Frecuentemente los efectos de la contaminación sobre la eficiencia de los sistemas son obvios y es fácil determinar el MODO DOMINANTE DE DESGASTE.
Pero el papel del contaminante en la causa de fallas o degradación de los sistemas es dudoso y complejo y difícil de reconocer. Las fallas de los componentes se clasifican generalmente como:
a) FALLAS CATASTRÓFICAS.
b) FALLAS POR DEGRADACIÓN.
Las primeras ocurren violentamente, el componente del sistema se rompe o cesa en su función en un periodo de tiempo extremadamente corto. La degradación es un deterioro gradual de la performance, frecuentemente acelerado hacia el final, y eventualmente declinado debajo de los niveles de aceptabilidad.
En muchos casos la rapidez con que se produce la FALLA CATASTRÓFICA permite un diagnóstico fácil de la causa: una piedra pasando a través de una bomba, un taponamiento de una tobera de lubricación causando el corte de la misma.
Por otra parte, una falla catastrófica puede ser el final del proceso de desgaste el cual no ha sido observado a través del tiempo. En tal caso el efecto de desgaste real en relación a la causa del problema se enmascara por los signos propios de la falla catastrófica. Cuando la performance de una máquina declina gradualmente hasta un nivel inaceptable a través de un periodo extenso de observación, nos encontramos con una FALLA POR DEGRADACIÓN.
La palabra falla no implica nada súbito, los componentes eventualmente fallan por no mantener un nivel de eficiencia satisfactorio.
La DEGRADACIÓN de la eficiencia de la máquina en operación es causado por DESGASTE. Existen varias formas de DESGASTE.
Tres de estas formas son las más frecuentes, debidas a concentraciones de tensión superficiales de los componentes.
Agrupamos estas tres formas como:
MODOS MECÁNICOS DE DESGASTE:
A. ABRASIÓN
B. FATIGA
C. ADHERENCIA
Además, hay dos formas de desgaste por reacciones químicas. Las agrupamos en una segunda categoría:
FORMAS QUÍMICAS DE DESGASTE
D. CORROSIÓN
E. ROTURA DE LA PELÍCULA DEL LUBRICANTE
El desgaste frecuentemente causa que las superficies activas de los componentes pierdan materiales. Si el material se pierde en forma continua, en el caso de partículas contaminantes que desgastan internamente una bomba, se produce una progresiva pérdida de la performance. La falla superficial debe primero crecer hasta un nivel antes que comience la pérdida material, como en el caso de partículas contaminantes micromellando los rodillos de un rulemán, produciéndose una pérdida acumulativa de la performance.
Hay dos situaciones físicas en las cuales el desgaste se presenta. Una situación en cuando la superficie de los componentes se mueven una contra otra (el esfuerzo entre ambas no necesariamente es en contacto absoluto, normalmente están separadas por una película fina de fluido: lubricantes). La segunda situación es cuando el deterioro se produce por la interacción entre la superficie de un componente y el fluido que está en contacto con el mismo.
En la tabla siguiente se resume los modos de desgaste, las situaciones en las cuales ocurren y los parámetros que determinan la importancia del desgaste en cada caso.
{pagebreak}a) FALLAS CATASTRÓFICAS.
b) FALLAS POR DEGRADACIÓN.
Las primeras ocurren violentamente, el componente del sistema se rompe o cesa en su función en un periodo de tiempo extremadamente corto. La degradación es un deterioro gradual de la performance, frecuentemente acelerado hacia el final, y eventualmente declinado debajo de los niveles de aceptabilidad.
En muchos casos la rapidez con que se produce la FALLA CATASTRÓFICA permite un diagnóstico fácil de la causa: una piedra pasando a través de una bomba, un taponamiento de una tobera de lubricación causando el corte de la misma.
Por otra parte, una falla catastrófica puede ser el final del proceso de desgaste el cual no ha sido observado a través del tiempo. En tal caso el efecto de desgaste real en relación a la causa del problema se enmascara por los signos propios de la falla catastrófica. Cuando la performance de una máquina declina gradualmente hasta un nivel inaceptable a través de un periodo extenso de observación, nos encontramos con una FALLA POR DEGRADACIÓN.
La palabra falla no implica nada súbito, los componentes eventualmente fallan por no mantener un nivel de eficiencia satisfactorio.
La DEGRADACIÓN de la eficiencia de la máquina en operación es causado por DESGASTE. Existen varias formas de DESGASTE.
Tres de estas formas son las más frecuentes, debidas a concentraciones de tensión superficiales de los componentes.
Agrupamos estas tres formas como:
MODOS MECÁNICOS DE DESGASTE:
A. ABRASIÓN
B. FATIGA
C. ADHERENCIA
Además, hay dos formas de desgaste por reacciones químicas. Las agrupamos en una segunda categoría:
FORMAS QUÍMICAS DE DESGASTE
D. CORROSIÓN
E. ROTURA DE LA PELÍCULA DEL LUBRICANTE
El desgaste frecuentemente causa que las superficies activas de los componentes pierdan materiales. Si el material se pierde en forma continua, en el caso de partículas contaminantes que desgastan internamente una bomba, se produce una progresiva pérdida de la performance. La falla superficial debe primero crecer hasta un nivel antes que comience la pérdida material, como en el caso de partículas contaminantes micromellando los rodillos de un rulemán, produciéndose una pérdida acumulativa de la performance.
Hay dos situaciones físicas en las cuales el desgaste se presenta. Una situación en cuando la superficie de los componentes se mueven una contra otra (el esfuerzo entre ambas no necesariamente es en contacto absoluto, normalmente están separadas por una película fina de fluido: lubricantes). La segunda situación es cuando el deterioro se produce por la interacción entre la superficie de un componente y el fluido que está en contacto con el mismo.
En la tabla siguiente se resume los modos de desgaste, las situaciones en las cuales ocurren y los parámetros que determinan la importancia del desgaste en cada caso.
MODOS MECÁNICOS DE DESGASTE
1 ABRASIÓN
El deterioro de las superficies asociado con abrasión se puede producir en varias formas, incluyendo pulido, cortes y frotación abrasiva. Se caracteriza por una partícula dura, suelta o incrustada penetrando una superficie blanda y separando material en cada pasada. Esta partícula abrasiva puede generar partículas adicionales abrasivas en un ciclo acelerado en desgaste. Se diferencia frecuentemente entre abrasión severa entre 2 cuerpos en interacción y entre 3 cuerpos en interacción.
El desgaste por abrasión aumenta con el número de partículas en suspensión en el fluido de trabajo y con la relación de la dureza de las partículas con respecto a la dureza de la superficie (si las partículas son más blandas que la superficie, esta causa fatiga, pero no abrasión severa, que cortaría en material).
Partículas que son filosas y con forma angular causan abrasión más severa que las partículas redondeadas. Por esta razón el contaminante introducido, recién generado por el desgaste de superficies y otras fuentes, tienden a cuasar el daño más severo.
En el sistema de desgaste de 3 cuerpos la partícula debe ser de un tamaño que pueda entrar en contacto dentro de la zona de desgaste.
También una vez que está dentro de la zona de trabajo debe ser suficiente amplia para ¨puntear¨ el film y causar desgaste por fricción.
Las partículas menores que el espesor de la película de aceite (luces internas) no contribuirá a la abrasión: partículas más grandes que la luz entre las piezas contribuirán muy poco (excepto si no se reúnen y se fragmentan generando partículas que entren entre las luces de las piezas y produzcan desgaste). Obviamente, el espesor de la partícula lubricante es un parámetro fundamental para determinar la sensibilidad de la máquina con respecto al contaminante.
A. FATIGA
Un segundo modo de desgaste entre piezas en movimiento en la cual la contaminación contribuye, es la fatiga superficial. La interacción de partículas en sistema de 2 cuerpos o de 3 cuerpos con una superficie de trabajo, puede mellar y estirar la superficie, produciendo cantidades substanciales de formación plástica, sin realmente remover ninguna partícula de material. La resistencia superficial del material es en consecuencia reducida, y fallas internas comienzan a formarse. La superficie también se vuelve rugosa, aumenta la concentración de tenciones y la probabilidad de cortes abrasivos por puentes de partículas en la película de lubricante se incrementa. Mientras avanza la fatiga superficial, se presentan fisuras superficiales, generando gran cantidad de nuevas partículas abrasivas.
Cualquier conjunto de circunstancias que producen concentración de tensiones sobre las superficies de trabajo, contribuirán a la fatiga superficial.
Otro factor importante es la presión sobre la superficie de trabajo, que coadyuva al mecanismo de erosión y cavitación, tanto como la interacción
por abrasión suave, todas éstas producen fatiga superficial como parte del proceso de degradación.
B. ADHERENCIA
El tercer mecanismo mayor de desgaste que se distingue es ADHERENCIA.
Recordemos que la función de la película de lubricante es prevenir el absoluto contacto metal-metal entre la superficie de trabajo. Cuando la partícula se pone en contacto directo con la superficie metálica con la pieza que se desplaza, se forman ondulaciones alrededor de las cavidades y elevaciones .Este material puede extender la superficie de la pieza por arriba de lo normal. Se presentan contactos eventuales entre las crestas de las superficies opuestas.
Las fuerzas intermoleculares y la alta temperatura generada entre los puntos de contacto producen prácticamente puntos de soldadura, tanto como adherencias de una superficie contra la otra. En casos extremos donde muchos puntos de soldaduras se producen simultáneamente, las superficies no se pueden desplazar y los componentes se estancan. En la forma más frecuente de desgaste, los puntos de soldadura microscópicos se forman asimétricamente como partes de aspereza móvil. Al material transferido de una superficie a la otra y adherido a ésta, se le va agregando partículas las cuales causan abrasión severa por interacción entre dos cuerpos, entre las superficies. Esta transferencia de material también incrementa substancialmente la rugosidad de la superficie, acelerando todo el mecanismo de desgaste.
MODOS DE DESGASTE QUÍMICOS
Desgastes de componentes y deterioro de los fluidos, con degradación de la performance de los sistemas, pueden producirse por contaminaciones no relativas a partículas sólidas.
En general se denominan contaminantes químicos. Fueron descriptos anteriormente en la tabla 2.
Recordemos que tanto el agua como el aire pueden estar presentes como contaminantes dentro del fluido de trabajo.
Pueden presentarse en dos formas:
a) Disueltos en el fluido
b) Libres
En el estado libre, aire o agua pueden presentarse en un volumen separado, burbujas o finas gotas, suspendidas en el fluido y circulando con él.
Agua: Es un contaminante muy frecuente. Para cada particular fluido, bajo ciertas condiciones de temperatura y presión, una cantidad definida de agua disuelta puede ser mantenida en solución estable; agua adicional aparecerá como pequeñas gotas de agua libre. Una fuerte emulsión de pequeñas gotas de agua en aceite produce la apariencia lechosa, que probablemente es muy familiar a todos.
Aire: Es un contaminante mucho más frecuente que el agua, igual ésta, se puede presentar en solución (disuelto) o libre, en este último caso aparece en forma gaseosa, como gran volumen o pequeñas burbujas entrampadas.
La presencia de aire, como contaminante , es sumamente peligrosa y destructiva debido a la facilidad que tiene de estar en solución o rápidamente salir de este estado (dependiendo de las condiciones variables de temperatura y presión).
El resultado en cavitación, espuma y pérdida del módulo de volúmen.
{pagebreak}1 ABRASIÓN
El deterioro de las superficies asociado con abrasión se puede producir en varias formas, incluyendo pulido, cortes y frotación abrasiva. Se caracteriza por una partícula dura, suelta o incrustada penetrando una superficie blanda y separando material en cada pasada. Esta partícula abrasiva puede generar partículas adicionales abrasivas en un ciclo acelerado en desgaste. Se diferencia frecuentemente entre abrasión severa entre 2 cuerpos en interacción y entre 3 cuerpos en interacción.
El desgaste por abrasión aumenta con el número de partículas en suspensión en el fluido de trabajo y con la relación de la dureza de las partículas con respecto a la dureza de la superficie (si las partículas son más blandas que la superficie, esta causa fatiga, pero no abrasión severa, que cortaría en material).
Partículas que son filosas y con forma angular causan abrasión más severa que las partículas redondeadas. Por esta razón el contaminante introducido, recién generado por el desgaste de superficies y otras fuentes, tienden a cuasar el daño más severo.
En el sistema de desgaste de 3 cuerpos la partícula debe ser de un tamaño que pueda entrar en contacto dentro de la zona de desgaste.
También una vez que está dentro de la zona de trabajo debe ser suficiente amplia para ¨puntear¨ el film y causar desgaste por fricción.
Las partículas menores que el espesor de la película de aceite (luces internas) no contribuirá a la abrasión: partículas más grandes que la luz entre las piezas contribuirán muy poco (excepto si no se reúnen y se fragmentan generando partículas que entren entre las luces de las piezas y produzcan desgaste). Obviamente, el espesor de la partícula lubricante es un parámetro fundamental para determinar la sensibilidad de la máquina con respecto al contaminante.
A. FATIGA
Un segundo modo de desgaste entre piezas en movimiento en la cual la contaminación contribuye, es la fatiga superficial. La interacción de partículas en sistema de 2 cuerpos o de 3 cuerpos con una superficie de trabajo, puede mellar y estirar la superficie, produciendo cantidades substanciales de formación plástica, sin realmente remover ninguna partícula de material. La resistencia superficial del material es en consecuencia reducida, y fallas internas comienzan a formarse. La superficie también se vuelve rugosa, aumenta la concentración de tenciones y la probabilidad de cortes abrasivos por puentes de partículas en la película de lubricante se incrementa. Mientras avanza la fatiga superficial, se presentan fisuras superficiales, generando gran cantidad de nuevas partículas abrasivas.
Cualquier conjunto de circunstancias que producen concentración de tensiones sobre las superficies de trabajo, contribuirán a la fatiga superficial.
Otro factor importante es la presión sobre la superficie de trabajo, que coadyuva al mecanismo de erosión y cavitación, tanto como la interacción
por abrasión suave, todas éstas producen fatiga superficial como parte del proceso de degradación.
B. ADHERENCIA
El tercer mecanismo mayor de desgaste que se distingue es ADHERENCIA.
Recordemos que la función de la película de lubricante es prevenir el absoluto contacto metal-metal entre la superficie de trabajo. Cuando la partícula se pone en contacto directo con la superficie metálica con la pieza que se desplaza, se forman ondulaciones alrededor de las cavidades y elevaciones .Este material puede extender la superficie de la pieza por arriba de lo normal. Se presentan contactos eventuales entre las crestas de las superficies opuestas.
Las fuerzas intermoleculares y la alta temperatura generada entre los puntos de contacto producen prácticamente puntos de soldadura, tanto como adherencias de una superficie contra la otra. En casos extremos donde muchos puntos de soldaduras se producen simultáneamente, las superficies no se pueden desplazar y los componentes se estancan. En la forma más frecuente de desgaste, los puntos de soldadura microscópicos se forman asimétricamente como partes de aspereza móvil. Al material transferido de una superficie a la otra y adherido a ésta, se le va agregando partículas las cuales causan abrasión severa por interacción entre dos cuerpos, entre las superficies. Esta transferencia de material también incrementa substancialmente la rugosidad de la superficie, acelerando todo el mecanismo de desgaste.
MODOS DE DESGASTE QUÍMICOS
Desgastes de componentes y deterioro de los fluidos, con degradación de la performance de los sistemas, pueden producirse por contaminaciones no relativas a partículas sólidas.
En general se denominan contaminantes químicos. Fueron descriptos anteriormente en la tabla 2.
Recordemos que tanto el agua como el aire pueden estar presentes como contaminantes dentro del fluido de trabajo.
Pueden presentarse en dos formas:
a) Disueltos en el fluido
b) Libres
En el estado libre, aire o agua pueden presentarse en un volumen separado, burbujas o finas gotas, suspendidas en el fluido y circulando con él.
Agua: Es un contaminante muy frecuente. Para cada particular fluido, bajo ciertas condiciones de temperatura y presión, una cantidad definida de agua disuelta puede ser mantenida en solución estable; agua adicional aparecerá como pequeñas gotas de agua libre. Una fuerte emulsión de pequeñas gotas de agua en aceite produce la apariencia lechosa, que probablemente es muy familiar a todos.
Aire: Es un contaminante mucho más frecuente que el agua, igual ésta, se puede presentar en solución (disuelto) o libre, en este último caso aparece en forma gaseosa, como gran volumen o pequeñas burbujas entrampadas.
La presencia de aire, como contaminante , es sumamente peligrosa y destructiva debido a la facilidad que tiene de estar en solución o rápidamente salir de este estado (dependiendo de las condiciones variables de temperatura y presión).
El resultado en cavitación, espuma y pérdida del módulo de volúmen.
A. CORROSIÓN
La corrosión se presenta como una reacción entre átomos de la superficie de un componente y las sustancias del fluido. Incluye la reacción electroquímica y de corriente por diferencia de potencial, tanto como el ataque químico directo de las superficies.
Fluidos asociados como corrosión son:
Oxigeno, ácidos orgánicos, agua, solventes de hidrocarburos clorinados, y aditivos de alta presión. Las reacciones se acelerarán en las superficies con la fatiga, dado que las superficies con más fallas son más activas. En fallas también proveen pasajes de corrosión química que facilitan la penetración entre las superficies.
Si la corrosión se produce asociada con la fatiga de los materiales componentes se presenta un desgaste rápido llamado Fatiga de Corrosión.
Si la corrosión se localiza en superficies donde hay productos solubles, se presentan pérdidas de material.
Alternativamente el producto puede formar una película física, estable en la interfase fluido-sólido.
Se producen entonces interacciones severas. La película de corrosión crece dentro de las luces, como válvulas y actuadotes, causando atascamiento y operaciones inestables de los componentes.
El segundo proceso incluye un ciclo en el cual la película de corrosión (por ejemplo óxido de aluminio) que frecuentemente no se adhiere a las
superficies en movimiento, es fácil removida por abrasión.
Esto genera nuevas partículas abrasivas las cuales aumentan el desgaste, exponen la nueva superficie del material y continúa el proceso de corrosión.
La corrosión inducida por el agua es el mayor problema encontrado en estos sistemas, donde se creía que el agua no era importante. Esto incluye sistemas de lubricación abiertos donde las temperaturas de operación sobrepasan los 120º centígrados.
Cualquier agua presente inicialmente en el aceite es liberada por la temperatura de trabajo, sin embargo, durante los paros el agua vuelve a ingresar al aceite. En los arranques antes que el agua fuera eliminada totalmente, la combinación de agua disuelta y alta temperatura produce una condición extremadamente favorable para una rápida corrosión.
Esto genera nuevas partículas abrasivas las cuales aumentan el desgaste, exponen la nueva superficie del material y continúa el proceso de corrosión.
La corrosión inducida por agua es el mayor problema encontrados en estos sistemas, donde se creía que el agua no era importante. Esto incluye sistemas de lubricación abiertos donde las temperaturas de operación sobrepasan los 120º centígrados.
Cualquier agua presente inicialmente en el aceite es liberada por esa temperatura de trabajo, sin embargo durante los paros el agua vuelve a ingresar en el aceite. En los arranques antes que el agua fuera totalmente eliminada, la combinación de agua disuelta y alta temperatura produce una condición extremadamente favorable para una rápida corrosión.
B. ROTURA DE LA PELÍCULA DEL FLUIDO
Esta rotura es causada por el corte y calentamiento del fluido de trabajo, esto altera las condiciones químicas.
La degradación de las propiedades del fluido conduce a un proceso acelerado. Sin embargo la causa directa de la rotura del fluido son las fuerzas de corte y el calentamiento, la superficie de las partículas suspendidas pueden actuar como catalizadores, incrementando el rango de deterioro del fluido.
Algunos mecanismos de rotura llevan a la producción de una gran cantidad de partículas carbonosas y gelatinosas, las cuales pueden tapar y cubrir las luces de los componentes de los fluidos.
Bibliografía consultada: Performance de los sistemas de lubricación y contaminación –Ing Entín
La corrosión se presenta como una reacción entre átomos de la superficie de un componente y las sustancias del fluido. Incluye la reacción electroquímica y de corriente por diferencia de potencial, tanto como el ataque químico directo de las superficies.
Fluidos asociados como corrosión son:
Oxigeno, ácidos orgánicos, agua, solventes de hidrocarburos clorinados, y aditivos de alta presión. Las reacciones se acelerarán en las superficies con la fatiga, dado que las superficies con más fallas son más activas. En fallas también proveen pasajes de corrosión química que facilitan la penetración entre las superficies.
Si la corrosión se produce asociada con la fatiga de los materiales componentes se presenta un desgaste rápido llamado Fatiga de Corrosión.
Si la corrosión se localiza en superficies donde hay productos solubles, se presentan pérdidas de material.
Alternativamente el producto puede formar una película física, estable en la interfase fluido-sólido.
Se producen entonces interacciones severas. La película de corrosión crece dentro de las luces, como válvulas y actuadotes, causando atascamiento y operaciones inestables de los componentes.
El segundo proceso incluye un ciclo en el cual la película de corrosión (por ejemplo óxido de aluminio) que frecuentemente no se adhiere a las
superficies en movimiento, es fácil removida por abrasión.
Esto genera nuevas partículas abrasivas las cuales aumentan el desgaste, exponen la nueva superficie del material y continúa el proceso de corrosión.
La corrosión inducida por el agua es el mayor problema encontrado en estos sistemas, donde se creía que el agua no era importante. Esto incluye sistemas de lubricación abiertos donde las temperaturas de operación sobrepasan los 120º centígrados.
Cualquier agua presente inicialmente en el aceite es liberada por la temperatura de trabajo, sin embargo, durante los paros el agua vuelve a ingresar al aceite. En los arranques antes que el agua fuera eliminada totalmente, la combinación de agua disuelta y alta temperatura produce una condición extremadamente favorable para una rápida corrosión.
Esto genera nuevas partículas abrasivas las cuales aumentan el desgaste, exponen la nueva superficie del material y continúa el proceso de corrosión.
La corrosión inducida por agua es el mayor problema encontrados en estos sistemas, donde se creía que el agua no era importante. Esto incluye sistemas de lubricación abiertos donde las temperaturas de operación sobrepasan los 120º centígrados.
Cualquier agua presente inicialmente en el aceite es liberada por esa temperatura de trabajo, sin embargo durante los paros el agua vuelve a ingresar en el aceite. En los arranques antes que el agua fuera totalmente eliminada, la combinación de agua disuelta y alta temperatura produce una condición extremadamente favorable para una rápida corrosión.
B. ROTURA DE LA PELÍCULA DEL FLUIDO
Esta rotura es causada por el corte y calentamiento del fluido de trabajo, esto altera las condiciones químicas.
La degradación de las propiedades del fluido conduce a un proceso acelerado. Sin embargo la causa directa de la rotura del fluido son las fuerzas de corte y el calentamiento, la superficie de las partículas suspendidas pueden actuar como catalizadores, incrementando el rango de deterioro del fluido.
Algunos mecanismos de rotura llevan a la producción de una gran cantidad de partículas carbonosas y gelatinosas, las cuales pueden tapar y cubrir las luces de los componentes de los fluidos.
Bibliografía consultada: Performance de los sistemas de lubricación y contaminación –Ing Entín