Tribología y Lubricación Tribología Es la ciencia que estudia los fenómenos de fricción, de desgaste y de lubricación, y cómo afectan la vida útil de los equipos, en ella convergen la ingeniería mecánica, la metalúrgica, la física y la química. Muchas de las tareas cotidianas que realizamos, necesariamente requieren de la existencia de una fricción controlada, como por ejemplo, caminar, recoger un objeto, etc.; sin embargo, bajo otras circunstancias el exceso de fricción causaría problemas, como es en el caso del movimiento relativo de los mecanismos que componen una máquina. Es por esto que la tecnología se ha preocupado de un objetivo muy importante, reducir la fricción, con el objeto de lograr una mayor durabilidad de los mecanismos en operación. Una mayor productividad de los equipos se logra reduciendo al máximo la fricción, es así como hoy en día, la lubricación no se considera una ciencia aislada, sino que está íntimamente relacionada con la fricción, con el desgaste, con los materiales empleados en la fabricación de los equipos, con su diseño, con su operación y con la calidad de su mantenimiento. Todo esto se resume en lo que hoy conocemos como tribología. La vida útil de un equipo sólo se puede conseguir si este se involucra en un sistema tribológico, donde los protagonistas sean el fabricante del equipo y el usuario. El fabricante debe haber construido el equipo de acuerdo a un diseño óptimo y con materiales que garanticen un desgaste mínimo. El usuario debe optimizar al máximo la calidad del mantenimiento, garantizar una operación normal del equipo y utilizar repuestos originales. Si todos estos factores se interrelacionan y se tienen siempre en cuenta, es factible que el equipo alcance su vida útil, logrando así la mayor productividad posible.

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Fricción Es la pérdida de energía mecánica durante el inicio, desarrollo y final del movimiento relativo entre dos zonas materiales en contacto. La fricción se puede clasificar en:

• Fricción interna: Es aquella que se genera, por ejemplo, entre las múltiples capas que forman a una película lubricante, es decir, la fricción fluida

• Fricción externa Tipos de fricción externa

• Fricción de deslizamiento: se presenta durante el movimiento tangencial entre dos cuerpos.

• Fricción de rodamiento: Se presenta durante el movimiento de rodadura entre dos cuerpos.

• Fricción de rotación: Se presenta durante el movimiento de rotación entre dos cuerpos.

El tipo de fricción más difundido en la tribología es el de fricción por deslizamiento. Sin embargo, en la práctica se pueden manifestar dos movimientos relativos actuando al mismo tiempo, lo que origina dos formas mixtas de los tipos de fricción. Dependiendo de las condiciones de contacto, la fricción externa se puede clasificar en:

• Fricción estática: Pérdida de energía mecánica al inicio y al final del movimiento tangencial entre dos cuerpos.

• Fricción móvil: Pérdida de energía mecánica durante el movimiento relativo entre dos cuerpos.

• Fricción de choque: Perdida de energía mecánica al inicio y al final del movimiento relativo normal (perpendicular) entre dos cuerpos.

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Estados de fricción Fricción metal – metal La fricción metal – metal tiene lugar en un elemento lubricado como consecuencia del rompimiento de la película de lubricante o por agotamiento de los aditivos antidesgaste del lubricante. La fricción metal – metal no siempre se debe evitar. Hay casos en donde es imprescindible que ocurra, como por ejemplo en las líneas de ferrocarril, en donde es necesario que las superficies estén totalmente exentas de algún tipo de lubricante para poder rodar y frenar rápidamente. Fricción pura La fricción pura rara vez se encuentra en la práctica industrial y por lo general, se obtiene en laboratorio. En este tipo de fricción, los cuerpos están totalmente libres de contaminación y debe haber un muy bajo coeficiente de fricción. Fricción sólida En este estado de fricción intervienen tres cuerpos sólidos. El tercer elemento esta presente en forma de capas de un compuesto adherido al metal base. Un ejemplo de esto es cuando se interponen cuerpos sólidos entre dos elementos rodantes, como por ejemplo un rodamiento con partículas de arena o barro atrapadas entre sus pistas de rodadura y el elemento rodante. Factores que condicionan la fricción

• Carga: Es un factor que no se puede controlar porque es parte de todo mecanismo. Está constituida por su propio peso y por la fuerza que este imparte o transmite.

• Naturaleza de los materiales: Dependiendo de la estructura molecular, dos cuerpos presentan mayor o menor fricción.

• Acabado superficial: Entre más ásperas las superficies, mayor es la fricción.

Esta disminuye con el grado de rugosidad que presenta. Existen básicamente dos grados de rugosidad:

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o De asperezas agudas: Causadas por la falta de exactitud de la máquina herramienta y falta de rigidez entre la herramienta y la pieza mecanizada.

o De asperezas dentadas: Causadas por ligeras fallas en la herramienta de corte y por la naturaleza del metal mecanizado.

Formas de reducir la fricción

• Puliendo las superficies • Cambiando el deslizamiento por rodamiento • Interponiendo un lubricante

Desgaste Es consecuencia directa del rozamiento metal – metal entre dos superficies y se define como el deterioro sufrido por ellas a causa de la intensidad de la interacción de sus rugosidades superficiales. El desgaste puede llegar a ser crítico, haciendo que las piezas de una máquina pierdan sus tolerancias y queden inservibles, causando costosos daños y elevadas pérdidas de producción. Una de las funciones básicas que debe tener toda sustancia que se emplee como lubricante es la de reducir la fricción sólida y, por lo tanto, el desgaste a los valores más bajos posibles. Tipos de desgaste Una superficie lubricada se puede desgastar por factores que son propios del tipo de lubricante que se esté utilizando, a su tiempo de servicio o debido a contaminantes externos. En algunos casos se puede presentar desgaste por una mala elección del equipo, de un mal diseño del mismo o del uso de materiales inadecuados para la condición de operación de los mecanismos. Los tipos de desgaste más importantes son: Desgaste adhesivo: O por contacto metal – metal. Se presenta en todos los mecanismos lubricados o no, cuando las superficies no están separadas completamente por una película de aceite (lubricación límite).

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Este tipo de desgaste se presenta cuando un mecanismo arranca y hay escasez de película de lubricante como consecuencia del agotamiento de los aditivos antidesgaste del aceite, ya sea porque se está utilizando un lubricante incorrecto o porque se ha sobrepasado el tiempo de servicio máximo admisible. En ese momento, ambas caras de los cuerpos están prácticamente en contacto mutuo, hay transferencia metálica y formación de partículas o fragmentos metálicos de desgaste. Es un tipo de desgaste que no se puede eliminar, pero si se puede reducir considerablemente mediante la utilización de lubricantes con óptimas propiedades de película límite; como los que contienen aditivos antidesgaste, ácidos grasos, aditivos EP, bisulfuro de molibdeno o grafito. El desgaste adhesivo se puede presentar como consecuencia de un alto o bajo nivel de aceite, alta o baja velocidad, y alta o baja presión. En el caso de un alto nivel de aceite, alta viscosidad y alta presión, el exceso de fricción fluida en el aceite, incrementa la temperatura de operación, haciendo que las superficies metálicas se dilaten y rocen, rompiendo en un momento dado la película límite y dando paso al desgaste adhesivo. Desgaste abrasivo: Ocasiona el desgaste del mecanismo como resultado de la presencia entre las superficies en movimiento relativo de partículas extrañas de igual o mayor dureza a la de los materiales que los conforman. Las partículas abrasivas se incrustan en las superficies y actúan como una herramienta de corte, removiendo material de la otra superficie. Estas partículas pueden provenir del medio donde funciona la máquina, o del medio ambiente al interior de ella. El desgaste es mayor en la superficie más blanda. Se ha demostrado que la abrasión es más pronunciada cuando el tamaño de la partícula es igual o ligeramente mayor que el juego dinámico del mecanismo lubricado. La abrasión es posible controlarla si se remueven del aceite las partículas abrasivas, esto se puede lograr cambiando el aceite con más frecuencia, si este es por salpicadura y no cuenta con filtros, y utilizando sistemas de filtración eficientes cuando la lubricación es por circulación. Sin embargo, el desgaste abrasivo se puede presentar incluso cuando el tamaño de las partículas es menor al juego dinámico, como resultado de incrementos en la carga que actúa sobre el mecanismo o por disminución en la viscosidad del aceite que hacen que el juego dinámico disminuya, quedando su valor menor o igual que las partículas presentes. Desgaste corrosivo: Es consecuencia de una aceite oxidado o de la contaminación de éste con agua o con ácidos del proceso o del medio ambiente.

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La corrosión en máquinas expuestas a la humedad, como una turbina o un motor a combustión interna, puede ser un gran problema. En los equipos industriales se puede presentar cuando se deja el aceite por mucho tiempo. Desgaste erosivo: Es causado por un fluido a alta presión y con partículas sólidas en suspensión, las cuales al impactar sobre las superficies arrancan material de ellas debido a los efectos del momentum de las partículas, dicho de otra manera, si el fluido cambia de dirección, la inercia impulsará a la partículas más pesadas a seguir su rumbo e impactar sobre las paredes que lo contienen. Las pérdidas de material pueden ser significativas, provocando roturas por fatiga. Desgaste por fatiga superficial: Se presenta como consecuencia de los esfuerzos cíclicos de tensión, compresión y esfuerzo cortante sobre una superficie, los cuales dan como resultado grietas profundas que, de progresar, darán paso a picaduras y escamas. Se presenta en mecanismos donde intervienen movimientos de rodadura, como el caso de las pistas de los rodamientos, dientes de engranajes y superficies de ejes de levas, entre otros. Si a esta condición se suma el desgaste abrasivo (partículas mayores al juego dinámico), las consecuencias del desgaste por fatiga se verá multiplicado. Desgaste por cavitación: Cuando el aceite fluye a través de una región donde la presión es menor que la de su presión de vapor, hierve y forma burbujas de vapor. Estas burbujas son transportadas por el aceite hasta llegar a una región de mayor presión donde el vapor regresa al estado líquido en forma súbita “implotando” bruscamente. Este fenómeno se llama cavitación. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una superficie sólida cuando cambian de estado, las fuerzas ejercidas por el aceite al aplastar a la burbuja, dan paso a fuerzas de gran magnitud sobre la superficie. Si esta condición se repite innumerables veces se generarán picaduras en dicha superficie. Desgaste por corrientes eléctricas: Se presentan como consecuencia del paso de corriente eléctrica a través de los elementos de una máquina. Tal es el caso de los rodamientos de un motor eléctrico, cuando la toma a tierra es defectuosa o por corrientes parásitas en equipos rotatorios, como turbinas de vapor, de gas, hidráulicas y en compresores centrífugos.

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Problemas ocasionados por el desgaste

• Mayor consumo de repuestos por aumento en las reparaciones y en el mantenimiento

• Disminución en la producción por paradas no programadas • Vida útil más corta de la máquina • En motores de combustión interna da lugar a pérdidas de potencia, mayor

consumo de combustible, etc. • Posibilidad de accidentes ante el peligro de rotura de piezas al sobrepasar

los límites permisibles de diseño Formas de reducir el desgaste

• Utilizando los lubricantes más apropiados para las diferentes condiciones de operación

• Frecuencia de lubricación adecuada, con el fin de determinar los cambios de aceite y engrase correctos

• Buenos programas de mantenimiento preventivo, incluyendo principalmente la limpieza o cambio de filtros de aire y de aceite

• No sometiendo a los equipos a condiciones diferentes a las de diseño

Lubricación En la actualidad se persigue como objetivo básico, el incremento del tiempo de explotación de los elementos de una máquina, lo que se alcanza con un diseño, montaje y explotación adecuados. Dentro de las condiciones de trabajo de los equipos juega un papel vital la lubricación., con el fin de evitar el contacto metal – metal de las superficies, lo que hace que disminuya la ficción, el desgaste, las pérdidas de energía y se incremente la vida útil de dichos elementos. Si no se emplearan lubricantes entre dos superficies que están en un constante movimiento relativo, la una con respecto a la otra, lo único que se conseguiría es que las partes se soldaran entre sí y por consiguiente se presentara una falla catastrófica en pocos minutos. Cualquier elemento que se interponga entre estas dos piezas para disminuir su fricción, se denomina lubricante, el cual ayuda también a evacuar el calor generado y dispersar partículas (detergente). Pero la función básica de un lubricante es mantener completamente separadas dos superficies en movimiento, de tal manera

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que el único rozamiento que se presente sea el que se da entre las distintas capas de lubricante, lo que se conoce como “fricción fluida”. Factores que afectan a la lubricación

• Factores de operación o Velocidad o Carga o Temperatura

• Factores de diseño o Proyecto, cálculo y fabricación de la máquina o Materiales utilizados en la construcción del mecanismo o Acabado superficial del mecanismo o Diseño del sistema de aplicación del lubricante

Clases de lubricantes Existen diferentes tipos de lubricantes, dependiendo de la clase de aplicación:

1. Gases: El más utilizado es el aire, que se emplea a presión y forma un colchón de aire entre los elementos en movimiento. Su principal aplicación es en pequeños cojinetes lisos, que giran a velocidades de hasta 100.000 rpm, en donde un lubricante convencional no serviría.

2. Líquidos: Se puede considerar cualquier tipo de líquido, como el agua, el aceite vegetal, animal y mineral, etc. Los más utilizados en la actualidad son los derivados del petróleo, constituidos por una base de lubricante y un paquete de aditivos.

3. Semisólidos: Son sustancias que poseen consistencia, permiten que la película lubricante permanezca durante más tiempo sobre la superficie lubricada, como por ejemplo la grasa, que es un aceite mezclado con un espesador metálico (jabón de calcio, sodio, litio, etc.).

4. Sólidos: Dan origen a películas lubricantes que se adhieren fuertemente a las superficies metálicas, tales como el grafito, bisulfuro de molibdeno, de fluor, silicona, boro, etc. Y dan lugar a coeficientes de fricción muy bajos.

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Funciones del lubricante Un buen lubricante debe cumplir con las siguientes funciones:

• Disminuir el rozamiento • Reducir el desgaste • Evacuar el calor generado por las pérdidas de potencia en el mecanismo • Sellar • Evacuar impurezas de tipo orgánico o metálico • Transmitir potencia

Factores que afectan la acción del lubricante

• Agua: Es perjudicial para el lubricante y para las superficies metálicas. Un buen lubricante debe contar con excelentes características antiemulsionantes, con el fin de que se separe rápidamente del agua, cuando se halle en presencia de ésta y forme además una película protectora entre la superficie y el medio circundante, para evitar la herrumbre y la corrosión. El agua se puede presentar cuando las máquinas dejan de funcionar y se enfrían, debido a la condensación de los vapores de agua presentes en la atmósfera. También como consecuencia de serpentines de enfriamiento defectuosos, que permiten fugas de agua y su paso posterior al depósito de combustible. Los tambores de aceite mal almacenados y a la intemperie, debido al proceso de expansión y contracción de la chapa metálica, permiten el paso del agua que se puede acumular en la tapa y en el tapón y penetrar al tambor.

• Fluidos para corte: En el caso de máquinas herramientas, por salpicadura de aceite soluble (fluido de corte y taladrinas) hasta los depósitos del aceite de lubricación.

• Disolventes: Cuando se limpian los diversos mecanismos de una máquina pueden quedar residuos de los disolventes utilizados, que luego, al aplicar los lubricantes, los adelgazan, permitiendo el contacto metal – metal.

• Contaminación por materiales sólidos: Si se lograra evitar, por algún medio la contaminación de un aceite de circulación, éste podría utilizarse por mucho tiempo, pero el polvo, las partículas metálicas que se desprenden de los mecanismos y las impurezas que penetran por los retenes y

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empaquetaduras en mal estado, degradan el aceite y es necesario, por lo tanto, cambiarlo. La contaminación se puede iniciar en la bodega de almacenamiento del lubricante, si no está bajo buenas condiciones de limpieza y peor aún si se mantienen los tambores destapados o los sellos en mal estado. De igual manera cuando, por falta de mantenimiento y limpieza, la máquina tiene polvo sobre las partes a lubricar. Estos contaminantes ocasionan desgaste abrasivo.

• Sistemas de aplicación del lubricante: Se puede contar con el mejor de los lubricantes, pero si éste no se aplica correctamente, en la cantidad precisa y en el sitio correcto, nada se hará porque el mecanismo fallará igual que si estuviese utilizando un lubricante inadecuado.

Tribología Aplicada

Los análisis de aceites en uso, constituyen un medio para diagnosticar las condiciones de la maquinaria y de su lubricante, de fácil implementación en los programas de mantenimiento predictivo y aplicables en todos los sistemas de circulación cerrada, tales como turbinas, motores de combustión interna, transmisiones, cajas de engranajes, compresores, y sistemas hidráulicos. Un programa de Tribología Aplicada basada en un análisis de aceites consiste en un plan de toma de muestras, seguimiento y control periódico de los resultados de análisis de aceites, en los cuales se combinan varios tipos de pruebas, que conjugados con un sofisticado sistema de manejo de información permite comunicar al área de mantenimiento las condiciones internas de sus equipos, la definición de los aspectos a mejorar, los componentes defectuosos, el asentamiento del motor tras una reparación y por supuesto la vida remanente del lubricante, y del equipo. Aunque existe gran variedad de pruebas para establecer las condiciones del aceite y el comportamiento del motor, las más empleadas son los análisis espectrométricos, los físico-químicos y los de infrarrojos.

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Análisis para monitoreo de condiciones de equipos y aceites lubricantes. La Tribología aplicada, se basa en el proceso mediante el cual la muestra de los aceites lubricantes en funcionamiento o ya usados, son llevadas al laboratorio donde, a través de los análisis correspondientes, se determina el grado de desgaste de un equipo y el deterioro y/o contaminación del lubricante, para su correspondiente inserción en los programas de mantenimientos predictivos-proactivos de la empresa. El proceso de análisis de aceites usados se inicia con la toma y correcta identificación de la muestra, en este sentido la identificación previa de los equipos o maquinarias, puntos de muestreos, tipo de lubricante, y de ser posibles los límites normales y condenatorios establecidos por los fabricantes de los equipos son requisitos indispensables para el correcto tratamiento y control de las muestras enviadas al laboratorio.

Interpretación de Análisis de Aceite

El análisis de aceite es una estrategia del Mantenimiento Proactivo y Predictivo ampliamente utilizada y de grandes beneficios económicos. Los avances en computación, programas e instrumentación han propiciado grandes cambios en el campo. Esta nueva tecnología hace que los programas de análisis de aceite sean más fáciles de administrar y asegura un alto retorno del dinero invertido en mantenimiento. Muchas compañías en Latinoamérica están utilizando software para dar seguimiento a la información de operación y desempeño de sus equipos. Hay algunos programas independientes de análisis de aceites que permiten desde la comunicación con los laboratorios, la administración de los resultados, impresión, gráficos, establecer límites de advertencia, tendencias y además configuran módulos adicionales para registrar análisis de vibración. Existe gran confusión y necesidad de aclarar lo referente al establecimiento de límites de alarma, donde se utilizan en muchas ocasiones metodologías generales enfocadas fundamentalmente al Mantenimiento Predictivo (es decir a detectar cuando estamos próximos a una falla para poder evitar paros y fallas catastróficas). El nuevo enfoque del Mantenimiento Proactivo, nos permite utilizar límites de advertencia de tendencia, determinados para poder tomar acciones cuando alguna de las variables que provocan el desgaste se salga de ellos y de esa manera no sólo evitar la falla, sino evitar el desgaste y por lo tanto, prolongar significativamente la vida de los equipos. Un buen programa de Mantenimiento no está completo, si no se establecen límites efectivos de tendencia de los resultados de análisis de aceite. La administración

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correcta de este tipo de sistemas no puede ser efectuada con metodologías generales, sino por el principio de excepción. Existe una gran variedad de pruebas que se utilizan para evaluar lubricantes. Las pruebas especificadas, deben cubrir tres áreas:

• Condición del Equipo. • Condición de Contaminación. • Condición del Lubricante.

Generalmente, es necesario efectuar las pruebas en las tres áreas, para evitar la falla de los equipos, aunque en ocasiones algunas de las pruebas trabajan en dos o más áreas, esto se utiliza para asegurarnos de la evidencia de alguna condición anormal. A continuación se describen las pruebas que se utilizan más frecuentemente en la filosofía del mantenimiento predictivo como técnicas de monitoreo de condición. Análisis Espectrométrico Esta técnica se utiliza para detectar y cuantificar elementos metálicos en un aceite usado como resultado del desgaste, contaminación y aditivos del aceite. (Aunque en ocasiones se utiliza para aceites nuevos, no es muy común). La muestra de aceite es energizada para hacer que cada elemento emita o absorba una cantidad cuantificable de energía, lo cuál indica la concentración de elementos en el aceite. Los resultados reflejan la concentración de elementos metálicos disueltos como los aditivos y también partículas muy finas de desgaste. Esta prueba es la columna vertebral de la mayoría de los laboratorios de análisis de aceite en el mundo, ya que proporciona información de la máquina, la contaminación y la condición del desgaste relativamente rápido y precisamente. Su limitación principal es que su eficiencia de detección es muy baja para partículas de tamaño de 5 µm (micrones) o mayores. Las partículas con diámetros mayores de 10 µm, son generalmente las partículas resultantes de desgaste anormal y esas partículas deberán ser cuantificadas para determinar la ocurrencia del desgaste. Esta técnica tiene una exactitud promedio del 10%, aunque hay equipos nuevos que actualmente reportan 3%. Espectroscopía de filtro rotatorio Esta técnica espectrométrica, que fue introducida en 1992, detecta partículas gruesas de metales de desgaste y contaminantes de base silicio en muestras de aceites usados. Estas partículas “gruesas” incluyen todas las partículas hasta 25 µm, pero excluye a los aditivos. Como se mencionó anteriormente, las partículas grandes son resultado de desgaste anormal. Este método llamado también RFS

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(Rotrode Filter Spectroscopy) proporciona además una membrana de bajo costo para poder efectuar el análisis de ferrografía y es superior a la prueba de ferrografía directa, porque detecta tanto partículas ferrosas como no ferrosas. Su eficiencia de detección disminuye con el aumento de tamaño de las partículas cerca de 25 µm de diámetro y está por el orden de 15%. Viscosidad Conocida como la resistencia de un líquido a fluir. La viscosidad es la más importante propiedad física de un lubricante, ya que deben tener y conservar su habilidad de fluir y proteger las partes de la maquinaria a diferentes temperaturas y condiciones. Las viscosidades de los lubricantes varían dependiendo de su grado o clasificación, así como de su grado de oxidación y contaminación durante el servicio. Algunos fabricantes de aceites recomiendan que si la viscosidad de un lubricante difiere en más de un 10% de su grado nominal o “línea de base”, entonces deberá considerarse su cambio. Cuando el equipo está en una clasificación de mantenimiento de Monitoreo de Condición, deberán ponerse en práctica controles más específicos. La viscosidad del aceite crecerá con el tiempo de uso, y se deberá considerar una disminución en la viscosidad más seriamente que un incremento. De esta manera, se recomienda establecer unos límites de alerta en +20%, -10%. (Ej. No más de 20% sobre el grado nominal y no menos del 10% bajo el grado nominal). La prueba estándar de Viscosidad Cinemática es la ASTM D455, que reporta los resultados en Centistokes (cSt) a 100°C o 40°C. Sin embargo valdría la pena considerar la utilización de la prueba de Viscosidad Absoluta, ya que en un aceite usado no sólo varía la viscosidad, sino también el peso específico o gravedad del aceite, dando por resultado un error en el resultado, ya que la viscosidad cinemática es igual a la Viscosidad Absoluta dividido por la Gravedad específica. Análisis Infrarrojo (FTIR) Esta técnica espectrométrica se utiliza para detectar componentes orgánicos en el aceite, agua y productos de degradación de una muestra de aceite usado. Durante la utilización del aceite, éste se degrada y en ocasiones se acidifica. Si la oxidación del aceite fuera severa, el lubricante corroerá las superficies del equipo. Mientras mayor sea el “Número de Oxidación”, mayor oxidación se tendrá. La nitración del aceite refleja de una manera similar el nivel de compuestos de nitrógeno (común en motores a gas natural). Las condiciones como barniz, depósitos de lodo, anillos atascados y taponamiento de filtros ocurren en sistemas con problemas de oxidación y nitración. La espectroscopía infrarroja indica también contaminación debida a combustible, agua libre, glicol del anticongelante y depósitos por hollín.

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La estandarización de esta prueba está dada por la norma ASTM E1491. Algunos fabricantes de equipo han establecido algunos parámetros de advertencia, pero se recomienda que sea utilizada como una herramienta de monitoreo de tendencia. Los valores deberán ser considerados para cada aplicación, tipo de maquinaria, severidad, etc. Número Ácido (TAN) Es un método de titulación diseñado para indicar la acidez relativa del aceite. El número ácido es utilizado como una guía de seguimiento de la degeneración por oxidación de un aceite en servicio. Los cambios de aceite son frecuentemente recomendados cuando el valor del TAN alcanza un nivel predeterminado para un cierto tipo de lubricante y aplicación. Un incremento repentino del TAN deberá ser considerado como un indicador de condiciones anormales de operación (tal vez sobrecalentamiento) que requiere de una investigación por parte del departamento de mantenimiento. La mayoría de los fabricantes de aceites proporcionan límites condenatorios en sus recomendaciones. Se recomienda establecer un límite máximo dependiendo del tipo de aceite, y la aplicación. Se debe monitorear la tendencia del aceite para detectar los cambios repentinos. El comportamiento del TAN es muy estable generalmente, manteniendo una tendencia en principio negativa y posteriormente se estabiliza, sin embargo, cuando la oxidación inicia, la tendencia se incrementará de manera exponencial. Ésta prueba tiene la designación de ASTM D664 y su exactitud es del 15%. Número Básico (TBN) El Número Básico, es el inverso del TAN y es una prueba de titulación utilizada para determinar la reserva alcalina de un lubricante. El TBN es aceptado generalmente como un indicador de la habilidad del lubricante para neutralizar ácidos peligrosos formados por la combustión de productos en motores de combustión interna. El TBN es normalmente aplicado a motores a Diesel. Los fabricantes de motores generalmente establecen en sus límites condenatorios valores límites mínimos para la operación y determinan el cambio de aceites cuando éstos sean alcanzados. De igual manera se recomienda evaluar la tendencia y actuar cuando se presenten cambios súbitos. Agua El agua es un elemento no deseado normalmente en el lubricante, ya que el agua destruye la capacidad del lubricante para proteger las partes en movimiento y además ataca los aditivos del aceite, haciendo que el equipo sufra desgaste,

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herrumbre y corrosión. Otro efecto del agua en los lubricantes es la formación de espuma, incremento de temperatura y lodo en los estanques. La contaminación por agua no deberá exceder del 0,25% en la mayoría de los equipos y no más de 100 ppm, para aceites de turbinas y sistemas de control. Hay varios métodos utilizados para evaluar la humedad, cada uno con diferentes niveles de detección, los cuales se presentan en la tabla siguiente:

Tabla Nº1: Pruebas para detectar la presencia de agua en un lubricante.

Prueba Límite de Detección

Costo de la prueba Ventajas Desventajas

Visual > 1% Bajo Prueba de campo sólo cualitativa

Sólo es posible ver agua en cantidades grandes

Crepitación 1000 ppm

(0,1%) Bajo

Buen indicador de campo – fácil de efectuar

Sólo cualitativo – No válido para tendencia

Agua por FTIR

1000 ppm (0,1%)

Bajo Cuantitativo – Bueno para tendencia, fácil de efectuar

Si hubiera glicol, puede haber confusión

Centrífuga 1000 ppm

(0,1%) Bajo

Utilizado para detectar agua en el lubricante

No es muy efectivo, debido a los aditivos demulsificantes

Karl Fisher 10 ppm (0,001%)

Alto

Cuantitativo, excelente como tendencia, muy exacto aún con baja humedad

Requiere solventes, genera desechos Se requieren expertos

Conteo de Partículas Es un método para clasificar y contar partículas (de cualquier tipo o naturaleza) en el fluido lubricante de acuerdo con rangos aceptados de tamaño, por organismos como ISO con su norma ISO 4406 y la NAS 1638. Esta norma entrega el nivel de contaminación o “código de limpieza” con tres números. Cada número indica el número de partículas de determinado tamaño presente en la muestra. Los tamaños que se miden son 4, 6 y 14 µm (micras). Por ejemplo. Un aceite con un código de limpieza 19/16/15 indica que la concentración de partículas de 4 µm es de 2500 a 5000, la concentración de partículas de 6 µm es de 320 a 640 µm y que la concentración de partículas de 14 µm es de 160 a 320.

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Tabla ISO 4406

Número de partículas por ml Rango de número Más de Hasta e incluido

24 80.000 160.000 23 40.000 80.000 22 20.000 40.000 21 10.000 20.000 20 5.000 10.000 19 2.500 5.000 18 1.300 2.500 17 640 1.300 16 320 640 15 160 320 14 80 160 13 40 80 12 20 40 11 10 20 10 5 10 9 2,5 5 8 1,3 2,5 7 0,64 1,3 6 0,32 0,64

Hay varios tipos de instrumentos utilizados para conteo de partículas, que utilizan diferentes sistemas y tecnologías, desde contadores ópticos láser a los de monitoreo de bloqueo de poro. Los sistemas denominados “Sistemas limpios” como turbinas, hidráulicos, etc. requieren del conteo de partículas y no deben exceder ISO 18/16/12 en la mayoría de los casos, sin embargo algunas aplicaciones requieren límites más estrictos. Este es un excelente método para verificar la eficiencia del filtro y actualmente se le utiliza como una de las técnicas del Mantenimiento Proactivo para determinar el inicio de la condición anormal que pueda llegar a generar desgaste. El conteo de partículas, cuenta todas las partículas en la muestra de aceite sin importar el tipo de elemento de que se trate y las clasifica de acuerdo a su tamaño. Su interpretación deberá ser en función de los parámetros de limpieza que se hayan establecido para cada aplicación en particular, cualquier variación por arriba de los límites, deberá generar una investigación de la causa y probablemente sea necesario tomar acciones de

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filtración, reemplazo de filtros, aceites, etc. La eficiencia de los equipos puede variar en función del tipo de aceite y los aparatos, generalmente es del 10%. Ferrografía Analítica Esta es una técnica que separa las partículas de desgaste del aceite por medio de magnetismo y las deposita en una placa de vidrio conocida como ferrográma. El análisis al microscopio permite la identificación del modo de desgaste y las probables fuentes de desgaste de la maquinaria. Esta técnica conocida como Ferrografía Analítica; una versión completamente automática de esta técnica de separación magnética es la Ferrografía de lectura directa (DR). Esta técnica mide la relación entre las partículas grandes y pequeñas en la muestra y la información puede ser utilizada para calcular la concentración de partículas de desgaste y el índice de severidad, estos dos parámetros ayudan a construir tendencias del comportamiento de los equipos. No está disponible para materiales de desgaste no ferrosos. Este tipo de resultado es de mayor valor una vez que se ha establecido una línea de tendencia. Aplicaciones de los equipos Los equipos industriales necesitan una combinación de las pruebas que se revisaron anteriormente para monitorear la condición de los equipos. La tabla siguiente es un resumen de la aplicabilidad de las pruebas.

Tabla Nº2: Pruebas para monitorear equipos industriales.

Equ

ipo

An

ális

is

Esp

ectr

ográ

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RFS

Ferr

ogra

fía

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cosi

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FTIR

Con

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l Fis

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N

TB

N

Motor R A A R R N/A N/A N/A R

Compresor R R A R R N/A A R N/A

Caja de engranes R R A R R N/A N/A N/A N/A

Hidráulicos R R A R R R A A N/A

Turbinas R R A R N/A R R R N/A

Motores eléctricos R R A R R N/A N/A N/A N/A R : Requerido A : Aconsejable (proporciona mayores detalles, especialmente durante la solución de problemas.) N/A : No aplicable a este tipo de equipos.

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Motores a Diesel y Automotrices El diseño de motores ha cambiado impresionantemente rápido desde la última década y eso combinado con la innovación en metales y componentes de cerámica ha conducido a un menor desgaste y un mayor intervalo en cambio de aceites. Los fabricantes de motores han reconocido las ventajas del análisis de aceite y ellos mismos emiten boletines anuales en los que establecen sus límites condenatorios. Su aporte es muy importante, dado el conocimiento que tiene de la metalurgia de los equipos. La mayoría de los motores requieren de un aceite multigrado diseñado para proporcionar la mayor protección en una amplia variedad de climas. Estos lubricantes contienen una química de aditivos avanzada. Tanto la viscosidad como los paquetes de aditivos son normados y regulados por la SAE y el API. La tabla siguiente considera límites condenatorios para algunos de los motores más conocidos. Las pruebas de espectroscopía y de viscosidad son de las más importantes, además de que en ocasiones se requieren de TBN y FTIR para evaluar la condición del lubricante en motores que son particularmente susceptibles a degradación del lubricante.

Tabla Nº3: Límites Condenatorios para Motores Diesel.

Fabricante del Equipo Prueba de análisis de aceite

Caterpillar Cummins Detroit Diesel

Espectroscopía, Fierro 100 ppm 84 ppm 150 ppm

Espectroscopía, Cobre 45 ppm 20 ppm 90 ppm

Espectroscopía, Plomo 100 ppm 100 ppm No especificado Espectroscopía, Aluminio 15 ppm 15 ppm No especificado

Espectroscopía, Cromo 15 ppm 15 ppm No especificado

Espectroscopía, Estaño 20 ppm 20 ppm No especificado Espectroscopía, Sodio 40 ppm 20 ppm 50 ppm

Espectroscopía, Boro 20 ppm 25 ppm 20 ppm

Espectroscopía, Silicio 10 ppm 15 ppm No especificado

Viscosidad +20 % a -10 % del

grado SAE nominal

+/- 1 grado SAE o 4 cSt del

aceite nuevo @ 100°C

+40 % a -15% del grado SAE

nominal @ 40°C

Agua 0.25% máx. 0.2% máx. 0.3% máx.

TBN 1,0 mg kOH/g valor

min.

2,0 mg kOH/g min. , o 50% del inicial o

igual al TAN

1,0 mg kOH/g valor mín.

Dilución por combustible 5% máx. 5% máx. 2.5% máx.

Dilución por Glicol 0,1% máx. 0,1% máx. 0,1% máx.

Ferrografía por excepción por excepción por excepción Nota: Valores referenciales

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Compresores. Los compresores están fabricados en varias configuraciones y sus aplicaciones son muy distintas, por lo que las recomendaciones de lubricante pueden variar significativamente. Los compresores alternativos (de pistón) en ocasiones requieren alimentación del lubricante por goteo de lubricantes de alta viscosidad en alguna de las etapas de compresión y el uso de algún aceite distinto (en algunos casos multigrado o sintético) en el cárter. En compresores de varias etapas, la lubricación de los cilindros es a pérdida y no es fácil determinar una correcta lubricación a menos que se inspeccionen los cilindros visualmente. El cárter pudiera considerarse similar a los de los motores de combustión interna. El análisis de aceite de los compresores rotatorios es mucho más importante, ya que el aceite circulante experimenta mucho mayores variaciones de temperatura y también se ve sujeto a contacto con el gas a comprimir. El aceite es en este caso muy susceptible a la oxidación por las altas temperaturas, ocasionando incremento en la viscosidad y la acidez. Una viscosidad alta incrementa el consumo de energía y una acidez alta, ocasionará corrosión del equipo. La viscosidad puede también cambiar de acuerdo a la solubilidad del gas que se comprime. Los compresores centrífugos experimentan problemas similares en cuanto a la acidez, viscosidad y desgaste de metales, debido a los cambios de aceite tan extendidos. La tabla siguiente proporciona una idea básica de los límites de advertencia para compresores. Estos valores están sujetos a cambio.

Tabla Nº4: Límites condenatorios generales para compresores.

Fabricante del Compresor Prueba de análisis de

aceite Carrier (Centrífugo, Rotatorio)

Atlas Copco (Centrífugo, Rotatorio)

Espectroscopía, Fierro 15 ppm No Especificado

Espectroscopía, Cobre 500 ppm No Especificado

Espectroscopía, Plomo 15 ppm No Especificado

Espectroscopía, Aluminio

15 ppm No Especificado

Espectroscopía, Cromo 15 ppm No Especificado

Espectroscopía, Estaño 15 ppm No Especificado

Espectroscopía, Zinc 500* ppm min. No Especificado

Espectroscopía, Níquel 15 ppm No Especificado

Cloro 20 ppm No Especificado

Viscosidad +20 % a -10 del grado

ISO nominal +20 % a -10 % del grado

ISO nominal

Agua 500 ppm máx 0,2% máx.

TAN 1,0 mg KOH/g máx No Especificado

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Cajas de Engranes (Reductores) La mayoría de las aplicaciones de Engranes están sujetas a condiciones de estrés y altas cargas y por lo tanto, las pruebas de desgaste de metales y la viscosidad son las de principal importancia. Algunos de los fabricantes de engranes, proporcionan algunas guía para la selección de los lubricantes en sus equipos, no publican guía para la condición de desgaste o límites de advertencia. Estas aplicaciones son soportadas básicamente por el establecimiento de tendencias o consideraciones estadísticas. La viscosidad por supuesto se incrementará con el transcurso del tiempo de trabajo, debido a la degradación de aditivos, la oxidación y la contaminación. Es muy recomendable mantener especial atención a las variaciones en la viscosidad. Otras precauciones importantes deberán establecerse para detectar una mala selección del lubricante o mezcla con agua. La tabla siguiente muestra algunas guías en base a experiencias en laboratorio.

Tabla Nº5: Límites condenatorios generales para caja de engranes.

Prueba de análisis de aceite Límites de Alarma Siguiente acción

Recomendada

Análisis Espectrométrico 10 % de incremento sobre la

muestra anterior

RFS Espectroscopía de filtro Rotatorio

Tasa de 2,1 o mayor de gruesos a finos

Ferrografía

Viscosidad +20%, -10% del Grado

nominal ISO

Oxidación 0,2 abs/0,1 mm sobre la última

muestra TAN

Agua 0,25% máx. Karl Fisher

Sistemas Hidráulicos La contaminación es el más serio problema que afecta a los Sistemas Hidráulicos por lo que deben ser monitoreados periódicamente. La tierra y el agua son los más peligrosos contaminantes en estos sistemas. Está estimado que del 75 al 85% de todas las fallas en sistemas hidráulicos son resultado directo de la contaminación del fluido. Los componentes como bombas, válvulas, actuadores y cañerías son afectados por la contaminación de la siguiente manera:

• Fugas internas que reducen la eficiencia de la bomba y motores y reduce la habilidad de las válvulas de controlar el flujo y la presión. Esto genera desperdicio de potencia (HP) y genera exceso de temperatura.

• Corrosión en el sistema por ácidos que se forman debido a la oxidación del aceite y la contaminación con agua.

• Atascamiento de válvulas debido a contaminación por partículas.

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Algunos lineamientos generales para sistemas hidráulicos son listados en la tabla Nº6. La filtración o remoción de agua se recomiendan cuando los límites de alarma se exceden en el conteo de partículas o agua respectivamente.

Tabla Nº6: Límites condenatorios generales para sistemas hidráulicos.

Prueba de análisis de aceite Límites de Alarma Siguiente acción Recomendada

Espectroquímico Silicio 15 ppm Espectroquímico Cobre 12 ppm

Espectroquímico Fierro 26 ppm

RFS Espectroscopía de Filtro Rotatorio

Tasa de 2:1 o mayor de gruesos a finos

Ferrografía

Viscosidad +20%, -10% del Grado nominal ISO

Oxidación 0,4 abs/0,1 mm sobre la muestra anterior

TAN (1,5 mg kOH/g máx.)

Conteo de Partículas Código ISO 17/14 Agua 0,1% máx. Karl Fisher

Nota: El límite de conteo de partículas es mucho menor en algunos sistemas hidráulicos dependiendo de sus componentes.

Aceites de Turbina y Aceites Circulantes Las turbinas son sistemas de lubricación de pleno flujo o flujo total que requieren cantidades altas de lubricante. Los componentes de éstos equipos tienen poca tolerancia a los contaminantes o a la oxidación, por lo que se requiere de un monitoreo continuo para evitar daño al equipo. En este caso los fabricantes de los equipos proporcionan guías completas para el mantenimiento de estos fluidos para una operación sin problemas. La contaminación por agua es particularmente indeseable, ya que tiende a formar una emulsión que reducirá las características de lubricación e induce a la corrosión. La transferencia de calor también se ve reducida lo que conduce a una mayor temperatura de los rodamientos. Los aditivos antidesgaste pueden ser agotados con la presencia de agua en el aceite, llevando al equipo a una menor protección y desgaste. Las partículas contaminantes pueden taponar los conductos de lubricación, filtros en línea y sistemas de control. La viscosidad del aceite tiende a mantenerse estable por muchos años, a menos que se presente un problema de oxidación, por lo que se establecen límites condenatorios de TAN muy bajos comparados con otros tipos de aceites y aplicaciones. Algunos límites aparecen en la tabla siguiente.

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Tabla Nº7: Límites condenatorios generales para turbinas.

Prueba de análisis de aceite Turbinas de Vapor Turbinas de Gas

Espectroquímico, Fierro 15 ppm No Especificado

Espectroquímico, Cobre 500 ppm No Especificado

Espectroquímico, Plomo 15 ppm No Especificado Espectroquímico, Aluminio 15 ppm No Especificado

Espectroquímico, Cromo 15 ppm No Especificado

Espectroquímico, Estaño 15 ppm No Especificado Espectroquímico, Zinc 500* ppm min. No Especificado

Espectroquímico, Níquel 15 ppm No Especificado

Cloro 20 ppm No Especificado

Viscosidad +20 % a -10 % del

grado ISO nominal +20 % a -10 % del

grado ISO nominal

Agua 500 ppm máx 0,2% máx.

TAN 1,0 mg kOH/g máx

Metodologías de Alarma Alarmas Absolutas Están basadas en las recomendaciones del fabricante del equipo o las recomendaciones del Ingeniero de Lubricación o boletines técnicos. Estas alarmas definen rangos de trabajo o límites condenatorios y son aplicables principalmente a las condiciones del lubricante y a la contaminación. Una larga investigación se ha desarrollado para llegar a esos límites y proporcionan un punto muy válido de arranque en cualquier programa de análisis de aceite. Las alarmas absolutas pueden funcionar adecuadamente cuando se refiere a un equipo nuevo que se encuentra en garantía, ya que la falta de seguimiento a estos lineamientos en ocasiones provoca que las garantías no se hagan válidas. Alarmas Estadísticas Las alarmas establecidas por los fabricantes de equipo original, tienen la desventaja de que están elaboradas en base a unas situaciones de operación promedio, que pueden no reflejar las condiciones actuales de una maquinaria en especial. Las alarmas Estadísticas, están basadas en la selección de una pequeña muestra de información del equipo, analizando la distribución de la información y utilizando sus características estadísticas para determinar los límites de alarma. El análisis de la tendencia estadística permite la identificación del equipo que requiere de especial atención, logrando efectuar el mantenimiento en una manera eficiente.