Ingenieros de Lubricación Ltda.

PROPIEDADES FISICO-QUIMICAS DE LOS LUBRICANTES SINTÉTICOS

Por:

PEDRO ALBARRACIN AGUILLON
INGENIERO MECANICO UdeA
OCTUBRE 8 DE 2003

MEDELLÍN - COLOMBIA

En la Tabla No1 se comparan las propiedades físico-químicas de los diferentes lubricantes sintéticos con los minerales, su compatibilidad y otros aspectos que se deben tener en cuenta cuando se utilicen.

Tabla No1
Propiedades físico-químicas de los lubricantes sintéticos versus los minerales

Propiedad

Tipos de Aceite

Mineral

PAO

PAG

ARAL

FLUC

SILIC

ESTERES

ADI

AFO

POL

SIL

POLE

Propiedades lubricantes

Viscosidad-temperatura

Estabilidad térmica

Resistencia al fuego

Estabilidad a la oxidación (con inhibidor)

Fluidez a bajas temperaturas

Propiedad antiherrumbre (con inhibidor)

Estabilidad a la hidrólisis

Volatilidad

Solubilidad con aditivos

Compatibilidad con pinturas y barnices

Compatibilidad con aceites minerales

Tendencia a ablandar el Buna N

Costo

Bajo

Medio

Muy alto

Alto

Medio

Muy alto

Alto

Medio

Notas:

(1) PAO: Polialfaolefina(2) PAG: Polialkileneglicol(3) ARAL: Aromáticos Alquilatados(4) FLUC: Fluorocarbonos(5) SILIC: Siliconas(6) ADI: Esteres de ácidos dibásicos(7) AFO: Esteres de ácido fosfórico (8) POL: Esteres de polifenil (9) SIL: Esteres de silicato(10) POLE: Poliésteres

Nomenclatura:F: Fuerte; Excelente; MB: Muy Buena; B: Buena; M: Moderada; L: Ligera; P: Pobre; N: Ninguna

SELECCIÓN DEL LUBRICANTE SINTETICO

En la selección de un lubricante sintético, para una aplicación especifica, se deben tener en cuenta parámetros de diseño como la carga, velocidad, temperatura de operación, condiciones ambientales y la aplicación en la cual se quiere implementar este tipo de lubricantes. Ante todo y bajo cualquier circunstancia, se debe justificar su empleo y al hacerlo es necesario tener en cuenta los siguientes aspectos:

Menor consumo de energía mediante el control de la fricción fluida ó EHL.
· Reducción del desgaste.
· Disminución de la temperatura de trabajo.
· Reemplazo de varios grados ISO por uno solo.
· Altas frecuencias entre cambios de aceite.
· Compatibilidad con los productos que se están procesando (telas, alimentos, etc).
· Menos paros en la producción.
· Control de la herrumbre y de la corrosión.
· Resistencia a contaminantes, como gases de hidrocarburo (propano, isobutano, etileno, H2S), agua, sal, ácidos, etc.
· Alta detergencia y capacidad de limpieza naturales.

Cualquiera de estos factores es altamente influyente a la hora de tomar la decisión de utilizar un lubricante sintético, quizás unos más que otros, pero todos ellos se deben tener en cuenta por igual. Tal es el caso, por ejemplo, de un soplador de lóbulos en el cual los rodamientos y engranajes trabajan a una temperatura de 80°C, temperatura a la cual es factible la utilización de un aceite mineral, pero asumiendo los inconvenientes que esta decisión conlleva, como: frecuencias entre cambios de aceite muy cortas, debido a su rápida oxidación (mes y medio en promedio); formación de gomas, lo cual hace necesario lavar internamente los rodamientos y engranajes cada vez que se cambie el aceite; interrupción de la producción al parar el soplador por el cambio del aceite, siendo en algunos casos hasta de 4 horas, con los trastornos visibles para el sistema productivo de la empresa.

promedio); formación de gomas, lo cual hace necesario lavar internamente los rodamientos y engranajes cada vez que se cambie el aceite; interrupción de la producción al parar el soplador por el cambio del aceite, siendo en algunos casos hasta de 4 horas, con los trastornos visibles para el sistema productivo de la empresa.

Como se puede apreciar en este caso, a pesar de que el factor temperatura es crítico, éste no surge como definitivo cuando se trate de implementar un lubricante sintético, ya que se puede convivir con los inconvenientes que conlleva el uso de un aceite mineral. Sin embargo, es saludable anotar que su utilización resultaría más económica porque serían mayores los intervalos del cambio de aceite, y en lugar de hacerlo cada mes y medio se haría cada siete meses y medio aproximadamente (la frecuencia real la daría los análisis de laboratorio); no sería necesario lavar internamente los mecanismos del soplador, ya que los aceites sintéticos no forman gomas ni barnices y no habrían paros innecesarios en la producción.

La suma de estos factores (no se han tenido en cuenta ventajas tan importantes como la reducción del consumo de energía por menor fricción fluida ó EHL, ni al disminución del desgaste), justifica con creces el empleo de un aceite sintético, en lugar de uno derivado del petróleo. En otras situaciones como en el caso de los rodamientos de un motor eléctrico que trabajan a 60°C, la justificación de utilizar una grasa sintética en su lubricación estaría fundamentada en las altas frecuencias entre reengrases, mientras que en la lubricación de un compresor de tornillo de cámara de compresión húmeda, que comprime gas propano, no habría más alternativa que la de utilizar un aceite sintético del tipo Polialkileneglicol. En situaciones como ésta se requiere que a altas temperaturas el aceite no sea miscible con el gas para evitar problemas de dilución y la pérdida de viscosidad del aceite. En este caso, de no utilizarse un aceite sintético, se tendría que cambiar el aceite mineral, con tal frecuencia que no sería factible operar económicamente el compresor; y por otro lado se correrían riesgos de operativo, porque al presentarse la dilución del aceite por el gas, su punto de inflamación se reduciría hasta valores extremadamente peligrosos, haciendo que el compresor en cualquier momento se pueda incendiar.

El hecho de que un lubricante sea sintético, no quiere decir que se pueda utilizar para cualquier condición de operación, en otras palabras un lubricante sintético no se puede considerar como el “lubricante milagroso”, ya que donde el uso de un lubricante sintético da excelentes resultados, otro puede acarrear consecuencias catastróficas en el funcionamiento del equipo.

En la Tabla No2 se da una guía en la selección de un lubricante sintético, de acuerdo con la temperatura de trabajo.

Tabla No2
Rango de temperaturas de trabajo para diferentes tipos de lubricantes sintéticos

Tipo de lubricante sintético	Rango de la temperatura de trabajo
Tipo de lubricante sintético	°C	°F
Hidrocarburos Sintetizados	-42 a 180	-44 a 356
Poliglicoles	-29 a 222	-20 a 431
Esteres de Acidos Dibásicos	-38 a 180	- 36 a 356
Esteres de fosfato	-26 a 149	-15 a 300
Esteres de Poliol	- 25 a 222	-13 a 431

Otra característica de algunos tipos de aceites sintéticos es su tendencia a ablandar los cauchos como el Nitrilo y el Buna N, los cuales se utilizan en la fabricación de la mayoría de los retenedores en los equipos industriales. El Nitrilo es un excelente material empleado con la mayoría de los aceites y grasas minerales.

El Nitrilo se recomienda para temperaturas de operación continua entre -54° y 107°C (-65° y 225°F) e intermitente hasta 121°C (250°F). El código de este material en el labio del retenedor es R. Los lubricantes sintéticos con los Nitrilos muestran una tendencia que varía de ligera a fuerte, a atacar los Nitrilos (excepto en el caso de las polialfaolefinas, que prácticamente no muestran ninguna tendencia), lo que hace necesario reemplazarlos por fluoroelástomeros como el Viton. Estos materiales resisten temperaturas entre -40°C hasta 204°C (-40° y 400°F), productos químicos y todos los tipos de lubricantes minerales y sintéticos. Ofrecen un funcionamiento y vida de servicio excepcionales. Se identifican con el código V en el labio del retenedor.

El Viton presenta entre otras características las siguientes:

· Excelente funcionamiento en seco.
· Baja expansión.
· Buena resistencia a la abrasión.
· Durómetro entre 80/90.

La siguiente es la metodología que se debe tener en cuenta para seleccionar correctamente un lubricante sintético:

Selección de un aceite sintético

· Se selecciona la base sintética requerida (polialfaolefina, polialkileneglicol, éster de fosfato, etc), de acuerdo con las condiciones a las que el equipo va a operar: temperatura, contaminantes (gases, agua, etc).
· Se selecciona un aceite sintético, de la misma marca (hasta donde sea posible), que la del aceite mineral que se ha venido utilizando, para el mismo tipo de servicio y del mismo grado ISO, por ejemplo, si el aceite mineral es de un grado ISO 320 EP, se selecciona un aceite sintético de grado ISO 320 EP. Con la selección de un aceite sintético de la misma marca que la del aceite mineral, se busca garantizar la asistencia técnica para su implementación por parte del fabricante y que se pueda tener acceso también a los análisis de laboratorio sin costo alguno para la empresa.
· Se corrige el grado ISO del aceite sintético seleccionado (en algunos casos no es necesario hacerlo), mediante el siguiente procedimiento:

1. En el Gráfico 5.1 (Capítulo 5, página 134, libro “Tribología y Lubricación Industrial y Automotriz”, Tomo I, 2da edición, ó en un gráfico Viscosidad-Temperatura, ASTM D-341-43, se localizan los puntos correspondientes a la viscosidad del aceite mineral utilizado, en cSt a 40° y a 100°C. Estos valores se hallan en el catalogo del fabricante del aceite mineral.
2. Por los puntos hallados se traza la curva (que se representa como una línea recta) del aceite mineral.
3. En la escala horizontal inferior del gráfico 5.1, se localiza la temperatura de trabajo del aceite mineral en los mecanismos lubricados (se tiene en cuenta la temperatura más alta medida en el carter ó depósito de aceite del equipo), ya sea en °C ó en °F.
4. Por el valor de la temperatura de trabajo se traza una línea vertical hasta que corte la curva del aceite mineral, este punto de intersección se va a denominar el punto A, y por este punto se traza una línea horizontal, hasta la escala vertical de la izquierda y se lee allí el valor de la viscosidad de diseño (Vd), el cual debe permanecer constante para cualquier condición operacional, bajo la cual puedan haber variaciones en la temperatura de operación del equipo.
5. En el catálogo del fabricante del aceite sintético, del mismo grado ISO que el del aceite mineral, se busca la viscosidad en cSt a 40° y a 100°C y se localizan estos puntos en el Gráfico 5.1.
6. Los puntos del aceite mineral y del sintético en cSt a 40°C coinciden cuando se localicen en el gráfico 5.1, ya que ambos son del mismo grado ISO.
7. Por los puntos hallados se traza la curva del aceite sintético.
8. Se consulta en el catalogo del fabricante del aceite sintético, cuál es el delta de disminución en la temperatura de trabajo de los mecanismos lubricados del equipo, al utilizar este aceite sintético. En caso de que no sea factible conocer este dato, se asume una disminución de 8°C (normalmente este valor fluctúa entre 6° y 10°C), que es el estándar para los diferentes tipos de aceites sintéticos.
9. Se localiza la nueva temperatura de trabajo del equipo con el aceite sintético, en la parte inferior del Gráfico 5.1, y se traza una línea vertical hasta que corte la línea horizontal correspondiente a la Vd. El punto de intersección se va a denominar el punto B.
10. Dentro de la misma familia de aceites sintéticos (marca y nombre), el índice de viscosidad, se puede considerar aproximadamente igual (puede variar ligeramente entre un grado ISO y otro), por lo que haciendo uso de esta característica, se traza una curva paralela a la del aceite sintético inicialmente localizada, que pase por el punto B y que se prolongue hasta la escala vertical de la temperatura a 40°C.
11. En el punto de intersección entre la nueva curva del aceite sintético y 40°C, se traza una línea horizontal y se lee el valor de la viscosidad en cSt a 40°C, en la escala vertical de la izquierda.
12. Con el valor hallado de la viscosidad en cSt a 40°C, se va a la Tabla 5.1, Capítulo 5, página 134, libro “Tribología y Lubricación Industrial y Automotriz”, Tomo I, 2da edición, y se estandariza el grado ISO del aceite sintético que se debe utilizar.

· Si el IV del aceite sintético es aproximadamente igual (más ó menos 10) que el del aceite mineral, entonces el grado ISO del aceite sintético será igual al del mineral, independientemente de la temperatura de trabajo del equipo.
· Si el IV del aceite sintético es mayor (por encima de 150) que el del aceite mineral y la temperatura de trabajo final del aceite sintético está entre los 30° y 50°C, el grado ISO del aceite sintético será igual al del mineral.
· Si la temperatura de trabajo final del equipo es mayor de 50°C, y el IV del aceite sintético es superior de 150, por lo regular se requiere la utilización de un aceite sintético de uno ó varios grados ISO menor.
· Hacer el respectivo análisis de la relación costo-beneficio con el aceite sintético seleccionado, con el fin de determinar su factibilidad económica. Ver Tabla No 3.
· Verificar que el aceite sintético seleccionado tenga sus equivalencias en otras marcas y sea de fácil consecución.

Selección de una grasa sintética

· Se selecciona una grasa sintética del mismo grado NLGI que la grasa mineral.
· Se selecciona el tipo de aceite sintético base de la grasa, teniendo en cuenta las mismas consideraciones que si se fueran a lubricar los mecanismos con aceite sintético.
· Al seleccionar la grasa, se deben tener en cuenta otros factores operacionales, tales como la temperatura de trabajo, el factor de giro (Dmn), y medio de trabajo (agua, gases, ácidos, etc).

CALCULO DE LA RELACION COSTO-BENEFICIO

Cuando se vaya a emplear un aceite sintético para una aplicación especifica es necesario calcular la relación Costo-Beneficio anual que se va a lograr con su aplicación. En algunos casos es factible que no sea económicamente viable su utilización.

En la Tabla No2 se especifican los diferentes parámetros que es necesario tener en cuenta en la relación Costo-Beneficio anual y su incidencia económica en la toma de decisiones.

Tabla No2
Relación Costo-Beneficio anual al utilizar un aceite sintético

No	Parámetro analizado	Tipo de Aceite
No	Parámetro analizado	Mineral	Sintético
01	Frecuencia entre cambios de aceite, meses.	B	A
02	Costo del galón de aceite, US $.	B	A
03	Volumen total de aceite del equipo, galones.	I	I
04	Costo del volumen total de aceite, US $.	B	A
05	Consumo de energía por fricción, Kw-hr.	A	B
06	Costo del Kw-hr, US $.	I	I
07	Ahorro total por menor consumo de energía, US $.	N	A
08	Costo H-H, US $.	I	I
09	H-H para cambio de aceite y limpieza interna del equipo.	B	A
10	Costo total H-H para cambio de aceite y limpieza interna del equipo.	B	A
11	Cantidad de producto para limpieza interna del equipo, galones.	A	N
12	Costo del galón del producto de limpieza, US $.	B	N
13	Costo total producto de limpieza, US $.	B	N
14	Biodegradabilidad.	B	A
15	Toxicidad	A	B
Notas: (1) A: Alta.(2) B: Baja.(3) I: Igual.(4) N: Ninguna.

ASPECTOS QUE SE DEBEN TENER EN CUENTA AL IMPLEMENTAR UN ACEITE SINTETICO

Siempre que se cambie un aceite mineral por uno sintético, es necesario tener en cuenta los siguientes aspectos:

· Los lubricantes sintéticos se clasifican con los mismos sistemas de los lubricantes minerales, esto es con el ISO, AGMA, NLGI y para los análisis de laboratorio con las normas ASTM.
· Calcular la Relación Costo-Beneficio, con el fin de verificar la viabilidad de la utilización del lubricante sintético.
· Seleccionar correctamente el grado ISO del aceite sintético, ya que no necesariamente el grado ISO del aceite sintético debe ser igual al del mineral que se ha venido utilizando.
· Si el aceite ó la grasa mineral son del tipo de Extrema Presión, el aceite ó la grasa sintética deben contar también con este tipo de aditivos.
· Verificar que los retenedores y empaquetaduras del equipo (reductor de velocidad, compresor, etc) sean compatibles con el aceite sintético, en caso contrario se deben cambiar por material de Viton.
· En equipos nuevos, se deben utilizar después del proceso de asentamiento ó de “despegue” de los diferentes mecanismos, debido a que la película límite que forma el aceite sintético es más resistente al corte y si se utilizara desde un principio dicho proceso se demoraría mucho más, limitando la capacidad productiva del equipo. Por ejemplo, en el caso de motores de combustión interna se deben utilizar a partir de los 5.000 kilómetros recorridos y en las máquinas industriales después de 2.000 horas de trabajo continuo.
· Debido a la alta detergencia natural de los aceites sintéticos, es necesario que el mecanismo en donde se vaya a implementar, esté completamente limpio y exento de toda traza del aceite mineral que se venía empleando, de lo contrario se corre el riesgo de que se presente una falla grave en el equipo. Este puede ser, por ejemplo el caso de un compresor alternativo de doble efecto, lubricado, en donde se venía aplicando, a plena pérdida en los cilindros, un aceite mineral (inclusive semi-sintético) y luego se reemplaza por un aceite sintético sin haber limpiado correctamente los residuos carbonosos, el hollín y las gomas que se han venido formando en el pistón, anillos, válvulas de descarga, y en el interior de las tuberías de circulación de aceite desde los vasos lubricadores hasta los puntos de entrada del aceite al cilindro, como resultado del proceso de oxidación del aceite mineral al estar sometido a las altas temperaturas de compresión. Puede ocurrir en este caso, que el aceite sintético, lave estos contaminantes, y los represe en el punto de entrada del aceite al cilindro, semi-taponándolo u obstruyéndolo completamente, dando lugar a la falla del compresor. Este problema puede llegar ser más crítico, en sistemas de circulación de aceite, por la longitud de las tuberías, y el diámetro de las boquillas de atomización del aceite a los mecanismos lubricados que pueden llegar a ser del orden de 1/16” a 1/32 “.
· Para evitar problemas con la alta detergencia natural de los aceites sintéticos, se recomienda implementarlos una vez se le realice un mantenimiento completo al equipo, garantizándose así una limpieza total de los diferentes mecanismos que lo conforman. El término “limpieza” en este caso es que las superficies de los mecanismos queden completamente exentas de cualquier traza del aceite utilizado anteriormente y de agentes externos.
· Verificar su compatibilidad con los aceites minerales, ya que en caso de que no lo sean, por ejemplo los PAG, las precauciones que es necesario tomar son más extremas.
· Nunca se debe completar el nivel de aceite con otro sintético diferente al que se está utilizando, ni mucho menos con uno derivado del petróleo ó mineral.
· Se debe chequear periódicamente el nivel del aceite en los mecanismos lubricados debido a que algunos tipos de aceites sintéticos se evaporan con facilidad.
· Se debe capacitar al personal de mantenimiento y de operaciones, en la selección y uso de los aceites sintéticos, los cuidados que es necesario tener en cuenta y los problemas que se pueden presentar con su uso incorrecto.
· Es necesario marcar los equipos con el nombre, grado ISO (si contiene ó no aditivos de Extrema Presión) y marca del aceite sintético utilizado en el equipo.

DESVENTAJAS DE LOS LUBRICANTES SINTETICOS

Si los lubricantes sintéticos han sido seleccionados correctamente, prácticamente no presentaran ninguna desventaja; sin embargo, es conveniente tener en cuenta los siguientes aspectos:

· Son más “costosos” que los minerales ó derivados del petróleo (inclusive con respecto a los de más alta calidad).
· No se deben mezclar entre sí, ni mucho menos con los derivados del petróleo.
· Son altamente detergentes, lo que hace necesario garantizar una limpieza exhaustiva de los mecanismos donde se van a utilizar, incluyendo sistemas circulatorios.
· Pueden despintar los equipos internamente.
· Debido a su alta detergencia, es factible que causen desprendimiento de pequeñas partículas de hierro en las carcazas de fundición.
· Algunos se pueden evaporar más fácilmente que los derivados del petróleo.
· En su mayoría atacan los retenedores y sellos de los equipos fabricados de Buna N.
· Para ciertas condiciones de trabajo son difíciles de conseguir.

CASO DE LA SEMANA
FORMACION DE CARBON EN LAS VÁLVULAS DE COMPRESORES ALTERNATIVOS

En las válvulas de descarga de los compresores de pistón de doble efecto para aire en nuestra planta de cemento, se venían presentando de manera repetitiva problemas de alta formación de carbón, que conducían a la rotura de las mismas, por exceso de temperatura y por el material abrasivo formado por el carbón, interrumpiendo el proceso productivo, con graves pérdidas económicas para la empresa. Con la colaboración de nuestro personal de mantenimiento y de proceso hicimos una análisis de falla (RCA) del problema y llegamos a las siguientes conclusiones:

1- La formación excesiva de carbón en las válvulas de descarga, es promovido por el ingreso de aceite a dicha zona, debido a una aplicación excesiva de aceite con los “lubricadores” mecánicos, el cual al estar sometido a las elevadas temperaturas de compresión del aire, se quema dando lugar a la formación de carbón.
2- En algunas oportunidades, la temperatura de los cilindros de los compresores estaba por encima de los valores de corte establecidos (>350°F), debido a un enfriamiento deficiente como resultado de la acumulación de lodo en las camisas de enfriamiento de los cilindros.
3- El aceite utilizado tenía un alto contenido de Carbón Conradson (> 0,4% por peso), ASTM D189, el cual ayudaba a incrementar la formación de carbón, aun cuando se garantizara que la cantidad de aceite que entraba a los cilindros era normal.

El problema se resolvió llevando a cabo las siguientes acciones:

1- Se cambió el aceite utilizado, por otro específicamente formulado para lubricar cilindros de compresores, que comprimen aire, con un contenido de Carbón Conradson, ASTM D189, menor de 0,1% por peso.
2- Se identificaron claramente cada uno de los puntos de lubricación de los cilindros de los compresores, se marcaron con el número de gotas por minuto de aceite a aplicar y se diseño un formato donde los operadores deben consignar en cada turno, la cantidad de aceite que se está aplicando. En caso tal de que el número de gotas por minuto aplicadas por el “lubricador mecánico” no correspondan con lo recomendado por el fabricante del compresor, el operador debe hacer los correctivos que sean necesarios.
3- Se le hizo un lavado químico a los conductos del sistema de enfriamiento de los cilindros del compresor para garantizar el flujo de agua de diseño, y de esta manera restablecer las temperaturas normales de trabajo.

Ing. Adolfo H. Huamán Diaz- Planta de Cemento Los Cedros - Guatemala

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