1. INTRODUCCIÓN
En los procesos de filtración relacionados con aceites industriales ISO 3448 es muy importante tener en cuenta cuál debe ser el código de limpieza ISO 4406-99 final con que debe quedar el aceite y tener claro la relación que hay entre éste y el factor Beta βx o relación de filtración del filtro de aceite que se debe utilizar, ya que en la práctica se puede presentar el caso de no tener en cuenta el factor Beta βx o de creer que en una sola pasada del aceite por el filtro, el código ISO 4406-99 final del aceite queda en el requerido, y más grave aún sin tener en cuenta el factor Beta βx.
Se presenta de manera recurrente que en la práctica no se conoce el valor del factor Beta βx del filtro de aceite y se trabaja solo con el micronaje, con lo cual en la mayoría de los casos no es factible lograr el código de limpieza ISO 4406-99 requerido para cada caso en particular. No tener en cuenta el factor Beta βx es similar a ignorar, en el caso de aceites de turbomaquinaría, qué cantidad de barnices tiene el aceite según ASTM D7843.
2. FACTOR BETA O RELACIÓN DE FILTRACIÓN
El factor Beta βx o relación de filtración de un filtro de aceite se define teóricamente como la relación entre el número de partículas de un determinado tamaño x que hay antes del filtro de aceite y el número de partículas del mismo tamaño x después del filtro de aceite.
En la práctica se debe tener claro que el factor Beta βx no está relacionado con la capacidad que tiene un filtro de profundidad, en una sola pasada del aceite a través de él, de dejarlo con la cantidad que indique el valor del factor Beta βx; esto es, si el aceite tiene 1.000.000 de partículas de un tamaño mayor o igual a 3 micras antes del filtro y el factor Beta β4 es igual a 100, quiere decir que en una sola pasada quedará con 10.000 partículas mayores o iguales a 3 micras después del filtro.
Esto solo ocurrirá dentro de un período de tiempo impredecible y bastante complejo de calcular con precisión, porque se presentan como variables el tipo de material y contaminantes, forma de las partículas, gomas, barnices, grado de oxidación que tenga el aceite, flujo de aceite a través del medio filtrante, área filtrante, material del filtro, temperatura del aceite, estado de limpieza del depósito de aceite y de la tubería, Grupo API 1509 de la base lubricante, entre otros factores.
Esto ha conllevado a que en la práctica, en los procesos de filtración industrial, se haga referencia al factor Beta βx según la Norma ISO 16889 “Procedimiento de evaluación de la eficiencia de la filtración industrial mediante el método de múltiples pasadas”, la cual tiene en cuenta que la obtención del código de limpieza ISO 4406-99 final de un aceite industrial, además del micronaje del papel, se basa en el valor del factor Beta βx del filtro, pero después de un determinado número de veces que pase el aceite por el elemento filtrante.
Esta prueba indica qué tantos contaminantes retendrá el filtro y su eficiencia en la remoción de contaminantes. Es una prueba de laboratorio que no es factible compararla con las condiciones reales a las cuales va a estar expuesto el filtro, pero se puede tomar como un parámetro de comparación entre los diferentes fabricantes de filtros. La capacidad de retención se da en gramos de un contaminante de prueba estandarizado.
Entre más alto sea el código de contaminación ISO 4406-99 inicial del aceite industrial, más rápido se colmatará el filtro de aceite, aun cuando el factor Beta βx sea el requerido, y por lo tanto finalmente no se llegará a obtener el valor deseado sin antes consumirse un número importante de elementos filtrantes.
De ahí la recomendación, en casos como éste, de iniciar el proceso de filtración con filtros de aceite con un micronaje mayor que el requerido y con un factor Beta βx bajo, que puede ser 50 o máximo de 100, y cuando el código de limpieza ISO 4406-99 ya no baje más, continuar con el proceso de filtración de acuerdo con el micronaje y el factor Beta βx requeridos hasta obtener el código de limpieza ISO 4406-99 deseado.
De aquí se desprende la recomendación de instalar en paralelo con el depósito de aceite de la máquina un sistema de filtración con filtros de aceite con un micronaje mayor que el requerido y un factor Beta βx de 50 o de 100, y en línea los filtros de aceite con el micronaje que se debe obtener y el factor Beta βx requerido, que garanticen el rango de limpieza ISO 4406-99 dentro del cual debe trabajar el aceite industrial.
El desgaste normal erosivo y abrasivo en los mecanismos lubricados está basado en el rango de limpieza recomendado ISO 4406-99, de acuerdo con el tipo de componente lubricado.
Factor Beta βx y la eficiencia del filtro
La eficiencia ex de un elemento filtrante es función del factor Beta βx, y está relacionada mediante la siguiente ecuación:
ex = 1 − 1/βx
Ecuación 1 (adimensional)
Donde:
- ex: Eficiencia del elemento filtrante, adimensional.
- βx: Relación de filtración entre el número de partículas de un determinado tamaño x que hay antes del filtro de aceite y el número de partículas del mismo tamaño x después del filtro de aceite.
Entre más alto sea el factor Beta βx, mayor es la eficiencia ex del filtro de aceite y, por lo tanto, habrá menor cantidad de partículas mayores o iguales a un tamaño x al final del proceso de filtración, dando lugar a un menor desgaste erosivo y abrasivo normal en los mecanismos lubricados y extendiendo la vida disponible de los mecanismos.
Sin embargo, mayor será el costo del proceso de filtración; por lo tanto, es muy importante determinar hasta dónde es viable económicamente mantener códigos de limpieza ISO 4406-99 exigentes como 15/14/12 o menores, a no ser que la criticidad del componente así lo requiera, y de ahí la necesidad de ser muy objetivos y tener claro la relación costo–beneficio.
3. CÓDIGO DE LIMPIEZA ISO 4406-99 Y NAS 1638
La cantidad de partículas presentes en una muestra de aceite industrial ISO 3448 se determina mediante la utilización de un contador de partículas (funciona con una base óptica láser) que permite una medición absoluta de las partículas de 4 µm en adelante (no especifica la forma geométrica ni el tipo de material de la partícula).
Estos equipos trabajan con las normas internacionales ISO 4406-99 y NAS 1638; la más utilizada en América es la ISO 4406-99 y en Europa la NAS 1638, aunque la tendencia mundial es utilizar la ISO 4406-99, debido a que la NAS 1638 es para fluidos hidráulicos y aceites utilizados en aeronáutica, que requieren un mayor nivel de exigencia en la limpieza de los fluidos.
La norma ISO 4406-99 clasifica las partículas en tamaños de 4 µm, 6 µm y 14 µm. Para poder evaluar si un aceite ISO 3448 que está trabajando en un componente de una máquina cumple con los estándares de limpieza ISO 4406-99 requeridos, es necesario conocer primero cuál es el código de limpieza ISO 4406-99 recomendado para el aceite ISO 3448 de acuerdo con el mecanismo que está lubricando.
Si el código de limpieza ISO 4406-99 del aceite ISO 3448 es superior al recomendado, los mecanismos lubricados estarán expuestos a un desgaste erosivo y abrasivo menor; por el contrario, si es inferior, los niveles de desgaste serán más altos y, por lo tanto, su vida disponible (Vd) será menor cuanto mayor sea el nivel de contaminación del aceite.
En la Tabla 1 se especifican los códigos de limpieza de acuerdo con la norma ISO 4406-99 y en la Tabla 2 los correspondientes a la norma NAS 1638.
TABLA 1
NORMA DE LIMPIEZA ISO 4406-99 PARA ACEITES INDUSTRIALES
| No | Código ISO | Número de partículas por cada 100 cm3 de aceite | |
|---|---|---|---|
| Más de | Hasta e incluyendo | ||
| 01 | 24 | 8.000.000 | 16.000.000 |
| 02 | 23 | 4.000.000 | 8.000.000 |
| 03 | 22 | 2.000.000 | 4.000.000 |
| 04 | 21 | 1.000.000 | 2.000.000 |
| 05 | 20 | 500.000 | 1.000.000 |
| 06 | 19 | 250.000 | 500.000 |
| 07 | 18 | 130.000 | 250.000 |
| 08 | 17 | 64.000 | 130.000 |
| 09 | 16 | 32.000 | 64.000 |
| 10 | 15 | 16.000 | 32.000 |
| 11 | 14 | 8.000 | 16.000 |
| 12 | 13 | 4.000 | 8.000 |
| 13 | 12 | 2.000 | 4.000 |
| 14 | 11 | 1.000 | 2.000 |
| 15 | 10 | 500 | 1.000 |
| 16 | 9 | 250 | 500 |
| 17 | 8 | 130 | 250 |
| 18 | 7 | 64 | 130 |
| 19 | 6 | 32 | 64 |
| 20 | 5 | 16 | 32 |
| 21 | 4 | 8 | 16 |
| 22 | 3 | 4 | 8 |
| 23 | 2 | 2 | 4 |
| 24 | 1 | 1 | 2 |
TABLA 2
NORMA DE LIMPIEZA NAS1638 PARA COMPONENTES AERONAUTICOS
| No | Código NAS | Número de partículas en micras por cada 100 cm³ de aceite | No | Código NAS | Número de partículas en micras por cada 100 cm³ de aceite | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| >5 – 15 | >15 – 25 | >25 – 50 | >50 – 100 | >100 | >5 – 15 | >15 – 25 | >25 – 50 | >50 – 100 | >100 | ||||
| 01 | 00 | 125 | 22 | 4 | 1 | 0 | 07 | 08 | 16.000 | 2.850 | 506 | 90 | 16 |
| 02 | 0 | 250 | 44 | 8 | 2 | 0 | 08 | 09 | 32.000 | 5.700 | 1.012 | 100 | 32 |
| 03 | 1 | 500 | 89 | 16 | 3 | 1 | 09 | 10 | 64.000 | 11.400 | 2.025 | 360 | 64 |
| 04 | 2 | 1.000 | 178 | 32 | 6 | 1 | 10 | 11 | 128.000 | 22.800 | 4.050 | 720 | 128 |
| 05 | 3 | 2.000 | 356 | 63 | 11 | 2 | 11 | 12 | 256.000 | 45.600 | 8.100 | 1.440 | 256 |
| 06 | 4 | 4.000 | 712 | 126 | 22 | 4 | 12 | 13 | 512.000 | 91.200 | 16.200 | 2.880 | 512 |
| 07 | 5 | 8.000 | 1.425 | 253 | 45 | 8 | 14 | 1.024.000 | 182.400 | 32.400 | 5.760 | 1.024 | |
La norma de limpieza ISO 4406-99 se especifica con base en tres números que corresponden a los códigos estandarizados en la Tabla 1 y que indican, el primero, el número de partículas mayores o iguales a 4 µm; el segundo a 6 µm y el último a 14 µm, presentes en 100 cm3 de una muestra del aceite evaluado. Por ejemplo un código ISO 4406-99 de 20/17/13 indica que hay presentes en el aceite entre 500.000 y 1’000.000 de partículas mayores o iguales a 4 µm; entre 64.000 y 130.000 a 6 µm y entre 4.000 y 8.000 a 14 µm. El número 99 después del 4406 quiere decir que la norma se actualizó en 1999; antes de esta fecha la norma vigente se refería a las partículas mayores o iguales a 2, 5 y 16 µm.
En la Tabla 3 se especifica el código de limpieza ISO 4406-99 que debe cumplir el aceite industrial ISO 3448 de acuerdo con el componente lubricado, este código de limpieza ha sido calculado con base en el espesor de la Capa fluida 3 de la película lubricante ho. El código de limpieza ISO 4406-99 estándar o real se halla de penalizar el valor seleccionado de la Tabla 3 con los factores operacionales reales que pueden afectar el nivel de limpieza ISO 4406-99 seleccionado del aceite ISO 3448 y que se relacionan de acuerdo con la siguiente ecuación:
Código ISO 4406-99 estándar = f1 × f2 × f3 × f4 × f5 × f6 × f7 × Código ISO 4406-99 Seleccionado Ecuación 2
Donde:
- Código ISO 4406-99 estándar: Código de limpieza real que se debe utilizar.
- Código ISO 4406-99: Código de limpieza seleccionado de la Tabla 3.
- f1: Factor de temperatura de operación, ver Tabla 4.
- f2: Factor de acuerdo con el Índice de viscosidad del aceite ISO 3448 utilizado, ver Tabla 4.
- f3: Factor de contaminación del aceite con agua, ver Tabla 4.
- f4: Factor de tipo de material del depósito de aceite y tuberías de circulación, ver Tabla 4.
- f5: Factor por polución en el ambiente, ver Tabla 4.
- f6: Factor por tipo de programa de lubricación para cambio del aceite, ver Tabla 4.
- f7: Factor por lugar de la toma de la muestra de aceite, ver Tabla 4.
TABLA 3
Código de limpieza ISO 4406-99 de acuerdo con el tipo de componente y mecanismos lubricados
| 01. SISTEMAS HIDRÁULICOS | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| No | Componente | Mecanismos | Presión de trabajo (psig) | Código ISO 4406-99 estándar |
Límites condenatorios ISO 4406-99 |
|
| Hasta 3000 | Más de 3000 | |||||
| 01 | Con bomba de engranajes | Engranajes | 18/17/15 | 18/17/15 |
OC 19/18/16
OF 20/19/17 – 21/20/18
EF 22/20/19
|
|
| 02 | Con bomba de pistones, paletas | Pistones, paletas | 17/16/14 | 17/16/14 |
OC 18/17/15
OF 19/18/16 – 20/19/17
EF 21/20/18
|
|
| 02. SISTEMAS DE LUBRICACIÓN | ||||||
| No | Componente | Mecanismos | Lubricación | Código ISO 4406-99 |
Límites condenatorios | |
| 01 | Transmisión mecánica automotriz | Engranajes, rodamientos | HD | 19/18/16 |
OC 20/19/17
OF 21/20/18 – 22/21/19
EF 23/22/20
|
|
| 02 | Transmisión automática automotriz | Engranajes, rodamientos, sincronizadores | EHD | 18/17/15 |
OC 19/18/16
OF 21/20/18 – 22/21/19
EF 23/22/20
|
|
| 03 | Reductor de velocidad, motorreductor, compresor de tornillo cámara de compresión seca (CCS), compresor de pistón simple y doble efecto, bomba de pistones, soplador de lóbulos |
Engranajes, rodamientos, cojinetes lisos, cilindros, anillos, cruceta, bulón | HD | 19/18/16 |
OC 20/19/17
OF 21/20/18 – 22/21/19
EF 23/22/20
|
|
| 04 | Compresor de tornillo cámara de compresión húmeda (CCH), compresor axial, compresor centrífugo, bomba centrífuga |
Cojinetes lisos, cojinete de empuje, rodamientos, tornillos | HD | 17/16/14 |
OC 18/17/15
OF 19/18/16 – 20/19/17
EF 21/20/18
|
|
| 05 | Motor eléctrico, ventilador | Rodamientos | HD | 17/16/14 |
OC 18/17/15
OF 19/18/16 – 20/19/17
EF 21/20/18
|
|
| 06 | Motor eléctrico, ventilador | Cojinetes lisos | HD | 18/17/15 |
OC 19/18/16
OF 21/20/18 – 22/21/19
EF 23/22/20
|
|
| 07 | Turbina de vapor, turbina de gas, turbina hidráulica | Cojinetes lisos, cojinete de empuje, cojinetes guía | HD | 17/16/14 |
OC 18/17/15
OF 19/18/16 – 20/19/17
EF 21/20/18
|
|
| 08 | Molino de bolas cemento, molino azucarero | Cojinetes lisos | HD | 18/17/15 |
OC 19/18/16
OF 20/19/17 – 21/20/18
EF 23/22/19
|
|
| 09 | Molino papelero | Rodamientos | HD | 17/16/14 |
OC 18/17/15
OF 19/18/16 – 20/19/17
EF 21/20/18
|
|
Cuando el aceite ISO 3448 trabaja dentro del valor de Operación Confiable OC, el factor fISO4406 de reducción de Vida disponible Vd es de 1,00; cuando está en el rango de Operación en Falla OF, es de 0,98 y cuando está En Falla EF es de 0,95 y superior, dependiendo de que tan alto sea el código ISO 4406-99 dentro de este límite.
Los factores operacionales reales que pueden afectar el nivel de limpieza ISO 4406-99 seleccionado del aceite ISO 3448 se hallan de la Tabla 4.
Factores modificadores del código de limpieza ISO 4406-99 del aceite
| No | Condición operacional real del componente | Valor del factor modificador de ISO 4406-99 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| f1 | f2 | f3 | f4 | f5 | f6 | f7 | ||
| 01. Factor f1 por temperatura de operación Top | ||||||||
| 01 | Hasta 65 °C | 1,00 | ||||||
| 02 | Mayor de 65 °C hasta 85 °C | 0,99 | ||||||
| 03 | Superior de 85 °C | 0,98 | ||||||
| 02. Factor f3 por índice del aceite ISO 3448 | ||||||||
| 01 | Hasta 100 | 0,97 | ||||||
| 02 | Mayor de 100 hasta 130 | 0,98 | ||||||
| 03 | Mayor de 130 hasta 150 | 0,99 | ||||||
| 04 | Mayor de 150 | 1,00 | ||||||
| 03. Factor f4 por contaminación del aceite con agua | ||||||||
| 01 | Sin probabilidad de contaminación | 1,00 | ||||||
| 02 | Escasa probabilidad de contaminación | 0,99 | ||||||
| 03 | Moderada probabilidad de contaminación | 0,98 | ||||||
| 04 | Alta probabilidad de contaminación | 0,97 | ||||||
| 04. Factor f5 por tipo de material del depósito de aceite y de las tuberías | ||||||||
| 01 | Acero inoxidable 304 | 1,00 | ||||||
| 02 | Acero carbón | 0,99 | ||||||
| 05. Factor f6 por polución en el ambiente | ||||||||
| 01 | Ninguna | 1,00 | ||||||
| 02 | Escasa | 0,99 | ||||||
| 03 | Moderada | 0,98 | ||||||
| 04 | Alta | 0,97 | ||||||
| 06. Factor f7 por tipo de programa de lubricación para cambio del aceite | ||||||||
| 01 | Por condición o predictivo | 1,00 | ||||||
| 02 | Por preventivo | 0,99 | ||||||
Ejemplo 1
Se requiere hallar el código de limpieza ISO 4406-99 real que debe tener el aceite ISO 3448 de un reductor de velocidad que se lubrica por salpique; los engranajes y rodamientos trabajan bajo condiciones de lubricación Elastohidrodinámica EHD; la temperatura en la zona de fricción de los engranajes es de 75 °C; el índice de viscosidad del aceite utilizado es de 105; cuenta con un sistema de venteo eficiente con filtro de sílica y para partículas sólidas; el ambiente es sin polución; el aceite se cambia por condición de acuerdo con los resultados de los análisis de laboratorio y la muestra de aceite se toma por el puerto de muestreo.
Solución:
- De la Tabla 3, para reductores de velocidad que operan bajo condiciones de lubricación EHD, el código ISO 4406-99 del aceite al empezar a trabajar debe ser de 18/17/15.
- f1: Factor de temperatura de operación, de la Tabla 4, se tiene que para una temperatura de operación Top de 75 °C, este factor es igual a 0,99.
- f2: Factor de acuerdo con el Índice de viscosidad del aceite ISO 3448 utilizado, de la Tabla 4, se tiene que para un índice de viscosidad de 105 del aceite, este factor es igual a 0,98.
- f3: Factor de contaminación del aceite con agua, de la Tabla 4, se tiene que al contar el reductor de velocidad con un sistema de venteo eficiente, este factor es igual a 1,00.
- f4: Factor de tipo de material del depósito de aceite y tuberías de circulación, de la Tabla 4, se tiene que al ser la carcasa del reductor de velocidad de fundición, este factor es igual a 0,99.
- f5: Factor por polución en el ambiente, de la Tabla 4, se tiene que al ser el ambiente en el cual opera el reductor de velocidad sin polución, este factor es igual a 1,00.
- f6: Factor por tipo de programa de lubricación para cambio del aceite, de la Tabla 4, se tiene que al estar el aceite del reductor de velocidad en un programa de cambio de aceite por preventivo, este factor es igual a 0,99.
- f7: Factor por lugar de la toma de la muestra de aceite, Tabla 4. En este caso este factor no se tiene en cuenta ya que el aceite no se monitorea en el laboratorio y por lo tanto no se toman muestras de aceite.
De la Ecuación 2, se tiene que:
Código ISO 4406-99 estándar = f1 × f2 × f3 × f4 × f5 × f6 × f7 Código ISO 4406-99 seleccionado
= 0,99 × 0,99 × 0,98 × 1,00 × 0,99 × 1,00 × 0,99 × 18/17/15
= 0,9413 × 18/17/15 = 17/16/14.
Por lo tanto el código de limpieza ISO 4406-99 real que se debe garantizar cuando el aceite nuevo se le aplique a este reductor de velocidad o con el cual debe quedar después de un proceso de filtración debe ser de 17/16/14.
4. CONTAMINANTES QUE PUEDEN AFECTAR EL VALOR CUANTIFICADO DEL CÓDIGO DE LIMPIEZA ISO 4406-99
Los contaminantes más comunes en el aceite ISO 3448 que pueden afectar la lectura del código de limpieza ISO 4406-99 en un Contador de partículas es el agua libre o emulsionada que pueda tener el aceite, ya que puede estar conformada por millones de partículas microscópicas dentro de las cuales pueden haber partículas de agua de un tamaño mayor o igual a 4 µm. De igual manera se puede ver afectada la lectura en el Contador de partículas por la presencia de partículas microscópicas de aire disuelto en el aceite, conocido como Aeroemulsión. Otros factores incluyen el barniz, lodos, aditivos precipitados y el color oscuro del aceite.
5. RELACIÓN ENTRE EL FACTOR BETA Y EL CÓDIGO DE LIMPIEZA ISO 4406-99
El factor Beta βx de un elemento filtrante define la capacidad que tiene de garantizar el código de limpieza ISO 4406-99 final del aceite con respecto al inicial después de un determinado tiempo de filtración; esto es, por ejemplo, si el aceite ISO 32 AW de un Turbogenerador tiene un código de contaminación de 21/20/18 con 1´750.000 partículas mayores o iguales a 4 µm, con 870.000 partículas mayores o iguales a 6 µm y 220.000 partículas mayores o iguales a 14 µm, y se utilizan elementos filtrantes con un factor Beta β4 igual a 200, se tendrá que después de un determinado tiempo, que no es posible predecirlo antes del proceso de filtración, el aceite quedará con 8.750 partículas mayores o iguales a 4 µm, con 4.350 partículas mayores o iguales a 6 µm y con 1.100 partículas mayores o iguales a 14 µm, o sea, con un código de limpieza ISO 4406-99 de 14/13/11, ver Tabla 1.
6. DATOS QUE SE DEBEN TENER EN CUENTA EN LA SELECCIÓN DEL FILTRO PARA ACEITES ISO 3448
En la selección del filtro para aceites industriales y al momento de adquirirlo es necesario tener en cuenta los siguientes datos:
- Código de contaminación ISO 4406-99 inicial del aceite.
- Código de limpieza ISO 4406-99 final del aceite que se requiere obtener.
- Caudal de aceite en gpm.
- Viscosidad del aceite en cSt a la temperatura de operación.
- Presión de trabajo en psig y temperatura de operación en °C.
- Tipo de papel.
- Micronaje.
- Factor Beta βx.
- Cumplimiento de normas técnicas y sanitarias exigidas de acuerdo con el proceso.
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