Olej mineralny czy syntetyczny?

Po wejściu Polski do strefy kapitalizmu pojawiło się w naszym kraju wiele nowoczesnych technologii. Dotyczy to także środków smarnych. Niegdysiejszy Towot lub popularny smar ŁT4 zastąpiły środki smarne z wyrafinowanymi domieszkami, a „oliwa maszynowa” to dziś gama olejów budowana często w oparciu o nanotechnologię. Jak zatem poruszać się w coraz to większej liczbie różnorodnych środków smarnych?

Środki smarowe znajdują zastosowanie w wielu miejscach w zakładzie przemysłowym. Służą nie tylko do smarowania łożysk i przekładni. Dlatego producenci oferują pełną gamę produktów wytwarzanych pod kątem określonych zastosowań – zarówno jeśli chodzi o miejsce pracy, jak i warunki środowiskowe. Ma to niebagatelne znaczenie dla niezawodności, długości czasu pracy podzespołów, a także wpływa na zużycie energii (służącej przede wszystkim do zasilania maszyn wirujących). Warto zatem wiedzieć, jakie środki smarowe zastosować w konkretnej aplikacji. Ułatwi to późniejszy dobór i poruszanie się po katalogach produktów.

Podstawowe podziały środków smarnych

Środki smarne można klasyfikować według różnych kryteriów. Najprostszym i jednocześnie najbardziej naturalnym jest podział związany ze sposobem ich produkcji. Można więc wyróżnić smary i oleje mineralne, syntetyczne oraz półsyntetyczne. O zaletach i wadach tak sklasyfikowanych środków smarnych możecie Państwo przeczytać w dyskusji na ten temat zamieszczonej w niniejszym dodatku.

Kolejnym kryterium może być przeznaczenie środków smarnych, praca w określonej temperaturze, lepkość, zawartość domieszek, itp. W zasadzie nie ma jednolitej i jedynej klasyfikacji – takie próby były i są czynione, ale na razie nie powstał jeden dokument opisujący i klasyfikujący smary i oleje. Być może przyczyną jest szybki postęp technologiczny i trudne do przewidzenia nowe produkty, które będą wprowadzane na rynek w niedalekiej przyszłości.

Próby klasyfikacji podejmowały przede wszystkim organizacje amerykańskie takie jak ASTM (American Society for Testing and Materials), SAE (Society of Automotive Engineers), API (American Petroleum Institute), NLGI (National Lubricating Grease Institute) oraz DIN (Deutsches Institut für Normung), a rezultaty działań tych organizacji ujednoliciła częściowo Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO – International Organization for Standardization) w formie normy ISO 8681 obejmującej produkty naftowe i pokrewne. Uszczegółowieniem tej normy jest klasyfikacja jakościowa przemysłowych środków smarnych zawarta w normie ISO 6743.

I tak norma ISO 8681 dzieli produkty naftowe na 5 klas według zastosowania, przedstawionych w tabeli 1.

Środki smarne dla przemysłu mieszczą się w klasie L. Tę klasę podzielono na grupy według zastosowania. Stworzono w ten sposób 18 grup środków smarnych różniących się pewnymi własnościami, charakterystycznymi właśnie dla specyficznych aplikacji. Zestawiono je w tabeli 2.

Producenci czasami stosują podział środków smarnych nieco różniący się od podanej klasyfikacji w tabeli 2. Wynika to zarówno z ich specyficznej oferty (specjalizacji) jak i powstawania nowych podgrup wobec nieustającego postępu technicznego. Przykłady oferty kilku znanych producentów zawierają tablice 3, 4 i 5.

Rodzaje środków smarnych

Jak widać istnieje wiele rodzajów środków smarnych, bez względu na rodzaj klasyfikacji. Czasem są to produkty podobne, jednakże w większości przypadków różnią się one istotnie, głównie lepkością i zawartością dodatków. Czym zatem charakteryzują się poszczególne środki smarne?

Oleje do form ceramicznych. Są to oleje stosowane w przemyśle ceramicznym przy produkcji wyrobów kamionkowych, porcelitowych oraz porcelany elektrotechnicznej jako składnik masy. Używa się ich także przy formowaniu tworzyw sztucznych oraz gumy. Dzięki aktywnym funkcjom oleju uzyskuje się łatwość oddzielenia formy od wyrobu przy zachowaniu niskiej jej porowatości i wysokiej gładkości. Oleje takie produkowane są z zastosowaniem głęboko rafinowanego oleju mineralnego oraz odpowiedniej frakcji naftowej, wzbogaconych odpowiednio dobranym zestawem dodatków uszlachetniających, w tym aktywnymi składnikami chroniącymi powierzchnię przed korozją. Oleje do form są olejami antyadhezyjnymi, a więc zapobiegają przywieraniu i przyklejaniu się formowanego materiału do formy.

Oleje do hartowania. Oleje takie wytwarzane są na bazie wysokorafinowanych olejów pochodzenia naftowego i zestawu dodatków zapewniających zwiększoną szybkość chłodzenia oleju oraz zapobiegających powstawania laków i osadów na powierzchniach hartowanych elementów żeliwnych i stalowych. Skład olejów hartowniczych zapewnia dobrą obróbkę cieplną elementów z żeliwa i stali oraz wysoką czystość powierzchni hartowanych elementów. Oleje te przeznaczone są do obróbki cieplnej elementów z żeliwa i stali, szczególnie w zamkniętych piecach hartowniczych z kontrolowaną atmosferą, dla których wymagana jest wysoka czystość powierzchni hartowanych elementów oraz do obróbki cieplnej elementów z żeliwa i stali, dla których dopuszcza się małe deformacje geometryczne przy wymaganej odpowiedniej szybkości chłodzenia.

Oleje do obróbki plastycznej. Są to oleje produkowana na bazie lekkich frakcji naftowych, siarkowanego oleju mineralnego oraz dodatków o działaniu przeciwutleniającym, przeciwkorozyjnym i polepszającym własności smarne (podwyższające wytrzymałość filmu olejowego). Dodatki ułatwiają także mycie elementów po tłoczeniu. Oleje takie stosuje się jako ciecz chłodząco-smarującą w procesie kucia na zimno (np. tłoczenia blach stalowych). Charakteryzuje się dobrą odparowalnością, bardzo dobrą zwilżalnością i penetracją powierzchni blachy, przez co zapewnia odpowiednie pokrycie jej powierzchni, bardzo dobrymi własnościami smarnymi – zastosowane dodatki zapobiegają uszkodzeniom warstwy lakieru na powierzchni blachy po procesie tłoczenia, nie powodują odbarwień warstwy lakierniczej, zmniejszają zużycie narzędzi (dzięki temu wydłużają czas ich użytkowania), zmniejszają współczynników tarcia oraz zapewniają ochronę przeciwkorozyjną.

PrPN – Projekt Polskiej Normy Źródło: Nafta-Gaz lipiec 2012/Total

Oleje do stacjonarnych silników gazowych. Są to tzw. niskopopiołowe oleje silnikowe przeznaczone do smarowania stacjonarnych wysokoobciążonych silników zasilanych gazem ziemnym i innymi podobnymi paliwami bogatymi w metan, takimi jak gaz wysypiskowy, kopalniany oraz biogaz, wolnossących i turbodoładowanych (np. silników firm Waukesha, Caterpilar, Jenbacher, Guascor, MAN, Deutz). Zawierają selektywnie rafinowane, odparafinowane rozpuszczalnikowo i hydrorafinowane destylaty olejowe uzyskiwane z ropy naftowej oraz pakiet dodatków uszlachetniających o działaniu przeciwutleniającym, przeciwkorozyjnym, poprawiającym własności myjąco-dyspergujące, własności smarne oraz zapobiegające tworzeniu osadów. Oleje takie charakteryzują się następującymi właściwościami: zmniejszają zużycie elementów silnika, zapobiegają powstawaniu osadów i nagarów, zapobiegają zakleszczaniu się pierścieni tłokowych, umożliwiają łatwy rozruch w niskich temperaturach, zmniejszają ilości dolewek eksploatacyjnych, spełniają wymogi związane z emisją szkodliwych składników spalin do atmosfery. Ponadto mają doskonałą stabilność termiczną, odporność na utlenianie i nitrowanie, bardzo dobrze chronią przed zużyciem i powstawaniem osadów, mają bardzo dobrą odporność na pienienie i doskonałe właściwości przeciwkorozyjne.

Oleje emulgujące do obróbki metali. Oleje takie stosowane są jako ciecze chłodząco-smarujące przy obróbce skrawaniem stali, żeliwa, metali nieżelaznych oraz ich stopów. Są także stosowane w procesach ciągnienia drutów aluminiowych, cięcia wlewków, itp. Produkowane są na bazie wysokorafinowanych olejów mineralnych lub mieszaniny olejów syntetycznych oraz specjalnie dobranego pakietu dodatków uszlachetniających zawierającego w swoim składzie między innymi emulgatory, dodatki konserwujące oraz inhibitory korozji. Zawierają ponadto konserwanty przeciwbakteryjne i przeciwgrzybicze.

Oleje nieemulgujące do obróbki metali. Oleje te są wytwarzane na bazie głęboko rafinowanego oleju mineralnego uszlachetnianego dodatkami o działaniu przeciwkorozyjnym, antyutleniającym oraz dodatkami poprawiającymi własności smarne i odporność na pienienie. Stosowane są np. do wygładzania, lekkiej i średniej obróbki skrawaniem metali (np. frezowania, toczenia, gwintowania, szlifowania). Poprawiają one smarność, odbiór ciepła, przeciwdziałają tworzeniu się mgły olejowej i korozji elementów stalowych, mają wysoką odporność na pienienie.

Tabela 3. Oferta środków smarnych dla przemysłu – Lotos Oil

Oleje i ciecze hydrauliczne. Oleje hydrauliczne są medium nieściśliwym, dzięki temu można je sprężyć do ogromnego ciśnienia i uzyskać bardzo dużą siłę w małym napędzie. Jednocześnie olej smaruje elementy metalowe, co zmniejsza ich zużycie, odprowadza ciepło, uszczelnia układ, chroni przed korozją, zabezpiecza przed szkodliwym działaniem wody i powietrza. Najpopularniejsze w hydraulice są oleje mineralne, jednak czasami wykorzystuje się oleje syntetyczne. Przykładem zastosowań olejów hydraulicznych są siłowniki hydrauliczne, olejowe amortyzatory, układy hamulcowe, sprzęgła i przekładnie hydrokinetyczne. Oleje hydrauliczne produkowane są w różnych klasach lepkości.

Tabela 4. Oferta środków smarnych dla przemysłu – Shell

Oleje konserwacyjne. Są przeznaczone są do konserwacji i tłoczenia, zaleca się ich stosowanie do ochrony czasowej w warunkach wzmożonej wilgotności. Zapobiegają korozji powierzchni metalowych jak i powierzchni po obróbce chemicznej lub pokrytych powłoką galwaniczną. Produkowane są na bazie głęboko rafinowanego oleju mineralnego lub ogólniej – destylatu naftowego i dodatków poprawiających własności przeciwkorozyjne, smarne, przyczepnościowe oraz antyutleniające. Zalecane są szczególnie do ochrony czasowej w warunkach zmiennej i wysokiej wilgotności do ochrony międzyoperacyjnej w procesach obróbki, np. aluminium, stali lub stopów.

Oleje maszynowe. Oleje maszynowe stosowane są głównie do smarowania obciążonych elementów roboczych maszyn i urządzeń przemysłowych, takich jak np. łożyska, prowadnice, przekładnie itp. Specjalnie dobrane dodatki olejów maszynowych powodują, że stosowane są również do smarowania przelotowego i kąpielowego szybkoobrotowych elementów maszyn włókienniczych, obrabiarek, do smarowania łożysk maszyn parowych taboru pływającego oraz łożysk narażonych na zetknięcie z wodą, z którą tworzą emulsje smarujące. Zawierają dodatki polepszające własności smarne, lepkościowo-temperaturowe, dodatki poprawiające odporność na pienienie oraz inhibitory korozji i utleniania.

Oleje przekładniowe. Przeznaczone są dla przemysłowych przekładni i maszyn pracujących w różnych warunkach, w tym skrajnie trudnych. Otrzymywane są z olejów bazowych mineralnych lub syntetycznych. Zawierają bezpopiołowe dodatki poprawiające własności smarne, przeciwkorozyjne (np. typu siarka-fosfor), podwyższające odporność na utlenianie oraz dodatki o działaniu przeciwpiennym i deemulgującym. Zapewniają optymalną ochronę powierzchni smarowanych elementów, stabilność hydrolityczną, zabezpieczenie przed zużyciem i długą trwałość części układów smarowanych. Chronią poszczególne części przekładni, tj. koła zębate, łożyska toczne i ślizgowe przed nadmiernym zużyciem mechanicznym w trakcie normalnej eksploatacji, jak i w przypadku wystąpienia obciążeń udarowych, zabezpieczają przed korozją elementy konstrukcyjne przekładni wykonane ze stali i metali nieżelaznych przed chemicznym oddziaływaniem aktywnych składników oleju oraz produktów jego utleniania, dzięki wysokiej stabilności termooksydacyjnej umożliwiają długotrwałą pracę w podwyższonych temperaturach bez utraty swoich właściwości. Zastosowane dodatki przeciwpienne oraz deemulgujące przeciwdziałają obniżeniu własności smarnych oleju wskutek tworzenia się trwałej piany oraz emulsji olejowo-wodnej.

Tabela 5. Oferta środków smarnych dla przemysłu – Orlen Oil

Oleje sprężarkowe. Oleje sprężarkowe to gama olejów stosowanych w różnego rodzaju sprężarkach. Należy pamiętać, że inne oleje stosuje się do sprężarek powietrza, inne – do sprężarek innych gazów lub chłodniczych. Różne oleje będą stosowane do sprężarek tłokowych, a inne – do śrubowych. Generalnie są to oleje mineralne lub syntetyczne z odpowiednimi dodatkami przeciwutleniającymi i antykorozyjnymi. Oleje takie zapewniają optymalną ochronę powierzchni smarowanych elementów, mają bardzo dobre własności smarne oraz zabezpieczają przed zużyciem i zapewniają wydłużenie trwałości części elementów układów smarowanych. W niektórych rodzajach sprężarek ważna jest funkcja odporności na tworzenie emulsji oraz możliwość uszczelniania. W sprężarkach tłokowych istotne są własności detergujące i dyspersujące, a także brak powstawania nagarów i osadów na zaworach i pierścieniach. Ponadto niska skłonność do koksowania minimalizuje ryzyko zapłonu oleju.

Oleje turbinowe. Oleje turbinowe wykorzystywane są do smarowania i chłodzenia łożysk turbin parowych, gazowych i wodnych. Dlatego mają podwyższoną stabilność termooksydacyjną. Otrzymywane są np. z wysokiej jakości, selekcjonowanych, specjalnie hydrorafinowanych mineralnych olejów bazowych. Powinny zapewniać bardzo dobrą filtrowalność nawet w układach zanieczyszczonych niewielkimi ilościami wody. Charakteryzują się wysoką zdolnością do wydzielania powietrza, bardzo wysoką odpornością na utlenianie, wysoką odpornością na tworzenie szlamów i osadów, bardzo dobrą filtrowalnością, bardzo dobrymi własnościami antykorozyjnymi i antyrdzewnymi, bardzo dobrymi własnościami przeciwzużyciowymi, bardzo dobrą odpornością na emulgowanie i pienienie.

Smary bentonitowe. Bentonity są to minerały o konsystencji miękkiej i tłustej w dotyku. Wykazują one właściwość tworzenia, w obecności niektórych substancji o charakterze polarnym (aceton), plastycznego i trwałego żelu. Smary zawierające jako zagęszczacze bentonity są przeznaczone przede wszystkim do smarowania urządzeń wówczas, gdy zbyt wysokie temperatury pracy uniemożliwiają zastosowanie smarów klasycznych (na przykład: smarów litowych). Z reguły temperatura pracy przekracza 100°C, a może dochodzić nawet do powyżej 200°C. Smar taki ma wysoką przyczepność do powierzchni metalowych, dzięki czemu znakomicie sprawdza się w warunkach dużego zapylenia, wysokich obciążeń udarowych, ruchów oscylacyjnych, dużej wilgotności lub obecności wody.

Smary biodegradowalne. Stosuje się wszędzie tam, gdzie istnieje potencjalne niebezpieczeństwo skażenia środowiska (np.: ujęcia wodne, tereny leśne). Są to smary do różnych zastosowań (także z grup wymienionych obok), ale o specyficznym składzie – bez dodatków toksycznych. Smar taki ulega degradacji w środowisku naturalnym. Smary biodegradowalne produkowane są na bazie mieszaniny syntetycznego oleju estrowego i oleju roślinnego, zagęszczacza wapniowego (mydła wapniowego) oraz dodatków uszlachetniających. Smary te zawierają dodatki antyutleniające poprawiające odporność na wodę oraz korozję.

Smary glinowe. Jako zagęszczacz smarów glinowych powszechnie jest stosowany stearynian glinu. Tego typu smary są używane w połączeniach przegubowych, łożyskach ślizgowych, otwartych przekładniach zębatych, nawet w środowisku wilgotnym. Smary takie cechuje bardzo dobra przyczepność, dobra odporność na działanie wody, słaba odporność na wysokie i niskie temperatury. Natomiast tzw. kompleksowe smary glinowe zawierające mydła glinowe o dobrych właściwościach żelujących (otrzymuje się je w wyniku kokrystalizacji cząsteczek benzoesanu lub stearynianu glinowego) cechują się znacznie podwyższoną odpornością termiczną – nawet do 240°C.

Smary litowe. Jest to dominującą grupa smarów na światowym rynku. Ponad połowa smarów plastycznych należy do tej grupy. Dwa głównie stosowane zagęszczacze tego typu to: 12-hydroksystearynian litu oraz stearynian litu. Smary te są często określane jako uniwersalne, ponieważ znajdują bardzo szerokie zastosowanie w różnych skojarzeniach trących: łożyskach tocznych, łożyskach ślizgowych, w sworzniach i innych obciążonych elementach, zarówno w środkach transportu jak i w urządzeniach przemysłowych, w szerokim zakresie temperatury pracy. Smary takie skomponowane są na bazie wysokorafinowanego oleju mineralnego, mydeł litowych kwasów tłuszczowych oraz dodatków uszlachetniających. Przeznaczone do smarowania łożysk tocznych i ślizgowych wszelkich maszyn w normalnych warunkach pracy. Podobnie jak w przypadku smarów glinowych także w tej grupie występują tzw. kompleksowe smary litowe. Kompleksowe mydła litowe pozwalają na podwyższenie temperatury użytkowania w stosunku do zwykłych smarów litowych, przy jednoczesnym zachowaniu innych korzystnych właściwości. Temperatura kroplenia tego typu smarów, wynosi około 280°C, zamiast 190°C, jak w przypadku zwykłych smarów litowych. Podobnie jak zwykłe smary litowe, mają one szerokie zastosowanie do smarowania skojarzeń trących w pojazdach samochodowych i w różnych urządzeniach przemysłowych.

Smary wapniowe. Do wytwarzania tych smarów są stosowane dwa rodzaje mydeł wapniowych: mydła uwodnione: stearyniany, oleiniany i palmityniany wapnia oraz kompleksowe mydła bezwodne, 12-hydroksystearynian wapnia. Te ostatnie pozwalają na otrzymywanie smarów o wyższej temperaturze kroplenia: 140°C zamiast 100°C, jak w przypadku mydeł uwodnionych. Podstawowe zastosowanie smarów wapniowych to smarowanie łożysk ślizgowych i tocznych, pracujących pod małym obciążeniem, maksymalnie do temperatury 65°C w przypadku smarów zawierających mydła uwodnione i 100°C dla smarów zawierających mydła bezwodne, w środowisku bardzo wilgotnym, w połączeniach przegubowych i w styczności z powłokami antykorozyjnymi. Kompleksowe smary wapniowe to smary z kompleksowym zagęszczaczem wapniowym – mają bardzo wysoką temperaturę kroplenia (około 280°C) oraz dobre właściwości EP. Z tych względów, smary te znajdują bardzo szerokie zastosowanie: w przemyśle metalurgicznym, cementowniach, fabrykach papieru, lotnictwie, do smarowania łożysk tocznych, łożysk ślizgowych pracujących w ciężkich warunkach (duże obciążenie, wysoka temperatura i kontakt z wilgocią).

Smary na bazie sulfonianu wapnia. Są to smary zawierające zasadowe sulfoniany wapnia. Odznaczają się wybitnie wysoką jakością w zakresie zdolności do przenoszenia bardzo dużych obciążeń, właściwości przeciwzużyciowych, odporności na działanie wody, stabilności mechanicznej, odporności na duże prędkości ścinania, stabilności termicznej i termooksydacyjnej, właściwości w niskich temperaturach, własności antykorozyjnych i ochronnych. Są to smary w pełnym tego słowa znaczeniu wielofunkcyjne do zastosowań przy niskich i średnich prędkościach obrotowych.

Ponadto na rynku dostępne są smary węglowodorowe (zawierają zagęszczacz w postaci stałych węglowodorów: parafiny, cerezyny, gaczy parafinowych lub petrolatum, mogą również zawierać polimery), poliuretanowe (polimerowe), krzemionkowe, sodowe, itd. Ich nazwy biorą się od zastosowanych zagęszczaczy lub dodatków uszlachetniających.

W artykule wykorzystano informacje firm Total, Lotos Oil, Orlen Oil, Shell, Fuchs Oil.

Badanie i oczyszczanie olejów

Prowadzenie regularnej kontroli stanu olejów przemysłowych gwarantuje niezawodność pracy maszyn i urządzeń oraz zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych. W przypadku pojawienia się zanieczyszczeń w oleju stosuje się różnego rodzaju technologie filtracji i oczyszczania.

Środki smarowe, w tym także oleje, pełnią w urządzeniach i maszynach wiele ważnych funkcji. Podstawową i niezwykle ważną jest zmniejszenie tarcia i zużycia. Równie istotna jest ochrona przed korozją, odprowadzanie ciepła i przenoszenie ciśnień w wypadku urządzeń ciśnieniowych. Każdy środek smarowy ulega starzeniu, głównie w wyniku utleniania. Czynnikami sprzyjającymi temu procesowi są: temperatura, obecność wody i metalicznych katalizatorów, czyli metali pochodzących ze zużycia. W konsekwencji dochodzi do powstawania szlamów, nagarów i laków. Jak podają źródła naukowe, uszkodzenia i przedwczesne zużycia elementów spowodowane zanieczyszczeniami stanowią około 80% wszystkich awarii w układach hydraulicznych. Dlatego tak ważna jest analiza, której poddawane są nie tylko zmiany właściwości oleju wynikające z procesów starzenia, ale także obecność zanieczyszczeń dostających się do niego, głównie na skutek procesów zużyciowych.

Jak podkreśla Sobiesław Chanek, specjalista ds. Serwisu Olejowego z firmy Orlen Oil, sukcesywnie prowadzone analizy oleju pozwalają na ocenę jego stanu pod kątem stopnia degradacji, zmian własności użytkowych oraz obecności zanieczyszczeń pochodzących z procesów zużyciowych oraz z otoczenia pracy maszyny. Analizy olejowe dostarczają informacji o stanie maszyny i umożliwiają wczesne wykrycie zużytych podzespołów oraz części, przez co można skutecznie zapobiegać mogącym wystąpić awariom.

Najczęściej monitorowaniu podlegają oleje pracujące w układach hydraulicznych (np. prasy hydrauliczne, wtryskarki, ciężkie maszyny budowlane), turbinowych (układy smarowania łożysk, układy pomocnicze i regulacyjne), wysokoobciążonych przekładni przemysłowych, wanien hartowniczych, systemów grzewczych, a także silników spalinowych pojazdów.

Zakres badania

W zależności od rodzaju oleju, jego warunków pracy oraz częstotliwości kontroli ustalane są odpowiednie parametry fizykochemiczne podlegające badaniom. W przypadku olejów hydraulicznych najważniejszymi z nich są: lepkość kinematyczna, zawartość wody, liczba kwasowa i zasadowa, zawartość pierwiastków zużyciowych oraz klasa czystości.

Innymi dodatkowymi badaniami służącymi do oceny stanu oleju są np.: charakterystyka pienienia (odporność na pienienie), temperatura płynięcia oraz temperatura zapłonu w tyglu zamkniętym – informująca o zagrożeniach pożarowych oraz o występowaniu w oleju zanieczyszczeń w postaci lekkich frakcji, takich jak np. paliwo, rozpuszczalniki, oleje silnikowe.

Każdy typ urządzeń według danych producentów i ogólnych charakterystyk olejów ma określone wymagania dopuszczalnych zmian wyżej wymienionych parametrów. Dzięki temu można w miarę szybko ocenić i zinterpretować wyniki dokonanych pomiarów.

– Zakres badań ustalany jest w zależności od indywidualnych wymagań i warunków pracy oraz częstotliwości. Ruchowe analizy kontrolne mogą być wykonywane u użytkownika, a badania specjalistyczne w odpowiednich jednostkach badawczych – wyjaśnia Sobiesław Chanek

Oczywiście na badania laboratoryjne niezbędny jest czas zarówno na pobranie prób, jak i przeprowadzenie analiz pobranych próbek i przedstawienie użytkownikowi wiążących interpretacji wyników. Często wykorzystywane są badania miernikami automatycznymi. To o tyle istotne, że dla niektórych parametrów pozwalają one na przeprowadzenie pomiarów nawet bez pobrania próbek z miejsca eksploatacji – z układu. To doskonałe narzędzia do szybkiej diagnostyki na miejscu eksploatacji.

Lepkość

Lepkość jest bardzo ważną wielkością fizyczną charakterystyczną dla oleju, ponieważ dostarcza informacji o zdolności smarowniczej i cieplnej.

Zdaniem eksperta z firmy Orlen Oil lepkość kinematyczna w temperaturze 40°C jest podstawowym parametrem określającym właściwości reologiczne olejów smarowych. Wskutek działania wyższych temperatur, w miarę upływu czasu, olej podlega degradacji, a jego lepkość wzrasta. Monitorowanie lepkości oleju często jest dobrym wskaźnikiem i może być pomocne do określenia, czy olej trzeba wymienić. Lepkość cieczy hydraulicznej powinna spełniać wymagania zalecane przez producentów układów hydraulicznych. W celu zbadania lepkości oleju stosuje się wiskozymetry (lepkościomierze) – manualne bądź automatyczne.

Zawartość wody

Jeśli chodzi o zawartość wody, to – po zanieczyszczeniach stałych – jest to drugie najbardziej destrukcyjne zanieczyszczenie w oleju. W większych ilościach może prowadzić do zerwania filmu olejowego, powstawania emulsji, uczestniczyć w powstawaniu kwasów działających korozyjnie na metale i przyśpieszających utlenianie oleju. Co istotne, wolnej wody, jako odrębnej fazy, nie powinien zawierać olej hydrauliczny. Analiza zawartości wody może być wykonywana m.in. metodą spektroskopii w podczerwieni lub kulometryczna metoda Karla Fischera.

Całkowita liczba kwasowa i zasadowa

Podczas analizy oleju należy uwzględnić też całkowitą liczbę kwasową (Total Acid Number – TAN) i całkowitą liczbę zasadową (Total Base Number – TBN).

Liczba kwasowa określa zawartość organicznych kwasów, które powstają jako produkty utleniania wskutek działania ciepła (TAN) lub pochodzą z dodatków w pracującym oleju (TBN). W miarę upływu czasu pracy w układzie następuje zwiększenie lub zmniejszenie liczby kwasowej. Znaczny wzrost liczby kwasowej może być powodem korozji elementów układu. W takim przypadku olej powinien zostać wymieniony.

Natomiast liczba zasadowa jest parametrem charakteryzującym zdolności myjąco-dyspergujące oleju i służy do oceny zawartości czynnych dodatków alkalicznych w ulepszanych olejach smarowych.

Zawartość pierwiastków zużyciowych

Dodatkowo ważnym elementem jest monitorowanie zawartości pierwiastków zużyciowych, pochodzących z zanieczyszczeń i dodatków.

Metaliczne cząstki w oleju, generowane przez procesy zużycia, mogą zawierać informację o stanie poszczególnych elementów maszyn. Analizę metali pochodzących z procesów zużycia można wykonać przy zastosowaniu optycznych technik emisyjnych.

Z kolei monitorowanie zawartości pierwiastków znajdujących się w dodatkach, dla danej formuły produktu, może być wskaźnikiem, kiedy pakiet dodatków się wyczerpie lub czy nastąpiło zanieczyszczenie innym olejem lub inną substancją.

Jeśli chodzi o stężenia dodatków, to – jak podkreśla Marek Dębiński, Kierownik Działu Serwisu Olejowego w Grupie LOTOS – są one nośnikiem ważnych informacji. W przypadku spadku takich pierwiastków, jak: Ca, Zn, P, S , Mo, dochodzi do wyczerpywania się właściwości oleju. Z kolei obecność pierwiastków Si, Na oraz K informuje o zanieczyszczeniu (m.in. pyłem i płynem chłodzącym), zaś pierwiastki: Fe, Al, Cu, Pb, Sn, Cr informują o zużyciu powierzchni w przypadku zmian – przyrostu stężeń. Warto dodać,że pomiar stężenia Fe-zużyciowego jest istotny w kontekście występowania emiterów silnego tarcia powierzchni stalowych. Do pomiaru masowej zawartości metali żelaznych w oleju można zastosować czułą metodę ferromagnetyczną.

Klasa czystości

Klasa czystości to kod liczbowy określający stopień czystości cieczy roboczej według obowiązujących norm. Klasa czystości odwzorowuje ilość cząstek zanieczyszczeń o określonych rozmiarach znajdujących się w zadanej objętości cieczy roboczej. Do najczęściej stosowanych norm do kodowania klasy czystości cieczy roboczych należą NAS 1638 oraz ISO 4406.

– Określenie klasy czystości olejów wykonuje się laserowym miernikiem cząstek stałych, kalibrowanym według standardów ISO oraz NAS lub metodą mikroskopową z użyciem specjalistycznego programu komputerowego – tłumaczy Sobiesław Chanek.

Pobór próbki

– Pobór próbek olejowych do badań laboratoryjnych odbywa się za pomocą próbników probierczych poprzez sondę do butli szklanych (laboratoryjna czystość) lub z polietylenu. W niektórych układach zamontowane są specjalne króćce pobiercze do poboru próbek – informuje Sobiesław Chanek.

Przy poborze próbki należy zadbać o to, żeby czynność ta została przeprowadzona w sposób prawidłowy. Bardzo ważne jest ustalenie odpowiednich miejsc poboru próbek, tak aby próbka była reprezentatywna dla całego układu. Próbki powinny być pobierane w miejscu o przepływie burzliwym (np. kolana), tylko z aktywnych stref obiegu olejowego, na kolektorach spływowych oraz podczas pracy maszyny w stanie ustalonym. Należy pamiętać o tym, żeby nie pobierać próbek z martwych lub zaślepionych rurociągów, za filtrami, z miejsc o przepływie laminarnym oraz z „zimnej” maszyny.

Analiza spektrometryczna

Istnieje wiele technik analitycznych stosowanych w celu monitorowania stanu oleju. Jedną z nich jest stosowana od ponad 40 lat analiza spektrometryczna. Pozwala ona na uzyskanie informacji o zawartości w oleju pierwiastków śladowych, innych zanieczyszczeń oraz dodatków.

Najbardziej popularna jest spektrometria emisyjna, oparta na analizie przeprowadzanej za pomocą spektrometrów z obrotową elektrodą dyskową (RDE – Rotating Disk Emission). Spektrometry te są łatwe w obsłudze, czułe na większe cząstki, wolne od konieczności rozcieńczania prób i nie wymaga gazu ani wody chłodzącej. Pełną analizę około 20 pierwiastków wykonuje w niecałą minutę.

Z kolei analiza spektrometryczna w podczerwieni FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) oparta jest na rejestracji i analizie widm oscylacyjnych badanych substancji. Dzięki spektrometrom FT-IR można uzyskać dane o utlenieniu, nitracji, zasiarczeniu, zapyleniu, rozcieńczeniu paliwem, ilości wody i glikolu, a także – w niektórych wypadkach – wyczerpaniu dodatków w zużytych olejach smarowniczych. Ze względu na szybkość i wyznaczanie trendu technika ta stała się standardową techniką w laboratoriach analizujących dużą ilość prób zużytych olejów.

Szeroko stosowaną w laboratoriach badawczych i przemysłowych jest także ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer) – optyczna spektrometria emisyjna ze wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej. To szybka metoda analizy wielu pierwiastków w roztworach wodnych i organicznych. Charakteryzuje ją możliwość równoczesnego oznaczania wielu pierwiastków, w dużym zakresie stężeń i stosunkowo krótkim czasie.

Kalorymetria

Warto wspomnieć też o badaniu olejów metodą kolorymetrii, która została opisana we wdrożonej w obiegłym roku normie ASTM D7843. Metoda ta pozwala określić stanu oleju w dużo szerszym stopniu niż dotychczas stosowane klasy czystości ISO 4406 czy NAS1638, gdyż nie tylko uwzględnia obecność w olejach cząstek o wielkościach <0,5 µm, ale także bieże pod uwagę stopień ich zużycia. Jak wyjaśnia Janusz Toman, konsultant techniczny w firmie EKSPERT, kolorymetr MPC (Membrane Patch Colorimetry) to poręczny przyrząd pomiarowy, który może oceniać wyniki testów membranowych olejów poprzez pomiar zabarwienia, na dowolnym stanowisku pracy lub w laboratorium. Kolorymetr ocenia widzialną część spektrum i jest optymalnie przystosowany do testów MPC. Zaletą tego pomiaru jest bardzo duża dokładność i powtarzalność przy zerowych kosztach operacyjnych. Jest także przydatny do przeprowadzenia ocen wcześniej przeprowadzonych testów membranowych.

Technologie oczyszczania olejów przemysłowych

Aby zminimalizować ryzyko awarii, czy tylko nieprawidłowości w pracy maszyn spowodowanych zanieczyszczeniami w olejach, stosuje się różnego rodzaju technologie filtracji i oczyszczania olejów w celu usunięcia tychże zanieczyszczeń.

Zasadniczo spotykamy się z ośmioma podstawowymi technologiami oczyszczania olejów przemysłowych, które stosowane są również w różnych wariantach i wzajemnych kombinacjach.

Różne rodzaje filtrów mechanicznych

Filtry mechaniczne są najstarszą znaną technologią oczyszczania wszelkiego rodzaju cieczy, w tym również olejów przemysłowych. Zasada działania polega na tym, iż olej przepływając przez materiał filtrujący, pozostawia na nim cząstki zanieczyszczeń, które są większe niż otwory w materiale filtrującym.

Wyróżnia się trzy podstawowe rodzaje filtrów mechanicznych:

• filtry świecowe – są stosowane w prawie wszystkich układach olejowych. Producenci maszyn niejako z zasady instalują je w układach obiegu olejów. Ich zadaniem jest wychwytywanie na bieżąco większych cząstek zanieczyszczeń. Są skuteczne w usuwaniu z olejów zanieczyszczań tylko w postaci cząstek stałych. Ich skuteczność maleje w miarę zmniejszania się wielkości cząstek. W odniesieniu do zanieczyszczeń o wielkości <5 µm ich skuteczność jest znikoma;
• filtry workowe – najczęściej są instalowane bocznikowo (bypass) w celu dodatkowego doczyszczenia olejów. Ze względu na ich bardzo dużą pojemność stosowane są tam, gdzie występuje wytwarzanie bardzo dużej ilości zanieczyszczeń, np. do olejów obróbczych lub hartowniczych;
• filtry dokładne – są stosowane do usuwania z olejów cząstek zanieczyszczeń o wielkości <5 µm. Ich produkcja i zastosowanie wydają się logiczne ze względu na coraz większe wymagania w zakresie eliminacji coraz to mniejszych cząstek zanieczyszczeń. Jednak ciągłe zmniejszanie porowatości materiału filtracyjnego nie prowadzi do skutecznego rozwiązania. Okazuje się bowiem, że podczas przepływu oleju przez filtr mechaniczny cząsteczki zanieczyszczeń absorbują ładunki elektryczne. Krytyczne skutki tego zjawiska pojawiają się przy porowatości materiału filtrującego <5 µm. Potencjał ładunków gromadzących się na cząsteczkach zanieczyszczeń jest tak duży, że w olejach zaczyna dochodzić do iskrowych wyładowań elektrycznych, co w oczywisty sposób gwałtownie przyspiesza degradację olejów. Jak zaznacza Janusz Toman, niektórzy producenci oferują filtry, w których nie dochodzi do wspomnianych wyładowań, ale to nie znaczy, że cząsteczki nie są naładowane elektrycznie. Wyładowania odbywają się po prostu tylko poza filtrem. Poza tym cząsteczki zanieczyszczeń „obdarzone” potencjałem elektrycznym mają większą zdolność do przywierania do ścian układów olejowych, przyspieszając procesy tworzenia się osadów. Tak więc wygląda na to, że zastosowanie tzw. filtrów dokładnych nie ma uzasadnienia technicznego.

Wszystkie typy filtrów mechanicznych mają zastosowanie wyłącznie do usuwania zanieczyszczeń w postaci cząstek stałych. W żaden sposób nie wpływają na zanieczyszczenia olejów wodą i produktami utleniania (degradacji).

Wirówka – skuteczna w działaniu

Technologia zastosowana w wirówkach bazuje na poddaniu olejów sile odśrodkowej. W opinii Barbary Kowalczyk z firmy Alfa Laval Polska, separacja odśrodkowa jest klasyczną techniką oczyszczania. Została ona wprowadzona do zastosowań przemysłowych podczas I Wojny Światowej, kiedy była używana głównie do oczyszczania olejów smarnych.

Skuteczność działania wirówki oparta jest na prawie Stokesa, zaadaptowanym na potrzeby wirówek talerzowych. Skuteczność separacji dwóch cieczy jest tym większa, im większa jest różnica gęstości obydwu cieczy, ale również jest odwrotnie proporcjonalna do lepkości cieczy

Wirówka ze względu na swoje właściwości i zasadę działania jest bardzo zyskowną inwestycją. Klienci, którzy zainwestowali w wirówkę w systemie chłodzenia zaprzestali wymiany chłodziwa lub wymieniają je co drugi rok. Co oznacza czas zwrotu około 1 roku do 2 lat. Poziom wydajności oczyszczania osiągany dzięki wykorzystaniu wysokoobrotowej separacji odśrodkowej ogromnie wydłuża okres używalności cieczy przemysłowych. W efekcie uzyskuje się obniżenie kosztów pracy instalacji dzięki zmniejszonemu zużyciu tych cieczy, mniejszej ilości poddawanego utylizacji zużytego oleju i filtrów, rzadszym przestojom oraz polepszeniu zarówno jakości produktu, jak i środowiska pracy.

– Wirówka jest niezastąpiona w procesie efektywnego gospodarowania olejami, gdyż usuwa zarówno cząstki stałe, jak i niepożądane ciecze – wodę z oleju. Nie ma innego urządzenia, które w jednym cyklu usuwa zarówno cząstki stałe, jak i niepożądaną ciecz – dodaje Barbara Kowalczyk.

Janusz Toman podkreśla jednak, że mimo tak wielu zalet wirówki nie nadaje się ona jednak do usuwania z olejów mniejszych cząstek zanieczyszczeń oraz produktów utleniania się oleju.

Technologia próżniowego usuwania wody z olejów

Zastosowana w tych urządzeniach technologia opiera się na zasadzie wprost proporcjonalnego spadku temperatury wrzenia wody do spadku ciśnienia. W komorze próżniowej wytwarza się na tyle niskie ciśnienie, że woda prawie w całości odparowuje przy temperaturze na tyle niskiej, że nie przyspiesza procesu utleniania się oleju. Technologia próżniowego usuwania wody z olejów przydaje się zwłaszcza tam, gdzie wymagania są szczególnie restrykcyjne, np. do osuszania olejów izolacyjnych. Dodatkowym efektem usuwania wody urządzeniami próżniowymi jest usuwanie z olejów gazów. Ta technologia nie ma z oczywistych względów żadnego wpływu na zanieczyszczenia w postaci cząstek stałych, nie usuwa też z olejów produktów ich utleniania się.

Dehydratory włókninowe (DH) – technologia droga, ale opłacalna

Technologia działania dehydratorów włókninowych oparta jest o różnicę pomiędzy napięciem powierzchniowym wody i oleju. Zawilgocony olej przepływając przez materiał składający się z drobnych, cienkich włosków, pozbywa się wody, pozostawiając ją w dehydratorze w formie kropelek, które przyczepiają się do włosków. Ta technologia usuwania wody z olejów świetnie nadaje się do rozwiązywania problemów powstałych np. na skutek uszkodzenia układu chłodzenia układu hydraulicznego. Za pomocą dehydratora włókninowego można obniżyć zawartość wody w oleju do poziomu ok. 100 ppm, co dla oleju hydraulicznego jest poziomem akceptowalnym. Przy okazji usuwania wody dehydratory włókninowe usuwają z olejów większe niż 10 µm cząstki zanieczyszczeń stałych.

– Usuwanie wody z olejów za pomocą dehydratorów włókninowych jest dość kosztowne. Usunięcie 1 l wody to koszt ok. 600 –700 zł, ale jeżeli ich zastosowanie pozwoli na wyeliminowanie wielokrotnie wyższych strat spowodowanych zatrzymaniem linii produkcyjnej, to taka operacja na pewno się opłaca – uważa Janusz Toman. Warto podkreślić, że dehydratory włókninowe nie usuwają z olejów mniejszych cząstek zanieczyszczeń stałych oraz produktów utleniania się olejów.

Dehydratory nawiewowe (Tribodryer) – praca bezobsługowa i prawie bezkosztowa

Zasada działania dehydratorów nawiewowych jest bardzo prosta, ale możliwa do zastosowania tylko w wypadku olejów znajdujących się w zbiornikach zamkniętych. Na przeciwległych końcach jednej przekątnej poprowadzonej przez wieko zbiornika olejowego umieszcza się przewód nawiewowy i ssący. Przewodem nawiewowym wprowadza się w przestrzeń pomiędzy lustrem oleju a pokrywą zbiornika ciepłe, suche powietrze, natomiast przewodem ssącym zasysa się wilgotne powietrze i kieruje do dehydratora, w którym po schłodzeniu oddaje wilgoć. Dehydrator podłączony do sieci elektrycznej oraz do źródła zimnej wody (<30°C) pracuje całkowicie bezobsługowo i prawie bezkosztowo. Jedyny koszt to pobór mocy na poziomie ok. 600 W. Dla skutecznego działania wymagane jest, aby temperatura oleju w zbiorniku wynosiła >40°C. Im większa powierzchnia lustra oleju, tym większa szybkość usuwania wody. Niewielki dehydrator nawiewowy o mocy 600 W może skutecznie z wydajnością ok. 1,5 kg wody/godz. usuwać wodę ze zbiornika o objętości do 50 m3 . Ze względu na zasadę działania praca dehydratora nawiewowego nie ma żadnego wpływu na wszystkie inne zanieczyszczenia znajdujące się w oleju.

Długa lista zalet filtrów magnetycznych

Zasada działania filtrów magnetycznych również nie należy do skomplikowanych. W komorze, przez którą przepływa olej, umieszczony jest pręt magnesu, częściej kilka prętów lub magnesów w innych, praktycznie dowolnych formach, np. kratownic, rur, walców i innych w zależności od potrzeb. Zanieczyszczenia zawarte w przepływającym oleju osadzają się na magnesie. Co jakiś czas magnesy trzeba oczyścić z osadzonych na nim zanieczyszczeń, co zazwyczaj jest czynnością prostą i nie zabierającą wiele czasu. Są dostępne również filtry magnetyczne samoczyszczące.

Filtry magnetyczne mają bardzo wiele zalet: są stosunkowo tanie, można je zastosować do oczyszczania wszelkiego rodzaju cieczy (nie tylko olejów), ich eksploatacja nie pociąga za sobą żadnych kosztów, a przydatność do eksploatacji jest bardzo długa. Usuwają cząsteczki stałe bez względu na ich wielkość pod warunkiem, że należą do ferromagnetyków. W związku z powyższym mają zastosowanie tam, gdzie głównym zanieczyszczeniem oleju są np. cząsteczki metalu pochodzące z obróbki. Z oczywistych względów przy ich pomocy nie da się usunąć z olejów zanieczyszczeń typu diamagnetycznego, np. w postaci krzemu (proch), sadzy, tworzyw sztucznych, wody i produktów starzenia się oleju.

Urządzenia oczyszczające poprzez jonizowanie cząstek

Zasada działania oparta jest na prawie przyciągania się przeciwnych ładunków elektrycznych. Olej zassany do urządzenia oczyszczającego kierowany jest do dwóch komór, w których cząstki zanieczyszczeń poddawane są ładowaniu ładunkami elektrycznymi o przeciwnym potencjale; w jednej komorze „–„, w drugiej „+”. Następnie oleje kierowane są do jednej komory, gdzie naładowane przeciwnymi potencjałami cząsteczki wzajemnie się przyciągając tworzą większe cząstki, które na wyjściu są wychwytywane przez zwykły filtr mechaniczny. Ta metoda pozwala na usuwanie z olejów bardzo małych cząsteczek (<5 µm, a nawet mniejszych), które połączone osadzają się na filtrze zainstalowanym na końcu układu. Jednak, jak podkreśla Janusz Toman, efektem ubocznym jest przyspieszenie procesu tworzenia się osadów wewnątrz układów olejowych. Jest to skutkiem tego, że nie wszystkie naładowane elektrycznie cząsteczki łączą się w tak duże grupy, żeby mogły być wychwycone przez filtr końcowy i wracają z powrotem do wnętrza układu olejowego. Ponieważ są naładowane elektrycznie mają zwiększoną tendencję do przywierania do elementów metalowych. Urządzenia, w których zastosowana jest technologia jonizowania cząstek, nie usuwają z olejów wody ani produktów starzenia się olejów.

Urządzenia do elektrostatycznego oczyszczania olejów (ELC)

Technologia elektrostatycznego oczyszczania olejów oparta jest na zasadzie prawa Coulomba. Każda cząsteczka nierozpuszczona w cieczy ma z natury pewien ładunek elektryczny. W komorze oczyszczania olej przepływa pomiędzy elektrodami o przeciwnym potencjale, o napięciu ok. 10 tys. V, co powoduje, że cząsteczki zanieczyszczeń bez względu na swoje pochodzenie i wielkość „ściągane” są w kierunku elektrody o ładunku przeciwnym niż ten, którym „obdarzona” jest dana cząsteczka. Na umieszczonym w komorze oczyszczania kolektorze osadzają się nie tylko cząsteczki zanieczyszczeń stałych (nawet o wielkościach submikrometrycznych), ale również cząsteczki powstałe na skutek utleniania się oleju. Efektem jest nie tylko usuwanie z olejów produktów ich starzenia się, ale również wypłukiwanie z układów olejowych osadów, dla których produkty degradacji stanowią spoiwo. Urządzenia do elektrostatycznego oczyszczania oleju wyposażone są w system powodujący usuwanie z olejów wody, o ile jej zawartość nie przekracza poziomu 500 ppm. Urządzenia te usuwają z olejów wszelkie zanieczyszczenia bez względu na ich rodzaj i wielkość. Oleje pielęgnowane poprzez zastosowanie urządzeń do elektrostatycznego oczyszczania praktycznie bezterminowo zachowują swoje pierwotne właściwości fizykochemiczne, dzięki czemu w ogóle nie wymagają wymiany przez cały okres eksploatacji maszyny.

Eliminacja kosztów związanych z wymianą olejów to tylko niewielki procent korzyści wynikających z zastosowania urządzeń ELC. Najważniejszymi korzyściami, których osiągnięcie podkreślają użytkownicy urządzeń typu ELC, są: eliminacja większości awarii, znaczące zmniejszenie ilości postojów maszyn, poprawa wydajności maszyn poprzez skrócenie cykli pracy oraz zmniejszenie udziału wyrobów niepełnowartościowych w produkcji. W efekcie zwrot z inwestycji w takie urządzenie następuje w ciągu kilku miesięcy.

Wszystkie wyżej opisane technologie oczyszczania olejów można łączyć w taki sposób, który będzie odpowiadał konkretnym potrzebom parku maszynowego. Dotyczy to w szczególności urządzeń do usuwania z olejów wody, której obecność w olejach przemysłowych na każdym poziomie i w każdej ilości jest czynnikiem niepożądanym.

Podejmując decyzję o wyborze urządzenia, które będzie miało za zadanie utrzymywanie oleju w dobrej kondycji, należy pamiętać, że każdy rodzaj i każda ilość zanieczyszczeń w olejach ma negatywny wpływ na pracę maszyn.

Opracowanie tekstu na podstawie materiałów nadesłanych przez firmy: EKSPERT, Grupa LOTOS, Orlen Oil, Alfa Laval Polska.