Umidade em óleo expressa como atividade de água (aw)
Todo fluido tem a capacidade de reter uma certa quantidade de água dissolvida. A quantidade máxima de água que um fluido pode manter dissolvida é conhecida como ponto de saturação. Quando o fluido atinge esse ponto, qualquer água adicional que for adicionada se separa, formando uma camada distinta de água livre. Como a maioria dos óleos tem densidade menor do que a da água, essa camada de água costuma se acumular abaixo do óleo.
O ponto de saturação de um óleo depende de diversos fatores, como a composição de sua base (se mineral ou sintética), além do tipo de aditivos presentes. Além das variações iniciais na composição, esse ponto muda ao longo da vida útil do óleo enquanto ele estiver em uso como fluido de trabalho Dois fatores principais que afetam o ponto de saturação de um óleo à medida que envelhece são as variações de temperatura e as mudanças na composição química, causadas pela formação de novos compostos que surgem como subprodutos de reações químicas dentro de um sistema dinâmico de óleo.
Tradicionalmente, a unidade de medida para quantificar o teor de água no óleo tem sido ppm (partes por milhão). Qual é a importância de uma medição de ppm? Por definição, ppm é um parâmetro absoluto de umidade que descreve a razão volumétrica ou mássica entre água e óleo:
Por volume: 1 ppm(v)água = 1 ml de água/1 m3 de óleo
ou
Em massa: 1 ppm(v)água = 1 g de água/1.000 kg de óleo
Ao monitorar ativamente os níveis de ppm de água no óleo, é possível determinar a quantidade absoluta de água presente. No entanto, uma medição em ppm apresenta uma limitação significativa: ela não considera qualquer variação no ponto de saturação do óleo. Em outras palavras, em um sistema de óleo dinâmico, em que o ponto de saturação pode variar, uma medição em ppm não indicaria o quão próximo o nível de umidade está desse ponto de saturação. Isso se torna ainda mais crítico quando o teor de água se aproxima do ponto de saturação, pois há o risco de ultrapassá-lo, resultando na formação de água livre — um contaminante prejudicial para quase todas as aplicações de óleo.
Para ilustrar esse conceito, considere o seguinte óleo que sofre uma redução de 40 °C na temperatura:
| Figura: Óleo lubrificante da caixa de engrenagens Temperatura: 70 °C Ponto de saturação: 5.000 ppm Quantidade real de água no óleo: 2.000 ppm aw: ~0,40 |
A ilustração mostra que, a 70 °C, o ponto de saturação do óleo é de 5.000 ppm. Nesse caso, a quantidade de água no óleo é de 2.000 ppm. Isso significa que o óleo ainda pode reter até 3.000 ppm de água antes de atingir a saturação. Esse valor é frequentemente denominado "margem" em relação ao ponto de saturação.
Quando a temperatura do óleo cai para 30 °C, o ponto de saturação também diminui, passando para 3.000 ppm. Vale notar que a quantidade de água no óleo permanece a mesma (2.000 ppm). Contudo, a margem até o ponto de saturação foi reduzida para 1.000 ppm.
Se, neste cenário, um operador estivesse monitorando apenas os níveis de ppm, ele não perceberia nenhuma alteração no conteúdo de água (ainda 2.000 ppm), embora a margem tenha diminuído consideravelmente e o ponto de saturação esteja agora muito mais próximo do teor de água, o que aumenta o risco de formação de água livre.
| Figura: Óleo lubrificante da caixa de engrenagens Temperatura: 30 °C Ponto de saturação: 3.000 ppm Quantidade real de água no óleo: 2.000 ppm aw: ~0,67 |
O que ocorreria se, após um ano, devido ao envelhecimento do óleo, o ponto de saturação fosse ainda mais reduzido, para 1.500 ppm? Nesse cenário, não haveria mais margem para saturação, pois o teor de água no óleo agora ultrapassaria o ponto de saturação.
Assim, um operador continuaria a observar um teor de umidade de 2.000 ppm, apesar de o ponto de saturação ter sido reduzido para 1.500 ppm, resultando na formação de 500 ppm de água livre.
Ao medir a atividade de agua, em vez de simplesmente monitorar os níveis de ppm, esses problemas poderiam ser evitados.
| Figura: Antigo ponto de saturação Água livre Novo ponto de saturação |
O que é atividade de água (aw)?
Atividade de água é a quantidade de água em uma substância em relação à quantidade total de água que ela pode conter. É definida da seguinte maneira:
aw = p/p0
em que
p = a pressão parcial da água em uma substância acima do material
p0= a pressão de vapor saturado da água pura na mesma temperatura
No exemplo acima, aw varia em função do ponto de saturação (p/p0, o denominador). aw também será influenciada pelo teor real de água no óleo, ou seja, pela quantidade de água que entra ou sai do óleo. Em outras palavras, aw sempre fornecerá uma indicação precisa da margem até o ponto de saturação.
Embora seja possível estabelecer uma correlação entre aw e ppm para qualquer óleo, a validade dessa relação ao longo da vida útil de um sistema de óleo dinâmico, como no caso de óleo lubrificante, tende a diminuir. Como abordado anteriormente, com o tempo, o fluido sofre modificações em sua composição devido a reações químicas, que afetam não apenas o seu ponto de saturação, mas também sua relação com aw.
Este gráfico (abaixo), gerado com base em dados de testes de óleo de motor marítimo, compara as diferenças entre óleo novo e óleo usado. Devido à migração contínua na relação entre aw e ppm ao longo do envelhecimento do óleo, torna-se difícil manter uma correlação válida durante toda a vida útil de um óleo.
Embora existam diversos métodos para medir a umidade em óleo disponíveis no mercado atual, a mais recente tecnologia de medição de atividade de água em linha utiliza um sensor do tipo capacitivo, que funciona com base no princípio de absorção.
O sensor é um capacitor composto por dois eletrodos — um superior e outro inferior — com um material isolante entre eles, conhecido como dielétrico. O dielétrico absorve e libera moléculas de água, o que altera a constante dielétrica e, por consequência, a capacitância do sensor. A quantidade de água absorvida é proporcional à atividade de água do fluido. Os benefícios dessa tecnologia incluem a possibilidade de instalação direta em linha, um tempo de resposta muito rápido e boa durabilidade química, tornando-a adequada para uma ampla gama de fluidos.
Bons candidatos para essa tecnologia em linha incluem aplicações que envolvem grandes sistemas hidráulicos ou de óleo, como a lubrificação de máquinas de papel, operação de turbinas e transformadores, e fabricantes de sistemas de recuperação de óleo. Com muitas instalações fabris atualmente adotando programas de manutenção preditiva para evitar paradas imprevistas e prolongar a vida útil dos equipamentos, a medição contínua de umidade em linha se torna uma parte essencial desse plano de gerenciamento de fluidos.
Concluindo, embora a unidade tradicional para expressar o teor de umidade em fluidos tenha sido ppm, a medição de aw pode fornecer uma visão mais completa da condição de um fluido:
- Independentemente do ponto de saturação do fluido, uma leitura de aw sempre oferecerá uma indicação real do risco de formação de água livre.
- À medida que o ponto de saturação aumenta ou diminui por qualquer razão (como temperatura, idade ou alteração nas propriedades físicas), aw reflete com precisão a nova margem de saturação.
- aw independente do fluido medido. Como aw se aplica a todos os fluidos e sólidos, ela pode ser usada de maneira universal para qualquer substância, independentemente de sua composição química ou características físicas.