El efecto destructivo del agua en la función de un sistema lubricado.

Parte 1

En mi experiencia administrando laboratorios y programas de análisis de aceites he observado con mucha penuria por parte de los usuarios cómo un contaminante crítico en la funcionalidad de los sistemas lubricados: la contaminación con agua, es poco comprendida o en muchos casos subestimada su capacidad de daño, tanto así que le ponen bajo o nulo énfasis en tomar las medidas adecuadas en la lucha contra este agente causal de fallas, conviviendo con esto como si fuera poco controlable, o tomando acciones correctivas muy lentas que dan tiempo a que el efecto destructivo del agua haga “su trabajo” de afectar al sistema condicionando su disponibilidad y confiabilidad.

En esta primera parte explico los daños que ocasiona la contaminación con agua, sus interacciones, cómo ingresa, sus modos de existencia y un cálculo para estimar la masa del agua que ingresa a un tanque de aceite en función de la humedad relativa y de la temperatura usando en combinación con la ley de los gases ideales una expresión  extremadamente precisa que describe la saturación de agua en el aire (fórmula de Jianhua Huang, Universidad de Wuhan).

1) Los efectos de la contaminación con agua. 

El agua es unos de los contaminantes más peligrosos y destructivos de los sistemas lubricados, aunque se considera que el primer factor causante de daños o fallas es la contaminación por partículas sólidas pero en algunas aplicaciones industriales el agua puede causar aún mayor daño.

A diferencia de las partículas el nivel de detección de la contaminación con agua puede demorar más en identificarse su presencia esto puede ser debido al instrumento que se utiliza para medirla ya que en muchos casos algún equipo de análisis puede reportar 0% de agua pero el límite de detección no es muy adecuado y no está mostrando contaminación por que no es capaz de detectarla, pero realmente siempre hay presencia de agua.

La contaminación con agua causa daño tanto al lubricante como a la maquinaria. La principal degradación que causa en la maquinaria es la herrumbre y estas partículas al formarse son muy duras (abrasivas), incluso más duras que el acero, y las consecuencias del desgaste abrasivo se suman dando mayores problemas que la que ya se tiene con el agua.

La contaminación con agua en los lubricantes también trae como consecuencia que estos sean más proclives a la aireación o contaminación con aire haciéndolo más peligroso principalmente en sistemas hidráulicos y compresores ya que el aire causa que el fluido pierda cierto nivel de compresibilidad afectando la función del sistema para ejercer trabajo así como problemas de cavitación.

El aire atrapado ocasionado por la contaminación por agua también ocasiona la reducción de la liberación de calor (transferencia) con el consiguiente incremento de la temperatura ya que impide que se logre disipar el calor generado en el sistema lubricado debido a que las burbujas de aire actúan como un aislante dado la baja conductividad térmica del aire.

La contaminación con agua también produce un mecanismo de desgaste llamado fragilización por hidrógeno, ya que dadas ciertas condiciones operativas, el agua se descompone en sus constituyentes moleculares: oxígeno e hidrógeno y luego este último se adsorbe sobre las superficies metálicas. Esto crea una superficie más dura, pero poco flexible que hace que los elementos rodantes (con régimen elastohidrodinámico) no funcionen adecuadamente ya que producto de esta fragilidad y el uso se producen agrietamientos de las pistas rodantes desprendiéndose material sólido, que se traducen en limaduras en los reportes de análisis de aceite y que podría identificarse el efecto destructivo del agua con inspecciones filtrográficas al microscopio.

El agua por lo general se hace presente en la zona donde se requiere carga alta o moderada, dado esto, el agua ocasiona el debilitamiento de la película lo que la hace disminuir su capacidad de soportarla, por lo que la carga que demanda el sistema se desarrolla sobre una película más delgada produciendo una zona de lubricación mixta, donde una parte está lubricada con una película de baja resistencia y la otra sin lubricante  y debido a esto los componentes entran en contacto entre sí, ocasionando fricción y desgaste.

El agua en un tanque de lubricante también causa la formación de lodos; esto es principalmente una consecuencia de la oxidación del aceite lubricante (degradación), pero esto adicionalmente puede provocar otro problema, como el espesamiento del aceite, ya que estos lodos (barnices, subproductos de oxidación) al ser de naturaleza sólida al mezclarse con el lubricante ocasionan el aumento de la viscosidad, y esto puede afectar la efectividad de la lubricación y obstruir los filtros de presión con los que cuenta el sistema.

El agua promueve la oxidación e hidrólisis del aceite base, la degradación y el lavado de aditivos, dado su naturaleza polar las zonas polares de los aditivos son atraídos hacia las gotitas de agua. Además el agua fomenta el crecimiento microbiano (contaminación biológica de hongos y bacterias) que contribuyen a degradar aún más al aceite y obstruir los filtros.

Fig. 1 Consecuencias de la contaminación con agua
Fig. 1 Consecuencias de la contaminación con agua

2) Composición de las mezclas de aire y agua y su interacción.

El aire húmedo es una mezcla de vapor de agua y de aire seco. A su vez, el componente aire seco es una mezcla de gases permanentes más o menos fijos de los cuales un 78% es N2, un 21% es O2 y el resto lo constituyen un gran número de gases (O2, N2, CO2, gases nobles) y partículas sólidas.

La mezcla aire-vapor de agua y vapor de lubricante constituye un sistema heterogéneo con básicamente tres componentes: Aire seco, agua y vapores de lubricante, que teóricamente puede ser modelada aplicando la ley de los gases ideales, obviamente cuando todos están en fase vapor. Pero realmente los lubricantes contienen aditivos de variadas formulaciones químicas que influyen en la solubilidad mutua y sus interacciones físico químicas se tornan complejas y aún más el tratamiento termodinámico de la mezcla.

Fig 2 Interacción del agua aire y lubricante
Fig 2 Interacción del agua aire y lubricante

A estos se deben incluir los factores que influyen en la interacción, como la temperatura, la presión, la humedad del aire, la solubilidad del agua en el lubricante y la actividad del agua líquida al solubilizarse en el lubricante, (su efecto puede ser medido parcial e indirectamente por el nivel de oxidación del aceite ya que el agua disminuye la vida útil de un lubricante), también debe ser considerada la edad del fluido lubricante, ya que debemos tener muy en cuenta que la solubilidad del agua (capacidad de retención de agua) en los aceites aumenta conforme este último se va envejeciendo, pudiendo llegar a tener una solubilidad mucho mayor que el aceite nuevo.

Fig. 3 Curva de solubilidad del agua en un aceite de turbina ISO 32
Fig. 3 Curva de solubilidad del agua en un aceite de turbina ISO 32

La mayoría de los aceites industriales, como los fluidos hidráulicos, los aceites de compresores o de turbinas, etc., cuando están nuevos sin usar pueden contener humedad (en estado disuelto) dependiendo de la temperatura. Por ejemplo en el grafico 3 que se muestra, a 25°C el aceite puede tener aproximadamente un poco menos de 30 ppm de agua para que sea agua disuelta y exactamente 30 ppm en el punto de saturación, y a 50° C, puede tener unos 104 ppm de agua en su nivel de saturación. Esto evidencia que es preferible operar en lo posible a bajas temperaturas para minimizar la contaminación con agua en los sistemas.

3) ¿Cómo ingresa el agua?

El agua que se encuentra en los reservorios de lubricantes puede ingresar de varias maneras, pero se considera que la atmósfera es la principal fuente de humedad. Entre los mecanismos que contribuyen al ingreso de agua se puede contar:

  • La humedad puede contaminar el tanque debido a la diferencia en la presión de vapor de agua en la atmósfera y la presión del espacio vacío del tanque de aceite, produciéndose un flujo de aire húmedo que ingresa al tanque.
  • Debido a la caída de temperatura de los tanques (que por lo general son atmosféricos), la presión atmosférica es más alta que la presión dentro del tanque y así se generará un flujo de aire húmedo que ingresa al tanque, asumiendo que no hay un respirador deshidratante y si lo hubiera este ha perdido eficiencia o está saturado y está dejando pasar humedad o también que se haya seleccionado un filtro desecante con flujo de humedad tratable menor de lo que requiere el sistema.
  • Poco cuidado en los rellenos y cambios de aceite debido a malas prácticas de control de contaminación.
  • El agua adicionalmente ingresa por fugas y goteos en conexiones mal ajustadas o con sellos deficientes. El daño puede aumentar su potencial cuando ingresa agua de lluvia.
  • Durante la operación por ejemplo en sistemas hidráulicos los ciclos operativos de bombeo hacen que las bombas de aceite aspiren aire debido al desplazamiento volumétrico causado por la presión “negativa” de las bombas. Aunque esto puede ser compensado parcialmente por el flujo de retorno de aceite al reservorio.
  • Durante los mantenimientos y lavados de los tanques estos se exponen directamente al aire atmosférico y allí por lo general la humedad del aire puede condensarse en finas gotas y si no se toman las medidas adecuadas en la reinstalación de los componentes el agua se quedará allí y empezará su proceso degenerativo tanto del aceite como de la maquinaria con formación de herrumbre y esta como ya hemos dicho es muy dura y producirá desgaste abrasivo en la operación del equipo.

4) Formas de expresión de la presencia de agua en un lubricante.

Hay tres formas en que el agua puede estar presente contaminando un lubricante: En forma de agua disuelta, emulsionada o en forma de agua libre, siendo las dos últimas formas las más peligrosas para los equipos lubricados.

El agua disuelta es caracterizada por que moléculas de agua se dispersan a través del aceite y por lo general no es muy perjudicial, excepto en maquinarias altamente sensibles, en las cuales se requiera niveles excepcionalmente bajos de agua. Este tipo de agua ingresa al lubricante a través de la humedad del aire y el lubricante simplemente absorbe el agua hasta alcanzar su punto de saturación. En este punto aún no se aprecia ningún signo de contaminación con agua, tales como opacidad o turbidez. En este sentido el agua y el lubricante se profesan una gran afinidad y buscan un estado de equilibrio que se traduce en su punto de saturación.

El agua emulsionada. Se presenta cuando hay suficiente cantidad de agua en el lubricante y se rebasa su punto de saturación, (ver Figura 3.). La agitación  causada por las bombas y la operación de los componentes puede favorecer la formación de la emulsión, pero también puede ser causada por algún aditivo del lubricante y por lo general el lubricante se ve opaco o turbio y esto es causado por las pequeñas gotitas de agua que están suspendidas en el aceite. Esta forma de agua es la más perjudicial, ya que fluye con el lubricante y afecta la zona de carga.

El agua libre es un poco menos dañina que el agua emulsionada, pero aún tiene potencial de causar problemas. Según el aceite y su aditivación, la mayoría no retienen el agua en suspensión más allá del punto de saturación y tienden a separar el agua (efecto de demulsibilidad). El agua que es más densa que los lubricantes minerales, se decantará en el fondo del tanque, donde puede ser drenada. Pero también hay otros problemas colaterales por la contaminación con agua: afecta la capacidad del lubricante para separarse del agua permitiendo la formación de emulsiones; puede promover la contaminación biológica (hongos y bacterias) que contribuyen a degradar aún más al aceite y obstruir los filtros.

5) Cálculo de la Masa de agua en un espacio húmedo en función de la HR y la temperatura.

El aire contiene una masa específica de agua dependiendo de la temperatura y la humedad relativa. La siguiente ecuación calcula la masa de agua mH2O en un volumen V a una temperatura “t”  que tiene una humedad relativa RH. La ecuación combina la ley de los gases ideales y  una expresión extremadamente precisa que describe la saturación de agua en el aire (fórmula de Huang, Universidad de Wuhan, China).

La presión de vapor saturado del agua puede ser calculada por la fórmula de Huang cuya mayor precisión que otras fórmulas incluso la de Magnus ha sido comprobada según esta referencia.

Formula de Huang para determinar la presión de vapor del agua saturada.
Formula de Huang para determinar la presión de vapor del agua saturada.

(t > 0°C); Ps en Pascal; t en °C.

Masa de agua en el espacio vacío de un tanque de lubricante.
Masa de agua en el espacio vacío de un tanque de lubricante.
Fig 4 Representación de un reservorio de aceite
Fig 4 Representación de un reservorio de aceite

Debe considerarse que para aplicar esta ecuación se deben tener condiciones de equilibrio térmico o sea que la temperatura del volumen de aire húmedo es la misma que la del aceite, además que se debe despreciar la presión de vapor que pueda ejercer los vapores de aceite básico del lubricante.

Al aplicar esta ecuación a eventos mutuamente excluyentes ya que se mantiene el volumen fijo de 0.2 m3 lo cual no es físicamente posible para un solo evento, adicionalmente aplicado a diferentes temperaturas y a HR de 60%, 70%, y 80% podemos obtener el siguiente gráfico.

Fig. 5 Masa de agua presente a un volumen fijo en función de la HR y la temperatura.

Se aprecia claramente que trabajar a temperaturas lo más bajas posibles y en ambientes de menor humedad relativa produce menor contaminación con agua en los sistemas lubricados.

CONCLUSIONES

  • Todos los problemas asociados a la contaminación del agua en el sistema lubricado menoscaban la integridad del aceite lubricante y directamente afectan la funcionalidad y operatividad del sistema lubricado originando problemas que se van acumulando lenta pero progresivamente y que muchas veces pasan desapercibidos por el personal de mantenimiento u operaciones, especialmente si no tienen actividades planificadas de monitoreo del nivel de contaminación con agua.
  • Según la curva de la figura 5, se evidencia que es preferible operar en lo posible a bajas temperaturas para minimizar la contaminación con agua en los sistemas. Los cambios en la humedad relativa también afectan la funcionalidad ya que por ejemplo si las maquinarias funcionan en climas húmedos, el comenzar a operar en las primeras horas de la mañana no es muy recomendable ya que a esas horas se tiene los mayores niveles de humedad y el potencial destructivo del agua es potenciado mucho más. Además se recomienda en operaciones muy sensibles a la contaminación con agua que incluyan sistemas de aire acondicionado con un continuo monitoreo de la humedad y temperatura así como en los reservorios de lubricante para poder gestionar (controlar) la contaminación.
  • Se recomienda el monitoreo del nivel de contaminación con agua de los aceites para contrarrestar los problemas que ocasiona. Por ejemplo se puede usar una prueba de campo que es el craqueo (hot plate) que consiste en poner una gota sobre una superficie a más de 150°C y detectar las crepitaciones del agua. Esto es más efectivo y económico cuando se trata de identificar la presencia de agua y no cuantificarla. Para esto último hay test de campo muy precisos y también para aquellos sistemas más sensibles en cuanto a los niveles de contaminación la prueba de Karl Fischer es la más recomendada por su exactitud y por determinar cantidades muy bajas de agua, entre estos sistemas podemos encontrar: transformadores eléctricos, compresores de refrigeración, turbomáquinas y algunos sistemas hidráulicos.
  • Es importante que al hacer el monitoreo puedan determinar los niveles máximos permisibles de contaminación de agua en su sistema y elijan el equipo o el servicio que puedan detectar el nivel adecuado fijado de acuerdo a sus objetivos de confiabilidad que se ha prefijado para sus equipos.
  • Podríamos mencionar que el agotamiento rápido de los aditivos antioxidantes (debido al lavado de los aditivos) fomenta la formación de insolubles por oxidación del aceite base por consiguiente conforme pasa el tiempo se forman barnices y depósitos en los conductos de aceite, además como el aceite puede estar espumoso por aire atrapado (por contaminación con agua) se reduce la eficiencia del flujo de bombeo (por cavitación) haciendo que el equipo pierda funcionabilidad y su confiabilidad se vea afectada ya que lentamente va perdiendo efectividad la lubricación.
  • Pueden usarse las ecuaciones mostradas para calcular aproximadamente la cantidad de agua que puede retener un respirador desecante determinando los cambios de volumen de aire que se dan en la operación para estimar el tiempo de uso o saturación.

 

Mantener sus equipos con los niveles más bajos posibles de humedad y además de limpios, reducirá los fallos, menos paradas, mayor productividad de sus sistemas, mayor confiabilidad y disponibilidad así se  garantizará una mayor la vida útil de sus activos.

Próximo Artículo: 

En la segunda parte de este artículo estimaré los costos asociados a la contaminación con agua y su impacto económico en la funcionalidad de un sistema.

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Así como para avisarte de la publicación de la segunda parte de este artículo.

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