Jak wydłużyć przydatność eksploatacyjną olejów przemysłowych na przykładzie olejów hydraulicznych

Olej przemysłowy, z czasem tracący swoje właściwości, przestaje spełniać wymogi eksploatacyjne maszyn. Zanieczyszczenia, wilgoć i produkty utleniania prowadzą do powstawania osadów, które negatywnie wpływają na funkcjonowanie urządzeń. Tradycyjne metody filtracji mechanicznej pomagają usuwać większe cząstki stałe, jednak nie chronią oleju przed degradacją chemiczną i termiczną.

Na szczególną uwagę zasługuje technologia elektrostatycznego oczyszczania (ELC), która pozwala na utrzymanie oleju w stanie zbliżonym do nowego przez cały okres eksploatacji maszyny. Usuwa z oleju nie tylko zanieczyszczenia stałe, ale również laki i produkty utleniania, jednocześnie zachowując dodatki uszlachetniające. To nie tylko wydłuża żywotność oleju, ale także przynosi korzyści ekologiczne i ekonomiczne – redukując odpady niebezpieczne oraz eliminując konieczność częstej wymiany olejów.

Dla wszystkich służb utrzymania ruchu prowadzących serwis olejowy oczywistym jest, że w związku z czynnikami oddziałującymi na oleje przemysłowe z upływem czasu tracą one przydatność eksploatacyjną. Przyczyną tego są zanieczyszczenia przedostające się do olejów z różnych źródeł w postaci cząstek stałych i wilgoci, które reagują z zawartymi w olejach dodatkami uszlachetniającymi. Powstają produkty utleniania się oleju w postaci laków/varnishu. Te reakcje chemiczne, których tempo przebiegu w dużym stopniu zależy od temperatury pracy oleju, są przyczyną postępującego procesu utraty przydatności eksploatacyjnej. Ostatecznie, po czasie zależnym od wielu czynników, w tym przede wszystkim intensywności pracy maszyny, olej nie nadaje się do dalszej eksploatacji i wymaga wymiany na nowy. Wielu użytkowników stara się odsunąć tę procedurę w czasie, co jednak zawsze odbywa się ze szkodą dla maszyny. Producenci olejów starają się dostarczać oleje o coraz większej odporności na zużycie, ale z drugiej strony nowoczesne konstrukcje maszyn powodują, że oleje pracują pod większym obciążeniem. Dodatkowo maszyny są zbudowane z coraz bardziej precyzyjnych komponentów wymagających „wyśrubowanych” parametrów eksploatacyjnych. Ten trend wymusza na użytkownikach maszyn podejmowanie działań podtrzymujących (przedłużających) przydatność eksploatacyjną olejów. Jest ona oceniana na podstawie kilku parametrów:

Lepkość:
1. 40°C
2. 100°C
3. indeks lepkości
Całkowita wagowa zawartość zanieczyszczeń na membranie o porowatości 0,45 µm (metoda grawimetryczna) + kolorymetria MPC.
Klasa czystości wg norm:
1. ISO 4406,
2. NAS 1638,
3. AS 4059.
Zawartość wody kulometryczną metodą KF.
Zawartość pierwiastków (16 – 20) metodą OES-ICP.
Liczba kwasowa TAN.
FTIR – spektrum w podczerwieni z porównaniem z nowym (świeżym) olejem

Przy czym należy pamiętać, że krytyczna wartość tylko jednego z w/w parametrów dyskwalifikuje olej pod względem przydatności do dalszego użytku.

Użytkownicy maszyn, a konkretnie służby UR oraz firmy świadczące usługi w zakresie serwisu olejowego mają do dyspozycji narzędzia w postaci różnego rodzaju filtrów, układów filtracyjnych i systemów oczyszczania, za pomocą których mogą wydłużać okres przydatności eksploatacyjnej olejów przemysłowych. Tak jak we wszystkich dziedzinach dotyczących produkcji i wytwarzania, tak i w zakresie technologii serwisu olejowego w ostatnich latach pojawiło się wiele nowych, mniej lub bardziej skutecznych technologii.

Filtry mechaniczne

Działanie filtrów mechanicznych polega na mechanicznym zatrzymywaniu w obrębie różnego rodzaju materiałów filtrujących (np.: perforowana siatka stalowa, celuloza, włókna szklane, włókna ceramiczne) zanieczyszczeń o wielkości większej niż deklarowana przez producenta porowatość zastosowanego w filtrze materiału. W związku z coraz wyższymi wymogami w zakresie czystości olejów producenci filtrów rozbudowali nazewnictwo dla tego asortymentu. Obok podziału ze względu na konstrukcje (świecowe, workowe, płytowe itd.) oraz miejsca instalacji (wysokociśnieniowe, powrotne, ssawne, szczelinowe oraz puszkowe), pojawiły się określenia takie jak: mikrofiltry, nanofiltry, filtry wgłębne, dokładne, itp. Rozbudowa nazewnictwa nie zmienia jednak faktu, że pod tymi wszystkimi nazwami oferowane są filtry mechaniczne.

Usuwanie cząstek stałych z olejów przemysłowych za pomocą filtrów mechanicznych jest najpowszechniej stosowaną metodą. Filtry mechaniczne stanowią wręcz element konstrukcyjny każdej maszyny posiadającej jakiś układ olejowy. Filtry mechaniczne są najskuteczniejsze w oczyszczaniu olejów o wysokim poziomie zanieczyszczenia relatywnie dużymi cząstkami stałymi. Świetnie sprawdzają się przy oczyszczaniu np. olejów obróbczych zawierających cząstki obrabianego materiału o dużych rozmiarach. Zastosowane jako stała zabudowa w układach hydraulicznych wychwytują zanieczyszczenia pochodzące z materiałów zużyciowych i przedostających się z otoczenia. Można je zastosować do wstępnego oczyszczania wysoko zanieczyszczonych olejów. Ich zaletą jest prostota obsługi i możliwość zastosowania właściwie do dowolnej cieczy przemysłowej: oleje, emulsje wodno-olejowe, chłodziwa. Przy doborze odpowiedniej porowatości filtra należy pamiętać o tym, że tylko niewielka część cząstek zanieczyszczeń ma kształt zbliżony do kuli, czyli ich wielkość to ich średnica (Rys. 1). Tylko dla paru procent cząstek zanieczyszczeń będzie działała zasada polegająca na tym, że filtr o porowatości 5 µm usunie z oleju wszystkie zanieczyszczenia >5 µm, które i tak stanowią zaledwie ok. 15% wszystkich zanieczyszczeń w postaci cząstek stałych (Rys. 2).

Ubocznym skutkiem stosowania filtracji mechanicznej jest zjawisko elektryczności statycznej, która przy zastosowaniu filtrów o porowatości do 5 µm nie ma wpływu na stan oleju, jednak poniżej tej porowatości ładunki elektryczne pojawiające się na cząstkach zanieczyszczeń osiągają wielkości na tyle wysokie, że skutkuje to wyładowaniami elektrycznymi, które w znaczący sposób przyspieszają degradację termiczną oleju.

Poza zanieczyszczeniami w postaci cząstek stałych w trakcie eksploatacji w olejach przemysłowych pojawiają się tzw. zanieczyszczenia miękkie: wilgoć i produkty degradacji. Tylko niektóre filtry mechaniczne potrafią absorbować niewielkie ilości wilgoci, natomiast nieskrystalizowane produkty degradacji termicznej praktycznie w całości przez nie przenikają i tworzą osady wewnątrz układów olejowych. Stosowanie we współczesnych konstrukcjach maszyn coraz bardziej precyzyjnie zbudowanych komponentów powoduje, że użycie filtracji mechanicznej nawet rozbudowanej o układy filtracji bocznikowej działającej w tej technologii, nie pozwala na długoterminową eksploatację olejów przemysłowych. Zastosowanie filtracji mechanicznej pozwala na relatywnie długie utrzymywanie wymaganej przez DTR maszyn klasy czystości, ale tylko dlatego, że wszystkie trzy wymienione na wstępie normy oceniają zawartość tylko 15% największych rozmiarowo (>4 µm) cząstek zanieczyszczeń stałych. Tak więc przy zgodnej z DTR maszyny klasie czystości pozostałe parametry z czasem będą wskazywać, że olej utracił przydatność eksploatacyjną.

Układy hydrauliki siłowej są tu najbardziej klasycznym przykładem, gdzie w związku z wysokim poziomem precyzji stosowanych komponentów konstrukcyjnych (np. zawory proporcjonalne, serwozawory, elektrozawory) są coraz mniej tolerancyjne na zanieczyszczenia w olejach cząstkami <5 µm oraz w postaci laków/varnishu.

Wartość potencjału elektrycznego w oleju przy porowatości materiału filtracyjnego o wielkości 5 µm Źródło: Akira Sasaki

Wartość potencjału elektrycznego w oleju przy porowatości materiału filtracyjnego o wielkości 2 µm Źródło: Akira Sasaki

Filtracja wirówkowa

Metoda polega na zastosowaniu działania siły odśrodkowej. Bardzo dobrze sprawdza się w zakresie usuwania z olejów wody i cięższych zanieczyszczeń (o ciężarze właściwym przynajmniej 4 razy większym niż ciężar właściwy oczyszczanego oleju). Nie usuwa z olejów mniejszych i lżejszych cząstek stałych i produktów starzenia się oleju.

Filtracja próżniowa

Metoda wykorzystuje prawo fizyki mówiące, że temperatura wrzenia/parowania obniża się wraz ze spadkiem ciśnienia panującego w otoczeniu. Olej przechodząc przez komorę o znacząco obniżonym ciśnieniu, w relatywnie niskiej temperaturze (~60°C) odparowuje wodę. Technologia w żaden sposób nie oddziałuje na inne niż woda zanieczyszczenia zawarte w oleju.

Filtracja – dehydracja kondensacyjna

Metoda wykorzystuje higroskopijne właściwości olejów. Olej z jednej strony absorbuje wilgoć z otoczenia, ale równocześnie w naczyniu

Wyładowania elektryczne w oleju hydraulicznym wywołane zastosowaniem filtra mechanicznego o porowatości 3 µm Źródło: artykuł „OIL MANAGEMENT OF 21ST CENTURY FOR ECONOMY AND ENVIRONMENT” Dr. Eng. Akira Sasaki

zamkniętym np. w zbiorniku olejowym, przy temperaturze oleju >40°C oddaje wilgoć do otoczenia. Poprzez zasysanie powietrza zawierającego wilgoć znad lustra oleju do urządzenia dehydrującego powietrze jest schładzane. Powoduje to wytrącanie się z niego wody, która jest odprowadzana na zewnątrz. Jest to metoda czasochłonna (wydajność na poziomie 14 l/dobę), ale za to bardzo tania w zastosowaniu.

Filtry włókninowe/włoskowe

Działanie filtrów włókninowych wynika z ich konstrukcji, na którą składają się włókna o bardzo małej średnicy. Ponieważ napięcie powierzchniowe wody jest parokrotnie wyższe niż oleju, cząsteczki wody są absorbowane przez włókna filtra. Jest to metoda przynosząca szybkie efekty w postaci usunięcia wody z oleju. Nie oddziałuje zasadniczo na inne zanieczyszczenia.

Filtry magnetyczne

Ich działanie polega na zastosowaniu silnych magnesów, które odciągają z oleju cząstki zanieczyszczeń. Ta technologia filtracji bardzo dobrze sprawdza się w oczyszczaniu olejów obróbczych i innych zanieczyszczonych cząstkami metalowymi magnetycznymi, ale jej skuteczność jest ograniczona wyłącznie do tego rodzaju zanieczyszczeń.

Oczyszczanie olejów technologią jonizowania cząstek

Ta technologia polega na jonizowaniu cząstek zanieczyszczeń w dwóch osobnych komorach ładunkami dodatnimi i ujemnymi, które po spotkaniu w trzeciej, wspólnej komorze łączą się w większe cząsteczki usuwane filtrem mechanicznym. Metoda pozwala na usunięcie z olejów części cząstek stałych o wielkości < 5 μm. Nie usuwa z olejów produktów starzenia się oleju i wody. Niestety znaczna część doładowanych elektrycznie cząstek wraca do układu olejowego, co przyspiesza tworzenie się osadów na metalowych elementach konstrukcyjnych.

Elektrostatyczne oczyszczanie olejów przemysłowych (Electrostatic Liquid Cleaner)

Działanie urządzeń do elektrostatycznego oczyszczania olejów opiera się na wykorzystaniu zjawiska polegającego na tym, że na powierzchni wszystkich cząstek, w każdym środowisku (w powietrzu i w cieczach) znajdują ładunki elektryczne. To zjawisko dotyczy również zanieczyszczeń w olejach przemysłowych. Kiedy olej przepływa pomiędzy elektrodami o wysokim napięciu, zanieczyszczenia zawarte w oleju są przyciągane przez elektrodę o przeciwnym potencjale (prawo Coulomba) i osadzają się na materiale (osadniku) umieszczonym pomiędzy elektrodami. Wykorzystane w tej technologii prawo fizyki działa tak samo na wszystkie rodzaje zanieczyszczeń, poza wodą, bez względu na ich rodzaj i wielkość (Rys. 3).

Technologia elektrostatycznego oczyszczania olejów przemysłowych (ELC) stosowana jest w praktyce przemysłowej od ponad czterdziestu lat, w Polsce od końca lat dziewięćdziesiątych, dlatego są już znane efekty skutków jej zastosowania w wieloletnim okresie.

Analizy laboratoryjne olejów hydraulicznych obejmujące wymieniony na wstępie artykułu zakres badań wskazują, że tam, gdzie zastosowano elektrostatyczne oczyszczanie olejów, nawet po okresie ponad dwudziestu lat intensywnej eksploatacji (przemysł ciężki, system IV zmianowy) wszystkie badane parametry oleju w układzie hydraulicznym w żadnym zakresie nie odbiegają od parametrów nowego/świeżego oleju.

Potwierdza to tezę, że przydatność eksploatacyjna oleju przemysłowego poddanego elektrostatycznemu oczyszczaniu może być równa okresowi żywotności maszyny, do której został zalany podczas pierwszego uruchomienia. Bardzo ważne jest to, że olej nie tylko utrzymuje wysoki poziom czystości, ale również zachowuje pierwotne właściwości chemiczne, a więc jego skład, również w zakresie obecności dodatków uszlachetniających pozostaje niezmienny. Sama technologia, będąc obojętną w działaniu na dodatki uszlachetniające rozpuszczone w bazie olejowej, które nie są odrębnymi cząstkami, w procesie ELC nie usuwa ich z olejów.

Drugą przyczyną zachowania stabilnej zawartości dodatków uszlachetniających jest fakt, że usuwanie na bieżąco wszelkich zanieczyszczeń skutkuje tym, że dodatki uszlachetniające nie są zaangażowane w reakcje z nimi, więc nie ulegają zużyciu.

Oczywiście bez względu na zastosowaną technologię oczyszczania olejów przebiegają w nich procesy degradacji, inaczej termoutleniania, których produktem są laki/varnish – główny faktor tworzenia się osadów. Jest to kolejny czynnik wyróżniający technologię ELC – one również są usuwane z olejów. Jedynym ograniczeniem technologii elektrostatycznego oczyszczania olejów przemysłowych jest określona tolerancja na obecność większych ilości wody w oleju. Woda w oleju obniża jego parametry izolacyjne. Urządzenia ELC nie mogą działać, jeżeli zawartość wody przekracza 1000 ppm. Jest to 5-cio krotność poziomu określanego jako krytyczny dla olejów hydraulicznych. Jeżeli zawartość wody jest niższa, to urządzenia wykorzystujące technologię ELC usuwają ją z olejów przemysłowych nawet do poziomu 5–10 ppm (do uzyskania w olejach elektroizolacyjnych ze względu na konstrukcję zbiornika).

Podsumowanie:

Wyniki analiz laboratoryjnych olejów hydraulicznych wykonanych w ramach monitoringu stanu olejów i maszyn pracujących na całym świecie, w tym również w Polsce wskazują, że najskuteczniejszą metodą utrzymywania przydatności eksploatacyjnej olejów hydraulicznych jest technologia elektrostatycznego oczyszczania. Efektem jej stosowania jest nie tylko nieograniczona czasowo przydatność eksploatacyjna olejów, przez co rozumie się, że wszystkie parametry pracującego oleju są na takim samym poziomie, jak parametry nowego/świeżego oleju, wykres spektrum w podczerwieni pokrywa się z wykresem właściwym dla oleju w opakowaniu producenta, co potwierdza m.in. brak w oleju produktów utleniania oraz stabilny poziom dodatków uszlachetniających. Dzięki eliminacji zjawiska tworzenia się osadów wewnątrz układów olejowych, następuje znacząca poprawa jakości pracy i dostępności produkcyjnej maszyn. W praktyce w/w przekłada się na konkretne korzyści w postaci eliminacji procesu wymiany olejów na nowe. Koszty zakupu olejów zostają prawie całkowicie wyeliminowane, a brak postojów maszyn konieczny przy ich wymianie podnosi wydajność produkcyjną. Należy też zwrócić uwagę na niezwykle istotny czynnik natury proekologicznej: wyeliminowanie powstawania odpadu niebezpiecznego w postaci zużytych olejów.