Rewolucja w technologii oczyszczania olejów przemysłowych

Fakt, że zanieczyszczenia oleju hydraulicznego są przyczyną zdecydowanej większości awarii instalacji hydraulicznych (różne źródła mówią o 75–85%), nie jest już dla nikogo odkrywczym stwierdzeniem. Jest to tak oczywiste, że wszyscy przeszli nad tym do porządku dziennego. Związane z tą sytuacją koszty i straty stanowią stały element planów budżetowych firm. Co jakiś czas pojawiają się nowe materiały filtracyjne, nowe sposoby instalacji filtrów w systemach hydraulicznych lub instalacje dodatkowych filtrów, np. filtry bocznikowe. Próbuje się usunąć zanieczyszczenia poprzez odwirowanie. Wszystkie te sposoby w niewielkim tylko stopniu poprawiają czystość olejów, a więc i jakość pracy układów hydraulicznych. W systemach ciągle jednak pozostają zanieczyszczenia mniejsze niż 3 m. Czy usuwanie cząsteczek o wielkości poniżej 3 µm jest konieczne?

Właściwości olejów hydraulicznych podlegają zmianom pod wpływem wielu czynników, z których jednym są wszelkie zanieczyszczenia. Za zanieczyszczenia oleju uważane są wszelkie cząsteczki nierozpuszczone w nim, bez względu na ich wielkość. Możemy rozróżnić następujące rodzaje zanieczyszczeń:

Wewnętrzne:
- cząstki metali i stopów, zwłaszcza intensywnie wytwarzane podczas docierania, a w okresie normalnego eksploatowania pochodzące z normalnego zużywania powierzchni trących;
- cząstki elastomerów, pochodzące z uszczelnień;
- cząstki przegród filtracyjnych;
- produkty degradacji oleju.
Zewnętrzne:
- kurz (krzemionka);
- cząstki organiczne (pyłki kwiatowe, nasiona i inne części roślin, owady itp.);
- zanieczyszczenia stałe wnoszone wraz z dolewkami oleju.

Kurz i cząstki organiczne najczęściej przedostają się do oleju w wyniku:

nieszczelności układu smarowania;
niewłaściwej wentylacji zbiornika oleju;
niewłaściwych warunków uzupełniania oleju.

Olej może być również zanieczyszczony innymi cieczami eksploatacyjnymi:

olejami pochodzącymi z innych układów lub olejami technologicznymi;
wodą;
paliwem;
środkami myjącymi;
cieczami do obróbki metali.

Inny podział zanieczyszczeń to:

zanieczyszczenia twarde, powstające wskutek tarć i cząsteczki prochu;
zanieczyszczenia miękkie, to głównie produkty starzenia i utleniania, w formie wosków i żywic;
woda, która dostaje się do oleju poprzez nieszczelność układów chłodzących oraz z powietrza;
powietrze dostające się wskutek procesu pracy.

W wyniku prowadzonych zabiegów pielęgnacyjnych i dolewek, zawartość zanieczyszczeń stałych w oleju może przejściowo ulegać zmniejszeniu, ale na ogół obserwowany jest ogólny trend wzrostowy, zwłaszcza w zakresie cząstek o średnicach poniżej 3 µm.

Tak więc usuwanie zanieczyszczeń o wielkości mniejszej niż 3 µm jest konieczne w celu zagwarantowania bezawaryjnego działania nowoczesnych maszyn, które są wyposażone w serwozawory oraz zawory proporcjonalne. Luz pomiędzy tłokiem i cylindrem wynosi z reguły 1–4 µm. Wieloletnie doświadczenia wskazują na fakt, że cząsteczki odpowiadające wspomnianemu luzowi lub mniejsze oddziałują w sposób najbardziej szkodliwy. Warstwa smarna (EHD), jeżeli chodzi o oleje smarne, wynosi ok. 0,2–0,6 µm. Cząsteczki zanieczyszczeń działają negatywnie na tę warstwę. To zjawisko powoduje spowalnianie ruchu i nierówną pracę zaworów proporcjonalnych, co objawia się pogorszeniem jakości wyrobów, wydłużeniem cyklów pracy, a w końcu awariami i skróceniem okresu eksploatacji maszyn. Ilość zanieczyszczeń w oleju wzrasta geometrycznie w stosunku do zmniejszającej się ich wielkości (rys. 1). Wspomniana duża ilość zanieczyszczeń tworzy stosunkowo rozległą płaszczyznę na powierzchni. Wynikiem jest reagowanie z kwasami, które są zawarte w oleju (działanie katalizatora => utlenianie). Jeżeli olej oprócz tego zawiera wodę, nawet w małej ilości, powyższe negatywne reakcje przebiegają o wiele szybciej. Podczas utleniania (i termoutleniania) powstają produkty kwaśne, które powodują powstawanie innych związków. Powstające osady (również żywice, tzw. zanieczyszczenia miękkie), które są przyczyną gorszej pracy lub nawet zatarcia elementów hydraulicznych, obniżają również trwałość elementów uszczelniających. Podwyższona kwasowość powoduje konieczność wymiany oleju.

Z tego, co zostało dotąd napisane, nasuwa się wniosek, że rozwijanie dotychczas znanych technologii oczyszczania olejów przemysłowych osiągnęło już jakiś czas temu kres swoich możliwości. Należy podejść do tego zagadnienia w inny sposób, tym bardziej, że poza problemami zanieczyszczeń olej podlega procesowi starzenia i po okresie 2–3 lat (gratulacje dla tych, którzy mogą sobie pozwolić na taką częstotliwość wymiany) tylko z tego powodu nie nadaje się do dalszego użytku. Wiąże się to z kosztami zakupu nowego oleju, który jest coraz droższy, oraz z fatalnymi skutkami dla środowiska naturalnego, które „musi” przyjąć zużyty olej.

Inne podejście zaprezentował dr. Akiro Sasaki z Japonii, który już końcem lat sześćdziesiątych XX w. opracował elektrostatyczną, (wykorzystującą prawo Coulomba) metodę oczyszczania olejów przemysłowych. Olej przepływa między dużą ilością par elektrod z różnicą potencjałów od 10 do 14 kV. Pomiędzy elektrodami są zainstalowane odpowiednio ukształtowane wkładki – kolektory, na których, w konsekwencji oddziaływania sił elektrostatycznych, osadzają się cząsteczki zanieczyszczeń.

Na bazie tej technologii firma, której dr. Sasaki jest współwłaścicielem, zbudowała serię kilku modeli urządzeń ELC, o różnej wydajności, do oczyszczania olejów przemysłowych (np. hydraulicznych, sprężarkowych, turbinowych, lotniczych, elektroizolacyjnych itd.). Dzięki nim można usunąć z oleju również cząsteczki zanieczyszczeń o wielkości submikrometrycznej, których wielkość wynosi poniżej 1 µm, a które nie mogą być wyeliminowane za pomocą metod konwencjonalnych. Zastosowanie urządzeń ELC powoduje również, a właściwie przede wszystkim, wielokrotne przedłużenie trwałości olejów, nawet do zupełnej eliminacji procesu ich wymiany!

Korzyści z zastosowania urządzeń ELC

Podstawową zaletą zastosowania urządzeń ELC do oczyszczania olejów w przedsiębiorstwie jest to, że korzystny dla firmy wynik finansowy pojawia się niemal natychmiast i jest zjawiskiem trwałym. Przede wszystkim koszty zakupu olejów spadają o ponad 90%, ponieważ jego zużycie ogranicza się wyłącznie do uzupełniania ubytków powstałych wskutek nieszczelności systemów. Dzięki skutecznemu usunięciu zanieczyszczeń wycieki stają się minimalne lub są całkowicie eliminowane. Tu skutek jest natychmiastowy. Przy stale rosnącej cenie produktów ropopochodnych, taka oszczędność stanowi istotny element w bilansie przedsiębiorstwa. Jak wspomniano na wstępie, zanieczyszczenia olejów są przyczyną 75–85% awarii instalacji hydraulicznych. Koszty związane z naprawami i przestojami są zawsze duże i dwojakiego rodzaju: bezpośrednio pieniężne oraz pośrednio, poprzez choćby opóźnienia realizacji zamówień klientów. Zastosowanie technologii ELC gwarantuje ograniczenie tego zjawiska o ponad 50%, a co za tym idzie również spadek kosztów z tytułu zakupu części zamiennych – o 70%. O 80% zostaną pomniejszone przestoje podyktowane koniecznością wymiany olejów i filtrów. Instalacje pracujące na tak dobrze oczyszczanych olejach wytwarzają o 40% mniej produktów niepełnowartościowych. Zastosowanie urządzeń ELC powoduje, że do obiegu dostaje się wyłącznie olej o bardzo wysokiej klasie czystości. Ponieważ ma on tendencję do absorbowania zanieczyszczeń, które dotychczas nagromadziły się w układzie oraz w zbiorniku, poprzez kolejne cykle oczyszczania urządzeniem ELC, po kilku miesiącach stosowania tej metody, zostaje oczyszczony cały system. Znacznej redukcji ulegną tarcia wewnątrz maszyn, pompy nie będą dławione zatkanymi przez zanieczyszczenia filtrami. Wszystko to skutkuje spadkiem zużycia energii elektrycznej nawet o 30%.

To jeszcze nie są wszystkie korzyści, jakie niesie zastosowanie elektrostatycznej technologii oczyszczania olejów. Na skutek ciśnienia atmosferycznego, przy temperaturze 20°C w oleju ropnym rozpuszcza się ok. 8–10% obj. powietrza (prawo Henryego), dlatego też w oleju są zawsze obecne małe ilości wody. Przyśpiesza to utlenianie oleju, a w konsekwencji wzrasta jego kwasowość, co powoduje m.in. korozję wewnątrz maszyn i obniżenie szczelności. Urządzenia ELC obniżają zawartość wody w oleju nawet do poziomu 0,015%, eliminując w ten sposób ww. niekorzystne zjawiska. Tak więc nawet wliczając w kalkulację ich zakup, obniżycie Państwo koszty o ponad 50% w stosunku do tych, które Wasze firmy ponoszą obecnie.

Oprócz bardzo znacznego obniżenia kosztów, urządzenie gwarantuje również wyższą wydajność, lepszą jakość produkcji, a więc w rezultacie lepszą pozycję na bardzo przecież konkurencyjnym rynku.

Nikogo nie trzeba przekonywać o pozytywnym wpływie zastosowania tej metody na środowisko naturalne. Wdrożenie tego ultranowoczesnego systemu bez wątpienia będzie wyraźną przesłanką do wysokiej oceny pracy każdego zarządu firmy, który zdecyduje się na ten krok. Inwestycja nie niesie za sobą żadnego ryzyka, a daje gwarancję wielkich korzyści. Urządzenia ELC oczyszczają oleje przemysłowe na całym świecie już od wielu lat. Około tysiąca kilkuset pracuje w zakładach firmy TOYOTA, znanej z najwyższych wskaźników efektywności i jakości produkcji.

W samej Republice Czeskiej lista referencyjna obejmuje ponad sto podmiotów, wśród których są m.in. FAURECIA (również zakład w Gorzowie Wielkopolskim), BARUM CONTINENTAL s.r.o., FLÍDR PLAST s.r.o., GUMÁRNY ZUBŘI, a.s., SP PLAST s.r.o. i wielu innych przetwórców tworzyw sztucznych.

W celu sprawdzenia możliwości i właściwości metody ELC przeprowadzono eksperyment na układzie wtryskowym wypełnionym 330 l oleju hydraulicznego OH-HM 32. Na wtryskarce były produkowane elementy plastikowe dla przemysłu motoryzacyjnego. Do momentu przeprowadzenia badania olej pracował w układzie od 9 miesięcy. Układ zaopatrzony był w filtr 90 m na ssaniu hydrogeneratora i w filtr 6 m na tzw. powrocie. Podczas napełniania olej został poddany intensywnej filtracji urządzeniem bocznikowym o zdolności filtracyjnej 5 m. Układ był badany przez okres dwóch tygodni. Po tym okresie podłączono bocznikowo urządzenie ELC, a następnie prowadzono obserwacje przez kolejne cztery tygodnie wg tych samych zasad jak wcześniej.

Obserwowano i odnotowywano następujące parametry:

czas trwania cyklu pracy i jego poszczególnych elementów;
jakość i temperaturę oleju hydraulicznego;
jakość wtrysków;
trybotechniczne parametry oleju w porównaniu z wzorcową próbką oleju z próbkami pobranymi po każdym tygodniu pracy wtryskarki, dwa razy przed i cztery razy po podłączeniu ELC.

Wnioski z obserwacji oraz wyniki ujęto w formie tabelek.

Po podłączeniu urządzenia ELC nastąpiło skrócenie i wyrównanie czasu trwania poszczególnych faz cyklu pracy. Powodem tej zmiany było usunięcie osadów utrudniających pracę zaworów proporcjonalnych oraz zmniejszenie ilości cząstek zanieczyszczeń w oleju (patrz tab. 4). O zmniejszeniu tarcia świadczy skrócenie czasu trwania cyklu zamykania formy oraz skrócenie i wyrównanie cyklów pracy w trakcie całego procesu. Skrócenie czasu trwania cyklu wtrysku oznacza wzrost wydajności. Obniżenie ciśnienia roboczego świadczy również o zmniejszeniu tarć i ma pozytywny wpływ na przedłużenie żywotności systemu hydraulicznego.

Wszystko razem daje wydłużenie czasu eksploatacji maszyny, co jest przecież jednym z celów działania służb utrzymania ruchu.

W tabeli 2 widać, że wadliwe wyroby stanowią pewien udział w całej produkcji. Z tego, że w dwa tygodnie po podłączeniu ELC ilość wadliwych wyrobów uległa zmniejszeniu, a po następnym tygodniu wadliwe wyroby zostały całkowicie wyeliminowane i ten stan rzeczy pozostał na stałe, można wnioskować, że to pozytywne zjawisko jest skutkiem działania ELC.

Dopuszczalne odchylenie wtryskiwanych porcji od przewidzianego normą rozmiaru wynosi ±0,2 mm i w żadnym momencie nie było przekroczone. Niemniej w okresie po podłączeniu ELC nastąpiło zmniejszenie odchylenia od normy. Ustabilizowanie uregulowanej i równej pracy maszyny nastąpiło na skutek zmniejszenia ilości zanieczyszczeń w oleju hydraulicznym.

Interesujące jest porównanie odchyleń rozmiarów, które pojawiały się po dłuższym postoju maszyny. Zaobserwowane zjawisko zostało przedstawione w tabeli 3. Zawsze po dłuższym postoju stwierdzano większą ilość wadliwych wyrobów oraz nieprawidłowości w pracy układu hydraulicznego. To, że wyroby produkowane po dłuższym postoju, ale już po podłączeniu ELC, były rozmiarowo zgodne z normą, spowodowane było prawdopodobnie zmniejszeniem ilości produktów utleniania, to jest zdecydowanie pozytywnym zjawiskiem.

Zanieczyszczenia oleju hydraulicznego

W trakcie eksperymentu pobierano i analizowano próbki oleju hydraulicznego. Całkowitą ilość zanieczyszczeń określano metodą wagową dla takich samych pod względem wielkości próbek oleju.

Z tabeli 4 jasno wynika, że ilość zanieczyszczeń, która w dniu podłączenia ELC wynosiła 331 mg/kg–1, uległa trzykrotnemu zmniejszeniu po trzech tygodniach oczyszczania urządzeniem ELC. Zmniejszenie ilości zanieczyszczeń w oleju wyjaśnia wszystkie ww. pozytywne zmiany, jakie nastąpiły po podłączeniu ELC.

Wnioski

Opisane obserwacje skutków działania systemu ELC nasuwają zdecydowanie pozytywne spostrzeżenia. Wyniki badań jednoznacznie wskazują, że zastosowanie elektrostatycznej metody oczyszczania oleju hydraulicznego pozytywnie wpłynęło na realizację zadania, jakim jest utrzymanie ruchu urządzenia hydraulicznego (wtryskarki). Nie podlega dyskusji, że czystość olejów w systemach hydraulicznych decyduje o ich pracy, jakości produkcji oraz opłacalności.

Czystość olejów staje się coraz ważniejsza również w związku z coraz większą złożonością i precyzją budowy systemów hydraulicznych oraz rosnącymi wymaganiami jakościowymi produkowanych przez te urządzenia elementów.

Przeprowadzony eksperyment jednoznacznie potwierdził negatywny wpływ zanieczyszczeń zawartych w oleju hydraulicznym na funkcjonalność maszyn i jakość produkowanych wyrobów. Potwierdził również jednoznacznie wszechstronnie pozytywny wpływ elektrostatycznego oczyszczania na eksploatację urządzeń hydraulicznych.

Nasuwającym się wnioskiem jest konieczność zmiany dotychczasowej polityki w zakresie utrzymania ruchu urządzeń, których działanie uzależnione jest od olejów smarnych.