Guia completo de Caracterização de Depósito de Lubrificante

A prática empregada atualmente pelos usuários de lubrificantes industriais tem sido a de assumir que todos os depósitos ou vernizes são criados de forma igual. Tende-se a olhar para a cor de um depósito e supor que, por ser marrom, deve ser o mesmo que a amostra marrom observada anteriormente. Esta suposição pode estar longe de ser correta e pode levar a tomar as ações corretivas inadequadas. Há muitos tipos de química nos materiais de verniz.

Quando se pensa em lodo ou verniz, o conceito precisa ser expandido. Este material não é simplesmente os produtos de oxidação ou degradação do lubrificante – geralmente, é o material que sai do fluido com o potencial de causar problemas operacionais. Os problemas de confiabilidade do equipamento não são causados apenas pela degradação do fluido e depósitos de verniz, mas por qualquer material que não seja uma fase única homogênea com o lubrificante. Portanto, qualquer material estranho que cause depósitos no lubrificante pode ser potencialmente definido nesta categoria.

Processo de Caracterização de Depósito

A caracterização dos depósitos torna-se o caminho para a causa raiz de sua formação. Há uma grande variedade de tecnologias de teste disponíveis para determinar a química dos depósitos. Entretanto, às vezes é um desafio para as plantas operacionais obter amostras de depósitos para permitir essas análises. É muito mais fácil obter uma amostra do lubrificante que já está sendo usado. Neste caso, o primeiro passo é separar os produtos de degradação de óleo que se supõe serem os responsáveis pela geração dos depósitos das amostras de óleo em serviço. A etapa de separação desenvolvida pode ser realizada física, mecânica ou quimicamente.

O próximo passo é determinar a composição orgânica e inorgânica do depósito. Dois testes úteis para a análise do lubrificante são a espectroscopia elementar e a espectroscopia de infravermelho por transformação de Fourier (FTIR). Os testes comuns de caracterização do depósito usados nestes estudos são a espectroscopia FTIR e a espectroscopia de Florescência de Raios X (XRF). Estes resultados são então comparados para fornecer uma caracterização química do depósito, assim como permitir que uma possível causa raiz seja determinada.

Degradação do Lubrificante e Formação de Depósito

Há muitas fontes de degradação do lubrificante que muitas vezes levam a depósitos. Algumas delas incluem:

• Oxidação
• Degradação térmica
• Micro-Dieseling
• Disparo de faíscas
• Zonas de temperaturas extremas
• Combustão
• Degradação ultravioleta
• Contaminação
• Lubrificante ou outros fluidos incompatíveis
• Partículas sólidas ou sujeira
• Água
• Gás

Subprodutos de Reação Aditiva

Uma vez que um fluido tenha sofrido degradação ou sido exposto a contaminação ou falha de iniciação, há vários fatores para determinar a propensão do lubrificante a desenvolver depósitos. A formulação pode desempenhar um grande papel nesse sentido. As formulações do cárter do motor contêm dispersantes para suspender ou solubilizar a fuligem e outros produtos de degradação no fluido. O estoque básico do lubrificante também contribui para sua solvência e para as capacidades de controle de depósitos do fluido. Os óleos minerais têm menor solvência, e os fluidos sintéticos API Grupo V têm maior solvência.

Além da formulação do lubrificante, duas outras variáveis que determinam a formação do depósito são a temperatura e a pressão. Estes fatores são particularmente relevantes quando os produtos de degradação são solúveis e de fácil transição dentro e fora de uma solução. Temperaturas mais baixas diminuirão a solvência de um fluido, causando a precipitação de alguns tipos de subprodutos da degradação, formando depósitos. A pressão também pode tirar esses contaminantes da solução, explicando uma das razões pelas quais é comum ver os depósitos nos mancais.

Recipiente de classificação de depósito

Há muitos mecanismos que degradam os lubrificantes e um número ainda maior de diferentes substâncias encontradas nos depósitos de lubrificantes. O número praticamente ilimitado de compostos químicos de depósito pode, no entanto, ser classificado por suas características físicas e pela causa de sua formação. A classificação dos depósitos em recipientes específicos para essa função é benéfica para entender melhor a natureza dos depósitos e determinar as medidas de remediação apropriadas a serem implementadas. Este artigo sugere algumas nomenclaturas e definições para estes recipientes de classificação de depósitos.

Estes recipientes podem ser definidos primeiro como nível 1 em termos gerais com base em sua composição química.

Uma melhor compreensão da composição do depósito permite classificações adicionais com base na sua fonte de formação. A diferença química mais básica é se o depósito é orgânico ou não orgânico.

Os depósitos não orgânicos podem ser definidos como aqueles que são insolúveis em solventes orgânicos altamente polares e não contêm características espectrais de carbono e hidrogênio.

Os depósitos orgânicos podem ser definidos como material que contém ligações carbono-hidrogênio (CH2 e CH3), é principalmente insolúvel em solventes hidrocarbônicos (o que o torna um depósito) e é frequentemente solúvel em solventes orgânicos polares.

O conteúdo de água também é encontrado em muitos depósitos. Embora a água seja um sedimento potencial em si, mais frequentemente ela é parte do depósito. Muitas vezes ela determina a consistência e a tenacidade de um depósito. É comum encontrar umidade quando eles são formados pela primeira vez, permitindo que os depósitos sejam facilmente limpos. Estes tipos de depósitos são frequentemente chamados de lodo; no entanto, eles não contêm necessariamente a composição química para torná-los lodo de verdade. Com o tempo, estes depósitos podem desidratar e curar em superfícies metálicas, tornando-se difíceis de remover mecanicamente. Esses depósitos são muitas vezes chamados de verniz.

Em contrapartida, os depósitos de lodo demonstraram sais metálicos de ácidos carboxílicos.

Quando estes depósitos são secos, eles se transformam em pó. Estes diferem fisicamente do verniz, por serem sempre macios. Estes depósitos são classificados como orgânicos derivados oxidativamente com partes inorgânicas.

Os depósitos que caem no recipiente de lubrificantes são aqueles componentes que fazem parte da formulação do óleo. Ocasionalmente, pode-se encontrar um componente aditivo que saiu de uma solução do lubrificante e que se depositou no sistema. A mistura inadequada ou incompatibilidade aditiva é uma das principais causas deste tipo de depósito. Incompatibilidades entre duas formulações de lubrificantes também podem fazer com que uma ou mais formulações de aditivos saiam da solução para formar um depósito.

Também é possível categorizar os depósitos em conjunto de recipientes de classificação nível 2, permitindo o agrupamento pelas causas de formação dos depósitos.

Depósitos Orgânicos

Os depósitos orgânicos são frequentemente solúveis no lubrificante em utilização, permitindo a transição para dentro e fora da solução, dependendo do ambiente. Esses depósitos são comumente chamados de “contaminantes moles”. Os depósitos orgânicos podem ser ainda divididos em derivados de formulação, termoplásticos, decomposição térmica, derivados oxidativos e subcategorias derivadas de contaminantes.

Derivados de formulação

Muitos componentes aditivos podem contribuir para os depósitos após terem reagido ou por saírem da solução em estado inalterado. É comum ver produtos de reação de componentes aditivos de sacrifícios em depósitos. Em lubrificantes Ferrugem e Oxidação, é comum encontrar espécies antioxidantes primárias reagidas em depósitos, que produzem depósitos orgânicos.

Termoplástico

Alguns processos de degradação a temperaturas elevadas produzem moléculas de alto massa molecular que criam depósitos que agem como termoplásticos. Estes depósitos são tipicamente sólidos à temperatura ambiente, porém, tornam-se líquidos e fluem a temperaturas elevadas (tipicamente à ou abaixo de temperaturas de operação fluidas). É comum ver este tipo de depósito a partir de fluidos que falharam devido à descarga de faíscas.

Decomposição térmica

As moléculas de hidrocarboneto normalmente se rompem a temperaturas acima de 300°C. Há duas ações que podem acontecer. A primeira é quando moléculas pequenas, clivadas, volatilizam-se do fluido. Esta parte da reação não é formadora de depósito. A segunda é a condensação molecular. Como as pequenas moléculas são divididas, a porção restante da molécula se condensará. Esta condensação ocorre na ausência de ar, portanto, a desidrogenação fará parte de sua decomposição. Como produto final, a formação de coque será observada. No entanto, há inúmeros produtos químicos de depósito observados antes que o coque seja gerado.

Derivados oxidativamente

Os depósitos derivados da oxidação estão entre as classificações mais comuns encontradas nos depósitos de lubrificantes porque a oxidação é um dos modos principais de falha do lubrificante. Esses depósitos geralmente têm um peso molecular maior do que o lubrificante, o que contribui para sua incapacidade de permanecer em solução. Muitos supõem incorretamente que a maioria dos depósitos se enquadra nesta categoria.

 

Derivados de Contaminantes

Os contaminantes orgânicos podem entrar no sistema de lubrificação, provocando uma reação. Esta reação pode ser com a formulação atual ou pode ser incompatível com o fluido, resultando em um depósito de contaminante orgânico. Isto tem sido observado com alguns tipos de contaminantes gasosos que podem reagir com o lubrificante para criar depósitos orgânicos únicos. A ingressão do gás amônia, por exemplo, foi constatada para reagir com produtos de degradação derivados da oxidação para criar depósitos que consistem em amidas primárias. Outros gases são conhecidos por produzirem seus próprios depósitos característicos.

Derivados Biologicamente

Os depósitos que são derivados do desenvolvimento biológico incluem materiais vegetais tais como açúcar, algodão e proteínas são considerados derivados biologicamente. Estes são muitas vezes provenientes de processos de fermentação. O crescimento microbiano também pode causar depósitos classificados nesse recipiente. Embora esses depósitos sejam orgânicos por natureza, eles são tipicamente encontrados com os depósitos não-orgânicos durante o período de isolamento.

Depósitos não orgânicos

Os depósitos não-orgânicos também são definidos como recipientes classificação de depósito de nível 2. O recipiente não orgânico inclui metais de desgaste e sujeira. Na classificação não-orgânica, encontram-se as categorias de carvão e vida vegetal. Estas duas contêm alguma funcionalidade de carbono e hidrogênio; no entanto, comportam-se de forma mais semelhante ao não-orgânico do que ao orgânico. Além disso, o carvão é muitas vezes identificado incorretamente como coque ou fuligem e, portanto, deve ser colocado próximo a estes materiais na árvore de classificação. Quando o coque é formado como um depósito, observa-se com frequência um depósito de decomposição térmica correspondente no recipiente de classificação do depósito orgânico. O sinergismo entre estes dois permite uma melhor identificação da fonte e, portanto, a determinação da causa raiz.

A escolha das ferramentas analíticas empregadas também pode ser definida pela classificação da amostra. Se observarmos a química orgânica, as metodologias de teste devem ser adaptadas para a caracterização orgânica. Da mesma forma, os constituintes não orgânicos têm uma série diferente de ferramentas para sua caracterização.

Abaixo são apresentadas as definições dos diferentes recipientes incluídos nos contaminantes não orgânicos:

Derivados de formulação

Muitos componentes aditivos podem contribuir para os depósitos após terem reagido ou por saírem da solução em estado inalterado. Depósitos derivados de formulações não-orgânicas normalmente vêm de produtos químicos aditivos inorgânicos que se esgotaram, tais como o ZDDP.

Inorgânicos

Os depósitos inorgânicos podem ser definidos como aqueles que são livres de carbono e são o depósito onde se incluem contaminantes sólidos no lubrificante, tais como sujeira, detritos e metais de desgaste. Também é comum encontrar depósitos inorgânicos derivados de componentes aditivos degradados. O ZDDP esgotado, por exemplo, pode produzir depósitos inorgânicos, tais como fosfatos e sulfatos.

Fuligem

Eventos de alta temperatura podem causar a formação de partículas de fuligem. Os depósitos de fuligem consistem em partículas carbonáceas de corpo negro de tamanho inferior a 1 mícron e são tipicamente gerados a partir de um evento de dieseling, como em um motor a diesel ou em micro dieseling (a implosão de bolhas de ar).

Coque

Os eventos em altas temperaturas também podem produzir coque, que assim como a fuligem, é um material carbonáceo de corpo preto maior que 1 mícron de tamanho. Estes depósitos são tipicamente gerados por superaquecimento (acima de 572°F ou 300°C) de um material orgânico até que este tenha liberado todo o seu hidrogênio e oxigênio.

Carvão

Os depósitos de carvão também são materiais carbonáceos de corpo preto maiores que 1 mícron de tamanho, no entanto, eles exibem solubilidade em alguns solventes orgânicos polares como o Tetrahydrofuran ou o Pyridine.

Determinação da causa

Para realizar uma análise adequada da causa, deve-se começar com uma coleta dos depósitos, do fluido em utilização e de quaisquer materiais conhecidos que entrem em contato com o sistema. Muitas vezes, mas não o tempo todo, os componentes do depósito também podem ser identificados dentro do fluido. Além disso, o estado geral do fluido apresenta muitas informações sobre a direção da formação. Por exemplo, se o nível de antioxidante estiver em boas condições, deve-se olhar algo além da simples oxidação como a causa.

Após reunir o máximo de dados possíveis sobre a condição do fluido, caracterizamos o depósito. Uma análise adequada do depósito é muitas vezes a própria determinação da causa. A definição da classificação da fonte do depósito ajudará a estabelecer as ações a serem tomadas ao determinar a causa. Muitas vezes, o depósito contém mais de uma classificação de depósito. Essa informação pode ajudar nesta identificação da causa raiz.

Foi analisado recentemente um depósito de um compressor centrífugo utilizado em uma unidade petroquímica na Escandinávia. Os seguintes tipos de depósito foram identificados em nossa análise: inorgânico, fuligem, coque, termoplástico, degradação térmica, oxidação e lubrificante.

A caracterização dos diferentes tipos de químicos encontrados no depósito nos permitiu compreender os vários mecanismos de degradação de fluidos nesta aplicação. Também foi fundamental na elaboração de uma estratégia para abordar estas causas primárias.

Com uma causa e uma classificação dos depósitos atribuída, pode-se focar na eliminação e a remoção dos depósitos de alcatrão. A química do depósito define a estratégia de mitigação, pois qualquer tecnologia de remoção de depósito não é capaz de remover tudo. Além disso, muitas vezes é bom parar a formação do depósito antes de tentar removê-lo.

Conclusão

Os depósitos de lubrificantes podem ter um impacto significativo sobre o programa de confiabilidade de uma fábrica. Os depósitos podem ter um aspecto semelhante, levando alguns a acreditar que são todos iguais em química, originados da mesma fonte. Na verdade, os depósitos de lubrificantes vêm em uma ampla variedade de compostos químicos. A compreensão de seus constituintes permite entender melhor porque os depósitos se formaram e quais medidas devem serem seguidas.

Este artigo apresentou nomenclatura e definições para classificar os depósitos de lubrificantes por química e origem. Em algumas aplicações, encontramos depósitos que possuem componentes com uma ampla diversidade de categorias diferentes. Em outros casos, o depósito se encaixa perfeitamente em uma unidade de categorização. Em todos os casos, entretanto, a caracterização adequada do depósito fornece informações que permitem determinar a causa do problema: o primeiro passo para um sistema sem depósito.

 

 

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Por Noria Corporation. Traduzido pela equipe técnica da Noria Brasil.