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MECÂNICO LUBRIFICADOR SERRA 2006 SUMÁRIO 1. ATRITO .................................................................................................................................................... 5 1.1. ATRITO .................................................................................................................................... 5 1.2. TIPOS DE ATRITO ..................................................................................................................... 7 1.3. TIPOS DE LUBRIFICAÇÃO........................................................................................................... 8 1.3.1. Lubrificação Fluida............................................................................................................. 8 1.3.2. Lubrificação Limite ou Semifluida...................................................................................... 9 1.3.3. Formação da Película e da Cunha de Óleo ...................................................................... 9 1.3.4. Distribuição das Pressões na Película Lubrificante ........................................................ 11 2. PETRÓLEO ........................................................................................................................................... 13 2.1. CRONOLOGIA DO APARECIMENTO DOS LUBRIFICANTES ............................................................ 13 2.2. PETRÓLEO ............................................................................................................................. 13 2.3. CRONOLOGIA DO APARECIMENTO DO PETRÓLEO ..................................................................... 13 2.4. ORIGEM DO PETRÓLEO........................................................................................................... 14 2.5. TIPOS DE PETRÓLEO .............................................................................................................. 15 2.6. OBTENÇÃO DOS LUBRIFICANTES ............................................................................................. 20 3. LUBRIFICANTES ................................................................................................................................. 22 3.1. DEFINIÇÃO ............................................................................................................................. 22 3.2. TIPOS DE LUBRIFICANTES ....................................................................................................... 22 3.3. PROPRIEDADES DOS LUBRIFICANTES....................................................................................... 23 4. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DOS ÓLEOS LUBRIFICANTES ................................................ 25 4.1. DENSIDADE............................................................................................................................ 25 4.2. COR ...................................................................................................................................... 26 4.3. VISCOSIDADE ......................................................................................................................... 27 4.3.1. Aparelhamento ................................................................................................................ 28 4.3.2. Interpretação dos Resultados.......................................................................................... 31 4.4. ÍNDICE DE VISCOSIDADE ......................................................................................................... 32 4.5. PONTOS DE FULGOR E DE INFLAMAÇÃO ................................................................................... 36 4.5.1. Aparelhagem ................................................................................................................... 37 4.5.2. Fornecimento dos Resultados......................................................................................... 38 4.5.3. Interpretação dos Resultados.......................................................................................... 38 4.6. PONTOS DE NÉVOA E DE FLUIDEZ (ASTM D 97)...................................................................... 41 4.6.1. Aparelhamento ................................................................................................................ 43 4.6.2. Procedimento................................................................................................................... 43 4.6.3. Fornecimento dos Resultados......................................................................................... 44 4.6.4. Interpretação dos Resultados.......................................................................................... 44 4.7. CINZAS .................................................................................................................................. 45 4.8. CORROSÃO EM LÂMINA DE COBRE .......................................................................................... 46 4.9. ESPUMA................................................................................................................................. 47 4.10. INSOLÚVEIS............................................................................................................................ 49 4.11. ACIDEZ E ALCALINIDADE ......................................................................................................... 50 4.12. ÁGUA..................................................................................................................................... 51 5. GRAXAS ................................................................................................................................................ 53 5.1. INTRODUÇÃO.......................................................................................................................... 53 5.2. DEFINIÇÃO ............................................................................................................................. 53 5.3. VANTAGENS DA LUBRIFICAÇÃO A GRAXA ................................................................................. 54 5.4. DESVANTAGENS DE LUBRIFICAÇÃO A GRAXA ........................................................................... 56 5.5. CARACTERÍSTICAS DAS GRAXAS ............................................................................................. 56 5.5.1. Consistência .................................................................................................................... 56 5.5.2. Interpretação do Ensaio .................................................................................................. 57 5.5.3. Ponto de Gota.................................................................................................................. 59 5.6. TIPOS DE GRAXAS.................................................................................................................. 61 5.7. EXEMPLOS DE GRAXAS AUTOMOTIVAS E INDUSTRIAIS .............................................................. 63 6. ADITIVOS .............................................................................................................................................. 64 6.1. INTRODUÇÃO.......................................................................................................................... 64 6.2. EXIGÊNCIAS DOS ADITIVOS ..................................................................................................... 65 6.3. ANTIOXIDANTES ..................................................................................................................... 66 6.3.1. Antiespumante................................................................................................................. 66 6.3.2. Detergente .......................................................................................................................67 6.3.3. Dispersante...................................................................................................................... 68 6.3.4. Antiferrugem .................................................................................................................... 68 6.3.5. Anticorrosivos .................................................................................................................. 69 6.3.6. Antidesgaste .................................................................................................................... 69 6.3.7. Aumentador de Índice de Viscosidade............................................................................ 70 6.3.8. Abaixador do Ponto de Fluidez ....................................................................................... 70 7. CLASSIFICAÇÃO DE LUBRIFICANTES......................................................................................... 72 7.1. CLASSIFICAÇÃO API ............................................................................................................... 72 7.1.1. Classificação SAE ........................................................................................................... 74 7.1.2. Óleos Multiviscosos......................................................................................................... 76 7.1.3. Classificação API - Engrenagens .................................................................................... 76 7.2. LUBRIFICANTES INDUSTRIAIS................................................................................................... 77 7.2.1. Classificação ISO ............................................................................................................ 77 7.2.2. Classificação de AGMA................................................................................................... 78 8. MÉTODOS GERAIS DE APLICAÇÃO DE LUBRIFICANTES ..................................................... 80 8.1. LUBRIFICAÇÃO MANUAL .......................................................................................................... 80 8.2. COPO COM AGULHA OU VARETA ............................................................................................. 80 8.3. COPO COM TORCIDA OU MECHA ............................................................................................. 81 8.4. COPO CONTA-GOTA............................................................................................................... 81 8.5. LUBRIFICAÇÃO POR ANEL........................................................................................................ 82 8.6. LUBRIFICAÇÃO POR COLAR ..................................................................................................... 82 8.7. LUBRIFICAÇÃO POR BANHO DE ÓLEO....................................................................................... 83 8.8. LUBRIFICAÇÃO POR MEIO DE ESTOPA OU ALMOFADA ............................................................... 84 8.9. LUBRIFICAÇÃO POR SALPICO OU BORRIFO............................................................................... 85 8.10. LUBRIFICAÇÃO POR NEVOA DE ÓLEO....................................................................................... 85 8.11. SISTEMAS CIRCULATÓRIOS ..................................................................................................... 86 8.11.1. Por Gravidade ............................................................................................................. 86 8.11.2. Por Bombas Múltiplas e Lubrificadores Mecânicos .................................................... 87 8.11.3. Por Bomba Única ........................................................................................................ 87 8.11.4. Precauções na Aplicação de Lubrificantes ................................................................. 88 8.11.5. Lubrificação a Óleo ..................................................................................................... 88 8.11.6. Lubrificação à Graxa ................................................................................................... 89 9. RECEBIMENTO E MANUSEIO DE LUBRIFICANTES.................................................................. 90 9.1. ESTOCAGEM .......................................................................................................................... 92 9.1.1. Importância de um Bom Armazenamento....................................................................... 92 9.1.2. Métodos e Práticas de Estocagem.................................................................................. 93 9.2. FATORES QUE AFETAM OS PRODUTOS ESTOCADOS................................................................. 96 9.2.1. Contaminação pela Água ................................................................................................ 96 9.2.2. Contaminação por Impurezas ......................................................................................... 98 9.2.3. Contaminação com Outros Tipos de Lubrificantes ......................................................... 99 9.2.4. Deterioração Devido a Extremos de Temperaturas ...................................................... 100 9.2.5. Deterioração Devido a Armazenagem Prolongada....................................................... 100 9.2.6. Contaminação com Outros Tipos de Produtos ............................................................. 101 9.3. O DEPÓSITO DE LUBRIFICANTES ........................................................................................... 101 9.3.1. Estocagem e Manipulação de Lubrificantes em Uso .................................................... 103 9.3.2. Os Cuidados na Movimentação de Lubrificantes.......................................................... 105 9.4. OS RECURSOS DA DISTRIBUIÇÃO DE LUBRIFICANTES ............................................................. 106 9.4.1. Equipamentos para Distribuir Óleo................................................................................ 106 9.4.2. Equipamentos para Distribuir Graxa ............................................................................. 108 9.4.3. Equipamentos Auxiliares ............................................................................................... 109 9.5. RECEBIMENTO E ARMAZENAGEM A GRANEL DE ÓLEOS LUBRIFICANTES .................................. 112 9.5.1. Recebimento.................................................................................................................. 112 9.5.2. Armazenamento ............................................................................................................ 113 9.5.3. Descarte de Óleos Usados............................................................................................ 113 10. LUBRIFICAÇÃO DE MANCAIS ...................................................................................................... 115 10.1. LUBRIFICAÇÃO DE MANCAIS PLANOS ..................................................................................... 115 10.1.1. Fatores de Escolha da Viscosidade/ Consistência Adequada.................................. 116 10.2. LUBRIFICAÇÃO DOS MANCAIS DE ROLAMENTOS ..................................................................... 118 10.2.1. Lubrificação a Graxa ................................................................................................. 118 10.2.2. Lubrificação a Óleo ................................................................................................... 119 10.3. VEDAÇÕES........................................................................................................................... 119 10.4. INTERVALOS DE LUBRIFICAÇÃO ............................................................................................. 120 11. LUBRIFICAÇÃO DE MOTORESDE COMBUSTÃO INTERNA ................................................ 124 11.1. MÉTODOS MAIS COMUNS...................................................................................................... 124 11.2. LUBRIFICAÇÃO DOS MANCAIS................................................................................................ 124 11.3. LUBRIFICAÇÃO DOS CILINDROS ............................................................................................. 126 11.4. RESFRIAMENTO DOS ÊMBOLOS ............................................................................................. 128 11.5. PURIFICAÇÃO DO LUBRIFICANTE............................................................................................ 128 11.6. PURIFICAÇÃO DO AR............................................................................................................. 129 11.7. PURIFICAÇÃO DO COMBUSTÍVEL............................................................................................ 129 11.8. SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO SOB PRESSÃO............................................................................ 130 11.8.1. Sistema de Lubrificação por Salpique....................................................................... 130 11.8.2. Sistema de Lubrificação Combinado Sob Pressão e Salpique ................................ 130 12. FLUIDOS HIDRÁULICOS................................................................................................................. 131 12.1. PRINCIPAIS FLUIDOS............................................................................................................. 131 12.1.1. Água .......................................................................................................................... 131 12.1.2. Óleos Minerais .......................................................................................................... 131 12.1.3. Fluidos Sintéticos ...................................................................................................... 132 12.1.4. Fluidos Resistentes ao Fogo..................................................................................... 132 12.2. ESCOLHA DO FLUIDO HIDRÁULICO......................................................................................... 132 12.3. CARACTERÍSTICAS DO FLUIDO HIDRÁULICO IDEAL .................................................................. 133 12.4. CONTROLE DE USO DE ÓLEOS HIDRÁULICOS......................................................................... 134 13. REFERÊNCIAS ................................................................................................................................. 136 ANEXOS ............................................................................................................................................................ 137 5 1. ATRITO 1.1. Atrito Quando um corpo qualquer, sólido, líquido ou gasoso, move-se sobre a superfície de um outro se origina uma resistência a este movimento, a qual pode ser expressa, ou representada por uma força que é a tangente às superfícies em contato. A esta força que tende a se opor ao movimento, denominamos força de ATRITO, RESISTÊNCIA DE ATRITO ou simplesmente ATRITO. O atrito é dito estático quando ocorre antes do movimento relativo. Quando o atrito é observado após o início do movimento, é conhecido como ATRITO CINÉTICO. FORÇA LIMITE DE ATRITO (F') é o valor máximo da força de atrito estático e ocorre quando o movimento é iminente. É comumente designado por ATRITO. Figura 1 A relação entre o atrito e a reação normal que o corpo exerce sobre a superfície (N) é uma constante a qual denominamos COEFICIENTE DE ATRITO (μ ). N Fat = tg θ Segundo as leis clássicas do atrito: a) O valor de μ independe da carga ou força exercida pelo corpo sobre a superfície, ou em outras palavras, a força de atrito é diretamente proporcional à carga; Fat =μ x N b) O coeficiente de atrito é independente da área aparente de contato entre as superfícies em movimento; 6 c) O coeficiente de atrito cinético é menor que o coeficiente de atrito estático; d) O atrito é independente das velocidades relativas dos corpos em contato. As superfícies em movimentos estão realmente em contato, somente nos pontos salientes da superfície aparentemente plana (visíveis ao microscópio), mas que constituem uma diminuta porção da área aparente. As elevadas pressões locais resultam numa deformação plásticas desses mesmos pontos de contato e, em pouco tempo à ação combinada da pressão e da temperatura, causam uma pressão local, formando MICRO-SOLDAS. Para que o movimento seja restabelecido, a força agora deve ser maior, até que ocorra o cisalhamento dessas micro-soldas e o ciclo recomece à medida que o movimento continua. Assim sendo, o deslizamento das superfícies como se diz corretamente, não corresponde à realidade dos fatos, consistindo mais em ações alteradas de "adesão" e de "escorregamento", cujos efeitos são facilmente demonstráveis, por aparelhos sensíveis para medição do atrito. Como resultado final dessas micro-soldagens e ações de cisalhamento, partículas de metal são arrastadas das superfícies, causando assim o DESGASTE METÁLICO. Pelo emprego de LUBRIFICANTES, as ações de "adesão" e “escorregamento" são substituídas em maior ou menor extensão pelo cisalhamento do filme lubrificante, com reduções correspondentes da força de atrito e do desgaste. Em uma atmosfera normal, metais não lubrificantes "deslizam" uns sobre os outros com coeficientes de atrito compreendidos entre 0,15 e 1,5. Figura 2 N N 7 Entretanto, mesmo em tais circunstâncias, a maioria das superfícies metálicas apresenta normalmente uma fina camada de óxido ou hidróxido, a qual atua como um filme lubrificante sólido, propiciando assim uma menor fricção. É oportuno acentuar, que nas superfícies metálicas “quimicamente puras”, isto é, isentas de óxidos ou hidróxidos e mantidas no vácuo, o coeficiente de atrito observado é bastante superior àqueles valores indicados (2,0 ou mais) ocorrendo mesmo uma completa soldagem (engripamento), sob condições de baixa carga ou pressões unitárias, inclusive. Tabela 1 - Alguns coeficientes de atrito estático. Metal x Metal 0,15 / 0,30 Metal x Madeira 0,20 / 0,60 Madeira x Madeira 0,25 / 0,50 Metal x Couro 0,30 / 0,60 Pedra x Pedra 0,40 / 0,65 Terra x Terra 0,25 / 1,00 Por outro lado, a redução do atrito, causada pelas películas naturais de óxidos e hidróxidos metálicos, pode ser acentuado sobre maneira, pelo uso de lubrificantes. 1.2. Tipos de Atrito a) ATRITO DE DESLIZAMENTO: quando a superfície de um corpo ESCORREGA ou DESLIZA em contato com a superfície de outro corpo. Exemplos: O esfregar das palmas das mãos; um pistão trabalhando dentro do seu cilindro; um eixo girando em seu mancal; b) ATRITO DE ROLAMENTO: quando a superfície de um corpo ROLA sobre a superfície do outro sem escorregar. Exemplos: Uma bola rolando no chão; os roletes rolando sobre as pistas de um mancal de rolamento. Para ser vencido, este tipo de atrito exige menor esforço do que o necessário para vencer o atrito de desligamento. c) ATRITO FLUIDO: quando um fluido se interpõe entre duas superfícies sólidas 8 em movimento relativo, há um desligamento entre as moléculas do fluido umas sobre as outras. A água é o meio lubrificante e, o esforço para vencer este tipo de atrito é menor que o de rolamento. Uma substância é mantida integrada pela coesão. Substâncias sólidas bem como líquidas, têm propriedades coesivas em maior ou menor escala. Por exemplo: a qualidade coesiva do aço é maiorque a da madeira; a da madeira maior que a da graxa; a da graxa maior que a do óleo; e do óleo maior que a da água, etc. Lente de aumento Carga Movimento Escorregamento sem lubrificante (há contato entre as superfícies) Atrito Sólido Lente de aumento Carga Movimento Lente de aumento Carga Movimento Escorregamento sem lubrificante (há contato entre as superfícies) Atrito Sólido Figura 3 - Atrito sólido. 1.3. Tipos de Lubrificação 1.3.1. Lubrificação Fluida Também conhecida como lubrificação hidrodinâmica, lubrificação de película densa ou compactada e que corresponde àquela em que as superfícies em movimento são separadas por uma película contínua de lubrificante. Quando esta condição for preenchida, podemos esperar que a lubrificação proporcione valores de atrito baixos de desgaste insignificante, resultado valores para o coeficiente de atrito fluido compreendidos entre 0,001 e 0,03 vai depender da viscosidade do lubrificante, da velocidade relativa, das superfícies em movimento, da área das superfícies, da espessura do filme lubrificante, da configuração geométrica e da carga exercida sobre a película lubrificante. 9 Como vemos os valores dos coeficientes de atrito para este tipo de lubrificação, comparados com os valores observados para superfícies em contato não lubrificadas (μ= 0,15/ 1,5), são acentuadamente bem menores. Em condições ideais, a separação deveria ser completa e absoluta, mas na prática, observam-se contatos ocasionais entre os pontos salientes. 1.3.2. Lubrificação Limite ou Semifluida Para termos a lubrificação fluida é necessário entre as superfícies, uma película de óleo cuja espessura seja maior que a soma das alturas das rugosidades das duas superfícies. Esta espessura mínima para mancais comuns pode ser tomada igual a 10 micra. Como caso intermediário entre a lubrificação seca e a lubrificação fluida, temos a lubrificação semifluida ou limite, na qual a espessura da película lubrificante é igual à mínima acima referida. Quando as pressões entre as duas superfícies móveis são muito levadas, chega-se a um ponto no qual não é mais possível manter uma película lubrificante, havendo ruptura da película em alguns pontos. Há nestas condições uma combinação de atritos sólidos e fluidos. O coeficiente de atrito nestes casos dependendo, evidentemente, da natureza química do lubrificante e do metal (ou metais) em contato, varia geralmente de 0,05 a 0,15 contra 0,001 a 0,03 da lubrificação fluida. 1.3.3. Formação da Película e da Cunha de Óleo A mais importante aplicação da lubrificação fluida é a lubrificação dos mancais. Os casquilhos são sempre ajustados a um diâmetro pouco maior que do munhão, denominando-se o espaço entre eles de LUZ ou FOLGA sendo suas dimensões proporcionais ao diâmetro do eixo. Essa folga representa a tolerância prevista para a dilatação e a distorção de cada uma das peças quando ambas estão sujeitas ao calor a ao esforço, bem como a fim de neutralizar possíveis erros mínimos de alinhamento. 10 Além disso, esta folga é também necessária para a introdução do lubrificante e para permitir a formação da película do óleo. As rugosidades das superfícies oferecem resistência à rotação do eixo no mancal causando o aquecimento e o desgaste. Os lubrificantes mantêm separadas estas superfícies, evitando assim a sua destruição e o desperdício de força motriz. Vejamos agora, as posições relativas ocupadas pelo munhão e a calha, desde o início do movimento até o eixo atingir a rotação de trabalho. Contato MetálicoContato Metálico Figura 4 - Eixo em repouso. Com o eixo em repouso há contato metálico com interpenetração das rugosidades. O óleo introduzido na folga adere a superfícies do munhão e da calha, cobrindo-se com uma camada ou película lubrificante. Esta adesão facilita a distribuição uniforme do óleo, que ocupa o espaço em forma de cunha e constitui um volume ou depósito de óleo. Figura 5 - Início da rotação. Ao iniciar-se a rotação, graças às propriedades adesivas do óleo, inicia-se o arrastamento de pequenas quantidades deste, do depósito às superfícies que suportam a pressão, mas não obstante ainda existe contato metálico. O eixo sobe ligeiramente sobre a face do mancal, em direção contrária a da rotação até que 11 começa a escorregar por encontrar as superfícies cada vez mais umedecidas de óleo. Até agora houve considerável atrito conhecido como RESISTÊNCIA AO ARRANQUE. Há no caso uma LUBRIFICAÇÃO LIMITE. Se o óleo não cobrir rapidamente as superfícies, o atrito e o esforço de arranque serão grandes. Com o óleo correto, tais fatos não sucedem. À medida que a velocidade aumenta maior será a quantidade de óleo arrastada à parte onde a folga é mais estreita, criando-se gradualmente uma pressão hidráulica na cunha de óleo, produzida pelo efeito de bombeamento, resultante da rotação do eixo. Durante este bombeamento, o eixo arrasta o óleo do ponto de mínima de pressão a ponto de pressão mais elevada no mancal. Havendo óleo em quantidade suficiente no mancal, esta pressão hidráulica inicial levanta o eixo, eliminando assim o contato metálico, e o eixo gira sobre uma delgada película de óleo, que rapidamente reduz o esforço necessário para mantê-lo em movimento. 1.3.4. Distribuição das Pressões na Película Lubrificante As ilustrações representam as duas visões, em corte longitudinal e transversal, de um mancal sem ranhuras, trabalhando sob condições de lubrificação, fluida; neste caso a pressão hidrostática sobre o filme de óleo varia de ponto para ponto, de acordo com a distribuição figurada. A pressão máxima no filme de óleo atinge valores que excedem consideravelmente a pressão média que, como se sabe, é dada pelo quociente da carga sobre o munhão pela área de sua projeção. Há dois detalhes interessantes a ressaltar no diagrama transversal de pressão: a) o ponto de espessura máxima de película de lubrificante não corresponde ao ponto de pressão máxima; b) a pressão mínima é uma subpressão, ou seja, uma pressão inferior à atmosfera. 12 carga carga Pressão Máxima carga carga Pressão Máxima Figura 6 Aumentando ainda mais a rotação do eixo, a pressão hidráulica na cunha de óleo aumenta de tal forma que empurra o eixo para o outro lado do mancal. O deslocamento do eixo que se observa é ainda facilitado pela rápida queda de pressão fluida neste lado, quando o óleo começa a sair do mancal. A pressão hidráulica provocada pela rotação do munhão, combinada com um amplo suprimento de óleo, é tão considerável que, mesmo em mancais que suportam cargas de ordem de 150 kg/ cm2 ou mais, o óleo é bombeado e forçado sob o eixo com a máxima segurança. 13 2. PETRÓLEO 2.1. Cronologia do Aparecimento dos Lubrificantes 2600 / 1700 a.C. - No túmulo de Ra-Em-Ka no Egito é mostrado um tipo de trenó transportando um monumento de pedra e um homem que despeja um líquido para lubrificar os deslizadores do trenó. 2500 a.C. - Há referências de que Noé construiu sua arca calafetando-a com "piche". 1600 a.C. - A mãe de Moisés para salvar o filho construiu uma arca de junco e untou-a com lodo e piche. 1400 a.C. - Matéria graxa encontrada no eixo de uma carruagem enterrada no túmulo de Yuaa e Thuiu. 2.2. Petróleo Substância negra, viscosa e de cheiro penetrante encontrada no subsolo e que nos tempos recentes, quando se descobriu sua interminável aplicação, foi chamada de ouro negro. A palavra petróleo provém do latim: "Petroleum", que significa"óleo de pedra". 2.3. Cronologia do Aparecimento do Petróleo 1000 a.C. - Chineses encontravam gás natural quando escavavam a procura de sal. 600 a.C. - Nabucodonosor utilizou asfalto para revestir paredes e pavimentar as ruas da Babilônia. Há 2000 anos atrás - Talvez a mais antiga manifestação da utilização do petróleo. O óleo obtido em Agrigentum na Sicília era usado em lamparinas no templo de Júpiter. 1627 - Condes da Região de Habau - Lichtemberg fizeram a 1ª concessão petrolífera que se tem notícia, permitindo a exploração nos mananciais de sua propriedade em Pecheidronn. 14 Início do Séc. XIX - O Austríaco José Hecker, organiza na Galícia Oriental uma indústria para produzir óleo de iluminação. Tornou-se o primeiro magnata do petróleo. 1846 – O geólogo canadense Abraham Gesner, partindo do carvão betuminoso obteve um óleo incolor que deu o nome de querosene (do grego Keros = cera). 1848 - O escocês James Young refinou o carvão betuminoso e conseguiu um óleo parafínico servindo por toda Europa como lubrificante. 1855 - Catedrático de química da Universidade de Yale, Benjamim Silliman, submeteu o petróleo ao aquecimento que se compunha em diversos subprodutos, os quais ainda desconhecidos da época. Um líquido leve e facilmente inflamável tornou-se popular pelo nome de gasolina. O outro mais pesado, menos inflamável, mas também com grande conteúdo energético foi chamado nafta. O alemão Gottlib Daimler aproveitaria em 1885 a gasolina como combustível no motor que inventara. Em 1892 Rudolf Diesel faria o mesmo com a nafta, conhecida hoje como motor diesel. 1859 - Edwin Drake - Perfurou um poço para encontrar petróleo com profundidade de 69 1/2 pés (21 metros) e produziu 840 galões diários. É considerado o primeiro poço de petróleo do mundo. 1862 - John Davison Rockefeller percebeu que o melhor negócio não era tirar o petróleo e sim levá-lo até o consumidor já transformado em querosene, parafina, lubrificante, gasolina. Instalou-se em Cleveland com uma refinaria. Rockefeller ganhou tanto dinheiro que em 1874 era dono da metade das refinarias americanas. Sua companhia Standard Oil Company cresceu sem concorrência até 1901, quando foi descoberta no Texas uma das maiores jazidas petrolíferas do mundo, formando- se então as Companhias Gulf Oil Corporation e a Texas Oil Company. 2.4. Origem do Petróleo O Petróleo é formado por restos de vegetais e pequenos animais, principalmente molusco, como caramujinhos, ostras e mariscos, que se depositaram em grande quantidade, no fundo dos mares e lagos, há milhões de anos. Com os movimentos 15 da crosta da Terra, durante seu resfriamento, esses mares e lagos foram sendo soterrados. E, sob a pressão das camadas de rochas, sob a ação do calor e, também, do tempo, essa massa de restos orgânicos se transformou num óleo formado pela combinação de moléculas de carbono e de hidrogênio em composto de hidrocarbonetos denominado petróleo. O petróleo apresenta-se tanto em estado líquido como semi-sólido, de consistência semelhante à das graxas. A cor varia do negro ao âmbar, conforme os restos de vegetais ou de animais de que se origina. É inflamável. Os gregos, por exemplo, atiravam lanças em fogo embebidas no petróleo, contra cidades e acampamentos inimigos. 2.5. Tipos de Petróleo Podemos dividir o petróleo, de acordo com a sua composição, em três grandes tipos: a) Parafínicos - composto de hidrocarbonetos parafínicos; b) Naftênicos - composto de hidrocarbonetos naftênicos; c) Aromáticos - composto de hidrocarbonetos parafínicos e naftênicos. Cada um desses três tipos possui características próprias e de acordo com o tipo de aplicação é indicado ou contra-indicado. Os óleos naftênicos e principalmente os parafínicos se prestaram mais para a formulação de óleos lubrificantes; não sendo este fator decisivo visto que com os modernos recursos de aditivação conseguem-se características importantes e que anteriormente não possuía. Os óleos aromáticos não se prestam para a produção de lubrificantes. Tabela 2 Características Parafínicos Naftênicos Pontos de fluidez alto baixo Índice de viscosidade alto baixo Resistência à oxidação grande pequena Oleosidade pequena grande Resíduo de carbono grande pequeno Emulsibilidade pequena grande 16 Figura 7 - A Perfuração é Feita Através dos Equipamentos Ilustrados. A jazida de petróleo - é uma área rochosa do subsolo em cujos poros o petróleo se acumula. O petróleo nunca se encontra sob a forma de lago subterrâneo, como se costuma acreditar. Assim, O termo lençol petrolífero não expressa a realidade. Sob pressões vindas de cima, o petróleo desceu, infiltrando-se em rochas porosas, gota a gota, do jeito (mal comparando) com que café morno embebe torrão de açúcar, até encontrar uma camada de rocha impermeável - isto é, sem poros - que o deteve. Esta camada de rocha impermeável forma, então, os limites naturais da jazida. Para que se suspeite de presença de petróleo em quantidade que justifique uma possível exploração comercial, é necessário que as formações sedimentares tenham considerável espessura. Estudar e definir tais formações é a primeira tarefa. As regiões que apresentam essas características são chamadas de bacias sedimentares e são nelas que os geólogos e os geofísicos vão trabalhar, para saberem onde se deve perfurar um poço. Programa-se um longo trabalho de estudos e análises de superfície e subsuperfície da terra. Os técnicos decidem perfurar somente depois de realizarem um prognóstico de comportamento das inversas camadas do subsolo, através de métodos e processos altamente científicos. Surge, então, ao fim de tanta pesquisa, o poço pioneiro. A perfuração de um poço é noite e dia sem parar - Desde o momento em que a perfuração é iniciada, o trabalho se processa ininterruptamente durante as vinte e 17 quatro horas e só se encerra quando atinge os objetivos predeterminados. O objetivo de um poço, em termos de perfuração, é traduzido na profundidade programada: oitocentos, dois mil, cinco mil metros. Isso requer trabalho árduo e vigília permanente. À medida que a broca avança, vão-se acrescentando tubos, em segmentos de dez metros. Trabalho estafante. Normalmente, uma broca tem vida útil de quarenta horas. Para trocá-la, tem-se de retirar todos os segmentos da tubulação e recolocá-los. Imagine o trabalho e o tempo, se a perfuração estiver, por exemplo, a profundidade de quatro mil metros. As brocas e a velocidade dependem da dureza das rochas - Para vencer rochas muito duras, empregam-se brocas de tungstênio ou diamante. Para rochas menos resistentes, são utilizadas brocas de dentes ou lâminas. Há perfurações que progridem mais de quinhentos metros por dia. Porém são conhecidas perfurações que não passam dos dez metros por dia (região do alto Juruá, Amazonas). Tais fatos demonstram a variação de dureza do terreno. Quando a lama é valiosa - Chama-se lama de perfuração uma mistura de betonita, argila, óleo diesel, água, etc., que mantém a pressão ideal para que as paredes do poço não desmoronem e que serve, também, para lubrificar a broca e deter o gás e o petróleo, no caso de descoberta. A lama explica o poço - Enquanto se processa a perfuração, todo o material triturado pela broca vem à superfície em mistura com a lama. De posse desse material, o geólogo examina os detritos nele contidos. Aos poucos, vai reunindo a história geológica das sucessivas camadas rochosas vencidas pela sonda. A análise dos dados assim recolhidos pode dar a certeza de que a sonda encontrou petróleo. Pode tambémsugerir que a perfuração deve continuar ou, então, que não há esperança de qualquer descoberta. O geólogo, contudo, dispõe, desde o começo do furo, de muitas informações, transmitidas pelos trabalhos preliminares de pesquisa. Normalmente, ele sabe que a zona de maior possibilidade está localizada a partir de uma determinada profundidade. Além disso, ele pode buscar auxílio na interpretação de outro poço perfurado nas proximidades. No momento em que a broca perfura o limite do lençol, o petróleo jorra para fora, às vezes até 100 metros de altura. Quando diminui a pressão interna do bolsão, o 18 petróleo tem que ser bombeado, através de uma unidade de bombeamento para reservatórios situados junto ao poço. Dos reservatórios o óleo é transportado para as refinarias através de navios- petroleiros, composições ferroviárias ou através de oleodutos. Na refinaria o petróleo bruto será destilado; e dessa operação se obterá a série de derivados, que segundo alguns, ultrapassam a casa dos mil. REFINAÇÃO DO PETRÓLEO - Na refinaria, o petróleo é submetido a diversos processos, pelos quais se obtém a grande série de derivados: gás liquefeito, gasolinas, naftas, óleo diesel, querosene para aviões a jato, óleos combustíveis, asfaltos, lubrificantes, solventes, parafinas, coque de petróleo e resíduos. Conforme a qualidade do petróleo - mais leve ou mais pesado - as parcelas dos derivados variam. Assim, os petróleos mais leves dão maior quantidade de gás liquefeito, gasolinas, naftas (produtos leves), enquanto os mais pesados dão origem a volumes maiores de óleos combustíveis, asfaltos e resíduos (produtos pesados). No meio da série estão os produtos médios, como o óleo diesel e os querosenes. De cada cem partes do petróleo processado numa refinaria, apenas três partes são consumidas nas diversas unidades produtoras. Um parque de refino de petróleo não produz apenas combustível. Temos unidades que produzem lubrificantes para motores, parafinas para velas frações especiais para produção de detergentes, solventes, enxofre, benzeno, tolueno, naftas para petroquímica, etc. Estas unidades também valorizam, em boa escala, o petróleo processado e são muitos úteis para a indústria nacional. 19 Figura 8 - Processo de refinação de derivados de petróleo. Os produtos industriais obtidos do petróleo são numerosos. Eis uma lista básica: Tabela 3 Derivado Obtido Principais Uso Gás de Refinaria Petroquímica gás de rua Gás Ácido Produção de enxofre Eteno Petroquímica Dióxido de Carbono Fluído refrigerante Propanos Especiais Fluído refrigerante Propeno Petroquímica Butanos Especiais Propelentes Gás Liquefeito de Petróleo Combustível doméstico Gasolinas Combustível automotivo Naftas Solventes Nafta para Petroquímica Petroquímica Aguarrás Mineral Solventes Solventes de Borracha Solventes Hexano Comercial Petroquímica, extração de óleos. Solvente de Diversos Solventes Benzeno Petroquímica Tolueno Petroquímica, solventes. [...] 20 [...] Xilenos Petroquímica, solventes. Querosene de Iluminação Iluminação para ônibus, caminhões, etc. Querosene de Aviação Combustível para aviões Óleo Diesel Combustível para ônibus, caminhões. Lubrificantes básicos Lubrificantes de máquinas e motores em geral Parafinas Fabricação de velas, indústria alimentos. Óleos Combustíveis Combustíveis industriais Resíduo Aromático Óleos extensor de borracha e plastificante Extrato aromático Usos variados Óleos Especiais Usos variados Asfaltos Pavimentação Coque Indústria de Produção de Alumínio Enxofre Produção de ácido sulfúrico N-Parafinas Produção detergente biodegradáveis 2.6. Obtenção dos Lubrificantes Os óleos lubrificantes têm sido preparados com crus de petróleo das mais variadas proveniências do globo terrestre. Como seria de esperar, as características físicas e o grau de rendimento operacional e quantitativo dos lubrificantes, fabricados a partir de tais crus, apresentam diferenças consideráveis. Estes óleos são obtidos com base na parte mais viscosa dos crus, depois de separados, por destilação, do óleo Diesel e de outros produtos mais leves. Quando considerados pelo volume, uma esmagadora maioria dos óleos lubrificantes produzidos em todo o mundo provém diretamente de crus, sob a forma de seus destilados ou produtos residuais. Muito embora os crus petrolíferos das várias partes do mundo diferem muito, tanto nas suas propriedades como na aparência, são relativamente poucas as diferenças detectadas por análise elementar. De fato, as amostras de petróleo bruto proveniente das mais variadas origens provam conter carbono, em proporções que variam de 83 a 87% e hidrogênio de 14 a 11%. As análises elementares de crus petrolíferos realmente revelam muito pouco da enorme variedade, ou da natureza dos óleos lubrificantes que se podem preparar com eles. [...] 21 O conhecimento das proporções e da qualidade dos seus constituintes é muito importante para a refinaria, que tem de classificar tipos de crus e avaliar as propriedades físicas dos óleos lubrificantes deles obtidos. Além das flagrantes diferentes físicas que apresentam os óleos lubrificantes extraídos de crus diferentes, existem outras menos perceptíveis. Por exemplo, os que provêm de certos crus podem conter vestígios de determinados compostos naturais de enxofre, capazes de atuar como inibidores de oxidação, quando o óleo se encontra em serviço efetivo e sujeito às elevadas temperaturas, evitando ou retardando a formação de produtos de oxidação, ácidos ou resinosos. Outros podem apresentar consideráveis diferenças na forma como reagem a certos aditivos químicos, que possam vir a ser-lhes introduzidos na fase de acabamento, para lhes conferirem as características necessárias a determinadas aplicações. O fabricante de óleos lubrificantes tem, pois, de escolher criteriosamente entre os crus de várias procedências, o que lhe convém. Na fabricação do lubrificante, o refino do cru, que nada mais é o que o petróleo, dará origem aos chamados óleos básicos. Eles têm designação própria, de acordo com suas características. Exemplos: Spindle Oil - parafínico, baixo ponto de fluidez. Bright Stock - parafínico, emulsificante. Neutro médio - parafínico, antiespumante. Opaco leve - naftênico, antioxidante. Os básicos terão propriedades semelhantes aos dos crus que foram originados. Um cru naftênico dará origem a um básico também naftênico. Na formulação do lubrificante se usam diferentes tipos do básico, para obter-se as propriedades requeridas para o emprego daquele lubrificante. A mistura de básicos denomina-se. "blending". 22 3. Lubrificantes 3.1. Definição Sabemos que se colocarmos uma camada de um lubrificante entre duas superfícies, impediremos o contato entre estas. Retirando esse contato, evitaremos durante o movimento, cisalhamento e arranhamento com o desprendimento de calor e desgaste dessas superfícies. Definiremos, então, como LUBRIFICANTE, as substâncias que, interpostas entre duas superfícies, em deslocamento relativo, diminuem a resistência ao movimento. A função dos lubrificantes é evitar o contato metálico, reduzir o atrito, e, conseqüentemente o desgaste, refrigerar, etc. Os principais fatores que exercem influência na lubrificação são: VELOCIDADE, TEMPERATURA e PRESSÃO. 3.2. Tipos de Lubrificantes LÍQUIDOS - São os lubrificantes mais usados por seu poder de penetração e principalmente porque atuam como agente removedor de calor. Compreende os óleos minerais, óleos graxos e água. Aproximadamente,95% dos lubrificantes são líquidos. PASTOSOS - São as graxas comuns e também as composições betuminosas. Sua principal característica é promover vedação e não escorrer. Participam com 3 a 5% do mercado. GASOSOS - São os lubrificantes que são usados onde não se podem usar os lubrificantes comuns. Temos como exemplo de alguns dos mais usados: o AR, os GASES, HALOGENADOS, o NITROGÊNIO. Seu uso é restrito devido principalmente à necessidade de vedações e altas pressões. SÓLIDOS - São os lubrificantes que resistem às elevadas temperaturas. Exemplo dos mais comumente usados: a GRAFITE, o ÓXIDO DE ZINCO (Zn 02), o TALCO, a MICA, BISSULFETO de MOLIBDÊNIO (MoS2,), etc. São usadas também, adicionados a óleos e graxas. 23 Os óleos graxos foram os primeiros lubrificantes a serem utilizados pelo homem. Com o desenvolvimento industrial e o aperfeiçoamento da maquinaria, houve a necessidade imperativa de substituição dos óleos graxos pelos óleos minerais. Atualmente, os óleos graxos são utilizados, principalmente em misturas com óleos minerais no preparo dos óleos compostos. Essas adições são de até 30% e têm por finalidade conferir ao lubrificante maior oleosidade ou facilidade de emulsão em presença de vapor d'água. A principal desvantagem dos óleos graxos está na sua pequena resistência à oxidação, rancificando-se facilmente e formando gomosidades, além de seu preço ser superior ao dos óleos minerais. Os óleos graxos conforme sua origem podem ser classificados em: óleos vegetais e óleos animais. Os principais óleos vegetais normalmente utilizados são: óleo de rícino, extraído da semente da mamona, o óleo de coco, óleo de oliva, óleo de semente de algodão. Dos óleos de origem animal podemos citar o óleo de banha, óleo de mocotó, óleo de baleia, óleo de espermacete, óleo de peixe e, óleo de foca. Os lubrificantes sintéticos estão em contínuo desenvolvimento sendo, de um modo geral, de custo muito elevado e por isso utilizado apenas em casos específicos. Em casos especiais a água é usada como lubrificantes, lembramos, porém, que suas propriedades lubrificantes são bastante reduzidas, além de sua ação corrosiva sobre os metais. 3.3. Propriedades dos Lubrificantes A primeira e mais óbvia propriedade de um lubrificante é a capacidade de manter separadas superfícies em movimento, em todas as condições de pressão, temperatura e na presença de contaminantes. A segunda propriedade é possibilitar que a maioria dos lubrificantes dissipe o calor gerado através do contato das peças ou provenientes de fontes externas. 24 Os lubrificantes devem ser suficientemente estáveis, de forma a exercer seu trabalho durante sua vida útil estimada que pode ser de segundo na lubrificação por perda total, ou dez ou mais anos em uma turbina a vapor. Finalmente o lubrificante deve proteger as superfícies, que entre em contato, contra a corrosão atmosférica ou dos produtos corrosivos gerados dentro do equipamento, como gases ácidos provenientes de um motor de combustão interna. 25 4. Características Físicas dos Óleos Lubrificantes Ao se analisar um lubrificante, procura-se, em laboratório, encontrar um meio de reproduzir as condições práticas a que são submetidos os produtos em estudo, a fim de que daí resulte um número ou uma indicação que permita uma pré-avaliação de desempenho desses produtos. Muitas vezes não se consegue essa reprodução e, nesses casos, lança-se mão de ensaios empíricos cujos resultados têm valor meramente comparativo. Com este espírito, existe uma grande quantidade de teste de laboratório procurando cobrir toda a série de informações sobre lubrificantes de que a tecnologia necessita para indicação e aplicação do produto certo no lugar certo e acompanhamento do seu desempenho durante seu uso nos equipamentos. 4.1. Densidade Densidade (D) é a relação entre o peso de dado volume da substância considerada a determinada temperatura e o peso de igual volume de água a 4ºC. Peso específico (PE) é o peso da unidade de volume da substância considerada em g/ cm3 ou kg/ l. Na prática, para medir a densidade dos líquidos, usamos os densímetros ou picnómetros, que já nos dão leituras diretas à temperatura convencionada, que é de 20/ 4ºC. Isto significa que o volume do produto é considerado a 20º C em relação da água a 4º C. Outro sistema muito utilizado é o da Densidade em graus API a 60/ 60ºF, e que pode ser convertida à densidade normal pela seguinte tabela: Tabela 4 API DENSIDADE API DENSIDADE API DENSIDADE 10 1,000 27 0,893 44 0,806 11 0,993 28 0,887 45 0,802 12 0,986 29 0,882 46 0,797 13 0,979 30 0,876 47 0,793 14 0,972 31 0,871 48 0,788 15 0,966 32 0,865 49 0,874 16 0,959 33 0,860 50 0,780 17 0,953 34 0,855 51 0,775 18 0,947 35 0,850 52 0,771 19 0,940 36 0,845 53 0,767 20 0,934 37 0,840 54 0,763 [...] 26 21 0,928 38 0,835 55 0,759 22 0,922 39 0,830 56 0,755 23 0,916 40 0,825 57 0,751 24 0,910 41 0,820 58 0,747 25 0,904 42 0,816 59 0,743 26 0,898 43 0,811 60 0,739 É importante não esquecer que a densidade em 0 API cresce. Como a densidade varia com a temperatura, como já dissemos acima, as leituras devem ser feitas à temperatura convencionada ou os valores deverão ser corrigidos por meio de tabelas já calculadas e que facilitam o trabalho. A principal aplicação da densidade está em podermos transformar rapidamente fórmulas dadas em % volume, para fórmulas expressas em % peso e vice versa, ou então transformar kg em litros, ou toneladas em m3 de produto. A densidade também nos pode dar alguma indicação sobre a natureza do produto, pois sabemos que óleos parafínicos têm densidade menor do que óleos naftênicos (ou, pelo contrário, mais alta densidade em 0 API) desde que estejam na mesma faixa de viscosidade. Num óleo usado, o aumento da densidade O API indica diluição por combustível. Um aumento pode indicar presença de fuligem ou hidrocarbonetos oxidados. Evidentemente há necessidade de confirmação por outras provas, pois as causas da mudança de densidade podem anular-se às outras. 4.2. Cor A cor de um óleo já foi considerada importante indicação de sua qualidade. A maioria dos óleos produzidos por destilação era de cor pálida ou avermelhados por transferência, isto é, contra a luz, enquanto os óleos contendo base residual eram verdes ou pretos. Nos óleos naftênicos observa-se ainda comumente uma fluorescência, isto é, contra a luz, enquanto os óleos contendo base residual eram verdes ou pretos. Nos óleos naftênicos observa-se ainda comumente uma fluorescência azulada e, nos parafínicos, esverdeada (luz refletida). [...] 27 Entretanto, a variedade e complexidade dos processos tecnológicos de refinação e o emprego de aditivos tornaram inaplicáveis tais generalizações e a adoção do critério da cor como índice de qualidade ou tipo de óleo. Contudo, como critério de uniformidade, a cor ainda figura na maioria das especificações de óleos e é observada pelos fabricantes, dado o efeito psicológico que uma alteração pronunciada nesta característica pode exercer no consumidor e tem a utilidade de poder acusar, em determinados casos, contaminação do produto durante sua manipulação. Para a determinação da cor de produtos de petróleo por transmissão existem vários aparelhos correspondentes a métodos de ensaio padronizados, geralmente consistindo na comparação da cor (intensidade e matiz) de uma camada ou coluna de óleo fixa, com uma série de vidros coloridos, ou de uma coluna de líquido de altura variável com um ou poucos vidros coloridos padrões. Um dosmais empregados é o Colorímetro ASTM (D1500) consistindo de uma fonte de luz, vidros coloridos padronizados, recipiente fechado com a amostra e um visor. A amostra é comparada com várias cores padronizadas e numeradas de 0,5 a 8. A cor padronizada que mais se assemelhar a da cor da amostra indicará o número de cor ASTM. 4.3. Viscosidade A viscosidade é a mais importante propriedade física dos óleos lubrificantes derivados do petróleo. É a medida da característica de como o óleo flui. A mecânica de estabelecer uma película lubrificante adequada depende, em grande parte, da viscosidade. Para avaliar a viscosidade um óleo numericamente, quaisquer dos vários testes padrões podem ser usados. Embora esses testes difiram por terem maior ou menor riqueza de detalhes eles medem o tempo necessário em que uma determinada quantidade de óleo, a uma temperatura estabelecida, flui, por gravidade, através de um orifício ou estrangulamento de dimensões especificadas. Mais espesso o óleo, maior será o tempo necessário para a sua passagem. 28 O controle rigoroso da temperatura do óleo é importante. A viscosidade de qualquer óleo de petróleo aumenta quando o óleo é resfriado e diminuí quando o óleo é aquecido. Por esta mesma razão, a viscosidade de um óleo deve ter sempre o seu valor acompanhado da temperatura em que a viscosidade foi determinada. A viscosidade, pelo seu valor somente, não significa nada. Os dois métodos mais comuns de testar a viscosidade de um óleo lubrificante são o Saybolt e o Cinemático. Destes, o Saybolt (ASTM D88) é o mais simples. Contudo, o Cinemático (ASTM D445) é geralmente considerado mais acurado. Há também os métodos Redwood e Engler, que são largamente usados na Europa. Cada método de teste tem o seu próprio aparelhamento - viscosímetro. 4.3.1. Aparelhamento O viscosímetro Saybolt Universal é usado para óleos de viscosidade baixas ou intermediárias. Consiste num recipiente cilíndrico, onde a amostra de óleo é colocada em um frasco receptor colocado abaixo dele para receber e medir o óleo descarregado do recipiente, pelo qual o óleo flui. Este fluxo é interrompido ou iniciado por meio de uma válvula. O recipiente, contendo a amostra, dispõe de uma camisa d'água para facilitar a manutenção da temperatura constante. A temperatura é controlada por dois termômetros; um no óleo e outro na água da camisa. Para ajustar a temperatura, uma fonte externa de calor é aplicada ao banho de água. O tempo do fluxo de óleo no receptor é medido com um cronômetro ou aparelho semelhante. Para óleos muito viscosos, é usado o viscosímetro Saybolt Furol. Este aparelho difere do Saybolt Universal somente no orifício de escoamento de óleo que, naquele, é maior. Isto reduz o tempo do fluxo quando se trata de óleos pesados, que pode ser medido sem dificuldade. Com óleo à temperatura do teste usualmente 40ºC (100º F) ou 100ºC (210º F) a passagem do óleo é permitida do recipiente para o frasco receptor. Isto é feito abrindo-se a válvula do orifício do recipiente. O tempo, em segundos, decorrido para 29 o fluxo de óleo encher o frasco receptor que tem uma marca indicando 60cc, é medido. Este tempo é a viscosidade Saybolt. A viscosidade Saybolt pode ser assim representada: x - Segundos Saybolt Universal a 40ºC ou SSU 40ºC y - Segundos Saybolt Universal a 100ºC ou SSU a 100ºC z - Segundos Saybolt Furol a 40ºC ou SSF a 40ºC w - Segundos Saybolt Furol a 100ºC ou SSF a 100ºC Quanto maior o número que expressa a viscosidade, mais viscoso é o óleo. O Viscosímetro Cinemático é o mais utilizado por ser o mais preciso e permitir seu uso em qualquer fluído, seja uma tinta, seja um solvente, etc. O viscosímetro consiste de um tubo de vidro que varia em função da viscosidade estimada do fluído e do seu aspecto (transparente ou opaco). A viscosidade Cinemática é o tempo que um determinado volume de líquido flui, por gravidade através de um tubo capilar. Sua unidade é o centistoke (cSt). O viscosímetro, dependendo do seu tipo, é preenchido com o óleo a ser testado, levado a um banho para normalizar as temperaturas do viscosímetro e do óleo (40ºC ou 100ºC). Depois de normalizada a temperatura, o óleo ainda dentro do banho, é deixado fluir através do tubo capilar do viscosímetro até pontos determinados. O tempo de escoamento é medido (em segundos) e multiplicado por uma constante. Esta constante é previamente calculada e se refere às variações dimensionais do viscosímetro. O resultado desta multiplicação será a viscosidade Cinemática. Viscosidade Cinemática, cSt = CT C = Constante do viscosímetro em cSt/ S. t = tempo de escoamento, em segundos. 30 Figura 9 Figura 10 - Viscosímetro Cinemático. Atualmente todos os lubrificantes industriais são especificados com viscosidade Cinemática, conforme a norma ISO. 31 Figura 11 4.3.2. Interpretação dos Resultados A Viscosidade é, muitas vezes, o que primeiro se leva em consideração na seleção de um lubrificante. Para lubrificação mais eficiente, a viscosidade deve estar conforme a velocidade, carga e condições de temperatura de um mancal a ser lubrificado. Maiores velocidades, mais baixas pressões e menores temperaturas requerem óleos de viscosidade mais baixa. Um óleo mais pesado do que o necessário pode resultar numa fricção excessiva do fluido e cria arraste desnecessário. Menores velocidades, maiores pressões ou temperaturas mais altas, por outro lado, requerem um óleo que proporcione um filme resistente necessário para agüentar a carga e dar necessária proteção às superfícies em contato. Por estas razões, os testes de viscosidade têm um papel importante na determinação das propriedades de um óleo lubrificante. Além disso, as conclusões mais diretas e mais óbvias para julgar a viscosidade de um óleo dependem, contudo, de certas informações que também sejam disponíveis. Uma vez que a viscosidade de um óleo lubrificante é determinada pelo corte na sua temperatura de destilação, parte daí que há uma relação aparente na viscosidade e na volatilidade. De um modo geral, os óleos mais leves têm maior volatilidade - mais suscetíveis de evaporar. 32 Sob alta temperatura, portanto, as condições de operação podem mudar e isso deve ser levado em consideração quando se usa um óleo de certa viscosidade, porém, volátil. Ainda que o significado do teste de viscosidade tenha sido considerado do ponto de vista de óleos novos, esses testes têm também lugar para avaliação de óleos usados. Os óleos drenados dos cárteres, dos sistemas de circulação e das caixas de engrenagens são, muitas vezes, analisados para determinar seu aproveitamento para outro serviço ou para diagnosticar o desempenho defeituoso de uma máquina. Um aumento da viscosidade durante o serviço pode, muitas vezes, indicar oxidação, as moléculas do óleo aumentam em seu tamanho e isto faz com que o óleo fique espesso. Quando a oxidação atingiu um ponto de causar um aumento sensível na viscosidade, é sinal de que houve apreciável deterioração do óleo. 4.4. Índice de Viscosidade Os líquidos têm uma tendência de reduzir a viscosidade quando aquecidos e a aumentar a viscosidade quando resfriados. Contudo, esta correspondência entre a viscosidade e mudança da temperatura é mais pronunciada em alguns líquidos do petróleo, as mudanças na viscosidade podem ter profundos efeitos no desempenho de um produto ou sobre certas aplicações desse mesmo produto. A propriedade de resistir às mudanças de temperaturas pode ser expressacomo índice de viscosidade (IV). O índice de viscosidade é um número abstrato, empírico. Maior IV que tenha um óleo, menor a sua tendência a mudar de viscosidade com a mudança de temperatura. A sensibilidade de um óleo lubrificante à variação da viscosidade em função da temperatura é fator importante a ser considerado em inúmeras aplicações. Por esta razão vários métodos para exprimir esta sensibilidade foram propostos, mas, o mais usual presentemente é o denominado índice de Viscosidade (IV). O IV é, portanto com já foi dito um número empírico, que relaciona a mudança de viscosidade de um óleo relativamente insensível (IV = 100) e é baseado nas viscosidades medidas respectivamente a 37.8 e 99ºC ou a 100 e 200ºF. 33 Não obstante, é possível hoje em dia, encontrar óleos que são mais sensíveis à temperatura do que a referência (IV = Zero) bem como outros que são menos sensíveis que a referência (IV 100) e, portanto, é, perfeitamente normal obter valores para o IV tanto abaixo de zero como acima de 100. O IV é calculado pelas fórmulas abaixo: IV = HL UL − − x 100 de onde deduzimos IV = D UL − x 100 Onde: U = viscosidade a 100ºF de um óleo cujo IV desejamos calcular. L = viscosidade a 100ºF de um óleo com IV zero e tendo a 210ºF a mesma viscosidade que o óleo cujo IV queremos determinar. H = viscosidade a 100ºF de um óleo com IV = 100 tendo 210ºF a mesma viscosidade que óleo cujo IV queremos calcular. Este valor não é mostrado nas tabelas e sim o valor da diferença D. D = L - H e desta relação podemos, se quisermos, conhecer o valor de H em função do valor D, dado pelas tabelas. Abaixo, alguns exemplos de índices de viscosidade encontrados na linha de produtos de um determinado fabricante. Tabela 5 Aplicação IV Aplicação IV Motor a gasolina 120 Mancais e engrenagens 90 Motor a gasolina, sintético 180 Turbinas 95 Motor de dois tempos 95 Compressores de Ar 95 Motocicletas, 4 tempos 130 Compressores de Refrigeração 60 Motor diesel 100 Têmpera 95 Sistemas hidráulicos, aeronáuticos 200 Transmissões hidráulicas 95 Sistemas hidráulicos industriais 140 34 Tabela 6 - Cálculo do IV (dean - davis) em função da viscosidade a 98,9ºc expresso em viscosidade cinemática. Viscosidade Cinemática a 98,9ºC (210ºF) cs L D (L-H) Viscosidade Cinemática a 98,9ºC (210ºF) cs L D (D-H) Viscosidade Cinemática a 98,9ºC (210ºF) cs L D (L-H) 2,00 8,376 1,745 5,50 52,61 17,21 9,00 135,51 59,04 2,10 9,061 1,905 5,60 54,61 18,15 9,10 138,18 60,44 2,20 9,771 2,073 5,70 58,61 19,09 9,20 140,88 61,87 2,30 10,507 2,249 5,80 58,61 20,03 9,30 143,63 63,33 2,40 11,267 2,429 5,90 60,61 20,97 9,40 146,33 64,76 2,50 12,053 2,617 6,00 62,61 21,91 9,50 149,04 66,20 2,60 12,865 2,814 6,10 64,61 22,85 9,60 151,76 67,65 2,70 13,702 3,017 6,20 66,61 23,79 9,70 154,53 69,13 2,80 14,503 3,225 6,30 68,61 24,72 9,80 157,34 70,64 2,90 15,451 3,442 6,40 70,62 25,66 9,90 160,09 72,10 3,00 16,304 3,667 6,50 72,66 26,61 10,00 162,89 73,59 3,10 17,302 3,898 6,60 74,77 27,60 1,10 165,78 75,17 3,20 18,265 4,135 6,70 76,99 28,67 10,20 168,71 76,76 3,30 19,254 4,379 6,80 79,31 29,82 10,30 171,59 78,32 3,40 20,268 4,630 6,90 81,73 31,03 10,40 174,51 79,90 3,50 21,307 4,89 7,00 84,22 32,31 10,50 177,48 81,52 3,60 22,373 5,156 7,10 86,77 33,69 10,60 180,39 83,10 3,70 28,462 5,428 7,20 89,36 35,12 10,70 183,38 84,70 3,80 24,578 5,708 7,30 91,98 36,55 10,80 186,30 86,32 3,90 25,718 5,994 7,40 94,37 37,80 10,90 189,30 87,95 4,00 26,89 6,30 7,50 96,80 39,03 11,00 192,30 89,61 4,10 28,14 6,69 7,60 99,23 40,26 11,10 195,36 91,29 4,20 29,45 7,12 7,70 101,69 41,51 11,20 198,47 93,00 4,30 30,83 7,60 7,80 104,21 42,80 11,30 201,62 94,74 4,40 32,39 8,14 7,90 106,67 44,05 11,40 204,71 96,45 4,50 38,85 8,75 8,00 109,16 45,32 11,50 207,82 98,17 4,60 35,49 9,43 8,10 111,75 46,66 11,60 210,95 99,90 4,70 37,21 10,17 8,20 114,38 48,01 11,70 214,12 101,67 4,80 39,00 10,95 8,30 116,98 49,36 11,80 217,32 103,44 4,90 40,85 11,78 8,40 119,68 50,75 11,90 220,48 105,21 5,00 42,74 12,63 8,50 122,24 52,08 12,00 223,68 106,99 5,10 44,68 13,52 8,60 124,85 53,44 12,10 226,99 108,81 5,20 46,61 14,42 8,70 127,48 54,82 12,20 230,33 110,71 5,30 48,62 15,34 8,80 130,14 56,22 12,30 233,63 112,57 5,40 50,61 16,27 8,90 132,85 57,64 12,40 236,95 114,44 35 Tabela 7 Viscosidade Cinemática a 98,9ºC (210ºF) cs L D (L-H) Viscosidade Cinemática a 98,9ºC (210ºF) cs L D (D-H) Viscosidade Cinemática a 98,9ºC (210ºF) cs L D (L-H) 12,50 240,31 116,33 16,50 390,91 204,02 21,00 603,0 334,40 12,60 243,70 118,24 16,60 395,15 206,56 21,20 614,0 341,3 12,70 247,06 120,12 16,70 399,35 209,07 21,40 624,7 348,0 12,80 250,46 122,07 16,80 403,63 211,64 21,60 635,10 354,6 12,90 253,89 124,01 16,90 407,92 214,22 21,80 646,3 361,6 13,00 257,32 125,96 17,00 412,22 216,81 22,00 657,3 368,7 13,10 260,81 127,95 17,10 416,60 219,45 22,20 667,8 375,4 13,20 264,36 129,97 17,20 421,04 222,12 22,40 679,2 382,6 13,30 267,94 132,01 17,30 425,50 224,82 22,60 690,4 389,7 13,40 271,47 134,03 17,40 429,92 227,49 22,80 701,1 396,6 13,50 275,04 136,08 17,50 434,36 230,18 23,00 712,8 404,1 13,60 278,61 138,13 17,60 438,81 232,88 23,20 724,2 411,4 13,70 282,21 140,20 17,70 443,33 235,61 23,40 735,1 418,4 13,80 285,85 142,29 17,80 447,87 238,38 23,60 747,0 426,0 13,90 289,45 144,36 17,90 452,37 241,11 23,80 758,6 433,5 14,00 293,07 146,45 18,00 456,9 234,9 24,00 769,7 440,7 14,10 296,75 148,58 18,10 461,5 246,7 24,20 781,5 448,3 14,20 300,45 150,73 18,20 466,1 149,5 24,40 793,7 456,2 14,30 304,11 152,85 18,30 470,6 252,2 24,60 804,9 463,4 14,40 307,78 154,98 18,40 475,2 255,0 24,80 817,2 471,4 14,50 311,51 157,15 18,50 479,9 257,9 25,00 829,3 479,2 14,60 315,26 159,33 18,60 484,5 260,7 25,20 841,8 487,4 14,70 318,97 161,49 18,70 489,2 263,6 25,40 853,3 494,9 14,80 322,75 163,70 18,80 493,9 266,5 25,60 865,9 503,1 14,90 326,54 165,92 18,90 498,6 269,4 25,80 878,7 511,5 15,00 330,34 168,14 19,00 503,3 272,3 26,00 891,5 519,8 15,10 334,26 170,44 19,10 508,2 275,3 26,20 904,1 528,1 15,20 338,19 172,75 19,20 513,1 278,4 26,40 917,1 536,6 15,30 342,09 175,05 19,30 517,9 281,3 26,60 930,1 545,2 15,40 345,89 177,24 19,40 522,8 284,4 26,80 943,1 553,7 15,50 340,87 179,59 19,50 527,7 287,4 27,00 955,0 561,5 15,60 353,97 182,06 19,60 532,6 290,4 27,20 968,3 570,3 15,70 357,92 184,39 19,70 537,5 293,4 27,40 981,6 579,1 15,80 361,94 186,77 19,80 542,5 296,5 27,60 994,9 588,0 15,90 365,97 189,16 19,90 547,5 299,7 27,80 1008,4 596,9 16,00 370,02 191,56 20,00 552,4 287,4 28,00 1021,9 605,8 16,10 374,19 194,04 20,20 562,5 290,4 28,20 1035,5 614,8 16,20 378,37 196,53 20,40 572,7 293,4 28,40 1047,8 623,0 16,30 382,52 198,99 20,60 582,40 296,5 28,60 1061,6 632,2 16,40 386,68 201,47 20,80 593,3 299,7 28,80 1075,4 641,4 36 4.5. Pontos de Fulgor e de Inflamação O ponto de fulgor e o ponto de inflamação dos produtos líquidos de petróleo são basicamente medidas da sua inflamabilidade. O ponto de fulgor é a temperatura mínima à qual um líquido é suficientemente vaporizado para criar uma mistura vapor-ar que se inflamará se houver ignição. Como o nome do teste indica a combustão a esta temperatura tem somente uma curta duração (fulgor). O ponto de inflamação, entretanto, significa alguma coisa mais. É a mínima temperatura em que o vapor é gerado em quantidade suficiente para sustentar a combustão. Em qualquer caso, a combustão é somente possívelquando a relação do vapor de combustível e de ar permanece entre certos limites. Uma mistura que for demasiada pobre ou demasiada rica não queimará. A prática de testar o ponto de fulgor e o ponto de inflamação foi originariamente aplicada ao querosene para indicar a sua potencialidade de risco de fogo. Desde então, o objetivo tem sido ampliado para incluir óleos lubrificantes e outros produtos de petróleo. Embora seja costume indicar o ponto de fulgor (e algumas vezes o ponto de inflamação) nos dados de um óleo lubrificante, estas propriedades não têm o significado que parece ter. Somente em circunstâncias especiais estaria o óleo lubrificante presente a algum sério risco de incêndio. Sendo estreitamente ligados às características de vaporização de um produto de petróleo, os pontos de fulgor e de inflamação dão, contudo uma indicação grosso modo da sua volatilidade e outras propriedades. O ponto de inflamação de um óleo lubrificante comum está tão intimamente ligado ao seu ponto de fulgor que é geralmente omitido nos dados da análise. Para os produtos comerciais comuns, o ponto de inflamação encontra-se 50°F (10°C) acima do ponto de fulgor. Os pontos de inflamação e de fulgor não devem ser confundidos com a temperatura de combustão espontânea, que é um assunto totalmente diverso. A combustão espontânea envolve, não somente a volatilidade, como a temperatura necessária para precipitar a reação química - combustão - sem o auxílio de uma fonte externa de ignição. Embora seja de esperar que um produto de petróleo mais volátil tenha um ponto de fulgor ou de inflamação mais baixo do que um menos volátil, a sua temperatura ASTM de combustão espontânea é geralmente mais alto. 37 4.5.1. Aparelhagem No teste de ponto de Fulgor, vaso aberto Cleveland, a amostra de óleo está contida numa cápsula de latão especificada com precisão a qual descansa sobre um disco de metal. Sob o disco coloca-se uma fonte de calor e na cápsula um termômetro que indica a temperatura da amostra. Uma pequena chama piloto de gás é usada para testar a inflamabilidade da mistura vapor-ar. O espaço de tempo que a chama piloto é exposta, deve ser medido com um cronômetro. A amostra deve ser aquecida conforme a prescrição, partindo de uma temperatura de 100°F (40°C) ou mais, abaixo daquela do ponto de fulgor. A cada múltiplo de 5°C de aumento de temperatura a chama piloto é passada por sobre a cápsula. O teste para o ponto de fulgor é completado quando a chama piloto produz uma inflamação temporária na porção da amostra vaporizada. O mesmo procedimento é seguido para determinar o ponto de inflamação. Quando a chama produzida pela mistura vapor-ar continua pelo menos por 5 segundos, o ponto de inflamação foi atingido. Para cada teste, é natural que os vapores devem ter livre escapamento para evitar dissipação excessiva dos mesmos. Para melhor precisão e consistência dos resultados, o teste é realizado usualmente em uma câmara escura de modo que a ignição possa ser prontamente observada. O teste em vaso aberto é utilizado para derivados do petróleo que tenham Ponto de Fulgor acima de 79ºC. 38 Corte de um Aparelho Cleveland Amostra de Óleo Vaso de Flash Cleveland Chama de Teste Ponto de Fulgor e Inflamação Método: Vaso Aberto Cleveland (VAC) Termômetro Cobertura de Asbesto Chapa Corte de um Aparelho Cleveland Amostra de Óleo Vaso de Flash Cleveland Chama de Teste Ponto de Fulgor e Inflamação Método: Vaso Aberto Cleveland (VAC) Termômetro Cobertura de Asbesto Chapa Corte de um Aparelho Cleveland Amostra de Óleo Vaso de Flash Cleveland Chama de Teste Ponto de Fulgor e Inflamação Método: Vaso Aberto Cleveland (VAC) Termômetro Cobertura de Asbesto Chapa Corte de um Aparelho Cleveland Amostra de Óleo Vaso de Flash Cleveland Chama de Teste Ponto de Fulgor e Inflamação Método: Vaso Aberto Cleveland (VAC) Termômetro Cobertura de Asbesto Chapa Figura 12 - Método Vaso aberto Cleveland. 4.5.2. Fornecimento dos Resultados O ponto de inflamação é fornecido como sendo a temperatura à qual uma chama persiste por 5 segundos ou mais. 4.5.3. Interpretação dos Resultados Para apreciar o significado do ponto de fulgor e do ponto de inflamação fornecidos pelo teste, deve-se levar em conta o que esse teste mediu. Deste modo, é necessário compreender como uma mistura de combustível e ar foi criada. Para todos os fins, um líquido de petróleo, não queima nesse estado, mas, sim, vaporizado primeiro. O vapor mistura-se com o oxigênio do ar e, quando houver uma concentração suficiente de vapor, a mistura pode ser inflamada por uma faísca ou por chama. A mistura só pode ser inflamada se a concentração do vapor- combustível no ar for mais de 1% ou menos de cerca de 6% em volume. Uma mistura confinada contendo mais do que 6% em volume de vapor-combustível, corre o risco de explodir somente se ele receber ar suficiente para trazer o vapor ao limite de explosividade. 39 Quando se deseja obter Ponto de Fulgor/ Inflamação de combustíveis ou resultados mais precisos em lubrificantes, usa-se a aparelhagem de vaso fechado. Os dois equipamentos usados são o Pensky-Martens e o TAG. A significação do ponto de fulgor e do ponto de inflamação se contradiz na disparidade que existe nas características de volatilidade dos diferentes líquidos de petróleo. Constantemente, entre os óleos lubrificantes de viscosidade semelhantes, há variações apreciáveis na volatilidade e, por conseguinte, nos pontos de fulgor e de inflamação. Em geral, contudo, as temperaturas de armazenagem e manuseamento dos óleos lubrificantes são bastante baixas para evitar qualquer possibilidade de incêndio. Entre as exceções desta situação estão produtos tais como os óleos de têmpera e de revenir, que entram em contato direto com metais à alta temperatura. Os óleos transferidores de calor, usados para aquecimento ou resfriamento, podem também atingir altas temperaturas nos limites do ponto de fulgor e de inflamação. Da mesma forma, ao se avaliar um óleo para trens de laminação de chapas a quente que saem dos fornos de recozimento, o risco de incêndio deve ser levado em consideração. Em muitos destes casos, contudo, a temperatura de auto-ignição é da maior significação. À temperatura de auto-ignição, como determinado pelo teste, o incêndio não é simplesmente uma possibilidade - ele pode realmente ocorrer espontaneamente, isto é, sem ignição de qualquer fonte externa. Uma vez que os pontos de fulgor e de inflamação estão relacionados com a volatilidade, eles oferecem uma indicação aproximada da tendência dos óleos lubrificantes evaporarem em serviço. Está patente que menores pontos de fulgor e de inflamação implicam em uma maior oportunidade de perdas por evaporação. A relação entre os resultados do teste e a volatilidade, contudo, não deve ser conclusiva. A comparação é distorcida por vários fatores adicionais, o mais importante dos quais é, provavelmente, a maneira como o óleo é produzido. A relação entre os pontos de fulgor e de inflamação, de um lado, e a volatilidade, do outro é, além disso, distorcida por diferenças do tipo de óleo. Para uma dada 40 viscosidade, um óleo parafínico revela pontos de fulgor e de inflamação mais altos do que para outros tipos e pode ser reconhecido pelo resultado do teste. Os óleos parafínicos podem ser também indicados por um alto índice de viscosidade e por um alto ponto de fluidez. Os pontos de fulgor e de inflamação são talvez os de maior significação na avaliação de
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