GReGo PARA PRinciPiAnTeS (PARTe 2) ou os TeSTeS e AQUilo QUe nos PeRmiTem SABeR. por Ashley Mayer, B. Sc. Eng (Mech), ABP (Natal)

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1 EDIÇÃO 20 Especialista na monitorização do estado de máquinas Parte de Torre Industries GReGo PARA PRinciPiAnTeS (PARTe 2) ou os TeSTeS e AQUilo QUe nos PeRmiTem SABeR por Ashley Mayer, B. Sc. Eng (Mech), ABP (Natal) contador de partículas ótico equipado com um sensor de laser. O dispositivo fornece relatórios informativos de contagem de partículas em oito faixas diferentes de tamanho por um ml de óleo e calcula um código de limpeza com base na norma internacional ISO Especialista na monitorização do estado de máquinas Ashley Mayer No último Boletim olhamos para os quatro testes efetuados a todas as amostras. Vamos agora centrar-nos nos testes específicos para várias categorias de teste da amostra, sendo que estes testes extras são efetuados em circunstâncias extraordinárias. ANÁLISE DE RESÍDUOS Além do teste de Índice QP realizado em cada amostra, podem ser efetuadas outras duas medições de resíduos numa amostra. Estes envolvem a contagem de partículas e um exame microscópico de partículas (EMP). A contagem de partículas é apenas realizada como teste padrão em sistemas de «óleo limpo», enquanto o EMP pode ser realizado em qualquer amostra por várias razões, a mais comum sendo um resultado anormalmente elevado do Índice QP. Contagem de partículas As amostras das categorias de testes laboratoriais de hidráulico, compressor ou caixa de velocidades são tratadas como sistemas de «óleo limpo» e são submetidas ao teste de contagem de partículas. O instrumento utilizado no laboratório é um Os códigos de limpeza são frequentemente citados como especificações de limpeza para diversas aplicações. No entanto, a tecnologia de contagem de partículas deve estar mais desenvolvida antes de tais especificações poderem ser estritamente aplicadas com um elevado grau de certeza. Atualmente, os instrumentos de bloqueio ótico (bloqueio de luz) e de filtro dominam o mercado da contagem automática de partículas (CAP) e originam resultados que raramente são concordantes, por múltiplas razões diferentes. Foram agora publicados pela ISO um novo material de calibração e um novo procedimento de calibração que de certa forma irá reduzir essa variabilidade. (Um futuro Boletim da Wearcheck irá discutir as implicações dessas mudanças para a indústria). Embora seja difícil colocar muita ênfase nos códigos de limpeza como medida absoluta, na maioria das circunstâncias a tecnologia existente fornece dados com qualidade suficiente para estabelecer tendências fiáveis para fins de monitorização de estados. A técnica também é muito sensível e, como tal, é um bom sistema de alerta precoce para a identificação de situações em que o desgaste e/ ou contaminação anormal está a ocorrer. Componente 5/15 Código Caixa de velocidades 18/15 automática Sistema hidráulico 17/14 Servoválvula 15/12 Tabela 1. Exemplos típicos de contagem de partículas para vários componentes. Quando for identificado um resultado anormal ou não seja possível realizar uma contagem de partículas por qualquer razão (ex.: contaminação por água, viscosidade excessiva, etc.) é realizada um EMP. A WearCheck Africa é uma empresa certificada ISO 9001, ISO e ISO 17025

2 Exame microscópico de partículas Um EMP é um exame microscópico de uma membrana de filtro de 5 mícrones através da qual foi filtrada uma certa quantidade da amostra. As membranas são classificadas pelos diagnosticadores de acordo com o tamanho e densidade de partículas de contaminação. A classificação é expressa através de um código de quatro dígitos, sendo usada para fins de referência de diagnóstico. Cada dígito pode ter o valor de 1, 2, 3 ou 4. O valor do dígito representa a densidade de partículas: 1 significa uma concentração mínima ou irrelevante e 4 uma concentração muito elevada. O primeiro dígito representa partículas de tamanho muito diminuto, o segundo dígito representa partículas ligeiramente maiores e assim sucessivamente. A título de exemplo, um EMP de 2111 representa uma concentração reduzida de partículas finas, um EMP de 4111 representa uma concentração elevada de partículas finas, e um EMP de 1112 representaria uma concentração reduzida de partículas grandes. O último exemplo é algo incomum e seria notificado se fosse encontrado um pedaço grande de metal ou cascalho na garrafa. Os EMP são realizados de acordo com os resultados de outros testes, ou a pedido do diagnosticador. Imagem 1. EMP com classificação 2111 O código EMP não informa acerca do tipo de contaminação encontrada, ou seja, se é metal de desgaste, sujidade ou alguma outra substância. Para obter essa informação, deve consultar o diagnóstico no relatório. A interpretação do EMP varia de acordo com o tipo e fabricante do equipamento, e também de acordo com as condições de funcionamento da máquina. Geralmente, os sistemas de óleo Imagem 2. EMP com classificação 4111 limpo, como o hidráulico serão classificados mais rigorosamente que os sistemas não filtrados. Um código 2111 num sistema hidráulico irá gerar um relatório acionável, enquanto um 4211 numa unidade de transmissão pode ser considerado normal. A interpretação do EMP é mais qualitativa do que quantitativa. ESPETROFOTOMETRIA DE INFRAVERMELHOS (FTIR) A análise de infravermelhos é o segundo tipo de espetrometria utilizada pela Wearcheck e, ao contrário da espetrometria de ICP, fornece dados relativos ao estado do lubrificante. A técnica é aplicada com maior sucesso em óleos de motor usados, uma vez que mede vários parâmetros de degradação úteis, a maioria dos quais estão relacionados direta ou indiretamente com subprodutos da combustão. A técnica é também capaz de detetar a presença de água e também pode ser usada ocasionalmente para identificar materiais de base de óleo. Enquanto a espectroscopia de ICP mede emissões de radiação de comprimento de onda específico na região visível e ultravioleta do espetro eletromagnético, a análise de infravermelhos relaciona-se com a medição da absorção de comprimentos de onda específicos de radiação na região do infravermelho. Os vários subprodutos e contaminantes de degradação encontrados no óleo possuem as suas absorções caraterísticas em regiões específicas do espetro de infravermelhos. Quanto maior for o nível de degradação ou contaminação da amostra, maior será o grau de absorção na região específica. É gerado um gráfico da absorvância contra o comprimento de onda durante a análise de uma amostra de óleo sendo denominado o «Espetro de Infravermelhos» da amostra. Este espetro é subsequentemente analisado por software especializado de análise de óleo que produz medições de fuligem, oxidação, sulfatos, nitratos e água. (Ver Imagem 3 abaixo.) 2

3 Fuligem O índice de fuligem é uma medida linear entre 0 e 400 e mede a contaminação do óleo pela fuligem de combustível, um subproduto indesejável de combustão. A medição só é realmente aplicável a motores diesel pois espera-se que a medição de fuligem em motores a gasolina seja zero. Nos motores a diesel, podem ser geradas quantidades excessivas de fuligem por causa do abastecimento excessivo, temperaturas de combustão incorretas, baixas rotações de funcionamento, sistemas de admissão e escape restringidos e turbocompressores defeituosos. São adicionados aditivos dispersantes nos óleos lubrificantes para manter a fuligem em suspensão, mas existe um limite para a quantidade de fuligem que um lubrificante pode suportar. Quando esse limite é excedido, começam a formar-se depósitos de sedimentos que podem causar danos ao motor. Os efeitos de sedimentação grave manifestam-se na forma de um aumento da viscosidade do óleo, ocorrendo de forma rápida e chegando ao ponto em que o óleo já não pode ser bombeado e o motor falha. A interpretação da gravidade da medição do índice de fuligem deve ter em conta as medições de fuligem em amostras anteriores do motor e também a magnitude da variação da viscosidade do óleo. Deve também notar-se que uma concentração elevada de fuligem pode afetar negativamente a exatidão de todas as outras medições de infravermelhos. Oxidação À medida que um óleo se oxida progressivamente a sua capacidade de lubrificação é diminuída e, em casos graves de oxidação, ocorrem mudanças notáveis no óleo: torna-se mais escuro e emite odores; formam-se vernizes, lacas e resinas; e nos estados avançados a viscosidade aumenta, geralmente de forma rápida. Felizmente, a reação química entre as moléculas de oxigénio e de lubrificantes à temperatura ambiente é muito lenta e a degradação por oxidação não é um problema nestas condições. A situação muda, todavia, quando as condições de reação são alteradas para favorecer uma taxa de reação mais rápida. Os lubrificantes de motor devem funcionar em ambientes particularmente hostis e devem ser formulados com estes parâmetros operacionais em mente. Num motor existem muitas condições que favorecem a oxidação acelerada, tais como temperaturas elevadas, pressões elevadas, um bom fornecimento nitração água oxidação sulfatação absorvância fuligem Óleo usado número de onda Óleo novo Imagem 3. Exemplo de um espetro FTIR 3

4 de ar, agitação, a presença de catalisadores de metal e exposição de película fina. A condição mais significativa de todas é a temperatura de funcionamento, pois foi determinado que, para cada 10 C de aumento da temperatura, a taxa de oxidação duplica. Devido à sensibilidade à oxidação a alta temperatura do óleo, a dedução mais comum que resulta de medições elevadas de oxidação, assumindo que a vida útil do óleo normal não foi excedida, é o sobreaquecimento. O sobreaquecimento é geralmente também acompanhado por um aumento do desgaste (chumbo, cobre, estanho e ferro) e um aumento na viscosidade. Por vezes, o processo de sobreaquecimento leva à evaporação das frações voláteis no óleo, sendo necessário um reabastecimento regular. Neste caso, o óleo de cárter irá apresentar um aumento dos níveis de aditivos (concentração de componentes não voláteis) e um aumento de viscosidade como resultado direto da perda de produtos de pequenos cortes. Como este óleo «perdido» é substituído por óleo novo, os antioxidantes são substituídos, e muitas vezes a oxidação não é evidente. Isto é ilustrado no conjunto de resultados na parte inferior da página, com a amostra 3 sendo a mais recente e aquela em que o sobreaquecimento é evidente. Sulfatação Os óxidos de enxofre e a água são subprodutos da combustão do combustível para motores diesel que prontamente se combinam para formarem ácidos à base de enxofre. A maior parte destes ácidos corrosivos é removida pelo escape do motor, mas alguns permanecem e introduzem-se dentro da cavidade do motor em gases de combustão ou atacam as finas películas de óleo que lubrificam os anéis de pistões e revestimentos de cilindros, onde são neutralizados pelos aditivos do óleo. Em temperaturas normais de funcionamento, os ácidos permanecem em estado gasoso no gás de combustão com contato mínimo com as superfícies reagentes. No entanto, quando um motor experimenta temperaturas de funcionamento inferiores ao normal (como numa paragem, logo após a colocação em funcionamento ou quando um sistema de arrefecimento defeituoso causa um sobrearrefecimento contínuo) os ácidos condensam e entram em contato com o óleo no cárter e com as películas de óleo em superfícies metálicas expostas. Isto coloca uma carga extra no lubrificante, pois deve neutralizar mais ácido do que o expectável durante o funcionamento normal. O índice de sulfato resultante da análise de infravermelhos é uma medida da quantidade de ácidos à base de enxofre que reagiram com o óleo e reflete a quantidade de sulfatação que ocorreu. Se os níveis de enxofre no combustível permanecem constantes será expectável que o índice de sulfato aumente continuamente com o uso até que o óleo termine a sua vida útil, para o qual o nível de sulfatação ou índice de sulfato é um determinante importante. Nitração Tal como acontece com a sulfatação, a nitração é a reação do óleo com os subprodutos da combustão de nitrogénio. Estas reações têm tendência a tornarem-se mais pronunciadas a temperaturas mais elevadas - por conseguinte, o aumento da nitração é muitas vezes uma indicação do aumento de gases de combustão, pois os gases de combustão quentes reagem com o óleo. A nitração raramente é comentada porque outros problemas, tais como o desgaste elevado da extremidade superior associado com os gases de combustão, irão manifestar-se em primeiro lugar. ÍNDICE DE ACIDEZ TOTAL (TAN) A medição do TAN envolve uma titulação colorimétrica onde o teor de ácido total de 2 gramas de óleo dissolvido num solvente misto é completamente neutralizado pela adição gradual de uma solução alcoólica de hidróxido de potássio (KOH). O ponto final é detetado através da utilização de um indicador químico que muda de cor, logo após o ácido ser completamente neutralizado. O teste TAN é atualmente realizado principalmente em amostras de compressor, turbina, e em algumas caixas de velocidades industrial e hidráulicas, e é utilizado para quantificar a acumulação de ácido nesses óleos. Um aumento do TAN é geralmente o resultado de sobreaquecimento ou uso excessivo do óleo. Os componentes dos sistemas de arrefecimento são particularmente suscetíveis a ataques pelo ácido. Isto pode ocorrer quando ar que contém vapor de água entra no sistema, ou, em alternativa, quando o sistema é submetido a calor excessivo, e o secador liberta água retida. Quando tal acontece, os ácidos Amostra Mg Ca Zn P B S Vis@40 Ox Tabela 2. Sobreaquecimento com reabastecimento regular de óleo. 4

5 criados pela reação do ar, água, líquido de arrefecimento e óleo provocam o revestimento com cobre dos componentes de ferro do sistema. Podem então ocorrer falhas dos rolamentos causadas pelo revestimento com cobre. Em sistemas de arrefecimento o conteúdo ácido do óleo, teor de humidade e nível de cobre necessitam ser monitorizados regularmente para estar ciente de problemas incipientes. Os limites de TAN variam enormemente e dependem das especificações do OEM e do próprio óleo. Em alguns casos, um TAN superior a 0,05 é inaceitável; em outros casos um TAN de até 2,00 é aceitável. Como com as restantes medições, a análise de tendências é a melhor indicação do estado do óleo e da máquina. ÍNDICE DE ALCALINIDADE TOTAL (TBN) Atualmente, a medição do TBN envolve uma complexa titulação potenciométrica onde a reserva alcalina total de 1 grama de óleo dissolvido num solvente misto é feita reagir com a adição gradual de um excesso conhecido de uma solução ácida contendo ácido perclórico. A reação é monitorizada utilizando uma referência e um elétrodo de medição sendo representado graficamente num gráfico de tensão (mv) vs ácido adicionado (ml). O ponto final é detetado a partir de um ponto de inflexão no gráfico ou, no caso de óleos gravemente degradados, a partir de uma leitura de milivolts predeterminada. Este teste só é aplicável a amostras de óleo do motor pois estes lubrificantes são deliberadamente formulados de forma a possuírem uma reserva alcalina que lhes permite neutralizar os subprodutos de ácidos corrosivos do processo de combustão. O TBN de um óleo é uma medição direta da sua reserva alcalina. Cada óleo do motor tem uma TBN inicial que reduz gradualmente durante o decurso da utilização. Os valores iniciais típicos para a maioria dos óleos de motor diesel estão entre 10 e 14, embora os motores marítimos alimentados com óleo de combustível pesado necessitem de um TBN muito maior, possivelmente até 80, para lidar com duras condições da combustão de combustíveis que contêm uma alta concentração de enxofre. Como regra geral chegou o momento de substituir o óleo quando o TBN cai para metade do seu valor inicial. Embora possa parecer lógico supor que os óleos formulados para terem um TBN elevado seriam mais desejáveis, não é este o caso e alguns motores podem queimar as válvulas, se for usado tal óleo. Isto é causado pelo elevado teor de cinzas do óleo e as temperaturas elevadas da válvula que causam a fusão dos assentos da válvula. Usar um lubrificante formulado especificamente para a combustão diesel num motor a gasolina também pode ser prejudicial, e destaca o fato de ser importante respeitar as especificações de lubrificante do fabricante do equipamento. As medições TBN só são realizadas em amostras sinalizadas para análise pelos resultados dos infravermelhos. Um TBN pode ser razoavelmente previsto a partir dos dados de infravermelhos e, onde esta previsão estiver abaixo do limite especificado, é automaticamente solicitado um teste TBN para confirmar o grau de degradação evidente nos dados de infravermelhos. Todas as amostras com um TBN previsto superior a um limite «seguro» são relatadas como tendo um TBN de +6, enquanto o resultado real é relatado para as amostras selecionadas para o teste. Unidades de medição TBN e TAN As unidades de TBN e TAN podem ser um pouco confusas. Embora sejam diferentes testes, os resultados são ambos expressos nas mesmas unidades: mg de KOH/g (miligramas de hidróxido de potássio por grama de óleo). O TAN de um óleo é definido como o número de miligramas de KOH necessário para neutralizar os componentes ácidos em 1 grama de óleo. O TBN de um óleo é o número de miligramas de KOH necessário para neutralizar o ácido necessário para neutralizar os constituintes alcalinos presentes em 1 g de óleo. TESTE DE CROMATOGRAFIA GASOSA (CG) PARA DILUIÇÃO DE COMBUSTÍVEL A cromatografia gasosa é uma técnica de separação utilizada para analisar óleos usados de motores buscando indícios de diluição do combustível. A técnica aplicada a medições de diluição de combustível é usada para separar e medir duas frações voláteis de pontos de ebulição específicos de amostras de óleo de motor usado. A primeira fração tem um intervalo de ebulição semelhante ao da gasolina, enquanto a segunda fração possui um ponto de ebulição semelhante ao do diesel. O instrumento é calibrado, e as medições são apresentadas como uma percentagem de contaminação por massa. O teste de diluição do combustível é realizado somente onde é medida uma queda significativa na viscosidade da amostra, ou onde o teste foi especificamente solicitado por um diagnosticador. É importante que a marca do óleo e grau sejam corretamente descritos se forem detetadas amostras problemáticas, sendo necessário muito cuidado na interpretação dos resultados pois muitos fatores podem influenciar a sua interpretação. Os combustíveis são misturas complexas de compostos orgânicos e são categorizados em produtos baseados grandemente em gamas de destilação, em vez de dados químicos específicos. Há também sobreposições significativas entre as várias especificações do produto tornando impossível separar e quantificar com precisão misturas de combustíveis. 5

6 A presença de parafina numa amostra de óleo, por exemplo, não irá ser detetada como tal pelo CG mas irá aumentar artificialmente as medições de diesel e gasolina. Um óleo de base ligeira com uma fração de pequenos cortes sobreposta ao intervalo de deteção diesel de cortes grandes também irá produzir um resultado inflacionado. Para além das limitações do teste, outro problema com a medição da diluição de combustível é determinar a gravidade do problema, no que se refere ao motor. Uma bomba de combustível incorretamente calibrada pode entregar uma pequena quantidade de combustível extra a cada cilindro obtendo-se, por exemplo, um resultado de teste de combustível de 5%. Esta quantidade não deverá causar danos. Mas 5% de diluição de combustível do óleo causada por um único injetor defeituoso pode causar sérios danos ao seu cilindro. Por esta razão, a Wearcheck tende a reagir precocemente em relação à diluição do combustível, pois a origem do excesso de combustível não pode ser detetada. Como norma, as medições de diluição de combustível superiores a 4% serão comentadas e, em alguns casos, inclusive leituras mais baixas provocam reação, dependendo da história, veículo envolvido e tipo de funcionamento. Outra ocorrência comum é a contaminação por diesel do óleo de um motor a gasolina. Isto parece ocorrer mais em áreas rurais ou pequenas cidades do que em cidades grandes. A fonte é a contaminação por diesel da gasolina. O diesel não é queimado durante a combustão, e acumula-se no cárter. Geralmente os motoristas apercebem-se do problema quando o nível do óleo no cárter sobe, às vezes ao ponto de transbordar a vareta de medição. Isto conclui a explicação e interpretação dos testes padrão realizados pela Wearcheck. Existem testes mais especializados, mas estes são realizados sob pedido especial. Ashley Mayer é um consultor técnico da WearCheck Divisão da Set Point Industrial Technology. Pode aceder a Boletins s anteriores no web site da WearCheck: JUNTOS PARA APOIAR O PLANETA Se preferir receber as edições futuras dos Boletins s e Monitor da WearCheck por em formato PDF em vez de impressos, por favor envie um para:support@wearcheck.co.za. Escritório Central de KwaZulu-Natal 9 Le Mans Place, Westmead, KZN, 3610 PO Box 15108, Westmead, KZN, 3608 t +27 (0) f +27 (0) e support@wearcheck.co.za w Especialista na monitorização do estado de máquinas Parte de Torre Industries Filiais Joanesburgo +27 (0) Cidade do Cabo +27 (0) Porto Elizabeth +27 (0) East London +27 (0) Rustenburg +27 (0) Middelburg +27 (0) Witbank +27 (0) Zâmbia: Lumwana +260 (0) Zâmbia: Kitwe +260 (0) EAU +971 (0) Índia +91 (0) Diferentes publicações podem reproduzir artigos ou extratos dos mesmos, desde que reconhecem a autoria da WearCheck, parte de Torre Industries. Informação correta no momento de publicação. 6 Sharon Fay Relações Públicas 05/2016