Evaluación del contenido elemental en lubricantes: propósitos, técnicas e información
La medición del contenido elemental en lubricantes industriales cumple varios propósitos críticos que son esenciales para garantizar el rendimiento, la confiabilidad y la longevidad tanto de los lubricantes como de los equipos en los que se utilizan. Verificar regularmente el contenido elemental asegura que el lubricante mantenga su composición especificada, garantizando un rendimiento consistente. Esto es particularmente importante durante la fabricación y antes de que el lubricante se aplique en maquinaria crítica.
Otras razones para realizar estas mediciones son las siguientes:
Detección de metales de desgaste: A medida que los componentes del equipo se desgastan durante la operación, se generan partículas metálicas que circulan por el sistema de lubricación. Analizar el contenido elemental ayuda a detectar metales de desgaste liberados en el lubricante desde los componentes de la maquinaria. Esto puede indicar la tasa de desgaste de las piezas, permitiendo un mantenimiento predictivo y previniendo fallas catastróficas. En caso de falla de la maquinaria, analizar el contenido elemental del lubricante puede ayudar a identificar la causa raíz.
Identificación de contaminantes: La presencia de ciertos elementos puede indicar contaminación de fuentes como suciedad, fugas de refrigerante o agua de mar. Identificar estos contaminantes ayuda a comprender los modos de error y a reducir las posibles causas.
Agotamiento de aditivos: Los lubricantes contienen diversos aditivos que mejoran el rendimiento al proporcionar propiedades como resistencia al desgaste, anti oxidación y protección contra la corrosión. Medir estos elementos ayuda a evaluar la condición y la vida útil restante del lubricante. Los profesionales de la industria suelen monitorear posibles cambios en la concentración a lo largo del tiempo, partiendo de la concentración inicial del lubricante nuevo.
La siguiente tabla resume los elementos más importantes relacionados con su origen principal:
Métodos para realizar el análisis elemental
La historia del análisis elemental se remonta a las décadas de 1940 y 1950, cuando se utilizó en la industria ferroviaria para determinar la presencia de metales de desgaste en aceites de motores diésel. En su forma actual, el análisis elemental se utiliza para determinar las concentraciones de más de 30 elementos diferentes.
Casi todos los laboratorios de análisis de aceite utilizan uno de dos tipos de espectrómetros de emisión atómica: un instrumento de plasma acoplado inductivamente (ICP) o un instrumento de electrodo de disco giratorio (RDE). La principal diferencia entre estos dos radica en el método de vaporización de la muestra y excitación de átomos mediante una fuente de alta energía.
En un instrumento ICP, el aceite se inyecta en un plasma de argón de alta temperatura, donde los átomos se vaporizan, excitan y posteriormente emiten luz. En un espectrómetro RDE, también conocido como instrumento de “Arco-Chispa”, el aceite se vaporiza y excita utilizando una descarga de alto voltaje entre un electrodo y un disco de carbono giratorio. Además de los diferentes métodos de vaporización y excitación, el resto del instrumento funciona de manera similar en los espectrómetros ICP y RDE.
La luz emitida por los átomos excitados se recolecta y se enfoca en la rendija del espectrómetro. Dentro del espectrómetro, una rejilla de difracción, que funciona como un prisma, divide la luz en longitudes de onda discretas según su ángulo de difracción. La intensidad de la luz en cada ángulo, comúnmente referido como un canal, se mide utilizando un fotodiodo sensible a la luz. La señal de voltaje resultante se convierte en una concentración en partes por millón (ppm) mediante un procedimiento de calibración.
Aunque ICP y RDE miden la composición elemental de una muestra utilizando un principio común, la implementación práctica de las dos técnicas es radicalmente diferente. Un ICP requiere preparación de la muestra, que típicamente incluye un pretratamiento con ácido y digestión por microondas, además de un suministro de gas portador. Dado que el procedimiento de medición es bastante complejo, los ICP se encuentran típicamente en laboratorios bien equipados con operadores capacitados.
Por otro lado, el método RDE no requiere preparación de la muestra y esta se mide tal como se recibe. La instrumentación requiere condiciones de temperatura estables, pero no materiales adicionales. Esto significa que el método RDE puede usarse no solo en un entorno industrial, sino también en campo o en ubicaciones remotas.
El método ICP ofrece la ventaja de límites de detección por debajo de ppm, así como la capacidad de detectar azufre en análisis de rutina. Los instrumentos RDE típicamente no detectan azufre debido a la falta de un sistema de vacío, pero ofrecen límites de detección en ppm para hasta 32 elementos, incluyendo los elementos relevantes encontrados como metales de desgaste o en paquetes de aditivos de aceite. Para el análisis de aceite usado, el RDE ofrece la ventaja de que puede detectar partículas de hasta 10 µm, mientras que el ICP típicamente solo detecta partículas por debajo de 5 µm.
Comparación de datos
Para investigar la relación entre la composición elemental determinada por ICP y RDE, se recolectaron 35 muestras de aceite para engranajes, aceites hidráulicos y aceites de motor de una planta siderúrgica. Se utilizaron aceites nuevos y en servicio para el estudio. Las muestras se midieron utilizando un espectrómetro 2500 ICP-OES de Agilent según ASTM D5185 y un espectrómetro ERAOIL RDE-OES según ASTM 6595. Para las mediciones de ICP, las muestras se trataron con ácido nítrico y peróxido de hidrógeno y luego se digirieron por microondas a 190°C. Las muestras de RDE se midieron sin preparación de la muestra.
Figura 1: Hierro y zinc determinados por ICP y RDE
Los elementos que fueron detectados por ICP en al menos el 20% de las muestras se utilizaron para la comparación. En general, los resultados de ICP y RDE coinciden bien tanto para los metales de desgaste detectados como para los elementos que pueden asignarse a aditivos. La Figura 1 muestra la correlación entre los niveles de hierro (Fe) y zinc (Zn) en las muestras. La Tabla 1 resume las correlaciones obtenidas para todos los elementos investigados.
Todos los elementos investigados mostraron un alto grado de correlación entre los dos métodos, con factores R2 superiores a 0.95 y factores de correlación cercanos a la unidad. La desviación del factor de correlación de 1 probablemente no está relacionada con una diferencia en la calibración, ya que ambas técnicas se calibran con materiales de referencia certificados similares. Es posible que la diferencia esté relacionada con la preparación de la muestra utilizada para ICP y las diferentes formas en que los dos métodos excitan los átomos en la muestra. De esta manera, la diferencia solo aparece para muestras reales y no para los complejos metallo-orgánicos artificiales utilizados para calibrar los instrumentos.
Para un subconjunto de las muestras recolectadas, se pudo mostrar una clara diferencia en los resultados de ICP y RDE para un elemento. Los aceites de motor recolectados (aceites de motor diésel) habían sido sobrebasificados para aumentar el valor de TBN del aceite y, en consecuencia, tenían niveles elevados de calcio. Los resultados para el calcio en estos aceites sobrebasificados se muestran en la Figura 2.
Figura 2: Calcio en aceites sobrebasificados determinado con ICP y RDE
Para las muestras de alta concentración, el método RDE subestima significativamente la concentración real (factor de correlación 2.5), pero aún muestra un alto grado de correlación (R2=0.99). El calcio en estos aceites sobrebasificados está presente en forma de micelas grandes, y se plantea la hipótesis de que la chispa electrónica del método RDE no puede excitar completamente los átomos de calcio. Para los métodos ICP, la digestión por microondas asegura que estas micelas se destruyan, permitiendo que el calcio se excite completamente.
Para investigar esta hipótesis, dos muestras con diferentes paquetes de aditivos, que habían sido sometidas a la preparación de muestras para ICP, se midieron en el RDE. Los resultados se muestran en la Tabla 2.
Tabla 1: La correlación resultante entre ICP y RDE para los 8 elementos investigados.
Tabla 2: Resultados de calcio obtenidos por ICP y RDE con y sin preparación de muestra.
Los resultados de estas mediciones mostraron que, al usar la misma preparación de muestra, los valores de calcio de los dos métodos se alinearon. Para los aceites sobrebasificados, los resultados de RDE sin preparación de muestra subestimarán la concentración de calcio. Dado que los diferentes aceites tenían diferentes paquetes de aditivos, es probable que este efecto sea general y se aplique a todos los tipos de detergentes de calcio utilizados para sobrebasificar aceites. Sin embargo, la correlación entre RDE sin preparación de muestra e ICP sigue siendo excelente (R2=0.99), lo que muestra que la diferencia en los valores absolutos puede compensarse en el procedimiento de calibración para aceites sobrebasificados. La alternativa más complicada es emplear el mismo procedimiento de preparación de muestra para ambos métodos.
Conclusión
Medir el contenido elemental en todo tipo de lubricantes es esencial para garantizar su rendimiento, confiabilidad y longevidad, así como la de las máquinas en las que se utilizan. El análisis regular detecta metales de desgaste, proporcionando información sobre la tasa de desgaste de las piezas, contribuyendo al mantenimiento predictivo y previniendo averías. También identifica contaminantes y detecta el agotamiento de aditivos que afecta el rendimiento del lubricante. Típicamente, el análisis de aceite se realiza para este propósito utilizando un dispositivo de plasma acoplado inductivamente (ICP) o de electrodo de disco giratorio (RDE). El ICP proporciona resultados precisos con una preparación previa de la muestra, mientras que el RDE es mucho más fácil de usar. Un estudio comparativo ha mostrado que los resultados de medición entre ICP y RDE generalmente correlacionan muy bien tanto para aceites nuevos como para aceites en servicio. En el caso de los aceites de motor sobrebasificados, se encontró que los niveles de calcio fueron subestimados por el RDE. Se pudo demostrar que la diferencia puede mitigarse al emplear la misma preparación de muestra para ambos métodos o al utilizar una calibración especial para el calcio en los aceites sobrebasificados en el instrumento RDE.
Dr. Niklas Christensson, Director General, eralytics GmbH
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