Olejowe instalacje przemysłowe w maszynach wbrew powszechnej opinii mają często dużo więcej zastosowań, niż tylko smarowanie mechanizmów. Odpowiednia mieszanka oleju z wodą lub innymi cieczami pozwala także chłodzić albo nawet oczyszczać elementy urządzenia. Smar odpowiedniej konsystencji może również służyć jako uszczelniacz.
Rola, jaką odgrywa odpowiedni stan i skład mieszanki nawilżającej, odkrywana jest niejednokrotnie dopiero w momencie wystąpienia usterki i nieplanowanego przestoju maszyn. Powodowane jest to degradacją składu płynu smarującego, która może wynikać z wielu czynników, takich jak np. praca w wysokich temperaturach, schnięcie pod wpływem powietrza, interakcje z niektórymi gazami, nadmierna wilgotność otoczenia, zanieczyszczenie cząsteczkami stałymi i kurzem, dostanie się do obiegu substancji wykorzystywanych w procesie technologicznym, a nawet nadmiernym promieniowaniem.
Należy także pamiętać, że oleje stosowane w oddzielnych instalacjach smarująco-chłodzących mogą być ze sobą niekompatybilne i ich niekontrolowane mieszanie zazwyczaj prowadzi do obniżenia sprawności obu układów. Czynniki te i inne wpływają na zmianę lepkości i pojawianie się cząsteczek stałych, które są pierwszymi oznakami postępującej degradacji płynu nawilżającego.
Co się może zdarzyć?
Jednym z najczęściej spotykanych przyczyn degradacji jakości oleju jest jego utlenianie. Proces ten powoduje zazwyczaj zwiększenie się lepkości oleju i liczby Kottstorfera (liczby kwasowej) oraz znacząco przyspiesza zużycie substancji dodatkowych, które wprowadzane są do roztworu smarującego w celu ograniczenia lub czasami i katalizacji którejś z reakcji chemicznych oddziałujących na elementy maszyny.
Ponadto utlenianie powoduje rozkład podstawy olejowej substancji smarującej, co prowadzi do zatykania filtrów umieszczonych w instalacji i zmniejsza zdolność oleju do pienienia się. Utlenianie się lubrykantu jest również przyczyną powstawania osadów i szlamu oraz rdzy, a także narośli wewnątrz instalacji. Znacząco przyspiesza procesy korozyjne.
Z tych względów ochrona płynu smarującego przed zbyt szybkim utlenianiem się jest jednym z najważniejszych zadań związanych z utrzymaniem tego typu instalacji. Niestety nie istnieją sposoby całkowitego powstrzymanie procesu utleniania, a jedynie takie, które umożliwiają jego spowolnienie. W tym celu do cieczy dodaje się odpowiednie czynniki, które ograniczają nieco utlenianie lub neutralizują produkty procesu utleniania. Pozwala to na wydłużenie czasu pracy zastosowanego oleju.
Drugą przyczyną degradacji jest nadmierna temperatura, która może spowodować np. rozkład płynu. Wysokie temperatury są nie do uniknięcia w przypadku bardzo wielu urządzeń. Dzieje się tak, gdyż jak to zostało wcześniej zaznaczone – olej bardzo często ma za zadanie także odprowadzać ciepło z nawilżanych urządzeń. Pod wpływem wysokiej temperatury możliwe jest także odparowywanie najbardziej lotnych składników płynu chłodzącego, co w efekcie zwiększa jego lepkość oraz ogranicza działanie ulatniających się reagentów.
Ponadto przekroczenie punktu stabilności temperaturowej prowadzi do rozpadu większych cząsteczek na mniejsze, które to następnie przyczyniają się do kolejnych zmian struktury płynu. Przykładowo mogą inicjować polimeryzację, niszczyć niektóre z celowo dodawanych reagentów oraz powodować powstawanie swobodnych nierozpuszczalnych cząsteczek i gazów. W niektórych przypadkach degradacja temperaturowa może wpłynąć na zmniejszenie się lepkości płynu.
Trzecim z omawianych zjawisk są lokalne nagłe wzrosty ciśnienia. Zjawisko to nosi angielską nazwę microdieseling i występuje w wyniku szybkich zmian ciśnienia w płynach. W procesie tym bąbelki powietrza podlegają przemianom adiabatycznym przyczyniając się niekiedy do lokalnych i nagłych wzrostów temperatury na poziomie ok. 1000°C, czego efektem jest powstawanie produktów ubocznych w postaci węglanów. Ich obecność w płynie smarującym jest wysoce niepożądana i przyczynia się do szybkiej degradacji mieszanki.
Kolejnym zjawiskiem jest wreszcie wyczerpywanie się dodatków, jakimi są katalizatory i inne składniki mieszanki olejowej. Proces ten jest dosyć przewidywalny i zupełnie naturalny, gdyż większość z tych dodatkowych składników zmienia swoją postać w czasie, gdy uczestniczą one w reakcjach chemicznych.
Jednakże w celu zabezpieczenia się przed nagłymi zmianami składu warto jest stale monitorować poziom poszczególnych składników i odpowiednio go regulować. Jest to tym bardziej ważne, gdy w procesie katalizacji składniki te przechodzą w inne produkty reakcji chemicznych, które następnie muszą być neutralizowane za pomocą kolejnych dodatków. Z tego względu pełen monitoring poziomów składników dodatkowych może być skomplikowanym zadaniem.
Innym dosyć niespodziewanym zjawiskiem jest gromadzenie się ładunków elektrostatycznych wewnątrz płynu chłodzącego. O ile w przypadku czystego lubrykantu problem ten występuje rzadziej, gdyż jednolita substancja może szybko i bezproblemowo przepływać przez ciasne przepusty, to jeżeli płyn będzie zanieczyszczony, a do tego suchy, tarcie międzycząsteczkowe w płynie może prowadzić do powstawania różnic potencjałów pomiędzy poszczególnymi obszarami płynu.
W efekcie nagromadzenia się ładunków powstają iskry o temperaturze 10 tys. do 20 tys. °C, które uderzają najczęściej w ostre powierzchnie i filtry mechaniczne powodując ich trwałe uszkodzenia. Uszkodzenia te mogą prowadzić do oderwania się cząsteczek materiału, z jakiego zbudowane są niszczone fragmenty instalacji i dostania się ich do mieszanki chłodząco-smarującej.
Ostatnią ale dosyć oczywistą przyczyną obniżenia jakości smaru są zanieczyszczenia ciałami stałymi. Wolne cząsteczki metali takich jak żelazo i miedź są katalizatorami procesu rozkładu miedzi, z której często wykonywane są elementy urządzeń mechanicznych. Prowadzi to do jeszcze szybszego procesu rozkładu miedzi, który znacząco pogarsza parametry fizykochemiczne lubrykantu.
Do nawilżacza mogą także dostawać się różnego rodzaju cząsteczki z poza instalacji – choćby te przenoszone w wodzie lub przez powietrze. Dlatego też, o ile to tylko możliwe – warto jest stosować zamknięte instalacje chłodzące, w których dostęp wody i powietrza z zewnątrz jest ściśle ograniczony lub zminimalizowany do zera.
Miliony złotych za zatkany zawórPewna fabryka stosowała urządzenia hydrauliczne, które pracowały z wykorzystaniem mieszanki oleju i wody jako płynu smarującego. Roztwór ten w 98% składał się z wody, w której rozpuszczony był olej oraz z którą zmieszano trochę nierozpuszczalnego oleju hydraulicznego. System działał prawidłowo aż do momentu, gdy filtry zaczęły się szybko zapychać czarną, smolistą substancją. Ponieważ problem ten nie został zdiagnozowany i usunięty, po pewnym czasie zapchał się jeden z zaworów grzybkowych, powodując poważne uszkodzenie prasy hydraulicznej. Usterka stała się powodem wstrzymania pracy całej fabryki na dwa dni, przyczyniając się do strat rzędy kilku milionów złotych. W celu określenia źródła osadów zatrudniono zespół ekspertów, którzy przeprowadzili wiele z testów omówionych w niniejszym artykule. Okazało się, że przyczyną problemów było nadmierne utlenienie oleju, które prowadziło do powstawania nierozpuszczalnych cząsteczek gromadzących się w postaci lepkiej masy. Niemniej, do wyjaśnienia całej genezy problemu należało jeszcze stwierdzić, co jest przyczyną nadmiernego utlenienia oleju – szczególnie, że cały płyn w instalacji hydraulicznej był wymieniony na krótko przed wystąpieniem awarii. Okazało się, że osad składa się głównie z organicznych tlenków i fosforanów oraz tlenku żelaza, który stanowił na aż 20% masy osadu. Ten ostatni czynnik pozwolił odkryć, że to znaczące podniesienie się poziomu Fe3O4 w jeziorze, z którego pobierano wodę do było jedną z głównych przyczyn awarii. Związek ten katalizował reakcję utleniania oleju, która prowadziła do powstawania osadu i zatykania filtrów. Jednocześnie stosowany antyutleniacz – dialkiloditiofosforan cynku okazał się być niestabilny w środowisku wodnym i wcale nie spełniał swojej roli, a jedynie rozkładał się na odnalezione w osadzie fosforany. W celu przywrócenia maszyn do działania dwukrotnie przepłukano całą instalację oraz zainstalowano specjalny filtr oczyszczający wodę z jeziora z nadmiernej ilości Fe3O4. Zaprzestano też stosowania oleju hydraulicznego, który zawierał wspomniany przeciwutleniacz. Odkąd podjęto te działania system przestał się zatykać i działał w pełni sprawnie. |
Jak walczyć z problemami?
Opisane dotąd zjawiska mogą być w znacznym stopniu kontrolowane poprzez zastosowanie szeregu badań i monitoringu stanu degradacji oleju. Liczba potencjalnych testów, jakie mogą być wykonywane, jest bardzo duża – część z nich opisana została w tabeli 1. Poniżej przedstawione zostały trzy bardzo istotne procedury, które stosowane są w pierwszej kolejności podczas analizy stanu lubrykantu.
Jedną z najważniejszych metod badania stanu płynu smarującego jest ilościowa analiza spektrofotometryczna (QSA – Quantitative Spectrophotometric Analysis). Polega ona na laboratoryjnym wyekstrahowaniu nierozpuszczanych zanieczyszczeń z próbki badanego oleju. Wydzielony materiał następnie podlega analizie spektralnej, która pozwala na określenie stanu degradacji oleju.
Dzieje się tak, gdyż istnieje bezpośredni związek pomiędzy kolorem i intensywnością oraz ilością nierozpuszczalnych cząstek w płynie, a zużyciem oleju. Oznacza to, że metoda ta jest szczególnie przydatna do badania, czy płyn się zbytnio nie zestarzał ale nie pozwala na precyzyjne określenie ilości i przyczyn poważniejszych zanieczyszczeń. Niemniej QSA jest metodą niezawodną i bardzo wydajną.
Drugą ważną metodą jest analiza w podczerwieni i wykorzystanie transformaty Fouriera. Pozwala to zbadać zawartość cząsteczek organicznych i przydaje się do monitorowania zużycia dodatków wprowadzanych do katalizacji lub zapobiegania niektórym procesom chemicznym. Jest także skuteczna w wykrywaniu organicznych produktów ubocznych niektórych z procesów degradacji chłodziwa oraz do badania poziomu zanieczyszczeń organicznych wprowadzanych z zewnątrz. W połączeniu z QSA stanowią dobry sposób na określanie przyczyn pogorszenia się stanu płynu.
Trzecią z grupy najważniejszych metod jest analiza ilościowa osadu, jaki wydziela się podczas wprowadzenia próbki oleju do wirówki. Płyn w centryfudze obracany jest z prędkością 20 tys. obr/min przez 30 minut, po czym analizowana jest ilość odwirowanego osadu. Rezultat podawany jest w skali od 1 do 8, gdzie 1 oznacza brak cząsteczek nierozpuszczalnych, a 8 – krytyczną ilość tychże cząsteczek. Niestety metoda ta nie pozwala w żaden sposób określić, co jest przyczyną powstania osadu - tzn. czy pochodzi on z przemian chemicznych zachodzących w oleju, czy też został wprowadzony z zewnątrz. Ponadto za pomocą centryfugi możliwe jest wydzielenie z płynu dodatków, takich jak np. składników poprawiających lepkość.
Zaawansowane smarowanie w wersji mobilnejTrabon firmy Graco to automatyczny system smarowania przeznaczony głównie do aplikacji mobilnych. W jego skład wchodzi pojemnik na olej wraz z pompami, zestaw zaworów głównych oraz zawory pomocnicze. Zasada działania systemu jest prosta. Płyn lubrykacyjny ze zbiornika wpływa do pompy, która zgodnie z wcześniej ustawionymi parametrami podaje określoną ilość oleju do zaworu głównego. Zawór ten precyzyjnie rozdziela przesyłany lubrykant do zaworów pomocniczych, które to ponownie, na tej samej zasadzie rozdzielają smar pomiędzy poszczególne łożyska i mechanizmy, do których są podłączone. Producent ma w swej ofercie liczne gotowe zestawy przystosowane do instalacji w konkretnych popularnych maszynach wraz ze szczegółowymi instrukcjami. Zastosowanie automatycznego systemu dozowania oleju wydłuża żywotność maszyn, przy jednoczesnym zmniejszeniu czasów przestoju potrzebnych na regularne naprawy. Dodatkowo zwiększa bezpieczeństwo pracy, ponieważ sprawia, że nie ma potrzeby ręcznego aplikowania smaru na poszczególne łożyska. Zastosowane w urządzeniu zawory są odporne na korozję, a szczelna konstrukcja chroni płyn przed zanieczyszczeniem. Producent oferuje wraz z systemem zarówno pompy elektryczne, jak i hydrauliczne oraz pneumatyczne, co pozwala na wybór odpowiedniego typu urządzenia do konkretnej aplikacji. Możliwość regulacji częstości cykli i ilości pompowanego oleju umożliwia dostosowanie systemu do aktualnych warunków pracy. Ponadto w ofercie znajduje się szeroki wybór zbiorników o różnych rozmiarach, w zależności od potrzeb użytkownika |
Metody drugorzędne
Oprócz przedstawionych powyżej głównych metod analizy w drugiej kolejności warto zastosowań kolejne testy, które pozwalają na bardziej precyzyjne badanie stanu cieczy smarującej. Pierwszym z takich badań jest określenie lepkości rozumianej jako odporności na płynięcie. Jest to jeden z najważniejszych parametrów płynu smarującego i jest bardzo podatny na zmiany spowodowane różnego rodzaju czynnikami.
Utrzymanie lepkości na odpowiednim poziomie jest krytyczne dla zapewnienia odpowiedniej grubości warstwy smarującej na powierzchni mechanizmu. Jeśli wartość lepkości wyjdzie poza preferowany zakres, najczęstszymi konsekwencjami jest szybki wzrost ilości nierozpuszczalnych związków oraz np. zmiana kwasowości roztworu.
Kolejnym badaniem, które warto wykonać jest LSV (Linear sweep voltammetry), które pozwala określić ilość przeciwutleniaczy w roztworze. Wynik uzyskany dla badanego oleju należy porównać z wynikiem referencyjnym wyliczonym na podstawie próbki świeżego roztworu. Jeżeli olej jest ubogi w przeciwutleniacze, to znaczy, że się już zużyły i zbliża się moment, w którym należy go wymienić.
W przypadku posiadania dokładnych informacji na temat składu i reakcji chemicznych, jakie zachodzą w trakcie użytkowania płynu, pozostała ilość antyutleniaczy może pomóc w zrozumieniu ewentualnych niekorzystnych zjawisk, którym poddawany jest lubrykant.
Nieco podobnym testem jest kontrolowane, przyspieszone utlenianie oleju, w celu sprawdzenia, czy zachowuje on stabilność i czy ilość pozostałych antyutleniaczy utrzymuje się w normie. Ewentualna niestabilność utleniaczy w roztworze jest nie do wykrycia za pomocą poprzedniej metody, gdyż przyspieszone utlenianie może odbywać się lokalnie, wytwarzając e w ten sposób pewne ilości osadów, bez większego wpływu na koncentrację utleniaczy w całym roztworze. Także i w przypadku tego pomiaru, uzyskane wyniki należy porównać z danymi zebranymi z próbek odniesienia.
Jeszcze jednym z dosyć istotnych testów jest pomiar liczby kwasowej roztworu. Większość inhibitorów rdzy, które wykorzystywane są w olejach ma odczyn kwasowy i wpływają na wzrost wartości liczby Kottstorfera. Oznacza to, że jej pomiar pozwala sprawdzić, czy ilość wspominanych składników jest na odpowiednio wysokim poziomie, czy też zdążyły się one już zużyć.
Jest to możliwe dzięki temu, że większość produktów ubocznych, jakie tworzą się w trakcie pracy oleju niemal nie wpływa na poziomi liczby kwasowej. Jedynym wyjątkiem są powstające niekiedy słabe kwasy organiczne. Ponadto metoda ta ma zastosowanie dopiero w momencie, gdy w instalacji wystąpił już problem i nie warto jej stosować w ramach badań prewencyjnych.
Klasyfikacja czystości wg ISO 4406Ponieważ podstawowym zadaniem oleju jest smarowanie, czyli oddzielanie od siebie powierzchni ciał stałych, a więc i redukcja tarcia, ważne jest aby stosowany olej był odpowiednio czysty. W 1999 roku w celu oceny czystości olei stworzono specjalną skalę ISO 4406, która pozwala obiektywnie ocenić ilość zanieczyszczeń w roztworze smarującym. Skala ta stosowana jest nie tylko w przypadku olei zużytych ale i dla świeżo wytworzonych, gdyż w procesie ich produkcji nie da się zupełnie uniknąć zabrudzeń, kurzu i wilgoci, które mogą dostać się do tworzonej mieszanki. Na skale składają się dwa parametry mierzone dla każdego oleju lub typu zanieczyszczeń. Pierwszy określany jest jako R i dotyczy liczby cząsteczek zanieczyszczeń podawanej w ppm, tak jak to zostało przedstawione w tabeli 2. Tabela 2 nie określa wielkości zliczanych cząsteczek. Ta cecha uwzględniana jest dopiero na kolejnym etapie oceny czystości oleju. Rozmiary cząstek zostały zgrupowane wg stosowanego od dawna w przemyśle systemu R4/R6/R14. Kolejne symbole odpowiadają cząsteczkom o wielkości (średnicy) nieprzekraczającej odpowiednio 4, 6 lub 14µm. Jeżeli liczba cząstek danego rozmiaru nie przekracza liczby cząstek dopuszczonych w klasie R, badany olej zostaje zakwalifikowany do jednej z kilku klas. |
Pozostałe sposoby analizy
Poza wymienionymi dotąd najważniejszymi metodami analizy stanu płynu nawilżającego znane są także inne sposoby, które ułatwiają określenie dokładnej przyczyny problemów lub wykrycie nadmiernego zużycia oleju. Stanowią one dodatkowe narzędzia, które mogą wspomóc pracowników działów utrzymania ruchu po tym, gdy wykorzystają wszystkie dotąd opisane metody.
Przykładowo stan zużycia oleju można próbować określić także poprzez badanie koloru płynu. Ten prosty zabieg pozwala wykryć ewidentne zmiany, choć należy zaznaczyć, że metoda ta nie jest zawsze skuteczna. Niemniej większość olei ciemnieje z czasem, a niektóre ze stosowanych dodatków zabarwiają płyn na określony kolor w trakcie zużywania się. Zmiana koloru może także oznaczać, że do cieczy dostały się jakieś inne składniki – np. że nastąpił wyciek z którejś z instalacji w maszynie.
Przydatne może być również badanie zawartości wody, która wpływa katalizująca na reakcje utleniania oraz rozpuszcza niektóre z dodatków. Jej zbyt duża ilość może prowadzić do nagłych lokalnych wzrostów ciśnienia (microdieseling) i przyspiesza zatykanie się filtrów. Wynik badania zawartości wody podaje się w częściach na milion (ppm).
Nieco bardziej skomplikowanym zabiegiem jest liczenie ilości cząstek danego rozmiaru znajdujących się w niewielkiej objętości roztworu. Badanie to pozwala określić np. stopień sprawności filtrów. Na tej podstawie wyznaczany jest także stopień czystości płynu zgodnie z normą ISO 4406 (patrz ramka).
Interesującym testem jest analiza termo grawimetryczna. Polega ona na pomiarze utraty masy pobranej próbki w trakcie jej podgrzewania. Znajomość wpływu temperatury na poszczególne składniki płynu pozwala wykreślić aktualną ich zawartość procentową. Zbliżonym badaniem jest analiza punktu zapłonu, która polega na pomiarze minimalnej temperatury, w której opary oleju zaczynają się palić przez minimum 5 sekund. Pozwala to określić np. ilość zanieczyszczeń oleju paliwem. Kolejnym pomiarem może być chromatografia gazu połączona ze spektroskopią masową. Służy ona głównie do badania koncentracji np. antyutleniaczy i charakteryzuje się bardzo dużą dokładnością pomiarów.
Na jej podstawie można również przeprowadzić analizę rozpuszczonych gazów, które powstają w trakcie degradacji oleju. Informacje o rodzaju i koncentracji gazów bywają bardzo pomocne w analizie przyczyn problemów w instalacji, gdyż poszczególne gazy powstają w zupełnie różnych temperaturach. Szczególnie wartościowe są pomiary stężenia metanu, etanu, acetylenu, etylenu, tlenków węgla i wodoru.
W przypadku pojawienia się osadów wewnątrz instalacji – o ile to możliwe, warto skorzystać z spektroskopii w promieniach rentgena. Dzięki temu badany jest skład wydzielonego osadu, co może znacząco ułatwić źródło jego powstawania. Pozostałe metody to analiza spektrochemiczna oraz spektroskopia poprzez rezonans magnetyczny, które także mogą się przyczynić do poprawnej oceny stanu zużycia oleju.
Podsumowanie
Wiele z opisanych wyżej metod analizy stanu płynu chłodząco-nawilżającego wymaga dużych umiejętności i wiedzy w zakresie zaawansowanych technik fizyko-chemicznych. Niemniej część z nich może zostać wprowadzona jako element monitoringu poprawności pracy maszyn zakładowych. Aby dokonać takich zmian w istniejących już instalacjach lub odpowiednio zaprojektować nowe systemy, warto skorzystać z pomocy firm specjalizujących się w tego typu tematyce.
Wydajność smarowania będzie także zależna od zastosowanych urządzeń, takich jak pompy i zawory oraz pozostałe elementy instalacji olejowej. Warto pamiętać, że problemy wynikające z usterek systemu smarowania i chłodzenia mogą prowadzić do nagłych, długich i niekontrolowanych przestojów w pracy maszyn, co często odbija się bardzo dużymi stratami.
Marcin Karbowniczek
Tabele |