Прогнозирование ресурса Вашего масла

Смазочные материалы не вечны – это утверждение хорошо понимают во всём мире все те,  кто использует смазочные материалы. Они склонны к старению как и большинство вещей на Земле. 

Примером процесса старения может служить знакомая всем человеческая кожа. Она стареет со временем и деградирует из-за процесса называемого окислением. Масла и смазки не исключение. Окисление, как сейчас принято считать, есть главная причина старения (деградации) смазочных материалов.

Смазочные материалы состоят, в основном, из двух главных компонентов. Это, во-первых, базовое масло (минеральное масло) и, во-вторых, смесь из присадок, которые смешиваются с базовым маслом. Химически, базовое масло состоит из углеводородов. Главным химическим элементом человеческого тела является кальций. Подобно этому, компонентом углеводолродных цепочек (основы базового масла) является углерод и водород. Отсюда и название углеводород. Результатами окисления этой основы являются: рост вязкости и общего кислотного числа (TAN - Total Acid Number), образование шлама и лака.

Использование смазочных материалов до момента их «отказа» экономично, но потенциально опасно. Однако, если время старения масла известно и, следовательно, есть возможность предсказать срок его службы, то можно планировать период смены масла. Изменения рабочих свойств масла могут быть известны до полной деградации смазочного материала и механической поломки. И мог бы использоваться весь ресурс масла. Этого можно достичь при помощи метода определения оставшегося ресурса масла (remaining useful life evaluation routine - RULER). Понимание того как ваше масло стареет и знание периода старения –  инвестиции, которые принесут существенную отдачу в будущем.

Базовые масла (минеральные масла)

Базовое масло это компонент смазочного материала, которые придает ему смазывающие свойства. Присадки смешиваются с базовым маслом, чтобы улучшить эти свойства, а также, чтобы расширить диапазон их применения. Минеральное масло, в основном, используется как базовое для большинства смазок, и является отдельной фракцией сырой нефти. Есть три основных типа минеральных масел, каждый из них имеет различную противоокислительную стабильность. Большая часть масел содержит в своём составе до 90% базового масла. Низкая цена, доступность и смазывающие свойства минерального масла делают его идеальным кандидатом для использования в качестве базового масла в смазочных материалах. Синтетические масла предлагают лучшую противоокислительную стабильность и более долгий период эксплуатации. Они, впрочем, имеют собственные недостатки. Какое бы масло вы не использовали, синтетическое или минеральное, они все стареют.

Окисление

Реакция окисления проходит между кислородом и основой базового масла. Окисление это трёх-стадийный процесс. Рисунок №1 показывает нам реакцию окисления углеводородной цепочки. Это первая стадия окисления. «С» означает углерод, а «H» означает водород. Линии между ними – это атомарные связи. Эта  связь разрушается процессом окисления, результатом которого является внедрение кислорода в структуру цепочки и образование кислоты. В реакции ниже, окончание углеводородной цепи, с атомом углерода на конце,  подвергается окислению, образуя кислоту. Окисление может также иметь место в середине углеводородной цепочки и, в результате, образуется две кислоты.

_{Рисунок №1. Реакция окисления.}

Когда ваша кожа стареет,  это результат окисления, протекающего с течением времени. Окисление кожи может быть ускорено некоторыми факторами, например, солнцем. Если подвергаете вашу кожу воздействию УФ-лучей, то она стареет быстрее. То же верно и для масла. Реакция окисления ускоряется рядом факторов, включающих  в себя: высокую температуру, влагу, воздух, взаимодействие с определенными металлами.

Какие физические изменения наблюдаются?

• Образование кислот ведёт к коррозии поверхности металлов.
• Углеводородные цепочки в базовом масле, благодаря присадкам, имеют определённую вязкость. Изменения в структуре углеводородных цепочек приводят к росту вязкости.
• Из-за продуктов окисления, таких как кислоты, может начаться образование шлама, лаков, могут снизиться смазывающие свойства. Несущая способность смазки уменьшается, так как углеводородные цепочки разрушаются.

Защита базового масла
В магазинах есть много различных анти-возрастных кремов для кожи, предназначенных для уменьшения образования морщин. Солнечный крем предоставляет нашей коже защиту от солнечных лучей, ускоряющих её окисление. Эти продукты содержат увлажнители, УФ-блокираторы, коллаген и различные другие химические вещества замедляющие процесс старения. Специалисты по смазочным материалам используют тот же подход для защиты базового масла. Присадки, добавляемые к базовому маслу, предоставляют маслу защиту от: высокой температуры, давления, длительной эксплуатации. Присадки к базовым маслам увеличивают срок их службы и диапазон использования.

Присадки включают в себя:

• Антиоксиданты (против окисления).
• Противоизносные агенты.
• Модификаторы вязкости.
• Ингибиторы коррозии.
• Деэмульгаторы.
• Присадки для работы при высоких нагрузках.
• Противопенные агенты.
• Детергенты.

Также масла включают в себя пакет кослото-нейтрализующих присадок. Этот пакет может содержать и вышеупомянутые присадки, которые имеют двойное назначение. Они отвечают за нейтрализацию различных кислот образующихся в масле. Измеряют этот пакет присадок тестом на общее щелочное число - Total Base Number (TBN). Оно дает представление о присутствии присадок предотвращающих окисление. Мы рассмотрим ближе антиоксиданты и то, как они защищают масло от окисления.

Антиоксиданты

В природе антиоксиданты долго существовать не могут, и истощаются с течением времени. Они начинают истощаться в первую очередь, до того как базовое масло начнёт окисляться. Исследования показывают, что после того как 70-80% запаса антиоксидантов истощено, в масле начинают происходить физические изменения. Действие антиоксидантов нацелено на определенные стадии, происходящие в реакции окисления.  Вид применяемого антиоксиданта зависит от назначения смазки. Три основных класса антиоксидантов показаны в Таблице №1.

Диалкилдитиофосфат цинка (ZDDP)

Диалкилдитиофосфат цинка используется в маслах с 1940-х годов. Изначально он был разработан как противоизностная присадка, но был также найден и очень хорошим антиоксидантом. Эта присадка используется и по сей день. Структура диалкилдитиофосфата цинка показана на Рисунке №2. Алкильная группа может содержать от 1 до 14 атомов углерода.

_{Рисунок №2. Мономерная структура диалкилдитиофосфата цинка.}

Резюме.

Мы рассмотрели и проиллюстрировали несколько важных моментов:

• Смазочные материалы стареют.
• Окисление – главная причина в процессе старения.
• Антиоксиданты защищают смазочные материалы от окисления.
• Процесс окисления и действие антиоксидантов.

Старение смазочных материалов, таким образом, связано с концентрацией антиоксидантов. Природа антиоксидантов такова, что со временем они истощаются, и их концентрация есть показатель старения масла. Чтобы понять, как долго масло может использоваться, должна быть известна концентрация антиоксидантов в новом масле. Это его антиокислительный запас. Следующее что нужно знать, это сколько использовано этого запаса. Это делается при помощи метода RULER – проводится мониторинг истощения запаса антиоксидантов с течением времени, затем определяют, сколько из этого запаса было израсходовано. Это требует взятия проб масла через определённые интервалы времени. С этой информацией можно вычислить теоретическое время истощения запаса антиоксидантов. Эта информация также даст возможность увидеть отклонения от нормальных условий работы, которые определятся как ненормально высокое, чем обычно, истощение антиоксидантов. Главная причина отклонений может быть выяснена и устранена.

Метод RULER.

Метод RULER это новый и недорогой метод определения запаса антиоксидантов в смазке. Он хорошо показывает взаимосвязь между тестами RPVOT, FTIR, TBN, тестами на вязкость и TAN. Изначально метод был разработан для определения оставшегося ресурса смазок газотурбинных двигателей, но сейчас применяется для широкого диапазона смазочных материалов. Этот метод позволяет определить оставшуюся концентрацию антиоксидантов в смазке, предоставляя пользователю смазки важную информацию, которая, в конечном счёте, ведёт к существенному снижению расходов.

Устройство RULER использует электроаналитический метод известный как вольтамперметрия, определяет относительную концентрацию антиоксидантов в масле. Вольтамперометрия основана на измерении электрического тока с изменяющимся напряжением (потенциалом).

В действии это выглядит как «электрошок», с медленным увеличением напряжения, пока антиоксиданты вступают в реакцию. Более сильные антиоксиданты будут реагировать с наибольшим применённым напряжением по сравнению с «более слабыми» антиоксидантами. RULER, таким образом, может дифференцировать разные антиоксиданты. Чем больше количество реакций, в течение удара током, тем больше количество соответствующих антиоксидантов присутствует.

Определение оставшегося ресурса масла.
Определение оставшегося ресурса масла определяется измерением пробы нового и эксплуатируемого масла и сравнением пиковых областей на вольтамперметрграмме. Новое масло, считается, содержит 100% антиоксидантов, а эксплуатируемое масло с ним сравнивается. Если пиковая область эксплуатируемого масла определяется как половина от размера пиковой области полученной у нового масла, то считается, что оставшийся ресурс масла 50%. Различные проценты могут быть получены для разных присутствующих антиоксидантов, и общий процент будет означать значение оставшегося ресурса смазки. Разные антиоксиданты могут истощаться с разной скоростью.

Применение RULER

Сбережение средств.
Знание защитной способности вашей смазки, сравнение с пробой нового масла, предоставляет пользователю смазки важную информацию. Интервалы обслуживания могут быть спланированы лучше, а отклонения от нормальных условий эксплуатации выявлены до того как закончится ресурс масла или произойдет механическая поломка. Вдобавок к этим преимуществам, смазка может эксплуатироваться до полной выработки ресурса, экономя, таким образом, средства.

Эффективное определение первопричин.
Знание количества присутствующих антиоксидантов в вашей смазке, совместно с результатами различных тестов присутствующих в анализе масла, даёт ясную картину того, что происходит на самом деле с вашей смазкой. Лучшее понимание этого, делает эффективным определение первопричин различных процессов, и предоставляет возможность наблюдать за состоянием смазки.

Увеличенные интервалы замены без риска.
Сервисного инженера или начальника цеха заботит увеличение периода смены масла. Риск механической поломки, когда масло уже деградировало, велик, и допустить этого нельзя. Цена замены большого количества масла, до того как оно выработает свой ресурс, довольно существенна. Риск механической поломки, вследствие деградации масла, также существенен. Знание оставшегося ресурса масла позволит избежать этих рисков и неоправданных затрат.

Оптимизация новой технологии.
Специалисты в области масел постоянно разрабатывают новые смеси смазочных материалов и новые типы присадок, предназначенные для увеличения периода смены масла и увеличения устойчивости к тяжёлым условиям работы. Возможность определять, как долго масло ещё может работать, дает сервисным инженерам возможность взять максимум преимуществ от этой технологии, где существующие сорта масла могут содержать новые смеси присадок и базовых масел.

Превентивное принятие решений.
Одним из важнейших применений RULER является возможность пользователям масел и смазок делать превентивные решения. Такие тесты как: определение вязкости, TAN, FTIR-окисление и TBN предоставляют пользователям информацию о реальном состоянии их смазок. Существенные изменения в результатах наблюдаются после того как масло уже начало деградировать. Мониторинг за истощением антиоксидантов позволяет пользователю устанавливать нормальные значения и принимать решения о том, когда ожидать начала деградации масла. Пользователи могут, таким образом, принимать решение менять ли масло или продолжать мониторинг его состояния до тех пор, пока оно не будет соответствовать концу оставшегося ресурса масла. График №1 иллюстрирует главную характеристику метода определения оставшегося ресурса масла в сравнении с TAN и вязкостью.

_{График №1. Сравнение метода определения оставшегося ресурса масла с TAN и вязкостью.}

График №2 представляет собой вольтамперграмму часто используемого дизельного моторного масла. Эта множественный график иллюстрирует истощение антиоксидантов с течением времени. Масло было состарено в лабораторных условиях, и пробы были отобраны через определенные интервалы. Можно увидеть, как пики антиоксидантов понижаются со временем. Высочайший пик у нового масла, а самый низкий пик у старого масла, обкатанного в течение 30 часов, в лаборатории, в стрессовых условиях. После 30 часов концентрация антиоксидантов истощилась до 36,2% по отношению к новому маслу. Антиоксиданты истощены в течение часов под экстремальной нагрузкой, примененной к маслу в целях эксперимента.

_{График№2. Вольамперграмма испытанного в лаборатории дизельного моторного масла.}

Применение турбинного масла и RPVOT

Метод испытания во вращающемся сосуде под давлением (rotating pressure vessel oxidation test  - RPVOT) – это признанный и надежный метод измерения окислительной стабильности смазок, особенно для турбинных масел. RPVOT подвергает смазку высокой температуре, давлению, высокому уровню кислорода в присутствии медного катализатора. Время, в течение которого смазка окисляется, измеряется. Оставшийся резерв масла может быть определён измерением периода окисления масла в течение времени проведения анализа с репрезентативной пробой нового масла и сравнением с результатами полученными от анализа проб эксплуатируемого масла. Недостаток RPVOT состоит в том, что он дорог и один тест может занимать больше 600 мин. С новыми пакетами присадок, RPVOT может занять от 800 до 3000 минут. Турбинные масла, содержащие синергичные смеси антиоксидантов (смешанная группа) исследуются, поскольку они, как считают, приводят к непостоянным результатам, и считаются неподходящими для RPVOT. RULER занимает 17 секунд, исключая подготовку пробы. RULER совсем недорог и быстрее чем RPVOT.

Какие виды смазок могут быть протестированы RULER?

• Гидравлические масла.
• Трансмиссионные и редукторные масла.
• Компрессорные масла.
• Консистентные смазки.
• Смазки газовых турбин.
• Смазки паровых турбин.
• Моторные масла двигателей внутреннего сгорания – дизельные, бензиновые, газовые, морские.
• Моторные масла для авиадвигателей.
• Гидравлические жидкости на основе эфиров.

Заметка: Вышеобозначенный перечень служит руководством по применению RULER. Некоторые смазки, в зависимости от их назначения, не могут быть исследованы этим методом. Некоторые типы смазок, разработанные для использования при низких температурах, могут использовать небольшую концентрацию антиоксидантов, или не иметь их вовсе. Они разработаны для защиты от износа и высокого давления, которые в соответствии с их специфическими задачами, более важны, чем защита от окисления.

Надо запомнить

• Решение о том, когда смазка должна быть заменена – это результат изучения результатов анализа масла. RULER должен проводиться совместно с другими анализами масла.
• Проба масла, которая будет исследована, должна быть представлена вместе с новым маслом, которое будет использовано как образец.
• Пробы, которые подверглись серьёзному окислению, могут приводить к ненадёжным результатам.
• Погрешность теста ±10%.
• Содержание воды более 10% может отразиться на результатах.

Фраза: «Вы стары на столько,  насколько стары ваши артерии» может быть удачно применена и к смазкам. Ваша смазка стара на столько, насколько об этом говорят антиоксиданты. Факт, однако, в том, что состояние ваших артерий не единственное, что вас заботит. Точно также, чтобы понимать в каком состоянии находится масло, требуется информация от различных тестов, чтобы составить ясную картину. Чем больше вы будете знать о смазке, тем более точное примете решение. Метод определения оставшегося ресурса масла – это ключ к ясной картине происходящего и прогнозированию будущего.