AnaliseDeOleosNaIndustria

(1)

Lubrificantes, análise de

óleos e ferrografia

Professor Marco Aurelio Carloto

marco_carloto@ibest.com.br

(2)

Objetivos

• Revisão dos conceitos de lubrificantes;

• Funcionamento da lubrificação;

• Análise de óleos;

• Conceitos de ferrografia;

• Implementação de cronograma de análise de

(3)

Lubrificação

(4)

(5)

(6)

(7)

Função do lubrificante

(8)

Função do lubrificante

• Reduzir ou controlar o atrito, minimizando o

desgaste;

• Remover calor da superfície;

• Proteger contra a corrosão;

• Prevenir a entrada de contaminantes;

(9)

Lubrificante - Lubrificação

• Lubrificante

–

Uma substância que controla o atrito e o

desgaste.

• Lubrificação

–

A ciência e arte de controlar o atrito e o

(10)

Lubrificantes

• Classificação dos lubrificantes

–

Fluido

–

Semi-sólido / plástico

–

Sólido

–

Gasoso

(11)

Classificação dos lubrificantes

• Lubrificantes fluidos

–

Óleos de Petróleo (Minerais)

–

Óleos Animais

–

Óleos Vegetais

(12)

Classificação dos lubrificantes

• Lubrificantes Semi – Sólidos

–

Graxas (Fluidos espessados)

(13)

Classificação dos lubrificantes

• Lubrificantes sólidos

–

Bissulfeto de Molibdênio (MoS

₂

)

–

Grafite

–

Politetrafluoretileno (PTFE)

–

Talco

(14)

Classificação dos lubrificantes

• Lubrificantes gasosos

–

Ar

–

Nitrogênio

–

Dióxido de carbono

–

Helio

(15)

Lubrificantes fluidos

• Óleos de base mineral (Petróleo)

–

Óleos refinados de petróleo cru, de

(16)

Lubrificantes fluidos

• Óleos animais e vegetais

–

Inicialmente usados como óleos de

estampagem e lubrificantes biodegradáveis.

• Óleo de Colza

• Óleo de Babaçu

(17)

Lubrificantes fluidos

• Base sintética

–

São produtos da Reação Química de

Matérias Primas oriundas do petróleo e/ou

vegetais.

• A estrutura molecular de cada base fluida é

planejada e controlada

(18)

Aditivos

• O que são

–

Materiais usados para alterar as

propriedades, características ou performance

do lubrificante.

(19)

Aditivos

• Tipos de aditivos

–

Antioxidantes

–

Anticorrosivos

–

Antiespumantes

–

Demulsificantes &

Emulsificantes

–

Melhoradores de IV

–

Abaixadores de Ponto

de Fluidez

–

Agentes Lubrificantes

–

Agentes de

Adesividade

–

Detergentes-Dispersantes

–

Aditivos antidesgaste

e EP

–

Lubrificantes Sólidos

(20)

Análise das propriedades dos fluídos

• 1ª categoria de análise óleo: análise das propriedades dos fluídos

–

Monitoramento, controlando e tendenciando propriedades físicas e

químicas do lubrificante.

Troca de óleo

baseado na condição

Linha base de óleo novo

(21)

O processo de envelhecimento do óleo

Não, não dura para sempre...

• Causas do envelhecimento:

–

Temperatura

–

Catalizadores

–

Cisalhamento

–

Ar

–

Água

(22)

O processo de envelhecimento do óleo

Não, não dura para sempre...

• Mecanismos de envelhecimento

–

Oxidação

–

Polimerização

–

Ruptura

–

Hidrólise

–

Evaporação

(23)

O processo de envelhecimento do óleo

Não, não dura para sempre...

• Alteram as propriedades do fluído:

–

Física

–

Densidade, viscosidade

–

Químicas

(24)

O caminho duplo da oxidação

• Oxidação é a degradação permanente de

um lubrificante por meio de reações

químicas envolvendo oxigênio.

• Com o progresso da oxidação:

–

Se produzem moléculas de cadeia longa, que

conduzem a lacas e verniz.

–

Ácidos são produzidos, o que conduz à

(25)

Tendência de números ácido

• Indica o esgotamento de certos

aditivos como o ZDDP,

detergentes básicos e inibidores

de ferrugem.

• Identifica o início da oxidação do

óleo básico

• Mede o nível de ácidos

corrosivos

• Mede o nível de reserva

alcalina(BN)

Número Ácido (AN) (para óleos industriais)

Número Básico (BN) (para óleos de motores)

Hidróxido de Potássio (reativo base) AN mg de KOH/g do óleo Amostra ácida Mudança de cor Laranja a Azul-verde (pH=11)

(26)

Linha Base e Limites

Análises de Rotina

Acima do Limite Não

Pode se corrigir

por situação reconstrução do aditivo ou por drenagem

parcial

Sim Corrigir a causa e trocar Não Corrigir a causa e recondicionar o óleo Sim

Como monitorar usando a

tendência de AN

(27)

Duas medidas comuns de

viscosidade

Viscosidade absoluta

Resistência que o óleo apresenta

ao fluxo e cizalhamento (atrito

interno).

Unidade comum: Centipoise

Viscosidade absoluta =

Viscosidade absoluta é preferível

para análise de óleo usado

Viscosidade Cinemática Densidade Relativa

X

Viscosidade Cinemática

A resistência que o óleo apresenta

ao fluxo e ao cizalhamento devido

a força da gravidade

Unidade comum: Centistoke

(cSt)

Também se usa SSU (Segundos

Saybolt Universal)

Alta Viscosidade

(28)

Medição da viscosidade cinemática

Viscosimetro. Fonte: http://www.splabor.com.br/imagens/catalogo/thumb/Liquido-Transp-Pqn.jpg

Óleo é introduzido no tubo por sucção.

O tubo é imerso em um banho de temperatura constante.

Mede-se o tempo em segundos enquanto o fluído flui da marca inicial até o final.

Viscosidade Cinemática =

Constante do tubo

X

Tempo de fluxo em segundos

Segundos

Tubo de Vidro em formato de U para Fluxo de Gravidade

Início

Fim

(29)

Efeitos no sistema causados por

uma viscosidade inadequada

• Viscosidade muito alta

–

Geração de calor, oxidação,

verniz, borra;

–

Cavitação;

–

Fluxo inadequado nos

rolamentos, mancais, etc.;

–

Cizalhamento do óleo nos

mancais de bucha;

–

Perdas no consumo de

energia;

–

Pobres características

antiespumante e

demulsificantes;

–

Pobres características de

bombeabilidade em baixas

temperaturas.

• Viscosidade muito baixa

–

Perda de película do óleo,

lubrificação limite, desgaste

excessivo;

–

Alto atrito mecânico, perda de

energia;

–

Alto atrito mecânico, geração

de calor, etc.;

–

Fugas externas e internas;

–

Aumento da sensibilidade do

sistema a contaminação por

partículas;

–

Falha da película em altas

temperaturas, baixas

(30)

Estabeleça a linha de base do óleo novo, determine limites superiores e inferiores

Análise de rotina

A Viscosidade está fora dos

limites?

Investigue as causas: 1. Oxidação

2. Fuligem

3. Mistura com óleo de alta viscosidade 4. Volatilização

5. Água emulsionada 6. Refrigerante (glicol)

Sim, acima do limite

Corrija a causa e troque o óleo se necessário Não

Investigue as causas: 1. Diluição por combustível 2. Mistura com óleo de baixa viscosidade

3. Ruptura das moléculas do óleo base

4. Ruptura do aditivo melhorador de TV

5. Contaminação (Mistura com solventes, refrigerantes, etc.)

Sim, abaixo do limite Corrija a causa e troque

o óleo se necessário

(31)

Controle de contaminação

Construindo a confiabilidade

Sólidos (partículas) Umidade Ar Radiação Calor Anticongelante Combustíveis

• A análise de contaminação dos fluídos conduz à principal causa de

desgaste da máquina e falha do lubrificante.

• O controle da contaminação é a estratégia principal de um processo

de manutenção pró-ativa.

(32)

Contaminante Alterações Químicas no Óleo Alterações Físicas Óleo Ataque químico superficial da máquina Destruição da superfície da máquina Sólidos Oxidação -Esgotamento de Aditivos

Aumenta Viscosidade Formação de verniz Alterações Físicas -Fadiga da Superfície

Água

Oxidação -Esgotamento de

Aditivos

Aumenta Viscosidade Destruição ácida -Ferrugem Cavitação -Riscamento Combustível Esgotamento de aditivos - Aromáticos Abaixa ponto de inflamação - Abaixa viscosidade - Aumenta pressão de vapor

Ácido sulfúrico Perda de resistência de película

Glicol

(anticongelante) Oxidação - Borra Aumenta Viscosidade Aumento de acidez

Perda de resistência de película Ar Oxidação Oxidação Ferrugem e corrosão Cavitação

Calor Degradação térmica

-Oxidação Aumenta Viscosidade Verniz - Acidez

Perda de resistência de película

(33)

Contaminação por partículas

Causa e efeito de desgaste

• Causa (indução de falha)

–

Abrasão

–

Erosão

–

Sedimentação

–

Fadiga de superfície

• "Confiabilidade e

manutenabilidade são funções

de controle da contaminação

conduz a uma vida útil maior“

• General Electric

• Efeito

(produção de partículas)

–

Abrasão

–

Cavitação

–

Adesão

–

Corrosão

–

Desalinhamento

–

Óleo errado

• "A contaminação é a causa simples

mais importante que provoca o

mau funcionamento do lubrificante

e um subsequente desgaste

excessivo das partes".

• Mobil Oil

Pró-ativo

(34)

Manutenção pró-ativa em três passos

1. Estabeleça seus objetivos ou metas de

limpeza. Os limites devem ser de acordo

com suas metas de confiabilidade.

2. Tome ações específicas para alcançar seus

objetivos:

–

Reduzir a entrada e contaminantes;

–

Melhorar sua filtragem.

3. Meça seus níveis de contaminação com

(35)

Pressão de operação

< 1500 psi

1500 - 2500 psi

> 2500 psi

Servo válvula 17/14/12 16/13/11 15/12/10

Válvulas proporcionais 18/15/12 17/14/12 16/13/11

Bomba de volume variável 18/16/13 18/15/12 17/14/12

Válvula de cartucho 19/16/14 18/16/13 18/15/12

Bomba de pistões fixos 19/16/14 18/16/13 18/15/12

Bomba de palhetas 20/17/14 19/16/14 18/16/13

Válvula de controle de pressão /

fluxo 20/17/14 19/16/14 18/16/13

Válvula solenóides 20/17/14 19/16/14 19/16/14

Bomba de engrenagens 20/17/14 19/16/14 19/16/14

Ajuste os melhores níveis de limpeza de acordo com a severidade de trabalho,

criticidade da máquina e tipo de fluído (ex: base água e aspectos de segurança)

(36)

Contagem de partículas em campo

Média de 25 mil amostras

• Amostras de clientes da Pall (filtros)

Óleos lubrificantes Código ISO Fluídos Hidráulicos Código ISO Equipamento mineração 24/17 Escavadeiras 22/17 Redutores 22/17 Equip. de construção 18/14 Metais não ferrosos 21/16 Equip. mineração (geral) 18/14 Processos de metais 21/16 Metais não ferrosos 18/14 Aciarias 20/16 Serrarias 18/14 Óleos usados 20/15 Indústrias de carvão 17/14 Óleo compressor 18/15 Aciarias 17/14 Óleo novo (granel) 18/15 Moldes de injeção 17/14 Óleo de turbinas 17/14 Ferramentas de Máquinas 17/14 Óleo hidráulico novo 17/14 Turbina - Gerador Hidráulico 17/14 Rolamentos ventiladores 17/14 Hidráulicos papeleiras 17/14 Óleo de papeleiras 17/13 Equip. Florestal 16/13 Lubrificantes marinhos 15/12 Fundição 16/13

(37)

12/9 14/11 16/13 18/15 20/17 22/19 24/21 26/23 Fluídos

hidráulicos

Muito

Limpo Limpo Sujo

Óleos de engrenagens

Muito

Limpo Limpo Sujo

Óleos de motor Muito

Limpo Limpo Sujo

Óleos de turbina Muito

Limpo Limpo Sujo

Contagem de partículas em campo

(38)

Três maneiras de medir e contar partículas

• Usando o microscópio (ISO 4407)

• Contador óptico de partículas automático (ISO

11500)

• Contador de partículas automático de bloqueio de

poro (B 0406)

(39)

Como utilizar a contagem de

partículas na análise de óleo

• Benefícios desta

estratégia:

–

Reduzir a taxa de

ocorrência de falha

(manutenção pró-ativa)

–

Aumentar a

sensibilidade em

detecção de falha

prematura (manutenção

preditiva)

–

Aumentar a frequência

de detecção de falha

(alta taxa amostragem)

–

Resultados: aumentar a

confiabilidade das

máquinas

Controle de partículas mensal Ultrapassam os objetivos Análise de concentração ferrosa Sim Não É uma porcentagem alta? Realização de

exames que são necessários: - Ferrografia - Espectrometria, -Vibração -Viscosidade, etc. Sim Localizar e corrigir o problema Buscar problemas em filtros, falhas em selos e outras fontes de ingressão Não Corrigir o problema

(40)

Contaminação com água

Flagelo do óleo

• Melhores práticas:

–

Restringir a contaminação

–

Reconhecer sua presença

–

Analisar o estado e concentração

–

Remover

A água é o segundo

contaminante mais

destrutivo

Frequentemente se considera

contaminação com água como

(41)

Contaminação do óleo com água

Situação de coexistência

• Água dissolvida: As

moléculas de água estão

dispersas uma a uma por

todo o óleo como umidade

• Água emulsionada:

Microscópicos glóbulos de

água estão dispersos em

uma suspensão estável no

óleo. Como uma névoa

• Água livre: água, quando se

mistura com óleo,

rapidamente se assenta no

fundo do tanque. Como

chuva

Óleo Dissolvida (ppm)* Emulsionada (ppm)* Livre (ppm)*

Óleo Hidráulico Novo 0 - 200 200 - 1000 > 1000

Óleo Hidráulico

Envelhecido 0 - 600 600 - 5000 > 5000

Óleo R e O Novo 0 - 150 150 - 500 > 500

Óleo R e O envelhecido 0 - 500 500 - 1000 > 1000

Óleo de motor Novo 0 - 2000 2000 - 5000 > 5000

(42)

Problema relacionado com água

O que afeta?

Hidrólise e Oxidação

A água promove alteração química e física no óleo básico. - Formação de ácidos - Engrossamento do óleo - Verniz - Lodo Aeração

A água favorece os problemas com aeração - Espumação

- Entrada de ar

Efeitos na Viscosidade A água conduz a estados emulsionados, maior viscosidade e propriedades não newtonianas Efeitos Dielétricos A água reduz as propriedades isolantes do óleo

Contaminação com água

(43)

Aditivo atacado

Contaminação com água

Efeitos nos aditivos

Antioxidante (fenóis)

Inibidores de ferrugem

Agente demulsificantes

Detergentes e dispersantes

Borato ETP

ZDDP

Modo de Ataque

Resultado

Hidrólise (reação química com água)

Lavagem por água

Aumenta a constante dielétrica (o óleo se converte em um condutor elétrico) Hidrólise Sedimentos (floculação) Ácidos

Degradação dos aditivos

Borra

Sedimentos

Degradação dos aditivos Bactérias

Pobre separação da água e óleo

Perda de desempenho do aditivo

(44)

Relatos de problemas com água

O que afeta?

Corrosão A água no óleo agrega ao ácido um grande

potencial destrutivo.

Perda de resistência da película

A água permite que a película falhe nos contatos hidro-dinâmicos (Ex. Rolamentos)

Evaporação da água em contatos hidrodinâmicos ocasiona a falha dos rolamentos

Cavitação A água é a principal responsável das causas de

cavitação em bombas hidráulicas

Adesão e entupimento dos filtros A água torna deficiente uma filtragem e provoca o agarramento de válvulas

Contaminação com água

(45)

Danos causados pela água no

rolamento

• A água põe o rolamento em alto risco quando a máquina

está em repouso. Uma vez que está estática, a corrosão

inicia e a falha do rolamento é iminente.

• Os rolamentos podem atender até 75% de sua vida por

causa da água antes que o óleo se torne turvo.

–

"A presença de água no óleo lubrificante pode diminuir a vida

dos rolamentos em até 1% ou menos, dependendo da

quantidade presente"

(46)

Tipo de Óleo

Precaução

Crítico

Fonte

Óleos de Motor None OEM's

Óleos Hidráulicos 0.1% Exxon

Óleos Hidráulicos 0.1% Vickers

Óleos de Engrenagem Industrial 0.1% 1% Exxon

Óleos de Motor Marítimo 0.5% Exxon

Óleos de Máquinas de Papel 0.1% Exxon

Óleos de Refrigeradores a Freon 0.01% Exxon

Unidades EHC Turbina a Vapor 0.2% GE

Óleos de Transformador 20 - 35 ppm IEEE

Estas informações devem ser utilizadas com sensatez

(47)

Medição da água no óleo

por Karl Fischer

Método Volumétrico

• ASTM D-1744

• Titulação utilizando iodo como reagente • Volume de reagentes é medido • Baixo custo

Método Coulométrico

• ASTM D-4928

• Titulação por eletrólise

• Mede-se a eletricidade em coulombs

• Produz resíduos perigosos

• É muito caro medir óleos com alto nível de água

Método de co-destilação

• Método coulométrico e

volumétrico

• Destilar água (com

tolueno) do óleo antes da titulação evita a

interferência dos aditivos

• O tolueno é misturado no óleo antes da destilação

Interferência:

Numerosas substâncias incluindo aditivos EP e AW, produtos de oxidação, cloretos ferrosos

(rebarbas), álcool livre, enxofre e nitrogênio. ZDDP causa erro de 250 ppm no volumétrico e 50 a 100 ppm no coulumétrico.

"Os resultados de D1744 deveriam ser vistos mais como relativos que absolutos, devido às interferências dos aditivos e outras razões".

(48)

Análise de rotina Limites acima dos resultados Sim Não Danos aos aditivos básicos? Sim Corrija as fontes de ingressos e troque o óleo Não Conserte as fontes de contaminação e desidrate o óleo Estabeleça os limites

(49)

Elementos

Tamanho

Textura

Metalurgia

Concentração

Análise Espectrométrica

• Fluorescência de raios X

• Microscópio de escaneamento eletrônico (SEM/EDX)

• Plasma indutivo acoplado (ICP)

• Emissão de faísca

Análise de Concentração Ferrosa

•Ferrografia de leitura direta DR

•Contagem de partículas ferrosas

•Outros instrumentos para densidade ferrosa Tribométrica PQ 90/CSI 51 FW Ferrografia Analítica • Lâmina • Ferrograma • Filtrograma •Análise Microscópica

Resultados em PPM Várias unidades de Concentração Visual

Tecnologias utilizadas para

(50)

Análise espectrométrica de metais

de desgaste

• A análise espectrométrica identifica a presença

de elementos importantes no óleo.

• Alguns são bem vindos (aditivos)..., enquanto

outros não são (partículas de desgaste).

• Informações sobre elementos é a parte central

do relatório da análise de óleo.

(51)

As análises espectrométricas convertem o óleo em foco de luz, por super

aquecimento

A luz é analisada para ver qual comprimento de ondas está presente

e sua intensidade

Os comprimentos de ondas correspondem a

metais específicos (elementos) em um óleo e sua intensidade define

sua concentração

Os elementos identificam onde existe a probabilidade de que ocorra o desgaste na máquina e sua concentração

é em relação com sua severidade

A localização do desgaste define a ação

a seguir

(52)

Ferrografia

• Palavras-chave: Ferrografia; desgaste preditivo

• Princípios básicos

–

Toda máquina se desgasta;

–

Desgaste gera partículas;

–

Tamanho e a quantidade das partículas;

(53)

O que é a Ferrografia

• A Ferrografia consiste na determinação da

severidade, modo e tipos de desgaste em

máquinas, por meio da identificação da

morfologia, acabamento superficial, coloração,

natureza e tamanho das partículas encontradas

em amostras de óleos ou graxas lubrificantes,

de qualquer viscosidade, consistência e

(54)

Aplicações

• Manutenção preditiva

• Análise de falhas

• Desenvolvimento

–

Materiais

–

Lubrificantes

–

Processos

(55)

Princípios

• Toda máquina se desgasta

• O desgaste gera partículas

• O tamanho e a quantidade são indicativos da severidade

• A morfologia indica a causa do desgaste

AMACIAMENTO

NORMAL SEVERO

DESGASTE

(56)

Tipos de exames ferrográficos

• Quantitativo (DR)

–

Determina as

concentrações e permite

análise de tendências

• Partículas grandes ( L > 5

µm )

• Partículas pequenas ( S <

5 µm )

• Concentração total = L+S

• Modo de desgaste =

• PLP = [(L-S)/(L+S)]*100

• Analítico (AN)

–

Identifica os tipos e causas

do desgaste

• Esfoliação

• Pitting

• Abrasão

• Corrosão

• Contaminantes

• Arrastamento

(57)

• Viscosidade

• TAN

• % Água

• Contagem de Partículas

• Ferrografia DR e AN

Análise de óleos

(58)

Ferrografia quantitativa (DR)

(59)

Ferrógrafo analítico modelo FMIII

Microscópio Metalográfico + Biológico

combinados

Fonte: http://www.tecem.com.br/downloads/baroni.pdf. Acesso em: 29 mar. 2010

(60)

0 5 10 15 20 25 30 35 Tipos de Maq. (%) Cx. Engren. Compres. Circ. Hidr. Turbinas Bombas Motores Trafos Outros

• Tipos de máquinas monitoradas

Manutenção preditiva

Análise óleo

(61)

FERROgrafia lida apenas com

partículas ferrosas

• Certo?

• Errado!!

• O nome FERROgrafia tem apenas motivos históricos.

• Alguns dos materiais identificados são :

–

Ligas ferrosas: aço, ferro fundido, aço inox,

–

Compostos ferrosos : minério, ferrugem

–

Ligas não ferrosas : bronze, alumínio, prata, cromo, níquel,

magnésio etc.

(62)

Resultados efetivos a serem alcançados

• Adiamento de Paradas Preventivas

–

Ex.: Compressor GA = US$ 18.000 / intervenção / 10.000 horas

• Aumento de vida útil

–

Eliminação de causas antes dos danos

• Tomada de decisão com base científica

–

Seleção estratégica de equip. para manutenção

• Aumento da segurança operacional

–

Ex.: aplicações aeronáuticas

• Eng. de manutenção - Melhorias e Ecomomias

–

Pesquisa de lubrif. e materiais, inclusive em concorrências

–

Trocas de lubrificantes apenas quando realmente necessário

• ISO 9000

(63)

A real economia se dá quando se

consegue

postergar

paradas

• Evolução da

concentração total de

partículas.

• Desde 1996 as paradas

deste compressor vêm

sendo adiadas de forma

segura, com

intervenções pequenas

e baratas.

(64)

• Evolução da

concentração total de

partículas.

• Não tendo sido

acatadas as

recomendações, o

compressor acabou

parando em

emergência.

Quando o analista tem que dizer:

(65)

Objetivos da ferrografia

• Estabelecer uma metodologia para implantar e

manter um sistema de manutenção preditiva por

análise de óleos nos equipamentos produtivos.

• Abrangência

–

Cabeçotes rotativos de furação, retífica, fresagem,

brunimento;

–

Unidades Hidráulicas;

(66)

ESFOLIAÇÃO ARRASTAMENTO ABRASÃO E AREIA NACO DE PITTING

FIBRAS DE PANO BRONZE (100X) ALUMÍNIO

FERRUGEM

(67)

• Cada partícula, ou

conjunto de

partículas indica um

tipo de desgaste ou

contaminação

diferente.

• As partículas são

batizadas de acordo

com sua

característica mais

importante:

–

Tipo de desgaste

–

Morfologia

–

Natureza

• A escala de 0 a 10 é

apenas uma

referência gráfica,

pois cada tipo de

partícula possui

uma metodologia

própria.

Os gráficos da ferrografia analítica

(68)

Exemplo de cronograma básico

(69)

(70)

(71)

(72)

Dificuldades

• Disponibilidade tempo (pessoal e equipamento);

• Distribuição dos trabalhos;

• Motivação;

(73)

Resultados esperados

• Escopo de análise óleos desenvolvido por meio

de Benchmarking.

• ‘

• Plano preditiva análise de óleos no banco dados

do software de Manutenção.

• Controle tendência condições de desgaste

equipamentos / lubrificantes no software de

ferramentas preditivas.

• Relatórios consistentes na tomada de decisões

(74)