ácidos, que afectan el desempeño del aditivo y forman compuestos corrosivos que atacan la superficie de la máquina

o Oxidación: los antioxidantes reaccionan con los peróxidos y los hidroperóxidos, inhibiendo su crecimiento y propagación, evitando la formación de depósitos, incrementando la viscosidad y la acidez del lubricante. Una vez agotado el antioxidante, comienza la degradación acelerada de la base lubricante

o Degradación térmica: una operación prolongada en condiciones de alta temperatura ocasiona la ruptura de las moléculas de los aditivos. Esta ruptura térmica origina una disminución severa en el desempeño del lubricante al no poder cumplir con su rol de proteger los componentes de la máquina

Por separación (transferencia de masa).Los mecanismos más comunes del agotamiento de los aditivos por separación son los siguientes:

o Asentamiento por condensación: conforme los aditivos van realizando su trabajo, llega un momento en que no pueden mantenerse solubles en el lubricante y se vuelven insolubles, se desprenden del lubricante y se asientan en las superficies de la máquina o en el fondo del tanque

o Filtración: los aditivos sólidos pueden ser separados del lubricante si se utilizan filtros con un tamaño de poro más pequeño que el tamaño de la partícula del aditivo. Muchos de los fabricantes de lubricantes que contienen aditivos sólidos, no recomiendan la filtración fina de sus lubricantes, por el riesgo de que se separen sus aditivos

o Adsorción: algunas medias filtrantes activas utilizadas para eliminar contaminantes suaves (barniz, lacas y lodos) pueden también eliminar algunos aditivos del lubricante. Es importante que, cuando se vayan a utilizar este tipo de medias adsorbentes, se consulte a los proveedores tanto del lubricante como de la media filtrante, del riesgo de que este fenómeno ocurra

o Evaporación: es posible que durante una deshidratación por vacío de lubricantes contaminados con agua, pueda ocurrir una evaporación de los aditivos, aunque no es un fenómeno muy común


36

o Centrifugado: algunos aditivos organometálicos de alto peso molecular pueden ser separados del lubricante por la acción de la fuerza centrífuga utilizada para separar agua y partículas del lubricante

Por adsorción. Los aditivos se adhieren a las partículas, a las gotas de agua o a la superficie de la máquina, separándose del lubricante. Los mecanismos más comunes son:

o Separados por partículas: los aditivos son atrapados por las partículas, llevándolos a los filtros o al fondo del tanque

o Adsorbidos por las superficies: debido a las características polares de los aditivos, estos son atraídos hacia las superficies de las máquinas y se adhieren a estas

o Contacto entre las superficies: los aditivos extrema presión y antidesgaste, reaccionan químicamente con las superficies de las máquinas formando películas lubricantes que disminuyen el contacto metal-metal y por ende el desgaste. Actuando de esta forma, se van agotando en el tiempo, hasta que su capacidad para proteger los componentes de la máquina se verá disminuida

o Lavado por agua: por ser los aditivos y el agua sustancias polares, estos pueden ser atrapados por las gotas de agua y llevados al fondo de los tanques, disminuyendo su efectividad y agotando sus niveles de protección

Dependiendo de la naturaleza química de los aditivos, su agotamiento podrá ser detectado con pruebas de laboratorio como FTIR, RULER, RPVOT, AES, BN, AN, principalmente.

Los aditivos del lubricante trabajan para controlar la degradación y reaccionan con los contaminantes y la superficie de la maquinaria. Conforme el lubricante trabaja en la maquinaria, los aditivos se van consumiendo y degradando paulatinamente.

2.4.1 Ejemplo

Cuando se llegaran a formar ácidos como sub-productos del proceso de la combustión del diésel (sulfúrico), el aditivo detergente que tienen naturaleza alcalina, reaccionará con los ácidos para formar una sal y agua. De esa manera el aditivo cumple su función de neutralizar un compuesto peligroso, y a medida


37

que lo haga, su concentración disminuirá.

2.5 Mezcla de lubricantes

Con el aumento en la variedad de bases lubricantes y aditivos que se ha producido en los últimos años, han incrementado exponencialmente las posibles combinaciones de estos en lubricantes terminados. Al tiempo que esto permite desarrollar programas de lubricación para seleccionar el lubricante más adecuado para una aplicación, también pude significar el tener 15 o 20 diferentes tipos de lubricantes en una instalación. Por lo tanto, en la actualidad no resulta extraño el tener muchos problemas de mezclas de lubricantes en las plantas. Obviamente, esto trae como consecuencia que se use o rellene una máquina con un lubricante incorrecto, dejando de cumplir con las especificaciones de desempeño para la protección de la maquinaria, y por lo tanto, es un modo de falla que podría presentarse.

En la tabla 2.1 se muestran algunas de las propiedades de los lubricantes que podrían alterarse por la contaminación con otro tipo de lubricante y algunos efectos sobre la superficie de la maquinaria.

Tipo de contaminación

Daños sobre el lubricante Daños sobre la maquinaria

Contaminación cruzada con otro tipo de lubricante

Reducción de la resistencia a la oxidación

Agotamiento de aditivos Cambios en la viscosidad Pérdida de la

demulsibilidad Incremento en aire

atrapado y espuma En grasas,

incompatibilidad entre espesantes

Barniz/depósitos Incremento en el desgaste

de los componentes debido a la pérdida de la resistencia de película por el cambio en la viscosidad o por la diferencia en la química de los aditivos

Taponamiento prematuro de filtros

Expansión/encogimiento de sellos

Tabla 2.1 Efectos de la contaminación cruzada sobre el lubricante y sobre la maquinaria

La principal causa de la contaminación cruzada de lubricantes es la falta de identificación o una incorrecta identificación del lubricante, tanto en los envases o contenedores (tanques, tambores/cilindros, cubetas/pailas, bombas


38

de engrase, etc.), como en los puntos de lubricación (relleno) de la maquinaria. La solución es simple y económica: implementar un sistema de identificación de lubricantes como el Noria ISO-LIS, donde a través de la utilización de formas, colores y códigos se pueden identificar correctamente los lubricantes, a fin de evitar la utilización de productos equivocados.

Es importante que todos los accesorios utilizados en el proceso de lubricación estén dedicados por tipo o familia de lubricantes, siempre que esto sea posible. En caso de no poder implementar sistemas como el indicado, se deben desarrollar procedimientos de lavado que aseguren la disminución de los riesgos de una contaminación cruzada.

Conociendo las formulaciones de los lubricantes usados en planta y con pruebas de laboratorio como FTIR y AES en primera instancia, se podrá detectar tempranamente problemas de contaminación cruzada de lubricantes.

Para prolongar la vida del lubricante en operación, es importante que se controlen las causas que aceleran su oxidación y los contaminantes. En tu programa de análisis de lubricante debes incluir pruebas que te ayuden a medir la presencia de los aditivos para identificar el momento preciso de reemplazarlo y mantener protegida la máquina.

2.5.1 Formatos

¿Por qué es importante? El alumno debe conocer los problemas y cambios en las propiedades de los lubricantes que se presentan cuando se mezclan diferentes tipos de lubricantes.

2.5.2 Póster

¿Por qué es importante? El alumno debe conocer cómo se pueden detectar los síntomas de la oxidación a través de las pruebas de laboratorio y las observaciones en el campo.

2.5.3 Ejemplo

Cuando dos lubricantes diferentes se mezclan de manera accidental en la maquinaria, se pueden presentar diferentes reacciones. En algunos casos el


39

resultado puede pasar desapercibido, debido a que tanto los básicos como los aditivos son compatibles. Sin embargo este es el caso menos probable. Cada lubricante es formulado para una aplicación particular y en consecuencia sus aditivos variarán considerablemente en tipo y cantidad. Un lubricante para engranes de uso severo lleva aditivos para permitirle al lubricante trabajar en condiciones de altas cargas, sin embargo, hay diferentes tecnologías para lograr esto. Algunos fabricantes utilizan compuestos a base de azufre-fósforo, mientras que otros prefieren utilizar compuestos a base de boro. Incluso si dos lubricantes utilizan la misma tecnología, es posible que los compuestos utilizados sean diferentes, ocasionando que estos reaccionen o se neutralicen. En algunas ocasiones las mezclas de lubricantes pueden hacer que se pierda el balance en la formulación, modificando las características de tensión superficial del lubricante, provocando espuma o pérdida de las características de separación de agua.

Documents

DIPLOMADO ANÁLISIS DE LUBRICANTE NIVEL II. INTERPRETACIÓN DEL ANÁLISIS DE …elearning.bigriveripn.com/descargas/EXPERTOS/NORIA/Nivel... · 2014-09-12 · y la terminación de