CONTROL DE LA CONTAMINACION EN FLUIDOS HUDRAULICOS Y LUBRICANTES

Ing. Oscar Entin

Este trabajo está dirigido fundamentalmente a la Industria del acero.
En esta industria los equipos más importantes como:
Altos Hornos, Acería, Coladas Continuas y Laminadores son movidos por:
1. Motores Eléctricos.
2. Cajas Reductoras.
3. Unidades Hidráulicas.

Todos estos equipos requieren fluidos para sus movimientos y lubricación.
Todos estos fluidos de trabajo deben estar controlados en sus Especificaciones Técnicas y Niveles de Limpieza y también de contaminación con agua.

La Vida útil de todos los componentes depende del estado de los fluidos.
Más del 75% de las fallas están relacionadas con el estado de los fluidos.
El objetivo es aumentar la vida útil y reducir el desgaste.

La TRIBOLOGÍA de los sistemas nos permite controlar los fluidos y reducir el desgaste.

Este artículo tiene como objetivo clarificar y sintetizar los Estándares y Métodos relacionados con el Control de la Contaminación de todos los equipos de la industria del acero.

Los Componentes más críticos en los modernos sistemas hidráulicos son:
Válvulas Proporcionales y Servo-Válvulas.
Los diseños de avanzada y operación obligan a usar estos componentes.
En consecuencia, en este trabajo reforzaremos la práctica y recomendaciones de filtración a fin de proteger estos componentes tan críticos.

El término tan usado actualmente: TRIBOLOGÍA, se define como la rama de la ciencia que trata la interacción de las superficies en movimientos relativos entre si.
TRIBOS= Fricción.
LOGOS= Estudio de.

Para reducir desgaste, bajar costos de mantenimiento, aumentar producción y confiabilidad de las máquinas, reduciendo los problemas, es necesario conocer las Técnicas Tribológicas y Controlar la Contaminación.

Comenzaremos este trabajo presentando las NORMAS ISO relativas al Control de la Contaminación: 4406 - 4407- 4405 y 16889.



1 - NORMAS ISO: 4406, 4405 y 16889.
Descripción resumida de cada una y aplicaciones prácticas:

1.1. ISO 4406.
Determina en forma simple el método de informar sobre un GRÁFICO la cantidad de partículas previamente contadas por algún método, ya sea óptico o automático, de manera de determinar los CÓDIGOS Y NIVELES DE CONTAMINACIÓN.
Con conteo por medio de contadores automáticos ópticos (Láser) calibrados según ISO 11171:1999, se debe incluir las partículas de: 4, 6 y 14 micrones y mayores.
Si el contador estuviera calibrado con el sistema anterior se tomarán tamaños de: 2, 5 y 15 micrones y mayores.
Si el conteo se hace por medio de un microscopio, se tomarán solamente de: 5 y 15 micrones y mayores.
Se adjunta Tabla 1, con las cantidades de partículas y el NÚMERO ISO que corresponde a cada banda.
Se adjunta Ábaco ISO 4406: 1999(E) Fig. A1
En el mismo se puede ver un ejemplo de Conteo Automático y el correspondiente al conteo por medio de microscopio.

1.2. ISO 4407

Determina las técnicas para el CONTEO de las Partículas en los fluidos de trabajo.

Hay básicamente Dos Métodos: Óptico Manual y Electrónico por medio de Contadores Automáticos por Láser.

Método Óptico: Se debe pasar la muestra debidamente obtenida, a través de una Membrana Analítica de 0,8 micrones absolutos.
Si la membrana es de 25 mm de diámetro, se deberá pasar 25 mililitros.
El pasaje se hace con un aparato especial por vacío y en forma lenta.
Previamente se diluye la muestra con un solvente limpio: puede ser Éter de Petróleo o Freón TF, ambos filtrados por 1 micrón absoluto.
La dilución es para bajar la viscosidad del fluido y permitir su pasaje por la membrana de 0,8 mic.
Se seca la membrana y se la observa a través de un Microscopio de 100 aumentos. Se pueden contar las partículas de 5 micrones y mayores y 15 micrones y mayores comparando las imágenes con una escala graduada inserta en el ocultar. Es un método lento, engorroso y requiere de mucha práctica.
Como alternativa se usan Fotos Patrones con Fluidos Contaminados y contados por Contadores Láser.
El Técnico debe observar la imagen en su microscopio y compara con la Foto Patrón más semejante.
Cada Foto ya tiene el Código ISO predeterminado.

Método Automático: Hay diversos Contadores Láser que se basan en el mismo principio: Pasar un determinado volumen de la muestra por un capilar y una Cámara a través de la cual un Rayo Láser por medio de un Captador mide y cuenta las interferencias producidas por las partículas contaminantes.
Un Programa interpreta las señales y las convierte en cantidad de partículas `por tamaño: según la nueva calibración mide partículas de 4, 6 y 14 micrones y mayores.
También puede contar según Norma NAS- muy usada por los fabricantes de turbinas.

Ventajas y desventajas:
Método óptico: solo para partículas de 5 y 15 micrones y mayores.
Requiere de un Técnico muy hábil y es un poco lento.
Permite VER las PARTÍCULAS y determinar su forma, color y posible origen.
Predetermina si un fluido tiene una alta contaminación, formación de capas de finos y/o gels. En ese caso no se debe hacer el conteo por Láser.
Método Automático: Más preciso y rápido.
No se pueden ver las partículas. Cuenta burbujas y gels y no funciona con fluidos con agua y en base agua.

1.3. ISO 4405.
Determina el método para obtener el nivel de contaminación de un fluido en peso. Es decir, medir en ppm (mg/l.) la cantidad de contaminantes sólidos no solubles.
El método consiste en filtrar un volumen conocido de la muestra por vacío, a través de un a o dos membranas filtrantes superpuestas.
El aumento en peso de la diferencia entre las dos membranas, representa el peso del contaminante presente en la muestra.

1.4. ISO 16889.
Es el ensayo fundamental para determinar en un ELEMENTOFILTRANTE, su capacidad de contaminación, remoción de partículas y presión diferencial.
Reemplaza al ensayo original ISO 4572/1981.
El cambio o modificación de la Norma original, se debió a la necesidad de usar un NUEVO POLVO de ENSAYO.
El original llamado ACFDT (air clean fine test dust), se debió reemplazar por un nuevo polvo ISO Meium Test Dust (ISO 12103-A3), dado que el proveedor suspendió su entrega y se debió desarrollar nuevos fabricantes.
Las características del nuevo polvo de ensayo difieren levemente con el original, en cuanto a tamaño y distribución de las partículas, lo cual obligó a modificar la calibración de los Contadores Automáticos.

DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO
Se adjunta DIAGRAMA del Banco de Ensayo de MULTIPLE PASAJE.












El ensayo consiste en:
• Tomar muestras del fluido antes y después del filtro bajo ensayo y medir la cantidad de Partículas por tamaño.
• El ensayo termina cuando se alcanza el p mínimo recomendado

El Valor BETAx es igual a:

Beta x = Cantidad de Partículas de x (micrones) y mayores antes del Filtro
Cantidad de Partículas de x (micrones) y mayores después del Filtro

El BETAx es un número adimensional que nos indica la capacidad del FILTRO de reducir la concentración de las partículas de dicho tamaño, a través del tiempo que dura el ensayo.
Es un ensayo Dinámico, que reproduce las condiciones reales de trabajo del Filtro.

La EFICIENCIA del ELEMENTO FILTRANTE es igual a:

Eficiencia = BETAx – 1 x 100
BETAx

Si el valor BETA para 2 micrones obtenido es igual a 1.000, la eficiencia del Filtro para 2 micrones es de 99,9 %.






FIGUA 4 –
Ejemplo de Gráfico donde se relaciona: Factor BETA vs. Tamaño de Partícula.


Cuanto más alto es el valor BETA del ELEMENTO FILTRANTE para el tamaño de partícula que se trata MEJO ES EL FILTRO y mayor su EFICIENCIA FILTRANTE.
Además se debe comparar este resultado con su capacidad de ensuciamiento y su curva de Delta P vs. Caudal.



2 - FILTROS
2.1. Mecanismos de la Filtración.
Existen Tres Mecanismos principales:
a.- Retención Inercial; b.- Retención Difusiva o Efecto Vibratorio y c.- Retención Directa o Efecto Tamiz.

a. Retención Inercial
Dentro de la corriente del fluido las partículas tienen masa y velocidad.
En consecuencia poseen un momento de inercia que las obliga a mantener su dirección en línea recta.
Cuando se encuentran frente al medio filtrante tratan de mantener su dirección y por ende son atrapadas por las fibras del medio.
Este efecto se produce con mayor grado en partículas finas y con gran diferencia de densidad con respecto al fluido.

b. Retención Difusiva.
Las partículas muy pequeñas Vibran dentro del fluido por choque con las moléculas del mismo: Movimiento Browniano. Por ende su diámetro aparente es mayor que su propio diámetro. Esto hace que sean atrapadas por el medio filtrante a pesar de su menor tamaño.
Es un fenómeno muy importante en la filtración de gases.

c. Retención Directa.
Las partículas según su tamaño no pueden pasar a través de los poros o canales laberínticos del medio filtrante.
A esto se suma el efecto Puente y Acumulación de partículas que quieren pasar juntas por cada poro.
Es el mecanismo principal en la filtración de líquidos.

La suma de estos tres mecanismos definen la Eficiencia Filtrante.
Esta se mide en forma dinámica por medio del ensayo ISO 16889, ensayo de Múltiple Pasaje, que nos determina los valores Beta x y luego la Eficiencia en % de retención por tamaño de partícula.


2.2. Características Constructivas Modernas:
Los Medios Filtrantes son de Micro Fibras Inorgánicas, conformando un manto delgado de poro fijo y de profundidad. Los medios de superficie son solamente usados en los laboratorios. Son de varias capas que trabajan en forma progresiva aumentando su capacidad de retención y reduciendo su pérdida de carga.
Se construyen en forma Plisada, sobre un Núcleo interno metálico, con Tapas unidas por adhesivos especiales y mallas de soporte en ambas caras.
El flujo normalmente es de afuera hacia adentro.

Deben soportar una serie de ensayos que aseguran su estabilidad frente a las condiciones de trabajo:
• Temperatura.
• Compatibilidad química. (ISO 2943)
• Fatiga. (ISO 3724)
• Presiones diferenciales o ensayo de colapso. (ISO 2941)
• El ensayo más completo para asegurar la calidad constructiva es el de PUNTO de Burbuja: (ISO 2942)
• Pérdida de Carga vs. Flujo. (ISO 3968)
Se debe dimensionar y seleccionar el filtro que produzca la mínima pérdida de carga inicial. Cuanto menor sea el Delta P inicial mayor será su vida útil y menor gasto.
A su vez nunca se debe seleccionar un filtro de poca superficie. Es un grave error y un ahorro inicial con un costo operativo mayor.
La ley que relaciona las superficies vs. Vida útil es exponencial, el exponente tiende a ser 2.
Por ende la vida útil es 4 veces para el doble de superficie.
Cada fabricante debe entregar esta información, en forma de gráfico o tablas que indiquen el Delta vs. El Caudal, para un fluido cuya viscosidad es de 32 cSt.
El especialista en filtración, será el encargado de la selección, cálculo del Delta P real y ubicación de cada Filtro dentro del circuito correspondiente.
• Se adjunta Guía de Selección de Niveles de Limpieza ISO para cada sistema en función de la sensibilidad de los componentes, presiones de trabajo, viscosidad de los fluidos y Eficiencia Filtrante necesarias para la correcta protección de sus componentes.

FIGURA 5







Instrucciones para determinar el nivel de limpieza del sistema
1. Comenzar por la parte superior de la lista de componentes. Fijar como primer ítem el tipo de componente utilizado en le sistema.
2. Ubicar la casilla a la derecha del componente , de acuerdo al rango de presión de trabajo
3. El nivel de limpieza y el grado de filtrado recomendados están dados en la parte inferior de la tabla
4. Desplazarse una columna hacia la izquierda si es aplicable uno de los siguientes factores:
a. El sistema es crítico para mantener programas de producción.
b. Servicio severo / de alta frecuencia.
c. Utilización de fluidos hidráulicos con contenido de agua.
d. Expectativa de servicio de más de siete años.
e. La falla de sistema puede crear problemas de seguridad.
5. Desplazarse dos columnas hacia la izquierda si son aplicables dos o más de los efectos enumerados en 4.
6. Para sistemas de lubricación, desplazarse una columna hacia la derecha de la letra c si la viscosidad operativa es mayor de 500 SSU, y hacia la izquierda si es menor
7. Para “flushing “, desplazarse una o dos columnas hacia la izquierda.
Sistemas hidráulicos – rango de presión

Sistemas de lubricación
En este caso no se aplican los rangos de presión. Partir desde la mitad del rango y efectuar los ajustes de acuerdo a las indicaciones establecidas mas arriba.

3 - FILTROS DE BAJA, MEDIA Y ALTA PRESIÓN.

De acuerdo al circuito a proteger se debe seleccionar el Filtro, definiendo su ubicación y características técnicas.
El Elemento Filtrante puede ser instalado en Carcasas para distintas presiones de trabajo. El Elemento solo soporta las Presiones Diferenciales que se generan por el Caudal del Fluido y por la contaminación del mismo.

3.1. Filtros de Baja Presión.
Para trabajar en circuitos donde las presiones no superan los 10 bar.
Aplicaciones típicas:
RETORNOS en circuitos hidráulicos sin transitorios o golpes de ariete; RECIRCULACIÓN; CARGA DE FLUIDOS; LUBRICACIÓN.

No tienen límites de Caudal. Se deben seleccionar con MUY BAJOS DELTA P dado que no pueden superar los 3 a 4 bar. de presión diferencial máxima.
Normalmente poseen una Válvula de By-Pass interna que se abre al Delta fijado, y antes un Manómetro Diferencial o un Indicador Mecánico u Eléctrico debe dar una señal para proceder al cambio del Elemento Filtrante. Para estas presiones se usan muy frecuentemente Unidades Selladas que contienen el Elemento Filtrante en su interior y se debe reemplazar todo el conjunto. La única parte fija es el Cabezal que contiene la Válvula de By-pass y los Indicadores de Delta P.
Estas Unidades son reemplazadas por Filtros que llevan un Vaso metálico re-usable, dentro del cual se instala el Elemento Filtrante de la eficiencia requerida con grandes ventajas: Mayor Superficie, Montaje interno con Anillos “O” que evitan fugas, menor costo, más fácil de deponer, menor pérdida de fluido.

3.2. Filtros de Media Presión:
Para trabajar en circuitos donde las presiones pueden llegar hasta 40 bar., o en retornos con transitorios o golpes de ariete, que producen picos de presión no soportables por los filtros de Baja Presión.
Aplicaciones Típicas:
RETORNOS PRESURIZADOS; LUBRICACIÓN; CIRCUITOS HIDRÁULICOS DE MEDIA PRESIÓN: A LA SALIDA DE LAS BOMBAS; CARGA DE CIRCUITOS HIDROSTÁTICOS.

Pueden llevar Válvulas internas de By-Pass. En casos especiales no se instala dicha válvula, pero siempre deben tener Indicadores de Delta P, para conocer el momento en que hay que reemplazar los Elementos Filtrantes.
Cuando no tienen Válvula de By-Pass, el indicador de Delta P debe estar calibrado a un rango superior, normalmente de 7 bar. diferencial.
En todos los casos en que el FILTRO no lleva Válvula de By-Pass interna, se deben instalar Elementos Filtrantes de Alta Presión de Colapso.
Son elementos construidos en forma especial que poseen un Núcleo Interno reforzado, además de doble soporte de Malla interna que evita la extrusión del medio por los orificios del núcleo.
La presión de colapso para estos Elementos es de 200 bar. diferencial.
Son los típicos elementos que se usan para protección de componentes muy sensibles a las contaminaciones y que no permiten en ningún momento dejar de filtrar, por ejemplo:
SERVO VÁLVULAS y VÁLVULAS PROPORCIONALES.

3.3. Filtros de Alta Presión
Para trabajar hasta presiones de 400 bar.
Aplicaciones típicas:
LÍNEAS DE PRESIÓN, A LA SALIDA DE LAS BOMBAS; PROTECCIÓN DE SERVO VÁLVULAS Y VÁLVULAS PROPORCIONALES; PROTECCIÓN DE BLOQUES DE VÁLVULAS; (Valen todas las consideraciones mencionadas en los puntos 3.1 y 3.2.)

3.4. Indicadores de Delta P
No se debe instalar ningún FILTRO sin el correspondiente indicador a efectos de SABER CUANDO HAY QUE CAMBIAR el ELEMENTO FILTRANTE.
Pueden ser: Dos Manómetros, antes y después del Filtro; Un Manómetro de Presión Diferencial; INDICADORES BLINDADOS que Marcan a un Delta P definido, con Señal Eléctrica, Mecánica o ambas. Pueden además tener señal luminosa Local.
Su calibración debe ser menor que la apertura de la válvula de by-pass, por lo general 1 bar. por debajo.
Cuando el Filtro no lleva Válvula de By-Pass, deben estar calibrados a 7 bar. diferencial, para avisar con tiempo y poder reemplazar el Elemento Filtrante en el momento apropiado.

4 - PURIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS.

La purificación de fluidos hidráulicos, lubricantes y dieléctricos, derivados del petróleo, sintéticos o semi-sintéticos, consiste en:
Eliminar el agua libre, emulsionada y en solución.
Eliminar solventes.
Eliminación de gases disueltos.

Hay tres sistemas que se pueden aplicar con sus limitaciones:
a. Coalescencia: Líquido-líquido.
b. Centrifugación.
c. Calor y Vacío.

a. Coalescencia: Sólo puede reconocer agua libre y separarla. NO EXTRAE AGUA EN SOLUCIÓN.
El fluido debe estar muy limpio previamente porque los Elementos Coalescentes son de poro muy fino y se tapan.
No rompen las emulsiones y por ende no las separa.
Pueden separar gases si tienen pre-calentamiento.
Muy cara su operación, por gasto en Elementos Coalescentes y Filtrantes.

b. Centrifugación: Solo pueden separa agua libre. No pueden reconocer el agua en solución.
Trabajan por diferencia de peso específico y alto G.
Son equipos caros, con alto mantenimiento y bajo caudal.

c. Equipos Purificadores por Vacío:
Hay dos sistemas:
• Con Calentamiento y Alto Vacío.
• Con o sin calentamiento, Bajo Vacío e Intercambio de Masa, por medio de Aire Seco.
Son equipos ideales para Secar los Fluidos por debajo de su nivel de saturación, llegando hasta 5 ppm. (Mg/l.) De agua en solución.
Muy manuales, de bajo costo operativo y poco mantenimiento.

Para determinar el agua en solución se usan nuevos equipos portátiles que leen en forma directa por medio de una probeta que posee un detector de humedad, el % de agua en solución. Si se conoce la curva de saturación del fluido se puede calcular los ppm. (Mg/l.) de agua.
Son de rápida respuesta, económicos, muy confiables y no requieren de un técnico.

5 - Circuitos hidráulicos y de Lubricación.
Recomendaciones sobre los Filtros requeridos para su protección.

Se adjunta Croquis de un circuito Hidráulico típico donde se indican los Filtros Requeridos para su protección:
1. Filtro de Alta Presión Sin By-Pass. Con elemento de Alto Delta P. Con indicador eléctrico de Delta P. PROTECCIÓN DE SERVO VÁLVULA.
Eficiencia recomendada: Beta 5 = 1.000. (Beta3=200)
2. Filtro de Alta Presión, con Bay-Pass. Eficiencia Beta 7 = 1.000 ( Beta 6 = 200 )
Protección de un Motor Hidráulico.
3. Filtro de Baja Presión de Retorno, con By-Pass. Eficiencia Beta 7 = 1.000
4. Filtro de Aire (Respiradero) Eficiencia: 1 micrón absoluto en gases.
Se obtiene de esta manera un nivel de contaminación ISO 4406= 16/14/12 o mejor en el tanque y un Código: 13/12/10 o mejor frente a la Servo Válvula.
Las SERVO VÁLVULAS son los componentes más sensibles y por ende requieren CÓDIGOS ISO muy bajos. No aceptan en ningún momento fluidos sin filtrar.

Se adjunta Croquis de un circuito de Lubricación indicando la ubicación de los Filtros.
1. Filtro Doble en la mandad de la Bomba. Con o sin By-Pass. Con Indicadores de Delta P.
Esta ubicación es la única para protección de los componentes aguas abajo. Generalmente son filtros con muy bajo Delta P inicial y Duales, para poder conmutarlos sin dejar de filtrar.
No se pueden colocar filtros en el retorno por no haber presión disponible para gastar.
Eficiencia recomendada: Beta 7 = 1.000.

2. Filtro de Aire (Respiradero). Eficiencia: 1 micrón absoluto en gases.
Se obtiene de esta manera un CÓDIGO ISO: 17/15/12 o mejor.


6 - Protección de Válvulas Proporcionales y
Servo-válvulas.

Estos componentes son los más sensibles a contaminaciones de partículas y químicas, debido a sus huelgos y tolerancias mecánicas muy extremas. Las partículas interfieren en sus movimientos internos.
Se deben extremar las precauciones para asegurar que los fluidos que las alimentan estén en CÓDIGOS ISO bajos y Secos.
CÓDIGOS ISO 4406: 1999 E, recomendados para su protección:
Válvulas Proporcionales: 15/14/11
Servo-Válvulas: 13/12/10
Cuando se reparan, cambian o se instalan por primera vez hay que limpiar todo el circuito previamente. Esta técnica se denomina FLUSHING.

7 - Flushing de los Circuitos.

Hacer Flushing dentro de las cañerías requiere trabajar con Régimen Turbulento, definido por el número
Reynolds, el cual debe ser igual o mayor a 4.000.
Re=21.220 x Q / v x d
21.220: factor de unificación de medidas.
Q: Caudal, en litros/minuto
v: viscosidad del fluido en cSt.
d: diámetro interno de la cañería en mm.

Antes de instalar las Válvulas hay que recircular un fluido de baja viscosidad a alto Re., .a través de un Filtro de Beta5=2.000, provisorio, para limpiar todo el circuito


El uso de estas técnicas con los Filtros adecuados y equipos complementarios permiten al personal de Mantenimiento evitar:

DESGASTE en todos los componentes.
AUMENTO DE LA VÍDA ÚTIL de las máquinas.
REDUCCIÓN DE COSTOS de MANTENIMIENTO.
AUMENTO DE PRODUCCIÓN.

La Ciencia de la TRIBOLOGÍA, desarrollada a fines de la segunda guerra mundial, les ofrece una herramienta de un valor enorme, y de muy fácil aplicación.