Guía para Medir Agua en Aceite

LIBRO BLANCO
Guía para Medir Agua en Aceite
Todos hemos oído el dicho que “el agua y el aceite no se mezclan”. Desafortunadamente
esto no aplica para todos los aceites lubricantes. El agua puede existir en diferentes
estados en los aceites lubricantes y puede dañar valiosos activos de no ser monitoreada.
En esta guía, exploraremos los retos impuestos por el agua en los aceites lubricantes y
discutiremos los métodos disponibles para profesionales de confiabilidad para medir agua
en aceite.
Antecedentes
La contaminación de agua en aceites industriales puede causar daños severos en los
componentes de las maquinarias. La presencia del agua puede alterar la viscosidad del
lubricante, así como causar alteraciones químicas que resulten en una disminución de los
aditivos y por ende en la formación de ácidos, lodo y barniz. El análisis del agua siempre
forma parte de cualquier programa de monitoreo de la condición del lubricante. La
contaminación por agua en aceites industriales con grandes
propiedades de separación del agua, ha sido históricamente
difícil de medir, independientemente de la técnica empleada.
CRACKLE TEST
No hay cambio visible ni auditivo:
No hay agua libre o emulsionada
Producción de burbujas muy pequeñas
(0.5mm) que se desaparecen rápido:
0.05 – 0.1% 500 – 1000ppm
El agua puede coexistir en 3 estados en una muestra de
aceite: disuelta, mezcla emulsionada y glóbulos libres, lo cual
impone un reto al obtener una muestra representativa. Las
formulaciones de aditivos en estos tipos de aceite son
diseñadas para separar eficientemente el agua por encima de
los límites de saturación de 50-250ppm de agua. Por encima Figura 1. Muestra de aceite usado Chevron
de los niveles de saturación, el agua forma gotas de agua GST 32, recibida por el laboratorio tras
discretas y eventualmente se separa del aceite al dejarse en transporte desde una planta generadora de
reposo (Ver Figura 1). Generalmente, el agua disuelta no es energía.
de mucha importancia en aplicaciones industriales, pero los niveles de agua libre o del
agua emulsionada deben ser controlados estrictamente.
¿Cuáles son las técnicas disponibles?
Se producen burbujas de aprox. 2mm que son
atraídas hacia el centro, crecen hasta 4mm
para luego desaparecer rápidamente:
0.1 – 0.2% 1000 – 2000ppm
0.2
Se producen burbujas de 2 – 3mm, que crecen
hasta 4mm. El proceso se repite. Posiblemente
un burbujeo violento y un ‘crujido’ auditivo:
0.2 y más ˃2000ppm
Fitch, J. (1998). Oil Analysis for Maintenance
Professionals, Tulsa OK, Noria Corp.
*Crackle Test
El Crackle Test es una prueba bastante sencilla para determinar si existe o no agua en el
aceite lubricante. El Crackle Test puede ser llevado a cabo In-Situ con la ayuda de un
plato caliente. El Crackle Test es más que todo un análisis cualitativo ya que reporta al
operario si existe o no agua presente en el aceite, pero sin mencionar la cantidad de agua
presente. No obstante, se puede obtener una información semi-cuantitativa sobre la
cantidad de agua presente al observar cuidadosamente el aceite en el plato caliente; sin
embargo esto depende de la habilidad del operario.
El Crackle Test requiere de un plato caliente a una temperatura controlada. Típicamente,
la temperatura del plato caliente es de 320ºF (160ºC). Idealmente, la muestra es
mezclada mediante una agitación vigorosa, lo cual crea una suspensión del agua en el
aceite más homogénea. Una vez la muestra se prepara, una gota del aceite es colocada
sobre el plato caliente para ser observada.
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Si no existe agua en el aceite, no se observará ningún
‘crujido’. En el caso contrario de que el aceite tenga presencia
de agua líquida, el calor evaporará el agua, creando burbujas
en la gota de aceite. El tamaño de las burbujas corresponde
aproximadamente a la cantidad de agua presente en el aceite.
Entre más grande el tamaño de las burbujas, mayor será la
cantidad de agua disuelta en el aceite. Al observar el tamaño
de las burbujas creadas en el plato caliente, ciertos resultados
cuantitativos pueden ser concluidos acerca de la
concentración de agua presente en la muestra de aceite.
VENTAJAS:
 Económico
 Rápido y sencillo
 Se puede realizar In-Situ
DESVENTAJAS:
 No es cuantitativo
 Preocupaciones de seguridad
 Resultados incoherentes entre
los operarios
*Kits de Ensayo de Hidróxido de Calcio
Otra forma de determinar la concentración de agua en el campo, consiste en usar un kit
de ensayo de hidróxido de calcio. En este método, una muestra conocida de aceite es
colocada en un recipiente sellado con una cantidad conocida de hidróxido de calcio. El
recipiente es agitado vigorosamente causando que el agua en el aceite reaccione con el
hidróxido de calcio, produciendo gas hidrógeno. Esta es la reacción química:
CaH2 + 2 H2O → Ca(OH)2 + 2 H2
El hidróxido de calcio [Ca(OH)2] es un producto sólido y se precipita, mientras que el H2
es el gas hidrógeno y su presión es medida con un manómetro. Esta reacción es
estequiométrica, por lo que una mol de agua en solución produce una mol del gas
hidrógeno. Es por esto que al medir la presión del gas como resultado de la reacción, se
conocerá la cantidad de agua contenida en la muestra de aceite.
Recipientes de Presión de Utah Biodiesel Supply
Para realizar el ensayo, se toma una muestra de aceite con una jeringa. Normalmente,
para un análisis se necesita entre 20-30ml de aceite. Este aceite es dispensado en un
recipiente de presión el cual suele tener una tapa de enroscar para sellar herméticamente
el recipiente. Si los niveles de agua son relativamente altos, la muestra de aceite deberá
diluirse usando una cantidad conocida de diluente. La
VENTAJAS:
cantidad relativa de aceite y diluente dependerá de la
 Portátil
concentración de agua en la muestra de aceite. A veces es
 Relativamente sencillo
necesario realizar el ensayo más de una vez para poder
 Económico
determinar el límite apropiado de contaminación de agua y las
 Brinda resultados cuantitativos
proporciones adecuadas de aceite/diluente.
DESVENTAJAS:
Generalmente, el hidróxido de calcio se mantiene separado
 Requiere de químicos y de
del aceite y del diluente hasta que el recipiente se encuentre
solvente
sellado; de esta forma, se asegura que todo el gas hidrógeno
 Seguridad – el recipiente se
producido como resultado de la reacción química sea
encuentra bajo presión
contenido en el cilindro de muestra. Una vez se selle el
 Varias pruebas pueden ser
cilindro de muestra, se combinan el aceite y el hidróxido de
necesarias según la
concentración de agua
calcio, ya sea batiendo o agitando, para comenzar la reacción
química. Después de unos minutos, el manómetro en el
recipiente de reacción mostrará el cambio de presión dentro del recipiente. Esta lectura es
convertida en unidades de % de agua según la mezcla relativa aceite/diluente. De haber
mucha agua en el aceite, la presión en el recipiente puede ser mayor que los rangos de
lectura del manómetro. Si es el caso, la presión deberá liberarse, el aparato limpiado, y la
proporción de aceite/diluente disminuida para que la presión al interior del recipiente se
encuentre dentro de los límites detectables por el manómetro.
Usualmente, los kits de ensayo de hidróxido de calcio incluyen el recipiente de presión, el
manómetro, jeringas, guantes, gafas de seguridad, diluentes, empaques selladores,
paquetes pre-medidos de hidróxido de calcio y, en ciertos casos, un plato de agitación
magnética. Utilizado correctamente, estos kits son precisos hasta 50ppm de agua libre o
emulsionada. Un video muy útil que muestra cómo realizar el ensayo se puede observar
aquí.
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*Karl Fischer
El método más aceptado para detectar agua en aceite es el de titulación volumétrica Karl
Fischer (KF) (ASTM D6304). El análisis para agua Karl Fischer puede dar rendimientos
de alta precisión y resultados repetitivos, al ser realizado por
VENTAJAS:
un operario cualificado; y es el método comparable para otras
 Puede medir agua en
técnicas analíticas para determinación de agua. Además, el
cualquier estado: disuelta,
agua puede ser medida en cualquier estado: disuelta, libre o
libre o emulsionada
emulsionada.
Titulador KF de Metrohm
El método Karl Fischer es utilizado en una gran variedad de
industrias y aplicaciones tales como aceites lubricantes,
productos farmacéuticos y alimentos, en donde la medición
del agua es vital. La titulación es una técnica en donde una
solución de una concentración conocida es usada para
determinar la concentración de una solución desconocida.
Típicamente, el reactivo de titulación (la solución conocida) es
añadido desde una bureta a una cantidad conocida de analito
(la solución desconocida) hasta que la reacción se complete.
En el caso de la titulación Karl Fischer, la cantidad de yodo
(reactivo de titulación) consumida es equivalente a la cantidad
de agua presente en la muestra. Al medir cuánto yodo es
requerido para titular la muestra, se puede determinar con
exactitud el contenido de agua en el aceite.
 Es el método estándar de
facto utilizado por ASTM
D6304
 Gran rango de medición de
concentración de agua, desde
casi cero hasta 100%
DESVENTAJAS:
 Debe ser realizado en un
ambiente de laboratorio
 Los químicos volátiles
requieren de una cabina de
extracción de vapores
 Requiere de tiempo
 Equipos costosos
Varias compañías tales como Sigma Aldrich, Mettler Toledo y Metrohm, desarrollan
tituladores comerciales Karl Fischer para los laboratorios. Debido a la preparación de la
muestra requerida, y al uso de químicos volátiles, la titulación Karl Fischer es llevada a
cabo casi siempre en un laboratorio y es bastante complicada de realizar en el campo.
Lea más aquí.
*Humedad Relativa o Medidores de Saturación
Los sensores de Humedad Relativa (RH por sus siglas en inglés) son utilizados en una
variedad de industrias tales como servicios de alimentación e industrias farmacéuticas en
donde se necesita controlar los niveles de humedad, Los
sensores RH vienen en 3 tipos – capacitivo, resistivo y
VENTAJAS:
conductividad térmica. Los sensores más utilizados para
 Las medidas son directas y no
medir la humedad relativa en el aceite son generalmente
requiere de solventes ni
capacitivos, por lo que nos enfocaremos en este tipo.
equipos especiales
La mayoría de las personas son familiares con la humedad
relativa en el aire, particularmente en climas calientes durante
las temporadas de verano. La habilidad del aire de conservar
el vapor del aire depende de la temperatura. Lo mismo
sucede con el aceite: entre más caliente el aceite, mayor será
su capacidad de retener agua. Sin embargo, si la temperatura
es muy alta, esta causará que el vapor de agua hierva de la
solución, tal como en un motor de combustión interno.
Sensor RH de E+E Elektronik
Los sensores de humedad solo pueden medir el agua disuelta
en el aceite. No pueden medir la cantidad de aceite libre o
emulsionado, por lo que su aplicación es bastante limitada.
No obstante, se puede obtener información importante al
monitorear la humedad relativa de un aceite
 Portátil
 Peso liviano
 Fácil y sencillo de usar
DESVENTAJAS:
 No puede medir el agua libre o
emulsionada en el aceite
 Se debe usar cerca de la
muestra debido a los efectos
capacitivos del cableado. Un
cable largo (˃3 metros) entre
los sensores y el lector
contribuye a errores
 Sólo mide la humedad relativa
Un sensor RH capacitivo consiste generalmente de dos electrodos conductivos con una
capa no conductiva entre ellos. Generalmente, la capa no conductiva consiste de un óxido
de metal o un polímero. La capacidad de esta capa cambia con el contenido de agua y
causa un cambio en el voltaje entre los dos electrodos. El cambio incremental en la
constante dieléctrica de un sensor de humedad capacitivo es proporcional a la humedad
relativa del medio ambiente. Los sensores capacitivos son caracterizados por un
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coeficiente de baja temperatura, por su habilidad de funcionar a altas temperaturas (hasta
200ºC), por una recuperación perfecta de la condensación, y una resistencia razonable a
vapores químicos. Los sensores capacitivos típicamente tienen un buen tiempo de
respuesta y pueden proveer lecturas precisas en minutos.
La incertidumbre típica de los sensores capacitivos es de ±2% RH desde 5% hasta 95%
RH, con dos puntos de calibración. Los sensores capacitivos tienen como limitante la
distancia a la cual se puede ubicar el elemento a detectar del circuito de condicionamiento
de señal, debido al efecto capacitivo del cable conector con respecto a los relativos
pequeños cambios capacitivos del sensor. Un límite práctico es <10ft.1
*Infrarroja
Una técnica muy prometedora para medir la contaminación del agua es la espectroscopia
infrarroja. Es una medida ampliamente usada y aceptada y libre de químicos. En un
sentido general, la espectroscopia consiste en una fuente de emisión de energía (luz
infrarroja), un detector y un computador u otro convertidor de la señal del detector en
información útil. La muestra a ser analizada es colocada entre la fuente de energía
infrarroja y el detector. En la espectroscopia por absorción infrarroja,
el rayo de luz incidente emitido por la fuente de emisión infrarroja,
pasa a través de la muestra y la luz transmitida es recolectada por el
detector y reportada como el espectro de la luz transmitida o
absorbida como función de la longitud de onda, λ, del rayo incidente.
Figura 2. Dibujo esquemático de un
típico espectrómetro
El agua pura absorbe la luz infrarroja y puede ser detectada por un pico en el espectro
infrarrojo alrededor de 3400cm-1. Cuando el agua es disuelta en otro medio, por ejemplo
en aceite, las moléculas de agua continúan absorbiendo la luz infrarroja, aunque el pico
es desplazado levemente debido al ambiente distinto que rodea estas moléculas de agua.
La estándar ASTM E2412 mide el agua al correlacionar el pico en el espectro infrarrojo
alrededor de 3350 cm-1 con la concentración de agua (Figura 3). Este método funciona
muy bien para cierto tipo de aplicaciones, tales como aceites de motor que contienen
aditivos que ayudan a disolver el agua. El análisis es rápido, fácil y muy confiable. Los
resultados pueden ser obtenidos por un usuario no técnico.
Cuando el agua existe en su forma libre o emulsionada en el aceite, puede causar que la
luz que pasa a través de la muestra de aceite se disperse, afectando así las mediciones.
En aceites lubricantes, la mayoría del agua existe emulsionada o como agua libre debido
a los aditivos demulsificadores presentes en el aceite. Las gotas de agua suspendidas en
el aceite pueden dispersar la luz en lugar de absorberla.
VENTAJAS:
Figura 3. Mediciones para agua según ASTM E2412
Como consecuencia, un pico de absorción alrededor de
 Correlaciona bien con Karl
3400cm-1 no puede ser correlacionado fácilmente con la
Fisher
concentración de agua por encima de los límites de
 Portátil, fácil y sencillo de usar
saturación. Un enfoque exitoso para contrarrestar esta
 Requiere una única gota de
dispersión es el método de estabilización del agua.2 Este
aceite
método trata previamente la muestra con un aditivo, como un
 Resultados en menos de 2
surfactante, que ayuda en la disolución del agua en el aceite
minutos
para que el pico tradicional de agua pueda ser detectado por
 Mide otros parámetros tales
la espectroscopia infrarroja. El método de estabilización del
como TAN, TBN, oxidación,
nitración, sulfatación
agua puede funcionar bien con un operario capacitado, pero
requiere de una adición precisa y exacta, previo al análisis,
DESVENTAJAS:
de los químicos en la muestra de aceite– y en el campo esto
 Más costos que otros métodos
no siempre está disponible. Por esta razón, este método no
ha sido bien recibido por los laboratorios de monitoreo de la
condición que usan FTIR como una herramienta de filtro, ni por el usuario final en el
campo.
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Otro enfoque consiste en el uso de un homogeneizador para
incorporar mecánicamente el agua como gotas de agua
discretas, suspendidas en el aceite. Muestras homogenizadas
con un homogeneizador CAT 120X, y reposadas a temperatura
ambiente durante por lo menos un minuto, demuestran una
excelente correlación con la titulación volumétrica Karl Fischer.
El grado de la luz elástica dispersa causada por una mezcla de
agua en aceite, en efecto depende de la concentración de agua
presente, aunque también es fuertemente influenciada por la
forma como el agua se encuentra físicamente dispersada en el
aceite (Figura 4). El homogeneizador actúa creando una
distribución repetitiva uniforme de las burbujas de agua
dispersadas en el aceite. Luego, el grado de la luz dispersa
puede ser medido con confianza por un espectrómetro infrarrojo.
Figura 4.Representación gráfica de la luz dispersándose en aceite usado de
turbinas debido a las diversas gotas de agua. El espectro A es de un aceite
usado de turbina con una contaminación de agua de 29,000 ppm, analizado
inmediatamente tras las homogenización. El espectro B es de un aceite usado
de turbina con una contaminación de agua de 9,500 ppm, analizado
inmediatamente tras la homogenización El espectro C es la misma muestra A
(29,000 ppm) con un reposo de 45 minutos tras la homogenización. El cambio
en concentración y el tamaño de las gotas de agua son evidentes en el
desplazamiento sobre el eje y de la línea base.
El analizador de aceites FluidScan, es un analizador infrarrojo
portátil y robusto, utilizado para medir la condición del lubricante
y su química. Una serie de muestras de aceites con
concentraciones de agua diferentes fueron preparadas utilizando
la técnica del homogeneizador y medidas con el FluidScan. Los
resultados fueron comparados con aquellos obtenidos usando el
método Karl Fischer como lo muestra la Figura 5. Las lecturas
del FluidScan muestran una excelente correlación con el método
de titulación.
El nuevo método FluidScan para análisis de contaminación de
agua en aceites de turbina es un método robusto y confiable,
capaz de proveer alertas inmediatas de contaminaciones
severas de agua. El mayor contribuyente a la variación es el
muestreo. El homogeneizador es el elemento clave del método.
Agitar las muestras con la mano no es suficiente para obtener
una muestra homogénea y por ende resultados confiables para
las mediciones de agua en el FluidScan. Para mejores
resultados, se recomienda un análisis inmediato en el campo o
la preparación de muestras previo al análisis con un homogeneizador comercial. Con
mejores prácticas de muestreo, pueden ser obtenidos resultados correlacionados entre un
20% con Karl Fischer.
Resumen
Figura 5. Correlaciones de las lecturas del
FluidScan IR con Karl Fischer
Existen varios métodos disponibles para el profesional de confiabilidad interesado en
medir agua en aceite lubricante. La escogencia del método depende del presupuesto, del
entrenamiento del personal, la precisión de los datos requeridos y otros factores. En todo
caso, el factor más importante radica en monitorear constantemente su equipo en busca
de contaminación de agua para evitar un tiempo de inactividad inesperado y una falla del
equipo.
1.http://www.sensorsmag.com/sensors/humidity-moisture/choosing-a-humidity-sensor-a-review-three-technologies-840
2. Frank Higgins and John Seelenbinder. Onsite FTIR quantitative analysis of water in mineral-based oils using a novel
water stabilization technique. Application note. Energy and fuels. Agilent Technologies. Danbury, CT, USA
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