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MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM
19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO
Tema A2a Materiales: Tribología
“Análisis del aceite lubricante y del desgaste mecánico en una bomba de recirculación de lodos”
Andrés López Velázqueza, Oscar Adolfo León Riveraa, Rosario Aldana Francoa, Ervin Jesús Alvarez
Sáncheza, Miguel Ángel Olivares Torresa
aUniversidad Veracruzana,Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Campus Xalapa, Circuito Dr. Gonzalo Aguirre Beltrán S/N, Zona Universitaria,
Xalapa, C.P. 91000, México.
*Andrés López Velázquez.Dirección de correo electrónico: andreslv66@hotmail.com
R E S U M E N
En este trabajo se presenta un análisis del desgaste mecánico de una bomba de recirculación de lodos ubicada en una planta
de tratamiento de aguas residuales, PTAR. El estudio se basó en la técnica de análisis de aceite lubricante utilizado en la
lubricación de esta bomba. El estudio se realizó mediante el empleo de técnicas de caracterización cualitativas (análisis
trivector) como cuantitativas (espectroscopia de rayos X, espectroscopia RAMAM, Microscopía electrónica de barrido,
(SEM) con el propósito de determinar la estructura física y superficial de los insolubles contenidos en el aceite lubricante
y establecer un diagnóstico del desgaste mecánico en la bomba considerada en esta investigación. De los resultados
obtenidos entre los altos niveles de partículas y los tamaños de estas, se establece que la bomba se encuentra en un nivel
de desgaste mecánico anormal y que el tipo de desgaste predominante, aparentemente, pudiera ser del tipo freeting; sin
embargo, se sabe que normalmente se presentan en forma combinada.
Palabras Clave: Desgaste mecánico, Bomba de recirculación, Análisis de Aceite, insolubles.
A B S T R A C T
This paper presents an analysis of the mechanical wear of a sludge recirculation pump located in a wastewater treatment
plant, WWTP. The study was based on the analysis technique of lubricating oil used in the lubrication of this pump. The
study was carried out using qualitative characterization techniques (trivector analysis) as quantitative (X-ray
spectroscopy, RAMAM spectroscopy, scanning electron microscopy, (SEM) with the purpose of determining the physical
and superficial structure of the insolubles contained in the lubricating oil and establish a diagnosis of mechanical wear
on the pump considered in this investigation. From the results obtained between the high levels of particles and the sizes
of these, it is established that the pump is at an abnormal mechanical wear level and that the predominant type of wear,
apparently, could be of the freeting type; however, it is known that they usually occur in a combined form.
Keywords: Mechanical wear, Recirculation pump, Oil analysis, insoluble.
1. Introducción
El desgaste mecánico, la corrosión y la fatiga, son
considerados como los fenómenos más importantes de
degradación de los elementos mecánicos y equipos
industriales [1,2].
El desgaste, en particular, puede ser definido como el daño
superficial sufrido por los materiales después de
determinadas condiciones de trabajo a los que son
sometidos. Este fenómeno se manifiesta por lo general en las
superficies de los materiales, llegando a afectar la sub-
superficie. El resultado del desgaste es la pérdida de material
y la subsiguiente disminución de las dimensiones y por tanto
la pérdida de tolerancias [3,4].
Por otro lado, los análisis que se realizan a un aceite
lubricante son muy variados: viscosidad, color, punto de
fluidez, residuos de carbón, resistencia a la formación de
espuma, conteo de partículas, entre otros. Estos análisis
requieren de cantidades importantes de lubricante, entre 250
y 500 ml para los aceites y entre 500 y 1000g para grasa [5].
Los insolubles presentes en un aceite lubricante están
constituidos por todos aquellos materiales sólidos capaces
de contaminar un aceite lubricante en uso. Por ejemplo,
partículas carbonosas, partículas metálicas, polvo, materia
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orgánica y productos resultantes de la degradación del
propio lubricante. [6,7].
La metodología que se utiliza para clasificar y cuantificar las
partículas de acuerdo con el tamaño de las mismas se basa
en el código de clasificación ISO 4406 [8] y la norma
americana U.S National Aerospace Standard 1638 [9]. El
código ISO4406 especifica dos o tres tamaños en los niveles
de limpieza, donde el número se refiere a la cantidad de
partículas presentes en un mililitro de muestra por cada
tamaño establecido. En el caso del código de dos tamaños el
primer número se refiere a partículas mayores a 5 micrones
y el segundo a tamaños mayores a 15 micrones. Sin
embargo, el código de tres tamaños, el primer número se
refiere la cantidad de partículas > de 2 micrones, el segundo
a partículas > de 5 micrones y el tercero a partículas > de 15
micrones que los hay generalmente en condiciones
anormales de operación.
En este trabajo se presenta un análisis del desgaste mecánico
de una bomba de recirculación de lodos ubicada en una
planta de tratamiento de aguas residuales, PTAR.
1.1. Descripción del sistema
El objeto de estudio se ubica en una planta de tratamiento de
aguas residuales localizada en la Ciudad de Xalapa,
Veracruz. Durante el tratamiento de las aguas residuales se
generan lodos que deben ser tratados. En estos residuos
pueden presentarse metales pesados, contaminantes
orgánicos y organismos patógenos. Su composición
depende en gran medida de la calidad del agua tratada, su
mala disposición puede generar impactos severos sobre el
suelo.
En el tratamiento biológico, las aguas negras pasan de los
reactores a los sedimentadores donde los lodos son retirados
del efluente, devolviéndolos a los reactores para que estos
cumplan su ciclo de funcionamiento ya que en estos lodos
se encuentran microorganismos devoradores de
contaminantes residuales.
Este proceso de recirculación del lodo a los reactores es
mediado por las bombas de recirculación de lodos. Éstas son
tres y se encuentran operando por "relevos semanales", es
decir, se turnan una cada semana trabajando las 24 horas del
día, excediendo las 168 horas de trabajo a la semana y
alcanzando así, 8,736 horas de trabajo al año. Los datos
técnicos de las bombas son caudal 306.44 galones/min,
altura de 5.29 ft y una velocidad de 983 revoluciones/min.
La precámara de líquido lubricante viene llena de fábrica
con 4 litros de aceite lubricante. Para la lubricación se
recomienda usar los siguientes aceites:
1. Aceite blanco Merkur Pharma 70; Fabricante: DEA
2. Aceite de parafina fluido; Fabricante: Merck, No:
7174
3. Aceite Penreco Drakeol Num. 9
4. Alternativa: Todos los aceites de motor de las clases
SAE 10W a SAE 20W [10].
El aceite lubricante utilizado en el sistema de lubricación
de estas bombas es el aceite mineral 20w-50. Las
propiedades de este aceite lubricante se presentan en la
Tabla 1.
El mantenimiento de estas bombas se hace cada vez que
cumpla las 15,000 horas de trabajo, sin embargo, el manual
del fabricante indica que el cambio del aceite lubricante se
debe hacer cada 10,000 horas, ocasionando problemas antes
de llegar al tiempo estipulado, teniendo que adelantar el
servicio de mantenimiento o corrección de las bombas.
Tabla 1 – Propiedades del aceite lubricante mineral 20w-50.
Propiedad
Método
Valor
Viscosidad
cinemática a 40°C
[cSt]
ASTM D445
156.30
Viscosidad
cinemática a 100°C
[cSt]
ASTM D445
17.87
Viscosidad
cinemática a
-20°C [cP]
ASTM D4684
50000
Densidad a 15°C
[kg/m3]
ASTM D405 891.0
Fuente: Manual de servicio SEWATEC.
La problemática se localiza en estas bombas. Se genera
ruido en la flecha (eje) del motor eléctrico provocando
vibración y esta afecta a la bomba hidráulica ocasionando
fricción y daño en el mismo eje, rodamientos y posiblemente
en el rodete.
Figura 1 – Motor eléctrico Fuente: propia
Figura 2 – Bomba de recirculación de lodos Fuente: propia
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El lodo entra en la bomba axialmente a través de la boquilla
de succión y se acelera hacia fuera por la rotación del
impulsor. En el paso de flujo en la carcasa de la bomba la
energía cinética del lodo se convierte en energía de presión.
El fluido se bombea a la boquilla de descarga, donde sale de
la bomba. El espacio de separación se encarga de que retorne
el fluido de la carcasa en la boquilla de aspiración. En el lado
trasero del impulsor, el eje entra en la carcasa a través de la
cubierta de la carcasa. El eje pasa a través de la cubierta que
está sellado a la atmósfera por un sello del eje. El eje se
apoya en los rodamientos.
2. Metodología
2.1. Análisis preliminar del aceite lubricante
Primeramente, se realiza un análisis inmediato del aceite
lubricante obtenido del sistema de lubricación de la bomba
objeto de estudio con el propósito de determinar de manera
cualitativa cual es la condición del aceite lubricante en
cuanto a tres aspectos: Degradación química, contaminación
con agua y presencia de partículas de desgaste. El equipo
utilizado para este análisis será un analizador de aceites
OilView-Quick Check, el cual es una herramienta preliminar
que diagnostica la condición del aceite lubricante y desgaste
en el equipo. Puede evaluar aceites minerales y sintéticos,
dar resultados rápidos en minutos. La Figura 3 muestra una
vista principal del analizador referido.
Figura 3 – Analizador OilView-Quick Check. Fuente: Propia
2.2. Inspección Visual
En este examen se analizan los insolubles contenidos en el
aceite con el empleo de un microscopio óptico MEIJI ML
7100. Ver figura 4
Figura 4 – Microscopio óptico. Fuente Propia
Este análisis se realiza con el apoyo de un atlas de partículas
como referencia para comparar la apariencia de las
partículas presentes en el aceite lubricante, identificarlas y
seleccionarlas para después caracterizarlas con estudios más
expecializados.
De acuerdo con el procedimiento, el aceite lubricante se
filtra mediante un dispositivo de separación aceite-solubles.
Se lleva a cabo la filtración con el empleo de una bomba de
vacío, de tal manera que el lubricante sea succionado y que
en el papel filtro queden los insolubles con la menor
cantidad de lubricante posible, como se muestra en la figura
5.
Figura 5 – Muestra de aceite lubricante filtrado. Fuente: Propia
2.3. Análisis Cuantitativo
Los análisis cuantitativos realizados en este estudio se
refieren al tipo espectroscópicos, los cuales consisten en la
interacción entre la radiación electromagnética y la materia,
con absorción o emisión de energía radiante. El análisis
espectral se basa en detectar la absorción de la radiación
electromagnética a ciertas longitudes de onda y se
relacionan con los niveles de energía implicados en una
transición cuántica. La radiación electromagnética se
atribuye a las diferencias de energía en las transiciones de
los electrones de unos niveles atómicos a otros. Para el
desarrollo de estos análisis se procedió de la siguiente
manera:
2.3.1 Preparación de las muestras.
La preparación de las muestras consistió en una filtración
especial de cada una de las tres muestras recolectadas, como
se indica:
• Se vierte una cantidad de aceite lubricante
equivalente a 1.5 ml. en un tubo eppendort. En total
se llenan 12 tubos eppendort por cada muestra
considerada.
• Se decantan los primeros 12 tubos eppendort
mediante centrifugación por seis minutos a 10,000
rpm. Ver figura 6.
• Los tubos centrifugados se retiran y se vierte el
exceso residual.
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• El resultado es un pequeño "botón" debido a la
acumulación de insolubles dentro del tubo
eppendort.
• Se vierte, nuevamente, otra cantidad de aceite
lubricante de 1.5ml de la misma muestra y se repite
este proceso otras dos veces más, de tal forma que
el botón se haga cada vez más grande.
• Se repite este proceso con las otras dos muestras a
considerar.
Posteriormente, se procedió a realizar un lavado con
Hexano, de acuerdo con el procedimiento que se describe:
• Se vierte en cada uno de los 12 tubos eppendort 1
ml. de hexano y se agita con cuidado para
desprender el botón y que este quede limpio.
• Se decanta los primeros 12 tubos eppendort por
centrifugación 6 min. a 10,000 rpm.
• Los tubos centrifugados se retiran y se vierte el
exceso residual de hexano.
• Los 12 tubos con la filtración se combinan
formando 6 tubos.
• Se vierte en cada uno de los 6 tubos eppendort 1
ml. de hexano y se repite toda la operación de
lavado.
• Los 6 tubos con la filtración se combinan formando
3 tubos.
• Se vierte en cada uno de los tres tubos eppendort
1ml. de hexano y se repite otra vez la operación de
lavado.
• Los 3 tubos con la filtración se combinan formando
2 tubos.
• Se vierte en cada uno de los dos tubos eppendort
1ml. de hexano y se repite otra vez la operación de
lavado finalizando el proceso de una muestra.
• Se repite este proceso de lavado con las otras dos
muestras.
Al final solo se obtienen tres tubos eppendort para cada
estudio, como se indica en la figura 7.
Figura 6 – Centrifugadora de eppendort. Fuente: Propia
Figura 7 – Muestras preparadas. Fuente: Propia
2.3.2 Espectroscopia rayos X EDS.
Esta es una técnica de radiación electromagnética que
permite la absorción de los electrones en los materiales. Es
muy adecuada para el análisis de partículas sólidas ya que
son especialmente capaces de identificar fases cristalinas de
los materiales. Su longitud de onda da un orden de magnitud
igual al de las distancias interatómicas. En la figura 8 se
muestra un esquema de esta técnica.
Figura 8 – Interacción de los electrones con la materia. Fuente:
Propia
El equipo utilizado para la realización de este estudio fue un
difractor de rayos X D8 ADVANCE. Este tipo de difractor de
rayos X expande las capacidades analíticas hasta el rango
nanométrico. Es altamente preciso, fiable y rápido, ocupa
una interfaz intuitiva, clara y de fácil manejo. Ver figura 9.
Figura 9 – Difractor D8 advance. Fuente: Propia
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2.3.3 Espectroscopia RAMAN.
La espectroscopia Raman es una técnica no destructiva que
da información acerca de los modos vibracionales del
material y junto con otras técnicas tradicionales, puede ser
utilizada de manera complementaria para caracterizar las
películas utilizadas como recubrimientos duros. El efecto
Raman está relacionado con los cambios de la
polarizabilidad electrónica de un sistema molecular,
inducidos por la acción del campo eléctrico de una onda
luminosa incidente [11]. El equipo RAMAN utilizado en este
estudio es DXR Imagine Raman Microscope, mismo que se
muestra en la figura 10.
Figura 10 – Microscopio DXR RAMAN Fuente:Propia
2.3.4 Microscopía electrónica de barrido (SEM).
El microscopio electrónico de barrido (SEM) es un
instrumento capaz de ofrecer una amplia gama de
información procedente de la superficie de la muestra. Su
funcionamiento se basa en barrer un haz de electrones sobre
la muestra a considerar, en función de los detectores que
haya disponibles.
El equipo utilizado en este trabajo corresponde a JEOL JSM-
7610F FEG-SEM. El JSM-7600F ofrece una verdadera
ampliación 1,000,000X con la resolución 1 nm y estabilidad
sin igual, por lo que es posible observar la morfología de la
superficie fina de nanoestructuras.
Figura 11 – SEM en MICRONA. Fuente: Propia.
3. Resultados
3.1. Resultados: Análisis preliminar del aceite lubricante
Los resultados obtenidos en el análisis preliminar del aceite
lubricante obtenido del sistema de lubricación de la bomba
objeto de este estudio nos indica una degradación química
en estado crítico debido al agotamiento del paquete de
aditivos contenidos en el lubricante, además, también se
alerta la contaminación con agua en un nivel bajo y la
presencia de partículas de desgaste en un nivel alto. Tal
como se muestra en el trivector de la figura12.
Figura 12 – Análisis trivector del aceite lubricante. Fuente: Propia
3.2. Resultados: Examen Visual
De los resultados obtenidos en el microscopio óptico, se
corrobora la existencia de insolubles en las muestras. Estos
insolubles no se pueden definir con precisión solo al
observarlos en el microscopio, ya que puede haber un
margen de error al clasificarlas. Sin embargo, se pudo
identificar que algunas de estas partículas son metálicas (Ver
Figura 13), otras aparentemente de aleaciones, e insolubles
minerales.
Figura 13 – Partícula metálica. Fuente: Propia
3.3. Resultados: Microscopía Electrónica de Barrido y
espectroscopía
Con un escalado del campo de visión de 10 μm hasta 1
μm, potencia de visión de hasta 5000x y una potencia de haz
de 15 KeV, se logró identificar diferentes tipos de partículas,
varias texturas y tamaños, con lo cual se puede conocer la
estructura física de los insolubles [12]. Tal como se muestra
en las figuras 14, 15, 16 y 17.
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Figura 14 – Diferentes tipos de partículas, varias texturas y tamaños.
Fuente: Propia
Figura 15 – Partículas con exceso de dimensiones, provenientes de un
metal. Fuente: Propia.
Figura 16 – Partículas aleadas. Fuente: Propia.
Figura 17 – Partículas con Óxido. Fuente: Propia.
De acuerdo con la norma ISO4406 se especifican dos y tres
tamaños de partícula en los niveles de limpieza, donde el
número se refiere a la cantidad de partículas presentes en un
mililitro de muestra por cada tamaño establecido. En el caso
del código de dos tamaños el primer número se refiere a
partículas mayores a 5 micrones y el segundo número a
tamaños mayores a 15 micrones.
En esta investigación, las partículas encontradas no tienen
una forma regular y además se encuentran en tamaños muy
diversos, los cuales varían desde una micra hasta 179 micras
y basándose en el límite máximo de partículas normales, el
cual corresponde a tamaños mayores a 15 micras. Se
concluye que el nivel de desgaste llevado en la bomba bajo
estas condiciones del aceite lubricante es anormal.
Como resultado de los análisis espectroscópicos y de
microanálisis EDS, se confirmó que el grafito (carbono) es
la forma insoluble con mayor presencia en las diferentes
muestras. Sin embargo, también se encontraron otros
materiales en pequeños fragmentos, tales como Hierro,
Aluminio-Hierro, Óxido ferroso y Hematita (Óxido férrico),
como se indica en la Tabla 2.
Tabla 2 – Resultados cualitativos y cuantitativos finales de insolubles.
C O Na Mg, Al, Si, S, Ca, Fe
52.81 32.66 0.83 0.52 1.55 3.51 1.09 2.67 4.37
*Todos los resultados en porcentaje en peso %
3.4. Resultados: Análisis del desgaste mecánico
Con base en los resultados cualitativos y cuantitativos
obtenidos a través del análisis de las partículas sólidas
insolubles en el aceite lubricante del sistema de lubricación
de las bombas de recirculación de lodos, objeto de este
estudio, se determinó la estructura física y química de los
elementos y algunos compuestos presentes en este sistema.
Algunos de estos, como el sodio, azufre y magnesio son
parte de los aditivos que conforman el aceite lubricante y
que se quedan impregnados o aleados a los insolubles
formando salicilatos, sulfonatos y que se consideran como
dispersantes metálicos. También se detectó presencia de
silicio que es un componente cristalino que se encuentra en
la tierra o el polvo como contaminantes sólidos. lo que nos
lleva a intuir la posibilidad de hendiduras por mal montaje
en la bomba donde se infiltró tierra y oxígeno del aire
formando óxidos.
Considerando la cantidad presente de elementos
insolubles, éstos podrían provenir de dos componentes
principalmente; los rodamientos de bolas y el eje. Las bolas
y otras partes del rodamiento están hechas principalmente de
acero con algún tipo de recubrimiento, como el grafito ya
que este material es de baja fricción y soporta cargas
elevadas.
El eje es un elemento mecánico determinado a guiar el
movimiento de rotación a una pieza o de un conjunto de
piezas, como es el caso del arreglo motor-bomba
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considerado en este estudio. De acuerdo con la ficha técnica
KSB PUMP. El eje está formado por acero y aluminio
resistente a la corrosión ISO 683-17 con un recubrimiento
de protección de cobre [6]. Estos elementos fueron
encontrados en los estudios espectroscópicos.
4. Conclusiones
Como resultado de la investigación presentada, se concluye
que la técnica de análisis del aceite lubricante en
combinación con las técnicas especializadas de
caracterización de materiales como análisis
espectroscópicos de Rayos X y RAMAM, así como, de
microscopia electrónica de barrido (SEM), se obtuvo
información de gran relevancia para el diagnóstico del
desgaste mecánico de la bomba considerada en esta
investigación mediante la presencia de los insolubles
existentes en el aceite lubricante.
La relación entre los altos niveles de partículas y los tamaños
en las muestras analizadas, corroboran que la bomba se
encuentra en un nivel de desgaste anormal, debido a dos
factores principales; el primero es debido a un incorrecto
montaje de la bomba desde el inicio de su puesta en servicio,
ocasionando inestabilidad del eje y por lo tanto, al desgaste
de los rodamientos. El segundo factor, son los cambios
prolongados del aceite lubricante, ocasionando el
agotamiento acelerado de los aditivos en el lubricante,
originando cristalizaciones de elementos del lubricante
como los Sulfonatos y Salicilatos que son importantes para
dispersar residuos metálicos y así mantener el nivel del
dieléctrico del aceite.
Por otro lado, al comparar los resultados de los análisis
especializados, con el marco teórico, se infiere que el tipo de
desgaste predominante pudiera ser del tipo freeting; sin
embargo, se sabe que normalmente se presentan en forma
combinada.
Agradecimientos
Al Personal del Centro de Investigaciones en Micro y
Nanotecnologías, de la Universidad Veracruzana, por el
apoyo y asesoría recibidos para la realización de los análisis
espectroscópicos y de microscopía electrónica de barrido.
Referencias
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