CONTROLE DE CONTAMINAÇÃO
PARA FLUIDOS LUBRIFICANTES
Alexandre Drausio Vieira (UNIA)
alexandredrausio@hotmail.com
Flavio Luis Dalavia (UNIA)
katia.unia@ig.com.br
Wagner Olimpio (UNIA)
katia.unia@ig.com.br
Tarciso Roberto G. Solis (UNIA)
katia.unia@ig.com.br
Fernando Luis Santos (UNIA)
katia.unia@ig.com.br
Kátia Aparecida Abade (UNIA) katia.unia@ig.com.br
Desenvolveu-se uma metodologia simples e prática, apresentando de forma clara e abrangente a importância do controle de contaminação para fluidos lubrificantes e hidráulicos, não levando em conta o nível de conhecimento do assunto. Portanto, foi apresentada a importância do assunto, pois grandes partes das falhas de sistemas apresentadas são resultantes diretas de contaminantes. Esta contaminação, que ocorre na forma de sujeira, partículas de desgaste de metal, tinta, enfim, qualquer corpo estranho dentro de um fluido, acelera o desgaste dos componentes, roubando a eficiência do equipamento. Os estudos aqui apresentados comprovam que 75 a 85% das falhas ocorridas em sistemas hidráulicos são diretamente ligadas à contaminação, e como as folgas são mínimas nos sistemas hidráulicos modernos, mesmo as partículas invisíveis a olho nu podem acarretar o início do desgaste de um componente, e aumentar a perda de eficiência de todo o sistema. O objetivo do controle da contaminação é aumentar a vida útil dos componentes e a produtividade das máquinas, diminuindo os custos para o cliente, em média uma redução de 95%, aumentando a sua
satisfação, ao mesmo tempo, que este controle evitará a ocorrência de defeitos, acidentes, interrupções e reparos dispendiosos.
1. Introdução – justificativas
Os contaminantes são influências não desejadas que podem destruir a integridade dos fluidos dos sistemas hidráulicos. A menos que estes contaminantes forem controlados, o controle dos contaminantes nos fluidos lubrificantes tem como finalidade que o equipamento alcance sua vida útil de serviço prevista.
Um dos objetivos desse trabalho é servir como uma referência e um guia aos coordenadores, aos técnicos, e aos operadores praticando que devem projetar, manter, e operar os fluidos hidráulicos e de lubrificantes.
Esse trabalho enriquece a teoria da manutenção (preditiva/preventiva), tendo como foco explorar todas as causas e efeitos provocados pelos contaminadores e a real necessidade de seu controle.
O custo crescente de manutenção é um problema sério para os negócios. Segundo estudos, “manutenção é a maior despesa independente controlável numa fábrica: em muitas empresas freqüentemente excede o lucro líquido anual”.
A manutenção preventiva, quando bem implantada, mostrou gerar economias acima de 25% e, além disso, seus benefícios alcançam rapidamente o ponto de retomo dos investimentos. De acordo com estudo, um de cada três dólares gasto em manutenção preventiva é desperdiçado.
Relatos mostram que “60% das bombas hidráulicas enviadas para reparo não têm nada de errado com elas”. Essas ineficiências são os resultados da manutenção executada de acordo com uma programação (trabalho de suposição) em oposição às verdadeiras condições e necessidades da máquina.
Mais recentemente, a manutenção preditiva (também conhecida como monitoramento da condição operacional) tem liderado o caminho para economias adicionais em relação à manutenção preventiva. O uso de tempo real ou instrumentos portáteis, tais como monitores de vibração, termografia, ferrografia etc. têm sido eficazes no reconhecimento de sintomas de falha iminente da máquina. O maior benefício é a disponibilidade de um alerta anterior, de umas poucas horas a poucos dias, que reduzem o número de falhas “catastróficas”. Geralmente, a manutenção preditiva é implantada juntamente com a manutenção preventiva e objetiva tanto os sinais de alerta de falha iminente como o reconhecimento de falhas pequenas que iniciam a reação em cadeia que leva às falhas grandes (isto é, controle de danos).
A contaminação de fluidos lubrificantes tornou-se mais preocupante nos últimos anos com o surgimento de uma nova geração de equipamentos, onde os componentes
internos têm folgas cada vez menores para gerar elevadas pressões de trabalho e maior força aos equipamentos.
2. Gerenciamento e análise
O controle de contaminação, como alicerce da manutenção preventiva e proativa, é implantado em 3 passos simples:
a) Estabelecer os níveis-alvo de limpeza do fluido para cada máquina e sistema.
b) Selecionar e instalar equipamento de filtragem (ou melhorar a classificação atual do filtro) e técnicas de eliminação de contaminante para atingir os objetivos de níveis de limpeza.
c) Monitorar a limpeza do fluido em intervalos regulares para assegurar que os
objetivos sejam atingidos. Ajustar as técnicas de filtragem e eliminação de contaminante, conforme requerido, para estabilizar os objetivos de limpeza.
Fundamentos do Gerenciamento da Contaminação – Os processos de verificação de contaminação do sistema hidráulicos por elementos sólidos podem ser realizados da seguinte maneira:
- Contagem de partículas e Contagem óptica (Hidac, 2006); - Teste de Membrana (Parker, 2006).
Caracterização de Partículas – Para a 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 opacidade são utilizados vários métodos tais como:
- Ferrografia (Hidac, 2006);
- Ferrografia quantitativa e Ferrografia analítica (Revista Química, 2006); - Espectrofotometria;
Em decorrência das menores folgas, os equipamentos hidráulicos se tornaram mais sensíveis aos contaminantes sólidos em suspensão nos fluidos e o controle dessa contaminação passou a ser indispensável para assegurar o funcionamento e a longa vida de válvulas, bombas e motores.
Há portanto a necessidade de se determinar, com clareza e precisão, qual o nível de limpeza que o fluido deve ter, para garantir o perfeito funcionamento dos sistemas hidráulicos. Há muitos anos, organizações como ISO, NAS, entre outras, têm estabelecido critérios para determinar o nível de contaminação dos fluidos. Atualmente as normas internacionais mais aceitas são a ISO 4406 e a NAS 1638 (HDA, 2006).
Contaminação por água – A contaminação por água em um fluído apresenta-se em 3 fases (Hidac, 2006):
- Água Dissolvida: Quando a presença de água é inferior ao ponto de saturação do fluído, em geral abaixo de 1000 ppm, a fase de contaminação não apresenta alteração na coloração do fluído; não há indicação visual.
- Água Emulsificada: Presença de água próximo à tangência do ponto de saturação; início de aparecimento de micro bolhas de água e mudança no aspecto visual do fluído,
apresentando aparência leitosa (branqueamento) do fluído.
- Água Livre: Presença de água acima do ponto de saturação do fluído; apresenta separação de fases; é visualmente identificada através de presença de água; índice de contaminação muito além do aceitável para sistemas hidráulicos, causando em curto período avarias permanentes no fluído e em componentes internos ao sistema.
Contaminação por óleo – efeitos:
- Alteração da constituição do óleo; - Corrosão;
1. Potencial de mercado
Monitoramento das condições de fluidos hidráulicos e lubrificantes é importante, já que esses óleos servem para a transmissão de potência, lubrificação, dissipação de calor e proteção contra corrosão.
Para que os sistemas hidráulicos e de lubrificação operem de modo confiável é imperativo que o fluido de trabalho esteja em perfeitas condições. Hoje é um fato bem conhecido que 70 a 80% das falhas dos sistemas hidráulicos são causadas por uma contaminação muito alta do fluido de trabalho. Na prática, existe um reaparecimento de um fator principal o qual afeta o fluido: contaminação devido a partículas sólidas. Elas são responsáveis pelo desgaste e pela quebra dos componentes, mas também são responsáveis pela falha do sistema.
Se este estado de contaminação for sistematicamente controlado, pode ser atingido um aumento substancial na confiabilidade, vida útil e economia de uma instalação, tomando-se providências específicas no cuidado com o óleo. A chave para uma
manutenção preventiva e proativa e para um procedimento de qualidade assegurada, será, portanto, detectar a real contaminação por elementos sólidos on-line no sistema.
Quer em máquinas ferramentas ou em escavadeiras, na energia eólica ou em empilhadeiras, construtores de máquinas e de instalações mudam de meros fabricantes de produtos para serem fornecedores de disponibilidades, fixadas em contrato, custos operacionais e de peças definidos. Quer seja na base de Leasing ou também através de contratos de assistência técnica plena, para o fabricante de máquinas, a vantagem sobre o concorrente e comprometimento perante seus clientes são as crescentes conseqüências, não só através de vantajosos preços de venda primários. A consideração e a redução de custos do “ciclo de vida útil”, ou seja, os custos que incidem sobre o completo ciclo de vida de uma máquina ou de uma instalação, deslocam-se para a posição central nas considerações dos construtores e seu desenvolvimento.
O dimensionamento de componentes e sistemas deve considerar as alterações anteriormente citadas. Metas como maior disponibilidade das instalações, intervalos de manutenção planejadas e conservação orientada no estado exige por outro lado um sistema de sensores de monitoramento econômicos e robustos que monitora e registra o estado das máquinas on-line. Um papel decisivo em tais sistemas de monitoramento de condições é atribuído ao monitoramento de fluidos hidráulicos e lubrificantes. Estes óleos servem, sobretudo para a transmissão de potência, lubrificação, dissipação de calor e proteção contra corrosão. Atrito, desgaste, fugas internas e temperaturas excessivas deixam nos fluidos resíduos em formas de partículas sólidas e água. Além disso, os próprios fluidos também estão sujeitos a processos de envelhecimento que igualmente resultam em corrosão e falhas. O estado do óleo é de certo modo a impressão digital do estado de uma instalação como um todo.
econômica e robusta de contaminação por partículas, teor de água e estado do óleo, atualmente possível, demonstra ser um processo eficiente para o monitoramento em
instalações hidráulicas e técnicas de lubrificação.
Com isto, danos em estado inicial, por exemplo, em mancais deslizantes e de rolamento, ou em componentes hidráulicos podem ser detectados, e trabalhos de manutenção em função do estado executados a tempo.
Contaminação por partículas é a causa principal de avarias em sistemas hidráulicos e de lubrificação Desta maneira, a medição on-line de classes de pureza e a contagem de partículas são atribuídos a um papel decisivo no reconhecimento de desgastes e diagnóstico precoce de danos.
Uma vantagem decisiva, por exemplo, em relação a uma retirada de amostra, é a captação contínua da contaminação. Observa-se não só uma tomada momentânea casual, porém justamente um desenvolvimento por um período mais prolongado do estado do óleo. Também no monitoramento de transmissões, o emprego de sensores de partículas é útil. Micropittings e manchas cinzentas podem ser descobertas precocemente, freqüentemente meses antes de uma parada de produção. Assim, investigações para a análise de danos em mancais mostram muitas vezes um aumento do número de partículas, por exemplo através de análise de oscilação, ainda antes que um dano possa ser diagnosticado.Nos sistemas de medição, a determinação do número de partículas e o tamanho efetuam-se mediante detectores óticos. Neste caso, conforme a necessidade, a montagem pode ser efetuada na linha de pressão ou também na linha de retorno. Intensidade e duração do sombreamento da luz, causado por uma partícula que a atravessa, em conjunto com o conhecimento da velocidade do fluxo, permitem a determinação da classe de pureza.
A vantagem destes aparelhos de medição é sua grande faixa de medição, a precisão de medição, a capacidade de autodiagnóstico e a reprodutibilidade para padrões de calibração reconhecidos (ISO 11943 para medições on-line). Além disso, deve-se destacar sua insensibilidade com relação ao turvamento do fluido causado por contaminação; este turvamento é compensado mediante reajustes da intensidade de luz no compensador de contaminação.
Em concordância com a ISO 4406 (1999), a avaliação do estado é efetuada através da determinação do número de partículas em três diferentes classes de tamanho (> 4 μm(c), > 6 μm(c), > 14 μm(c)). Conforme a ISO 4406 (1999), neste caso um aumento ou uma
diminuição do valor numérico em 1, corresponde na duplicação respectivamente na divisão pela metade do número de partículas.
partículas robustos e portáteis, concebidos para o emprego na assistência conforme o princípio descrito acima. A FCU (Fluid Control Unit), unidade de controle de fluido, equipada com impressora e aparelho indicador em seu modelo FCU 2000 aprimorado, continua sendo um aparelho necessário na assistência técnica, prestando auxílio na medição in loco. Estes aparelhos são conectados aos sistemas hidráulicos (até 450 bar), através de ligações Minimess, e documentam o estado do óleo através de LED„s, impressora e interfaces para processador PC. Com o sensor de contaminação CS 2000, foi apresentado há 4 anos um aparelho para instalação estacionária em bancadas de teste, instalações de enchimento ou de grande porte. Instalado fixo, com diversas saídas analógicas, comutadoras e para processador PC, desgastes em sistemas podem ser observados de forma contínua.
Estudos de casos
O que é importante para os sistemas hidráulicos e de lubrificação não é apenas reduzir o nível de contaminação para o patamar exigido e sim manter constantemente o nível de contaminação de acordo com o exigido.
O nível de contaminação depende do controle e do gerenciamento, uma vez que conseguimos abaixar o nível de contaminação do equipamento hidráulico é de extrema importância que dimensionemos um sistema de filtragem para manter o nível no patamar que exigido pela máquina.
Todo sistema hidráulico sem exceção gera contaminantes sólido, isso é uma geração em cadeia e exponencial, partículas gerando partículas descontroladamente.
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Em uma siderurgia um Laminador de Tiras a Frio foi realizada uma análise e constatou-se que o nível de contaminação encontrado estava no patamar NAS 9. Realizou-se então uma melhoria utilizando filtros absolutos e controlando nível de contaminação do óleo adequando para as exigências da máquina. Com o controle e monitoramento da contaminação conseguisse reduzir o nível para NAS 6, conforme podemos observar na
TESTEMUNHO DO CLIENTE: “Trocávamos servo-válvulas a cada 2/3 meses... ao
atingir NAS 9 trocávamos todo o óleo. Reduzimos muito o consumo de servo-válvulas (apenas uma este ano)... principalmente devido à melhoria da filtração o Push-up opera dentro dos parâmetros de controle ... não trocamos mais o óleo” .
Na mesma Siderurgia, em um Laminador de Tiras a Quente o nível de contaminação antes encontrado estava no patamar NAS 8, conforme podemos observar na Figura 2. Com o controle e monitoramento da contaminação, conseguiu-se reduzir o nível para NAS 5. Aqui se realizou uma melhoria utilizando filtros absolutos e controlando nível de contaminação do óleo adequando para as exigências da máquina.
TESTEMUNHO DO CLIENTE: “Eliminação total de agarramento em válvulas
proporcionais... diminuição de manutenção nas bombas de pistões e no consumo de óleo... redução da quantidade de paradas influenciando a produtividade da laminação”
Um laminador a quente em condição de operação o nível de contaminação antes encontrado estava no patamar NAS 7, conforme podemos observar na Figura 3. Com o controle e monitoramento da contaminação conseguiu-se reduzir o nível para NAS 3. Aqui foi
realizada uma melhoria utilizando filtros absolutos e controlando nível de contaminação do óleo adequando para as exigências da máquina.
TESTEMUNHO DO CLIENTE: “Deixamos de trocar o óleo ... antes vida máxima da
servoválvula 1 ano ... 8 válvulas ... US$ 60.000/ano ... desequilíbrio na eletrônica e agarramento das servos devido alta contaminação do óleo ... reflexo na produção e na qualidade. Há quase 2 anos que não mais trocamos nem o óleo e nem servo-válvulas”
Resultados da implementação do controle de contaminantes em fluidos
Antes da adequação do filtro havia um nível de contaminação elevado conforme
constatamos nos casos anteriores. Após a adequação dos filtros o nível de contaminação foi reduzido e conseqüentemente a redução dos custos de manutenção conforme podemos observar no gráfico da Figura 4.
Todas as análises são fatores fundamentais para a determinação do tempo de vida útil dos equipamentos.
Conclusões
O controle da contaminação dos fluidos é apresentado como meio importante para curar as causas da falha raiz e aumentar a vida útil da máquina. O controle da contaminação dos fluidos é estabelecido como técnica essencial para a economia substancial em sistemas hidráulicos, mancais, motores e turbinas a gás são confirmados com base em estudos de caso envolvendo aplicações. São dados numerosos exemplos de melhorias de dez vezes nos custos de manutenção.
Com a implantação do sistema de monitoramento de fluidos, diminui-se consideravelmente as falhas e avarias, sabendo através deste que a determinação contínua da quantidade de partículas, do teor de água e estado do óleo, demonstra ser, portanto, um processo eficiente para um monitoramento das condições. Assim, perigos previsíveis para os componentes hidráulicos podem ser detectados a tempo, podendo-se executar trabalhos de manutenção em função do estado do fluido hidráulico.
Finalmente, parece inevitável que as máquinas futuras incluam sensores de contaminante a bordo, para manutenção proativa e controle de condição em tempo real. Softwares de sistemas inteligentes combinados com sensores e transdutores (por exemplo, pressão, temperatura, vibração, viscosidade, detritos do desgaste e umidade) localizados estrategicamente, oferecerão monitoramento compreensivo da saúde da máquina para as mais sofisticadas aplicações futuras.
Agradecimentos
Este trabalho não poderia ser terminado sem a ajuda de diversas pessoas às quais expressamos nossos agradecimentos: aos nossos respectivos pais, esposas e namoradas pelo incentivo, a nossa orientadora Kátia Ap. Abade e aos professores e colegas de classe, que ajudaram de forma direta e indireta na confecção deste trabalho.
Referências
AGA.www.hiq.aga.com.br/International/Web/LG/Br/likelgspgbr.nsf/DocByAlias/analinfra.
HDA - ACESSÓRIOS E EQUIPAMENTOS LTDA. www.hda.com.br. HIDAC TECNOLOGIA. www.hydac.com.br.
