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La Electrostática, Fluidos de Nueva Generación y Soluciones

La Electrostática, Fluidos de Nueva Generación y Soluciones

Los fabricantes de fluidos hidráulicos le agregan aditivos (generalmente varios o un paquete de aditivos), a aceites base para darles las características que necesitan para trabajar en las condiciones extremas bajo las cuales trabajan los sistemas hidráulicos. Los aditivos mejoran la viscosidad, reducen la fricción, previenen el desgaste y permiten que el fluido tolere altas temperaturas sin oxidarse. Los aceites base Grupo I contienen aromáticos, los cuales en su mayoría son tóxicos, así como también zinc, un metal pesado que promueve la resistencia al desgaste. Debido a su toxicidad y riesgo potencial sobre el medio ambiente, no cumplen con los estándares ambientales internacionales actuales.

Los aceites hidráulicos y de lubricación en los Grupos II a IV se producen con paquetes de aditivos apropiados, por lo que no contienen toxinas o carcinógenos, están libres de metales pesados y no contienen cenizas, lo que significa que no producen residuos luego de la combustión. Sin embargo, al estar libres de metales pesados, presentan una conductividad eléctrica baja. El aceite que fluye a través de filtros en un sistema hidráulico pueden generar descargas electrostáticas. Se puede generar una chispa, que puede causar explosiones en el tanque o dañar componentes hidráulicos, como válvulas y filtros. Las chispas también pueden interferir o dañar componentes electrónicos además de formar depósitos en el aceite.

Figura 1 - Estudios en laboratorios de HYDAC revelan que la ausencia de metales pesados en los fluidos ambientalmente responsables de hoy en día, permiten la acumulación de cargas electrostáticas. Las descargas que resultan en un elemento filtrante, como el mostrado arriba, rápidamente envejecen el fluido, lo que conlleva a la formación de barniz.

Cuando los aceites modernos sin zinc ni cenizas se envejecen, se forman partículas de contaminación sumamente finas (de menos de 1 micrón), que no se disuelve en el mismo y que por lo general se conoce con el nombre de barniz. Este se fija en las superficies aceitosas de los componentes, lo cual afecta negativamente su función. Entre las posibles consecuencias tenemos correderas de válvulas tramadas, solenoides sobrecalentados, y una vida útil extremadamente corta de los elementos filtrantes.

Descargas Electrostáticas

Si dos sustancias (como por ejemplo el material de los elementos filtrantes y fluido hidráulico) con diferentes funciones de trabajo de electrones interactúan, los electrones en la interfase son transferidos desde el material con la función más baja a la más alta. Un déficit de electrones existe en la interfase, lo que hace que se forme una capa de difusión en el fluido con una carga opuesta a la del elemento filtrante. La carga de esta capa se debilita a medida que aumenta la distancia con el elemento en cuestión.

Figura 2 – Los fluidos del Grupo I contienen Zinc y otros metales pesados, lo que les da una conductividad mucho mayor que los de los Grupos II y III, que son ambientalmente aceptados.

Cuando el aceite fluye, la carga se lleva aguas abajo y genera un diferencial de voltaje. Mientras más rápido fluya, más alto será el voltaje. Si el mismo excede un valor límite, ocurre un equilibrio repentino que se manifiesta como una chispa. Sin embargo, el fluido debe presentar una baja conductividad para que esto ocurra. De otra manera, las cargas en la capa de difusión pueden fluir en sentido contrario e igualarse. Esto es lo que ocurre con fluidos con un alto contenido de aditivos metálicos.

Consecuencias

Las consecuencias de que ocurran descargas electrostáticas pueden ser serias. Por ejemplo, cuando la carga es llevada más aguas abajo por el aceite, descargas descontroladas pueden ocurrir en el reservorio. Dependiendo de la mezcla aire aceite, podrían generarse explosiones. Adicionalmente se pueden quemar agujeros en los elementos filtrantes como resultado de las chispas.

Figura 3 – Las descargas electrostáticas no solo pueden acelerar el envejecimiento del fluido hidráulico, sino también quemar agujeros en los elementos filtrantes. En la imagen se observa uno de más de 200 micrones de diámetro, que elimina la efectividad del mismo, originalmente de 3 micrones.

La foto a la derecha muestra un agujero de más de 200 micrones de diámetro en un elemento filtrante de 3 micrones. Este agujero genera una apertura a través de la cual pasan contaminantes, lo que por supuesto sacrifica la efectividad del elemento. Otros componentes en el sistema como enfriadores y válvulas, podrían ser dañados por descargas descontroladas.

Las descargas electrostáticas pueden además causar ondas electromagnéticas que perturban y dañan sensores sensibles y componentes electrónicos.  Las descargas no solamente dañan los componentes hidráulicos sino que también al aceite mismo. Las chispas rompen la integridad del fluido, formándose radicales libres que se polimerizan en cadenas largas. Esto como consecuencia general el efecto de barnizado.

La Solución

Utilizando un banco de prueba diseñado a la medida, ingenieros de la empresa HYDAC Filtertechnik analizaron el comportamiento electrostático de filtros hidráulicos en aceites críticos. La culminación de su trabajo lo representa la serie de elementos filtrantes Stat Free de HYDAC, que combate el problema de descargas electrostáticas. Los mismos están diseñados para permitir la descarga y son diseñados con materiales que minimizan la generación de carga entre el aceite y el flitro. No solamente eliminan las consecuencias de la carga electrostática, sino que también corrigen la causa raíz.

Figura 4 – Este banco de prueba de HYDAC fue diseñado y construido específicamente par analizar el comportamiento electrostático de los filtros hidráulicos. Fue crucial para el desarrollo de los elementos Stat Free, que combaten la acumulación de electrostática y disipa las cargas que ocurran.

Un diseño que simplemente pueda descargar sin efectuar una modificación en el material del elemento reduce la formación de chispas, pero el aceite continúa cargado. Las cargas en la interfase del filtro pueden disiparse, pero el fluido tiene aún una carga más alta al no ocurrir estas chispas en el filtro que las neutralicen. El aceite cargado es llevado aguas abajo y descargas descontroladas son posibles en otras partes del sistema. Bajo ciertas circunstancias, esto puede causar un daño severo como una explosión en el tanque.

Figura 5 – Este gráfico muestra que los elementos filtrantes convencionales hacen poco para disipar las cargas electrostáticas. Los elementos Stat Free, sin embargo, toleran descargas y previenen su acumulación.

​HYDAC también desarrolló sensores StatStick, los cuales miden el voltaje en el aceite aguas abajo del filtro para permitir que ingenieros de aplicación o mantenimiento procedan a realizar mediciones en campo. Por ejemplo, ingenieros de HYDAC descubrieron la ocurrencia de explosiones en el tanque de un sistema de gran tamaño luego que los filtros de respiradero se encontraron completamente quemados. Los filtros no fueron optimizados para carga electrostática. Se efectuaron mediciones con el StatStick, que reveló voltajes de hasta 17,000 V y descargas peligrosas en el tanque. Una vez que se colocaron elementos filtrantes Stat Free, no se detectaron descargas y el voltaje cayó a niveles de 3 V o menos.

Barniz

El barniz es el producto de reacciones químicas en el aceite, generalmente denominadas envejecimiento del mismo. Este envejecimiento acelera significativamente cuando se presentan focos calientes (de más de 300 grados C) en el aceite. Las descargas electrostáticas son frecuentemente la fuente de tales altas temperaturas. Otros focos calientes pueden ser causados por el efecto micro diesel o por componentes calientes. El resultado es siempre el mismo: las cadenas de hidrocarburos del aceite base se rompen por temperaturas locales altas. Las secciones entonces reaccionan con otros hidrocarburos, aditivos del aceite u oxigeno, generalmente formando el barniz, el cual se deposita como residuo en el sistema.

Aceites modernos en los Grupos II a IV contienen muchos aditivos que mejoran las características del aceite base, como el índice de viscosidad, protección a corrosión, tendencia de formación de espuma, características de adhesión y comportamiento de envejecimiento (antioxidantes). El envejecimiento está afectado principalmente por dos sustancias en el paquete de aditivos: fenoles y aminas. Estas dos sustancias actúan como buscadores de radicales libres e interrumpen las reacciones químicas que resultan en barniz. Al hacer esto, sin embargo, se van desgastando y en caso de ocurrir esto, el envejecimiento ocurre rápidamente.

El nivel de aminas y fenoles revela las condiciones de envejecimiento del aceite, pero no puede ser detectado utilizando métodos de medición tradicionales. Nuevos métodos, como por ejemplo el denominado RULER (Rutina de Evaluación de Vida Útil Disponible por sus siglas en inglés), o el MPC (Colorimetría de Parche de Membrana igualmente por sus siglas en inglés), se requieren para establecer las condiciones de oxidación del aceite. La prueba RULER compara el nivel de antioxidantes en una muestra con aquél del aceite nuevo para así determinar la vida útil que le queda al aceite.

Consecuencias - Las consecuencias de la acumulación de barniz en el aceite por un envejecimiento prematuro, varía dependiendo de donde se forman estos depósitos. Por ejemplo, depósitos en el reservorio puede que no impliquen problemas inmediatos, pero podrían afectar el desempeño de los componentes aguas abajo. Ahora, barniz en válvulas puede causar que las correderas se tramen, causando problemas operativos y fallas prematuras de componentes. Además, el barniz es una sustancia suave insoluble, que puede tapar filtros hidráulicos, generalmente en horas. Si el nivel de antioxidantes se encuentra por debajo de 60% a 80%, se recomienda efectuar un cambio de aceite completo.

Figura 6 – Este filtro de respiradero de un sistema hidráulico de tamaño considerable muestra evidencias de haber sido quemado por descargas electrostáticas. Las pruebas mostraron que ascendían a los 17,000 Voltios. Luego de instalar los elementos Stat Free, no se detectaron descargas electrostáticas y se midieron a 3 Voltios o menos.

Solución - Si este u otros problemas existen en un sistema hidráulico, filtros especiales pueden ser especificados para aliviar el problema. El HYDAC IXU por ejemplo se diferencia de filtros convencionales en que es un filtro químico, no mecánico. El aceite fluye por una resina que absorbe los productos de oxidación del aceite, removiéndolos efectivamente del sistema.

Sin embargo, estos filtros tratan el síntoma, no la causa – la formación de elementos de oxidación en el aceite. Los elementos Stat Free pueden ser utilizados para combatir el envejecimiento prematuro. Al ser electrostáticamente optimizados, previenen descargas en el aceite y así la formación de elementos de envejecimiento en el mismo. También, dependiendo del sistema, el bajar la temperatura del aceite puede reducir considerablemente la oxidación del mismo.

Para prevenir que se deteriore la condición del aceite, se deben efectuar análisis de muestras  con regularidad. Al combinar esta acción con un monitoreo continuo se obtiene aún una mayor efectividad en el monitoreo de la condición.

Artículo originalmente escrito por Frank Oberli, Gerente General de HYDAC Filtertechnik en Sulzbach, Alemania. Para mayor información, favor visite www.hydacusa.com.

Para mayor información en Español, incluyendo los elementos filtrantes Stat Free de HYDAC, puede contactar a Ricardo Solórzano a rsolorzano@eemtechnologies.com, (855)462-7633, www.eemtechnologies.com.

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