Contaminação por água em sistemas de combustível

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Os três estados da água no combustível

A água dissolvida fica em solução molecular dentro da matriz de hidrocarbonetos do combustível. A 20°C, o diesel pode conter aproximadamente 50–100 ppm de água dissolvida na saturação, conforme sua composição e teor de aromáticos. A água dissolvida é invisível e não causa problemas operacionais imediatos. Quando a temperatura cai ou a água ultrapassa a saturação, a água dissolvida precipita como água emulsionada: gotas em escala micrométrica dispersas no combustível, que lhe dão aspecto turvo. A água livre se deposita no ponto mais baixo do sistema de combustível como uma camada aquosa distinta, normalmente no fundo dos tanques, das carcaças de filtro e dos cárteres da bomba injetora. A água livre causa o dano mais grave: corrosão, crescimento bacteriano, formação de cristais de gelo e perda de lubrificação nos componentes do sistema de injeção. As transições entre estados são reversíveis com a temperatura e a energia de mistura, de modo que identificar água livre no fundo do tanque é um indicador confiável da carga total de água.

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ASTM D6304 e titulação Karl Fischer

A ASTM D6304 (Standard Test Method for Determination of Water in Petroleum Products, Lubricating Oils, and Additives by Coulometric Karl Fischer Titration) é o principal método de laboratório para medir o teor total de água no combustível. A reação de Karl Fischer oxida o dióxido de enxofre com iodo na presença de água: H₂O + I₂ + SO₂ + 3(RN) + CH₃OH → 2[RNH]I + [RNH]SO₄CH₃. A KFT coulométrica gera iodo por eletrólise a partir de iodeto: um mol de iodo reage com um mol de água, o que permite calcular a massa de água a partir da carga elétrica. Faixa do método: 10–10,000 ppm de água. Precisão: ±2 ppm em concentrações abaixo de 100 ppm. A ASTM D6304 mede simultaneamente os três estados da água. A ISO 12937 (Petroleum Products — Determination of Water — Coulometric Karl Fischer Titration Method) cobre a mesma reação com um procedimento harmonizado para os mercados internacionais.

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Especificação de qualidade de combustível EN 590

A EN 590, norma europeia de qualidade do combustível diesel, especifica um teor máximo de água de 200 mg/kg (aproximadamente 200 ppm em massa) no ponto de distribuição. Esse limite abrange os três estados da água e é medido pela ASTM D6304 ou por KFT coulométrica equivalente. No entanto, 200 ppm no terminal de distribuição não significam 200 ppm no tanque de combustível: a entrada de água durante o transporte (condensação em tanques ventilados, compartimentos de caminhões-tanque mal secos, bicos de abastecimento contaminados) e durante o armazenamento no veículo (ciclos de temperatura em tanques parcialmente cheios) costuma acrescentar 50–300 ppm ao combustível antes que ele chegue ao sistema de injeção. Em veículos de frota com tanques de grande capacidade operando em ambientes úmidos, o acúmulo de água no tanque pode chegar a 500–2,000 ppm de água total nas camadas inferiores do combustível, com uma camada mensurável de água livre acima do ponto de dreno do tanque.

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Sensibilidade dos injetores HPCR à água

Os sistemas de injeção common rail de alta pressão operam com pressões no rail de 1,600–2,500 bar. As folgas da agulha do bico são de 1–3 µm, e as das válvulas solenoide e piezoelétricas dos injetores são ainda mais estreitas. A água no sistema de injeção causa dano por três mecanismos distintos. Corrosão: a água em contato com componentes ferrosos do sistema de combustível gera produtos de corrosão de hidróxido de ferro (partículas de ferrugem); essas partículas, normalmente de 5–50 µm, causam desgaste abrasivo das agulhas e dos assentos dos bicos na pressão do rail. Perda de lubrificação: o diesel fornece lubrificação hidrodinâmica aos êmbolos da bomba injetora de alta pressão (classificação de lubricidade HFRR ≤ 460 µm). A água livre desloca o filme de combustível e aumenta de 5 a 20 vezes o desgaste de êmbolos e cilindros na operação com água. Bloqueio hidráulico e dano ao bico: em temperaturas abaixo de zero, a água dissolvida que precipita no furo do bico de alta pressão pode formar cristais de gelo que travam hidraulicamente a agulha aberta, causando falha da ponta do injetor e erosão catastrófica do assento do bico. Uma concentração de 200 ppm de água no combustível HPCR, embora dentro da especificação EN 590, está no limite de impacto sobre a vida útil dos injetores em bombas que operam a ≥2,000 bar.

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Contaminação microbiana e degradação do combustível

A água livre na interface combustível–água dos tanques de armazenamento favorece a colonização microbiana. Cladosporium resinae (o "fungo do querosene") e Pseudomonas aeruginosa são os microrganismos degradadores de combustível mais comuns no diesel. O biofilme microbiano cresce na interface combustível–água, produz ácidos orgânicos que baixam o pH do combustível, gera biomassa particulada (hifas de fungos e agregados bacterianos de 5–50 µm) e acelera a corrosão dos metais pela produção de sulfeto de hidrogênio e ácidos orgânicos. Em tanques comerciais, a contaminação microbiana costuma ser detectada quando o combustível escurece, forma sedimentos ou entope os filtros rapidamente. O tratamento com biocida (biocidas aprovados conforme a ASTM D4054) mata os microrganismos ativos, mas não remove as células mortas: um tanque tratado com biocida que já tem biofilme exige lavagem e limpeza física para recuperar a qualidade do combustível. A prevenção é mais eficaz que a correção: manter o teor de água do tanque abaixo de 50 ppm evita a camada de água livre necessária para que os microrganismos se estabeleçam.

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Tecnologia de filtros coalescentes e remoção de água

Os separadores de água dos filtros de combustível usam a coalescência para remover a água emulsionada e livre do combustível. O meio coalescente (fibra de vidro ou sintético hidrofílico com energia superficial controlada) faz as pequenas gotas de água colidirem, aderirem e crescerem até formar gotas maiores que decantam por gravidade para o coletor de água. A eficiência de separação é expressa como a taxa de separação de água a uma vazão de combustível e concentração inicial de água especificadas. Estágio 1 (coalescedor): as gotas de água emulsionada (1–10 µm) coalescem até >100 µm na superfície do meio coalescente. Estágio 2 (corpo separador): as gotas coalescidas decantam pela zona calma abaixo do coalescedor até o copo coletor de água. A ASTM D7619 (Standard Test Method for Sizing and Characterization of Particles in Low-Sulfur Automotive-Grade Diesel Fuels) mede os níveis de partículas que acompanham os ensaios de separação de água. A tecnologia coalescente HYDROCORE™ combina a captura de partículas abaixo de 10 µm com a separação de água em um único elemento, eliminando o estágio secundário separado em aplicações com pouco espaço.

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Detecção e monitoramento em campo

Os métodos de detecção de água em campo vão do rudimentar ao quantitativo. Pasta detectora de água (indicador de sulfato de cobre): aplicada a um tubo de amostragem, muda de cor em contato com água livre; útil na amostragem do fundo do tanque para confirmar a presença ou ausência de uma camada de água livre. Papel ou cápsulas detectoras de água: indicadores colorimétricos descartáveis para confirmação em campo. Refratômetro portátil: mede o teor de água pela mudança do índice de refração; aplica-se a fluidos solúveis em água (líquido de arrefecimento, fluido hidráulico água-glicol), mas não ao diesel. Instrumentos KFT coulométricos de campo: aparelhos portáteis medem a água no combustível com precisão de ±10 ppm em concentrações de 30–300 ppm, adequados para a inspeção pré-entrega em frotas. Sensores capacitivos: sensores de água no combustível instalados em linha detectam a água emulsionada pela mudança da constante dielétrica; acionam um alarme em uma fração de água pré-ajustada sem medir ppm. Inspeção do dreno: inspecionar e drenar diariamente os copos de água dos filtros é o protocolo mínimo de manutenção de frotas; o volume drenado e o aspecto da água fornecem uma tendência qualitativa da contaminação.

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Sinais operacionais e impacto na frota

O sinal operacional da contaminação do diesel por água quase nunca é "água no combustível". É a vida curta e inexplicável dos filtros: filtros de combustível que deveriam durar 500 horas de operação entupindo com 50–100 horas. São falhas de injetores fora do programa normal de substituição. São partidas difíceis em manhãs frias, ou perda de potência sob carga por restrição do fluxo de combustível. Quando a água é confirmada como diagnóstico, o sistema já foi degradado. A água entra no diesel por condensação em tanques de superfície parcialmente cheios, pela chuva que entra por tampas de abastecimento mal vedadas, por contaminação cruzada durante a entrega e por emulsão durante a agitação do combustível. Toda frota diesel que opera a partir de armazenamento a granel está exposta continuamente a pelo menos um desses caminhos. Um tanque de armazenamento a granel de 10,000 litros com teor de água acima de 0.1% em volume pode desenvolver contaminação microbiana ativa em 30–60 dias, tornando todo o volume do tanque inutilizável sem tratamento químico e filtração. Em operações agrícolas que dependem de grandes reservas sazonais de combustível, um único evento de contaminação pode afetar várias máquinas ao mesmo tempo em plena safra.

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Cinco modos de falha por água no combustível diesel

A água no combustível diesel existe em três formas: dissolvida (invisível, abaixo da saturação, 50–200 ppm), livre (fase separada no fundo do tanque, visível acima de 500 ppm) e emulsionada (gotas suspensas no combustível por agitação ou interação com aditivos). Cada forma causa danos diferentes por mecanismos diferentes em todo o sistema de combustível. Erosão do injetor: a água a 1,600–2,500 bar de pressão de injeção vaporiza bruscamente nos furos da ponta do injetor e causa erosão hidráulica da agulha e do assento a uma taxa 40–70 vezes maior que com combustível limpo. As folgas de 1–3 µm dos injetores são destruídas pela erosão em dezenas de minutos de exposição a uma bolsa de água. Crescimento microbiano: bactérias redutoras de sulfato e fungos Hormoconis resinae proliferam na interface água-diesel dos tanques de armazenamento. As colônias produzem subprodutos metabólicos ácidos, formam camadas de biomassa que entopem os filtros e aceleram a corrosão do tanque por pites eletroquímicos. Uma contaminação ativa torna inutilizável um tanque de 10,000 L em 30–60 dias. Entupimento de filtros: camadas de biomassa microbiana entopem o meio do filtro de combustível com tamanhos de partícula muito menores que a eficiência nominal do filtro. Filtros classificados para 500 horas podem entupir em 50–100 horas com contaminação microbiana ativa. Abaixo de −5°C, a formação de cristais de gelo se soma à cristalização de parafina do combustível frio e agrava o entupimento. Cavitação da bomba de combustível: o combustível contaminado com água provoca cavitação por vapor na bomba de alta pressão durante as transições de pressão de operação. O colapso das bolhas erode as superfícies do cilindro e do êmbolo da bomba e gera detritos metálicos que entram no circuito de combustível a jusante da bomba. Corrosão do tanque: os pites eletroquímicos pela produção de ácidos microbianos e a corrosão na interface água-diesel degradam as paredes de aço do tanque. Os detritos de corrosão se tornam uma fonte secundária de contaminação, acrescentando partículas abrasivas de óxido de ferro a um fornecimento de combustível já contaminado.

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Estratégia de controle da contaminação por água

O controle da contaminação por água é mais eficaz na etapa de armazenamento do combustível, onde a água está presente a granel e é facilmente separada, do que no filtro de combustível do motor, onde a eficiência de coalescência é limitada pela vazão de combustível e a biomassa microbiana pode já ter se formado. Um fornecimento de combustível a granel contaminado vencerá qualquer sistema de filtração no motor se a taxa de contaminação de origem exceder a capacidade de retenção de água do filtro. Protocolo de controle: analise o combustível armazenado a granel a cada trimestre com titulação Karl Fischer ASTM D6304 antes que a contaminação fique visível; inspecione e vede contra a chuva todas as tampas de abastecimento, respiros e tampas de inspeção dos tanques; instale filtração com separação de água na transferência antes que o combustível entre nos tanques dos equipamentos; mantenha os tanques a granel o mais cheios possível para reduzir o espaço livre disponível para condensação; monitore os indicadores de contaminação microbiana (taxa de entupimento de filtros, turbidez do combustível, depósitos escuros na saída do tanque); aplique tratamento com biocida quando a contaminação microbiana for confirmada (um resultado positivo da ASTM D6304 não distingue água microbiana de água de condensação); substitua todos os filtros de combustível e lave o circuito após um evento de contaminação por água, e não volte a colocar em serviço equipamentos com filtros que estiveram no caminho contaminado.

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