Tuesday, 13 December 2016

Gestión de Maquinaria basada en Riesgos: API 691

Resumen de la ponencia impartida en el XVIII Congreso de Confiabilidad de la Asociación Española para la Calidad (AEC) en Madrid, España.

La gestión de maquinaria, a lo largo de todo su ciclo de vida, es un factor fundamental para 
la competitividad de las organizaciones en el siglo XXI. La nueva norma API 691 proporciona una base que debe cumplir un programa de gestión de maquinaria basada en riesgo, no limitándose al concepto de riesgo para la seguridad, higiene y medioambiente, sino que incluye el riesgo de no cumplimiento de su función o de incumplimiento de normativa. Así, este concepto sirve de herramienta para priorizar inversiones en adquisición, mejora y mantenimiento de equipos.

El borrador de la norma API 691 considera que un enfoque basado en riesgo es un 
elemento clave tanto para la evaluación como para la gestión de maquinaria, de manera 
que mejore su fiabilidad y reduzca los riesgos a la seguridad, salud y medioambiente, pero 
esta norma también incluye la gestión de otros riesgos como los de pérdida de inversiones 
de capital, de pérdidas de producción y de exceso de costes de operación y 
mantenimiento. 



Para conseguirlo se requiere llevar a cabo una identificación de los riesgos principales que afectan a las máquinas, y su gestión en las fases de diseño, fabricación, instalación, operación y mantenimiento.

La norma define el concepto de riesgo como el producto de multiplicar la probabilidad de que ocurra un fallo por las consecuencias que tiene dicho fallo, puesto que la probabilidad de fallo es adimensional y las consecuencias se pueden medir en unidades monetarias (euros, dólares, libras,…) el riesgo se pueden medir, por lo tanto, de forma cuantitativa en estas unidades.

Un programa de gestión del riesgo se sustenta a través de un sistema de gestión, este sistema debe incluir procedimientos de implantación, mantenimiento y revisión; responsabilidades y requerimientos de formación y experiencia del personal afectado, requerimientos de documentación y de datos, y definición de límites de riesgo aceptable; por último se requiere un proceso de gestión de cambios y un programa de auditorías.

La evaluación de los riesgos puede realizarse mediante una gran variedad de enfoques y aplicaciones, que pueden ser tanto cuantitativos como cualitativos, en este proceso se pueden fijar previamente niveles de riesgo de manera que evaluamos el equipo en función de su nivel.

La propia norma incluye el Anexo A, informativo, sobre Metodología de evaluación de riesgos, que indica cómo se debe ejecutar un proceso de evaluación de riesgos. Este proceso comienza con la investigación y revisión de riesgos y la definición del alcance del estudio. A continuación se realiza un análisis de riesgos, a través de una serie de metodologías de evaluación, el proceso finaliza con la creación de un ranking de riesgos, que sirva de criterio de priorización a la hora de tomar decisiones relacionadas con la gestión de la maquinaria.

El objetivo de esta gestión de maquinaria no es la total eliminación de los riesgos, que resulta tanto económicamente como técnicamente imposible, sino en mitigarlos hasta valores aceptables. En este sentido la norma propone los siguientes pasos, identificar los riesgos sobre los que hay que actuar, identificar las probabilidades de ocurrencia y las consecuencias de cada riesgo, identificar los diferentes escenarios en los que operan las máquinas, identificar propuestas de mitigación, seleccionar y comprobar las formas de reducir el riesgo y, finalmente, documentar e implementar las medidas.

La gestión de riesgos se aplica, en las diferentes etapas del ciclo de vida del equipo, de diferentes formas. La norma específica las siguientes etapas:

a.    Etapa de Concepto. La evaluación se realiza en esta fase para identificar  maquinaria con alto potencial de riesgo en los procesos de investigación, desarrollo, nuevas aplicaciones y fabricación.

b.   Etapa de Diseño de Ingeniería. Se realiza una evaluación preliminar para identificar equipos con alto potencial de riesgo en operación y definir un listado de medidas suplementarias que pueden incluirse en la fase de diseño de detalle.

c.   Etapa de Diseño de Detalle. Se realiza una evaluación más detallada, utilizando la información adicional procedente de la fase anterior, para confirmar si el nivel de riesgo es lo suficientemente elevado para garantizar un proceso de mitigación, así como definir procesos de mitigación adicionales para aplicar en las fases de diseño, operación y mantenimiento.

d.   Etapa de Instalación y Puesta en Marcha. De acuerdo la información de la fase de diseño en detalle, define las tareas que deben llevarse a cabo para asegurar que los equipos de alto riesgo se instalan y ponen en marcha de acuerdo con las guías, normas, especificaciones y códigos aplicables.

e.   Etapa de Operación y Mantenimiento. Que comienza con identificación de riesgos e informes de incidentes, seguido de una evaluación de riesgo en sus condiciones concretas de utilización, esta evaluación en campo proporciona el conocimiento de acciones concretas para mitigar sus efectos.

El proceso de gestión requiere documentar y registrar toda la información generada a lo 
largo de todas las etapas, con el objetivo de llevar a cabo la gestión de riesgos. Esta 
documentación puede proceder de los procedimientos de seguridad, normas y códigos, así 
como documentación adicional referente a los equipos concretos en sus condiciones de 
utilización. Entre la documentación se pueden encontrar informes de evaluación, de 
rendimiento, medidas preventivas y proactivas, matrices causa y efectos, instrucciones y 
procedimientos de trabajo, y análisis de causa raíz.

Esta norma indica que se deben desarrollar programas de formación específicos para 
proporcionar las competencias y las buenas prácticas necesarias para asegurar una 
correcta gestión de los equipos. Esta formación puede incluir autoformación, formación a 
distancia y formación presencial, y debe de servir para certificar, por un tercero, al personal 
involucrado en las tareas de operación y mantenimiento.

La norma API 691 propone una metodología para la gestión de maquinaria a lo largo de 
todo su ciclo de vida, que en esta norma se define desde la fase de concepción hasta la de 
operación y mantenimiento, basada en riesgos, definiendo estos de una forma amplia que 
incluye el riesgo de pérdidas de inversiones, producción y un exceso de costes de 
operación. No es la primera norma que propone este método de gestión, incluso algunas 
propuestas incluyen añadir esta metodología para la gestión de stocks de repuestos, dada 
la influencia que tienen en los resultados de la organización.

Wednesday, 2 November 2016

Gestión de Activos y BIM

 La Gestión de Activos ISO 55000 es un enfoque estratégico para gestionar activos físicos con el fin de alcanzar los objetivos del negocio, de manera que que asegure que estos activos generan valor.

 Con este fin, la gestión de activos busca optimizar el coste, el riesgo y el rendimiento del activo físico a lo largo de todo su ciclo de vida. Esto requiere desarrollar un Plan Estratégico Organizacional que, partiendo del conocimiento de los activos y de la propia organización, se desarrolle un Plan Estratégico que se modifique según los resultados y el riesgo asociado a las decisiones. El Ciclo de Vida incluye la Adquisición, Operación, Mantenimiento y Eliminación del activo físico.

Figura 1. Modelo de Gestión de Activos, según IAM.

  La metodología BIM propone también un modelo de gestión en edificación, que incluye tanto edificios como infraestructuras o instalaciones industriales, a lo largo de su ciclo de vida. Este ciclo de vida incluye las siguientes fases: Programación, Diseño conceptual, Diseño detallado, Análisis, documentación, Fabricación, Tiempo y Coste, y Logística de construcción, que se podría asimilar a la Adquisición; Operación y Mantenimiento, y Renovación o Demolición.

Figura 2. Modelo BIM de ciclo de vida de un activo. 

 Para poder llevar a cabo este modelo de gestión, BIM propone un modelo de gestión de información en 7 Dimensiones,  en el que las cinco primeras están relacionadas con la Adquisición y Eliminación del activo, y las dos últimas están relacionadas con la Operación y el Mantenimiento del edificio.

Figura 3. Las 7 Dimensiones de BIM.


 Con el fin de crear un Modelo de Información de Activos (AIM) que sostenga la gestión de los activos físicos, las nuevas normas PAS 1192-2:2013 y PAS 1192-3:2014 especifican los requerimientos de información a nivel de CAPEX (PAS 1192-2) y OPEX (PAS 1192-3) que se definen en fase de proyecto y que se van a utilizar, o modificar, durante el ciclo de vida del activo. Además proporciona un sistema de intercambio de información y un cuadro de responsabilidades en el proceso.

Figura 4. Relación entre Gestión de Activos ISO 55000 y las Especificaciones de Gestión de información BIM PAS 1192-2 y PAS 1192-3.

 Estas nuevas normas PAS pueden resultar de gran ayuda para sistematizar el intercambio de información, en todas sus dimensiones, y por lo tanto ser de gran utilidad para la Gestión de Activos ISO 55000 mediante BIM.

Wednesday, 10 August 2016

D4R Project Management

 Management of a Design for Reliability project should be the same of any engineering project, it should include a target, a scope, time and resources, both human and financials.


 Using agile project management methodologies, as Scrum methodology. is a good recommendation to manage this type of projects.

 Scrum allows an effective management of complex and high risk projects, ensuring results; in order to do it Scrum splits the project in short milestones, or Sprint, to work in parts of the project large enough to be considered a deliverable. 

 A Design for Reliability project could include the following parts:

a.  Definition of the level of reliability required by the customer, to set the reliability program goals. The product user is who should define the level of reliability, if the level is too high the cost is also too high and customer doesn't appreciate it; if the level is too low we will have claims and lost of trust, so we damage our brand. 

We can know our customer opinnion by surveys and by studying claims and warranties.   

b.   Product reliability assessment, in working conditions and for estimated operation time. The easiest way is to perform a qualitative analysis by Failure Modes and Effects Analysis (FMEA), it allows us define the failure modes, their causes, how to prevent / detect them, and their effects for users, and assess them by a Risk Priority Number (RPN). This methodology allows us to define a ranking of level of reliability of the product. 

c. Reliability modelling, showing the weakness of product and improvement opportunities. The modelling could be done by Reliability Block Diagram (RBD) and Fault Tree Analysis (FTA), these methodologies provide quantitative results and allow us to identify weakness of design and try new elements and settings.  

d.    The reliability functions estimation, they allow to perform a quantitative reliability analysis. When we have prototypes or real products working we could analyse real failure data and define the reliability function, failure function, probability density function (pdf) and failure rate function; with this functions is possible to calculate life data, warranties, etc. 

There are several probability distribution that allow to define these functions, Weibull distribution is the most common, it requires to calculate three parameters: shape parameter, scale parameter, and location parameter, that usually has a value of 0 in this type of analysis.



e.  Performing accelerated life tests, as Highly Accelerated Life Test (HALT) and Highly Accelerated Stress Screening (HASS), to confirm data and study possibilities of improvement. Testing prototypes in real conditions is too slowly and expensive, an alternative is to design an accelerate testing, increasing the stresses to induce a failure, most common factors are temperature, vibrations, electric parameters, humidity,... then testing the prototype to failure, and use power relations (as Inverse Power Law Relationship), exponential relations (as Arrhenius relationship or Eyring relationship) or mixed relations (as Temperature - Non Thermal relationship) to estimate the life of product under working conditions.

This methodology allows to modify the design and test the result in a faster and cheaper way, but require a right failure modes identification process to ensure the results are reliable. 

f.  Performing a reliability growth program, to reach the reliability target based in customer requirements. The Reliability Growth program should include the components discussed inside this post, development of test could be modelling by Duane model, Crow-AMSAA model, Lloyd-Lipow model, Gompertz model or Logistic model.

Thursday, 21 July 2016

Gestión de un Proyecto de Fiabilidad

 Un proyecto de diseño para la fiabilidad se debe plantear como cualquier proyecto de ingeniería, por lo tanto se deben definir unos objetivos, un alcance, unos plazos y unos recursos tanto humanos como financieros.

 Una recomendación para gestionar este tipo de proyectos es utilizar metodologías ágiles, como por ejemplo la metodología Scrum.

Esta metodología permite gestionar con efectividad proyectos complejos y con alto riesgo, asegurando los resultados; para ello se divide el proyecto en tramos cortos, denominadas Sprint, en los que se trabaja con partes del proyecto que son los suficientemente completos como para ser considerado un entregable. 

 El proyecto de diseño para la fiabilidad se puede componer de los siguientes apartados:

a. Definición del nivel de fiabilidad requerido por el cliente, que sirve para fijar objetivos del plan de fiabilidad. Es el usuario del producto el que tiene que definir el nivel de fiabilidad, si se proporciona un nivel demasiado elevado el coste del producto será muy elevado y el cliente no lo valorará, si el nivel es demasiado bajo tendremos reclamaciones y perderemos la confianza de nuestros clientes dañando la imagen de nuestra marca. 

Se puede conocer la opinión del cliente mediante encuestas y mediante el análisis de las garantías reclamadas por ellos.   

b.   Evaluación de la fiabilidad del producto, en las condiciones normales de utilización y durante el  tiempo estimado de utilización. La forma más sencilla es realizar un análisis cualitativo utilizando un Análisis de Modos de Fallos y Efectos (FMEA), que nos permite definir modos de fallos, sus causas, la forma de prevenirlos o detectarlos y sus efectos para el usuario, y darles unas valoraciones mediante el Número de Prioridad de Riesgo (RPN). Esta metodología nos permite clasificar el nivel de fiabilidad del producto. 

c. Modelización de la fiabilidad del producto, descubriendo sus puntos más débiles y las oportunidades de mejora. Esta modelización se puede realizar mediante Diagramas de Bloques de Fiabilidad (RBD) y Análisis de Árbol de Fallos (FTA), estas metodologías nos proporcionan resultados cuantitativos, nos permite identificar los puntos más débiles del diseño y nos permite comparar nuevos componentes y configuraciones.  

d.    Estimación de las funciones de fiabilidad, que permite analizarla de forma cuantitativa. Una vez que tenemos prototipos o productos en funcionamiento se pueden analizar datos reales de fallos y definir las funciones fiabilidad, fallo, densidad de probabilidad de fallos y tasa de fallos; con lo que se calculan datos de vida, periodos de garantía, etc. 

Existen varias distribuciones estadísticas que permiten definir estas funciones, la más habitual es la distribución de Weibull, que requiere el cálculo de tres parámetros: parámetro de forma, parámetro de escala y parámetro de localización, que en estos estudios es habitualmente cero.



e.  Realización de ensayos de vida acelerada, como son los Ensayos de Vida Altamente Acelerada (HALT) y Monitorización de Esfuerzos Altamente Acelerada (HASS), que permitan confirmar datos y explorar posibles mejoras. Comprobar prototipos en condiciones reales de funcionamiento es muy lento y costoso, como alternativa se diseñan ensayos de vida acelerada, en la que se exageran algunos esfuerzos que provoquen fallos, normalmente temperatura, vibraciones, parámetros eléctricos, humedad,... y se ensaya el producto hasta el fallo en esas condiciones; posteriormente se utilizan relaciones potenciales (como Ley Potencial Inversa), exponenciales (como Arrhenius o Eyring) o mixtas (como Relación Temperatura - No Termal) para estimar la duración de ese mismo producto en condiciones normales.

Esta metodología permite modificar y probar el producto de forma rápida, pero requiere tener perfectamente identificados los modos de fallo, en caso contrario los resultados no serán creibles. 

f.  Realización de un plan de mejora de fiabilidad, hasta alcanzar los objetivos basados en los requerimientos del cliente. El plan debe tener los elementos analizados anteriormente, el desarrollo de ensayos se puede modelizar con modelos como el Duane, Crow-AMSAA, Lloyd-Lipow, Gompertz o Logístico.

Thursday, 16 June 2016

10AS JORNADAS SOBRE EL MANTENIMIENTO EN LA INDUSTRIA QUIMICA Y DE PROCESO


Este mes participaré con una ponencia sobre Gestión de Activos ISO 55000 en las 10ª Jornadas de Industria Química y Proceso que celebra la AEM en Tarragona, área clave y puntera en el sector petroquímico dentro del mapa industrial español.

En el enlace encontrarán más información e instrucciones para la inscripción.






Thursday, 26 May 2016

I Congreso Internacional de Ingeniería del Mantenimiento en Canarias (14 - 15 Junio)

 Los próximos días 14 y 15 de junio de 2016, TBN-Ingeniería de Mantenimiento Industrial y Servicios Integrales de Lubricación, S.L. organiza en el Palacio de Congresos Gran Canaria (INFECAR) el I CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERÍA DEL MANTENIMIENTO EN CANARIAS, que será el punto de encuentro para las industrias, empresas, instituciones públicas y privadas, asociaciones de carácter nacional, regional e insular relacionadas con el mantenimiento, alumnos de ingeniería y de las escuelas de formación profesional, así como toda persona vinculada o interesada en el MANTENIMIENTO.
 Pueden visitar la página web del Congreso www.congresomantenimientocanarias.com donde podrán obtener toda la información relacionada con este evento. Es un Congreso GRATUITO, pero es importante cumplimentar la Inscripción a efectos de la adecuada organización del mismo.
 Asimismo, señalar que esta página web seguirá activa a lo largo del tiempo porque iremos dando toda la información de los cursos post congreso que se vayan ofertando, así como de los exámenes de certificación que se programen. Asimismo, estará disponible toda la actualidad relacionada con la Feria dedicada al Mantenimiento que vamos a organizar para el 2017.
 Aprovechamos la ocasión para comunicar que ya está disponible en la página de TBN- Ingeniería de Mantenimiento Industrial (www.tbn.es) el 9º Número de la REVISTA INGENIERÍA DEL MANTENIMIENTO EN CANARIAS, donde podrán visualizar todos los artículos incluidos en esta nueva edición. Esperamos que la información contenida en este nuevo número sea de su máximo interés. De igual manera, en esta web podrá encontrar todos los números anteriores de esta publicación.


Saturday, 14 May 2016

Formulation of Lubricants: Additives

Base fluids generally cannot satisfy the requirements of high performance lubricants, they need additives, that are chemical compounds added to lubricating oils to improve certain of its properties to the finished oils. Usually, the amount  of additive used varies from 5 to 20%.


In addition to their beneficial effects, additives can have detrimental side effects, especially if the dosage is excessive or if interactions with other additives or with surfaces, seals and paints occur. So additives should be carefully balanced.


.Additives can be classified in three groups:

1. Lubricant Performance Enhancement Additives. Their mission is to improve base oil properties, allowing lubricant to work at extreme conditions.

a. Viscosity index (VI) improvers, long chain, high molecular weight polymers, as polymethacrylates (PMAs), poly-ethylene propylenes (OCPs), poly-styrenes-co-butadienes hydrogenated (HSDs), poly-isopropenes hydrogenated (SIPs), poly-styrenes-co-maleic-anhydride esterificated (SPE), to thicken the lubricant at elevated temperatures.

b. Pour point depressants, certain high molecular weight polymers function by inhibiting the formation of a wax crystal structure that would prevent oil flow at low temperatures, usually alkylaromatic polymers and polymethacrylates are used. A lowering of the pour point by about 11º - 17º C can be achieved.

c. Seal swell agents, promote slight swelling of seal material to counteract shrinking action of some highly paraffinic and PAO base oils. They are mainly formulated by esters.

d. Tackiness agents, are used to increase adhesiveness of lubricants on metal surfaces reducing run-off. They are formulated by high molecular weight polymers, aluminium soaps of unsaturated fatty acids.

e. Emulsifiers and demulsifiers, have the mission to emulsify water to avoid phases separation, and demulsify to separate water contamination from the lubrication system. Special polyethylene glycols and other ethoxylated substances have proved high efficiency.

2. Lubricant Protection Additives. Their mission is to protect the base oil, increasing the lubricant life.

  a. Anti-oxidants, when oil is heated in the presence of air oxidation occurs, as a result of it both the oil viscosity and the concentration of organic acids in the oil increase, and varnish and lacquer deposits may form on hot metal surfaces exposed to the oil. 

Oxidation inhibitors based in Zinc Dithiophosphate (ZDTPs), phenols compounds, diphenylamine alkylate, molybdenum and dithiocarbamate organic compounds, even sulphur and nitrogen compounds can be used; they react with the initiators, peroxy radicals, and hydroperoxides to form inactive compounds, or decompose these materials to form less reactive compounds, so they increase the live of lubricants.

  b. Metal passivators, build a passivating protective layers thus preventing the solubilization of metal ions that would work as pro-oxidants. Can be classified into three groups: film forming compounds, complex forming chelating agents and sulfur scavengers. The mostly used are benzotriazole and tolytriazole as well as their alkylated derivatives.

  c. Foam inhibitors, ability of oils to resist foaming varies considerably on type of crude oil, type and degree of refining, and viscosity, additives are formed by long chain polymers or silicones which act to destabilise surface foam.

  d. Dispersants, are chemical compounds that disperse or suspend in the oil potential sludge forming materials, joined with Detergents can delay the formation of deposits and reduce the rate at which they accumulate on metal surfaces. 

Typical dispersants are based on long chain hydrocarbons as polymeric succimides, olefin/P2S5 reaction products, polyesters, and benzylamides, that are acidified and then neutralized with compound containing basic nitrogen.


3. Metal Surface Protection Additives. Their mission is to provide active protection to metal surfaces, increasing life of equipment.

a. Anti-wear (AW), reduce friction and wear under boundary lubrication conditions; these additives form layers on the metal surface by absorption or chemisorption. They are formed by phosphorus compounds, sulfur and phosphorus compounds, sulfur and nitrogen compounds, sulfur compounds, and chlorine compounds.

b. Extreme pressure (EP), reduce friction and prevent scuffing and scoring of components operating under boundary lubrication conditions. They react with the metal surfaces producing a thin protective film in the same way of AW additives. they are formed with the same type of compounds of AW, but are much more reactive, but also passive EPs as sulfonated, especially calcium and sodium salts, and solid lubricating compounds as molybdenum disulfide. Typically EP aditives increase wear effects due their high reactivity.

c. Corrosion and rust inhibitors, there are two types of corrosion, by organic acids that develop in the oil itself, and by contaminants that are picked up and carried by the oil. Inhibitors form a protective film that prevents the corrosive materials from reaching or attacking the metal. Highly alkaline materials, as benzotriazole, substituted azoles, sulphured olefines, zinc diethyldithiophosphate, zinc diethyldithiocarbamate, trialkyl phosphites, in the oil will help to neutralize strong acids as they are formed.  

Rust inhibitors having a high polar attraction toward metal surfaces, typical materials used are amine succinates and alkaline earth sulfonates.

d. Detergents, prevent the build-up of deposits in hot running engines, joined with Dispersants. They are generally to be compound that chemically neutralize deposit precursors that form under high temperature conditions or as the result of burning fuels with high sulfur content or other materials that form acidic combustion by-products. 


   The main detergents are organic soaps and salts of alkaline earth metals such as barium, calcium, and magnesium. these materials are often referred to as metallo-organic compounds.

4. Other Additives. We can include other additives as Anti-microbial pesticide to protect lubricants from contamination, fouling or deterioration caused by bacteria, fungi, protozoa, algae, or slime; or Dyes to give a specific color type for marketing, identification or leak detection; they have no influence in lubricant performance.

Monday, 9 May 2016

Book a Free Consultation / Solicite una Consulta Gratuita

 Do you need consulting about Asset Management or Design for Reliability (D4R)? Now you can book a free consultation about the following topics:

- Asset Management (ISO 55000 / PAS-55)

- Operational Excellence, by Lean Manufacturing and TPM.

- Maintenance, Reliability and Reliability Centered Maintenance (RCM).

- Risk based Maintenance and Risk Assessment.

- Design for Reliability (D4R).

- Lubrication, Reliability Centered Lubrication.

- Failure Analysis and Forensic Engineering (Mechanical Engineering).

 Just click I Want a Free Consultation and send us an e-mail with your name, company name, some details about your consultation, and days and times you are available, so we arrange a 45 minutes meeting, by Skype or FaceTime, with one of our Chartered Engineers.



¿Necesita consultoría sobre Gestión de Activos o Diseño para Fiabilidad (D4R)? Ahora puede solicitar una consulta gratuita sobre los temas siguientes:

- Gestión de Activos (ISO 55000 / PAS-55)

- Excelencia Operacional, mediante Lean Manufacturing y TPM.

- Mantenimiento, Fiabilidad y Mantenimiento Centrado en Fiabilidad (RCM).

- Mantenimiento basado en Riesgo y Evaluaciones de Riesgo.

- Diseño para la Fiabilidad (D4R).

- Lubricación, Lubricación Centrada en Fiabilidad.

- Análisis de Fallos e Ingeniería Forense (Ingeniería Mecánica)

 Solamente haga click en Quiero una Consulta Gratuita y envíenos un e-mail indicando su nombre, el nombre de su compañía, detalles sobre la consulta, y su disponibilidad, para organizar una reunión de 45 minutos, por Skype o FaceTime, con uno de nuestros ingenieros colegiados.

Friday, 15 April 2016

Formulación de Lubricantes: Aditivos

El aceite base requiere ser mejorada con aditivos, estos son productos químicos que potencian, añaden o protegen propiedades concretas del lubricante. Su contenido puede suponer entre el 5 % y el 20 % de un aceite lubricante.


Sin embargo, los aditivos también pueden provocar efectos perjudiciales, principalmente si su contenido es demasiado elevado, si hay reacciones entre ellos o si hay reacciones con superficies metálicas, juntas o recubrimientos. Por lo que su formulación debe realizarse de forma cuidadosa.


Estos aditivos se pueden clasificar en grupos, una propuesta de clasificación es la siguiente:

1. Aditivos Mejoradores de Rendimiento. Su misión principal es mejorar las propiedades de la base, permitiendo al lubricante trabajar en condiciones más extremas. Los principales son:

a. Mejoradores del índice de viscosidad, a base de polímeros de cadena larga y alto peso molecular, como polimetacrilatos (PMAs), poli-etilen propilenos (OCPs), poli-estirenos-co-butadienos hidrogenados (HSDs), poli-isopropenos hidrogenados (SIPs), poli-estirenos-co-maleico-anhidrido esterificados (SPE) o combinación de los anteriores; que provocan una mayor viscosidad relativa a altas temperaturas que a bajas, con lo que reducen la variación de la viscosidad con la temperatura.

b. Depresores del punto de congelación, formulados con polímeros alquilaromáticos y polimetacrilatos, que ralentizan la formación de ceras que reducen la fluidez a bajas temperaturas, reduciendo el punto de fluidez entre 11º y 17º C.

c. Protectores de juntas, recubren y protegen los elastómeros aumentando la estanqueidad del sistema al provocar que esas se hinchen ligeramente, un exceso de aditivación puede ser perjudicial ya que las debilita y agrieta.

d. Mejoradores de adherencia, se utilizan para mejorar la adherencia del lubricante y ayudan a prevenir o controlar salpicaduras, goteos y fugas del lubricante. Están compuestos por largas cadenas de polímeros, similares a los utilizados como mejorador del índice de viscosidad.

e. Emulsificadores y demulsificadores, según se necesiten, ayudan a emulsionar el agua para evitar separación de fases o separan el agua al disminuir la tensión superficial. Los agentes emulsificadores suelen estar formulados con jabones metálicos, aceites de origen vegetal o animal y compuestos que modifican la polaridad.

2. Aditivos de Protección del Lubricante. Su misión principal es proteger la base, aumentando su vida útil.

  a. Antioxidantes,  la oxidación se produce en presencia de oxígeno y altas temperaturas, y da como resultado el aumento de la viscosidad del aceite y la presencia de ácidos orgánicos, lo que provoca la formación de lacas y barnices en las superficies metálicas a más altas temperaturas. 

Para retrasar la oxidación se utilizan aditivos a base de Ditiofosfato de Zinc (ZDTPs), compuestos fenólicos, alquilatos de difenilaminas, compuestos orgánicos de molibdeno y ditiocarbamatos, incluso tienen capacidad antioxidante los compuestos de azufre y nitrógeno que se pueden encontrar en el aceite base; que reaccionan con los radicales libres y los peróxidos para hacerlos inertes, de esta forma alargan la vida útil del aceite al reducir el envejecimiento.

  b. Desactivadores metálicos, forman una película inerte sobre las superficies metálicas previniendo la oxidación catalítica producida por el contacto del aceite con el metal a altas temperaturas, especialmente hierro y cobre. Se formulan a base de ácidos salicílicos, fosfóricos, acéticos, cítricos, glucónicos y lecitinas.

  c. Antiespumantes, la resistencia a la espuma dependen del tipo de base del lubricante y de su viscosidad, se utilizan aditivos a base de polímeros de sílice de cadena larga y polímeros orgánicos que anulan la formación de burbujas de aire dentro del lubricante evitando la formación de espuma.

  d. Dispersantes, su misión principal es mantener el lubricante limpio de depósitos y se utilizan en combinación con los aditivos DetergentesLos aditivos dispersantes operan a bajas temperaturas recubriendo las partículas y evitando su crecimiento; de esta manera mantienen limpio el equipo. Están diseñados para mantener las partículas de suciedad, formadas por carbonillas y metales de desgaste, separadas lo que reduce los efectos negativos que pueden causar estos contaminantes en la viscosidad, desgaste y obturación de filtros.

Existen dos tipos, los denominados dispersantes suaves formulados a base de polímeros de éster de metacrilato de bajo peso molecular, alcoholes de cadena larga y compuestos de vinilos polares; y los denominados dispersantes sobre dimensionados (over-based) formulados con alquilos, en exceso, combinados con calcio, bario, sales de cinc, fenoles o ácidos salicílicos.


3. Aditivos de Protección de Superficies. Su misión es proteger de forma activa las superficies de los equipos, aumentando la vida útil de los componentes.

a. Antidesgaste (AW), su función principal es reducir la fricción y el desgaste en condiciones de lubricación límite, formulados a base de compuestos orgánico oxigenados, compuestos sulfurados y sulfuro-nitrogenados, ésteres organico-fosfatados, compuestos azufre-molibdeno, tricresilfosfatos (TCP) y ditiofosfatos de zinc (ZDDP); forman una película protectora en las piezas móviles que reduce la fricción, la temperatura y el contacto metal-metal a bajas velocidades y cargas elevadas.

b. Extrema presión (EP), su función es también reducir la fricción y el desgaste en condiciones de lubricación límite, principalmente bajo cargas y temperaturas elevadas, están formulados a base de dibencildisulfuros, triclorocetanos y parafinas cloradas, ceras y aceites minerales parafínicos clorados y bisulfuros de molibdeno.

c. Inhibidores de la herrumbre y de la corrosión, la corrosión puede estar provocada por ácidos orgánicos producidos por la degradación del lubricante o por contaminantes externos, se utilizan aditivos muy alcalinos que reaccionan y neutralizan los ácidos. Están formulados con fosfitos orgánicos, olefinas sulfuradas, benzotriazolos, dietilditiocarbamatos y ditiofosfatos de zinc (ZDDP). 

Los aditivos anti-herrumbre tienen una fuerte atracción polar con las superficies metálicas, que forma una película protectora que repele la humedad. Están formulados a base de sulfonatos metálicos, succinatos y otros ácidos orgánicos polares.

d. Detergentes, su misión principal es mantener el lubricante limpio de depósitos, en combinación con los aditivos DispersantesEstán formados por una porción soluble, denominada substrato, y una porción que reacciona con la superficie metálica. El substrato está formulada a base de ácidos sulfonicos, alquilfenoles sulfitos-formaldeidos y ácidos carboxílicos y salicílicos. La porción que reacciona con las superficies metálicas está formulada, principalmente, a base de calcio, magnesio y sodio, otras formulaciones incluyen bario, litio, potasio, aluminio, zinc, plomo y estroncio. Forman una película no adhesiva sobre las superficies metálicas a alta temperatura que mantienen las partículas en suspensión.

4. Otros Aditivos. Se pueden incluir otros aditivos con funciones accesorias, como pueden ser los Colorantes que se utilizan en muy pequeñas cantidades para corregir o modificar totalmente el color del lubricante, bien por motivos de identificación del producto, imagen de marca o por requerimientos de normativa. No tienen ninguna influencia en el rendimiento.

Tuesday, 15 March 2016

Formulation of Lubricants: Base Oils

Base oils are the fundamental building blocks of a finished lubricating oil or grease, their properties and endurance are depending of their quality. Tipically comprise between 80 % - 90 % of the finished lubricant.
Every base oil meet a series of properties related with its chemical composition, the main ones are:
· Oxidation stability, degradation process by oxidative mechanisms induced by temperatured.
· Thermal stability, high temperature stability without oxigen.
· Carbon residue, solid residues formation, as soot, produced by high temperature.
· Natural solvency, capacity to solve chemical products, as additives or contaminants.
· Seal compatibility, base stocks should protect seals.
· Viscosity index, or viscosity-temperature relationship.
· Low-temperature properties, base stocks should have low wax content, because they have got high poor point.
· Volatility, tendency to evaporation, high volatility reduce flash point.
· Oxidation, corrosion and rust, base oils should be water and acid free.
· Colour, doesn't influence in the final result. Refinned base oils are brown-amber colored, hydrotreated are yellow-golden coloured, synthetic base oils are uncolored, and heavy based oils are black-greenish coloured.
· Toxicity, as much refinned are the base oils as low toxicity they are, reaching even no toxic base oils.
· Biodegradability, high refinned and synthetic base oils are practicaly biodegradable. The biodegradability is ensured by bio based ester.
· Demulsification, the ability of oil and water to separate.
· Foam characteristics, the tendency to foam formation and the stability of the foam results.

1.  Mineral Base Oils.
They are manufactured from crude oil, separated by a distillation process in a vacuum column, refining in several stages and various treatments which result in a large variety of medical, cosmetic, industrial and automotive oils and lubricants.
In any case, mineral base oils are combinations of paraffin, iso-paraffin, naphthene, aromatic, and sulfur and nitrogen compounds. According to content in paraffin and iso-paraffin, base oils are called naphthenic (content in paraffinic from 42 % to 50 %), neutral (from 50 % to 56 %) and paraffinic (from 56 % to 67 %). 
Figure 1 Mineral base oils: (a) y (b) - Paraffin, (c) - Naphthene, (d) - Aromatic.
Mineral base oils provide good lubricity and protection against corrosion, compatibility with seals and paints, natural solvency, hidrolitic stability and low costs.
On the other hand, they have got a low flash point, high pour point, and low oxidation and temperature stability, so the range of operation temperature and duration are limited.
API (American Petroleum Institute, USA) clasifies base oils by sulfur content, saturates content and viscosity index.
Usually, Group I base oils are produced by refinning and dewaxing, but Group II and Group III are produced by hydrotreating, followed of dewaxing or wax isomerization. 

 Base Oils
Satures Content
Sulfur Content
Viscosity Index
 Group I
<90 %
>0.03 %
80 – 120
 Group II
>90 %
<0.03 %
80-120
 Group III
>90 %
<0.03 %
>120

Table 1 API Clasification (1st part)

2.  Re-refined Base Oils.
Used oils content wear metals, oxidation wastes, particles from combustion, fuel, water and anti-freeze, so the oil should be changed; but the most of molecules of base oil are in good conditions and can be used again. A re-refining process eliminate contaminants and additives to blend a new lubricant.
The regeneration process starts with a chemical treatment to bind wear metals and dirt to make their elimination easier. Next, dewatering and vacuum distillation process remove water and lighter oils. Finally, a hydrotreating process introduce hydrogen to remove sulfur, nitrogen, chlorine and oxidation products.
The process produces Group I base oils, and can reach Group II base oils by high quality hydrotreating.

3.  Gas-to-Liquids (GTL) Base Oils.
Gas-to-Liquids is a process for converting natural gas into fuels and base oils, GTL process tears natural gas molecules apart and reassembles them into longer chain molecules. The result is an extremely pure base oil, formed by iso-paraffin, free of contaminants such as sulfur, aromatics and metals; that can be considered Group III or can be transform to Group IV.
Iso-paraffin produced by GTL process provide good viscosity properties, oxidation resistance and good low-temperature conditions.

4.  Synthetic Base Oils.
Synthetic base oils are produced, mainly, from low molecular weight hydrocarbons, the process produces high quality and extended service life capability base oils under extremes operating conditions.
In general terms, synthetic base oils are able to handling a wider range of application temperatures, so they provide the best protection both to high and low temperatures.

Base Oils
Type of Base
Group IV
Polyalphaolefin
Group V
Other Synthetic Bases

Table 2 API Clasification (2nd part)

The more usual synthetic base oils are:
a.  Synthetic Hydricarbon Fluids:
The SHFs comprise the fastest growing type of synthetic lubricant base stock, they all are compatible with mineral base stocks.
Polyalphaolefins (PAO) are unsaturated hydrocarbons with the general formula (-CH2-)n, free of sulfur, phosphorus, metals and waxes. Provide excellent high temperature stability and low temperature fluidity, high viscosity indexes, low volatility and compatible with mineral base oils. Although the oxidation stability is lower than mineral oils and their solvency of polar additives is poor, so usually PAOs are combined with other synthetic oils.
This base oil is recommended for engine oils and gear oils.
Alkylated Aromatics formed by alkylation of an aromatic compound, usually benzene or naphthalene. Provide excellent low temperature fluidity and low pour points, good solubility for additives, thermal stability and lubricity. Although their viscosity index are about the same as mineral oils, they are less volatile, more stable to oxidation, high temperatures and hydrolysis. They are used as the base of engine oils, gear oils and hydraulic fluids.
Polybutenes are produced by controlled polymerization of butenes and isobutylenes. Compared with other synthetic base oils are more volatile, less stable to oxidation and their viscosity index is lower; their tendency to produce smoke and shoot deposits is very low so they are used to formulate 2-Stroke engine oils, also as gear oils combined with mineral or synthetic base oils.
b.  Polyalkylene Glycols (PAG):
PAG are polymers made from ethylene oxide (EO), propylene oxide (PO), or their derivatives. Solubility in water or other hydrocarbon is depending the type of oxide.
Both provide good viscosity/temperature characteristics, low pour point, high temperature stability, high flash point, good lubricity, good shear stability, PAGs are not corrosive for the most of metals and compatible with rubber.
Main disadvantages are low additive solvency and pour compatibility with lubricants, seals, paints and finishes.
They are used as a base for hydraulic brake fluids (DOT3 and DOT 4) due their water solubility, 2-Sstroke engine oils due the low deposits at high temperatures, compressor lubricants and fire-resistence fluids.
c.  Synthetic Esters:
They are oxygen-containing compounds that result from the reaction of an alcohol with an organic acid. They have good lubricity, temperature and hydrolitic stability, solvency of additives and compatibility with additives and other bases. But some esters can damage seals so require special compositions.
They are used as base oils for engine oils, mixed with other synthetic bases, because imporve low temperature properties, reduce fuel comsuption, increase wear protection and viscosity-temperature properties.
Also, as 2-Stroke engine base oils, they reduce deposit formation, protecting rings, pistons and sparks. The allow to reduce the quantity of lubricant from 50:1 of mineral oils to 100:1 and up 150:1 due their outstanding lubricity.
Phosphate Esters are used as anti-wear additives due their high lubricity and as base oils for hydraulic fluids and compressor oils due their low flamability. But their hydrolitic and temperature stability and viscosity index is low and their low temperature properties are poor. Also they are agressive with paints, coats and seals.
Polyol Esters have good high temperature stability, hydrolytic stability and low temperature properties, low volatility and low Viscosity Index; the polyol esters also may have more effect on paints and cause more swelling of elastomers. To take advantage of their miscibility with hydrofluorocarbon (HFC) refrigerants, polyol esters are used in refrigeration systems.
d.  Polyethers:
In this group we can find Perfluorinated Polyethers (PFPE) with a density nearly twice that of hydrocarbons, they are immiscible with most of the other base oils and non-flammable under all practical condition. Very good viscosity-temperature and viscosity-pressure dependence, high oxidation and water stability, innert chemically and radiation stable; these propoerties joined their shearing stability. They are suitable as hydraulic fluids in spacecraft and as dielectric in transformers and generators.
Polyphenyl Ethers have excellent high temperature properties and resistance to oxidation but they have fair viscosity-temperature properties, they are used as hydraulic fluid for high temperture and radiation resistence.
Polysiloxanes or Silicones have high viscosity index, over 300, low pour point, high temperature stability and oxidation stability so run well in a wide range of temperatures; they are chemically inert, nontoxic, fire resistant, and water repellent, they have low volatility and are compatible with seals and plastics. Their disadvantage are formation of abrasive silicon oxides if oxidation does occur, effective adherent lubricating films are not formed due their low surface tension, and also show poor response to additives. They are used are brake fluids and as antifoam agents in lubricants.
The table compare different synthetic base oils properties against mineral oil.


Table 3 Comparison among base oils.

5.  Bio-bases Oils.
They are mainly produced from soybeans, rapeseed, palm tree, sunflowers and safflowers. Their advantages are high biodegradability, superior lubricity, higher flash point and viscosity index; but their pour point is high and the oxidative stability is poor, also the recycling is difficult.
Main applications are hydraulic fluids, transmission fluids, gear oils, compressor oils and greases. Better when application is total loss, indoors or where low pour point is not an issue, food industry or environmentally-sensitive areas.