Óleos Industriais: Métodos Analíticos para Lubrificantes e Isolantes

óleos industriais, sejam eles lubrificantes, isolantes ou de corte são submetidos a várias análises físico-químicas

Indispensáveis para o bom funcionamento de qualquer máquina, os óleos industriais, sejam eles lubrificantes, isolantes ou de corte são submetidos a várias análises físico-químicas, desde sua produção até o descarte. Este artigo procura mostrar a importância dessas análises para óleos lubrificantes e isolantes, não só para controle de sua própria qualidade, mas também, e principalmente, para obtenção de outros benefícios, como o aumento de vida útil dos equipamentos em que eles são usados.

Toda máquina desgasta-se com o tempo, pelo funcionamento e pelos inúmeros agentes contaminantes com os quais é posta em contato. A vida útil de todo equipamento pode, entretanto, ser aumentada, por meio do emprego de alguma forma de manutenção: corretiva, preventiva, preditiva ou proativa.

Do mesmo modo que substâncias corpóreas são valiosos indicadores das condições de saúde dos organismos vivos, os equipamentos têm no líquido lubrificante uma fonte de preciosas informações acerca do seu estado de conservação.

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Pelas múltiplas funções que exerce (refrigeração, limpeza, vedação, proteção contra agentes corrosivos, etc.) e pelo acesso aos vários pontos da máquina, o óleo constitui-se num agente de extrema importância na determinação de elementos de desgaste e contaminação dos equipamentos.

A chamada manutenção preditiva baseia-se no monitoramento do óleo lubrificante por vários ensaios de laboratório, a fim de determinar a presença de contaminantes e, por eles, o estado de conservação do equipamento.

Várias empresas, como a Engeoil Engenharia de Processos e Análises de Óleos, a Hilub Comércio e Serviços de Lubrificação e a Lubrin Lubrificação Industrial, fazem esse acompanhamento.

Uma mudança gradual das características do lubrificante em serviço é normal. Mudanças súbitas apontam para a necessidade de troca do óleo e, na maioria dos casos, são indícios de falha no equipamento, pois a vida do lubrificante está diretamente ligada às condições de trabalho e manutenção de cada máquina.

Uma vez preservadas as características químicas e físicas do óleo e mantido em níveis toleráveis o grau de contaminantes, o lubrificante poderá permanecer em serviço, por um período maior, com segurança.

Pelos resultados das análises, é possível conhecer, controlar e, normalmente, combater a origem da contaminação. De posse desses dados, os prestadores fornecem laudos informativos que orientam o usuário do serviço, possibilitando-lhe promover intervenções seguras. As técnicas usadas incluem ferrografia, espectrometria e cromatografia gasosa. Os resultados obtidos determinam o estado de deterioração da máquina e seus componentes, revelando possíveis falhas e suas causas ainda não percebidas pela manutenção.

A ferrografia é usada na manutenção preditiva de equipamentos industriais, como grandes prensas e injetoras etc. Analisam-se o aspecto e o tamanho das partículas presentes no óleo, permitindo identificar com alta precisão em que nível está ocorrendo o desgaste.

A espectrofotometria é a técnica preferida quando se monitoram veículos, sejam eles de passeio, tratores, carregadeiras, caminhões, empilhadeiras, guindastes e outros. Nesse caso, a quantificação de elementos como ferro, cobre, cromo e alumínio, que se originam das diversas ligas metálicas que compõem os equipamentos, e do sílício, proveniente da poeira, são as mais usadas.

Química e Derivados, Origem do desgaste dos equipamentos: Óleos Industriais
Origem do desgaste

As determinações metálicas geralmente são feitas por espectrometria de absorção atômica e/ou ICP (espectrometria de plasma de argônio induzido).

Os teores são detectados em concentrações de partes por milhão, permitindo identificar o desgaste de qualquer parte do sistema mecânico em seu estado inicial e evitando a diminuição da vida útil do equipamento. A tabela 1 apresenta as origens do desgastes metálicos.

Uma criteriosa análise microscópica das partículas presentes no óleo, oriundas do desgaste, a fim de determinar seus aspectos e tamanhos, fornecem valiosas informações sobre o processo de desgaste. Essa técnica é chamada de ferrografia.

A Lubrin fornece aos clientes o sistema “Wear Check”, baseado na técnica ferrográfica, que permite visualizar a deterioração, contaminação e desgaste das máquinas, permitindo um diagnóstico rápido e eficiente e a realização de medidas corretivas antes da ocorrência de falhas.

O laudo de uma análise ferrográfica oferece resultados quantitativos e qualitativos. A análise determina o total de partículas presentes no óleo, dividindo-as entre maiores e menores de 5 m, classificando-as como “L” (large) e “S” (small), respectivamente. A unidade usada é DR/mL, específica para a técnica ferrográfica. Esses dados permitem identificar as tendências do agravamento do desgaste.

A tabela 2 da Lubrin dá bom exemplo de laudo de análise ferrográfica.

Química e Derivados, Métodos analíticos para óleos lubrificantes e isolantes Lubrin dá bom exemplo de laudo de análise ferrográfica.
Métodos analíticos para óleos lubrificantes e isolantes

Nela L+S equivale ao total de partículas. É o melhor e mais utilizado índice de acompanhamento ferrográfico do desgaste. Com ele é determinado o nível de alerta, calculado estatisticamente, somando-se duas vezes o desvio padrão à média dos valores anteriormente obtidos de várias amostras.

O limite assim calculado, se superado, indica que provavelmente há um problema, não necessariamente um defeito grave. Para determinar a causa e as providências a serem tomadas, deve ser feita a ferrografia analítica.

O fator PLP, calculado pela expressão PLP = [(L-S)/(L+S)].100, indica o percentual de partículas grandes em relação ao total de partículas e, conseqüentemente, o modo de desgaste.

Admitindo-se que não ocorram alterações no desgaste da máquina, a taxa de produção de partículas grandes e pequenas deverá ser mantida e, portanto, a relação entre estas partículas também se manterá constante. Conclui-se que, mesmo havendo uma troca recente de óleo com conseqüente redução na concentração total de partículas (L+S), os resultados do PLP deverão se manter praticamente constantes.

Química e Derivados, Figura 1: Ferrugem (esq.) e liga de AI (dir.) em análise por "Wear check"
Figura 1: Ferrugem (esq.) e liga de AI (dir.) em análise por “Wear check”

Para determinar causas e severidade dos desgastes, utiliza-se a ferrografia analítica.

O exame microscópico da forma das partículas permite inferências quanto à causa, enquanto que a medição do tamanho e avaliação da incidência levam à conclusão sobre a severidade. Fotos das partículas observadas também fazem parte do relatório de análise, como, por exemplo, a apresentada na figura 1. As avaliações sempre levam em conta o tipo de máquina monitorada.

Cada tipo de partícula possui um procedimento de análise e determinação de incidência próprios e independentes. Para facilitar a representação de todas as partículas pode ser elaborado um gráfico de barras. Um exemplo do gráfico analítico de um compressor de parafusos (ar comprimido) numa condição perigosa pode ser visto na figura 2 cedida pela Tribolab Comércio de Aparelhos Científicos Ltda.

Química e Derivados, Figura 2: Gráfico analítico de um compressor de parafusos (ar comprimido) numa condição perigosa
Figura 2: Gráfico analítico de um compressor de parafusos (ar comprimido) numa condição perigosa

A avaliação dos dados permitiu aos técnicos da referida empresa concluir que:

• Há baixa esfoliação, gerada por atrito normal em aço de baixa liga, sem quebra de filme lubrificante;

• Partículas de desgaste severo com arrastamento em aço de baixo teor de liga (< 3% de liga) atingem 60 mm;

• Os contaminantes são poucos, mas com dimensões (80 mm) suficientes para provocar a leve abrasão encontrada;

• Pitting inicial em rolamentos indicado pelos nacos (partículas espessas) com até 40 mm e laminares de até 80 mm em aço de alta e baixa liga. Podem advir de roçamento dos parafusos e depois laminadas sob rolamentos;

• Grande quantidade de bronze, com até 100 microns, provavelmente provenientes de gaiolas de rolamento ou trocador de calor; Presença pequena de gel e borra, indicando degradação inicial do óleo.

No caso apresentado as recomendações, segundo técnicos da Tribolab, seriam a troca do óleo e nova coleta para avaliação da evolução após 1.000 horas de operação. Os maiores problemas estão sendo gerados pelas partículas de maior tamanho, embora estejam presentes em pequenas quantidades.

Nos óleos lubrificantes usados em motores, além da já citada análise metálica, há outras análises importantes, a saber:

1.TBN: o “total basicity number” ou número de basicidade (ou alcalinidade) total é realizado principalmente em óleos lubrificantes usados em motores diesel. Estes óleos têm uma reserva alcalina, destinada à neutralização dos ácidos formados pela combustão do diesel. Em geral essa contaminação é de enxofre e a neutralização ocorre por aditivação alcalina, verificada pelo TBN, expressão que indica quanto desta reserva ainda resta no óleo. Quanto maior for esse valor, maior será a vida útil do óleo. Para a Engeoil, o número mínimo aceitável para TBN é de 2 mg KOH/g de amostra, para que ele possa continuar sendo usado sem que haja risco de uma corrosão ácida no motor.

Outros serviços na área de lubrificação

As empresas que fazem análises em óleo para orientação e manutenção preditiva prestam, em geral, também outros serviços, do tipo plano de lubrificação; fornecimento e mão-de-obra para lubrificação e abastecimentos; filtragem e recuperação de óleo; além de darem treinamentos e cursos.

Química e Derivados, Unidade móvel da Hilub para filtração e purificação de lubrificantes usados
Unidade móvel da Hilub para filtração e purificação de lubrificantes usados

A Hilub, por exemplo, possui unidade móvel para filtração e purificação de lubrificantes usados. Usa filtragem absoluta por termovácuo. Pela eliminação da água, gases e partículas sólidas do óleo usado, aumenta-se a vida útil do equipamento e do lubrificante, diminuindo os custos de reposição. Outra vantagem é a contribuição para a preservação do meio ambiente por retirada de substâncias de díficil descarte. A empresa possui certificado ambiental para eliminação desses resíduos, obedecendo às normas ISO 14000. Podem ser filtrados lubrificantes usados em sistemas hidráulicos, tratamento térmico, transformadores, caixas de engrenagem, sistemas térmicos e turbinas.

2.TAN e pH inicial: o número de acidez total ou “total acidity number”, juntamente com o pH permitem a avaliação da presença de contaminantes ácidos no óleo.

Química e Derivados, Viscosímetros cinemáticos para testes a 40°C e 100°C
Viscosímetros cinemáticos para testes a 40°C e 100°C

3.Viscosidade: é uma das características mais importantes de um óleo lubrificante e deve ser mantida dentro de limites pré-estabelecidos, com um valor ideal para cada óleo em particular. Indica o grau de atrito, isto é, a resistência que o líquido oferece ao fluir. Nos lubrificantes, costuma-se determinar a viscosidade cinemática, ou seja, a medida do tempo que um fluido leva para escoar em um capilar, a uma temperatura específica. É expressa em Stoke (centímetro quadrado por segundo). A viscosidade se modifica com a temperatura. No caso de óleos, as determinações de viscosidade são efetuadas em temperaturas controladas ou corrigidas por tabelas.

A diminuição no valor de viscosidade pode ser devida à reposição feita com óleo de menor viscosidade ou contaminação por combustível, solventes ou óleo de lavagem. Já o aumento da viscosidade geralmente indica reposição feita com óleo de maior viscosidade, presença de contaminantes insolúveis, oxidação pronunciada, contaminação com água, inadequação ou ineficiência dos sistemas de filtração ou quantidade de óleo insuficiente em circulação, favorecendo o processo de oxidação.

4.Insolúveis: com este ensaio mede-se a quantidade de produtos de oxidação do óleo, tais como borras, lacas, resinas, fuligem (material carbonizado), etc.

5.Índice de viscosidade: é o valor da variação da viscosidade do óleo com a temperatura, sendo comparado com um óleo referência de índice de viscosidade zero a índice de viscosidade 100. Para efeito de comparação é preciso saber pelo menos o valor de duas viscosidades do mesmo óleo em temperaturas diferentes, em geral 40°C e 100oC.

6.Ponto de fulgor ou inflamação: é a temperatura mínima em que um óleo aquecido libera vapores suficientes para se inflamar em presença de chama livre, não sendo capazes de manter a chama acesa. Este ensaio permite avaliar se o óleo em uso está ou não contaminado por combustível, seja diesel, gasolina ou álcool.

7.Ponto de combustão: é a temperatura em que os vapores são liberados de modo acelerado, permitindo a combustão.

8.Água: a presença de água no óleo é indesejável, por isso deve ser analiticamente avaliada. As técnicas usadas são Karl Fisher ou destilação.

9.Densidade: relação entre o peso de um determinado volume de matéria e o peso de igual volume de água, na mesma temperatura.

10.Cinzas sulfatadas: são resíduos sulfatados oriundos de uma quantidade de óleo calcinada sob ação de ácido sulfúrico. É um ensaio quantitativo expresso por percentagem em peso, cujo resíduo final é uma mistura de óxidos metálicos e sulfatos. É feito como em análise de cinzas usual, isto é, em mufla a 780°C – 1000oC. Os óleos naftênicos costumam apresentar maior teor de cinzas sulfatadas.

11.Ponto de fluidez: é a menor temperatura na qual um óleo ainda consegue fluir. O declínio de temperatura é feito em condições determinadas e com o óleo em repouso.

Óleos Isolantes

Química e Derivados, Métodos analíticos para óleos lubrificantes e isolantes
Métodos analíticos para óleos lubrificantes e isolantes

Usados nos equipamentos elétricos, como transformadores e outros, os óleos isolantes também devem ter suas propriedades constantemente avaliadas. As análises realizadas são fundamentais para prolongar a vida útil do equipamento elétrico, evitando com isso a interrupção do fornecimento de energia. Por meio de análises físico-químicas controla-se a qualidade do óleo e por métodos cromatográficos pode-se detectar a existência de falha nos equipamentos.

O óleo isolante é, em grande parte dos casos, um óleo mineral, isto é, composto de hidrocarbonetos derivados de petróleo. Para aplicações em equipamentos elétricos são, em geral, empregados dois tipos de óleo mineral isolante: naftênicos e parafínicos.

O óleo mineral isolante em serviço está continuamente deteriorando-se devido às reações de oxidação, que podem ser aceleradas pela presença de compostos metálicos, oxigênio, alto teor de água e calor excessivo. Tais alterações podem levar ao comprometimento do equipamento. Como conseqüência, podem ocorrer mudanças de cor no óleo, formação de compostos ácidos e num estágio mais avançado da oxidação, precipitação de borra. Essas mudanças nas características devem ser acompanhadas por análises físico-químicas periódicas. A metodologia recomendada está descrita na NBR-10576, cujo título é “Guia para acompanhamento de óleo mineral isolante de equipamentos elétricos”. Os ensaios para avaliação do desempenho do óleo indicados por essa norma, assim como a metodologia que deve ser usada, são os apresentados na Tabela 3 que inclui breve explicação sobre a importância de cada determinação.

A amostragem de óleos isolantes deve seguir os procedimentos indicados nas normas NBR-7070 e NBR-8840.

Química e Derivados, Métodos analíticos para óleos lubrificantes e isolantes
Métodos analíticos para óleos lubrificantes e isolantes

Na Tabela 4 são apresentados outros ensaios realizados em óleo mineral isolante, igualmente com algumas sugestões de métodos e descrição dos testes. Vê-se, nessa tabela, que o método espectrofotométrico para determinação de furfuraldeído ainda está sendo aperfeiçoado. O furfuraldeído é considerado o principal composto da decomposição do papel isolante, constituinte igualmente importante de equipamentos elétricos, como os transformadores. Dessa forma, monitorar a concentração de furfuraldeído no óleo isolante pode oferecer informações relevantes a respeito das condições do papel na isolação do transformador. Mais especificamente, o teor de furfuraldeído permite estimar o grau de polimerização do papel isolante, podendo, a princípio, prever quando seria o fim de sua vida útil sem necessidade de amostrar uma porção desse papel, o que só seria possível fazer com o transformador desenergizado. Esse método apresenta, portanto, uma vantagem em relação ao da determinação do grau de polimerização diretamente no papel, também utilizado.

Muitas empresas prestadoras de serviços de análises referenciam-se também ao regulamento técnico DNC 03/94 como indicativo dos testes a serem feitos em óleos isolantes. Eles são, entretanto, os mesmos citados nas tabelas 3 e 4.

Quanto à análise cromatográfica, trata-se de um poderoso instrumento para identificação precoce de falhas em equipamentos elétricos, tais como arco, descargas parciais, sobreaquecimento e outras.

O óleo mineral isolante gera gases durante o processo de envelhecimento normal, sendo essa geração acentuada quando ocorrem falhas no equipamento elétrico. A análise cromatográfica tem como objetivo determinar a composição dessa mistura de gases que normalmente se dissolve no óleo isolante. As falhas incipientes, ou seja, do início, usualmente levam a baixas concentrações de gases e, portanto, o acompanhamento por meio de análises periódicas pode evitar danos mais sérios ao equipamento elétrico. Os gases que devem ser analisados, de acordo com a NBR 7070 são hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, metano, monóxido de carbono, dióxido de carbono, etileno, etano e acetileno.

A forma correta de amostragem e o método de ensaio também são descritos nessa norma. A interpretação dos resultados deve ser baseada na NBR 7274.

Química e Derivados, Métodos analíticos para óleos lubrificantes e isolantes
Métodos analíticos para óleos lubrificantes e isolantes

Equipamentos existem no mercado equipamentos específicos para análise de óleos e combustíveis.

Por exemplo a empresa Radchrom Analítica fornece vários analisadores de combustíveis e óleos, dentre eles o “FOx FUEL/ OIL ANLYSER, ZnSe Optics”. O equipamento, da marca Midac, contém espectrofotômetro infravermelho com transformada de Fourier, e pode ser programado e calibrado para analisar gasolina, óleo diesel, querosene de aviação, álcool e óleos lubrificantes. Mais especificamente, o aparato permite a execução de todas as análises listadas na Tabela 5. O “FOx” apresenta uma estrutura de software totalmente aberta, onde o próprio cliente pode fazer ou alterar a calibração.

Terceirização das análises

Há casos em que a terceirização das análises em lubrificantes é obrigatória. Por exemplo, no caso do registro.

As portarias 126 e 131 da ANP (Agência Nacional de Petróleo), de 30 de julho de 1999, estabelecem que a produção, importação e comercialização de óleos e graxas lubrificantes e aditivos para óleos lubrificantes de aplicação automotiva, fabricados no país ou importados, a granel ou embalados, de origem mineral, vegetal ou sintética, estão condicionadas ao registro prévio.

Química e Derivados, Métodos analíticos para óleos lubrificantes e isolantes
Métodos analíticos para óleos lubrificantes e isolantes

Para fins de fiscalização e garantia da qualidade, as pessoas jurídicas que pretendem produzir ou importar esses produtos deverão ser cadastradas na ANP com a vinculação dos registros dos produtos que comercializam.

As solicitações de registro dos produtos deverão ser individualizadas por tipo ou grau de viscosidade e acompanhadas pelo formulário para “registro de produto”, conforme Anexos II e III das citadas portarias.

Também devem ser incluídos documentos comprobatórios do desempenho declarado para o produto.

Os já citados Anexos II e III solicitam discriminar a composição do produto (percentual em peso) e as características físico-químicas aferidas de uma série de análises, segundo métodos ASTM e/ou NBR. As análises solicitadas, que devem ser obrigatoriamente feitas em laboratório externo, são apresentadas na Tabela 6.

Empresas que realizam essas análises para terceiros podem ser encontradas na edição de 1999 do GUIA DAS ANÁLISES, publicado por esta editora, à página 46, no tópico referente a análises de LUBRIFICANTES. O item “ÓLEOS E GRAXAS”, à página 51, também deve ser consultado. No caso de óleos isolantes, há empresas como a Eletronorte que, além da realização dos testes, oferecem também técnicos especializados e equipamentos apropriados para coleta das amostras de óleo em equipamentos elétricos, incluindo os recipientes e seringas para recolhimento das amostras que serão submetidas à análise cromatográfica.

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Química e Derivados, Maria Silvia é da P&D Consultoria Química S/C Ltda.
Maria Silvia P&D Consultoria Química S/C Ltda.

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