Quando si getta un sasso in acqua, va giù velocemente. Le particelle da usura sono più pesanti di sassi della stessa dimensione, spesso quattro o cinque volte più pesanti. Naturalmente, più pesante è l’oggetto, più velocemente cade. L’olio è viscoso, e questa resistenza può rallentare la velocità di caduta degli oggetti, ma non arriva a fermarli.

La velocità con cui gli oggetti cadono nei fluidi viscosi è descritta dalla legge di Stokes. In sintesi, (1) più grande è l’oggetto, (2) più pesante è l’oggetto (densità), (3) più sottile è il fluido (viscosità inferiore), (4) più bassa è la densità del fluido (l’olio ha una densità estremamente bassa), più veloce è la caduta del l’oggetto. Al contrario, i piccoli oggetti a bassa densità nei fluidi altamente viscosi si depositano più lentamente.

Nell’analisi dell’olio, ciò è critico, perché vogliamo conoscere le particelle presenti nell’olio – tutte le particelle, comprese quelle che possono danneggiare le macchine e quelle che rivelano danni già avvenuti e che continuano a verificarsi. Poche cose nell’analisi dell’olio sono più importanti.

Questo articolo affronta due problemi comuni relativi all’analisi dell’olio che, purtroppo, sono spesso ignorati sia dagli utenti che dai laboratori. Questi problemi sono il prelievo di campioni di olio da macchine a riposo (olio non in circolazione) e la mancata corretta risospensione delle particelle appena prima dell’analisi.

*Viscosità olio = 12 centistokes (cSt) a 40°C

Figura 1

Analizzare i Dati

Esaminando la ricerca sulla sedimentazione delle particelle, abbiamo scoperto che tutti i dati portano alla stessa conclusione generale: le particelle sono molto instabili negli oli lubrificanti, anche quelle completamente invisibili ad occhio nudo.

*Viscosità olio = 5 centistokes (cSt)

Figura 2

Nelle figure 1-4 si può vedere come la legge di Stokes regola la velocità della discesa delle particelle. La figura 1 mostra che le particelle di ferro di 30 micron possono scendere ad una velocità di 2 centimetri al minuto. La viscosità è piuttosto bassa, ma anche questo non è raro per gli oli molto caldi e gli oli che sono stati diluiti da solventi prima dell’analisi di laboratorio.

La figura 2 mostra che le particelle di ferro si depositano a una velocità circa cinque volte superiore a quella delle particelle di terriccio (silice). Nella figura 3, i dati indicano che le particelle di acciaio appena visibili da 100 micron possono discendere 10 cm in un olio motore a viscosità 15W40 in meno di un minuto. Infine, nella figura 4, si vede che particelle di Babbitt estremamente piccole, di 20 micron (per esempio, dai cuscinetti a rulli) discendono 1.3 cm in soli quattro minuti nell’olio turbina ISO VG 32.

Figura 3

Figura 4

Il liquido dormiente causa campioni di olio non rappresentativi

Troppo spesso i campioni di olio vengono prelevati quando le macchine sono a riposo (non quando sono in funzione). A volte è evitabile, ma a volte no. Il campione di olio vivo è sempre il migliore, dato che la circolazione mantiene il fluido omogeneo al momento del prelievo. La mancanza di circolazione del fluido provoca la sedimentazione delle particelle (vedi figure 1-4). Più lungo è il ritardo tra l’arresto di una macchina (arresto del movimento dell’olio) e il prelievo del campione, maggiore è il numero di particelle non ricevute nel flacone.

Le particelle sono come i dati. Questi dati forniscono informazioni importanti che possono prescrivere un’azione correttiva necessaria. Quando le particelle si depositano fuori dall’olio, si perdono i dati. Questi dati persi possono impedire di riconoscere un conteggio delle particelle anormalmente elevato o una condizione avanzata di usura della macchina. Ciò produrrebbe un falso negativo nei risultati delle analisi, e la condizione dell’olio potrebbe essere falsamente riportata come migliore di com’è realmente.

La sedimentazione di particelle si manifesta nei pozzetti e nei fondi dei serbatoi. Il campionamento del fondo del pozzetto o del serbatoio non è di grande aiuto, poiché i fanghi e i sedimenti che si accumulano sono un deposito di dati che si estendono per settimane, mesi o addirittura anni.

Questo non è rappresentativo delle condizioni attuali, tra cui la salute dell’olio, il livello di contaminanti dell’olio e il tasso di usura attiva della macchina.

La soluzione più ovvia è quella di utilizzare la tecnica del campionamento in zona viva. Se ciò non è possibile, la documentazione o l’etichetta del campione devono indicare che il flacone contiene un campione di liquido freddo o dormiente. Questo sarà preso in considerazione dall’analista quando i dati saranno interpretati.

Non tutti i test sono influenzati da campioni di liquido dormiente. La figura 5 mostra le proprietà del rischio più alto e più basso.

Figura 5

Sedimentazione delle particelle in bottiglie e vetreria

Ho visitato un gran numero di laboratori di analisi dell’olio nella mia carriera, tra cui diversi negli ultimi due anni. Dalle mie osservazioni, la stragrande maggioranza di questi laboratori sembra minimizzare l’importanza di un’adeguata agitazione del campione o ha l’idea sbagliata che il loro metodo in-house sia adeguato.

In realtà, è raro vedere agitazione adeguata. Norme quali ASTM D7647 e ISO 11500, che forniscono orientamenti sul corretto uso dei contatori di particelle, sottolineano chiaramente l’importanza dell’agitazione. Per esempio, il seguente estratto viene da ASTM D7647:

“Omogeneizzare il campione in entrata agitando il contenitore e il suo contenuto nello shaker meccanico. Per campioni di 200 ml o meno, agitare per un minuto. Per campioni di 200 ml o più, agitare per tre minuti.”

Alcuni anni fa ho supervisionato uno studio molto basilare sull’agitazione dei campioni. Quattro campioni identici sono stati preparati utilizzando una polvere di prova standardizzata (per lo più silice) come contaminante. Per ottenere una linea di base, uno dei quattro campioni è stato analizzato utilizzando un contatore di particelle appena tarato (campione di controllo).

I risultati hanno mostrato 1.658 particelle superiori a 10 micron per millilitro (vedi figura 6). I tre campioni restanti sono quindi stati lasciati a riposo per la notte.

Figura 6

Il giorno successivo, il campione 1 è stato analizzato senza agitazione. I risultati hanno mostrato 29 particelle, meno del 2 per cento del conteggio delle particelle trovato nel campione di controllo. Il campione 2 è stato analizzato dopo cinque minuti di vigorosa agitazione manuale.

Ciò ha prodotto 1.287 particelle o il 78 percento rispetto al campione di controllo. Infine, il campione 3 è stato analizzato dopo cinque minuti in uno shaker. I risultati sono stati quasi identici a quelli del campione di controllo.

L’importanza dell’agitazione è stata sottolineata in una relazione della National Fluid Power Association, redatta congiuntamente da Caterpillar Inc., Hiac/Royco e Butler Machinery. La relazione afferma che “il campione estratto dal contenitore per l’analisi deve essere rappresentativo dell’intero contenitore … Poiché la sedimentazione e l’aggregazione possono influire in modo drastico sul numero di particelle misurate, i campioni vengono agitati vigorosamente per tre-cinque minuti con uno shaker prima dell’analisi … Questo sistema permette di spezzare gli aggregati e disperdere le particelle in modo uniforme.”

Influenza dei Campioni Invecchiati

Quando i campioni vengono lasciati indisturbati per periodi di tempo prolungati (e.g., più di una settimana) le impurità insolubili e le particelle in sospensione si depositano sul fondo. Si tratta di sporcizia, detriti da usura, acqua, morchie, ossidi insolubili, glicole, additivi morti, carbonio insolubile, polimeri da attrito e alcuni additivi.

Dopo l’invecchiamento, particelle e impurità mostrano forze coerenti che si traducono in agglomerazioni sotto forma di morchie (varnish) o di aggregati microscopici. Le particelle sono anche note per aderire strettamente alle superfici di bottiglie e contenitori.

Più a lungo rimangono indisturbati, più aderiscono (per le forze di Van der Waals e le forze elettrostatiche). Questi agglomerati e forze aderenti sono inversamente proporzionali alla dimensione delle particelle, ovvero le particelle più piccole sono più difficili da ri-disperdere rispetto alle particelle più grandi.

Indicatore di preparazione del campione di olio

Alcuni campioni di olio e test di laboratorio presentano rischi più elevati rispetto ad altri. Si includono fluidi a bassa viscosità (ad esempio ISO VG 46 e inferiori), particelle grandi (superiori a 20 micron), oli con elevato potenziale di varnish, particelle pesanti, campioni invecchiati, prove di densità ferrosa, conteggio delle particelle e analisi delle particelle da usura. Le migliori modalità per mitigare questi rischi sono definite nel seguente elenco di cose da fare e da non fare in laboratorio:

Laboratorio: Cosa Fare

• Porre i campioni in un bagno ad ultrasuoni prima di agitarli meccanicamente per almeno 30 secondi (specialmente con campioni invecchiati).
• Agitare vigorosamente i campioni in uno shaker meccanico per non meno di tre minuti (vuoto della bottiglia non inferiore al 25%).
• Degassare il campione (si consigliano ultrasuoni seguiti da sottovuoto) subito dopo l’agitazione. (Procedura di Degas richiesta solo per il conteggio delle particelle.)
• Analizzare i campioni immediatamente dopo la degasazione.

Laboratorio: Cosa Non Fare

• Utilizzare l’agitazione manuale.
• Utilizzare un oscillatore di laboratorio, un oscillatore orbitale o un dispositivo a rullo per l’agitazione (tranne che per mantenere fresco un campione precedentemente agitato meccanicamente).
• Tentare di agitare meccanicamente bottiglie completamente piene.
• Diluire i campioni con solventi sottili. Se è necessaria la diluizione, utilizzare invece olio ultraclean. I solventi a bassa viscosità accelerano la caduta delle particelle.
• Attendere alcuni minuti mentre il campione rimane immobile prima di procedere all’analisi.
• Supporre che nessuno si curi dell’agitazione.

Uno studio sulla necessità dell’agitazione del campione è stato patrocinato dal Naval Air Engineering Center utilizzando la ferrografia analitica. I ricercatori hanno scoperto che anche le particelle di ferro e acciaio più grandi non tornano completamente in sospensione nei campioni invecchiati quando vengono agitati a mano.

Nel loro studio, quando i campioni vengono agitati da uno shaker per due minuti, circa il 47% in più di particelle appaiono nella zona d’ingresso delle slide di 55 millimetri del Ferrogramma rispetto ai campioni agitati vigorosamente a mano per 30 secondi. Allo stesso modo, il 59% in più di particelle appaiono nella zona d’ingresso delle slide di 10 millimetri del Ferrogramma (rappresentando le particelle più piccole).

Il modo migliore per rompere questi agglomerati e rimuovere le particelle dalle pareti dei contenitori dei campioni invecchiati è quello di utilizzare un bagno ad ultrasuoni seguito da una vigorosa agitazione meccanica (e.g., uno shaker) per tre minuti. Alcune procedure richiedono l’uso di un bagno ultrasonico dopo l’agitazione meccanica per favorire la coalescenza delle bolle d’aria prima del degas sottovuoto. Forse il metodo migliore è sonicare sia prima che dopo l’agitazione meccanica.

Mi rendo conto che una corretta agitazione ha un costo, ma c’è anche un costo per i dati errati delle analisi dell’olio. Ricordate, i test di analisi dell’olio che necessitano di agitazione sono quelli per cui i laboratori fanno pagare di più e quelli che forniscono informazioni critiche sulla salute della macchina.

Take Particle Settling and Oil Sample Agitation Seriously – Jim Fitch, Noria Corporation

Leggi l’articolo originale su machinerylubrication.com