Przemyslowe Srodki Smarne - Poradnik

PRZEMYSŁOWE ŚRODKI SMARNE

PORADNIK

Warszawa, 2003

Wydanie sfinansowane przez TOTAL Polska Sp. z o.o. Copyright by TOTAL Polska Sp. z o.o. TOTAL Polska Sp. z o.o. dołożył wszelkich starań, by zawarte w tej publikacji informacje były kompletne i rzetelne. Nie bierze jednak żadnej odpowiedzialności za ich wykorzystanie, ani za związane z tym ewentualne naruszenie praw autorskich, patentowych i innych. Autorzy i wydawnictwo nie ponoszą również żadnej odpowiedzialności za ewentualne szkody wynikłe z wykorzystania informacji zawartych w publikacji. Wszelkie prawa zastrzeżone. Nieautoryzowane rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci jest zabronione. Kopiowanie w całości oraz we fragmentach, za pomocą urządzeń elektronicznych, kopiarek mechanicznych, nagrywających i innych, stanowi naruszenie praw autorskich. Niniejsza publikacja jest udostępniana aktualnym i potencjalnym klientom TOTAL - Polska bezpłatnie. Sprzedawanie lub czerpanie innych korzyści finansowych związanych z udostępnieniem lub przekazaniem niniejszej publikacji osobom trzecim są nieuprawnione i moralnie naganne.

Rozdział I: Spis treści

SPIS TREŚCI

I

Oznaczenia, skróty i akronimy stosowane w tekście ................................................... 7

I

Wstęp ............................................................................ 9

II 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.2 2.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.6.5 2.7 2.7.1 2.7.2

Podstawy techniki smarowniczej Tarcie .................................................................................................. 1 Tarcie suche ..................................................................................... 1 Tarcie płynne ................................................................................... 2 Tarcie graniczne ............................................................................. 2 Współczynnik tarcia ..................................................................... 2 Podstawowe rodzaje skojarzeń trących ................................ 3 Smarowanie .................................................................................... 3 Procesy smarowania .................................................................... 3 Smarowanie hydrostatyczne .................................................... 3 Smarowanie hydrodynamiczne ............................................... 4 Smarowanie elastohydrodynamiczne ................................... 4 Wykres Stribecka ........................................................................... 5 Zjawisko tarcia międzycząsteczkowego ............................... 6 Ogólna charakterystyka środków smarnych ....................... 6 Oleje smarne ................................................................................... 6 Smary plastyczne ........................................................................ 12 Dodatki uszlachetniające ......................................................... 12 Smary stałe .................................................................................... 18 Technika smarownicza .............................................................. 18 Sposoby smarowania ................................................................ 18 Smarowanie ręczne .................................................................... 19 Smarowanie samoczynne ........................................................ 20 Smarowanie automatyczne .................................................... 22 Systemy smarowania ................................................................. 22 Elastomery a środki smarne .................................................... 24 Materiały uszczelnień ................................................................ 24 Kompatybilność materiałów uszczelnień i cieczy eksploatacyjnych ......................................................... 25

III 3.1

Klasyfikacje środków smarnych Klasyfikacja lepkościowa ISO przemysłowych środków smarnych ....................................... 2 Klasyfikacja jakościowa ISO przemysłowych środków smarnych ....................................... 3 Inne klasyfikacje jakościowe ..................................................... 4

3.2 3.3 IV 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4

Podstawowe metody oceny jakości przemysłowych środków smarnych i ich znaczenie eksploatacyjne Gęstość ............................................................................................. Pojęcie gęstości ............................................................................. Zależność gęstości od temperatury ....................................... Zależność gęstości od ciśnienia ............................................... Pomiar gęstości ..............................................................................

1 1 2 2 3

4.1.5 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.7.1 4.7.2 4.7.3 4.7.4 4.7.5 4.7.6 4.8 4.9 4.10 4.10.1 4.10.2 4.10.3 4.10.4 4.10.5 4.10.6 4.10.7 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22 4.22.1 4.22.2 4.22.3 4.22.4 4.22.5 4.22.6 4.22.7 4.22.8 4.22.9

Przeliczanie masy na objętość .................................................. 4 Charakterystyki reologiczne ...................................................... 4 Lepkość dynamiczna .................................................................... 5 Lepkość kinematyczna ................................................................ 6 Lepkość względna ........................................................................ 8 Wskaźnik lepkości ......................................................................... 8 Właściwości niskotemperaturowe ........................................ 10 Skład frakcyjny ............................................................................. 11 Lotność ........................................................................................... 14 Właściwości zapłonu i palenia ................................................ 16 Właściwości smarne i przeciwzużyciowe ........................... 20 Maszyna czterokulowa .............................................................. 21 Maszyna Timken .......................................................................... 23 Maszyna Falex ............................................................................... 23 Maszyna FZG ................................................................................. 24 Maszyna L-60 ................................................................................ 24 Pompa Vickers .............................................................................. 25 Stabilność termiczna i termooksydacyjna ......................... 26 Właściwości przeciwkorozyjne i ochronne ........................ 28 Odczyn ............................................................................................ 30 Odczyn wyciągu wodnego ...................................................... 31 Kwasowość .................................................................................... 31 Liczba kwasowa ........................................................................... 31 Liczba zasadowa mocnych zasad .......................................... 31 Rezerwa alkaliczna ..................................................................... 32 Liczba zmydlenia i liczba estrowa ......................................... 32 Stężenie jonów wodorowych – pH ....................................... 32 Odporność na ścinanie ............................................................. 33 Napięcie powierzchniowe ....................................................... 34 Skłonność do pienienia ............................................................ 36 Deemulgowalność ..................................................................... 37 Skład grupowy ............................................................................. 38 Punkt anilinowy .......................................................................... 40 Liczba bromowa i liczba jodowa .......................................... 41 Zawartość siarki .......................................................................... 41 Skłonność do koksowania ...................................................... 43 Pozostałość po spopieleniu .................................................... 44 Zawartość pierwiastków w stężeniach śladowych ........ 45 Zanieczyszczenia stałe ............................................................. 46 Źródła zanieczyszczeń stałych ............................................... 47 Pojęcie średnicy cząstki ........................................................... 47 Zawartość zanieczyszczeń ....................................................... 48 Skład granulometryczny ......................................................... 49 Klasy czystości cieczy eksploatacyjnych ............................ 50 Metody oznaczania składu granulometrycznego .......... 52 Mechanizmy oddziaływania zanieczyszczeń stałych .... 53 Skutki obecności zanieczyszczeń ......................................... 54 Wymagania w zakresie czystości cieczy eksploatacyjnych .......................................................... 55

I

3

4.23 4.24 4.25

Zawartość wody ......................................................................... 55 Współczynnik załamania światła .......................................... 58 Barwa i przezroczystość ........................................................... 60

V 5.1 5.2

Smarowanie przelotowe Układy smarowania przelotowego ......................................... 1 Oleje do układów przelotowych ............................................. 2

VI 6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.5 6.1.6

6.4.1 6.4.2

Środki antyadhezyjne do uwalniania wyrobów z form Środki antyadhezyjne do uwalniania betonu z form ....... 1 Cement ............................................................................................. 1 Beton ................................................................................................. 1 Problem uwalniania wyrobów betonowych z form ......... 2 Środki formierskie do betonu ................................................... 2 Skład chemiczny środków formierskich do betonu .......... 3 Mechanizm działania środków formierskich do betonu .............................................................. 3 Nakładanie na powierzchnie form .......................................... 4 Właściwości środków formierskich do betonu ................... 5 Środki antyadhezyjne do produkcji wyrobów ceramicznych .............................................................. 5 Środki antyadhezyjne do produkcji wyrobów z tworzyw sztucznych i elastomerów .................................... 6 Środki antyadhezyjne do produkcji wyrobów szklanych ...................................................................... 6 Szkło i produkcja wyrobów ze szkła ....................................... 6 Środki antyadhezyjne do wyrobów szklanych ................... 6

VII 7.1 7.2 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.5 7.5.1 7.5.2 7.6 7.6.1 7.6.2

Smarowanie przekładni mechanicznych Przekładnie mechaniczne .......................................................... 1 Przemysłowe przekładnie zębate ........................................... 2 Inne typy przekładni mechanicznych .................................... 5 Przekładnie cięgnowe ................................................................. 5 Urządzenia przegubowe ............................................................ 6 Sprzęgła mechaniczne ................................................................ 6 Oleje do przekładni przemysłowych ...................................... 7 Wymagania ogólne ...................................................................... 7 Klasyfikacje jakościowe ............................................................... 7 Klasyfikacje lepkościowe ............................................................ 8 Metody kontroli jakości .............................................................. 9 Specyficzne metody badań........................................................ 9 Kontrola jakości oleju w eksploatacji...................................... 9 Dobór oleju do przekładni ......................................................... 9 Zalecenia AGMA .......................................................................... 10 Zalecenia TOTAL .......................................................................... 10

VIII 8.1 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.3 8.4 8.5 8.5.1 8.5.2 8.6 8.6.1 8.6.2

Smarowanie sprężarek Sprężarki ........................................................................................... 1 Sprężarki powietrza ...................................................................... 1 Sprężarki tłokowe .......................................................................... 1 Sprężarki rotacyjne, jednowałowe .......................................... 4 Sprężarki rotacyjne, dwuwałowe ............................................ 6 Sprężarki przepływowe ............................................................... 9 Pompy próżniowe ....................................................................... 10 Układy smarowania sprężarek ................................................ 10 Oleje sprężarkowe ...................................................................... 11 Wymagania ogólne .................................................................... 11 Klasyfikacje olejów sprężarkowych ...................................... 13 Metody oceny jakości ................................................................ 15 Metody badań .............................................................................. 15 Ocena jakości olejów sprężarkowych podczas eksploatacji .................................................................. 16 Wymagania dla olejów sprężarkowych .............................. 16 Dobór i pielęgnacja olejów do sprężarek ........................... 16 Sprężarki gazowe ........................................................................ 19 Relacja olej–sprężony gaz ........................................................ 19 Klasyfikacja olejów do sprężarek gazowych ..................... 19 Wymagania dla olejów do sprężarek gazowych .............. 19

6.1.7 6.1.8 6.2 6.3 6.4

8.7 8.8 8.9 8.9.1 8.9.2 8.9.3

4

I

8.10 8.11 8.12 8.12.1 8.12.2 8.12.3 8.12.4 8.13 8.14 8.15

Urządzenia chłodnicze .............................................................. 19 Czynnik chłodniczy ..................................................................... 21 Oleje do sprężarek chłodniczych ........................................... 22 Podstawowe właściwości ......................................................... 22 Klasyfikacje olejów do sprężarek chłodniczych ............... 23 Metody badań olejów do sprężarek chłodniczych ......... 23 Specyficzne metody badań ..................................................... 23 Układ olej–czynnik chłodniczy ............................................... 26 Wymagania dla olejów do sprężarek chłodniczych ....... 27 Pielęgnacja olejów do sprężarek chłodniczych ............... 27

IX 9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.4 9.2 9.3 9.4 9.4.1 9.4.2 9.4.3 9.4.4 9.5 9.6

Smarowanie łożysk, wrzecion i sprzęgieł Połączenia ruchowe maszyn ..................................................... 1 Łożyska toczne ............................................................................... 1 Łożyska ślizgowe ........................................................................... 4 Wrzeciona ........................................................................................ 6 Sprzęgła ............................................................................................ 7 Klasyfikacja olejów maszynowych .......................................... 8 Oleje maszynowe .......................................................................... 8 Smarowanie łożysk, osi i sprzęgieł .......................................... 9 Smarowanie łożysk tocznych .................................................... 9 Smarowanie łożysk ślizgowych ................................................ 9 Smarowanie wrzecion ............................................................... 10 Smarowanie sprzęgieł ............................................................... 10 Kontrola jakości ........................................................................... 10 Dobór oleju ................................................................................... 10

X 10.1 10.2

Smarowanie prowadnic ślizgowych Połączenia prowadnicowe ......................................................... 1 Środki smarne do prowadnic ślizgowych ............................ 2

XI 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5

1 1 2 3

Ciecze do układów hydraulicznych Rodzaje napędów hydraulicznych .......................................... Układy hydrauliczne ..................................................................... Funkcje cieczy hydraulicznych ................................................. Ciecze hydrauliczne ...................................................................... Ocena właściwości użytkowych cieczy hydraulicznych .................................................................. 11.5.1 Metody laboratoryjne ................................................................. 11.5.2 Specjalne metody badań trudnopalnych cieczy hydraulicznych .................................................................. 11.6 Klasyfikacja cieczy hydraulicznych ......................................... 11.6.1 Mineralne ciecze hydrauliczne ................................................. 11.6.2 Inne rodzaje olejów hydraulicznych ...................................... 11.6.3 Trudnopalne ciecze hydrauliczne ........................................... 11.6.4 Biodegradowalne ciecze hydrauliczne .................................. 11.7 Czystość cieczy hydraulicznych ............................................... 11.7.1 Zanieczyszczenia cieczy hydraulicznych .............................. 11.7.2 Metody oceny czystości cieczy hydraulicznych ................. 11.7.3 Współczynnik filtracji i skuteczność filtracji ......................... 11.7.4 Filtrowalność cieczy hydraulicznych ...................................... 11.8 Warunki prawidłowej eksploatacji .......................................... 11.8.1 Nadzór nad filtrami ....................................................................... 11.8.2 Temperatura pracy ....................................................................... 11.8.3 Powietrze w układzie hydraulicznym .................................... 11.8.4 Uszczelnienia .................................................................................. 11.9 Dobór cieczy hydraulicznej ....................................................... 11.9.1 Parametry decydujące o doborze ........................................... 11.9.2 Warunki klimatyczne ................................................................... 11.9.3 Dobór lepkości oraz wskaźnika lepkości .............................. 11.9.4 Warunki pracy ................................................................................. 11.9.5 Stosowanie trudnopalnych cieczy hydraulicznych ........... 11.10 Zmiany jakości cieczy hydraulicznych podczas pracy ...... 11.11 Badania jakości cieczy hydraulicznych w trakcie pracy ............................................................................... 11.11.1 Badania w miejscu pracy ............................................................ 11.11.2 Kontrola okresowa ........................................................................

3 3 4 4 4 5 5 5 5 5 6 6 6 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 9 9 9 9 9

Rozdział I: Spis treści XII 12.1 12.2 12.3 12.3.1 12.3.2 12.3.3 12.3.4 12.3.5 12.3.6 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 12.8.1 12.8.2 12.8.3 12.8.4 12.8.5 12.8.6 12.9 12.9.1 12.9.2 12.9.3 12.9.4 12.10 12.10.1 12.10.2 12.10.3 12.10.4 12.10.5. 12.10.6 12.10.7 12.10.8 12.10.9 12.11 12.12 12.12.1 12.12.2 12.12.3 12.13 12.13.1 12.13.2 12.13. 3 12.13.4 12.14 12.14.1 12.14.2 12.15 12.16 12.16.1 12.16.2 12.16.3

Ciecze do obróbki metali Obróbka powierzchniowa metali ............................................ 1 Chłodzenie ....................................................................................... 1 Co to jest ciecz obróbcza?........................................................... 2 Oleje obróbcze ............................................................................... 2 Oleje emulgujące (koncentraty) i emulsje olejowe ........... 2 Mikroemulsje .................................................................................. 3 Roztwory substancji chemicznych .......................................... 3 Pasty ................................................................................................... 3 Gazy .................................................................................................... 3 Klasyfikacja cieczy obróbczych ................................................ 3 Funkcje cieczy obróbczych ........................................................ 4 Podstawowe właściwości użytkowe ....................................... 5 Skład cieczy obróbczych ............................................................ 5 Procesy biologiczne ..................................................................... 7 Rodzaje mikroorganizmów ........................................................ 7 Źródła zakażeń ............................................................................... 8 Skutki rozwoju mikroorganizmów .......................................... 8 Kontrola mikrobiologiczna chłodziw ..................................... 8 Pielęgnacja chłodziw ................................................................... 8 Mycie i odkażanie ......................................................................... 9 Sposoby pielęgnacji chłodziw .................................................. 9 Objawy niewłaściwej jakości chłodziw ................................. 9 Środki odkażające (biobójcze) .................................................. 9 Konserwacja chłodziw ............................................................... 11 Nadzorowanie stężenia emulsji ............................................. 11 Laboratoryjne metody badań ................................................. 11 Standardowe metody badań .................................................. 12 Specyficzne metody badań ..................................................... 12 Stężenie jonów wodorowych – pH ....................................... 12 Kontrola mikrobiologiczna ...................................................... 12 Współczynnik załamania światła ........................................... 13 Pomiar stężenia metodą wysalania .......................................13 Działanie korodujące na stopy żelaza .................................. 13 Test na azotyny (nitrozoaminy) .............................................. 13 Kontrola twardości wody ......................................................... 13 Dobór cieczy obróbczych do zastosowań ..........................14 Zalecenia praktyczne ................................................................. 14 Jakość wody .................................................................................. 14 Sporządzanie emulsji i przygotowanie maszyny ............ 14 Utylizacja zużytej emulsji.......................................................... 15 Ciecze do wytłaczania ............................................................... 15 Wytłaczanie ................................................................................... 15 Smarowanie w procesach wytłaczania ............................... 16 Środki smarowe do procesów wytłaczania ....................... 16 Praktyka eksploatacyjna ........................................................... 17 Walcowanie ................................................................................... 17 Smarowanie w procesach walcowania ............................... 18 Środki smarne do procesów walcowania ........................... 18 Obróbka elektroerozyjna .......................................................... 18 Bezpieczeństwo pracy ............................................................... 19 Problemy toksyczności cieczy obróbczych ........................ 19 System oczyszczania .................................................................. 23 Podstawowe zasady bezpieczeństwa i higieny pracy ............................................. 23

XIII 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5

Ciecze izolacyjne Klasyfikacja cieczy izolacyjnych ............................................... Zastosowania cieczy izolacyjnych .......................................... Metody badań ................................................................................ Właściwości cieczy izolacyjnych .............................................. Problem PCB ...................................................................................

1 1 2 3 4

XIV 14.1 14.2 14.3 14.4

Smarowanie układów pneumatycznych Napędy i układy pneumatyczne .............................................. Smarowanie urządzeń pneumatycznych ............................. Klasyfikacja ...................................................................................... Dobór .................................................................................................

1 2 4 4

XV 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 XVI 16.1 16.2 16.3 16.4

Ciecze do przenoszenia ciepła Olejowe nośniki ciepła ................................................................ Parametry charakteryzujące jakość olejowych nośników ciepła ............................................................................. Klasyfikacja olejowych nośników ciepła ............................... Układy przenoszenia ciepła ....................................................... Dobór olejowych nośników ciepła ......................................... Uwagi o bezpieczeństwie pracy ..............................................

1 2 4 4 4 5

16.5 16.6 16.6.1 16.6.2 16.7 16.8

Środki czasowej ochrony metali przed korozją Korozja .............................................................................................. 1 Metody przeciwdziałania korozji metali ............................... 3 Środki czasowej ochrony metali przed korozją .................. 4 Klasyfikacje środków ochrony czasowej metali przed korozją .................................................................................. 6 Rozpuszczalniki .............................................................................. 7 Metody kontroli jakości .............................................................. 8 Metody standardowe .................................................................. 8 Metody specyficzne ..................................................................... 9 Wymagania ................................................................................... 10 Dobór do zastosowań ............................................................... 10

XVII 17.1 17.2 17.2.1 17.2.2 17.3 17.3.1 17.3.2 17.4 17.4.1 17.4.2 17.5 17.5.1 17.5.2 17.6 17.7

Smarowanie turbin Turbiny .............................................................................................. Turbiny parowe .............................................................................. Budowa i zasada działania ......................................................... Smarowanie turbin parowych .................................................. Turbiny gazowe ............................................................................. Budowa i zasada działania ......................................................... Smarowanie turbin gazowych ................................................. Obiegi kombinowane .................................................................. Budowa i zasada działania ......................................................... Smarowanie obiegów kombinowanych ............................... Turbiny hydrauliczne ................................................................... Budowa i zasada działania ......................................................... Smarowanie turbin hydraulicznych ........................................ Oleje turbinowe ............................................................................. Turbinowe silniki lotnicze ..........................................................

XVIII 18.1 18.2 18.3 18.3.1 18.3.2 18.3.3 18.4 18.5 18.6

Oleje do obróbki cieplnej metali Hartowanie ...................................................................................... 1 Klasyfikacja płynów hartowniczych ....................................... 4 Oleje hartownicze ......................................................................... 5 Skład chemiczny olejów hartowniczych ............................... 5 Dodatki do olejów hartowniczych .......................................... 5 Wymagania stawiane olejom hartowniczym ...................... 6 Specyficzne metody badań ....................................................... 7 Ocena jakości oleju podczas pracy ......................................... 9 Pielęgnacja olejów hartowniczych podczas pracy .......... 10

XIX 19.1 19.2

Smary plastyczne Skład i budowa smarów plastycznych ................................... 1 Klasyfikacja smarów plastycznych ze względu na rodzaj zagęszczacza ....................................... 2 Smary mydlane .............................................................................. 2 Smary zawierające zagęszczacze mieszane ......................... 2 Smary węglowodorowe ............................................................. 3 Smary z zagęszczaczami nieorganicznymi .......................... 3 Smary z zagęszczaczami polimerowymi .............................. 3 Dodatki ............................................................................................. 3 Wymagania stawiane smarom plastycznym ....................... 5 Podstawowe pojęcia i metody oceny jakości ..................... 5 Klasyfikacja według konsystencji ............................................ 8 Klasyfikacja według przeznaczenia ........................................ 8 Zastosowania smarów plastycznych ...................................... 9 Ogólne zasady doboru smarów plastycznych do zastosowań ............................................................................. 10 Smarowanie łożysk tocznych .................................................. 10

19.2.1 19.2.2 19.2.3 19.2.4 19.2.5 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7 19.8 19.9 19.10

I

1 1 1 2 3 3 3 4 4 4 4 4 4 5 8

5

XX 20.1 20.2 20.3 20.3.1 20.3.2 20.4 20.5 20.5.1 20.5.2 20.5.3 20.5.4 20.5.5 20.5.6 20.5.7 20.5.8 20.5.9 20.5.10 20.5.11 20.5.12 20.5.13 20.5.14 20.6

6

Rozpuszczalniki i ciecze specjalne Klasyfikacja rozpuszczalników ................................................. 1 Budowa chemiczna i podstawowe właściwości rozpuszczalników ................................................. 2 Metody badań rozpuszczalników i cieczy specjalnych ...................................................................... 3 Podstawowe metody badań .................................................... 4 Specyficzne metody badań ...................................................... 4 Asortyment rozpuszczalników i cieczy specjalnych ......... 7 Właściwości i zastosowania rozpuszczalników i cieczy specjalnych .................................. 8 Benzyny ekstrakcyjne .................................................................. 8 Benzyny lakiernicze (lakowe) .................................................... 8 Nafty oczyszczone ........................................................................ 9 Rozpuszczalniki aromatyczne .................................................. 9 Rozpuszczalniki izoparafinowe i cykloparafinowe ......... 10 Plastyfikatory ................................................................................ 10 Rozpuszczalniki do farb drukarskich .................................... 11 Oleje wiertnicze ........................................................................... 11 Oleje fluksowe .............................................................................. 11 Ciecze do mycia i odtłuszczania ............................................ 11 Agrochemia ................................................................................... 12 Lekkie oleje procesowe ............................................................. 12 Średnie oleje procesowe .......................................................... 12 Oleje parafinowe białe .............................................................. 13 Użytkowanie zbiorników i pojemników do cieczy specjalnych ................................................................ 14

XXI 21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6 21.7

Środki smarne dla przemysłu spożywczego Problem środków smarnych ..................................................... Analiza zagrożeń ........................................................................... Prawodawstwo i normy .............................................................. Konstrukcja maszyn ..................................................................... Środki smarne dla przemysłu spożywczego ....................... Skład chemiczny ............................................................................ Zasady stosowania .......................................................................

XXII 22.1 22.2 22.3 22.4 22.5 22.6

Nadzór nad stanem maszyny i oleju Systemy nadzoru nad stanem maszyny ................................ 1 Proces zużywania maszyny podczas eksploatacji ............. 1 Zmiany jakościowe oleju podczas pracy .............................. 2 System analiz laboratoryjnych ................................................. 3 Działanie systemu LUBIANA ...................................................... 9 Działania zaradcze ...................................................................... 11

I

1 1 2 3 3 4 4

XXIII 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5 23.6 23.7 23.8 23.9 23.10 23.10.1 23.10.2 23.10.3 23.10.4 23.11 23.12 23.13 23.14 23.15 23.16 23.17 23.18 23.19 23.20 23.21 23.22 23.23 23.24 23.25 23.26 23.27 23.28 23.29 23.30 23.31 23.32 23.33

Jednostki miar najczęściej stosowane w technice smarowniczej Międzynarodowy Układ Jednostek Miar SI .......................... 1 Długość ............................................................................................. 1 Pole powierzchni (powierzchnia) ............................................ 2 Objętość ........................................................................................... 2 Masa ................................................................................................... 2 Czas .................................................................................................... 2 Prąd elektryczny ............................................................................ 3 Temperatura .................................................................................... 3 Liczność materii ............................................................................. 3 Gęstość i ciężar właściwy ............................................................ 3 Gęstość (masa właściwa) ............................................................ 3 Gęstość względna ......................................................................... 4 Ciężar właściwy .............................................................................. 4 Ciężar właściwy względny ......................................................... 4 Lepkość dynamiczna .................................................................... 4 Lepkość kinematyczna ................................................................ 4 Lepkość względna ........................................................................ 4 Światłość .......................................................................................... 4 Prędkość (liniowa) ......................................................................... 5 Prędkość obrotowa ....................................................................... 5 Częstotliwość ................................................................................. 5 Siła ...................................................................................................... 5 Ciśnienie ........................................................................................... 5 Energia, praca ................................................................................. 5 Moc ..................................................................................................... 6 Ładunek elektryczny .................................................................... 6 Napięcie elektryczne .................................................................... 6 Opór elektryczny ........................................................................... 6 Przewodność elektryczna .......................................................... 6 Strumień masy ............................................................................... 6 Strumień objętości ........................................................................ 6 Pojemność cieplna ....................................................................... 7 Pojemność cieplna właściwa .................................................... 7 Pojemność cieplna molowa ...................................................... 7 Przewodność cieplna .................................................................... 7 Przewodność cieplna właściwa ................................................ 7 Współczynnik załamania ............................................................ 7 Bibliografia ................................................................... 8

Rozdział I: Spis treści

Rozdział I

OZNACZENIA, SKRÓTY I AKRONIMY STOSOWANE W TEKŚCIE

A – rodnik arylowy (aromatyczny) AFNOR – (Association Française de Normalisation) - Francuski Komitet Normalizacyjny AGMA – (American Gear Manufacturers Association) – Amerykańwwwwskie Stowarzyszenie Producentów Przekładni, symbol normy AGMA AP – (aniline point) – punkt anilinowy API – (American Petroleum Institute) – Amerykański Instytut Naftowy °API – stopnie skali gęstości API AU – (polyester urethanes) – estry poliuretanowe ASTM – (American Society for Testing and Materials) – Amerykańskie Stowarzyszenie ds. Badań i Materiałów, symbol normy ASTM AW – (antiwear) – dodatek przeciwzużyciowy, właściwości przeciwzużyciowe AVP – (absolute vapour presure) – absolutna prężność par AVSP – (air saturated vapour presure) – prężność par nasyconych powietrzem

EN EN EP

BI BS BS

– (bromine index) – liczba bromowa – (British Standard) – Norma Brytyjska – (Bright Stock) – brightstock

c CEN

COO CR

– ciepło właściwe – (Comité Européen de Normalisation) – Europejski Komitet Normalizacyjny – (cold filter plugging point) – temperatura blokowania zimnego filtru – układ jednostek: centymetr, gram, sekunda – (cetane number) – liczba cetanowa – (Cleveland Open Cup) – temperatura zapłonu w tyglu otwartym wg Cleveland – frakcja ciężkiego oleju opałowego – (chloroprene rubbers) – kauczuki chloroprenowe

HACCP – (Hazard Analysis and Critical Control Points) – system analizy zagrożeń w krytycznych punktach kontroli (żywności) He – liczba Hersey’a HRC – skala twardości Rockwell

d D DefStd DH DIN

– – – – –

CFPP CGS CN COC

Dn dn dv/dx

gęstość względna średnica zastępcza cząstki zanieczyszczenia stałego (Defence Standard) – Norma Obronna (brytyjska) średnica odkształcenia sprężystego Hertza (Deutsches Institut für Normung) – Niemiecki Instytut Normalizacyjny, symbol normy DIN – współczynnik prędkości łożyska – nominalna dokładność filtracji – gradient prędkości

E E ef

– lepkość względna Englera – energia – skuteczność (efektywność) filtracji

– symbol Normy Europejskiej – (estrification number) – liczba estrowa – (extreme presure) – właściwości przeciwzatarciowe, dodatek przeciwzatarciowy EP – (end point) – temperatura końca odparowania EPDM – (ethylene propylene dieneterpolimer rubbers) – kauczuki etylenowo-propylenowe EU – (polyether urethanes) – etery poliuretanowe F FAME FBP FPM G GC GOST

– siła – (fatty acid methyl ester) – ester metylowy kwasów tłuszczowych – (final boiling point) – temperatura końca destylacji – kauczuki fluorowe – ciężar – (gas chromatography) – chromatografia gazowa – (Gosudarstwiennyj Standard) – symbol normy państwowej ZSRR oraz Rosji

I I IH IBP IEC

– – – – –

II IIR IP

– – –

IR IR ISO

– – –

K

– kwasowość

L LC LDN

– praca – (liquid chromatography) – chromatografia cieczowa – lekki destylat naftowy

M

– moc

gęstość prądu, natężenie prądu przełożenie przekładni wskaźnik zużycia pod obciążeniem (initial boiling point) – temperatura początku destylacji (International Electrotechnical Commision) – Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna, symbol normy IEC (iodine index) – liczba jodowa (isobutene-izoprene rubbers) - kauczuki butylowe (Institute of Petroleum) – Instytut Naftowy (brytyjski), symbol normy IP (infrared) – spektroskopia w podczerwieni (isoprene rubber) – syntetyczne kauczuki izoprenowe (International Organization for Standardization) – Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna, symbol normy ISO

I

7

M M m MIL

– – – –

masa molowa moment siły, moment obrotowy masa (Military Specification) – symbol amerykańskiej specyfikacji wojskowej (m/m) – ułamek masowy MP – temperatura zapłonu w tyglu zamkniętym wg MartensPensk’y N N N n n NAS

– – – – – –

NBR

–

NLGI

–

NF NR

– –

OCP ON

SN SR SR SRA SFS SUS

– (International System of Units) – Międzynarodowy Układ Jednostek Miar – (styrene isoprene polymers) – polimery styrenowo-izoptrenowe – (saponification number) – liczba zmydlenia – (silicone rubbers) – kauczuki silikonowe, silikony – sekundy Redwooda (lepkość) – sekundy Redwooda Admirality (lepkość) – sekundy Saybolta Furol (lepkość) – sekundy Saybolta uniwersalne (lepkość)

T T t TAG

– – – –

SIP

TAN TBN TR

siła tarcia temperatura termodynamiczna, Kelwin temperatura Celsjusza (Tag Open Cup) – temperatura zapłonu w tyglu otwartym wg TAG – (total acid number) – całkowita liczba kwasowa – (total base number) – całkowita liczba zasadowa – (thiokole rubbers) – kauczuki polisiarczkowe

U UV

– napięcie elektryczne – (ultraviolet) – ultrafiolet

– (olefin copolymers) – kopolimery olefin – frakcja oleju napędowego

W WL

– ciężar produktu w powietrzu – wskaźnik lepkości

P p PAMA PAO PCB PCT PE pH PN PIB PP ppm Pr PTFE PU

– – – – – – – – – – – – – – –

V V VG VI (V/V)

– – – – –

ZDTP

– alkiloditiofosforan cynku

Q q

– ciepło – ciepło parowania

R R Re RVP

– – – –

S S SAE

– powierzchnia – siła ścinająca – (Society of Automobile Engineers) – Stowarzyszenie Amerykańskich Inżynierów Samochodowych, symbol normy SAE – (strong acid number) – liczba kwasowa mocnych kwasów – (strong base number) – liczba zasadowa mocnych zasad – (styrene butadiene rubbers) – kauczuki styrenowo butadienowe (Buna-S); kopolimery styrenowo-butadienowe

SAN SBN SBR

8

wartość siły reakcji normalnej (w procesach tarcia) zapotrzebowanie mocy, moc liczba cząstek zanieczyszczeń stałych prędkość obrotowa współczynnik załamania światła (National Aerospace Standard) – symbol normy Agencji Aeronautyki (USA) (nitryle-butadiene rubbers) – kopolimery butadienu i akrylonitrylu (Buna-N) (National Lubricating Greases Institute) – Narodowy Instytut Smarów (USA) (Norme Francaise) – Norma Francuska (natural rubbers) – kauczuki naturalne

SI

I

obciążenie ciśnienie (polyalkylmethaacrylates) – polialkilometaakrylany poli–alfa-olefiny polichlorowane bifenyle polichlorowane trifenyle polietylen ujemny logarytm ze stężenia jonów wodorowych symbol Polskiej Normy (polyisobutylene) – poliizobutyleny polipropylen (parts per milion) – części na milion liczba Prandtla (politetrafluoroethylene) – politetrafluoroetylen (teflon) poliuretan

refrakcja molowa rodnik alkilowy liczba Reynoldsa (Reid vapour pressure) – prężność par wg Reida

wydajność objętość (viscosity grade) – klasa lepkości (viscosity index) – wskaźnik lepkości ułamek objętościowy

%(m/m) – ułamek masowy wyrażony w procentach %(V/V) – ułamek objętościowy wyrażony w procentach α – rozszerzalność cieplna α – temperaturowy współczynnik zmian gęstości ßx – współczynnik filtracji δ – napięcie powierzchniowe γ – ciężar właściwy ∆p – różnica ciśnień ∆V – zmiana objętości σ – napięcie międzyfazowe θ – kąt zwilżania λ – przewodność cieplna µ – współczynnik tarcia ν – lepkość kinematycznaw η – lepkość dynamiczna η – sprawność ω – prędkość kątowa ρ – gęstość Ψ – wskaźnik spiętrzenia (sprężarki przepływowe) Φ – płynność , – współczynnik ściśliwości

Rozdział I: Spis treści

Rozdział I

WSTĘP

Rozwój przemysłu, jaki ma miejsce w ostatnich latach, spowodował również rozwój technik smarowniczych. Wiąże się to z doskonaleniem środków smarnych i innych cieczy eksploatacyjnych, a także konstrukcji urządzeń smarowych. Konstruktorzy maszyn i urządzeń oraz użytkownicy, słusznie traktują środki smarne jako element konstrukcyjny, często decydujący o trwałości i niezawodności maszyny lub środka transportu. Rozwój przemysłu i transportu pociąga za sobą rozwój asortymentu środków smarnych i cieczy eksploatacyjnych, metod ich badań oraz różnych urządzeń pomocniczych, doskonalących technikę smarowniczą. Powstała w ten sposób dziedzina techniki posługuje się specyficznymi metodami badań i własną terminologią. W wielu przypadkach obserwuje się trudności w porozumiewaniu się mechaników, użytkowników maszyn i środków transportu, technologów w przemyśle oraz specjalistów z zakresu płynów eksploatacyjnych tj. paliw płynnych, środków smarnych i innych cieczy roboczych. Wypełnienie powstałej luki jest podstawowym celem, niniejszej publikacji. Publikacja, według założenia, ma charakter popularno-techniczny i jest głównie przeznaczona dla użytkowników wyrobów koncernu TOTAL. Z tego względu nie stanowi opracowania uniwersalnego, obejmującego cały zakres technologii produkcji, sposobów stosowania oraz techniki smarowniczej. Ma ona na celu przybliżenie problematyki przemysłowych środków smarnych i innych cieczy eksploatacyjnych oraz wybranych technik smarowania, stosowanych głównie w przemyśle, ale także przez użytkowników wyrobów przemysłowych. Popularno-techniczny charakter opracowania oraz ograniczona objętość spowodowały konieczność zastosowania pewnych uproszczeń. Zechcą to wybaczyć specjaliści z zakresu przemysłu naftowego, dla których publikacja niniejsza, w zasadzie nie jest przeznaczona. Wydawca wyraża przekonanie, że przedstawiony materiał będzie pomocny inżynierom i technikom, w codziennej praktyce użytkowania płynów eksploatacyjnych i przyczyni się do uzyskania istotnych korzyści ekonomicznych.

I

9

NOTATKI

10

I

Rozdział II: Podstawy techniki smarowniczej

Rozdział II

PODSTAWY TECHNIKI SMAROWNICZEJ

Pod pojęciem smarowania, powszechnie rozumie się proces polegający na wprowadzeniu substancji smarującej pomiędzy współpracujące powierzchnie, dalej zwane skojarzeniem trącym1, w celu zmniejszenia oporów tarcia i procesów zużywania. Znajomość praw, jakie obowiązują w procesie smarowania pozwala na konstruowanie maszyn zużywających minimalną ilość energii podczas pracy i odznaczających się niezawodnością i trwałością. Jedną z dziedzin działalności ludzkiej, w której smarowanie znalazło szerokie zastosowanie, są maszyny. Powszechnie przyjmuje się, że elementami konstrukcyjnymi maszyn są: urządzenia smarowe i środki smarne. Sposób doprowadzenia środka smarnego do skojarzenia trącego jest określany jako technika smarowania lub technika smarownicza.

2.1 Tarcie Wzajemnemu ruchowi dwóch stykających się ciał towarzyszą opory tarcia, których miarą jest siła tarcia T. Tarcie występujące w maszynach, w większości przypadków jest zjawiskiem niepożądanym w niektórych jednak konstrukcjach (hamulce, sprzęgła, napędy linowe, transportery, itp.) tarcie jest wykorzystywane do przeciwdziałania ruchowi lub zmiany prędkości względnej stykających się ciał. Tarcie – zjawisko fizyczne, przeciwdziałające względnemu ruchowi dwóch stykających się ciał, w rezultacie którego powstają opory tarcia, wyrażane siłami tarcia i mają miejsce procesy zużywania współpracujących powierzchni skojarzenia trącego. Opory tarcia – miara tarcia określana jako siła styczna, powstająca podczas przemieszczania współpracujących powierzchni skojarzenia trącego, względem siebie. Skojarzenie trące – styk współpracujących powierzchni elementów konstrukcyjnych maszyny. Z naukowego punktu widzenia procesem smarowania zajmuje się trybologia (zwana też tribologią2), a technicznymi rozwiązaniami w tej dziedzinie trybotechnika (tribotechnika). 2.1.1 Tarcie suche Jedną z form tarcia jest tarcie suche. Tarcie suche – tarcie występujące w skojarzeniu trącym, gdy współpracujące powierzchnie nie są rozdzielone całkowicie lub częściowo środkiem smarnym. Tarcie suche jest opisane prawami, dla których wyjaśnienie jest ujmowane następującymi teoriami: Tomilsona – tarcie jest rezultatem wzajemnego oddziaływania sił międzycząsteczkowych, jakie występują na trących się powierzchniach;

Dieragina – tarcie jest wynikiem pokonywania nierówności na powierzchniach trących ciał; Kragielskiego – tarcie jest wynikiem odkształcania materiału (spęcznianie spotęgowane powstawaniem fal odkształceniowych) w pobliżu powierzchni; Bowdena-Tabora – tarcie jest spowodowane powstawaniem i zrywaniem mikrospoin, występujących w punktach styku mikronierówności. Ze względu na ruch wyróżnia się: tarcie kinetyczne (ruchowe): ślizgowe i toczne oraz tarcie statyczne (spoczynkowe). Tarcie kinetyczne (ruchowe) – tarcie występujące w skojarzeniu trącym podczas względnego przemieszania się dwóch różnych ciał, jako tzw. tarcie zewnętrzne lub różnych części jednego ciała, jako tzw. tarcie wewnętrzne. W przypadku tarcia kinetycznego wyróżnia się tarcie ślizgowe i tarcie toczne. Tarcie ślizgowe – tarcie występujące w skojarzeniu trącym wówczas, gdy prędkość względna dwóch stykających się ciał jest różna od zera. Tarcie ślizgowe, zwane jest również tarciem posuwistym. Tarcie ślizgowe jest powszechnie spotykane w wielu mechanizmach maszyn: łożyskach ślizgowych, przekładniach zębatych, przekładniach pasowych, hamulcach tarciowych, niektórych typach sprzęgieł, podczas obróbki metali skrawaniem i wielu innych powszechnie znanych przypadkach. Tarcie toczne – tarcie występujące w skojarzeniu trącym wówczas, gdy jedno ze stykających się ciał toczy się po powierzchni innego, a prędkość względna obu ciał w punkcie styku jest równa zero. Ruch względny ciała toczącego się może być określony jako obrót dookoła kolejnych punktów styku. Tarcie toczne ma miejsce w przypadku, gdy jedno ze stykających się ciał toczy się po płaskiej lub krzywej powierzchni innego ciała bez poślizgu. Przykładem może być tarcie występujące podczas toczenia się kuli lub walca po płaskiej lub krzywej powierzchni. W praktyce eksploatacyjnej tarcie toczne występuje w wielu przypadkach, np.: q ruch koła pojazdu po powierzchni, q toczenie się kulek lub wałeczków po bieżni łożyska tocznego, q ruch walców po powierzchni walcowanej blachy, q ruch koła pasowego względem pasa transmisyjnego itp. 1 2

Przyjęty przez autorów termin „skojarzenie trące” w innych publikacjach jest określany jako: „węzeł tarcia” , „węzeł trybologiczny”. W niektórych publikacjach słowa „trybologia” i „trybotechnika” są pisane przez „i”: „tribologia” , „tribotechnika” obie pisownie mają swoje uzasadnienia. Autorzy w niniejszej publikacji słowa te piszą przez „y”; różnica pisowni, z merytorycznego punktu widzenia, nie ma żadnego znaczenia.

II

1

Tarcie statyczne (spoczynkowe) – tarcie występujące w skojarzeniu trącym wówczas, gdy dwa stykające się ciała są względem siebie w spoczynku. Ze względu na lokalizację wyróżnia się tarcie zewnętrzne oraz wewnętrzne. Tarcie wewnętrzne przeciwdziała odkształceniom materiału, jest przyczyną tzw. histerezy sprężystej, zmęczenia materiałów, tłumienia drgań, itp. 2.1.2 Tarcie płynne Tarcie wewnętrzne niekiedy jest utożsamiane z tarciem płynnym, występującym w obrębie płynu (gazu lub cieczy) i przeciwdziałającym wzajemnemu przemieszczaniu się „warstw” płynu. Tarcie płynne – tarcie występujące w skojarzeniu trącym, gdy współpracujące powierzchnie skojarzenia trącego są całkowicie rozdzielone przez środek smarny.

Rys. 2.1 Rodzaje tarcia A – tarcie suche; B – tarcie graniczne; C – tarcie półsuche; D – tarcie płynne 1 – środek smarny, 2 – film smarowy

2.1.3 Tarcie graniczne W przypadku, gdy między powierzchniami trących ciał znajduje się warstwa środka smarnego, zbyt cienka by wytworzyć tarcie płynne, wówczas ma miejsce tarcie graniczne. W tym przypadku, warstewka środka smarnego jest cieńsza niż suma wysokości nierówności, na trących powierzchniach. Tarcie graniczne – tarcie występujące w skojarzeniu trącym, gdy współpracujące powierzchnie skojarzenia trącego są częściowo oddzielone od siebie środkiem smarnym, a stykają się ze sobą tylko nierównościami. Niekiedy tarcie graniczne jest nazywane tarciem półsuchym. W procesach eksploatowania maszyn dopuszcza się jedynie tarcie płynne i tarcie graniczne. Tarcie suche jest zjawiskiem pożądanym tylko w szczególnych przypadkach (hamulce tarczowe, sprzęgła cierne itp.). Klasyfikację rodzajów tarcia przedstawiono w tabeli 2.1, a na rys. 2.1 przedstawiono schematy obrazujące podstawowe rodzaje tarcia. Od rodzaju tarcia i przyłożonego obciążenia zależy zużycie współpracujących powierzchni skojarzenia trącego, co ilustruje wykres przedstawiony na rys. 2.2. 2.1.4 Współczynnik tarcia Tarcie jest charakteryzowane parametrem zwanym współczynnikiem tarcia. Współczynnik tarcia (µ)– liczba bezwymiarowa, określana jako stosunek wartości siły tarcia (T) do wartości siły normalnej (N) do powierzchni, wyrażana zależnością (2.1): µ=

T

(2.1)

N

TABELA 2.1 Klasyfikacja rodzajów tarcia, ze względu na ruch i lokalizację (na podstawie Hebdy i Wachala) Kryterium podziału

Rodzaje tarcia Tarcie spoczynkowe

Ruch

Tarcie kinetyczne Zewnętrzne

Lokalizacja

2

II

Wewnętrzne

Tarcie toczne Tarcie suche

W ciałach stałych

Wyróżnia się współczynnik tarcia spoczynkowego, gdy stykające się powierzchnie mają wzajemną prędkość v = 0 oraz współczynnik tarcia dynamicznego, gdy ta prędkość jest różna od zera. Współczynnik tarcia statycznego jest wielkością mierzalną. Obrazuje to następujący klasyczny model pomiaru (rys. 2.3), oparty o zasadę równi pochyłej. Klocek leżący na równi pochyłej, wywierający na jej powierzchnię siłę G jest w spoczynku, dopóki kąt α jest mniejszy od pewnego kąta granicznego. Zsuwaniu się klocka przeciwdziałają opory tarcia, których wypadkową jest siła tarcia T. Dla określonego kąta, na sile G można zbudować równoległobok sił O, F, G, H. Uwzględniając zasady geometrii, zdefiniowany wcześniej współczynnik tarcia można opisać wzorem (2.2):

µ=

T N

=

G sin α = tg α G cos α

(2.2)

Równowaga sił na równi pochyłej będzie miała miejsce dotąd, dopóki kąt α nie przekroczy pewnej wartości granicznej αg, po osiągnięciu której klocek zacznie się zsuwać. Współczynnik tarcia statycznego jest określony wzorem (2.3):

Tarcie ślizgowe

W płynach

Rys 2.2 Zależność zużycia od rodzaju tarcia i obciążenia (linia ciągła) A – smarowanie hydrodynamiczne, B – smarowanie graniczne lub elastohydrodynamiczne, obszar zużycia adhezyjnego, C – obszar zacierania, D – zatarcie, Z – zespawanie; linią przerywaną oznaczono linię Hertza

Tarcie płynne Tarcie graniczne Odkształcenia plastyczne Odkształcenia sprężyste

μ = tg αg

(2.3)

W zależności od rodzaju występującego tarcia, wyróżnia się współczynnik tarcia ślizgowego, tocznego i statycznego.

Rozdział II: Podstawy techniki smarowniczej jest zmniejszenie oporów tarcia i zużywania elementów konstrukcyjnych maszyn. Ważnym zadaniem smarowania jest zabezpieczenie przed zacieraniem. Częścią maszyny, której zadaniem jest doprowadzenie środka smarnego do skojarzenia trącego, jest urządzenie smarowe. Urządzenie smarowe może również być odrębnym elementem maszyny, używanym okresowo do podawania środka smarnego do skojarzenia trącego. Sposób doprowadzenia środka smarnego do skojarzenia trącego jest określany jako technika smarowania.

Rys. 2.3 Model pomiaru współczynnika tarcia

2.2 Podstawowe rodzaje skojarzeń trących Skojarzenia trące są klasyfikowane na wiele sposobów. Podstawowa klasyfikacja, jest oparta o tzw. geometrię styku, wyróżnia się: q styk punktowy, q styk liniowy, q styk powierzchniowy. Styk punktowy występuje wówczas, gdy dwa współpracujące elementy skojarzenia trącego stykają się tylko w jednym punkcie. Przypadek taki ma np. miejsce, gdy skojarzeniem trącym jest kula i płaszczyzna lub dwie kule lub dwa skrzyżowane walce (przekładnia palcowa) itp. Styk liniowy występuje wówczas, gdy stykiem dwóch współpracujących elementów skojarzenia trącego jest linia. Może to być linia prosta, np. w przypadku styku walca z powierzchnią, dwóch walców, zębów przekładni walcowych o zębach prostych, w niektórych przypadkach, styk może być linią krzywą. Przypadki takie występują w różnego rodzaju przekładniach zębatych. Styk powierzchniowy występuje wówczas, gdy stykiem dwóch współpracujących elementów skojarzenia trącego jest powierzchnia. Przykładem występowania takiego styku może być sprzęgło tarczowe, przekładnia pasowa oraz prowadnice, suwaki itp. Od rodzaju styku zależą naciski jednostkowe. Przy jednakowej sile oddziaływującej prostopadle na dwa współpracujące elementy, największe siły jednostkowe występują w styku punktowym, a najmniejsze w styku powierzchniowym. Są to przykłady teoretyczne. W praktyce eksploatacyjnej zawsze występuje styk powierzchniowy – punkt ma określony promień, a linia określoną grubość.

Technika smarowania – sposób doprowadzenia środka smarnego do skojarzenia trącego, przy zastosowaniu urządzeń smarowych. Substancją, która jest wprowadzana do skojarzenia trącego w celu zmniejszenia tarcia i przeciwdziałania zacieraniu, jest środek smarny często nazywany smarem. Jako środki smarne są stosowane: q gazy, q ciecze: oleje smarne, emulsje chłodząco-smarujące, q substancje o konsystencji żelu, np. smary plastyczne, q substancje stałe: grafit, disiarczek molibdenu, azotek boru itp., a także niektóre metale (np. miedź, złoto). Środek smarny, smar – substancja wprowadzona pomiędzy dwie współpracujące powierzchnie skojarzenia trącego, w celu zmniejszenia oporów tarcia. Jako środek smarny jest stosowane wiele substancji o różnych właściwościach. Podstawową cechą charakteryzującą substancje smarne jest smarność. Smarność – zdolność środka smarnego do zmniejszania tarcia inaczej niż poprzez zmianę lepkości. Spośród dwóch substancji o jednakowej lepkości, w tych samych warunkach smarowania, lepszą smarność ma ta substancja, która bardziej zmniejszy tarcie występujące w skojarzeniu trącym. Smarność nie jest właściwością materii, ponieważ musi być odnoszona do właściwości i warunków pracy skojarzenia trącego: q geometrii styku, q nacisków jednostkowych, q prędkości przemieszczania współpracujących powierzchni, q temperatury, q właściwości materiału, z którego są wykonane współpracujące powierzchnie skojarzenia trącego, q ciśnienia, q składu chemicznego atmosfery w otoczeniu skojarzenia trącego. Smarność jest także określana jako właściwość substancji smarującej, charakteryzującej jej zachowanie w warunkach tarcia granicznego.

2.3 Smarowanie Tarcie powoduje straty energii, wzrost temperatury, zużywanie się powierzchni. W celu przeciwdziałania negatywnym skutkom tarcia stosuje się smarowanie substancjami zwanymi środkami smarnymi. W powszechnym rozumieniu, pod pojęciem smarowania rozumie się wprowadzanie substancji smarującej pomiędzy współpracujące powierzchnie skojarzenia trącego. Jest to czynność wykonywana przez urządzenie smarowe lub człowieka. Urządzenie smarowe – element konstrukcyjny maszyny służący do doprowadzania środka smarnego do skojarzenia trącego. Z technicznego punktu widzenia pod pojęciem smarowania rozumie się efekt obecności środka smarnego (smaru) w skojarzeniu trącym. Oczekiwanym efektem smarowania jest zmniejszenie współczynnika tarcia oraz spowolnienie procesów zużywania współpracujących powierzchni skojarzenia trącego. Smarowanie ma na celu zastąpienie zewnętrznego tarcia suchego tarciem wewnętrznym środka smarnego. Skutkiem smarowania

2.4 Procesy smarowania Celem smarowania jest uzyskanie tarcia płynnego. Może to być osiągnięte poprzez stworzenie warunków do smarowania: hydrostatycznego, hydrodynamicznego lub hybrydowego, łączącego oba wcześniej wymienione sposoby. Wyróżnia się również tzw. smarowanie elastohydrodynamiczne. 2.4.1 Smarowanie hydrostatyczne Smarowanie hydrostatyczne polega na wytworzeniu w skojarzeniu trącym, przy użyciu urządzeń zewnętrznych (np. pomp), ciśnienia środka smarnego, które rozdzieli obie smarowane powierzchnie w taki sposób, że między nimi będzie występować tarcie płynne. Zasadę smarowania hydrostatycznego, na przykładzie smarowania poprzecznego łożyska ślizgowego, przedstawiono na rys. 2.4. Zrównoważenie sił wypadkowych, działających na wał oraz sił

II

3

obciążone. Zapobiega to zużywaniu powierzchni trących wału i panwi w początkowym okresie pracy. Smarowanie hydrostatyczne występuje w różnych rozwiązaniach konstrukcyjnych, a także w warunkach naturalnych. Przykładem smarowania hydrostatycznego jest tarcie płynne, jakie ma miejsce między płynącą krą i dnem rzeki. 2.4.2 Smarowanie hydrodynamiczne

Rys. 2.4 Model smarowania hydrostatycznego poprzecznego łożyska ślizgowego A – przekrój poprzeczny łożyska ślizgowego, B – rozkład ciśnień w łożysku wywołany czynnikami zewnętrznymi; 1 – panew łożyska, 2 – wał łożyska, 3 – środek smarny, 4 – wlot środka smarnego, 5 – wylot środka smarnego

wyporu podnosi wał, co powoduje że między wałem 1 i panwią 2 ma miejsce tarcie płynne. Smarowanie hydrostatyczne najczęściej jest stosowane podczas rozruchu maszyn, których skojarzenia trące są bardzo silnie

Zasada smarowania hydrodynamicznego polega na rozdzieleniu współpracujących powierzchni skojarzenia trącego samoistnie powstającym klinem smarowym, w którym ciśnienie równoważy istniejące siły (obciążenia). Zasadę smarowania hydrodynamicznego, na przykładzie poprzecznego łożyska ślizgowego, przedstawiono na rys. 2.5. W stanie spoczynkowym (rys. 2.5A) wał leży na panwi, zanurzony w środku smarnym. W tym położeniu występuje tarcie spoczynkowe. Siły wyporu hydrostatycznego nie równoważą sił ciężkości. Początkowy obrót wału (rys. 2.5B) powoduje powstanie klina smarującego. Następuje uniesienie wału z jednoczesnym przemieszczeniem środka obrotu wału, na jedną ze ścian panwi. Dalszy obrót wału powoduje przemieszczenie klina smarującego, zgodnie z kierunkiem obrotu wału i jednoczesne przemieszczenie środka obrotu na drugą ze ścian panwi (rys. 2.5C). Przy pewnych obrotach wału, klin smarujący rozłoży się w miarę równomiernie tak, że obracający się wał nie będzie dotykać żadnej ze ścian panwi (rys. 2.5D). Model smarowania hydrodynamicznego poprzecznego łożyska ślizgowego, z zaznaczeniem sił występujących podczas obrotu wału, przedstawia rys. 2.6. Na rys. zaznaczono siły występujące w poprzecznym łożysku ślizgowym we wzdłużnym przekroju panwi (rys 2.6A) i w przekroju poprzecznym (rys 2.6B). W wyniku działania siły wyporu klina smarującego, wał zostaje uniesiony. Środek obrotu wału tylko nieznacznie jest przemieszczony względem geometrycznej osi panwi. W smarowaniu hydrodynamicznym siła wyporu, unosząca wał łożyska, powstaje samoistnie w rezultacie ruchu współpracujących wzajemnie przemieszczających się powierzchni wału i panwi. Przedstawiona zasada smarowania hydrodynamicznego dobrze tłumaczy fakt, że wał zużywa się na całej powierzchni walca, natomiast panew zużywa się tylko na powierzchni ograniczonej odcinkiem X-Y-Z. Jest to istotna wada tego rodzaju smarowania. Mimo tej wady, ze względu na prostotę rozwiązań konstrukcyjnych, jest to najczęściej stosowany sposób smarowania. w szczególnych przypadkach jest stosowane tzw. smarowanie hybrydowe. Smarowanie hybrydowe polega na jednoczesnym smarowaniu hydrostatycznym i hydrodynamicznym. Łączy ono zalety obu rodzajów smarowania, jednak w tym przypadku, rozwiązania konstrukcyjne są bardziej skomplikowane. W niektórych rozwiązaniach konstrukcyjnych maszyn, smarowanie hybrydowe jest stosowane tylko w okresie rozruchu maszyny, następnie po osiągnięciu warunków smarowania hydrodynamicznego, urządzenia zapewniające smarowanie hydrostatyczne są wyłączane. 2.4.3 Smarowanie elastohydrodynamiczne

Rys. 2.5 Tworzenie klina smarującego w poprzecznym łożysku ślizgowym A – położenie spoczynkowe, B, C – kolejne fazy rozruchu; tworzenie się klina smarującego, D – faza ustabilizowanej pracy łożyska

4

II

W niektórych rozwiązaniach konstrukcyjnych skojarzeń trących, np. w przekładniach zębatych, niektórych typach łożysk tocznych i ślizgowych, na krzywkach itp. może mieć miejsce specjalny proces smarowania, zwany smarowaniem elastohydrodynamicznym. W odpowiednio ukształtowanym skojarzeniu trącym powstaje wysokie ciśnienie, wskutek tego lepkość środka smarnego zwiększa

Rozdział II: Podstawy techniki smarowniczej

Rys. 2.7 Model smarowania elastohydrodynamicznego na przykładzie dwóch toczących się po sobie walców A – obracające się walce, B – rozkład ciśnienia w skojarzeniu trącym, 1– miejsca sprężystego odkształcenia warstw wierzchnich, 2– środek smarny Rys. 2.6 Model smarowania hydrodynamicznego poprzecznego łożyska ślizgowego A – przekrój wzdłużny łożyska ślizgowego, B – przekrój poprzeczny łożyska ślizgowego, 1 – panew łożyska, 2 – wał łożyska, 3 – środek smarny

się, a powierzchnie trące odkształcają się sprężyście (tzw. kontakt Hertza). Jest to powodem rozdzielenia smarowanych powierzchni skojarzenia trącego. Model smarowania elastohydrodynamicznego, na przykładzie toczących się po sobie walców, przedstawia rys. 2.7A. Rysunek 2.7B przedstawia rozkład ciśnień środka smarnego w takim skojarzeniu trącym. 2.4.4 Wykres Stribecka

czynnika tarcia μ od zmiennej nazywanej liczbą Hersey’a [He], określoną wzorem (2.4): He =

η.v P

(2.4)

gdzie: η – lepkość dynamiczna środka smarnego, v – prędkość przemieszczania się powierzchni skojarzenia trącego, P – obciążenie.

Czynnikami istotnie wpływającymi na zużycie ścierne współpracujących powierzchni skojarzenia trącego są: q lepkość dynamiczna środka smarnego (η), q grubość filmu smarującego (h), q prędkość wzajemnego przemieszczania się współpracujących powierzchni skojarzenia trącego (v), q obciążenie (P), q chropowatość powierzchni (R). Wzajemne powiązanie tych parametrów przedstawia rys. 2.8. Syntetyczne ujęcie zależności między wymienionymi parametrami opisuje tzw. wykres Stribecka, przedstawiony na rys. 2.9. Część A tego rysunku jest krzywą określającą grubość filmu olejowego w skojarzeniu trącym. Przebieg tej krzywej jest dowolny. W tym przypadku dobrany jest w taki sposób, aby uwidocznić grubość filmu olejowego h oraz wygodnie przenieść dane o grubości filmu z krzywej A na krzywą na rys. B. Wykres Stribecka przedstawia zależność współ-

Rys. 2.8 Parametry wpływające na współczynnik tarcia w skojarzeniu trącym 1, 2 – przemieszczające się elementy skojarzenia trącego, 3 – środek smarny

II

5

w smarowaniu granicznym, jest dużo mniejszy niż to ma miejsce w przypadku zwykłych olejów smarnych. Wykorzystanie zjawiska IMF™ pozwala na zmniejszenie energii niezbędnej do pokonania oporów tarcia oraz zmniejszenia zużycia smarowanych powierzchni, rezultatem jest oszczędność energii oraz zwiększenie trwałości eksploatacyjnej smarowanych układów. Zjawisko IMF™ jest wykorzystywane w nowoczesnych olejach; silnikowych, przekładniowych i innych, stosowanych do smarowania silnie obciążonych skojarzeń trących.

2.5 Ogólna charakterystyka środków smarnych

Rys. 2.9 Wykres Stribecka obrazujący zależność współczynnika tarcia od parametrów zdefiniowanych na rys. 2.8 A – grubość filmu smarującego, B – zależność współczynnika tarcia od liczby Herseya [He]

Na rys. 2.9 A zaznaczono charakterystyczne obszary tarcia i smarowania odniesione do grubości filmu smarującego (h) oraz chropowatości powierzchni (R): [1] – tarcie suche (h ® 0), [2] – tarcie graniczne (h ≤ R), [3] – tarcie mieszane (h »R), [4] – tarcie płynne – smarowanie elastohydrodynamiczne (h > R), [5] – tarcie płynne – smarowanie hydrodynamiczne (h >> R). Wielkość oznaczona na rys. 2.9 B [Hekr] odpowiada przejściu smarowania z zakresu tarcia mieszanego do zakresu tarcia płynnego. Systemy i urządzenia smarowe powinny w każdym momencie pracy skojarzenia trącego spełniać warunek (2.5): [He] > [Hekr]

(2.5)

Spełnienie tego warunku osiąga się przez odpowiedni dobór lepkości dynamicznej środka smarnego. Zapewnia to występowanie tarcia płynnego. Analogicznie przebiega proces smarowania w innych ślizgowych skojarzeniach trących, np. łożyskach ślizgowych. 2.4.5 Zjawisko tarcia międzycząsteczkowego Zjawisko tarcia międzycząsteczkowego (IMF™ – intra molecular friction) jest to zjawisko, polegające na takiej modyfikacji smarowania hydrodynamicznego i granicznego, która prowadzi do znacznych oszczędności energii dostarczanej do smarowanych skojarzeń trących, poprzez znaczne zmniejszenie współczynnika tarcia. Szczególną rolę w IMF™ odgrywają specjalne dodatki, tworzące warstewkę mocno związaną siłami fizykochemicznymi z trącymi powierzchniami metali skojarzenia trącego oraz struktura cząsteczkowa środka smarnego. W rezultacie udział tarcia suchego

6

II

Podstawowymi środkami smarnymi, stosowanymi do smarowania skojarzeń trących maszyn są oleje smarne, smary plastyczne, smary stałe. Niezależnie od rodzaju, środkom smarnym są stawiane następujące podstawowe wymagania: q powinny odznaczać się wymaganą smarnością, q nie powinny reagować z materiałami konstrukcyjnym, z którymi się kontaktują w skojarzeniu trącym, lub reagować w sposób kontrolowany, q powinny zachowywać swoje właściwości użytkowe, w możliwie długim okresie pracy, q nie powinny ulegać degradacji w trakcie składowania, q nie powinny wykazywać oddziaływań: toksycznych, mutagennych itp. oraz nie powinny zawierać składników niekorzystnie oddziaływujących na środowisko naturalne, q w warunkach użytkowania nie powinny stwarzać zagrożenia pożarowego, q powinny zachowywać wymagane właściwości użytkowe w całym zakresie temperatur i ciśnień występujących w trakcie pracy skojarzenia trącego, q ich utylizacja powinna być łatwa i mało kosztowna, q ich cena powinna być możliwie niska. Jednoczesne spełnienie przez środek smarny wszystkich wymienionych wymagań, w praktyce okazuje się niemożliwe lub bardzo kosztowne. Z tego względu, środkom smarnym są stawiane wymagania szczegółowe, które zazwyczaj są rezultatem wielu kompromisów miedzy potrzebami i możliwościami. Jest to zasadniczy powód istnienia bardzo wielu gatunków środków smarnych. Innym istotnym powodem są zachowania konkurencyjne firm produkujących środki smarne. 2.5.1 Oleje smarne Oleje smarne – ciecze, w warunkach stosowania, dostosowane do smarowania skojarzeń trących, z zastosowaniem określonej techniki smarowania i urządzeń smarowych. Od olejów smarnych wymaga się, odpowiednich do właściwego smarowania skojarzenia trącego: q właściwości reologicznych, q właściwości niskotemperaturowych, q właściwości smarnych i przeciwzużyciowych, q właściwości zapłonu i palenia, q stabilności termicznej i termooksydacyjnej, q stabilności chemicznej, q kompatybilności z materiałami konstrukcyjnymi, q minimalnej toksyczności i innych właściwości związanych z ochroną środowiska. W praktyce technologicznej wyróżnia się: Oleje podstawowe – oleje bezpośrednio otrzymywane z ropy naftowej lub surowców bitumicznych, w rezultacie zachowawczej lub przetwórczej przeróbki ropy naftowej lub odpowiednie związki syntetyczne. Oleje bazowe – oleje otrzymywane poprzez zmieszanie kilku różnych olejów podstawowych. Oleje smarne – oleje otrzymywane z olejów bazowych w rezultacie zmieszania olejów bazowych z dodatkami uszlachetniającymi,

Rozdział II: Podstawy techniki smarowniczej w procesie zwanym blendowaniem (blendingiem). Oleje smarne są końcowym wyrobem rafinerii lub zakładów zwanych blendowniami. Są to oleje gotowe do stosowania. Współcześnie, jako oleje smarne, są stosowane: oleje mineralne, oleje syntetyczne oraz emulsje olejowe. Oleje mineralne – ciecze, w warunkach stosowania, otrzymywane w wyniku komponowania olejów podstawowych lub tzw. olejów bazowych, pochodzących z zachowawczej lub przetwórczej przeróbki ropy naftowej lub surowców bitumicznych oraz dodatków uszlachetniających. Oleje mineralne stanowią większość współcześnie stosowanych olejów smarnych. W niektórych zastosowaniach ich właściwości eksploatacyjne są niewystarczające, wówczas są stosowane oleje syntetyczne. Oleje syntetyczne – ciecze, w warunkach stosowania, otrzymywane na drodze syntezy chemicznej lub na drodze głębokiej przeróbki przetwórczej surowców mineralnych. Współcześnie jako oleje syntetyczne znalazły zastosowanie: Syntetyczne oleje węglowodorowe – oleje smarne, których bazy stanowią węglowodory z hydrokrakingu lub produkty syntezy chemicznej, będące węglowodorami analogicznymi do występujących w ropie naftowej. Stanowią one mieszaniny niewielkiej liczby indywidualnych węglowodorów o pożądanych właściwościach. Do tej grupy olejów zalicza się oleje, dla których bazami są: poli-aolefiny, poli-izo-butyleny, alkilowane aromaty, a także niektóre inne węglowodory, otrzymywane na drodze syntezy. Właściwości reologiczne syntetycznych węglowodorów są zależne od: q długości łańcucha alkilowego, q liczby i długości podstawników alkilowych, q liczby pierścieni benzenowych. Ich właściwości termooksydacyjne są lepsze niż baz węglowodorowych, otrzymywanych w procesach zachowawczej przeróbki ropy naftowej. Syntetyczne bazy węglowodorowe są stosowane do produkcji olejów: silnikowych, przekładniowych i hydraulicznych oraz smarów plastycznych wówczas, gdy właściwości baz węglowodorowych są niewystarczające, np.: w przypadku olejów i smarów stosowanych w lotnictwie. Poli-α-olefiny (PAO) są to węglowodory otrzymywane w procesie oligomeryzacji α-olefin o długich liniowych łańcuchach R i następnie uwodornienie otrzymanego oligomeru do oligomeru nie zawierającego podwójnych wiązań, wg schematu przedstawionego wzorem (2.6). Katalizator

Ni lub Pd

R–CH=CH2 ® [oligomery nienasycone] ® [oligomery nasycone]

q q q q

olejów sprężarkowych, cieczy do obróbki metali, olejowych nośników ciepła, smarów plastycznych. PAO charakteryzują się:

niską temperaturą płynięcia (–60°C), wysokim wskaźnikiem lepkości (VI ≥ 135), małą lotnością, odpornością termooksydacyjną do temperatury 200°C. Dodatki o polarnej budowie cząsteczki typu: AW i EP, inhibitory utlenienia, inhibitory korozji itp. źle rozpuszczają się w PAO. Oleje, które zawierają wyłącznie PAO, niekorzystnie oddziałowują na niektóre elastomery uszczelnień, powodując ich skurcz. Z tych względów, jako bazy olejów smarnych, PAO są stosowane w mieszaninach z estrami. Poli-izo-buteny są to węglowodory otrzymywane w procesie polimeryzacji izobutenu, węglowodoru nienasyconego o budowie (2.8): q q q q

CH3 \ C = CH2 / CH3

(2.8)

Surowiec do polimeryzacji najczęściej zawiera również inne izomery butenu. Poli-izo-buteny wykazują większą odporność na utlenianie niż PAO i alkilowane aromaty. Poli-izo-buteny o masie cząsteczkowej z przedziału 300 … 6000 są stosowane jako dodatki poprawiające wskaźnik lepkości oraz składniki: q olejów silnikowych, q olejów przekładniowych, q olejów hydraulicznych, q olejów sprężarkowych, q cieczy do obróbki metali, q smarów plastycznych, q ochrony przeciwkorozyjnej lin stalowych. Alkilowane aromaty są to węglowodory otrzymywane w procesie reakcji benzenu z olefinami. Typową strukturę chemiczną alkilobenzenu z łańcuchem akilowym, składającym się z pierścienia benzenu i łańcuchów alikilowych, przedstawia wzór (2.9), gdzie: R1; R2; R3; R4 … – podstawniki alkilowe.

(2.6)

R1

H2

R2 Jako produkt jest otrzymywana mieszanina: monomerów, dimerów i polimerów o dłuższych łańcuchach. Jest ona rozdestylowywana na frakcje o lepkości kinematycznej w temperaturze 40°C: 2, 4, 6, 8, 10, 40, 100 mm2/s, handlowo oznakowywanych: jako PAO 4, PAO 6, itd. Budowę cząsteczki PAO przedstawia wzór (2.7): CH3–CH – (CH2–CH – CH2)x – CH2 I I I (CH)n (CH)n (CH)n I I I CH3 CH3 CH3

(2.7)

gdzie: n >/= 7; x = 1 … 4 PAO są stosowane jako oleje bazowe lub składniki olejów bazowych do otrzymywania: q olejów silnikowych, q olejów do turbinowych silników lotniczych, q olejów przekładniowych, q olejów hydraulicznych,

R4

R3

(2.9)

Alkilowane aromaty, ze względu na niższą cenę od pozostałych syntetycznych węglowodorów, są stosowane jako bazy wielu grup cieczy eksploatacyjnych np.: q olejów transformatorowych, q olejów hydraulicznych, q olejów do sprężarek chłodniczych, q olejowych nośników ciepła, oraz jako składnik innych, wysokiej jakości olejów przemysłowych. Oleje węglowodorowe z hydrokrakingu, są to mieszaniny węglowodorów otrzymywane jako ciężkie frakcje w procesie rozdestylowania produktów z hydrokrakingu. Nie zawierają węglowodorów aromatycznych, związków siarki i innych niestabilnych składników występujących w olejach naftowych. Oleje z hydrokrakingu odznaczają się dobrymi właściwościami reologicznymi i termooksydacyjnymi. Znajdują zastosowanie jako bazy wielosezonowych olejów silnikowych i przekładniowych,

II

7

a także innych olejów, od których są wymagane specjalne właściwości. Zaletą olejów z hydrokrakingu jest ich niższa cena niż innych węglowodorowych olejów syntetycznych, z tego względu są często składnikami innych olejów węglowodorowych. Oleje hydrosyntetyczne™ – są to oleje o wysokim wskaźniku lepkości (VI > 130), stanowiące mieszaniny baz olejowych z izohydrokrakingu, w ilości 80 … 95% i 5 … 20% syntetycznych estrów (tzw. bazy hydrosyntetyczne™). Hydroizomeryzowany węglowodorowy olej podstawowy jest otrzymywany w procesie hydrokrakingu połączonego z izomeryzacją, wobec specjalnych katalizatorów, w rezultacie czego uzyskiwany produkt ma doskonałe właściwości reologiczne i termooksydacyjne. Połączenie hydroizomeryzowanego oleju węglowodorowego z odpowiednio dobranym estrem syntetycznym pozwala na uzyskanie oleju bazowego, szczególnie przydatnego do zestawiania energooszczędnych olejów silnikowych, przekładniowych i innych. Oleje estrowe, dla których bazami są: Estry proste – estry alkoholi monowodorotlenowych i monokarboksylowych kwasów tłuszczowych o ogólnym wzorze (2.10): R1 – C – O – R2 || O

(2.10)

Estry proste znalazły zastosowanie jako bazy lub składniki baz wielu grup przemysłowych olejów syntetycznych oraz jako dodatki smarnościowe, przeciwkorozyjne oraz spęczniające niektóre elastomery. Diestry – estry alkoholi zawierających w cząsteczce dwie grupy wodorotlenowe i monokarboksylowych kwasów tłuszczowych lub estry alkoholi monowodorotlenowych i kwasów organicznych, zawierających w cząsteczce dwie grupy karboksylowe (dikarboksylowych). Przykładami tego typu związków mogą być związki o ogólnych wzorach (2.11 i 2.12). R1– C–O– CnH2n – O – C – R2 \\ \\ O O

(2.11)

diester alkoholu dihydroksylowego i kwasu monokarboksylowego R1– O–C– CnH2n – C – O – R2 \\ \\ O O

(2.12)

diester kwasu dikarboksylowego alkoholu monohydroksylowego Diestry znalazły szerokie zastosowanie jako bazy olejów syntetycznych do smarowania skojarzeń trących turbinowych silników lotniczych oraz w innych zastosowaniach, gdzie temperatury pracy oleju wahają się w szerokich granicach. Estry poliolowe (poliestry) – estry alkoholi wielowodorotlenowych i kwasów monokarboksylowych lub estry alkoholi jednowodorotlenowych i kwasów zawierających w cząsteczce kilka grup karboksylowych. Są to tzw. estry zablokowane (hindered esters), których cząsteczki są tak zbudowane, że dostęp czynników utleniających (tlenu z powietrza), do najbardziej wrażliwej części cząsteczki jest zablokowany przez ugrupowania atomów odpornych na utlenianie. Związki tego typu odznaczają się doskonałymi właściwościami reologicznymi, w szerokim zakresie temperatury od –60°C do + 225°C, dobrymi właściwościami smarnymi i termooksydacyjnymi. Przykładami tego typu związków, mogą być estry pentaerytrytolu lub trimetylolopropanu oraz monokarboksylowych kwasów tłuszczowych. Estry poliolowe jako bazy olejów syntetycznych znalazły szerokie zastosowanie do smarowania skojarzeń trących turbinowych silników lotniczych oraz w innych zastosowaniach, gdzie temperatury pracy oleju wahają się w szerokich granicach.

8

II

Estry kompleksowe – estry, których cząsteczki kwasów i alkoholi są przedzielone cząsteczką glikolu. Właściwości i zastosowania estrów kompleksowych są analogiczne jak estrów poliolowych. Estry fosforanowe – jedno, dwu, a najczęściej trójpodstawione estry kwasu fosforowego i alkoholi jednowodorotlenowych lub pochodnych fenolu. Są one otrzymywane w reakcji (2.13) tlenochlorku fosforu z alkoholem lub fenolem. POCl3 + R–OH ®(R–O–)3 P=O + 3 HCl

(2.13)

Odpowiedni dobór alkoholi i fenoli pozwala na modyfikację właściwości estrów. Wyróżnia się estry fosforanowe: q arylofosforanowe, w których R jest grupą arylową; są to ciecze o dużej lepkości, nierozpuszczalne w wodzie, rozpuszczalne w węglowodorach i estrach, o budowie wg wzoru (2.14): (Ar – O -)3 – P=O

(2.14)

q alkilofosforanowe, w których R jest grupą alkilową; są to ciecze o zróżnicowanej lepkości (w zależności od długości łańcucha w grupie R), rozpuszczalne w wodzie (gdy łańcuch R jest krótki) aż do nierozpuszczalnych w wodzie (gdy łańcuch R jest długi), rozpuszczalne w węglowodorach i estrach, o budowie wg wzoru (2.15): (R – O -)3 – P=O

(2.15)

q mieszane, alkilo-arylowe, w których jako R występują zarówno grupy arylowe jak i alkilowe, charakteryzujące się właściwościami pośrednimi. gdzie we wzorach (2.14 i 2.15): Ar – grupa arylowa, R – grupa alkilowa. Są to substancje trudnopalne, o konsystencji małolepkiej cieczy do ciała stałego i gęstości w przedziale 1000 … 1400 kg/m3. Temperatura samozapłonu jest wyższa od 600°C … 650°C, a temperatura płynięcia, w niektórych przypadkach, jest niższa od –65°C. Estry fosforanowe są stosowane jako: q bazy trudnopalnych syntetycznych olejów smarnych, do specjalnych zastosowań, q trudnopalne ciecze hydrauliczne lub składniki takich cieczy, q dodatki przeciwzużyciowe do cieczy hydraulicznych, olejów syntetycznych i mineralnych oraz smarów plastycznych, q zagęszczacze smarów plastycznych, q plastyfikatory. Z punktu widzenia zastosowań ważną właściwością estrów fosforanowych jest stabilność hydrolityczna. Zależy ona od budowy i wielkości podstawnika. Niekorzystny wpływ na stabilność hydrolityczną mają zanieczyszczenia w postaci mono- i diestrów. Hydroliza estrów fosforanowych prowadzi do kwasu fosforowego oraz mono- i diestrów, co zwiększa agresywność korozyjną, w stosunku do niektórych metali ale poprawia właściwości smarne oleju. Estry alkilofosforanowe wykazują dobrą stabilność termooksydacyjną do temperatury 125 … 150°C, a arylofosforanowe do temperatury 175°C. Do tych temperatur nie wykazują one agresywności korozyjnej. Powyżej tych temperatur ulegają one rozkładowi, z powstawaniem składników stanowiących zagrożenie korozyjne. Kontakt z takimi metalami jak: żelazo, miedź i glin pogarsza stabilność termooksydacyjną estrów. Wprowadzenie do składu oleju aminowych inhibitorów utlenienia i korozji istotnie poprawia stabilność termoksydacyjną nawet o 100 … 120°C. Estry fosforanowe odznaczają się bardzo dobrymi właściwościami smarnymi i przeciwzużyciowymi, stąd ich zastosowanie jako dodatków poprawiających właściwości smarne. Mogą być niekompatybilne z niektórymi elastomerami, stosowanymi jako

Rozdział II: Podstawy techniki smarowniczej uszczelki oraz lakierami. Tworzywa takie jak: nylon, żywice epoksydowe oraz żywice fenolowo-formaldehydowe są odporne na ich działanie, w zakresie dopuszczalnej temperatury pracy. Oleje silikonowe, silikony – ciekłe polimery, o całkowicie nieorganicznym szkielecie polisiloksanowym, w którym atomy krzemu są połączone poprzez atomy tlenu (... -Si-O-Si-O-...), a do atomów krzemu są przyłączone grupy metylowe (-CH3) – tzw. metylosilikony (wzór 2.16), lub analogiczne związki, w których część grup metylowych została zastąpiona grupami fenylowymi (-C6H5) – tzw. fenylosilikony (wzór 2.17). Jako oleje smarne największe zastosowanie znalazły metylosilikony oraz fenylosilikony. w węższym zakresie są stosowane także etylosilikony, zawierające w cząsteczce grupy etylowe (-C2H5). CH3 CH3 CH3 I I I CH3 – Si–O–[–Si – O]m– Si – CH3 I I I CH3 CH3 CH3 C6H5 CH3 C6H5 I I I – Si–O–[–Si – O]m– Si – O – I I I C6H5 CH3 CH3

(2.16)

(2.17)

Występujące w silikonach wiązanie Si–O– jest podatne na hydrolizę, w rezultacie której wydzielają się nierozpuszczalne w oleju żele. Z tego względu oleje polisiloksanowe nie powinny być stosowane w kontakcie z wodą, zwłaszcza w podwyższonych temperaturach. Oleje silikonowe nie rozpuszczają się w węglowodorach. Jednak do niektórych zastosowań są komponowane oleje stanowiące roztwory polietylosiloksanów i olejów mineralnych o charakterze parafinowym lub olejów syntetycznych węglowodorowych. Znalazły one również zastosowanie jako składnik specjalnych smarów plastycznych, przeznaczonych do skrajnych temperaturowych warunków pracy (lotnictwo, rakiety, maszyny pracujące w warunkach polarnych, itp.). Silikony, na granicy faz: olej – powietrze, wykazują znacznie większe napięcie powierzchniowe niż oleje mineralne, o zbliżonej lepkości. Są stosowane jako dodatki przeciwdziałające pienieniu olejów mineralnych. Estry krzemianowe – ciecze, w warunkach stosowania, będące estrami kwasu ortokrzemowego (ortokrzemiany), dikrzemowego (dikrzemiany) oraz alkoholi jednowodorotlenowych lub fenoli oraz mieszane. Są otrzymywane w wyniku reakcji tetrachlorku krzemu z alkoholami, fenolami lub związkami Grignarda, wg przykładowej reakcji (2.18): (2.18)

Ogólny wzór krzemianów przedstawia się następująco (2.19):

(2.19)

gdzie: m = 1 … n Właściwości estrów krzemianowych są uzależnione od: q długości łańcucha siloksanowego, q budowy podstawników R, q symetryczności cząsteczki. Poliglikole (polialkilenoglikole) – związki, otrzymywane w reakcji tlenków alkilowych: tlenku etylenu lub tlenku propylenu ze związkami zawierającymi aktywny wodór, przykładowo z wodą, alkoholami jedno lub wielowodorotlenowymi lub kwasami organicznymi, w obecności katalizatorów: NaOH lub KOH, wg przykładowej reakcji (2.20): O / \ m(CH2–CH2) + H2O ® HO–CH2– (–CH2–O–CH2– )m – CH2–OH tlenek etylenu

Oleje silikonowe charakteryzują się unikalnymi właściwościami wynikającymi z asymetrii budowy cząsteczki i oraz odporności chemicznej podstawników: hydrofobowością, stabilnością chemiczną, dużym wskaźnikiem lepkości, niską temperaturą płynięcia i szerokim zakresem dopuszczalnej temperatury pracy: q oleje metylosilikonowe (– 60°C … 200°C), q oleje fenylosilikonowe (–50°C … 250°C). Oleje metylosilikonowe podlegają rozkładowi termicznemu w temperaturze powyżej 300°C; oleje fenylosilikonowe powyżej temperatury 350°C. Powyżej tych temperatur polimeryzują, tworząc substancje żelowate. Jako inhibitory utlenienia siloksanów są stosowane niektóre związki żelaza i ceru, natomiast jako substancje przeciwdziałające żelowaniu, związki telluru oraz selenu. W kontakcie z chlorowcami, w szczególności z fluorem, siloksany mogą rozkładać się wybuchowo.

SiCl4 + 4R–OH ® Si(OR)4 + 4HCl

OR I R–(O–Si–)m– OR I OR

(2.20)

poliglikol etylenowy (diol)

W przypadku, gdy w ugrupowaniu atomów –CH2–CH2 – jeden lub więcej wodorów został zastąpiony podstawnikiem alkilowym (R), takie substancje są nazywane polialkilenoglikolami. W zależności od długości łańcucha, budowy grup alkilowych (R) oraz grup kończących łańcuch, są otrzymywane substancje ciekłe, aż do konsystencji wosku, o bardzo zróżnicowanych właściwościach: q lepkość kinematyczna, w temperaturze 40°C, w przedziale: 8 … 100 000 mm2/s, im większa masa cząsteczkowa tym większa lepkość, q wskaźnik lepkości 200 … 400, przy czym im większa masa cząsteczkowa tym większy wskaźnik lepkości, q temperatura płynięcia, w przedziale: –65 … +5°C; im większa masa cząsteczkowa tym wyższa temperatura płynięcia. W stosunku do olejów mineralnych o takiej samej lepkości poliglikole odznaczają się: q lepszymi właściwościami smarnymi, q lepszymi (bardziej płaskimi) charakterystykami lepkościowotemperaturowymi – większym wskaźnikiem lepkości, q niższymi temperaturami płynięcia, q mniejszą lotnością, q kompatybilnością z większością elastomerów, q brakiem agresywności korozyjnej w stosunku do metali. Jako bazy olejów syntetycznych najczęściej są stosowane poliglikole etylenowe i poliglikole propylenowe. Obowiązują przy tym następujące reguły ogólne: q wraz ze zwiększeniem długości łańcucha zwiększa się lepkość i wskaźnik lepkości, q diole i monoetery są rozpuszczalne w wodzie, q obecność na końcach łańcucha grup eterowych powoduje zmniejszenie lepkości i zwiększenie wskaźnika lepkości, reguła ta nie dotyczy polialkilenoglikoli mieszanych. W temperaturze powyżej 150 … 200°C polialkilenoglikole ulegają depolimeryzacji, a w obecności tlenu utlenieniu, w rezultacie powstają aldehydy i kwasy organiczne. Rozkład jest katalizowany przez niektóre metale. Przeciwdziałanie utlenianiu polega na wprowadzeniu do ich składu aminowych inhibitorów utlenienia. W składzie handlowych olejów polialkilenoglikolowych występują również dodatki EP oraz inhibitory korozji. Oleje na bazie polialkilenoglikoli są stosowane jako oleje: hy-

II

9

Poliglikole

Estry fosforanowe

Oleje fluorowe

Mineralna

qqqq

q

qqq

qqq

qqqq

qqqq

qqqqq

qq

Niskotemperaturowe

qqqq

qqqq

qqqqq

qqqq

qqq

qq

qqq

qq

Smarne

qqqq

qqqq

qqqq

qqqq

qqqqq

qqqq

qqq

qqq

Przeciwzużyciowe

qq

qqq

qq

qqq

qqqqq

qqqq

qqq

qqq

Termooksydacyjne

qqqq

qqq

qqqqq

qqqqq

qqqqq

qq

qqqqq

qq

q

q

q

q

q

qqqqq

qqqqq

q

Przeciwkorozyjne i przeciwrdzewne

qqqqq

qqqq

qqq

qqq

qqq

qq

qqq

qqqqq

Stabilność hydrolityczne

qqqqq

qqqqq

qq

qqq

qqqq

qqqq

qqqqq

qqqqq

Lotność

Odporność na palenie

Diestry

Właściwości

Alkilobenzeny

Reologiczne

Baza oleju

Poli–α–olefiny

Poliolestry

TABELA 2.2 Ocena właściwości eksploatacyjnych olejów z wybranych baz syntetycznych i mineralnej

qqqqq

qqq

qqq

qqq

qqq

qqq

qqq

qq

Kompatybilność z uszczelnieniami

qqq

qq

qq

qq

qqq

qq

qqqqq

qqqq

Mieszalność z olejami mineralnymi

qqqqq

qqqqq

qqq

qqq

q

q

q

qqqqq

q – złe, qq – dostateczne, qqq – średnie, qqqq – dobre, qqqqq – bardzo dobre

drauliczne, przekładniowe, sprężarkowe, a także specjalne oleje silnikowe, np. do silników samochodów i motocykli wyścigowych oraz innych silników bardzo wysilonych, eksploatowanych w krótkim czasie. Inhibitowane oleje poliglikolowe znalazły również zastosowania jako ciekłe nośniki ciepła, w układach pracujących do temperatury 250°C. Niektóre polialkilenoglikole są rozpuszczalne w wodzie. Rozpuszczalność w wodzie jest tym lepsza im większy jest udział w cząsteczce grup hydroksylowych (-OH). Wodne roztwory polialkilenoglikoli znajdują zastosowanie jako: q trudnopalne ciecze hydrauliczne, np. w elektrowniach, kopalniach itp. q ciecze do obróbki metali skrawaniem, q ciecze do odladzania pasów startowych, samolotów, sprzętu bojowego i innych obiektów, q ciecze obiegowe w układach chłodzenia. Polialkilenoglikole są trudnopalne. Wytrzymują długotrwałą pracę w temperaturze 150 … 200°C. W mieszaninach zawierających 50% wody są praktycznie niepalne. Z tego względu, na ich podstawie, są produkowane trudnopalne ciecze hydrauliczne. Większość olejów na bazie polialkilenoglikoli i wodne roztwory polialkilenoglikoli są nierozpuszczalne w olejach mineralnych, syntetycznych węglowodorowych, estrowych itp. z tego względu, w przypadku wymiany takiego oleju na polialkilenoglikolowy lub odwrotnie, wymagane są specjalne procedury czyszczenia układu z pozostałości poprzedniego oleju. Etery polifenylowe – organiczne związki chemiczne, w których pierścienie aromatyczne, najczęściej benzenowe, są połączone ze sobą wiązaniem eterowym, atomami tlenu. Wiązania eterowe, w stosunku do siebie mogą być usytuowane w położeniu orto-, meta- lub para-. W związkach stosowanych jako bazy olejów smarnych lub hydraulicznych liczba pierścieni aromatycznych nie przekracza sześciu. Pierścienie mogą posiadać różne podstawniki: alkilowe, chlorowce, chlorowcoalkilowe, grupę hydroksylową. Pozwala to na modyfikowanie właściwości oleju. Budowę eteru polifenylowego ilustruje wzór (2.21). _O_

_O_

II

F3C–O–[CF3–CF2–O]m–[CF2–O]n–CF3

(2.22)

CF3 I F3C–O–[CF–CF2–O]m–[CF2–O]n–CF3

(2.23)

(2.21)

Oleje na bazie eterów polifenylowych charakteryzują się doskonałymi właściwościami smarnymi w podwyższonych temperaturach do 200°C. Wykazują dobrą stabilność termiczną i termooksydacyjną. Mogą pracować przez długi okres czasu w temperaturach

10

rzędu 450 … 550°C. Wadą ich jest stosunkowo wysoka temperatura płynięcia (–10 … +5°C). Odznaczają się one nadzwyczajną odpornością na promieniowanie. Właściwości olejów polifenylowych oraz smarów plastycznych na ich bazie są powodem ich stosowania w technice kosmicznej, eksperymentalnej technice lotniczej oraz technice jądrowej. Przeszkodą w ich powszechnym stosowaniu jest wysoka cena. Fluoro – i chloropochodne węglowodorów – ciekłe związki chemiczne, pochodne węglowodorów parafinowych, naftenowych lub aromatycznych, w których atomy wodoru zostały podstawione atomami fluoru (F) lub chloru (Cl) lub obu tych pierwiastków. Są otrzymywane w wyniku fluorowania lub chlorowania odpowiednich węglowodorów lub polimeryzacji tetrafluoroetylenu (F2C=CF2). Jako bazy olejowe najszersze zastosowanie znalazły pochodne fluorowe i chlorowe węglowodorów aromatycznych. Fluorowane i chlorowane węglowodory odznaczają się dobrą stabilnością termiczną i termooksydacyjną. Mają bardzo dobre właściwości smarne. Wykazują stosunkowo złe właściwości reologiczne (mały wskaźnik lepkości i wysoka temperatura płynięcia). Nieco lepsze właściwości reologiczne mają oleje zawierające w cząsteczce jednocześnie atomy fluoru i chloru. Ważną ich cechą, decydującą o zastosowaniu tego typu olejów, jest brak palności. Oleje na bazie fluorowanych i chlorowanych węglowodorów są stosowane jako niepalne ciecze hydrauliczne w technice lotniczej i kosmicznej, a także jako niepalne nośniki ciepła pracujące w wysokich temperaturach i w warunkach dużego zagrożenia pożarowego. Perfluoropolietery – ciekłe związki chemiczne, pochodne polieterów. Są otrzymywane metodami analogicznymi jak polialkilenoglikole, w reakcji pochodnych fluorowych tlenków alkilowych ze związkami zawierającymi aktywny wodór, przykładowo z wodą, pochodnymi fluorowymi alkoholi lub kwasów organicznych, w obecności katalizatorów. Przykładami tego typu związków mogą być perfluoropolietery wg wzorów (2.22) i (2.23) :

i inne polietery, w których atomy wodoru zostały zastąpione atomami fluoru. Oleje tego typu odznaczają się bardzo dobrą odpornością

Rozdział II: Podstawy techniki smarowniczej

Oleje turbinowe

Oleje silnikowe

Oleje przekładniowe

Oleje specjalne

Ciecze hydrauliczne

Oleje sprężarkowe

Oleje maszynowe

Nośniki ciepła

TABELA 2.3 Zakres temperatury stosowania oraz zastosowanie olejów na bazach mineralnej i syntetycznych

Mineralna

+

+

+

+

+

+

+

+

Diestry

+

+

–

+

+

+

+

–

Estry poliolowe

+

+

+

+

+

+

–

–

Estry kompleksowe

+

+

+

+

+

+

–

–

Polialkilenoglikole

–

+

+

+

+

+

–

+

Estry fosforanowe

–

–

–

+

+

–

–

–

Estry krzemianowe

–

–

–

–

+

–

–

+

Silikony

–

–

–

+

+

–

–

+

Etery polifenylowe

+

–

–

–

+

–

–

+

Poli–α–olefiny

+

+

+

+

+

+

+

–

Zastosowanie

Baza

Temperatura, 0C

–100

–50

0

50

100

termiczną, są niepalne lub trudnopalne, mają stosunkowo małą lotność, a także bardzo dobre właściwości smarne. Są kompatybilne z większością powszechnie stosowanych elastomerów. Są nierozpuszczalne w bazach węglowodorowych, eterach polifenylowych, silikonach i estrach krzemianowych, a rozpuszczalne w bazach o budowie polarnej. Mają bardzo dobre właściwości dielektryczne, co pozwala na ich stosowanie jako cieczy izolacyjnych, pracujących w wysokich temperaturach. Ich wadą są wysokie ceny. Zastosowanie baz syntetycznych jako składników olejów wynika z ich specyficznych właściwości, dostosowanych do określonych warunków pracy. W tabeli 2.2 przedstawiono ocenę najważniejszych właściwości eksploatacyjnych, wybranych olejów syntetycznych w porównaniu z olejami mineralnymi, a w tabeli 2.3 zakres temperatury stosowania (szary pasek) oraz zastosowanie olejów na bazach syntetycznych i mineralnych. Coraz powszechniejsze zastosowanie, jako oleje podstawowe, znajdują ciekłe tłuszcze roślinne oraz estry alkoholi monowodorotlenowych i kwasów tłuszczowych, otrzymywanych z olejów roślinnych i tłuszczów zwierzęcych. Zaletą tego rodzaju olejów jest ich mała toksyczność, dobra biodegradowalność, a także odnawialność źródeł pochodzenia. W zależności od istniejących w określonym rejonie warunków uprawy, jako surowce do produkcji bazowych olejów roślinnych są stosowane tłuszcze roślinne, otrzymywane z nasion: q rzepaku, q słonecznika, q soi, q palmy i innych roślin. Porównanie eksploatacyjnych właściwości niektórych olejów roślinnych, w odniesieniu do oleju mineralnego, przedstawiono w tabeli 2.4. Oleje roślinne i estry kwasów tłuszczowych znajdują zastosowania w takich przypadkach, gdy od środka smarnego są wymagane:

150

200

50

300

350

400

450

TABELA 2.4 Porównanie właściwości eksploatacyjnych olejów mineralnych i roślinnych Baza oleju

Mineralna

Roślinna

Reologiczne

qq

qq

Niskotemperaturowe

qq

qq

Smarne

qqq

qqqq

Przeciwzużyciowe

qqq

qqq

Termooksydacyjne

qq

q

Właściwości

Odporność na palenie

q

q

Przeciwkorozyjne i przeciwrdzewne

qqqqq

qq

Stabilność hydrolityczna

qqqqq

q

qq

qqq

Lotność Kompatybilność z uszczelnieniami

qqqq

qq

Mieszalność z olejami mineralnymi

qqqqq

qqqq

q – złe, qq – dostateczne, qqq – średnie, qqqq – dobre, qqqqq – bardzo dobre

nietoksyczność i biodegradowalność. Aktualnie znajdują one zastosowane jako: q oleje hydrauliczne, q oleje maszynowe, q oleje technologiczne: natłustki, plastyfikatory, q składniki emulsji olejowych do uwalniania betonu z form, q składniki biodegradowalnych smarów plastycznych. W początkowym okresie rozwoju lotnictwa, aż do lat 60., jako olej do tłokowych silników lotniczych, był stosowany olej rycynowy, otrzymywany z nasion rącznika (Ricinus communis).

II

11

2.5.2 Smary plastyczne Smary plastyczne są to dyspersje stałych zagęszczaczy w fazie ciekłej. W skład smarów jako reguła, wchodzą trzy podstawowe składniki: q faza ciekła (osnowa) – 70 … 90%; (olej mineralny, syntetyczny, roślinny lub ich mieszaniny), q faza zdyspergowana, stała, zagęszczacz – 10 … 25%; (mydła metali, polimery, stałe węglowodory, a także substancje nieorganiczne np.: bentonity, żel krzemionkowy itp.) q dodatki poprawiające właściwości eksploatacyjne, modyfikatory struktury, wypełniacze – 1 … 15%; mogą być one zawarte zarówno w fazie ciekłej jak i w fazie stałej. Smary plastyczne są to tzw. roztwory koloidalne, których cząstki oleju są zawieszone w siatce stworzonej z cząstek zagęszczacza. Średnica kropelek oleju nie przekracza 1 mikrometra. Ich kształt jest zależny od charakteru zagęszczacza, ale także od sposobu otrzymywania, głównie szybkości schładzania, w procesie produkcji. Przykładowe schematy struktury typowych smarów plastycznych, przedstawiono na rys. 2.10. Rys. 2.10A przedstawia przykład struktury smaru, w którym siatkę tworzy zagęszczacz 2, w której to siatce są umieszczone mikroskopijne kropelki oleju 1. Dodatki 3 i 4 mogą być rozpuszczone lub zawieszone zarówno w oleju jak i w zagęszczaczu. Rys. 2.10B przedstawia budowę smaru o strukturze włóknistej. w smarze o takiej budowie cząsteczki zagęszczacza 2 mają strukturę włókien oddzielających kropelki oleju. W smarze takim dodatki 4 są zlokalizowane głównie w części olejowej. Lokalizacja dodatku ma istotne znaczenie dla właściwości smaru. Przykładowo inhibitor utlenienia powinien być w oleju, natomiast jest lepiej, gdy dodatek EP jest zlokalizowany w zagęszczaczu (patrz p. 2.5.3). Smary plastyczne są to ciecze nienewtonowskie (patrz p. 4.2). W odróżnieniu od cieczy newtonowskich, lepkość smarów plastycznych zależy nie tylko od temperatury i ciśnienia, ale także od

gradientu prędkości ścinania. Lepkość taka jest nazywana lepkością strukturalną. Właściwość ta pozwala na specjalne konstrukcje urządzeń smarowych i skojarzeń trących. W porównaniu z olejami smarnymi smary plastyczne odznaczają się następującymi właściwościami, będącymi przyczyną ich częstego stosowania: q stosunkowo małym zużyciem, q możliwością stosowania w konstrukcyjnie mniej skomplikowanych systemach smarowania, q dłuższym okresem wymiany. Bliższe dane dotyczące składu chemicznego, klasyfikacji, właściwości, smarów plastycznych podano w p. 19. 2.5.3 Dodatki uszlachetniające Oleje bazowe, zarówno mineralne jak i syntetyczne, w nielicznych tylko przypadkach spełniają wymagania, wynikające z warunków pracy we współczesnych urządzeniach technicznych. W celu dostosowania do stawianych wymogów, do olejów bazowych są wprowadzane dodatki uszlachetniające. Są to syntetyczne związki chemiczne, lub produkty przeróbki chemicznej surowców naturalnych. Wyróżnia się następujące, podstawowe rodzaje dodatków uszlachetniających: q inhibitory utlenienia, q modyfikatory właściwości reologicznych, q depresatory, q detergenty i dyspergatory, q deemulgatory i emulgatory, q smarnościowe, q przeciwzużyciowe, q przeciwzatarciowe, q modyfikatory tarcia, q inhibitory korozji i rdzewienia, q pasywatory, q przeciwpienne, q barwniki, q zapachowe, q wielofunkcyjne. Dodatki są wprowadzane do olejów w ilościach od kilku ppm do kilkunastu procent. Wprowadzenie do oleju jednocześnie kilku dodatków może powodować efekt synergizmu, korzystny lub antagonistyczny (np. wytrącanie jednego dodatku przez drugi). Dobór dodatków do olejów jest zagadnieniem trudnym, wymagającym skrupulatnych, niekiedy długotrwałych i kosztownych badań oraz optymalizacji składu oleju. Z tych względów, nie zaleca się samodzielnego wprowadzania do olejów smarnych różnego rodzaju dodatków eksploatacyjnych dostępnych na rynku. Wyróżnia się następujące, podstawowe grupy dodatków uszlachetniających: Inhibitory utlenienia – są to dodatki przeciwdziałające procesom utlenienia składników bazy olejowej. Destrukcja bazy olejowej może zachodzić wg dwóch podstawowych procesów: q utleniania składników bazy, w procesach reakcji z tlenem powietrza, q destrukcji składników bazy, w rezultacie działania wysokiej temperatury (kraking) i/lub mechanicznych sił ścinających. W praktyce eksploatacyjnej mechanizm utleniania jest dominujący. Składniki oleju w trakcie eksploatacji ulegają działaniu tlenu z powietrza. Proces ten nasila się wraz ze wzrostem temperatury. Sprzyja mu również katalityczne działanie niektórych metali. Prowadzi to do zwiększenia lepkości oraz do powstawania kwasów, żywic i osadów. Mechanizm procesu utleniania węglowodorów jest wieloetapowy. Pierwszy etap polega na tworzeniu wolnych rodników (R*) wg przykładowej dla węglowodorów reakcji (2.24):

Rys. 2.10 Przykłady struktury smarów plastycznych A– smar o budowie mazistej, B – smar o budowie włóknistej; 1 – olej, 2 – zagęszczacz, 3 – dodatki wchodzące w skład zagęszczacza, 4 – dodatki wchodzące w skład oleju

12

II

energia

R–H 3⁄43⁄43⁄4® R*

(2.24)

Rozdział II: Podstawy techniki smarowniczej Wolny rodnik alkilowy następnie reaguje z tlenem, wg reakcji (2.25), tworząc rodnik nadtlenkowy (ROO*), który w reakcji z kolejną cząsteczką węglowodoru tworzy kwas i kolejny rodnik alkilowy, wg reakcji (2.26). Reakcje te mają charakter łańcuchowy. R* + O2 ® ROO*

(2.25)

ROO* + R–H ® ROOH + R*

(2.26)

Zachodzą również reakcje (2.27) spowalniające procesy utleniania, polegające na łączeniu się rodników alkilowych w cząsteczki węglowodorów, na ogół o właściwościach odmiennych niż występujące w oleju świeżym. R1* + R2* ® R1–R2

(2.27)

Niektóre z produktów utlenienia węglowodorów mają charakter kwaśny lub łatwo przechodzą w takie związki, co jest powodem zwiększania liczby kwasowej większości olejów smarnych, podczas eksploatacji. Procesy utleniania olejów na innych bazach mają przebieg analogiczny. Ponadto, składniki baz olejów estrowych lub dodatki o charakterze estrów, mogą ulegać hydrolizie, co również prowadzi do zwiększenia zawartości kwasów. W celu przeciwdziałania utlenianiu składników baz olejowych, do ich składu są wprowadzane związki chemiczne zwane inhibitorami utlenienia. W niektórych produktach naftowych występują także naturalne inhibitory utlenienia. Często są one usuwane wraz ze składnikami niekorzystnymi dla jakości gotowego wyrobu lub np. ze względów ekologicznych (związki siarki i azotu w procesach oczyszczania wodorem). Wyróżnia się inhibitory utlenienia: q niskotemperaturowe, działające inhibitująco w zakresie temperatur do około 50°C, których działanie uwidacznia się podczas magazynowania oleju, q wysokotemperaturowe, działające w trakcie eksploatacji. Jako inhibitory utlenienia jest stosowanych wiele związków organicznych, o dość złożonej budowie cząsteczki. Mechanizm ich działania polega na przerwaniu reakcji łańcuchowej poprzez reakcję z rodnikami lub na dekompozycji powstających nadtlenków. Jako inhibitory utlenienia najczęściej są stosowane następujące grupy związków chemicznych: q alkiloditiofosforany cynku (ZDTP), q pochodne alkilowe fenoli, q aminy aromatyczne, q organiczne pochodne siarki, TABELA 2.5 Budowa oraz podstawowe zastosowania poszczególnych grup inhibitorów utlenienia Podstawowe zastosowania

Grupa inhibitorów

Wzór chemiczny

Alkiloditiofosforany cynku ZDTP

R1 – O \ S= P–S– – Zn / R2 – O n

q oleje silnikowe, q oleje przekładniowe, q oleje hydrauliczne, q oleje przemysłowe.

Pochodne alkilowe fenoli (alkilofenole)

OH

q oleje hydrauliczne, q oleje turbinowe, q oleje do silników z zapłonem iskrowym, q oleje do tłokowych silników lotniczych.

R1

R2

CH3 Aminy aromatyczne NH R

Organiczne pochodne siarki

R1–S–(CH2)n–S–R2

q oleje do turbinowych silników lotniczych, q oleje hydrauliczne, q oleje przemysłowe R q niektóre oleje silnikowe, q smary plastyczne. q oleje przemysłowe, q smary plastyczne.

q kompozycje składające się z dwóch lub więcej inhibitorów o różnym mechanizmie działania. Alkiloditiofosforany cynku współcześnie są najczęściej stosowaną grupą inhibitorów utlenienia. Są one stosowane zarówno w składzie olejów silnikowych jak i niektórych przemysłowych, głównie w tych przypadkach, gdy jest możliwe stosowanie dodatków tworzących w procesach spalania popiół. W przeciwnych przypadkach, są stosowane tzw. bezpopiołowe inhibitory utlenienia, tzn. takie które w cząsteczce nie zawierają atomów metali. Działanie inhibitorów utlenienia, typu ZDTP, polega na przerwaniu łańcucha reakcji przedstawionych wzorami (2.29 … 2.33), poprzez rozkład nadtlenków oraz blokowaniu reakcji tworzenia się wolnych rodników lub przyśpieszania reakcji (2.27) ich łączenia. Mechanizmy działania innych typów inhibitorów utlenienia są analogiczne. w zależności od przeznaczenia oleju są stosowane różne grupy inhibitorów utlenienia, a niekiedy ich kompozycje, np. inhibitor niskotemperaturowy + wysokotemperaturowy. Budowę chemiczną oraz podstawowe zastosowania poszczególnych grup inhibitorów utlenienia, przedstawiono w tabeli 2.5. Inhibitory utlenienia są wprowadzane do współczesnych ciekłych paliw, rozpuszczalników, olejów smarnych, smarów plastycznych i innych cieczy eksploatacyjnych, w stężeniach od 0,1 do 3%. Efektem działania inhibitorów utlenienia jest spowolnienie procesów prowadzących do zwiększania: lepkości, liczby kwasowej, zawartości żywic oraz wytrącania osadów, co w efekcie prowadzi do wydłużenia okresu wymiany oleju i zwiększenia okresu żywotności maszyny, a także wydłużenia dopuszczalnego okresu magazynowania. W przypadku olejów na bazach estrowych, niektóre inhibitory utlenienia przeciwdziałają hydrolizie estrów. Modyfikatory właściwości reologicznych (modyfikatory lepkości) – są to wielkocząsteczkowe polimery, o masie cząsteczkowej 10 000 … 25 000 g/mol. Rozpuszczone w oleju podstawowym w stężeniu 0,5 … 25%(V/V) zwiększają jego lepkość i wskaźnik lepkości. Wyróżnia się zagęszczacze (dodatki zagęszczające), których główną funkcja jest zwiększenie lepkości oleju oraz wiskozatory, które obok zwiększania lepkości bazy oleju, zwiększają również jego wskaźnik lepkości. Niektóre dodatki tego rodzaju obniżają również temperaturę płynięcia oleju, działając analogicznie jak depresatory. Mechanizm działania zagęszczaczy polega na utrudnieniu ruchów stosunkowo małych cząsteczek oleju, co objawia się zwiększeniem lepkości. Mechanizm działania wiskozatorów jest nieco odmienny. Łańcuchy polimerów w niskich temperaturach są zwinięte w kłębuszki. Podwyższenie temperatury powoduje ich rozwinięcie w niteczki. Zjawisko to jest powodem, że wiskozatory w wyższych temperaturach relatywnie bardziej zwiększają lepkość niż w niskich. Prowadzi to zarówno do zwiększenia lepkości jak i wskaźnika lepkości. Przy czym, im większa masa cząsteczkowa polimeru, tym efekt jego działania jest większy. Mechanizm działania wiskozatorów przedstawia rys. 2.11. Polimery pod wpływem działania sił ścinających oraz wysokiej temperatury ulegają rozerwaniu na mniejsze cząsteczki, przy czym proces ten zachodzi, tym bardziej intensywnie, im jest większa masa cząsteczkowa polimeru. Zależność tę ilustruje rys. 2.12. Z tego względu polimery o dużych masach cząsteczkowych są stosowane w ograniczonym zakresie. Zjawisko ścinania polimerów zawartych w środkach smarnych, bardziej szczegółowo przedstawiono w p. 4.11. Jako modyfikatory właściwości reologicznych olejów najczęściej są stosowane następujące rodzaje polimerów: q kopolimery olefin (OCP – olefin copolymers) – oleje silnikowe i hydrauliczne, q polialkilometakrylany (PAMA – polyalkylmethacrylates) – oleje przekładniowe i hydrauliczne, q poliizobutyleny (PIB – polyisobutylene) – oleje przekładniowe, q kopolimery styrenowo-izoprenowe (SIP – styrene isoprene polymers) – oleje silnikowe, q kopolimery styrenowo-butadienowe (SBR – styrene butadiene rubbers) – oleje silnikowe.

II

13

Rys. 2.11 Mechanizm działania wiskozatorów. A – baza olejowa z wiskozatorem, w niskiej temperaturze; cząstki polimeru zwinięte w kłębuszki; B – Baza olejowa z wiskozatorem, w wysokiej temperaturze; cząstki polimeru rozwinięte; 1 – baza olejowa, 2 – kłębuszki polimeru, 3 – niteczki polimeru

Rys. 2.12 Wpływ masy cząsteczkowej polimeru na: 1 – właściwości zagęszczające, 2 – odporność na ścinanie

Depresatory są to związki chemiczne obniżające temperaturę płynięcia olejów. Mechanizm ich działania polega na niedopuszczaniu do krystalizacji parafin w niskich temperaturach, poprzez przestrzenne blokowanie zarodków krystalizacji. Depresatory są stosowane tylko w składzie olejów mineralnych, ponieważ temperatura płynięcia olejów syntetycznych jest właściwością związków chemicznych wchodzących w skład bazy i nie może być obniżona w taki sposób. Jako depresatory najczęściej są stosowane polialkilometakrylany (PAMA). W zależności od masy cząsteczkowej, Rys. 2.13 Mechanizm działania depresatorów, w niskich temperaturach A– baza olejowa bez depresatora, B – baza olejowa z depresatorem; 1 – baza olejowa, 2 – kryształki parafiny, 3 – cząsteczka depresatora, 4 – zarodek krystalizacji parafiny

efektywności działania, zawartości parafin oraz oczekiwań, co do obniżenia temperatury płynięcia oleju, są one dodawane w stężeniu 0,1 do 2,5%. Mechanizm działania depresatorów przedstawia rys. 2.13. Detergenty i dyspergatory – są to powierzchniowoczynne związki chemiczne, działające na granicy faz ciecz (olej) i ciało stałe (powierzchnia metalu, powierzchnia cząstek zanieczyszczeń stałych). Ścisłe rozgraniczenie właściwości detergencyjnych (myjących) oraz dyspergujących nie jest możliwe. W większości przypadków, obie funkcje są realizowane jednocześnie, z przewagą jednej lub drugiej. Również mechanizm ich działania (rys. 2.14) jest bardzo podobny. Stosowany podział najczęściej jest oparty na różnicach w budowie chemicznej: q detergenty (dodatki myjące) – są to organiczne związki metali (dodatki popiołowe), q dyspergatory (dodatki dyspergujące) – są to związki organiczne bezpopiołowe. Podstawową funkcją detergentów stosowanych w składzie olejów smarnych i paliw, jest ograniczenie do minimum tworzenia się trwałych warstw osadów na powierzchni metalu. Utrzymują one w czystości powierzchnie metaliczne (np. ścianki cylindrów, tłoków, pierścieni) silnika lub sprężarki. Utrzymywanie cząstek zanieczyszczeń stałych w stanie zdyspergowanym ułatwia proces oczyszczania oleju i nie dopuszcza do blokowania przegród filtracyjnych szlamami. Z chemicznego punktu widzenia detergenty są to związki, które są zbudowane z długiego łańcucha węglowodorowego (tzw. „ogon”) i grupy polarnej, zawierającej atom metalu (tzw. „głowa”). Część węglowodorowa ułatwia rozpuszczenie dodatku w bazie olejowej, natomiast grupa polarna przylega do powierzchni metalu lub cząstek zanieczyszczeń stałych. Jako detergenty najczęściej są stosowane sulfoniany, fenolany, siarkowane fenolany oraz salicyniany magnezu lub wapnia. Detergenty najczęściej są stosowane w składzie olejów silnikowych, olejów sprężarkowych, niektórych olejów hydraulicznych, olejów hartowniczych oraz cieczy do obróbki metali skrawaniem. W przypadku stosowania w składzie olejów silnikowych detergentów, zawierających w składzie metale, niekorzystną ich cechą jest tworzenie podczas spalania popiołu osadzającego się na wewnętrznych częściach układu spalania i układu wylotowego silnika. Podstawową funkcją dyspergatorów jest zwiększanie stanu zdyspergowania i przeciwdziałanie aglomeracji zanieczyszczeń stałych, zwłaszcza w niskich temperaturach. Utrzymują one cząstki zanieczyszczeń stałych w stanie zdyspergowanym, nie dopuszczając do tworzenia się tzw. szlamów niskotemperaturowych. Z chemicznego punktu widzenia, dyspergatory są to związki, które podobnie jak detergenty są zbudowane z długiego łańcucha węglowodorowego i grupy polarnej. W tym przypadku, grupa polarna nie zawiera atomu metalu. Część węglowodorowa ułatwia rozpuszczenie dodatku w bazie olejowej, natomiast grupa polarna przywiera do powierzchni cząstek zanieczyszczeń stałych. Zazwyczaj grupa polarna zawiera jeden lub więcej spośród pierwiastków takich jak: tlen, azot, fosfor. Jako dyspergatory najczęściej są stosowane: q alkilobursztynoimidy, q estry kwasu alkilobursztynowego, q alkilowe pochodne fenoli, q zasady Mannicha3.

3

14

II

Zasady Mannicha – organiczne związki chemiczne o charakterze zasadowym, otrzymywane w procesie kondensacji alkilofenoli, poliaminy i formaldehydu.

Rozdział II: Podstawy techniki smarowniczej

Rys. 2.14 Mechanizm działania detergentów A– baza olejowa bez detergentu, B– baza olejowa z detergentem; 1 – baza olejowa, 2 – aglomeraty cząstek zanieczyszczeń stałych, 3 – cząsteczki zanieczyszczeń otoczone zaadsorbowanymi cząsteczkami detergentu, 4 – osad przywarty do podłoża metalowego, 5 – cząsteczki detergentu przywarte do podłoża metalowego usuwają cząstki osadu

Ważną funkcją detergentów i niektórych rodzajów dyspergatorów, zwłaszcza w przypadku ich stosowania w składzie olejów silnikowych, jest neutralizacja kwaśnych produktów spalania paliw (np. tlenków siarki). W takim przypadku zachodzi reakcja (2.28), pomiędzy kwaśnymi produktami spalania i zasadowymi detergentami. W wyniku tej reakcji powstają rozpuszczalne w oleju obojętne sole. Zapobiega to korozyjnemu działaniu kwaśnych produktów spalania. Obecność w oleju zasadowych detergentów objawia się jako tzw. rezerwa alkaliczna (patrz p. 4.10.5). rozpuszczalne w oleju zasady + kwaśne produkty spalania ® rozpuszczalne w oleju sole

skrawaniem (patrz p. 12) i środkach antyadhezyjnych do uwalniania betonu z form (patrz p. 6). Mechanizm działania emulgatorów jest analogiczny do mechanizmu działania dyspergatorów. W tym przypadku, cząsteczki emulgatora otaczają kropelki wody, nie pozwalając na ich łączenie, a tym samym na rozdział emulsji. Dodatki smarnościowe jest to grupa związków chemicznych, działających w warunkach tarcia granicznego. Wyróżnia się dodatki: q przeciwzużyciowe (AW), q przeciwzatarciowe (EP), q modyfikatory tarcia. Poprawę właściwości smarnych można również uzyskać w wyniku mieszania olejów mineralnych z estrami organicznymi, tłuszczami zwierzęcymi lub roślinnymi. Otrzymywane w ten sposób oleje są nazywane olejami kompaudowanymi. Dodatki przeciwzużyciowe (dodatki AW – anti wear) – jest to grupa dodatków smarnościowych, które wprowadzone do środków smarnych, przeciwdziałają nadmiernemu zużywaniu współpracujących powierzchni skojarzenia trącego, a także zmniejszają współczynnik tarcia. Mechanizm ich działania polega na tworzeniu na powierzchni metalu trwałej warstewki polarnych cząsteczek dodatku. Przylega on do powierzchni metalu, nie tworząc z nim trwałych związków chemicznych. Cząsteczki dodatku tworzą z powierzchnią metalu związki chemiczne lub są związane z podłożem międzycząsteczkowymi siłami van der Waalsa. Mechanizm adsorbowania polarnych cząstek dodatku AW przedstawia rys. 2.15A. Fragment cząsteczki („głowa”) 2 jest zaadsorbowany przez cząsteczki metalu 3, natomiast jej część

(2.28)

Dyspergatory są stosowane w składzie olejów, od których jest wymagane, aby produkty ich spalania nie tworzyły popiołu, np. olejów do tłokowych silników lotniczych. Niektóre dyspergatory są stosowane jako tzw. dodatki dwufunkcyjne, spełniające jednocześnie funkcję dyspergatora i wiskozatora. W takim przypadku „ogon” węglowodorowy jest polimerem. Oleje silnikowe, sprężarkowe i hydrauliczne zawierające detergenty i dyspergatory są wydzielane w odrębne grupy, a ich użytkownicy powinni być informowani o obecności tych dodatków w składzie oleju. Konieczność informowania użytkowników o obecności w składzie olejów detergentów i dyspergatorów wynika z tego, że jeżeli wcześniej w układzie był stosowany olej nie zawierający tego rodzaju dodatków, a następnie zostanie zastosowany olej z detergentami lub dyspergatorami, to osady osadzone na wewnętrznych częściach układu zostaną bardzo szybko odmyte. Może to spowodować rozszczelnienie układu. Odmyte osady zatykają filtry i są powodem gwałtownej zmiany właściwości oleju. Z tych względów przejście w eksploatacji z olejów bez detergentów i dyspergatorów na oleje z takimi dodatkami, wymaga stosowania specjalnych procedur wymiany. Deemulgatory i emulgatory – są to powierzchniowoczynne związki chemiczne, działające na granicy faz ciecz–ciecz (olej – woda). Deemulgatory są dodawane do olejów smarnych wówczas, gdy zachodzi potrzeba szybkiego rozdzielania emulsji olej–woda, np. w olejach do turbin wodnych i parowych. Mechanizm działania deemulgatorów polega na związaniu lub zneutralizowaniu związków powierzchniowoczynnych, rozpuszczonych w oleju. Metody badania deemulgowalności olejów bardziej szczegółowo przedstawiono w p. 4.14. Emulgatory są dodawane do cieczy eksploatacyjnych wówczas, gdy zachodzi potrzeba, aby emulsja olej woda łatwo powstawała lub aby była trwała, np. w cieczach wodno-olejowych, do obróbki metali

Rys. 2.15 Mechanizm działania dodatków AW A – Polarna cząsteczka dodatku AW zaadsorbowana na powierzchni metalu, B – Cząsteczki dodatku AW tworzące film olejowy („szczotki”) ograniczające możliwość bezpośredniego styku współpracujących powierzchni; 1 – „ogon” cząsteczki dodatku, 2 – „głowa” cząsteczki dodatku, 3 – metal

II

15

Rys. 2.16 Mechanizm działania dodatków EP 1 – warstewka dodatku EP (siarczki lub fosforany cynku) przylegająca do warstewki tlenków żelaza, 2 – miejsce styku metali w skojarzeniu trącym, 3 – metal

węglowodorowa („ogon”) 1 jest skierowana w stronę oleju, tworząc tzw. film olejowy. Obie współpracujące powierzchnie skojarzenia trącego są pokryte takim ściśle przylegającym filmem, co ogranicza możliwość bezpośredniego styku ich powierzchni, a tym samym zmniejsza zużywanie. Warstewka cząsteczek dodatku, tworzących na współpracujących powierzchniach metalu, tzw. „szczotkę” (rys. 2.15B) ułatwia wzajemne ich przemieszczanie, zmniejszając w ten sposób także współczynnik tarcia. Dodatki przeciwzatarciowe (dodatki EP – extreme pressure) – jest to grupa dodatków smarnościowych, które są wprowadzone do środków smarnych, przeznaczonych do stosowania w tych przypadkach, gdy w skojarzeniu trącym występują bardzo duże naciski miedzy współpracującymi powierzchniami. Jako dodatki EP najczęściej są stosowane alkilowe pochodne ditiofosforanu cynku (ZDTP), a także organiczne związki siarki, chloru i fosforu. Rodzaj dodatku EP jest zależny od metali, jakie olej ma smarować. Przykładowo niektóre dodatki EP zawierające związki siarki mogą reagować z miedzią i stopami miedzi, a dodatki fosforowe z glinem i jego stopami. Związki te na powierzchni metalu tworzą trwale przylegającą warstewkę, wchodząc w reakcję z warstewką tlenków żelaza przylegających do powierzchni metalu, w przypadku wystąpienia dużych nacisków i w wysokiej temperaturze towarzyszącej procesom tarcia metal–metal. W przypadku zniszczenia przylegającej warstewki dodatku, następuje jej szybkie odtworzenie. Mechanizm działania dodatków EP przedstawiono na rys. 2.16. Dodatki EP przeciwdziałają nadmiernemu zużywaniu współpracujących powierzchni oraz zmniejszają ryzyko wystąpienia zatarcia. ZDTP są to związki chemiczne, o budowie strukturalnej przedstawionej wzorem (2.29). Na powierzchni metalu tworzą trwałą warstewkę siarczków lub fosforanów cynku, związków o dobrych właściwościach ochronnych, smarnych i przeciwzatarciowych. RO S S \ II II P – S –Zn –S – P / RO

OR / (2.29)

\ OR

Dodatki EP znalazły również szerokie zastosowania w składzie smarów plastycznych, zwłaszcza przeznaczonych do smarowania silnie obciążonych części maszyn, np. przekładni przemysłowych, silnie obciążonych łożysk ślizgowych i tocznych. Są one wprowadzane w składzie oleju jak to przedstawiono na rys. 2.17A lub w składzie zagęszczacza, jak przedstawia rys. 2.17B. Dodatki EP zawarte w składzie zagęszczacza działają efektywniej, lecz technologia otrzymywania takich smarów jest trudniejsza. Modyfikatory tarcia. W zakresie niewielkich prędkości poślizgu, przy nieznacznych naciskach jednostkowych, w przypadku małej lepkości oleju, smarowanie płynne może ła-

16

II

two przejść w tarcie mieszane. Aby zapobiec drganiom ciernym i zgrzytom oraz w celu redukcji sił tarcia, zwykle są stosowane tzw. modyfikatory tarcia. Działają one w temperaturach, przy których dodatki AW i EP nie są jeszcze aktywne, tworząc jednocząsteczkowe warstwy, fizycznie zadsorbowanych, rozpuszczalnych w oleju dodatków (analogicznie jak dodatki AW) lub redukują one tarcie przez przereagowane warstwy, które mają znacznie mniejszy współczynnik tarcia, niż typowy olej bez dodatków. Z tego względu modyfikatory tarcia mogą być uważane za łagodne dodatki AW lub EP, działające przy umiarkowanych temperaturach i naciskach, w miejscach gdzie występuje tarcie mieszane. Zasadnicza różnica miedzy modyfikatorami tarcia i dodatkami AW i EP polega na tym, że modyfikatory tarcia działają na zasadzie fizycznej Modyfikatory tarcia, zależnie od sposobu działania, można podzielić na kilka grup: q działające mechanicznie (stałe związki smarne np.: disiarczek molibdenu, grafit, miedź metaliczna, siarczek miedzi, PTFE, poliamid, fluorowany grafit itp.), q tworzące warstwy adsorpcyjne (np. długołańcuchowe kwasy karboksylowe, estry kwasów tłuszczowych, etery, alkohole, aminy, amidy, imidy), q tworzące warstwy w wyniku reakcji trybochemicznych (nasycone kwasy tłuszczowe, estry kwasów fosforowego i tiofosforowego, ksantogeniany, siarkowane kwasy tłuszczowe), q tworzące polimery (estry etoksylowanego kwasu dikarboksylowego, estry dialkilowe kwasu ftalowego, metakrylany, nienasycone kwasy tłuszczowe, siarkowane olefiny), q związki organometaliczne (związki molibdenu, takie jak ditiofosforany molibdenu, ditiokarbaminiany molibdenu i ich synergistyczne kombinacje z ZDTP, związki organiczne miedzi). Rozpowszechnioną grupą modyfikatorów tarcia są związki działające na zasadzie adsorpcji, których działanie wzrasta wraz ze wzrostem ciężaru cząsteczkowego, w kolejności: alkohol T2. To znaczy, że interpolacja jest dozwolona, natomiast ekstrapolacja, zwłaszcza w kierunku niskich temperatur, może prowadzić do znacznych błędów. Wzór na lepkość kinetyczną ν3, w temperaturze T3, w oparciu o znajomość lepkości ν1 i ν2, w temperaturach T1 i T2 ma postać (4.30).

4.2.4 Wskaźnik lepkości Zależność lepkości od temperatury ma charakter wykładniczy, co zilustrowano na rys. 4.15. Rysunek ten przedstawia przykład zmiany lepkości w funkcji temperatury dla olejów: mineralnego

Rys. 4.15 Charakter zależności lepkości od temperatury w układzie współrzędnych ν-T 1 – olej o małej zmienności lepkości od temperatury, 2 – olej o dużej zmienności lepkości od temperatury

8

IV

(4.29)

Rys. 4.16 Zależność lepkości od temperatury w układzie współrzędnych lg lg ν – log T dla dwóch cieczy o różnych wskaźnikach lepkości 1 – WL=150 2 – WL=100

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości... lg lg (ν3 + 0,8) = –m(lg T1 – lg T3) + lg lg(ν1 + 0,8)

(4.30)

gdzie m jest obliczane wg wzoru (4.31) m=

lg lg (ν1 + 0,8)– lg lg(ν2 + 0,8) lg T1 – lg T2

(4.31)

Obliczenia wg wzorów (4.30) i (4.31) są dość żmudne. Z tego względu, do celów technicznych częściej są stosowane oparte na nich nomogramy lub tabele. Wartość m ze wzorów (4.30) i (4.31) jest równa tangensowi kąta nachylenia prostej, stanowiącej zależność lepkości od temperatury w układzie współrzędnych lg lg (ν + c) – lg T. Błąd wyznaczania lepkości na podstawie wzorów (4.30) i (4.31) nie przekracza na ogół 5 … 10%. Tylko w niskich temperaturach, w pobliżu temperatury płynięcia dochodzi do 30 … 60%. Obok lepkości, ważną właściwością reologiczną olejów smarowych i niektórych innych cieczy technicznych jest wskaźnik lepkości. Wskaźnik lepkości jako parametr charakteryzujący zmiany lepkości olejów wraz ze zmianą temperatury, został zaproponowany w 1929 r. przez Deana i Davisa. Z pewnymi modyfikacjami, jest on aktualnie znormalizowany w większości krajów. Wskaźnik lepkości WL (VI – viscosity index) został opracowany na podstawie pomiarów lepkości dwóch serii olejów wzorcowych, oznaczonych H i L. Seria L charakteryzowała się dużą zależnością lepkości od temperatury, natomiast seria H – małą. Oleje zostały dobrane parami w taki sposób, że ich lepkość w temperaturze 210°F (98,89°C) była jednakowa, a jako miarę zależności lepkości od temperatury zastosowano lepkość olejów wzorcowych w temperaturze 100°F (37,78°C) (rys. 4.17). Olejom serii L przypisano wartość wskaźnika lepkości równą zero, a olejom serii H równą 100. Odcinek 0 … 100 został podzielony na 100 części. Punkty przecięcia krzywych lepkości olejów eksploatacyjnych, mających w temperaturze 210°F taką samą lepkość jak oleje wzorcowe, z odcinkiem 0 … 100 wyznaczają dla tych olejów wartość wskaźnika lepkości. Tak zdefiniowany wskaźnik lepkości wyraża wzór (4.32): L–U WL = 100 . L–H

Rys. 4.18 ilustruje różnice zmian lepkości od temperatury dla dwóch przykładowo wybranych olejów, o dużym wskaźniku lepkości wynoszącym VI = 150 (prosta 1) oraz o przeciętnym VI = 100 (prosta 2).

Rys.4.18 Porównanie przebiegu krzywych lepkości olejów o różnych wskaźnikach lepkości 1 – olej o WL=150, 2 – olej o WL=100

Wzór (4.32), przewidziany początkowo do obliczania wskaźników lepkości dla zakresu 0 … 100, po wprowadzeniu do produkcji i użytkowania olejów z dodatkami i syntetycznych, okazał się niewystarczający. Sekundy Saybolta SUS zastąpiono jednostkami lepkości kinematycznej, a temperatury 100°F i 210°F odpowiednio temperaturami 40°C i 100°C. Zmiany te wymagają do wyznaczenia wskaźnika lepkości żmudnych obliczeń logarytmowania i rachunku interpolacyjnego. Z tego względu opracowano różnego rodzaju nomogramy i tabele. Do obliczeń wskaźnika lepkości z zakresu powyżej 100 opracowany został wzór (4.33): anty log N –1

WLR =

0,0075

(4.32)

gdzie: L – lepkość oleju wzorcowego serii L w temperaturze 100°F, SUS, H – lepkość oleju wzorcowego serii H w temperaturze 100°F, SUS, U – lepkość oleju badanego w temperaturze 100°F, SUS. Ustalając, że oleje w temperaturze 210°F mają jednakową lepkość, wartości L i H dla różnych lepkości w temperaturze 100°F zostały stabelaryzowane. Znając wartość lepkości oleju badanego w temperaturze 210°F i 100°F, na podstawie tabel można odczytać wskaźnik lepkości tego oleju.

+ 100

(4.33)

gdzie: WLR – rozszerzony wskaźnik lepkości, N=

lg H – lg U37,78 lg U98,89

H – lepkość kinematyczna w temperaturze 37,78°C oleju wzorcowego serii H o WL=100, mającego w temperaturze 98,89°C taką samą lepkość jak olej badany, mm2/s, U37,78, U98,89 – lepkość kinematyczna oleju badanego, odpowiednio w temperaturach 37,78°C i 98,89°C, mm2/s. Współczesne tabele, nomogramy i programy komputerowe, służące do wyznaczania wskaźnika lepkości, są oparte o pomiary lepkości kinematycznej w temperaturach 40°C i 100°C. Jako parametr jakości olejów, charakteryzujący zależność lepkość – temperatura, niekiedy przyjmuje się stosunek lepkości w dwóch różnych temperaturach np. ν20/ν50; ν–20/ν50; ν50/ν100 lub tzw. współczynnik lepkości, wyrażony wzorem (4.34): KW =

νt1/νt2 νtir

(4.34)

gdzie: νt1, νt2 – lepkość kinematyczna oleju odpowiednio w temperaturach: t1, t2, νt – lepkość kinematyczna oleju w temperaturze tśr = t1 + t2 ir 2 Rys. 4.17 Graficzna interpretacja wskaźnika lepkości 1 – olej serii L, 2 – olej serii H, 3 – olej badany

Tego typu wskaźniki mają charakter orientacyjny. Ich zaletą jest prostota obliczeń.

IV

9

4.3 Właściwości niskotemperaturowe Obniżanie temperatury cieczy, powoduje zwiększenie jej lepkości, a dla większości substancji również gęstości. Zmianie ulegają również inne właściwości. Charakter tych zmian, ma ścisły związek z budową związków chemicznych wchodzących w skład cieczy. Ciecze newtonowskie, będące czystymi związkami chemicznymi, zmieniają swoje właściwości w sposób w przybliżeniu proporcjonalny do zmian temperatury, aż do temperatury krzepnięcia. W temperaturze krzepnięcia odprowadzanie ciepła nie powoduje dalszego obniżania temperatury, lecz zwiększanie ilości skrzepniętej cieczy. Temperatura, w której następuje krzepnięcie cieczy, jest nazywana temperaturą krzepnięcia. Taki przebieg zjawiska ma miejsce, aż do momentu, gdy cała ciecz skrzepnie. Odwrócenie procesu, tj. dostarczanie ciepła do skrzepniętej cieczy, powoduje zjawisko topnienia. Temperatura, w której następuje topnienie ciała stałego, jest nazywana temperaturą topnienia. Temperatura krzepnięcia i topnienia są to wielkości charakterystyczne dla czystych związków chemicznych. Substancje o jednorodnym składzie chemicznym mają jednakową temperaturę krzepnięcia i topnienia. Zależą one od ciśnienia. Z tego względu, w określonych przypadkach, ta właściwość substancji jest podawana wraz z ciśnieniem, w którym została zmierzona. Zjawiska krzepnięcia i topnienia są nazywane przemianami fazowymi. Przykładem substancji, zachowującej się w podany sposób, jest woda. Przy ciśnieniu atmosferycznym, temperatura krzepnięcia i topnienia wody jest jednakowa i wynosi 0°C. Ciecze o dużej masie molowej, lub mieszaniny wielu związków chemicznych, np. produkty naftowe, zachowują się odmiennie. Odprowadzanie ciepła od takich cieczy powoduje płynną zmianę ich temperatury i właściwości. Zwiększa się lepkość i gęstość, aż do uzyskania konsystencji ciała stałego, a substancja w dalszym ciągu jest cieczą. W przypadku takich substancji, nie można jednoznacznie wyróżnić temperatury przemiany fazowej. Przyjmuje się, że temperatura krzepnięcia takich cieczy, jest temperaturą, w której ciecz osiągnie określoną lepkość (konsystencję) i jest nazywana temperaturą płynięcia. Podczas obniżania temperatury cieczy, będącej roztworem ciał stałych lub innych cieczy, rozpuszczone substancje mogą wypadać z roztworu w postaci kryształków lub odrębnej fazy ciekłej, tworząc zawiesinę lub emulsję. Wypadanie substancji z roztworu, następuje w temperaturze i w warunkach, gdy stężenie tej substancji jest większe niż jej rozpuszczalność. Temperatura, w której rozpoczyna się wypadanie rozpuszczonej substancji z roztworu, jest nazywana temperaturą początku krystalizacji lub temperaturą mętnienia. Zjawisku wypadania rozpuszczonej substancji z roztworu, towarzyszy skokowa zmiana właściwości reologicznych roztworu. W większości przypadków ciecz newtonowska przechodzi w ciecz nienewtonowską. Temperatury przemian fazowych są ważnymi wielkościami, charakteryzującymi produkty naftowe i inne ciecze eksploatacyjne. Określają one dolną granicę, w której ciecz może być jeszcze użytkowana. Na ogół, jest stosowany pewien margines bezpieczeństwa. Ciecz powinna być użytkowana w temperaturze nieco wyższej niż temperatura przemian fazowych. Szczegóły dotyczące możliwości stosowania cieczy eksploatacyjnych w warunkach niskich temperatur podano w rozdziałach dotyczących poszczególnych rodzajów cieczy. Schładzanie rozpuszczalników, a także paliw ciekłych, obok zmian lepkości powoduje w pewnej temperaturze zmętnienie, wywołane wydzielaniem się odrębnej fazy stałej lub ciekłej, np.: benzenu, parafiny, wody lub innych substancji stałych. W temperaturze mętnienia rozpuszczalnik zachowuje jeszcze płynność, następuje jednak skokowa zmiana lepkości, utrudniona jest filtracja i przepływ przez szczeliny. Dalsze obniżanie temperatury rozpuszczalnika będącego mieszaniną, powoduje wypadanie kryształków rozpuszczonych substancji, które w tej temperaturze mają konsystencję stałą.

10

IV

Przebieg procesu krystalizacji, jest zależny od warunków schładzania. Jeżeli w rozpuszczalniku znajdują się zarodki krystalizacji, np. zanieczyszczenia mechaniczne, kryształy zaczynają rosnąć właśnie na nich. W przypadku braku zarodków krystalizacji, może dojść do zjawiska przechłodzenia, tzn. braku krystalizacji, pomimo obniżenia temperatury poniżej temperatury początku krystalizacji. Zewnętrzny bodziec lub wprowadzenie zarodków krystalizacji, powoduje gwałtowne wypadanie kryształów. Określona ilość wypadniętych kryształów może np. zablokować instalację. W wyniku schładzania olejów i niektórych innych cieczy eksploatacyjnych, po przekroczeniu pewnej temperatury, lepkość jest tak duża, że przestają być przydatne jako substancje smarujące lub ciecze robocze. Użytkowanie większości cieczy eksploatacyjnych poniżej temperatury przejścia ze stanu ciekłego w stan stały lub zbliżony konsystencją do stałego jest niecelowe, albowiem najczęściej taki płyn przestaje spełniać swoje funkcje. Oznaczanie temperatury przemian fazowych, w przypadku płynów eksploatacyjnych, wymaga zachowania wielu warunków jednoznacznie ustalających przebieg procesu schładzania oraz kryteria, przy których należy uznać, że ciecz osiągnęła określony stan przemiany fazowej. Z tego względu definiuje się wiele różnych pojęć określających temperaturę przemiany fazowej. Temperatura krystalizacji (krzepnięcia) – jest to temperatura przejścia cieczy w stan stały podczas oziębiania, w znormalizowanych warunkach oznaczania. Zasada pomiaru temperatury krystalizacji polega na wstępnym ogrzaniu badanego produktu (w celu rozpuszczenia ewentualnych zarodków krystalizacji) w aparacie, którego zasadniczą część przedstawia rys. 4.19, a następnie oziębianiu w warunkach ustalonych odpowiednią normą, aż do pojawienia się pierwszych kryształków. Pojęcie temperatury krystalizacji najczęściej jest stosowane do charakteryzowania substancji (np. rozpuszczalników) będących czystymi związkami chemicznymi i stanowi ich charakterystyczną właściwość. Temperatury krystalizacji czystych związków chemicznych są stabelaryzowane. Obecność rozpuszczonych substancji obcych (zanieczyszczeń i innych składników) obniża temperaturę krystalizacji, w stosunku do wartości tabelarycznej. W przypadku substancji będących mieszaniną różnych związków chemicznych (np. rozpuszczalników naftowych) do charakteryzowania ich wła-

Rys. 4.19 Schemat części pomiarowej aparatu do oznaczania temperatury krzepnięcia i krystalizacji 1 – termometr do pomiaru temperatury łaźni, 2 – termometr do pomiaru temperatury badanego produktu, 3 – probówka z badanym produktem, 4 – łaźnia oziębiająca

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości... ściwości niskotemperaturowych częściej są stosowane: temperatura mętnienia i temperatura płynięcia. Temperatura mętnienia – jest to najwyższa temperatura, w której przezroczysty produkt, schładzany w sposób znormalizowany staje się mętny, wskutek wydzielenia odrębnej fazy stałej lub ciekłej. Zasada pomiaru temperatury mętnienia polega na oziębieniu próbki badanego produktu, w aparacie, którego zasadniczą część przedstawia rys. 4.20, do temperatury, w której pojawi się zmętnienie, a następnie po dalszym schładzaniu aż do pojawienia się pierwszych kryształów. W metodzie oznaczania ważne jest położenie zbiornika termometru. Musi on znajdować się w pobliżu dna badanego produktu. Odczyt temperatury może być wykonywany wzrokowo lub z użyciem odpowiednich czujników działających automatycznie. Temperatura płynięcia – jest to najniższa temperatura, w której obserwuje się jeszcze płynność badanego produktu podczas jego oziębiania, w znormalizowanych warunkach. Zasada pomiaru polega na wstępnym ogrzaniu produktu, a następnie oziębianiu w warunkach ustalonych normą. Badanie wykonuje się w aparacie, którego schemat zasadniczej części (probówki) umieszczonej w łaźni oziębiającej, przedstawia rys. 4.21. W metodzie oznaczania ważne jest położenie zbiornika termometru. Musi on znajdować się w pobliżu powierzchni badanego produktu (odmiennie niż w przypadku temperatury krystalizacji). Ocenę ruchliwości menisku wykonuje się metodą polegającą na stopniowym schładzaniu produktu w probówce, okresowym przechylaniu probówki, pod kątem 90°, na 5 sekund i ocenie wzrokowej lub automatycznej zachowania się menisku. Najniższą temperaturę, w której obserwuje się jeszcze ruchliwość menisku badanego produktu, po doprowadzeniu probówki do pozycji poziomej, przyjmuje się za temperaturę płynięcia. Istnieje wiele metod oznaczania niskotemperaturowych właściwości cieczy eksploatacyjnych, specyficznych dla określonych rodzajów tych cieczy. Metody te najczęściej modelują rzeczywiste warunki użytkowania tych płynów. Do metod takich można zaliczyć: q temperaturę mętnienia paliw silnikowych, q temperaturę początku krystalizacji paliw silnikowych, q temperaturę początku krystalizacji paliw lotniczych, q temperaturę krystalizacji paliw lotniczych, q temperaturę zablokowania zimnego filtra (oleje napędowe i oleje opałowe), q temperaturę krzepnięcia wosków naftowych i petrolatum.

Rys. 4.20 Schemat części pomiarowej aparatu do oznaczania temperatury mętnienia i początku krystalizacji 1 – mieszadełko, probówka szklana o podwójnych ściankach, 2 – termometr do pomiaru temperatury badanego produktu, 3 – probówka szklana o podwójnych ściankach, z badanym produktem, 4 – przezroczyste naczynie Dewara

Rys. 4.21 Schemat części pomiarowej aparatu do oznaczania temperatury płynięcia 1 – termometr do pomiaru temperatury łaźni, 2 – termometr do pomiaru temperatury badanego produktu, 3 – naczynie szklane lub metalowe z badanym produktem, 4 – łaźnia oziębiająca

4.4 Skład frakcyjny W celu charakteryzowania składu lotnych produktów (paliw ciekłych, rozpuszczalników i niektórych innych cieczy eksploatacyjnych) często jest badany tzw. skład frakcyjny. Jest to zależność między temperaturą destylacji a udziałem w produkcie składników destylujących do tej temperatury, w warunkach znormalizowanych. Zależność ta jest określana przez wyznaczenie kilku temperatur, do których oddestyluje określony procent objętościowy produktu, lub przez wyznaczenie procentu objętościowego produktu, jaki oddestyluje do określonej temperatury. Sposób pierwszy pozwala na przedstawienie składu frakcyjnego jako zależności w postaci wzoru (4.35). W sposobie drugim skład frakcyjny przedstawiono jako zależność w postaci wzoru(4.36). %(V/V) = f(t)

(4.35)

t = F{%(V/V)}

(4.36)

W określonych przypadkach stosuje się oba sposoby jednocześnie, dla różnych punktów krzywej destylacji. Funkcje przedstawione we wzorach (4.35 i 4,36) opisują krzywą destylacji. W zależności od sposobu zdefiniowania składu frakcyjnego, krzywa destylacji może być przedstawiana w układzie współrzędnych, gdzie na osi rzędnych jest odłożona temperatura, a na osi odciętych procent oddestylowania (objętościowy), jak to pokazano na rys. 4.22A lub częściej z odwróconymi osiami współrzędnych, jak to pokazano na rys. 4.22B. Oba rysunki przedstawiają skład frakcyjny tego samego produktu naftowego – benzyny silnikowej.

IV

11

Rys. 4.22 Funkcje składu frakcyjnego A – Zależność składu frakcyjnego odtemperatury destylacji B – Temperatura destylacji jako funkcja objętości destylatu

Skład frakcyjny jest oznaczany przy użyciu aparatu „ręcznego” lub „automatycznego”. Oba typy aparatów działają na identycznej zasadzie, przy czym w wersji automatycznej parametry oznaczania są regulowane samoczynnie, a rezultaty badania obrabiane przez komputer i mogą być wyświetlane na monitorze oraz zapamiętywane i porównywane dla kolejnych wyników badań. Aparat ręczny przedstawiono na rys. 4.23.

Rys. 4.23 Aparat do oznaczania składu frakcyjnego 1 – kolba destylacyjna (rys. 4.24), 2 – termometr, 3 – łaźnia oziębiająca z pokrywą, 4 – chłodnica, 5 – odbieralnik, 6 – palnik

Jego zasadniczymi częściami są: q kolba destylacyjna 1 (rys. 4.24), o nominalnej pojemności 100 ml, q termometr 2 lub termopara, q łaźnia oziębiająca 3 z umieszczoną wewnątrz chłodnicą 4, w której są skraplane pary destylującej cieczy, q palnik 5 lub grzejnik elektryczny, q odbieralnik 6, stanowiący cylinder miarowy pojemności 100 ml, q pozostałe elementy stanowiące konstrukcję mocującą elementy zasadnicze. Próbkę na podstawie jej składu i przewidywanej charakterystyki lotności przypisuje się do jednej z pięciu grup produktów o zdefiniowanym sposobie zmontowania aparatu do oznaczania składu frakcyjnego, temperatury w chłodnicy oraz sposobu wykonania pomiaru. Zasada oznaczania polega na umieszczeniu 100 ml badanego produktu w kolbie destylacyjnej, umieszczeniu w szyjce kolby termometru, a następnie zamontowaniu kolby w szafce aparatu. Bardzo ważne jest, aby zbiornik z rtęcią termometru 2 znajdował się na poziomie wylotu rurki bocznej kolby. Produkt w kolbie jest podgrzewany w znormalizowany sposób. Pary produktu przechodzą do chłodnicy 4, gdzie ulegają skropleniu. Skroplone składniki spływają do odbieralnika 6. Ich objętość jest mierzona jednocześnie z temperaturą wskazywaną przez termometr lub w wersji automatycznej przez termoparę. Wskazania termometru koryguje się do ciśnienia barometrycznego. W celu uzyskania porównywalnych wyników badań, niezwykle ważnym jest ścisłe przestrzeganie warunków oznaczania podanych w normie czynnościowej na metodę oznaczania. Na podstawie pomiarów objętości przedestylowanego produktu i temperatury są sporządzane wykresy składu frakcyjnego lub wyniki są porównywane z wymaganiami dokumentów normatywnych. W składzie frakcyjnym są definiowane liczne terminy pomocnicze, występujące w dokumentacji technicznej:

Rys. 4.24 Kolba destylacyjna z prawidłowo umieszczonym termometrem i wlanym produktem do badań 1 – podkładka pierścieniowa, 2 – kolba, 3 – badany produkt, 4 – termometr, 5 – szyjka kolby, 6 – chłodnica

12

IV

q temperatura rozkładu – wskazanie termometru, przy którym wystąpią pierwsze oznaki termicznego rozkładu cieczy w kolbie; q temperatura suchego punktu – wskazanie termometru, które obserwuje się w momencie odparowania ostatniej kropli cieczy z dna kolby; pomija się jakiekolwiek krople lub film cieczy na ściance kolby lub na termometrze; q temperatura końca destylacji (FBP), koniec destylacji – maksymalne wskazanie termometru zaobserwowane w czasie badania; temperatura końca destylacji jest zazwyczaj obserwowana po odparowaniu całej cieczy z dna kolby; q temperatura początku destylacji (IBP) – wskazanie termometru, które obserwuje się gdy pierwsza kropla destylatu spadnie do kolby z dolnej krawędzi chłodnicy;

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości... Rys. 4.25 Konstrukcja krzywej destylacji A – krzywa destylacji, B – diagram obrazujący objętość destylatu przypadającą na określone przedziały temperatur, 1 – krzywa destylacji, 2 – pozostałość po destylacji

q odparowanie – suma uzysku (objętości destylatu) i strat, w %(V/V); q procent strat – 100% pomniejszone o sumaryczny odzysk produktu, w %(V/V); q strata skorygowana – procent strat skorygowany do ciśnienia barometrycznego, w czasie wykonywania oznaczenia; q procent uzysku – objętość destylatu, wyrażona w procentach jako ułamek objętości wyjściowej obserwowany w odbieralniku, w dowolnym momencie destylacji, odniesiony do jednoczesnego odczytu temperatury; q uzysk – maksymalna objętość destylatu, wyrażona w %(V/V) objętości wyjściowej; q pozostałość – objętość pozostałości w kolbie w cm3; q uzysk całkowity – wyrażona w %(V/V) suma uzysku i pozostałości; q wskazanie termometru – temperatura nasyconych par mierzona w szyjce kolby destylacyjnej poniżej rury chłodnicy; q odczyt temperatury – wskazanie termometru lub termopary skorygowane do ciśnienia barometrycznego 101,3 kPa. Pod pojęciem destylacja normalna należy rozumieć sposób oznaczania składu frakcyjnego w znormalizowanej aparaturze. Obok parametrów podanych wyżej, najczęściej są oznaczane: temperatura destylacji: 10, 50, 90, 97,5, 98 %(V/V). W przypadku paliw ciekłych także może być oznaczana suma temperatur oddestylowania 10 i 50 %(V/V). Skład frakcyjny charakteryzuje zdolność produktu do przechodzenia w stan pary (lotność). W przypadku produktów naftowych i rozpuszczalników skład frakcyjny ma istotne znaczenie dla bezpieczeństwa ich stosowania, a w przypadku paliw ciekłych znacząco wpływa na ich właściwości eksploatacyjne. Znajomość składu frakcyjnego pozwala na wnioskowanie, z jakiej liczby i ilości składników składają się poszczególne produkty, co ilustruje rys. 4.26. Na tym rys., krzywa 1 ilustruje skład frakcyjny produktu naftowego (składającego się z bardzo wielu różnych węglowodorów) o zakresie temperatur destylacji t1 … t5. Krzywa 2 przedstawia skład frakcyjny mieszaniny dwuskładnikowej, o temperaturze wrzenia składników t2 oraz t4. Z krzywej destylacji można odczytać, że składnika o temperaturze wrzenia t2 mieszanina zawiera około 30%(V/V), a składnika o temperaturze wrzenia t4 około 70%(V/V). Krzywa 3 przedstawia skład frakcyjny substancji technicznie czystej, destylującej w temperaturze t3. Na podstawie krzywej destylacji może być skonstruowany diagram (rys. 4.25 A i B) określający jaka część produktu destyluje w dowolnie wybranych przedziałach temperatury.

Rys. 4.26 Krzywe destylacji 1 – wieloskładnikowego produktu naftowego o zakresie destylacji t1 … t5, 2 – substancji jednoskładnikowej o temperaturze wrzenia t3, 3 – mieszaniny dwuskładnikowej składającej się z 30 % składnika o temperaturze wrzenia t2 i 70 % składnika o temperaturze wrzenia t4

IV

13

Skład frakcyjny produktów o wysokich temperaturach wrzenia, takich jak: bazy olejowe, oleje mineralne, oleje roślinne, oleje syntetyczne, niektóre ciecze hydrauliczne i inne, mające temperaturę końca destylacji wyższą niż 360°C jest oznaczany pod zmniejszonym ciśnieniem, z zastosowaniem specjalnej aparatury.

4.5 Lotność Pod pojęciem lotności rozumie się pojęcia charakteryzujące łatwość parowania substancji. W tym zrozumieniu skład frakcyjny, przedstawiony w p. 4.4, jest jednym z parametrów charakteryzujących lotność. Lotność w znacznym stopniu zależy od temperatury. Teoretycznie pojęcie lotności jest definiowane następująco: Lotność – jest to stosunek prężności cząstkowej składnika w stanie pary do jego ułamka molowego w fazie ciekłej. W przypadku czystych cieczy lotność jest równa prężności pary nasyconej. Do celów praktycznych jest definiowana lotność względna, wyrażana jako stosunek lotności dwu składników w procesie destylacji i charakteryzuje ona stopień trudności rozdzielania mieszanin metodami destylacji. Obok metod stosowanych podczas kontroli lotności przetworów naftowych i rozpuszczalników, są stosowane metody specyficzne, którymi oznacza się: q czas odparowania, q szybkość parowania, q prężność par. Czas odparowania – jest to parametr charakteryzujący zdolność rozpuszczalnika do odparowywania, określany czasem odparowania określonej ilości rozpuszczalnika z nasączonej nim bibuły filtracyjnej.

W przypadku lotnych cieczy, za moment równowagi uważa się stan, w którym liczba cząstek odrywających się od powierzchni fazy ciekłej i skraplających się, jest jednakowa. Praktycznie jest to moment ustalenia się ciśnienia fazy gazowej w warunkach pomiaru. Prężność pary nasyconej w sposób zasadniczy zależy od temperatury, a w mniejszym stopniu od kształtu powierzchni cieczy i obecności gazu obojętnego. Prężność pary czystych związków chemicznych nie zależy od stosunku objętości fazy ciekłej do objętości stykającej się z nią fazy gazowej. W określonej temperaturze, prężność par jest wielkością charakterystyczną dla danego związku chemicznego. Zależność prężności pary od temperatury jest opisywana równaniem Clausiusa-Clapeyrona (4.37): ∆p ∆T

=

q ∆V · T

(4.37)

gdzie: ∆p – przyrost prężności pary, wywołany przyrostem temperatury ∆T w stanie równowagi fazowej, q – ciepło parowania, ∆V – zmiana objętości substancji podczas parowania. Prężność pary czystych związków chemicznych, w określonej temperaturze, może być obliczona na podstawie wzoru Antonie (4.38): log p = a · t–

b c–1

(4.38)

gdzie: a, b, c – wielkości doświadczalne, charakterystyczne dla każdego związku, t – temperatura,°C. Wartości a, b, c – dla wielu węglowodorów są stabelaryzowane. Zależność prężności par od temperatury, dla przykładowo wybranych węglowodorów, przedstawiono na rys. 4.27.

Czas odparowania jest wyrażany w sekundach lub w jednostkach względnych, w których przyjmuje się jako rozpuszczalniki odniesienia: q eter dietylowy = 1, q octanu butylu = 1, q trichloroetylen – 1,1,1 („tri”) = 1. Czas odparowania jest parametrem stosowanym do oceny łatwości odparowania rozpuszczalników z powierzchni porowatych, takich jak: tkaniny, pianki, papier itp. Szybkość parowania – jest to parametr charakteryzujący zdolność rozpuszczalnika do odparowywania z powierzchni. Szybkość parowania najczęściej jest określana jako masa rozpuszczalnika, która odparowuje w określonych warunkach ciśnienia i temperatury, z jednostki powierzchni rozpuszczalnika, wyrażana w kg/m2h. Badanie szybkości parowania najczęściej jest wykonywane w dwóch znormalizowanych temperaturach: q 30°C dla rozpuszczalników, których 90% destyluje do temperatury poniżej 125°C, q 80°C dla rozpuszczalników, których 90% destyluje do temperatury powyżej 125°C. W przypadku lekkich produktów naftowych, w szczególności ciekłych paliw i niektórych rozpuszczalników, podstawowym parametrem charakteryzującym ich lotność jest, przedstawiona dalej prężność par wg Reida. Prężność par – jest to ciśnienie, jakie wykazuje para produktu znajdująca się w równowadze dynamicznej z fazą ciekłą (para nasycona).

14

IV

Rys. 4.27 Zależność prężności par niektórych węglowodorów od temperatury 1 – cyklopentan C5H10, 2 – n – heksan C6H14, 3 – benzen C6H6, 4 – izooktan (2,2,4 – trimetylopentan) C8H18, 5 – etylobenzen C8H10.

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości... Przy wzroście temperatury, w momencie zrównania prężności pary nasyconej z ciśnieniem atmosferycznym, następuje parowanie cieczy w całej objętości, czyli wrzenie. Na rys. 4.27 zaznaczono prężności par związków pod ciśnieniem atmosferycznym i odpowiadające temu ciśnieniu temperatury wrzenia. Prężność par mieszanin związków chemicznych jest określona prawem Daltona. Według tego prawa prężność par mieszaniny jest sumą prężności par (ciśnień cząstkowych) wszystkich jej składników. Prężność par mieszaniny zależy od zawartości w niej poszczególnych składników oraz od stosunku objętości faz gazowej i ciekłej. Przechodzenie składników lotnych z fazy ciekłej do fazy gazowej zachodzi tym intensywniej, im ten stosunek jest większy i im większa jest powierzchnia obu faz. Prężność par jest wyrażona w jednostkach ciśnienia w układzie SI w paskalach [Pa]. W niektórych krajach, jednostką stosowaną do określenia prężności par jest cal słupa rtęci, [”Hg] = 3386,4 Pa. Istnieje wiele metod pomiaru prężności par. Stosowane najczęściej są oparte na następujących zasadach: q metody statyczne polegają na bezpośrednim pomiarze prężności par, znajdujących się w równowadze z fazą ciekłą. Metody statyczne są stosowane do pomiaru prężności par cieczy i ciał stałych, powyżej 130 Pa, q metody dynamiczne polegają na pomiarze w temperaturze wrzenia cieczy, odpowiadającej danemu ciśnieniu. Metody dynamiczne są stosowane do pomiaru prężności par cieczy do 260 kPa, q metody nasycenia gazowego polegają na przepływie nad badaną cieczą laminarnego strumienia gazu obojętnego. Prężność par jest obliczana na podstawie pomiaru ilości odparowanej cieczy. Metody nasycenia gazowego są stosowane do pomiaru prężności par do 13 Pa. Stosowanie innych metod pomiaru prężności par jest ograniczone do celów badawczych. Prężność par ciekłych paliw, rozpuszczalników i niektórych innych cieczy eksploatacyjnych, o prężności par nie większej niż 180 kPa, jest oznaczana znormalizowanymi metodami, o ściśle ustalonym stosunku objętości fazy gazowej do fazy ciekłej. Najczęściej jest stosowana metoda Reida. W metodzie tej stosunek objętości fazy gazowej do fazy ciekłej wynosi 4 : 1. Zasadniczą częścią aparatu jest tzw. bomba Reida (rys. 4.28), której elementami są: komora cieczy 1, komora par 2, oraz manometr 4. W czasie pomiaru bomba jest zanurzona w łaźni wodnej o określonej normą temperaturze, najczęściej jest to temperatura 37,8°C, ale może być inna jeżeli nakazuje to norma produktowa. Komorę cieczy, napełnioną badanym produktem, łączy się z komorą par i manometrem. Aparat zanurza się w łaźni wodnej do poziomu szyjki manometru. Po pewnym czasie ciśnienie w komorze par ustala się. Wynik pomiaru ciśnienia (z poprawkami na prężność pary wodnej i ciśnienia powietrza) jest prężnością par produktu. Metoda Reida została przyjęta w większości państw, w tym również w Polsce. 1 Rys. 4.28 Bomba Reida do oznaczania prężności par 1 – komora cieczy, 2 – komora par, 3 – zawór, 4 – manometr

Wyróżnia się następujące podstawowe pojęcia z zakresu prężności par lotnych rozpuszczalników oraz paliw ciekłych: q prężność par wg Reida metodą suchą (RVP), przeznaczona do ciekłych paliw silnikowych i lotnych rozpuszczalników zawierających składniki rozpuszczalne w wodzie (np. związki tlenowe w benzynach), q prężność par wg Reida metodą mokrą, przeznaczona do ciekłych paliw silnikowych i lotnych rozpuszczalników nie zawierających składników rozpuszczalnych w wodzie q prężność par nasyconych powietrzem (AVSP). Prężność par wg Reida metodą suchą (RVP) – jest to całkowite ciśnienie wytwarzane przez pary produktu, przy braku nierozpuszczonej wody w próbce. Prężność par wg Reida metodą mokrą – jest to całkowite ciśnienie wytwarzane przez pary produktu nasycone powietrzem, gdy badana próbka zawiera wodę w postaci nierozpuszczonej. Obie metody wg Reida są przeznaczone do oznaczania prężności par ropy naftowej i lekkich produktów naftowych o małej lepkości, których prężność par jest niższa niż 180 kPa. Prężność par nasyconych powietrzem (AVSP) – jest to całkowite ciśnienie wytwarzane w próżni przez pary produktu nasycone powietrzem, gdy badana próbka nie zawiera wody w postaci nierozpuszczonej. Prężność par jest ważnym parametrem stosowanym do oceny jakości lotnych cieczy eksploatacyjnych. W przypadku paliw ma ona obok składu frakcyjnego decydujące znaczenie dla tworzenia mieszanek paliwowo-powietrznych, a także ma wpływ na zjawiska tworzenia się korków gazowych w przewodach paliwowych, strat paliwa oraz zjawiska kawitacji i związanej z nimi korozji kawitacyjnej. Prężność par paliw i lotnych rozpuszczalników jest uwzględniona przy projektowaniu zamkniętych zbiorników rozpuszczalników i paliw. Prężność par rozpuszczalników i innych cieczy eksploatacyjnych określa skłonność do tworzenia z powietrzem mieszanek wybuchowych i palnych, a tym samym decyduje o bezpieczeństwie pracy z tymi cieczami. Pobieranie próbek do badania prężności par, ze względu na istotną zależność wyników pomiarów od strat, powodowanych przez odparowanie najbardziej lotnych składników, musi odbywać się z zachowaniem szczególnych środków ostrożności. Nie jest zalecane stosowanie technik automatycznych, a także technik polegających na wypieraniu produktu wodą. Również w odniesieniu do pojemników i sposobów postępowania z próbką, normy zalecają specjalne postępowanie tak, aby zapobiec utracie lekkich frakcji. Próbka i pojemniki powinny być schłodzone i przechowywane w lodówce. Zalecany sposób pobierania próbki do badania prężności par z próbki ogólnej, zilustrowano na rys. 4.29. Według tej procedury zalecany jest następujący tok postępowania: q pojemnik z próbką ogólną (rys. 4.29A) powinien być wypełniony przynajmniej w 70% i szczelnie zamknięty, q do pojemnika należy wprowadzić korek wyposażony w dwie rurki 4, jedną sięgającą dna, a drugą do przestrzeni gazowej (rys. 4.29B), q na rurkę połączoną z przestrzenią gazową nałożyć pojemnik na próbkę do badań prężności par 5 tak, aby lotne pary produktu mogły być schwytane w tym pojemniku (rys. 4.29C), q pojemnik z próbką ogólną należy odwrócić tak, aby ciecz wylewała rurką się pod własnym ciężarem, a powietrze przedostawało się do przestrzeni par przez drugą rurkę (rys. 4.29D). Podczas pobierania, przechowywania i badania próbki należy zachować wszelkie możliwe środki ostrożności tak, aby lotne składniki nie zostały utracone.

IV

15

Rys. 4.29 Prawidłowy sposób pobierania próbki z próbki ogólnej paliw i lotnych rozpuszczalników do badania prężności par A – zamknięty pojemnik z próbką, B – pojemnik z rurkami zapobiegającymi ulatnianiu się par, C – napełnianie pojemnika na próbkę do badań prężności par produktu, D – napełnianie pojemnika produktem do badań prężności par 1 – badany produkt, 2 – pojemnik z próbką zbiorczą, 3 – przestrzeń par produktu, 4 – korek z rurkami, 5 – pojemnik na próbkę do badań prężności par

Smary plastyczne i oleje smarne mogą zawierać lotne substancje. Na ogół są to składniki niepożądane. Odparowują one podczas pracy smaru czy oleju, co powoduje zmianę ich właściwości użytkowych. Lotne składniki oleju mogą być przyczyną jego pienienia, a także kawitacji, wywołującej korozję kawitacyjną.

Do oceny zawartości lotnych składników smarów plastycznych i niektórych olejów smarnych jest stosowana metoda, polegająca na ogrzewaniu zważonej próbki produktu w ciągu 22 godzin, w specjalnym urządzeniu (rys. 4.30), umieszczonym w termostatującym bloku aluminiowym 8. Temperatura badania jest ustalana normą produktową, na ogół w przedziale temperatury 100 … 350°C. Ponad powierzchnią próbki 5 przepływa strumień ogrzanego w bloku powietrza, z którym, poprzez kanał 2, są unoszone lotne składniki produktu. Do badania zawartości lotnych składników w olejach przeznaczonych do pracy w wysokich temperaturach (np. olejach do turbinowych silników lotniczych), olejach silnikowych i samochodowych są stosowane specjalne metody (np. metoda Noack’a). Do celów badawczych są stosowane metody derywatograficzne (analiza termograwimetryczna), polegające na ciągłej rejestracji masy próbki ogrzewanej stopniowo, w znormalizowanych warunkach.

4.6 Właściwości zapłonu i palenia

4.30 Zasadnicza część aparatu do badania zawartości lotnych składników w smarach plastycznych i olejach 1 – pokrywa, 2 – wylot powietrza i par oleju, 3 – uchwyt pokrywy, 4 – komora w bloku aluminiowym, 5 – badana próbka oleju, 6 – wlot powietrza, 7 – naczyńko z badaną próbką, 8 – blok aluminiowy

16

IV

Ogrzewanie produktów naftowych i innych palnych cieczy powoduje wydzielanie lżejszych frakcji. Tworzą one z powietrzem mieszaniny, które w zetknięciu z płomieniem lub iskrą mogą ulec zapłonowi. Jednym z warunków powstania zapłonu jest, aby płomień lub iskra wniosły do układu energię większą od niezbędnej do wywołania łańcuchowej reakcji palenia tzw. energię zapłonu. Płomień lub iskra, o energii mniejszej niż energia zapłonu powoduje, że w reakcję wchodzi zbyt mała liczba cząstek, aby wytworzone w wyniku reakcji ciepło zapoczątkowało reakcję spalania następnych cząstek. Jeżeli ilość ciepła, wydzielonego w wyniku reakcji, jest większa od ilości ciepła odprowadzanego do otoczenia, to reakcja przebiega aż do spalenia całej ilości par substancji. Wartość energii zapłonu jest zależna od wielu czynników, jak: skład chemiczny produktu, ciśnienie, temperatura mieszaniny, ciepło właściwe składników mieszaniny, charakter płomienia itp. Wielkość energii zapłonu, w zależności od temperatury mieszanek z powietrzem wybranych ciekłych paliw i rozpuszczalników naftowych, przedstawiono na rys. 4.31. W przypadku większości węglowodorów, energia zapłonu wynosi 5 mJ. Pary produktu mogą ulec zapłonowi tylko wówczas, gdy ich stężenie zawiera się w określonych granicach, zwanych granicami zapłonu. Wyróżnia się dolną i górną granicę zapłonu. Dolna granica zapłonu jest to minimalne stężenie par produktu w powietrzu, przy którym wprowadzenie płomienia lub iskry, o energii

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości... większej niż energia zapłonu, spowoduje zapłon. Górna granica zapłonu jest to stężenie par produktu, powyżej którego zapłon nie następuje. Jest to spowodowane zbyt małym stężeniem tlenu, który jest niezbędny do podtrzymywania łańcuchowej reakcji spalania. Granice zapłonu zależą od wielu czynników, z których najważniejsze to: skład chemiczny par substancji, ciśnienie, stężenie tlenu, stężenie gazów obojętnych, umiejscowienie płomienia. Zdolność do zapalania się par produktów w warunkach otoczenia charakteryzuje temperatura zapłonu. Temperatura zapłonu – jest to najniższa temperatura, przy której produkt ogrzewany w znormalizowanych warunkach wydzieli ilość par, wystarczającą do wytworzenia z powietrzem mieszaniny zapalającej się po zbliżeniu płomienia. W warunkach, gdy ilość wytwarzanych par jest niewystarczająca do podtrzymywania płomienia, po wypaleniu wydzielonych par, płomień gaśnie. Oznaczanie temperatury zapłonu jest wykonywane w aparatach o ściśle znormalizowanej budowie i w ustalonym trybie postępowania: szybkości podgrzewania, częstotliwości wprowadzania płomienia do przestrzeni, w której następuje zapłon itp.

Rys. 4.31 Zależność minimalnej energii zapłonu od temperatury (mieszanek paliwo – powietrznych) wybranych produktów naftowych 1 – lekka benzyna (rozpuszczalnik), 2 – benzyna lotnicza, 3 – lotnicze paliwo szerokofrakcyjne, 4 – benzyna lakowa, 5 – nafta lotnicza

Rys. 4.32 Aparat do oznaczania temperatury zapłonu w tyglu zamkniętym wg Abel-Pensky 1 – termometr do pomiaru temperatury badanego produktu, 2 – termometr do pomiaru temperatury łaźni wodnej, 3 – mechanizm zapalający, 4 – tygiel wewnętrzny z badanym produktem, 5 – łaźnia wodna

Metody oznaczania temperatury zapłonu i stosowane aparaty dzieli się na dwie zasadnicze grupy: q w tyglu zamkniętym, w którym przestrzeń nad produktem jest zakryta specjalną pokrywką, q w tyglu otwartym, w których ta przestrzeń jest odkryta. Do oznaczania temperatury zapłonu w tyglu zamkniętym są stosowane różne aparaty, wśród których, największe zastosowanie znalazły:

Rys. 4.33 Aparat do oznaczania temperatury zapłonu w tyglu zamkniętym wg TAG 1 – termometr do pomiaru temperatury badanego produktu, 2 – mechanizm zapłonowy, 3 – termometr do pomiaru temperatury łaźni, 4 – pokrętło uruchamiające palnik, 5 – badany produkt, 6 – łaźnia wodna, 7 – palnik

Rys. 4.34 Aparat do oznaczania temperatury zapłonu w tyglu zamkniętym wg Martens-Pensky 1 – zawór do regulacji dopływu gazu, 2 – palnik, 3 – tygiel z badanym produktem, 4 – osłona, 5 – blok metalowy, 6 – urządzenie zapłonowe z ruchomym palniczkiem, 7 – napęd mieszadełka, 8 – termometr do pomiaru temperatury produktu, 9 – pokrętło uruchamiające otwarcie okienka i nachylenie palniczka, 10 – mieszadełko

IV

17

Rys. 4.36 Zależność między temperaturą zapłonu wg Cleveland i Marcusson

Rys. 4.35 Aparat do oznaczania temperatury zapłonu w tyglu otwartym wg Cleveland 1 – palnik, 2 – płytka metalowa, 3 – dźwignia do przemieszczania palniczka, 4 – tygielek na badaną próbkę, 5 – palniczek, 6 – termometr, 7 – badany produkt

q Abel-Pensky (rys. 4.32) – Europa, q TAG Closed Cup (rys.4.33) – Stany Zjednoczone, kraje anglosaskie, q Martens-Pensky – (rys. 4.34) – większość krajów. Aparaty te są wyposażone w automatyczny, zegarowy mechanizm zapalający, co pozwala na zwiększenie dokładności wyników oznaczania. Aparaty z tyglem zamkniętym są stosowane do oznaczania temperatury zapłonu paliw i rozpuszczalników oraz niektórych olejów smarnych i innych stosunkowo lotnych cieczy eksploatacyjnych, w szczególności stosowanych w układach zamkniętych. W przypadku cieczy eksploatacyjnych o małej lotności są stosowane aparaty z tyglem otwartym. Do najczęściej stosowanych należą: q Cleveland (COC – Cleveland Open Cup) (rys. 4.35) w większości krajów w tym w Polsce, q Marcusson, w większości krajów Europy, w tym i w Polsce, q Tag (Tag Open Cup), w krajach anglosaskich (USA, Anglia), ostatnio również w innych krajach europejskich, q Brenken, w Rosji i niektórych innych krajach.

Temperatura zapłonu w tyglu otwartym jest oznaczana dla olejów smarnych i innych cieczy eksploatacyjnych, w szczególności pracujących w układach otwartych. Temperatura zapłonu, oznaczona w aparatach z tyglem zamkniętym, jest o kilkanaście stopni niższa od wyników uzyskiwanych w aparatach z tyglem otwartym. Praktycznie, temperatury zapłonu oznaczane jedną z przytoczonych metod w każdej z obu grup, nie różnią się istotnie. Przykład, dla przypadku metod wg Cleveland i Marcusson ilustruje wykres przedstawiony na rys. 4.36. Stosowanie tej lub innej metody wynika z tradycji kraju. W przypadku niektórych produktów jest oznaczana temperatura zapłonu w tyglu otwartym i zamkniętym. Różnica temperatury zapłonu, oznaczona obydwoma metodami, jest dość dokładną miarą zawartości w produkcie substancji lotnych. Im ta różnica jest mniejsza, tym mniejsza jest zawartość substancji lotnych. Temperatura zapłonu jest parametrem charakteryzującym produkty naftowe i inne ciecze eksploatacyjne pod względem skłonności do tworzenia z powietrzem mieszanek palnych lub wybuchowych. Na podstawie temperatury zapłonu można również wnioskować o obecności w produkcie substancji lotnych, będących zanieczyszczeniami lub pozostałościami z procesów technologicznych.

TABELA 4.1 Zastosowanie metod oznaczania temperatury zapłonu Metoda oznaczania

Rodzaje oznaczenia

Zakres temperatury

Rodzaje produktów

Abel-Pensky

Temperatura zapłonu

Powyżej 15°C

Rozpuszczalniki, benzyny lakiernicze, nafty

Tag Closed Cup

Temperatura zapłonu

Poniżej 90°C

Ciekłe produkty naftowe o lepkości poniżej 5,5 mm2/s w temperaturze 40°C lub poniżej 9,5 mm2/s w temperaturze 25°C

Pensky-Martens (PM)

Temperatura zapłonu

20 ... 275°C

Ciekłe produkty naftowe o lepkości poniżej 5,5 mm2/s w temperaturze 40°C lub poniżej 9,5 mm2/s w temperaturze 25°C

Cleveland (COC)

Temperatura zapłonu Temperatura palenia

Powyżej 79°C

Ciekłe produkty naftowe o temperaturze zapłonu powyżej 79°C, z wyłączeniem olejów opałowych

Marcusson

Temperatura zapłonu Temperatura palenia

Powyżej 80°C

Ciekłe produkty naftowe

Tag Open Cup

Temperatura zapłonu Temperatura palenia

Poniżej 160°C

Ciekłe produkty naftowe, asfalty

Brenken

Temperatura zapłonu Temperatura palenia

Powyżej 70°C

Oleje napędowe, oleje smarne, asfalty i inne ciecze eksploatacyjne

Tygiel zamkniętym

Tygiel otwarty

18

IV

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości... Podnoszenie temperatury produktu powyżej temperatury zapłonu prowadzi do osiągnięcia stanu, w którym ilość wydzielanych par jest równa ilości par spalanych w jednostce czasu. Temperatura, w której następuje taka równowaga, nazywa się temperaturą palenia. Temperatura palenia – jest to najniższa temperatura, w której zapalone pary produktu palą się przez określony czas. Temperatura palenia jest związana z lotnością produktu. Im wyższa temperatura wrzenia, tym wyższa temperatura palenia. Na temperaturę palenia ma wpływ prężność par, skład frakcyjny, skład chemiczny, ciśnienie, stężenie gazów obojętnych, a także warunki geometryczne przestrzeni, w której następuje palenie. Oznaczanie temperatury palenia jest wykonywane w aparatach z tyglem otwartym przez dalsze ogrzewanie produktu po osiągnięciu temperatury zapłonu, aż do momentu, w którym pary po zapaleniu nie gasną w ciągu ustalonego czasu. W tabeli 4.1 podano podstawowe zastosowania poszczególnych metod oznaczania temperatury zapłonu. Do zastosowań specyficznych (np. do farb i lakierów) oraz w celu zwiększenia precyzji wyników badań, opracowano i znormalizowano wiele innych metod oznaczania temperatury zapłonu. Od temperatury zapłonu należy odróżnić temperaturę samozapłonu. Temperatura samozapłonu – jest to najniższa temperatura, w której następuje samoczynne zapalenie się par produktu w atmosferze powietrza. Oznaczanie jest wykonywane przy zastosowaniu aparatu (rys. 4.37) o specjalnej konstrukcji. W metodzie tej produkt jest wkraplany, przy użyciu biurety do specjalnej komory ogrzewanej blokiem aluminiowym. Przy pracy z produktami w temperaturze wyższej niż ich temperatura zapłonu, należy stosować szczególne środki ostrożności. Praca z produktami powyżej ich temperatury samozapłonu jest niedopuszczalna, z wyjątkiem przypadków, w których produkty ulegają spaleniu, np. w silnikach. Lekkie produkty naftowe i rozpuszczalniki są cieczami łatwopalnymi. Mogą one ulec zapaleniu przy zetknięciu się par z otwartym ogniem, iskrą elektryczną lub nagrzaną powierzchnią, a nawet wybuchowi, wywołanemu wyładowaniem elektryczności statycznej lub piorunem.

Rys. 4.37 Aparat do oznaczania temperatury samozapłonu 1 – rurka mosiężna do podgrzewania powietrza, 2 – biureta z badanym produktem, 3 – pokrywa, 4 – komora spalania, 5 – wkładka metalowa, 6 – termometr do pomiaru temperatury bloku grzejnego, 7 – blok aluminiowy, 8 – osłona

TABELA 4.2 Klasy niebezpieczeństwa pożarowego cieczy łatwopalnych Klasa niebezpieczeństwa pożarowego

Temperatura zapłonu cieczy, °C

Metoda oznaczania temperatury zapłonu Abel-Pensky

I

450 300…450 200…300 135…200 100…135

Nad swobodną powierzchnią tworzy się mieszanina par węglowodorów i powietrza. Jeżeli stężenie par w utworzonej mieszaninie osiągnie odpowiednią wartość, to płomień lub iskra o wystarczającej energii spowoduje zapłon. Po zapaleniu płomień rozchodzi się po powierzchni z prędkością zależną od panujących warunków. Prędkość rozchodzenia się płomienia nad spokojną, otwartą powierzchnią wynosi 1,2 … 1,4 m/s. Jeżeli produkt znajduje się w przestrzeni zamkniętej, np. w zbiorniku, prędkość ta wynosi 0,3 … 0,6 m/s, a przy turbulentnym ruchu 10 … 30 m/s. Po zapaleniu na całej powierzchni, jeżeli warunki, w których może zachodzić palenie będą zachowane, cała ilość produktu ulegnie wypaleniu. Prędkość wypalania się z powierzchni paliw i lotnych rozpuszczalników wynosi 2,5 … 10 mm/min. Z punktu widzenia bezpieczeństwa pożarowego najważniejsza jest znajomość warunków, w których pary produktu mogą ulec zapaleniu lub wybuchowi. Warunki te są oceniane na podstawie następujących charakterystyk zapalności: temperatury zapłonu, temperatury samozapłonu, przedziału temperaturowego tworzenia mieszanin wybuchowych (granicy wybuchowości), przedziału stężeniowego tworzenia mieszanin wybuchowych oraz przedziału prężności par produktu, przy których może nastąpić wybuch. Charakterystyki zapalności produktów naftowych zależą od ciśnienia. Najprostszym wskaźnikiem charakteryzującym zapalność produktu jest temperatura zapłonu. Dla paliw i lotnych rozpuszczalników jest ona oznaczana w tyglu zamkniętym, metodą AblaPensky’ego lub Martensa-Pensky’ego. W warunkach oznaczania energia płomienia, zapalającego wynosi 5 … 6 mJ, a prężność par w zamkniętej przestrzeni tygla wynosi 1 … 1,3 kPa. Aby taka prężność par została osiągnięta, produkt musi mieć odpowiednią temperaturę. Temperatury zapłonu większości rozpuszczalników i benzyn są ujemne. Z tego względu w toku kontroli jakości nie są one oznaczane, natomiast temperatury zapłonu cięższych rozpuszczalników i paliw są traktowane jako ważne charakterystyki ich jakości. Temperatura zapłonu m.in. charakteryzuje bezpieczeństwo obchodzenia się z produktami i jest podstawą do zakwalifikowania poszczególnych rodzajów do odpowiedniej klasy bezpieczeństwa pożarowego. Polskie przepisy dzielą ciecze palne na trzy klasy niebezpieczeństwa pożarowego (tab. 4.2). Temperatura samozapłonu jest ważną właściwością, charakteryzującą bezpieczeństwo pożarowe paliw i innych lotnych węglowodorów. W warunkach eksploatacji zjawisko samozapalenia produktu może mieć miejsce wówczas, gdy krople lub pary produktu zetkną się np. z nagrzaną powierzchnią silnika. W zależności od temperatury samozapłonu par cieczy łatwo zapalnych, dzieli się je na pięć grup samozapłonu (tab. 4.3) W zależności od klasy niebezpieczeństwa pożarowego i grupy samozapłonu obowiązują różne przepisy przy postępowaniu z cieczą. Ważną, z punktu widzenia bezpieczeństwa pożarowego, właściwością lotnych produktów naftowych są granice wybuchowości. W przypadku, gdy w określonej przestrzeni stężenie par produktu

IV

19

TABELA 4.4 Stężenie gazu obojętnego w powietrzu, zabezpieczające przed wybuchem par substancji lotnych Gaz obojętny

Wzór chemiczny

Minimalne stężenie gazu obojętnego, % (V/V)

Bromek metylu Czterochlorek węgla Dwutlenek węgla Azot

CH3Br CCl4 CO2 N2

4,0 7,5 23,0 31,0

będzie w granicach wybuchowości, zbliżenie płomienia lub zaiskrzenie powoduje wybuch. Poważne niebezpieczeństwo stwarzają opróżnione zbiorniki po produkcie. Ilość produktu, jaka znajduje się w opróżnionym zbiorniku jest zazwyczaj niewystarczająca do wytworzenia takiej ilości par, aby osiągnięta została górna granica wybuchowości. Natomiast dolna granica wybuchowości par lotnych rozpuszczalników i paliw węglowodorowych jest bardzo niska. Jest to powodem, że opróżniony zbiornik jest zagrożony wybuchem prawie w każdych warunkach. Z tego względu wszelkie prace z pustymi zbiornikami po produktach naftowych powinny być prowadzone z najwyższą ostrożnością i zgodnie z obowiązującymi w tym zakresie przepisami, przez wyspecjalizowany personel. Zaistnieniu warunków do wybuchu przeciwdziała się wieloma metodami: dokładne usunięcie pozostałości produktu, wtłaczanie gorącej pary wodnej (parowanie zbiorników), uziemianie, a także wprowadzanie do zbiorników gazu obojętnego. Zjawisko zawężania granic wybuchowości, przez wprowadzenie do przestrzeni gazowej zbiornika gazu obojętnego, jest wykorzystywane w niektórych konstrukcjach zbiorników magazynowych. W tym przypadku produkt jest przepłukiwany gazem obojętnym, gazem tym jest wypełniana również „poduszka” powietrzna nad produktem. Jako gazy obojętne są stosowane: dwutlenek węgla, azot, hel, bromek metylu, czterochlorek węgla, gazy spalinowe. Stężenie niektórych gazów obojętnych, zabezpieczające przed wybuchem podano w tabeli 4.4.

materiału, o kształcie łusek. Łuszczenie ma miejsce przy suchym styku podczas toczenia z poślizgiem. Pod wpływem cyklicznego oddziaływania naprężeń powstają mikropęknięcia, których ostatecznym efektem jest odrywanie materiału z powierzchni. Pitting jest odmianą zużycia powierzchniowego. Powstaje on wskutek zmęczenia wierzchnich warstw materiału. W początkowym okresie powstają mikropęknięcia, które powiększając się, obejmują coraz większą powierzchnię. W mikropęknięcia wnika substancja smarująca. Rozsadza ona szczeliny aż do powstania ubytków materiału. Zużycie zmęczeniowe powstaje wskutek zmęczenia powierzchni materiału w wyniku cyklicznego powstawania naprężeń. Powstają mikropęknięcia, w wyniku rozszerzenia których powstają następnie makropęknięcia. Efektem ostatecznym jest odrywanie cząstek materiału od podłoża. Fretting jest to zużycie zmęczeniowe przy niewielkich przemieszczeniach stykających się powierzchni (pulsacja, drgania, drobne ruchy). Jest to zużywanie miejscowe. Towarzyszy mu najczęściej szereg zjawisk, jak: korozja, zużycie ścierne, utlenianie materiału itp. Ocena właściwości trybologicznych substancji smarujących jest dokonywana metodami laboratoryjnymi (modelowymi) lub w toku badań eksploatacyjnych, prowadzonych w rzeczywistych warunkach pracy maszyny. Zaletami badań modelowych jest ich niska cena oraz krótki czas, wadą natomiast częsta niezgodność stosowanego do badań modelu z rzeczywistymi warunkami pracy

4.7 Właściwości smarne i przeciwzużyciowe Zużycie spowodowane procesami tarcia w skojarzeniach trących, jest nazywane zużyciem ściernym a niekiedy zużyciem trybologicznym. Intensywność zużywania w obszarze tarcia jest zależna między innymi od właściwości substancji smarującej, ale także od geometrii styku, rodzaju ruchu oraz właściwości materiałów konstrukcyjnych skojarzenia trącego. Rozróżnienie poszczególnych procesów zużywania pozwala często na wyciągnięcie wniosków, dotyczących właściwości substancji smarującej. Rozróżnia się następujące rodzaje zużycia: Zużycie ścierne jest wywołane mikroskrawaniem, bruzdowaniem lub rysowaniem powierzchni materiału. Jest ono powodowane obecnością w obszarach tarcia cząstek zanieczyszczeń mechanicznych o twardości większej lub porównywalnej z twardością materiału, lub też wystającymi nierównościami twardszego materiału. Proces zużywania ściernego występuje w miejscach tarcia suchego lub granicznego; w przypadku obecności w substancji smarującej twardych zanieczyszczeń lub, gdy nie nastąpi wytworzenie tzw. klina smarującego. Zużycie adhezyjne występuje w obszarach wierzchołków chropowatości powierzchni. Powstają szczepienia powierzchni trących. Cząstki materiału są odrywane i rozmazywane na trących powierzchniach. Zużycie adhezyjne ma miejsce przy tarciu ślizgowym, o małych prędkościach względnych (do 0,2 m/s) i dużych naciskach jednostkowych (do 11 MPa). Scuffing jest gwałtownym zużyciem adhezyjnym. Występuje on w miejscach przerwania filmu granicznego. Następuje wówczas sczepienie, zadzieranie lub zespawanie. Łuszczenie (scaling) charakteryzuje się miejscowymi ubytkami

20

IV

Rys. 4.38 Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych skojarzeń trących maszyn do badań właściwości smarnych A – kula z płaszczyzną – styk punktowy, B – walec z walcem – styk liniowy, C – kula z walcem – styk punktowy, D – walec z płaszczyzną płaską –styk liniowy, E – kula z kulami – styk punktowy, F – trzpień z płaszczyzną – styk powierzchniowy, G – kule z płaszczyzną – styk punktowy, H – walec z walcem – styk liniowy, I – kule z płaszczyzną – styk punktowy, J – płaszczyzna z płaszczyzną – styk powierzchniowy

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości... substancji smarującej. Badania modelowe pozwalają na odtworzenie najwyżej kilku parametrów procesów. Aby dostatecznie dobrze odtwarzały one warunki rzeczywiste, konieczne jest stosowanie większej liczby różnych modeli. Zaletą badań eksploatacyjnych jest całkowita zgodność warunków badań z warunkami eksploatacji; wadami natomiast wysokie koszty i najczęściej długi czas uzyskania wyników. Pomiar współczynników tarcia jest dokonywany najczęściej przy zastosowaniu różnego rodzaju momentomierzy typu: dynamometrów, czujników elektrycznych, piezoelektrycznych lub indukcyjnych. Właściwości trybologiczne substancji smarujących są oceniane przy użyciu maszyn do badań trybologicznych. W zależności od zastosowanych rozwiązań konstrukcyjnych i oprzyrządowania pomiarowego, maszyny do badań trybologicznych przy zadanych warunkach pracy (geometria skojarzenia trącego, naciski, prędkości względne trących powierzchni, rodzaj tarcia, temperatura, obecność gazów itp.), pozwalają na pomiar niektórych spośród następujących parametrów tarcia: siły tarcia, zużycia powierzchni materiałów trących, intensywność zużywania, temperatury w obszarach styku trących powierzchni, nacisków przy zatarciu. Podstawową charakterystyką, wg której są klasyfikowane maszyny do badań trybologicznych, jest geometria styku trących elementów. Pod tym względem maszyny trybologiczne są dzielone na trzy podstawowe grupy: q ze stykiem punktowym, q ze stykiem liniowym, q ze stykiem powierzchniowym. Pod względem rodzaju ruchu wyróżnia się maszyny tarciowe, w których jest realizowany: q ruch toczny, q ruch ślizgowy, q ruch toczno-ślizgowy. Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych skojarzeń trących występujących w maszynach do badań trybologicznych, przedstawiono na rys. 4.38. Wybór geometrii skojarzenia trącego w badaniach właściwości trybologicznych substancji smarnej powinien odwzorowywać geometrię rzeczywistego skojarzenia trącego. 4.7.1 Maszyna czterokulowa Do oceny właściwości trybologicznych olejów smarowych najczęściej jest stosowana maszyna czterokulowa. Jest to realizacja maszyny trybologicznej o styku punktowym i ruchu ślizgowym. W maszynie czterokulowej prędkość ślizgania jest stała, ale w niektórych rozwiązaniach konstrukcyjnych może być zmieniana stosownie do potrzeb. Obciążenie styku jest zmienne, w granicach od 0 do 8000 N. Temperatura środka smarowego może być ustalana. Najczęściej badania są wykonywane w temperaturze pokojowej. Schemat maszyny czterokulowej przedstawiono na rys. 4.39 Skojarzenie trące w tej maszynie jest utworzone z czterech kul (rys. 4.40) o średnicy 12,7 mm, wykonanych ze stali łożyskowej 62,7 HRC. Trzy kule są umieszczone w pojemniku w kształcie miseczki, do której jest wlewana badana substancja smarująca. Czwarta kula jest zamocowana w uchwycie. W czasie badania obraca się ona z prędkością 1500 obr/min, co odpowiada prędkości przesuwu trących powierzchni 0,55 m/s. Kule znajdujące się w miseczce są dociskane do kuli zamocowanej w uchwycie za pomocą dźwigni. Siła dociskająca (obciążenie zadane) jest zmieniana w sposób ciągły lub skokowy. Może ona dochodzić do 12 000 N.

Rys. 4.39 Maszyna czterokulowa – schemat kinematyczny 1 – pokrywa mocująca kulki dolne, 2 – uchwyt kulki górnej, 3 – kulka górna (obracana), 4 – kulki dolne (nieruchome), 5 – naczynie z badanym olejem, 6 – pryzmat, 7 – dźwignia, 8 – obciążniki, 9 – badany olej

Rys. 4.40 Skojarzenie trące maszyny czterokulowej 1…5 oznaczenia jak na rys. 4.39.

Maszyna ma zamontowane urządzenia do termostatowania skojarzenia trącego w zakresie temperatury 233 … 573 K. Pracę maszyny charakteryzują następujące parametry: q obciążenie rzeczywiste kulek, Pr, obliczone wg rozkładu sił, może być wyznaczone ze wzoru (4.39): Pr = 0,408 P

(4.39)

q obciążenie właściwe, Pwł, zwane obciążeniem zużycia, przypadające na zwiększoną w wyniku zużycia powierzchnię styku, obliczane jest ze wzoru (4.40): Pwł =

0,52 P d2

(4.40)

q obciążenie skorygowane Ps, obliczane jest ze wzoru (4.41): Ps =

P . DH d

(4.41)

IV

21

We wzorach (4.39 … 4.41) oznaczono: P – obciążenie zadane, d – średnica skazy (śladu zużycia), DH – średnica odkształcenia sprężystego kulki wg Hertza (tzw. średnica skaz Hertza) obliczana ze wzoru (4.42): 3

DH = 0,0873 ÖP

(4.42)

Skazy Hertza można praktycznie zaobserwować na powierzchni kulek, gdy po ich umieszczeniu w gnieździe maszyny czterokulowej zada się odpowiednie obciążenie bez nadawania maszynie obrotów. Kulki takie mają odciśnięte ślady o średnicach, które mogą być obliczone wg wzoru (4.42). Średnice skaz Hertza w układzie współrzędnych log-log tworzą linię prostą (patrz rys. 4.41). Podstawowymi miarami właściwości trybologicznych (smarnych) substancji smarowej, wyznaczanymi przy zastosowaniu maszyny czterokulowej, są: q obciążenie dla 1 mm, (P1), obciążenie nadane, dla którego średnica skazy wynosi 1 mm; q największe obciążenie nie zacierające, (PN), obciążenie nadane, dla którego średnica skazy nie przekracza więcej niż 5% skompensowanej średnicy skaz, dla danego obciążenia; q średnica skaz, (P60s), wytartych na powierzchniach kulek, przy zadanym obciążeniu na dźwigni, w czasie jednominutowego biegu maszyny; q obciążenie zacierające, (PZ), definiowane jako najmniejsze obciążenie nadane, przy którym nastąpi wyraźne zwiększenie oporów tarcia, wskazujące na przerwanie filmu smarującego; parametr ten jest traktowany jako miara wartości nacisku, jaki nie może już być przeniesiony przez film smarujący; q graniczne obciążenie zużycia, (GOZ), definiowane jako nacisk jednostkowy, wyrażany w N/m2, określające nacisk w skojarzeniu trącym przy stałym obciążeniu nadanym i obliczane na podstawie średniej średnicy skaz powstałych na kulkach dolnych, w czasie biegu maszyny pod tym obciążeniem; q wskaźnik zużycia pod obciążeniem, (IH), obliczany na podstawie wyników pomiarów średnic skaz dla 10 biegów, wyko-

nanych z kolejnymi obciążeniami, poprzedzającymi obciążenie zespawania; q obciążenie zaspawania, (GZ PZ), najniższe obciążenie na dźwigni maszyny, przy którym w czasie jednominutowego biegu maszyny nastąpi zespawanie górnej kulki z zestawem trzech kulek dolnych. Jeżeli wykonany zostanie pomiar średnicy skaz pod różnymi obciążeniami, nadanymi na dźwigni maszyny, to na podstawie tych pomiarów jest sporządzany wykres tzw. krzywa zużycia pod obciążeniem, obrazujący właściwości smarne badanej substancji smarującej, co przedstawia rys. 4.41A. Spośród dwóch substancji smarujących, przy identycznych warunkach badania, ta ma lepsze właściwości smarne, dla której skutki wywołane takim samym obciążeniem górnej kulki są mniejsze. Przebieg zużywania kul maszyny czterokulowej dla kilku wybranych olejów, w zależności od obciążenia, pokazano na rys. 4.41B. Na podstawie pomiarów średnic skaz przy kolejnych obciążeniach, jest wykonywany wykres, tzw. krzywa zużycia pod obciążeniem, przedstawiający właściwości smarne i przeciwzużyciowe badanego środka smarowego. Na wykresie krzywej zużycia zaznaczono charakterystyczne punkty, odnoszące się do przebiegu zużywania. Najprostsza interpretacja rezultatów badań polega na porównaniu scharakteryzowanych parametrów dla oleju badanego i wzorcowego. Przyjmuje się, że spośród dwóch środków smarowych, przy identycznych warunkach badania, ten ma lepsze właściwości smarne i przeciwzużyciowe, dla którego skutki wywołane zadanym obciążeniem są mniejsze. Istnieje wiele możliwości interpretowania wyników uzyskiwanych przy zastosowaniu maszyny czterokulowej. Przy użyciu różnych wersji maszyny czterokulowej są realizowane dwa podstawowe testy: Przeciwzużyciowy (antiwear test – AW). W teście tym są utrzymywane obroty 1200 min–1 lub w innej wersji 1800 min–1. Obciążenie nadane wynosi 15 kG (metoda A) lub 40 kG (metoda B). Normatywny czas biegu maszyny 1 godzina. Obciążenie kulek (tzw. obciążenie nadane), uzyskuje się poprzez nałożenie na ramię dźwigni obciążników lub w inny sposób, zależnie od konstrukcji

Rys. 4.41 Wyniki badań właściwości smarnych na maszynie czterokulowej A – typowy przebieg zmian zależności średnicy skazy od obciążenia osiowego na górną kulkę, ABE – linia kompensacyjna, B – zatarcie, D – zespawanie, F – linia średnic Hertza. B – wyniki badań wybranych olejów 1 – mineralny olej turbinowy, 2 – turbinowe oleje syntetyczne, 3,4,5 – oleje turbinowo-przekładniowe, 6 – silnikowy olej lotniczy, 7 – olej przekładniowy

22

IV

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości... maszyny. Szereg obciążeń jest dobrany tak, że logarytmy ich kolejnych wartości różnią się między sobą o 0,1. W wersji podstawowej, górnej kulce nadawany jest ruch obrotowy. Napęd kulki górnej jest nadawany silnikiem elektrycznym o mocy 1,5 … 2 kW. Przeciwzatarciowy (extreme pressure – EP). W teście tym są utrzymywane stałe obroty na poziomie 1450 +/ – 50 min–1, co odpowiada prędkości przesuwu trących powierzchni – 0,55 m/s. Maksymalne obciążenie nadane może wynosić 12 000 N. Na kulki są nadawane coraz większe obciążenia, a następnie jest mierzona średnica skaz powstałych na kulkach dolnych, po biegu maszyny na nadanym obciążeniu. W niektórych przypadkach zwiększanie obciążenia kontynuje się aż do przerwania filmu olejowego (zatarcie) lub wystąpienia objawów zespawania. Następuje wówczas zatrzymanie biegu silnika lub gwałtowne zmniejszenie jego prędkości obrotowej. Uniwersalność maszyny czterokulowej pozwala na realizację wielu różnych programów badań, które rozszerzają charakterystyki właściwości smarnych olejów smarnych i smarów plastycznych. Wyniki badań, uzyskiwane przy zastosowaniu maszyny czterokulowej, służą do przybliżonej oceny właściwości smarnych substancji smarowych, głównie olejów i smarów plastycznych stosowanych do smarowania przekładni i łożysk.

Rys. 4.42 Zasadnicze elementy maszyny Timken A – schemat maszyny, B – skojarzenie trące 1,2 – pireścień i blok skojarzenia trącego, 3 – obciążniki, 4 – dźwignia, 5 – pompa przetłaczająca badany olej, 6 – zbiornik badanego oleju

4.7.2 Maszyna Timken Do oceny właściwości smarnych olejów smarowych i smarów plastycznych używana jest maszyna Timken, której uproszczony schemat i zasadę działania przedstawia rys. 4.42A. W skojarzeniu trącym maszyny Timken występuje styk liniowy. Maszyna służy do oceny trwałości filmu smarowego między ślizgowymi elementami trącymi oraz do pomiaru współczynnika tarcia. Testowe skojarzenie trące o styku liniowym, stanowią klocek i pierścień (rys. 4.42B), wykonane ze stali o twardości 60 … 62 HRC. Pierścień jest obracany, a klocek dociskany dźwignią do pierścienia siłą 50 … 1000 N. Prędkość obrotowa pierścienia jest nastawiana na 500, 750, 1000 i 1500 min–1, co odpowiada prędkościom poślizgu, odpowiednio: 0,92; 1,37; 1,84 i 2,74 m/s. Powierzchnie trące są smarowane substancją smarującą spływającą ze zbiornika. Właściwości smarne oleju lub smaru plastycznego są oceniane na podstawie pomiaru momentu oraz ubytku masy klocka po określonym czasie badania oraz wartości momentu tarcia. Mogą być oceniane następujące parametry: q największe obciążenie nie zacierające, q wytrzymałość środka smarnego na naciski, q współczynnik tarcia, q przebieg procesu zużywania. Rezultaty testów na maszynie Timken służą do wstępnej oceny przydatności środka smarowego do smarowania łożysk ślizgowych oraz przekładni zębatych. 4.7.3 Maszyna Falex W skojarzeniu trącym w maszynie Falex występuje styk liniowy. Model skojarzenia trącego (rys. 4.43) o styku liniowym, składa się z dwóch bloków z wycięciami (szczęk) dociskanych do wałka obracającego się ze stałą prędkością obrotową 240 +/– 10 min–1, co odpowiada prędkości poślizgu około 0,1 m/s. Podstawowe metody badań na tej maszynie polegają na wyznaczeniu obciążenia, przy którym następuje zatarcie skojarzenia trącego maszyny, zanurzonego w badanym środku smarnym. W badaniu tym prędkość obrotowa jest stała, a obciążenie jest zwiększane w sposób ciągły lub dyskretny. Maszyna Falex pozwala zarówno na badanie właściwości EP

Rys. 4.43 Zasadnicze elementy skojarzenia trącego maszyny Falex 1 – szczęki, 2 – wałek, 3 – trzpień mocujący wałek, 4 – głowica napędu

jak i właściwości AW. Służy ona do oceny właściwości smarnych ciekłych środków smarnych przy ekstremalnych obciążeniach. W teście EP są realizowane dwa podstawowe badania: A – w którym obciążenie jest zwiększane w sposób ciągły , B – w którym obciążenie jest zwiększane w sposób dyskretny, w tempie 1112 N na minutę. W teście AW są badane właściwości przeciwzużyciowe olejów smarnych. Rezultaty testów na maszynie Falex służą do oceny trwałości filmu olejowego środka smarnego oraz pomiaru współczynnika tarcia.

IV

23

4.7.4 Maszyna FZG Maszyna FZG jest jednym z podstawowych testów stosowanych do oceny właściwości smarnych i przeciwzużyciowych olejów przekładniowych i smarów plastycznych, stosowanych do smarowania przekładni zębatych. Zasadnicze podzespoły aparatu FZG przedstawiono na rys. 4.44. Elementami badawczymi maszyny FZG jest para kół zębatych (małe i duże) o zębach prostych. Są one napędzane silnikiem elektrycznym poprzez przekładnię przenoszącą obciążenia. Koła badawcze i przenoszące obciążenia są połączone dwoma wałami. Wał koła małego jest podzielony i połączony ze sprzęgłem obciążającym. Część sprzęgła obciążającego jest przymocowana do podstawy, podczas gdy druga część (wał skrętny) jest obciążany ciężarkami poprzez dźwignię. Po skręceniu sprzęgła następuje jego odciążenie. W ten sposób jest przykładany statyczny moment obrotowy, który można zmierzyć przy użyciu wałka skrętnego i miernika. Stopień obciążenia jest ustalany w zakresie 1…12. Asynchroniczny silnik elektryczny kompensuje straty tarcia w układzie. Koła badawcze (ściśle znormalizowane) są smarowane zanurzeniowo badanym olejem, który jest podgrzewany grzałką zamontowaną w skrzyni przekładniowej do ustalonej temperatury w zakresie do 150°C, przy czym za normatywną uznano temperaturę 90°C. W wersjach badawczych możliwe są inne rozwiązania układu smarowania kół zębatych, np. natryskowo. Zużycie kół zębatych (∆m) jest oceniane poprzez pomiar (ubytek) ich masy po każdym z 13 biegów, dla każdego z kół. W przypadku gdy środek smarny spełnia wymagania dla momentu obrotowego 12, taki wynik jest oznaczany jako: „12+” , „12 przechodzi” lub „13”. Stanowisko badawcze FZG pozwala na ocenę możliwości przenoszenia obciążeń w układzie przekładni zębatej, o zębach prostych. Najczęściej są realizowane dwa podstawowe testy: q A/8,3/90 – według tego testu są oceniane odporność na zatarcie i właściwości przeciwzużyciowe olejów przekładniowych, metodą wagową. Koła zębate (typu A) są stopniowo obciążane w 15 minutowym biegu, przy prędkości obwodowej 8,3 m/s i temperaturze początkowej oleju wynoszącej 90°C. Po każdym biegu koła badawcze są wymontowywane i jest określany ubytek ich masy. Z przebiegu krzywej (rys. 4.45) są obliczane: zatarcie właściwe oraz stopień obciążenia niszczącego, na podstawie skokowej zmiany masy. q A/2,76/50 – według tego testu są oceniane właściwości przekładniowych smarów plastycznych. W teście tym prędkość obwodowa wynosi 2,76 m/s, a temperatura smaru 50°C. Ponieważ w przypadku smarów plastycznych, większe znaczenie eksploatacyjne mają właściwości przeciwzużyciowe niż przeciwzatarciowe wykonuje się biegi 45 minutowe, a czas trwania testu wynosi: 30, 100 lub 200 godzin. Rezultaty testów są nanoszone na wykres (rys, 4.45) z którego odczytywane są podstawowe właściwości środka smarnego: dolna i górna granica zacierania (stopień obciążenia niszczącego), jednostkowa zmiana masy dla wybranego przedziału stopni obciążenia. Nowsze, lepiej wyposażone wersje aparatu FZG pozwalają na wykonanie dodatkowych testów, jak test na zacieranie – A/057/ 121/10, test Rydera – R/46,5/74, test na ścinanie – A/16/6/90/5, test zmatowienia powierzchni, test na pitting. We wszystkich testach są stosowane oleje wzorcowe o dokładnie znanych właściwościach. Badania olejów i smarów przekładniowych na aparacie FZG pozwalają na wszechstronną ocenę środków smarnych. Z tego

24

IV

Rys. 4.44 Zasadnicze podzespoły maszyny FZG 1 – badany olej, 2 – zębate koła testowe, 3 – sprzęgło pomiarowe momentu obrotowego, 4 – wałek napędzający koło zębate duże (prędkość obrotowa 1760 min –1), 5 – przekładnia przenosząca obroty z silnika, 6 – sprzęgło obciążające, 7 – wałek napędzający koło zębate małe (prędkość obrotowa 2640 min–1), 8 – obciążniki

Rys. 4.45 Rezultaty testu FZG – przykładowa zależność zużycia kół zębatych od energii przenoszonej przez przekładnię testową oraz stopnia obciążenia przekładni 1 – krzywa zużycia koła małego, 2 – krzywa zużycia koła dużego, 3 – sumaryczne zużycie obu kół testowych

względu, są one powszechnie stosowane do oceny właściwości eksploatacyjnych środków smarnych przeznaczonych do przekładni przemysłowych. Jednak należy mieć na względzie, że środek smarny wykazujący w teście FZG wysoki stopień obciążenia niszczącego nie gwarantuje równie dobrych właściwości eksploatacyjnych. Rezultaty testu FZG mogą jedynie stanowić wstępną przesłankę do oceny właściwości przeciwzatarciowych i przeciwzużyciowych. 4.7.5 Maszyna L-60 Maszyna L-60 służy do oceny skłonności olejów przekładniowych do wydzielania szlamów i laków w podwyższonych temperaturach pracy przekładni. Laki i szlamy mogą spowodować przyśpieszone zużywanie powierzchni skojarzeń trących oraz

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości... TABELA 4.5 Podstawowe charakterystyki najczęściej stosowanych maszyn do badań właściwości smarnych i przeciwzużyciowych cieczy eksploatacyjnych

Maszyna badawcza

Rodzaj styku

Zastosowanie testów

ASTM D 2596 ASTM D 2783 ASTM D 4172 ASTM D 5183 DIN 51350/1/4 PN-76/C-04147

Punktowy

Badania właściwości przeciwzużyciowych i EP olejów smarnych, smarów plastycznych i innych cieczy eksploatacyjnych.

Timken

ASTM D 2509 ASTM D 2782 IP 326 IP 240 DIN 51434/T3 PN-C-04073

Liniowy

Badania właściwości przeciwzużyciowych oraz EP smarów plastycznych. Badania właściwości EP, przeciwzużyciowych olejów smarnych.

Falex

ASTM D 2670 ASTM D 2714 ASTM D 3233 ASTM D 3704

Liniowy

Badania właściwości stałego filmu smarującego. Badania właściwości EP, przeciwzużyciowych olejów smarnych. Badania właściwości smarów plastycznych.

Instrukcja producenta

Powierzchniowy

Badanie właściwości przeciwzużyciowych i maksymalnego obciążenia olejów smarnych i smarów plastycznych.

FZG

ASTM D 1947 ASTM D 5182 IP 334 IP 351 DIN 51374/1 ISO 144635-1 PN-78/C-04169

Liniowy

Badane właściwości przeciwzużyciowych olejów smarnych i smarów plastycznych; w szczególności olejów przekładniowych.

Ryder

ASTM D 11947

Liniowy

Badane właściwości przeciwzużyciowych turbinowych olejów lotniczych.

I. A. E.

IP 166

Liniowy

Badane właściwości przeciwzużyciowych turbinowych olejów lotniczych.

Vickers

ASTM D 2882 IP 281 DIN 51 389 PN-87/C-04048

Punktowy

Badanie właściwości przeciwzużyciowych termooksydacyjnych cieczy hydraulicznych, olejów turbinowych, olejów przekładniowych.

Czterokulowa

Almen – Wieland

Normy na metody badań

Skojarzenie trące

uszkodzenia uszczelnień. Test L-60, początkowo przewidziany do oceny olejów do przekładni pojazdów, znajduje coraz powszechniejsze zastosowanie do badań precyzyjnych przekładni przemysłowych pracujących w wysokich temperaturach i w warunkach powodujących utlenianie oleju. Badania są wykonywane na specjalnym stanowisku, wyposażonym w przekładnię testową, złożoną z dwóch kół zębatych. Temperatura oleju jest regulowana i może być dostosowana do temperatury pracy oleju w rzeczywistej przekładni. W komorze przekładni umieszcza się 120 ml badanego oleju oraz miedziany katalizator utlenienia. Przez olej jest przepuszczany strumień powietrza w ilości 1,1 litra/godz. Obracające się koła zębate rozpraszają powietrze w oleju. Badanie najczęściej jest prowadzone w ciągu 50 godzin, ale w szczególnych przypadkach może być przedłużone. Po upływie ustalonego czasu pracy olej jest zlewany, a przekładnia rozmontowywana. Ocena skłonności oleju do wydzielania osadów i laków jest dokonywana na podstawie ilości laków i szlamów odłożonych na kołach zębatych, zmiany lepkości oleju oraz zawartości substancji nierozpuszczalnych w pentanie i toluenie. Test L-60 jest stosowany zarówno do oceny gotowych olejów przekładniowych jak i w przypadku ustalania zestawu (pakietu) dodatków. Ocenia się, że na powstawanie osadów i laków decydujący wpływ mają dodatki zawarte w oleju, natomiast oleje bazowe mają znaczenie drugorzędne.

4.7.6 Pompa Vickers Do badań właściwości smarnych i stabilności termicznej cieczy hydraulicznych jest stosowana tzw. pompa Vickers, której schemat obiegu cieczy hydraulicznej i podstawowe elementy przedstawiono na rys. 4.46. W aparacie tym ciecz hydrauliczna jest przetłaczana przez układ przy pomocy nurnikowej pompy testowej 1, pod ciśnieniem 1000 psi (funt/cal2) w ciągu 1000 godzin. Temperatura cieczy hydraulicznych na bazie wodnej jest utrzymywana na poziomie 150°F a cieczy na bazie olejów 175°F. Stabilność termooksydacyjna badanej cieczy hydraulicznej jest oceniana na podstawie zmian: lepkości kinematycznej, liczby kwasowej i barwy, a właściwości przeciwzużyciowe na podstawie zużycia czół nurników. Test na pompie Vickers jest powszechnie stosowany w badaniach wysokiej jakości cieczy hydraulicznych oraz olejów wielofunkcyjnych, np.: przekładniowo-hydraulicznych, silnikowo-przekładniowo-hydraulicznych, a także innych cieczy przeznaczonych do pracy w układach wyposażonych w pompy nurnikowe. uuu W tabeli 4.5 przedstawiono podstawowe charakterystyki najczęściej stosowanych maszyn do badań właściwości smarnych. Zasadniczą różnicą w budowie tego typu maszyn jest konstrukcja skojarzenia trącego oraz rodzaj realizowanego styku.

IV

25

Rys. 4.46 Podstawowe zespoły i zasada działania pompy Vickers, do badania właściwości przeciwzużyciowych i stabilności termooksydacyjnej cieczy hydraulicznych 1 – pompa nurnikowa Vickers, 2 – zawór jednokierunkowy, 3 – manometr, 4 – regulator ciśnienia, 5 – zbiornik cieczy hydraulicznej, 6 – regulacja przepływu czynnika chłodzącego, 7 – termometr do pomiaru temperatury badanej cieczy hydraulicznej, 8 – chłodnica, 9 – filtr

Urządzenia te lepiej lub gorzej modelują rzeczywiste warunki pracy określonych substancji smarnych lub innych płynów eksploatacyjnych.

4.8 Stabilność termiczna i termooksydacyjna Jednoczesne działanie podwyższonej temperatury, tlenu z powietrza oraz katalitycznego działania metali, są powodem utleniania środków smarnych. Proces ten prowadzi do zmian składu chemicznego środka smarnego. Utlenianie zachodzi zarówno w olejach smarnych jak i smarach plastycznych. Niektóre składniki ulegają termicznemu rozkładowi, inne polimeryzują, a jeszcze inne ulegają przemianom chemicznym, które najczęściej prowadzą do powstawania substancji o charakterze kwasów i związków wielkocząsteczkowych. Produkty utleniania oddziaływają na materiały konstrukcyjne układu smarowania i smarowanych skojarzeń trących, a także osadzają się na wewnętrznych ściankach układu. Zachodzące procesy utleniania i rozkładu termicznego zmieniają właściwości eksploatacyjne środka smarnego. Powstające produkty rozkładu przyspieszają procesy utleniania pozostałych składników oleju. Proces ten często jest nazywany starzeniem środka smarnego. Po pewnym czasie eksploatacji zmiany właściwości są tak głębokie, że zachodzi konieczność wymiany środka smarnego na nowy. Procesy rozkładu termicznego i termooksydacyjnego są szczególnie istotne w przypadku olejów smarnych i innych cieczy eksploatacyjnych pracujących w podwyższonych temperaturach, tj.: olejów silnikowych, olejów sprężarkowych, olejów hydraulicznych, olejowych nośników ciepła, olejów hartowniczych, olejów obróbczych, smarów wysokotemperaturowych, ale również i pozostałych. W wyniku rozkładu termicznego (krakowania), powstają koksy oraz wielkocząsteczkowe żywice, zwane lakami. Wchodzą one w skład nagarów i laków, odkładających się na wewnętrznych ściankach układu smarowania, filtrach olejowych, obrabianych termicznie częściach itp., zatykają przewody doprowadzające olej do smarowanych skojarzeń trących. Istotnym zmianom ulegają lepkość, liczba kwasowa, liczba zasadowa, temperatura zapłonu, działanie korodujące i inne właściwości istotne z punktu widzenia

26

IV

eksploatacji. Niektóre produkty utleniania i rozkładu termicznego są wytrącane z oleju, jako tzw. zanieczyszczenia mechaniczne. Dynamika utleniania i rozkładu termicznego oleju zależy od odporności termicznej i termooksydacyjnej oleju a także od bardzo wielu czynników zewnętrznych. Czynnikami zewnętrznymi, wpływającymi na szybkość procesów rozkładu termicznego i termooksydacyjnego są: q temperatura pracy, q obecność metali katalizujących procesy utleniania (Cu, Pb, Fe), q czas pracy, q łatwość dyfuzji tlenu w głąb warstwy oleju, q ciśnienie. W procesie utleniania olejów węglowodorowych powstają produkty utleniania, takie jak: alkohole, aldehydy, kwasy organiczne. Proces utleniania rozpoczyna się od powstania nadtlenków. Proces ten, w daleko idącym uproszczeniu, zachodzi w sposób następujący: tlen przyłącza się do wiązania C–H, tworząc hydroksynadtlenek. W wyniku rozkładu hydroksynadtlenku powstaje keton lub aldehyd, wg reakcji (4.43). H O I // R–CH2–CH3 + O2 ® R–CH2–C–O–OH ® R–CH2–C– H + H2O (4.43) I H węglowodór

hydroksynadtlenek

aldehyd

Dalsze utlenianie aldehydu prowadzi do powstania kwasu organicznego, wg reakcji (4.44). O // 2 R–CH2–C– H + O2 ® 2 R–CH2–COOH aldehyd

(4.44)

kwas

Na przebieg procesów utleniania i rozkładu termicznego ma wpływ skład chemiczny oleju. Węglowodory parafinowe wykazują największą odporność na utlenianie. Przy czym, odporność na utlenianie tej grupy węglowodorów zależy od rozgałęzienia łańcucha. W cząsteczce węglowodoru najbardziej podatny na utlenianie jest trzeciorzędowy atom węgla. Węglowodory aromatyczne bez podstawników wykazują znaczną odporność na utlenianie. Pierścień aromatyczny na ogół nie ulega rozerwaniu. Boczne podstawniki utleniają się stosunkowo łatwo. Węglowodory naftenowe, w zakresie odporności na utlenianie, zajmują miejsce pośrednie. Składniki olejów syntetycznych na ogół są tak dobierane, aby ich odporność na oddziaływanie tlenu była wystarczająco dobra w warunkach eksploatacji. Poszczególne grupy olejów syntetycznych wykazują zróżnicowaną odporność na utlenianie. Na stan utlenienia olejów ma również wpływ: katalityczne oddziaływanie metali, czas pracy, dolewki, zawartość dodatkówa szczególnie inhibitorów utlenienia. Przykładowy przebieg utlenienia oleju smarnego, w zależności od czasu pracy i temperatury, oceniany poprzez liczbę kwasową oraz lepkość, przedstawia rys. 4.47. Metody oceny stabilności termicznej i termooksydacyjnej olejów smarnych są zróżnicowane i jest ich wiele. Na ogół modelują one warunki pracy oleju w zakresie: temperatury, czasu, kontaktu z powietrzem, katalitycznego oddziaływania metali i innych parametrów, istotnych z punktu widzenia warunków użytkowania. Różne metody są stosowane w przypadku olejów silnikowych, hydraulicznych, turbinowych itp. Opracowano i znormalizowano kilka metod mających charakter uniwersalny. Należą do nich:

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości... q test w bombach rotujących (RBOT – rotating bomb oxidation test), q test stabilności termooksydacyjnej inhibitowanych olejów turbinowych, q test stabilności olejów turbinowych (TOST – turbine oil stability test).

Rys. 4.47 Charakter zmian lepkości i liczby kwasowej oleju smarowego od czasu pracy w maszynie 1 – lepkość, 2 – liczba kwasowa

Rys. 4.48 Stanowisko do badania odporności termooksydacyjnej olejów smarnych w bombach rotujących (RBOT) 1 – silnik elektryczny, 2 – przekładnia pasowa, 3 – łaźnia wodna lub olejowa, 4 – poziom oleju, 5 – bomba z próbką badanego oleju, 6 – zawór, 7 – rejestrator ciśnienia, 8 – izolacja cieplna

Test RBOT w bombach rotujących jest wykonywany z zastosowaniem aparatu przedstawionego na rys. 4.48. Zasadniczą częścią aparatu jest bomba z podłączonym rejestratorem ciśnienia. W bombie, w szklanym pojemniku, jest umieszczany katalizator w postaci spirali wykonanej z drutu miedzianego, próbka badanego oleju (50 g) oraz 5 ml wody. Do bomby jest wtłaczany tlen pod ciśnieniem (90 psi). Zestaw bomba-rejestrator jest umieszczany w łaźni wodnej o temperaturze 95°C lub olejowej najczęściej o temperaturze 150°C i obracany z prędkością 100 obr/min. Czas badania wynosi 24 h lub do określonego spadku ciśnienia. Miarą odporności oleju na utlenianie jest czas, po którym ciśnienie tlenu obniży się do 25 psi. RBOT jest głównie przeznaczony do badania inhibitowanych olejów turbinowych. Jest on również, z różnymi modyfikacjami, stosowany do innych rodzajów olejów, np.: q oleje przekładniowe są badane w temperaturze łaźni wynoszącej 130°C; q oleje elektroizolacyjne w temperaturze 140°C, itp. Do oceny stabilności termooksydacyjnej olejów i innych cieczy eksploatacyjnych zawierających dodatki EP, np. olejów: przekładniowych, hydraulicznych i wielu innych, jest stosowany test utleniania (TOST), dla którego schemat aparatury przedstawiono na rys. 4.49. Badanie jest prowadzone w temperaturze 95°C przy ciągłym przepływie powietrza z wydatkiem 10 litrów/h, przez próbkę oleju o objętości 300 ml umieszczoną w specjalnej probówce. Według tej metody są badanie oleje: turbinowe, hydrauliczne i inne. Badanie olejów mineralnych i syntetycznych z inhibitorami utlenienia jest prowadzone z użyciem aparatury analogicznej jak w przypadku TOST, ale czynnikiem utleniającym jest tlen, przepływający przez badaną próbkę oleju z wydatkiem 3 litry/h. Próbka w ilości 300 ml jest umieszczona w probówce (rys. 4.50) w kontakcie z 60 ml wody i spiralnie nawiniętym katalizatorem (np.: Cu). Standardowa temperatura łaźni wynosi 95°C, a czas badania 1000 h. Analogiczne metody badania odporności na utleniane są stosowane w odniesieniu do różnych olejów smarowych. Metody te różnią się temperaturą pomiaru, czasem trwania badania, stosowanymi katalizatorami i objętością próbki. W większości przypadków, odporność na utlenianie olejów jest oceniana na podstawie zmiany jednego lub kilku z następujących parametrów:

Rys. 4.49 Schemat aparatu do badania stabilności termooksydacyjnej olejów smarnych z dodatkami EP 1 – wlot powietrza, 2 – kolumna absorpcyjna, 3 – żel krzemionkowy (osuszacz), 4 – sprężyna, 5 – zawór do regulacji przepływu powietrza, 6 – przepływomierz, 7 – zwężka przepływomierza, 8 – probówka na badany olej, 9 – termometr do pomiaru temperatury łaźni, 10 – mieszadło, 11 – badany olej, 12 – odprowadzenie nadmiaru powietrza

IV

27

Rys. 4.50 Pomiarowa część aparatu do badania stabilności termooksydacyjnej inhibitowanych olejów turbinowych 1 – chodnica wodna, 2 – doprowadzenie wody, 3 – przewód doprowadzający tlen, 4 – próbka badanego oleju, 5 – woda, 6 – bełkotka, 7 – katalizator

q q q q

lepkości w temperaturze 40°C i/lub 100°C, liczby kwasowej, zawartości osadów, mierzonej różnymi metodami, pozostałości po koksowaniu i w razie potrzeb innych.

W przypadku olejów, które podczas pracy nie mają kontaktu z powietrzem obok odporności termooksydacyjnej jest badana odporność termiczna. Badanie jest prowadzone w określonej temperaturze i czasie, bez dostępu powietrza. Do takich olejów należą np. olejowe nośniki ciepła (patrz p. 15). W przypadku niektórych olejów smarowych badanie odporności na utlenianie jest prowadzone jednocześnie z badaniem działania korodującego na metale (patrz p. 4.9).

4.9 Właściwości przeciwkorozyjne i ochronne Jedną z podstawowych właściwości, jaka jest wymagana od środków smarnych i innych cieczy eksploatacyjnych, jest brak skłonności do wywoływania korozji metali oraz ochrona przed korozją i rdzewieniem. Produkty naftowe i inne ciecze eksploatacyjne o niewłaściwym składzie lub źle dobrane, mogą oddziaływać na materiały konstrukcyjne układów, z którymi są w kontakcie. Przyczyną może być niewłaściwy proces technologiczny ich otrzymywania, niekompatybilność dodatków z określonymi materiałami, a także nieodpowiednie warunki pracy (np. zbyt wysoka temperatura pracy). Jednym ze sposobów przeciwdziałania tym niekorzystnym zjawiskom jest kontrola jakości w zakresie działania korodującego.

28

IV

W wielu przypadkach badania takie są prowadzone w warunkach modelujących rzeczywiste warunki pracy produktu. Istnieją również metody uniwersalne. Metody badania działania korodującego mogą być modyfikowane w zakresie następujących parametrów: q materiałów, z którymi kontakt ma badana ciecz eksploatacyjna, q temperatury badania, q czasu badania, q dostępu powietrza, q kontaktu z wodą. Niektóre metody badania działania korodującego pozwalają na jednoczesną ocenę stabilności termicznej produktu. W takich przypadkach metale, z którymi produkt ma kontakt w czasie badania są traktowane jako katalizatory procesu utleniania. Metalami, które wykazują szczególnie dużą wrażliwość na oddziaływanie korozyjne produktów naftowych, są: q miedź i jej niektóre stopy, q srebro, q stopy łożyskowe: babbity, stopy miedziowo-ołowiowe, q stopy kadmu, q stopy magnezu, q niektóre stopy żelaza. Korozję mogą powodować: q aktywne związki siarki, q nierozpuszczalne w wodzie kwasy organiczne, pochodzące z procesów utleniania produktu, q rozpuszczalne w wodzie mocne kwasy organiczne (np. octowy) lub nieorganiczne, będące pozostałością procesów technologicznych, np. rafinacji kwasowej, q rozpuszczalne w wodzie zasady nieorganiczne (np. wodorotlenek sodowy) będące pozostałością procesów technologicznych (rafinacja ługowa), q niektóre dodatki smarnościowe. Do aktywnych związków siarki, mogących występować w produktach naftowych, wywołujących korozję metali należą: q siarkowodór (H2S), q merkaptany (tiole) – związki siarki zawierające grupę funkcyjną –SH. Substancje te już w bardzo małych stężeniach mogą być przyczyną korozji srebra oraz miedzi i jej stopów. Współczesne procesy rafinacji produktów na ogół eliminują te związki ze składu produktów, ale w przypadku źle przeprowadzonych procesów technologicznych i niedostatecznej kontroli jakości mogą one być w nich obecne. Jednym ze sposobów kontroli obecności aktywnych związków siarki w produktach naftowych jest badanie działania korodującego na płytkach miedzianych. W przypadku wielu cieczy eksploatacyjnych i rozpuszczalników badania na obecność w produkcie siarkowodoru i merkaptanów są prowadzone odrębnie, niezależnie od badania działania korodującego. Podczas kontroli jakości cieczy eksploatacyjnych i rozpuszczalników są prowadzone badania działania korodującego, na następujących metalach: q srebro, q miedź, q żeliwo, q stale określonych gatunków. Brak stwierdzonego działania korodującego na wymienionych metalach, wg jednej lub kilku z zastosowanych metod badań, wyklucza na ogół możliwość wywołania korozji na innych, mniej wrażliwych metalach. W szczególnych przypadkach cieczy eksploatacyjnych, takich jak: płyny do chłodnic samochodowych, syntetyczne oleje lotnicze i inne, badania działania korodującego są prowadzone na tzw. pakietach, stanowiących zestawy płytek korozyjnych, wykonanych z metali występujących w rzeczywistych konstrukcjach układów. Pakiety takie są izolowane elektrycznie, co modeluje ewentualne ogniwa elektryczne występujące w układzie. W takich przypadkach badania są wykonywane w najwyższych temperaturach,

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości... jakie osiąga ciecz eksploatacyjna w układzie. Na ich podstawie jest także oceniana stabilność termooksydacyjna produktu. Badaniem, bardzo często przywoływanym w normach produktowych na paliwa, lekkie oleje i rozpuszczalniki itp., jest działanie korodujące na płytkach miedzianych. Badanie to polega na umieszczeniu w badanym produkcie starannie oszlifowanej i umytej płytki miedzianej, w sposób pokazany na rys. 4.51; czas badania (najczęściej 3 h, smary plastyczne 24 h) oraz temperaturę (najczęściej 100°C lub czasami 50°C) określa norma produktowa. Próbka z płytką korozyjną jest umieszczana w specjalnej bombie testowej. W przypadku gazów i bardzo lotnych rozpuszczalników badanie działania korodującego na płytce miedzianej jest wykonywane w bombie o specjalnej konstrukcji (rys. 4.52). Po kontaktowaniu z badanym produktem płytka miedziana jest myta, a jej wygląd porównywany z wzorcami korozji wg ASTM D 130 lub odnoszony do opisowej skali wzorców, przedstawionej w tabeli 4.6. Skala jest 4 stopniowa, z podpunktami szczegółowo przedstawiającymi działanie korodujące produktu na miedź. Normy produktowe na paliwa, rozpuszczalniki, gazy i lekkie oleje najczęściej dopuszczają, aby produkt wykazywał działanie korodujące odpowiadające nie wyższym stopniom korozji wzorców 0 lub 1. Badanie działania korodującego na płytkach srebrnych jest często badaniem alternatywnym w stosunku do badania na płytkach z miedzi. Srebro jest bardziej wrażliwe niż miedź na obecność w produkcie siarkowodoru, merkaptanów lub innych aktywnych związków siarki. Z tego względu ta metoda jest stosowana do produktów, którym są stawiane szczególnie ostre wymagania, np.: paliwa do turbinowych silników lotniczych, niektóre rozpuszczalni-

Rys. 4.53 Zestaw do badania działania korodującego na srebro olejów z dodatkami, przeznaczonych do pracy w ciężkich warunkach 1 – płytka miedziana (katalizator), 2 – mieszadło (300 obr/min), 3 – srebrna płytka testowa (panewka), 4 – badany olej, 5 – łaźnia olejowa

ki węglowodorowe, a ze względu na stosowanie w niektórych silnikach panewek wykonanych ze srebra, również oleje przeznaczone do ciężkich warunków pracy. W przypadku olejów smarnych, badanie działania korodującego na srebro jest stosowane do oceny właściwości korozyjnych olejów zawierających dodatki EP. Badanie jest wykonywane w temperaturze 150°C (300°F) w czasie 72 godzin. Płytka srebrna jest zawieszana w naczyniu zawierającym 250 ml oleju i termostatowana (rys. 4.53). Ocena działania korodującego jest dokonywana w skali czterostopniowej, przedstawionej w tabeli 4.7, na podstawie wyglądu i zmiany masy płytek. TABELA 4.6 Opisowa skala wzorców korozji na płytkach miedzianych wg ASTM D 130 (PN-ISO 6251) Stopnie korozji

Opis

Płytka świeżo wypolerowana

Brak zmatowienia

–

–

1

Nieznaczne zmatowienie

a

Barwa jasnopomarańczowa, prawie taka sama jak płytki świeżo wypolerowanej

b

Barwa pomarańczowa

2

Średnie zmatowienie

a

Barwa ciemnopomarańczowa

b

Barwa bordowoczerwona

c

Wielobarwna, z fioletowym i/lub srebrnym nalotem na tle barwy bordowoczerwonej

d

Barwa srebrna

e

Barwa mosiądzu lub złota

a

Nalot purpurowy na tle barwy mosiądzu

b

Wielobarwna z plamami czerwonymi i zielonymi („pawia”)

a

Barwa czarna prześwitująca lub ciemnoszara lub brązowa z plamami zielonymi („pawia”)

b

Barwa czarna grafitowa lub czarna matowa

c

Barwa czarna połyskująca lub kruczoczarna

3

Silne zmatowienie

4

Korozja

Tabela 4.7 Skala ocen działania korodującego olejów smarowych na srebro Rys. 4.51 Bomba do badania działania korodującego na płytkach miedzianych 1 – pokrywka, 2 – uszczelka z tworzywa odpornego na badane ciecze eksploatacyjne, 3 – korpus bomby, 4 – probówka szklana, 5 – płytka miedziana

Rys. 4.52 Bomba do badania działania korodującego na płytkach miedzianych gazów i lotnych rozpuszczalników 1 – zawór wlotowy, 2 – płytka miedziana, 3 – rurka do utrzymywania poziomu skroplonego gazu, 4 – pokrywka, 5 – zawór wylotowy

Ocena

Wygląd płytki

Ubytek masy płytki, mg

Doskonała

Bez zmian

0 ... 3

Wystarczająca

Pociemnienie

3 ... 5

Akceptowalna

Bardzo ciemny nalot

Niedostateczna

Wyraźne osady

5 ... 25 Powyżej 25

IV

29

Rys, 4.55 Zestaw do badania właściwości ochronnych smarów plastycznych 1 – naczynie z pokrywką, 2 – rozbieralne łożysko wałeczkowe, wypełnione badanym smarem, 3 – woda destylowana (5 ml)

Rys. 4.54 Zestaw do badania działania korodującego olejów (na stalowych trzpieniach) 1 – zlewka szklana, 2 – termometr do pomiaru temperatury badanego oleju, 3 – mieszadło, 4 – uchwyt trzpienia, 5 – termometr do pomiaru temperatury łaźni, 6 – trzpień stalowy (testowy), 7 – próbka badanego oleju, 8 – łaźnia termostatu

Sprawdzenie działania korodującego na metale inne niż srebro i miedź jest wykonywane na płytkach wykonanych z metali określonych normą produktową. Najczęściej jest to stal różnych gatunków, żeliwo, aluminium i jego stopy, mosiądze, brązy i inne. Badanie polega na zanurzeniu płytki z określonego metalu w produkcie naftowym. Temperaturę i czasu badania ustala norma produktowa. Podobnie jak w metodach przedstawionych wcześniej, płytki są starannie przygotowywane i umieszczane w naczyniu zawierającym badany produkt. Naczynia są umieszczane w łaźni termostatującej. Po określonym czasie płytki są wyjmowane, myte rozpuszczalnikiem. Ocenia się, że badany produkt wytrzymuje badanie jeżeli na powierzchniach płytek nie ma śladów korozji (rdzy, nalotów, plam, kropek, wżerów), ocenianych okiem nieuzbrojonym. Badanie właściwości przeciwkorozyjnych i ochronnych olejów smarnych i hydraulicznych, od których są wymagane właściwości ochronne w stosunku do stali pracującej w zetknięciu z wodą zwykłą lub morską, jest wykonywane na tzw. trzpieniach. Metody nie stosuje się do badania olejów ochronnych (konserwacyjnych). Badanie polega na obserwacji objawów korozji na trzpieniu wykonanym ze stali, zanurzonym w mieszaninie badanego oleju i wody zwykłej lub morskiej (syntetycznej). Czas badania wynosi 24 godziny, ale może być ustalony inny, uzależniony od wymagań normy produktowej. Wyniki badań są oceniane na podstawie opisowej czterostopniowej skali wzorców, jako: q brak korozji – brak śladów korozji w postaci plam i punktów, q ślady korozji – nie więcej niż 6 ciemnych punktów i plam o średnicy nie większej niż 1 mm, q umiarkowana korozja – plamy i zmatowienia zajmują nie więcej niż 2% powierzchni trzpienia, q silna korozja – plamy, zmatowienia i naloty zajmują ponad 5% powierzchni trzpienia. Obok wyniku podawane są warunki badania: woda zwykła lub morska.

30

IV

Badanie właściwości ochronnych środków smarnych jest wykonywane metodami odwzorowującymi ich rzeczywiste warunki pracy oraz materiały konstrukcyjne, z którymi się stykają. Jest stosowane wiele takich metod. Przykładem może być metoda badania właściwości ochronnych łożyskowych smarów plastycznych. Badanie polega na umieszczeniu rozbieralnego łożyska wałeczkowego wypełnionego badanym smarem, w zamkniętym naczyniu szklanym (rys. 4.55) z niewielką ilością wody na dnie (5 ml), zapewniającą 100% wilgotność względną. Tak przygotowany zestaw jest ogrzewany w łaźni do temperatury 52°C i trzymany w tych warunkach w okresie 48 godzin. Niektórzy producenci łożysk zalecają dłuższy czas badania (do 14 dni) i niższą temperaturę badania (25°C). Po tym okresie łożysko jest rozbierane i oceniany stan skorodowania bieżni, wg specjalnej skali.

4.10 Odczyn Produkty naftowe i inne ciecze eksploatacyjne mogą zawierać pewne ilości nie zobojętnionych substancji kwaśnych lub zasadowych. Ich obecność w produktach jest wynikiem niedoskonałości technologii, procesów starzenia zachodzących w okresie magazynowania lub eksploatacji, bądź zanieczyszczenia produktami obcymi. Niektóre produkty zawierają celowo wprowadzone dodatki uszlachetniające o charakterze kwaśnym lub zasadowym. Zawarte w cieczach eksploatacyjnych substancje, o charakterze kwasów można podzielić na dwie zasadnicze grupy: q rozpuszczalne w wodzie kwasy mineralne i niektóre rozpuszczalne w wodzie kwasy organiczne, q nierozpuszczalne w wodzie kwasy organiczne. Kwasy lub zasady obecne w nadmiernych ilościach w rozpuszczalnikach, ciekłych paliwach, cieczach hydraulicznych, olejach smarnych i smarach plastycznych, mogą być przyczyną powstawania korozji metali i wykazywania przez produkt skłonności do niekorzystnych zmian niektórych właściwości eksploatacyjnych, zarówno podczas magazynowania jak i w okresie eksploatacji. Obecność w produkcie kwasów mineralnych (tzw. mocnych kwasów) może być spowodowana niedokładnym ich oczyszczeniem, po procesie rafinacji kwasem siarkowym lub zanieczyszczeniem podczas transportu i magazynowania. Kwasy mineralne zawarte w produkcie mogą spowodować korozję. Korozja taka występuje najczęściej w obecności niewielkich ilości wolnej wody. Woda ekstrahuje kwasy i je zatęża. Ciągły przepływ produktu

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości... nad warstwą wody w rezultacie zachodzącej ekstrakcji powoduje zwiększenie stężenia kwasów. Powodują one korozję chemiczną instalacji, w miejscach gromadzenia się zakwaszonej wody. Obecność w cieczach eksploatacyjnych niewielkich ilości nierozpuszczalnych w wodzie kwasów organicznych (tzw. słabych kwasów), w większości przypadków jest nieunikniona. Metodami technologicznymi dąży się do ograniczenia ich stężenia. Ich niekorzystne działanie polega na przyśpieszaniu procesów starzenia, tworzeniu nierozpuszczalnych osadów oraz tworzeniu mydeł z niektórymi metalami. Mydła wchodząc w skład osadów, również mogą katalizować procesy utleniania, przyczyniają się do tworzenia trwałych emulsji z wodą. Z drugiej strony, obecność w produkcie niewielkich ilości kwasów korzystnie wpływa na właściwości smarne. W niektórych przypadkach, odpowiednio dobrane kwasy organiczne są wprowadzane do produktów w celu poprawienia właściwości smarnych. Odczyn jest pojęciem określającym zawartość (lub obecność) kwasów lub zasad w produkcie. Wyróżnia się następujące pojęcia dotyczące odczynu: q odczyn wyciągu wodnego, q kwasowość, q liczbę kwasową, q liczbę zasadową, q rezerwą alkaliczną, q liczbę zmydlenia, q liczbę estrową, q wykładnik wodorowy (pH). 4.10.1 Odczyn wyciągu wodnego W celu stwierdzenia nieobecności w produkcie mocnych kwasów lub zasad jest wykonywane badanie odczynu wyciągu wodnego. Jest to badanie jakościowe. Polega ono na wyekstrahowaniu z produktu kwasów lub zasad wodą destylowaną, dodaniu do jednej części ekstraktu wskaźnika – roztworu fenoloftaleiny, a do drugiej roztworu oranżu metylowego. Zabarwienie roztworu z fenoloftaleiną na kolor purpurowofioletowy, świadczy o obecności w produkcie rozpuszczalnych w wodzie zasad (odczyn zasadowy). Zmiana barwy roztworu oranżu metylowego z pomarańczowej na czerwoną, świadczy o obecności w produkcie rozpuszczalnych w wodzie mocnych kwasów (odczyn kwaśny). Brak zmiany barwy obu roztworów świadczy o nieobecności w produkcie rozpuszczalnych w wodzie kwasów i zasad (odczyn obojętny). Odczyn wyciągu wodnego – jakościowo stwierdzona obecność lub nieobecność w produkcie rozpuszczalnych w wodzie substancji o charakterze kwasów lub zasad, w znormalizowanych warunkach oznaczania. Ciecze eksploatacyjne, poza określonymi przypadkami, nie powinny zawierać mocnych kwasów i zasad. Jeżeli produkt nie zawiera kwasów lub zasad rozpuszczalnych w wodzie, pozostałe kwasy lub zasady uważa się za organiczne (słabe). 4.10.2 Kwasowość Stężenie kwasów organicznych w paliwach i rozpuszczalnikach, niekiedy jest wyrażana jako kwasowość. Parametr ten jest stosowany wówczas, gdy zawartość kwasów w produkcie jest stosunkowo niewielka. Kwasowość (K) – jest to wartość wyrażająca ogólną ilość substancji o charakterze kwasowym, w określonej masie lub objętości produktu, najczęściej w przeliczeniu na kwas octowy (CH3COOH), ale również jako ilość wodorotlenku sodowego (NaOH) lub wodorotlenku potasowego (KOH), niezbędna do zobojętnienia kwasów zawartych w 100 cm3 produktu, przy miareczkowaniu w znormalizowanych warunkach oznaczania.

4.10.3 Liczba kwasowa Zawartość w produktach naftowych substancji kwaśnych, jest charakteryzowana tzw. liczbą kwasową. W tym zakresie wyróżnia się pojęcia: q liczba kwasowa, q liczba kwasowa kwasów mocnych. Liczba kwasowa (TAN – total acid number) – jest to ilość zasady, wyrażona w miligramach wodorotlenku potasowego (KOH), niezbędna do neutralizacji (zobojętnienia) wszystkich kwasów zawartych w 1 gramie produktu, przy miareczkowaniu w znormalizowanych warunkach oznaczania. Oznaczenie liczby kwasowej polega na miareczkowaniu roztworu odważonej ilości badanej substancji, w rozpuszczalniku zawierającym wskaźnik. Jako rozpuszczalnik jest stosowany roztwór zawierający toluen (500 ml), alkohol izopropylowy (495 ml) i wodę (5 ml). Miareczkowanie jest wykonywane mianowanym alkoholowym roztworem wodorotlenku potasu (KOH), potencjometrycznie lub wobec wskaźnika. Zestaw do miareczkowania wobec wskaźnika przedstawia rys. 4.56. Między kwasowością K i liczbą kwasową TAN istnieje przybliżona zależność (4.45) K = 100.ρ.TAN

Rys. 4.56 Zestaw do oznaczania liczby kwasowej i liczby zasadowej 1 – biureta, 2 – roztwór do miareczkowania, 3 – kran, 4 – kolba stożkowa, 5 – roztwór produktu

(4.45)

gdzie ρ – gęstość produktu. W przypadkach, gdy zachodzi konieczność oznaczenia zawartości w produkcie kwasów rozpuszczalnych w wodzie, jest oznaczana tzw. liczba kwasowa kwasów mocnych. Liczba kwasowa kwasów mocnych (SAN – strong acid number) – jest to ilość zasady wyrażona w miligramach wodorotlenku potasowego (KOH), niezbędna do neutralizacji (zobojętnienia) mocnych kwasów zawartych w 1 gramie produktu, przy miareczkowaniu w znormalizowanych warunkach oznaczania. Przy oznaczeniu liczby kwasowej kwasów mocnych, do ich ekstrakcji jest stosowana gorąca woda. Miareczkowany jest ekstrakt wodny. 4.10. 4 Liczba zasadowa mocnych zasad Oleje mogą zawierać zanieczyszczenia chemiczne, w postaci wolnych mocnych zasad. W niektórych przypadkach mocne zasady są uznawane za szkodliwe. Miarą zawartości w produkcie wolnych mocnych zasad jest tzw. liczba zasadowa mocnych zasad. Liczba zasadowa mocnych zasad (SBN – strong base number) – jest to ilość mocnych zasad, równoważna ilości miligramów wodorotlenku potasowego (KOH), zawartych w 1 gramie produktu, przy miareczkowaniu w znormalizowanych warunkach oznaczania.

IV

31

Metoda miareczkowa oznaczania liczby zasadowej produktów jest oznaczana analogicznie jak liczba kwasowa, przy czym do miareczkowania jest stosowany mianowany, alkoholowy roztwór kwasu solnego (HCl). Liczba zasadowa mocnych zasad jest oznaczana metodą potencjometryczną. Potencjometria jest to grupa metod analizy instrumentalnej z grupy metod elektrochemicznych, polegająca na pomiarze potencjału elektrody wskaźnikowej, zanurzonej w badanym roztworze (elektrolicie). Wartość potencjału elektrody, zależna od stężenia oznaczanego jonu, najczęściej jest odnoszona do wartości potencjału nie polaryzującej się elektrody porównawczej. W analizie cieczy eksploatacyjnych metody potencjometryczne znalazły również zastosowanie np. do badania zawartości małych stężeń wody metodą K. Fischera (patrz p. 4.23) i wielu innych przypadkach. 4.10.5 Rezerwa alkaliczna

Liczba zmydlenia (SN – saponification number) – jest to ilość miligramów wodorotlenku potasowego (KOH), potrzebna do zmydlenia 1 grama produktu i zobojętnienia zawartych w nim wolnych kwasów organicznych oraz kwasów zawartych w estrach, w znormalizowanych warunkach oznaczania. Oznaczenie liczby zmydlenia polega na zmydleniu estrów na gorąco, nadmiarem alkoholowego roztworu KOH, a następnie odmiareczkowaniu nieprzereagowanego KOH mianowanym roztworem kwasu solnego (HCl), wobec wskaźnika. Liczba estrowa (EN – estrification number) – to ilość miligramów wodorotlenku potasowego (KOH), potrzebna do zmydlenia estrów zawartych w 1 gramie produktu. Zawartość w produkcie estrów jest oceniana poprzez oznaczenie liczby estrowej. Liczbę estrową oblicza się jako różnicę między liczbą zmydlenia i liczbą kwasową, wg wzoru (4.46):

Oleje smarne mogą także zawierać słabe zasady. Miarą zawartości w produkcie słabych zasad jest tzw. liczba zasadowa zwana również rezerwą alkaliczną. Liczba zasadowa (rezerwa alkaliczna) (TBN – total base number) – jest to ilość miligramów wodorotlenku potasowego (KOH), równoważna wszystkim składnikom o charakterze zasadowym zawartych w 1 gramie produktu, przy miareczkowaniu w znormalizowanych warunkach oznaczania. Rezerwa alkaliczna jest to parametr charakteryzujący oleje silnikowe z dodatkami i niektóre inne ciecze eksploatacyjne (np. ciecze do obróbki metali skrawaniem). Rezerwa alkaliczna jest oznaczana w olejach smarnych zawierających dodatki o charakterze zasadowym, np. olejach silnikowych z tzw. rezerwą alkaliczną. Dodatki tego rodzaju, przeważnie detergenty, służą do neutralizowania kwasów powstających w procesie spalania paliw silnikowych, zawierających siarkę oraz dyspergowania cząstek sadzy. Siarka podczas spalania przechodzi w ditlenek siarki (SO2), który z wodą będącą w spalinach tworzy agresywny kwas siarkawy (H2SO3), a nawet w pewnych warunkach siarkowy (H2SO4). Dodatki o charakterze zasadowym, zawarte w oleju silnikowym, neutralizują te kwasy. Rezerwa alkaliczna ma duże znaczenie dla oceny właściwości eksploatacyjnych olejów silnikowych, w szczególności próbek olejów pobranych podczas pracy w układzie (olejów przepracowanych), w celu określenia możliwości ich dalszej pracy. Im większa jest wartość rezerwy alkalicznej tym później powstają w oleju kwaśne produkty starzenia. Metoda miareczkowa oznaczania liczby zasadowej produktów jest analogiczna jak metoda przy liczbie kwasowej, przy czym do zobojętniania jest stosowany mianowany alkoholowy roztwór kwasu solnego (HCl), dodawany w nadmiarze. Nadmiar jest miareczkowany alkoholowym roztworem KOH. Rezerwa alkaliczna jest oznaczana metodą potencjometryczną (patrz p. 4.21). Obok metod miareczkowych wobec wskaźnika, do oznaczania liczby kwasowej i liczby zasadowej jest stosowana metoda miareczkowania potencjometrycznego. Miareczkowanie jest prowadzone wobec elektrod szklanej i odniesienia. Za punkt równoważnikowy przyjmuje się punkt przegięcia krzywej miareczkowania lub odczyt potencjału dla roztworu buforowego o określonym potencjale, wyrażonym w mV. 4.10.6 Liczba zmydlenia i liczba estrowa W produktach naftowych i olejach syntetycznych, obok wolnych kwasów mogą występować kwasy związane w postaci estrów. Łączna zawartość w produkcie kwasów wolnych i związanych w postaci estrów jest określana jako tzw. liczba zmydlenia.

32

IV

EN = SN – TAN

(4.46)

Liczba zmydlenia i liczba estrowa są ważnymi parametrami jakościowymi olejów syntetycznych, zawierających w swoim składzie estry (tzw. oleje estrowe) oraz olejów mineralnych, zawierających estry jako dodatki. 4.10.7 Stężenie jonów wodorowych – pH Istotnym parametrem, określającym jakość cieczy eksploatacyjnych, będących roztworami lub emulsjami wodnymi, jest tzw. wykładnik wodorowy. Jest to parametr określający stężenie jonów wodorowych [H+] w roztworze, oznaczany symbolem pH. Wykładnik wodorowy (pH) – jest to ujemny logarytm ze stężenia jonów wodorowych [H+] w roztworze. Między wartością pH a stężeniem jonów wodorowych [H+], istnieje zależność (4.47) pH = -lg[H+] = lg

1

(4.47)

[H+]

pH przyjmuje wartości z przedziału 1 … 14, przy czym: q q q q q

dla roztworów silnie kwaśnych dla roztworów kwaśnych dla roztworów obojętnych dla roztworów zasadowych dla roztworów silnie zasadowych

pH = 1, pH < 7, pH = 7, pH > 7, pH = 14.

Przybliżona wartość pH roztworów może być oceniona przy użyciu tzw. papierków wskaźnikowych. Pomiar polega na porównaniu zabarwienia papierka wskaźnikowego, zwilżonego badanym produktem, z barwną skalą wzorców. Dokładność pomiaru pH, przy użyciu papierka wskaźnikowego, na ogół jest wystarczająca do celów praktycznych. Znacznie dokładniejsze wyniki pomiarów można uzyskać przy użyciu specjalnych aparatów, zwanymi pH-metrami. Pomiar polega na zmierzeniu siły elektromotorycznej ogniwa, którego jedna elektroda jest zanurzona w badanym produkcie, a druga we wzorcowym roztworze, o znanym pH. Niektóre współczesne elektrody do pomiaru pH, elektrodę odniesienia mają wbudowaną wewnątrz elektrody pomiarowej (elektrody zespolone). Większość pH-metrów obok wyskalowania w jednostkach pH, mają również skalę pomiarową w miliwoltach [mV]. Pomiar pH, podczas miareczkowania roztworów wodnych kwasami lub zasadami, pozwala na dokładne ustalenie zawartości w produkcie substancji o charakterze zasadowym lub kwaśnym. W przypadku wielu cieczy eksploatacyjnych, takich jak:

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości... q q q q

ciecze (wodne) do obróbki metali skrawaniem, trudnopalne ciecze hydrauliczne (wodne), płyny do układów chłodzenia, płyny do spryskiwaczy szyb samochodowych. Odpowiednia wartość pH gwarantuje ich właściwości użytkowe.

4.11 Odporność na ścinanie Niektóre oleje smarne, np. silnikowe, przekładniowe i niektóre inne oraz ciecze hydrauliczne zawierają dodatki: wiskozatory lub zagęszczacze, podwyższające lepkość oleju podstawowego oraz wskaźnik lepkości. Z chemicznego punktu widzenia dodatki te są polimerami, o masach cząsteczkowych rzędu 1000 … 500 000. W czasie pracy olejów zawierających wiskozatory, obserwuje się zmniejszenie ich lepkości. Oleje nie zawierające wiskozatorów, zjawisku temu nie podlegają lub podlegają w nieznacznym tylko stopniu. Natomiast podlegają mu niektóre oleje syntetyczne, nawet nie zawierające wiskozatorów. W niektórych przypadkach, zmniejszenie lepkości może dochodzić do 50%, a wskaźnika lepkości o kilkanaście jednostek. Przyczyną zmniejszenia lepkości jest fizyczna destrukcja wiskozatorów lub cząsteczek oleju podstawowego, pod wpływem działania sił ścinających. Proces destrukcji polimerów jest nazywany ścinaniem, a odporność oleju na działanie sił ścinających, odpornością na ścinanie lub odpornością na działanie sił mechanicznych. Zjawisko ścinania jest obserwowane w następujących warunkach pracy olejów: q podczas tarcia dwóch powierzchni, między którymi znajduje się warstwa oleju, w warunkach tarcia granicznego, w szczególności w warunkach dużych nacisków bądź dużych prędkości przemieszczania się, q podczas przepływu przez szczeliny, q w miejscach występowania kawitacji ultradźwiękowej, np. w miejscach występowania wirów, wywołanych przez pulsujące pęcherzyki kawitacyjne oraz nierówności w przewodach, przez które przepływa olej. Procesy destrukcji mogą zachodzić również pod wpływem działania promieniowania radioaktywnego oraz czynników chemicznych. W eksploatacji olejów i cieczy hydraulicznych największe znaczenie mają czynniki typu mechanicznego, występujące w maszynach, jak: tarcie, przepływy przez szczeliny, kawitacja, naciski itp. W warunkach tarcia granicznego olej znajduje się w szczelinach między współpracującymi powierzchniami. Przesuwanie po sobie powierzchni trących jest przyczyną powstawania bardzo dużych gradientów prędkości sił ścinających lub dużych naprężeń stycznych. Kolejne nachodzenie wzniesień i bruzd, jak to pokazano na rys. 4.57, powoduje gwałtowne zmiany odległości pomiędzy współpracującymi powierzchniami. Olej jest przeciskany przez szczeliny, do niecałkowicie wypełnionych rowków. Prędkość przepływu jest zmienna. Jeżeli cząsteczka polimeru zostanie usytuowana wzdłuż kierunku, na którym różnica prędkości jest znaczna, następuje jej mechaniczne rozerwanie. Czynnikiem sprzyjającym rozrywaniu cząsteczek jest miejscowy wzrost temperatury oleju, wywołany tarciem. W podwyższonej temperaturze cząsteczki polimeru rozwijają się w struktury liniowe, łatwiejsze do rozrywania pod wpływem sił ścinających. Takie warunki ścinania istnieją np. w przekładniach zębatych i śrubowych oraz w innych skojarzeniach trących, w których trą o siebie dwie równoległe płaszczyzny materiału. W warunkach przepływu przez szczeliny strumień oleju w różnych miejscach przewodu ma różne prędkości. Wynika to z warunku zachowania wydatku. W miejscach, gdzie prędkość strumienia gwałtownie wzrasta, część cząsteczki polimeru znajduje się w obszarze mniejszej prędkości, a część w obszarze dużej prędkości. W tych warunkach może dochodzić do zrywania łańcucha polimeru. Warunki sprzyjające ścinaniu mają także miejsce w szczelinach

Rys. 4.57 Schematyczne przedstawienie zjawiska ścinania A – w warunkach tarcia, B – podczas przepływu przez szczelinę, C – mechanizm rozrywania cząsteczek polimeru

urządzeń hydraulicznych, łożyskach, przewodach olejowych, pompach i innych miejscach maszyn, gdzie olej przepływa przez szczeliny z dużymi prędkościami. Mechanizm ścinania w warunkach kawitacji jest bardziej złożony. Cząsteczka polimeru znajdująca się w pobliżu zapadającego się pęcherzyka kawitacyjnego, najpierw zostaje zorientowana wzdłuż promienia pęcherzyka. W następnej fazie część cząsteczki polimeru jest wciągana do pustej przestrzeni pęcherzyka, z prędkościami dochodzącymi do prędkości dźwięku. Pozostała część łańcucha jest przetrzymywana siłami spójności cieczy, w przestrzeni otaczającej pęcherzyk. Siły działające wzdłuż łańcucha polimeru są przyczyną jego rozrywania. Takie warunki ścinania zdarzają się wszędzie tam, gdzie występuje zjawisko kawitacji, np.: w pompach hydraulicznych, w pobliżu drgających elementów maszyn, w przewodach olejowych itp. Zjawisko ścinania, niezależnie od przyczyn przez które zostało spowodowane, zależy od występujących gradientów prędkości cieczy. Im te gradienty są większe, tym większa szybkość ścinania. Z punktu widzenia eksploatacji oleju ważnym parametrem, wpływającym na proces ścinania, jest jakość i ilość dodatku zagęszczającego zawartego w oleju. Znaczenie ma również budowa chemiczna polimeru. Cząsteczki o dłuższych łańcuchach efektywniej zwiększają lepkość i wskaźnik lepkości, jednak łatwiej ulegają ścinaniu. Zmniejszenie lepkości oleju podczas pracy, jest tym szybsze, im więcej zawiera on dodatku zagęszczającego. Wynika stąd konieczność dysponowania metodami oceny odporności olejów na ścinanie. Aparaty do badania odporności olejów na ścinanie, można podzielić na dwie zasadnicze grupy: q modelujące warunki pracy oleju w urządzeniu, q odwzorowujące gradienty prędkości, występujące w układach eksploatacyjnych.

IV

33

Do pierwszej grupy można zaliczyć znormalizowane metody, oparte na przetłaczaniu oleju za pomocą pompy przez szczelinę, stąd nazwa aparatów: pompa – szczelina. Przykładem aparatów, zaliczanych do drugiej grupy, są urządzenia ultradźwiękowe. Schemat tego typu aparatu przedstawiono na rys. 4.58. Metoda ultradźwiękowa jest przeznaczona do oceny odporności na ścinanie olejów silnikowych i cieczy hydraulicznych, zawierających wiskozatory oraz niektórych typów olejów syntetycznych. Do kontroli jakości olejów zawierających wiskozatory, opracowano wiele metod, zarówno odwzorowujących częściowo warunki pracy oleju, jak i ściśle laboratoryjnych, np. iniektorowe, w których proces ścinania polimeru zachodzi w specjalnej konstrukcji iniektorze, oraz oparte konstrukcyjnie na lepkościomierzu rotacyjnym, w którym proces ścinania zachodzi wskutek różnicy prędkości warstw oleju przylegających do ścianek rotora i naczynia. W urządzeniach tego typu, jednocześnie ze ścinaniem, jest dokonywany pomiar lepkości oleju. Przykładowe krzywe, przedstawiające proces ścinania dodatków zawartych w olejach, w warunkach eksploatacyjnych i w badaniach laboratoryjnych, ilustruje rys. 4.59. Olej silnikowy lub ciecz hydrauliczna, której lepkość w wyniku ścinania zmniejszy się poniżej ustalonej jako dopuszczalna, powinny zostać wymienione. Zakresy szybkości ścinania dla różnych rodzajów skojarzeń trących, występujących w silnikach, urządzeniach hydraulicznych i przekładniach, przedstawiono na rys. 4.60. Szybkość ścinania zależy także od objętości oleju pracującego w układzie. Im objętość oleju jest większa, tym mniejsze obserwowane zmniejszenie jego lepkości. Miarą ścinania jest zmniejszenie lepkości kinematycznej po badaniu w określonych warunkach w stosunku do lepkości początkowej. Ścinanie S oblicza się zgodnie z wzorem 4.48 i podaje się go w procentach. S [%] =

ν0 – νs ν0

. 100

Rys. 4.59 Krzywe przedstawiające proces ścinania dodatków zagęszczających 1 – w eksploatacji, 2 – w badaniach przy użyciu aparatu ultradźwiękowego

(4.48)

Rys. 4.60 Szybkość ścinania, w warunkach eksploatacyjnych olejów

4.12 Napięcie powierzchniowe Warstwa powierzchniowa cieczy ma inne właściwości niż pozostała ciecz. Każda cząsteczka cieczy podlega działaniu siła międzycząsteczkowych. Działanie tych sił na cząsteczki znajdujące się wewnątrz cieczy jest skompensowane, a wypadkowa tych sił jest równa zero. Działanie sił międzycząsteczkowych na cząsteczkę znajdującą się na powierzchni nie jest kompensowane. Wypadkowa tych sił jest skierowana do wnętrza cieczy i powoduje, że

Rys. 4.58 Schemat aparatu ultradźwiękowego, do badania odporności na ścinanie olejów 1 – generator, 2 – przetwornik magnetostrykcyjny, 3 – koncentrator, 4 – naczynie pomiarowe z wymiennikiem ciepła, 5 – badany olej

34

IV

Rys. 4.61 Siły międzycząsteczkowe oddziałujące na cząsteczkę cieczy A – znajdującą się w głębi cieczy (W = 0), B – znajdującą się na powierzchni cieczy (W > 0)

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości... ciecz dąży do zmniejszenia swojej powierzchni (dążenie do przybierania kształtu kulistego). Działanie sił międzycząsteczkowych na cząsteczkę znajdującą się wewnątrz cieczy (4.61A) oraz na jej powierzchni (4.61B), przedstawiono na rys. 4.61. Zjawisko to jest nazywane napięciem powierzchniowym. Napięcie powierzchniowe – jest to właściwość warstwy powierzchniowej cieczy, wynikająca z odmiennej sytuacji energetycznej cząsteczek warstwy powierzchniowej, w stosunku do cząsteczek znajdujących się we wnętrzu cieczy; jest to siła (w dynach) działająca pod kątem prostym do dowolnej linii o długości 1 cm, stycznej do powierzchni cieczy. Na cząsteczkę cieczy znajdującą się na powierzchni cieczy działają siły międzycząsteczkowe, pochodzące od cząsteczek fazy znajdującej się po zewnętrznej stronie powierzchni cieczy. W takim przypadku jest stosowany termin napięcie międzyfazowe. Wartość sił międzycząsteczkowych jest zależna od właściwości cząsteczek. Z tego względu, każda ciecz wykazuje charakterystyczną dla niej wartość napięcia powierzchniowego i międzyfazowego. Napięcie powierzchniowe nie jest właściwością addytywną. W przypadku mieszanin cieczy, zależy od charakteru chemicznego i udziału składników w mieszaninie (roztworze). Wartość napięcia powierzchniowego δ zależy od temperatury. Przyjmuje się, że zależność ta jest liniowa i w przybliżeniu może być określona wzorem (4.49) δ = α(Tk’ – T – σ)

Rys. 4.62 Tensometr 1 – naczynie z badaną cieczą, 2 – badana ciecz, 3 – pierścien platynowy, 4 – wskaźnik włosowy do ustalania poziomu pręta skrętnego, 5 – pręt metalowy sztywno zamocowany, 6 – zamocowanie skrętnego pręta stalowego, 7 – tarcza pomiarowa, 8 – wskaźnik z noniuszem

(4.49)

gdzie: Tk’ – temperatura niższa od temperatury krytycznej1 o około 6 K, T – temperatura cieczy, K, α, σ – stałe doświadczalne, charakterystyczne dla danej cieczy.

Tabela 4.8 Wartości napięcia powierzchniowego i międzyfazowego przykładowo wybranych cieczy, w temperaturze 200C

[dyna/cm] = [mN/m] = [erg/cm ]

(4.50)

Pomiar napięcia powierzchniowego jest wykonywany różnymi metodami. Najczęściej jest stosowana metoda pomiaru przy użyciu tzw. tensometru (rys. 4.62). Badanie polega na pomiarze maksymalnej siły, niezbędnej do oderwania z powierzchni cieczy platynowego pierścienia (lub ramki) o ściśle określonych wymiarach. Istnieją również metody pomiaru oparte na innych zasadach: q stalagmometryczna, polegająca na pomiarze objętości lub masy wiszących, odrywających się kropel od końcówki rurki specjalnego przyrządu – stalagmometru, q tensometryczna, polegająca na zrównoważenia cienkiej płytki szklanej, pionowo przecinającej granicę faz, q oceny poziomu wznoszenia się słupa cieczy w rurce kapilarnej. Spośród węglowodorów największe napięcie powierzchniowe mają węglowodory aromatyczne, średnie – naftenowe, a najmniejsze parafiny (rys. 4.63). Zwiększeniu masy cząsteczkowej węglowodorów na ogół towarzyszy zwiększenie napięcia powierzchniowego. Produkty naftowe najczęściej zawierają substancje powierzchniowoczynne: żywice, kwasy naftenowe, mydła niektórych metali, dodatki itp., z tego względu ich napięcie powierzchniowe waha się w dość szerokich granicach, co ilustrują dane w tabeli 4.8.

Napięcie międzyfazowe względem wody, dyna/cm

Alkohol etylowy

22,2

–

Alkohol metylowy

22,6

–

Benzen

22,8

35,0

Toluen

28,4

36,2

n-Heksan

18,4

51,1

Benzyna

20,3 ... 23,8

41,7 ... 49,2

Nafty

24,0 ... 26,2

44,3 ... 49,3

Oleje napędowe

28,7 ... 30,2

48,8 ... 49,9

Oleje maszynowe

35,7 ... 36,0

36,5 ... 37,8

Oleje silnikowe

29,5 ... 40,5

–

Oleje przepracowane

11,2 ... 30,7

–

73,0

–

Ciecz

Napięcie powierzchniowe jest wyrażane jako praca, niezbędna do przemieszczenia cząstek z wnętrza cieczy na jej powierzchnię. W tym przypadku, miarą napięcia powierzchniowego jest stosunek tej pracy do przyrostu powierzchni cieczy i wyrażany w ergach na centymetr kwadratowy [erg/cm2]. Napięcie powierzchniowe może również być określone jako stosunek siły działającej stycznie do powierzchni cieczy, w kierunku prostopadłym do liniowego przekroju warstwy, do długości, na której nastąpiło rozerwanie warstwy. W tym przypadku, napięcie powierzchniowe jest wyrażane w dynach na centymetr [dyn/cm]. 2

Napięcie powierzchniowe względem powietrza, dyna/cm

Woda

Niektóre badania, stosowane do oceny właściwości cieczy eksploatacyjnych, takie jak: q skłonność do pienienia, q wskaźnik wydzielania wody, q stan powierzchni międzyfazowej, są oparte na ocenie napięcia powierzchniowego lub międzyfazowego, w sposób pośredni. Ważną właściwością niektórych cieczy eksploatacyjnych: rozpuszczalników, cieczy hartowniczych, zmywaczy itp. jest zwilżalność. Charakteryzuje ona zdolność do rozpływania się cieczy po powierzchni ciał stałych. Miarą zwilżalności ciała stałego przez ciecz jest kąt zwilżania θ, tj. kąt, jaki tworzy styczna do powierzchni cieczy, z powierzchnią ciała stałego, w punkcie zetknięcia się trzech faz: stałej 1, gazowej 2, i ciekłej 3 (rys. 4.64).

4

Temperatura krytyczna – graniczna temperatura, powyżej której nie można skroplić gazu.

IV

35

Ocena zwilżalności materiałów konstrukcyjnych przez ciecze eksploatacyjne, najczęściej jest dokonywana z zastosowaniem metod modelujących rzeczywiste warunki eksploatacji. Przy czym, wpływ zwilżalności należy odróżnić od przypadków, gdy składniki cieczy reagują z powierzchnią ciała stałego tworząc związki chemiczne.

4.13 Skłonność do pienienia

Rys. 4.63 Zależność napięcia powierzchniowego ciekłych węglowodorów od ich gęstości, 1 – alkany, 2 – nafteny, 3 – węglowodory aromatyczne

Kąt zwilżania θ jest związany z napięciem międzyfazowym zależnością (4.51): cos θ =

σ2,3 – σ1,3 σ1,2

(4.51)

gdzie: σ1,2; σ1,3; σ2,3 – napięcie międzyfazowe odpowiednio na granicy faz: ciekłej i gazowej, ciekłej i stałej, oraz gazowej i stałej. Pomiar kąta zwilżania najczęściej jest dokonywany przy użyciu mikroskopu; bezpośrednio na podstawie pomiaru obrysu lub wysokości kropli cieczy o znanej objętości. Jeżeli θ = 0, to ciecz całkowicie zwilża ciało stałe. Umownie przyjmuje się, że jeżeli 90°< θ < 180°, to ciało stałe jest niezwilżalne przez ciecz. Zwilżalność ma istotne znaczenie dla eksploatacji, m.in. ma ona wpływ na procesy: q dyspergowania zanieczyszczeń stałych, q odrywania cząstek osadów i produktów korozji od powierzchni metali, q filtracji, q mycia. Do niektórych cieczy eksploatacyjnych są wprowadzane specjalne dodatki, zwiększające zwilżalność. Zwilżalność ponadto jest związana z takimi właściwościami jak: właściwości smarne i przeciwzużyciowe, właściwości ochronne. Zwilżalność szczególne znaczenie ma w przypadku: q środków do czasowej ochrony metali przed korozją (patrz p. 16), q olejów do obróbki cieplnej metali (patrz p. 18), q cieczy do obróbki metali (patrz p. 12), q środków antyadhezyjnych (patrz p. 6).

Rys. 4.64 Zwilżalność powierzchni ciała stałego cieczą A – ciecz zwilżająca, B – ciecz niezwilżająca, 1 – ciecz, 2 – gaz (powietrze), 3 – ciało stałe

36

IV

Niektóre ciecze eksploatacyjne, w szczególności oleje smarowe, wykazują skłonność do pienienia. W większości zastosowań jest to właściwość szkodliwa. Pienienie cieczy eksploatacyjnych może powodować w eksploatacji maszyn następujące skutki: q niedostateczne smarowanie, w rezultacie zbyt małej ilości środka smarowego doprowadzanego do skojarzenia trącego, q zwiększenie ściśliwości cieczy eksploatacyjnej, ze względu na dużą ściśliwość pęcherzyków powietrza, szczególnie szkodliwe jest to w przypadku układów hydraulicznych, q wypływanie cieczy eksploatacyjnych ze zbiorników maszyny, poprzez otwory odpowietrzające, q zwiększenie skłonności do występowania zjawiska kawitacji, Skłonność do pienienia jest wyrażana objętością powstającej piany oraz jej trwałością. Znormalizowana metoda pomiaru skłonności do pienienia polega na przedmuchiwaniu przez próbkę umieszczaną w termostatowanym cylindrze pomiarowym, i napowietrzaniu w ciągu 5 minut, w sposób przedstawiony na rysunku 4.65. Badana ciecz jest napowietrzana porowatą bełkotką wykonaną ze spieku szklanego lub metalowego, ściśle dozowanym osuszonym powietrzem atmosferycznym. Miarą skłonności cieczy eksploatacyjnej do pienienia jest objętość powstałej piany, wyrażana w cm3. Po wykonaniu pomiaru skłonności do pienienia odczekuje się 10, 5 lub 1 minutę (w zależności od wymagań normy produktowej) i ponownie mierzy objętość piany. Zmierzona objętość piany po tym czasie jest nazywana trwałością piany. Badania skłonności do pienienia są wykonywane w tzw. sekwencjach. Wyróżnia się: q sekwencja I – pomiar w temperaturze 25°C, q sekwencja II – pomiar w temperaturze 90 lub 95°C (nowa próbka), q sekwencja III – pomiar w temperaturze 25°C wykonywany dla próbki po pomiarze w temperaturze 90 lub 95°C. Niektóre normy produktowe nakazują badania w temperaturach innych niż podano powyżej. Wymagania w zakresie skłonności do pienienia są podawane w następujący, przykładowy sposób: Sekwencja I (w temperaturze 25°C), objętość piany , cm3, nie więcej niż 50/10, Sekwencja II (w temperaturze 95°C), objętość piany , cm3, nie więcej niż 100/10, Sekwencja III (w temperaturze 25°C po próbie w 95°C), objętość piany, cm3, nie więcej niż 50/10. W wyniku badania pierwsza liczba jest

Rys. 4.65 Część pomiarowa aparatu do badania skłonności olejów do pienienia 1 – bełkotka ze spieku, 2 – badany olej, 3 – piana, 4 – cylinder pomiarowy, 5 – rurka doprowadzająca powietrze

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości... wymaganiem dotyczącym skłonności do pienienia, a druga trwałości piany (po określonym normą czasie). W przypadkach niektórych cieczy eksploatacyjnych obok oznaczania skłonności do pienienia jest oznaczana zdolność do uwalniania powietrza.

4.14 Deemulgowalność Niektóre ciecze eksploatacyjne mają skłonność do tworzenia emulsji olejowo-wodnych. Właściwość ta jest niekorzystna w przypadku, gdy do oleju, paliwa lub innej cieczy eksploatacyjnej może przedostać się woda i gdy istnieją warunki do utworzenia trwałej zawiesiny (emulsji) jednej cieczy w drugiej. Emulsja – układ złożony z dwóch wzajemnie nierozpuszczalnych cieczy, z których jedna jest rozproszona (faza rozproszona) w postaci małych kropelek w drugiej (faza rozpraszająca). Średnica kropelek fazy rozproszonej wynosi najczęściej 1... 50 mikrometrów. W przypadku, gdy cząsteczki fazy rozproszonej mają średnice poniżej 1 mikrometra, utworzona mieszanina ma właściwości układu koloidalnego. Wyróżnia się emulsje typu „woda w oleju” wówczas, gdy fazą rozpraszająca jest olej, a fazą rozproszoną woda oraz typu „olej w wodzie”, gdy fazą rozpraszającą jest woda, a rozproszoną olej. W przypadku cieczy eksploatacyjnych, najczęściej mamy do czynienia z emulsjami typu woda w oleju. Tworzeniu się emulsji sprzyjają: q małe napięcie międzyfazowe na granicy faz oleju i wody, q obecność w oleju substancji nazywanych emulgatorami, q działanie sił mechanicznych, q zmiany temperatury. Skłonność oleju do tworzenia emulsji z wodą mogą zwiększać niektóre dodatki przeciwkorozyjne i smarnościowe, ale także pozostałości po niedokładnym odmyciu oleju po rafinacji oraz zanieczyszczenia. Do oceny deemulgowalności olejów i niektórych ciekłych paliw są stosowane następujące metody: q badanie wydzielania wody, q charakterystyki deemulgowalności olejów smarowych w warunkach statycznych, q charakterystyki deemulgowalności metodą dynamiczną. Badanie wydzielania wody polega na umieszczeniu w cylindrze pomiarowym o poj. 100 cm3 40 ml wody i 40 ml badanego oleju. Cylinder z zawartością jest umieszczany w łaźni wodnej lub olejowej o temperaturze 130°F (54,4°C) lub 180°F (82,2°C). Następnie zawartość jest intensywnie mieszana przez 5 minut, w rezultacie czego powstaje emulsja wodno-olejowa. Po procesie mieszania cylinder z emulsją jest odstawiany na 60 minut. W odstępach czasu określonych normą produktową, jest notowana objętość warstwy wodnej, emulsji i oleju. Kolejne etapy badania wydzielania wody przedstawia rys. 4.66. Badanie wydzielania wody jest stosowane do oceny olejów smarnych o lepkości powyżej 90 mm2/s oraz niektórych cieczy syntetycznych, a także rozpuszczalników i ciekłych paliw. Badanie deemulgowalności olejów smarnych w warunkach statycznych, jest prowadzone z zastosowaniem specjalnego cylindra pomiarowego 4 z odstojnikiem i zaworkiem drenażowym (rys. 4.67), zaopatrzonego w wysokoobrotowe mieszadło 3. Próbka oleju (405 ml) i wody (45 ml) jest termostatowana do temperatury pomiaru: 130°F (54,4°C) lub 180°F (82,2°C) i intensywnie mieszana przez 5 minut. Po tym czasie z warstwy emulsyjnej jest odbierana próbka i poddawana wirowaniu w specjalnej wyskalowanej probówce, w sposób analogiczny jak w przypadku oznaczania zawartości wody i osadów metodą wirówkową (patrz p. 4.21). Miarą jakości oleju w tym zakresie, jest ilość wody wydzielonej z pobranej próbki emulsji.

Rys. 4.66 Kolejne fazy badania wydzielania wody z olejów 1 – woda, 2 – badany olej, 3 – mieszadło, 4 – emulsja wodno – olejowa, 5 – warstwa olejowa, 6 – warstwa wodna

Rys. 4.67 Zasada badania deemulgowalności olejów smarowych w warunkach statycznych 1 – woda, 2 – badany olej, 3 – szybkoobrotowe mieszadło, 4 – cylinder pomiarowy z odstojnikiem, 5 – pobieranie próbki emulsji, 6 – warstwa olejowa, 7 – emulsja wodno-olejowa, 8 – wydzielona woda

Badanie deemulgowalności olejów smarnych w warunkach statycznych jest przewidziane do oceny olejów zawierających inhibitory korozji i rdzewienia, np.: olejów o dużej lepkości do układów cyrkulacyjnych oraz olejów przekładniowych do silnie obciążonych przekładni otwartych. Badanie deemulgowalności olejów w warunkach statycznych nie w każdym przypadku dobrze modeluje rzeczywiste warunki pracy oleju i z tego względu uzyskiwane wyniki badań nie mogą być miarodajne dla przypadków, gdy olej i woda są w kontakcie w warunkach dynamicznych. Do oceny olejów przeznaczonych do takich warunków, jest stosowane badanie deemulgowalności olejów w warunkach dynamicznych. Badanie jest prowadzone z zastosowaniem aparatu, którego schemat przedstawia rys. 4.68. Badanie polega na ciągłym dozowaniu wody do intensywnie mieszanego oleju. Wytworzona emulsja jest przetłaczana do zbiornika oleju, gdzie następuje jej rozwarstwianie. W zbiorniku, przy użyciu grzałki elektrycznej, jest utrzymywana temperatura 180°F (82,2°C). Wydzielona woda jest odprowadzana przez specjalny zawór drenażowy, ręcznie lub automatycznie. Warstwa górna, zawierająca wydzielony olej, przelewem jest zawracana do zbiornika z mieszadłem. Do badań jest odbierana próbka powierzchniowa oraz poprzez specjalny układ próbka denna. Jakość oleju jest oceniana na podstawie grubości warstwy oleju, jaka się wydzieli podczas wirowania odebranych próbek, analogicznie jak w metodzie statycznej.

IV

37

Rys. 4.68 Schemat aparatu do badanie deemulgowalności olejów smarowych w warunkach dynamicznych 1 – zawór spustowy, 2 – grzałka elektryczna, 3 – termometr, 4 – zbiornik oleju, 5 – emulsja wodno – olejowa, 6 – przelew, 7 – mieszadło, 8 – zbiornik do wytwarzania emulsji, 9 – pompa dozująca emulsję do zbiornika oleju, 10 – układ dozowania wody z przepływomierzem, 11 – zbiornik z wodą, 12 – układ odbioru próbki dennej, 13 – pojemnik z próbką denną

Odporność na emulgowanie olejów do turbin parowych jest oceniana specjalną metodą z parą wodną.

4.15 Skład grupowy Właściwości eksploatacyjne olejów smarnych, ciekłych paliw i rozpuszczalników w znacznej mierze są uwarunkowane właściwościami bazy, stanowiącej na ogół wydestylowaną frakcję ropy naftowej. Skład chemiczny bazy ma duże znaczenie dla doboru dodatków i rzutuje na eksploatacyjne właściwości produktu, ale nawet producentowi, na ogół jest on znany tylko częściowo. Wynika to z faktu, że ropa naftowa i wydestylowane z niej frakcje są to mieszaniny od kilkudziesięciu do kilkuset różnych związków chemicznych, przeważnie węglowodorów, ale także, w relatywnie mniejszych ilościach, organicznych związków siarki, tlenu, azotu i innych pierwiastków. W celu uzyskania produktu o oczekiwanych właściwościach, na ogół są wystarczające informacje o tzw. składzie grupowym oraz zawartości związków lub grup związków, których obecność w końcowym produkcie jest niepożądana. Oznaczanie składników, niekorzystnie wpływających na właściwości produktu, wymaga stosowania specyficznych technik analitycznych, zależnych od właściwości i stężeń oznaczanych związków. Skład grupowy natomiast jest oznaczany metodami ogólnymi, praktycznie przydatnymi dla większości produktów naftowych, nie zawierających dodatków. Pod pojęciem składu grupowego rozumie się zawartość w ropie lub produkcie naftowym, podstawowych grup węglowodorów: q alkanów, zwanych węglowodorami parafinowymi lub parafinami, q cykloalkanów, zwanych węglowodorami alicyklicznymi, cykloparafinami lub naftenami, q arenów, najczęściej zwanych węglowodorami aromatycznymi, q alkenów, zwanych olefinami lub węglowodorami nienasyconymi. Czasami pod pojęciem składu grupowego rozumie się bardziej szczegółową znajomość składu chemicznego, np. zawartość węglowodorów aromatycznych jedno-, dwu- i wielopierścieniowych lub w zależności od potrzeb, innych grup węglowodorów. Alkany (parafiny) są to związki węgla i wodoru o ogólnym wzorze CnH2n+2, charakteryzujące się pojedynczymi wiązaniami pomiędzy atomami węgla i łańcuchową, niecykliczną budową strukturalną.

38

IV

Alkany charakteryzują się biernością chemiczną. Alkany o liczbie atomów węgla w cząsteczce 1 … 4 są w normalnych warunkach gazami, zawierające 5 … 18 atomów węgla – cieczami, a o większej liczbie atomów węgla – ciałami stałymi. Alkany o łańcuchu prostym, nazywane są normalnymi. Przed nazwą takiego związku zamieszczana jest litera „n-”. Alkany o łańcuchu rozgałęzionym, nazywane są izo-alkanami, a przed nazwą takiego związku umieszcza się przedrostek „izo-” lub literę „i-”. Rozgałęzienia łańcucha węglowego w cząsteczce alkanu mają istotny wpływ na niektóre właściwości związku. Np. temperatura krzepnięcia n-alkanów jest z reguły wyższa niż odpowiednich ialkanów. Różnice takie uwidaczniają się w wielu właściwościach, np.: lepkości, prężności par, odporności na utlenianie, odporności na spalanie stukowe i innych, zależnych od budowy związku chemicznego. Natomiast gęstość, współczynnik załamania światła, ciepło spalania są właściwościami, zależnymi od liczby i rodzaju atomów w cząsteczce związku i z tego powodu dla n-alkanów oraz i-alkanów wykazują niewielkie różnice. Przykłady alkanów podano niżej: CH3 | CH3—CH2—CH2—CH2—CH3 CH3—C—CH3 | CH3 n-pentan

CH3— (CH2)4—CH3

n-heksan

2,2-dimetylopropan (izopentan)

(4.52)

CH3 CH3 | | CH3—C—CH2—C—CH3 | | CH3 H 2,2,4-trimetylopentan (izooktan)

Cykloalkany (nafteny) są to związki węgla i wodoru, charakteryzujące się pojedynczymi wiązaniami pomiędzy atomami węgla i cykliczną, pierścieniową budową. Cząsteczki cykloalkanów mogą składać się z jednego lub kilku połączonych pierścieni. Cząsteczki cykloalkanów mają dwa atomy wodoru mniej na każdy pierścień, niż alkany o tej samej liczbie atomów węgla. Wzór sumaryczny monocykloalkanów – CnH2n. Atomy wodoru, związane z atomami węgla w pierścieniach, mogą być podstawione łańcuchami wywodzącymi się z alkanów (alkila-

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości... mi). Cykloalkany, podobnie jak alkany, mają charakter nasycony i nie są reaktywne chemicznie. Cykloalkany, w porównaniu z alkanami, mają większą gęstość, wyższe temperatury wrzenia i mniejsze ciepło spalania. Alkany i cykloalkany łącznie są nazywane węglowodorami nasyconymi. Przykłady cykloalkanów dodano poniżej: CH2—CH2 | | = CH2 CH2

Przykłady budowy alkenu podano poniżej:

buten-1,3 (butadien)

H CH2 | CH2

CH2 | = CH2

H

(4.53)

CH2 cyklopentan

(4,55)

CH2 = CH – CH = CH2

CH2

CH2

Alkeny (olefiny) jest to grupa związków węgla i wodoru o budowie łańcuchowej, w której skład wchodzą związki posiadające w cząsteczce pomiędzy węglami, co najmniej jedno wiązanie podwójne.

cykloheksan

Areny (węglowodory aromatyczne, aromaty) są to związki węgla i wodoru o cyklicznej budowie i wiązaniach o specjalnym charakterze (aromatycznym), pomiędzy atomami węgla. Podstawowy pierścień węglowodorów aromatycznych składa się z sześciu atomów węgla. Do każdego atomu węgla, znajdującego się w pierścieniu, jest przyłączony jeden atom wodoru lub podstawnik. Specyfika wiązania pomiędzy atomami węgla w pierścieniu, polega na jego specjalnej budowie (tzw. wiązanie aromatyczne). Umownie można przyjąć, że pomiędzy każdymi dwoma węglami jest półtora wiązania. W rzeczywistości wiązanie aromatyczne jest utworzone z sześciu elektronów, pochodzących po jednym od każdego z węgli. Wiązanie to powoduje, że związki takie posiadają specjalne właściwości, wyróżniające ich spośród pozostałych grup węglowodorów. Węglowodory aromatyczne, w porównaniu z węglowodorami nasyconymi o tej samej liczbie atomów węgla w cząsteczce, wykazują większą gęstość, wyższą temperaturę krzepnięcia i wrzenia oraz większe ciepło spalania na jednostkę objętości. Jako składniki paliw i olejów, ze względu na gorszą stabilność termiczną, skłonność do niepełnego spalania oraz wyższe temperatury krzepnięcia i inne właściwości, są składnikami niekorzystnymi i w niektórych produktach ich zawartość jest ograniczana.

Obecność w cząsteczce wiązań podwójnych (nienasyconych) powoduje, że związki te wykazują dużą reaktywność chemiczną. W miejscu wiązania podwójnego mogą być przyłączone różne atomy lub grupy atomów. Pod wpływem działania czynników utleniających, alkeny przechodzą w alkohole, aldehydy lub kwasy organiczne. Alkeny ulegają też polimeryzacji, tworząc związki wielkocząsteczkowe – polimery. W ropie naftowej olefiny nie występują. Ich obecność w niektórych produktach naftowych, jest wynikiem reakcji chemicznych, zachodzących w trakcie procesów przetwórczych. Ze względu na reaktywność chemiczną, olefiny są szkodliwymi składnikami produktów naftowych. Ich obecność pogarsza wiele właściwości, m.in. stabilność termiczną, odporność na utlenianie. W przypadku, gdy stosowana technologia przeróbki ropy naftowej może w procesach ubocznych prowadzić do otrzymania alkenów, ich zawartość w gotowych produktach jest ograniczana. uuu Opracowano wiele metod oznaczania składu grupowego produktów naftowych. Większość z nich polega na wykorzystaniu do celów analitycznych, specyficznych właściwości oznaczanej grupy węglowodorów takich, które ją wyróżniają spośród innych grup. Do badań paliw i rozpuszczalników jest stosowana metoda chromatograficzna, znana pod nazwą FIA (Fluorescent Indicator Adsorption). Metoda FIA jest znormalizowana w wielu krajach. Przy jej zastosowaniu można oznaczyć, wyrażone w %(V/V): węglowodory aromatyczne wraz z niektórymi olefinami i węglowodory nasycone oraz heterozwiązki siarki i azotu. Zasada metody polega na wprowadzeniu próbki badanego produktu do kolumny adsorpcyjnej (rys. 4.69), wypełnionej żelem krzemionkowym. Górna warstwa żelu zawiera mieszaninę barwników fluorescencyjnych. Produkt adsorbuje się na żelu, a następnie do

H | C H—C | H—C

C—H || C—H

=

= CH3 | |

C | H

(4.54)

benzen

toluen

CH3

CH3

CH3

CH3 CH3 CH3 orto-ksylen

naftalen

meta-ksylen

para-ksylen

difenyl

Rys. 4.69 Zasada chromatograficznego oznaczania składu grupowego produktów naftowych metodą FIA 1 – lampa UV, 2 – kolumna chromatograficzna, 3 – szlif kulisty, 4 – dopływ powietrza pod ciśnieniem, 5 – roztwór produktu i rozpuszczalnika, 6 – wypełnienie kolumny, 7 – szyjka kolumny, 8 – separator, 9 – analizator, 10 – skala pomiarowa, 11 – kapilara

IV

39

kolumny jest wprowadzany desorbent – alkohol izopropylowy. Wypiera on próbkę w dół kolumny. Dodatkowo, w celu przyspieszenia przepływu, na górę kolumny jest podawane powietrze lub azot pod ciśnieniem do 100 kPa. Poszczególne grupy węglowodorów mają różną zdolność do adsorbowania się na żelu, i w czasie wymywania przez desorbent, rozdzielają się selektywnie. Mieszanina barwników fluorescencyjnych, z których każdy wykazuje powinowactwo do odpowiedniej grupy węglowodorów, rozdziela się podobnie jak węglowodory. W momencie, gdy cała próbka wraz z barwnikami przemieści się do analitycznej części kolumny, jest oświetlana ona światłem nadfioletowym. Granice każdej grupy węglowodorów są oznakowane fluoryzującym barwnikiem. Oznaczenie składu grupowego polega na pomiarze długości odcinków pomiędzy początkiem i końcem próbki, odpowiadających każdej z oznaczanych grup węglowodorów. Stosunek długości poszczególnych odcinków do sumarycznej długości, odpowiadającej całej próbce, jest objętościowym udziałem odpowiedniej grupy węglowodorów w produkcie. Skład grupowy frakcji nafty o temperaturze początku wrzenia powyżej 180°C, jest oznaczany metodą chromatografii cieczowej, która jest szczególnie przydatna do badań frakcji olejowych oraz olejów, nie zawierających dodatków. Metoda przewiduje dwa warianty oznaczania: szczegółowy, stosowany wówczas, gdy jest niezbędna informacja o składzie węglowodorów aromatycznych, w rozbiciu na jedno-, dwu- i wielopierścieniowe; oraz skrócony, gdy wystarczająca jest informacja o ogólnej zawartości węglowodorów aromatycznych. Przy zastosowaniu metody jest oznaczana również zawartość węglowodorów nasyconych i żywic. Rozdział próbki na poszczególne grupy węglowodorów jest dokonywany przy użyciu kolumny chromatograficznej, wypełnionej żelem krzemionkowym (SiO2) oraz tlenkiem glinu (Al2O3). Zasada metody polega na rozfrakcjonowaniu roztworu badanego produktu w odpowiednio dobranym rozpuszczalniku, nie zawierającym węglowodorów aromatycznych, odparowaniu rozpuszczalnika i oznaczeniu w każdej frakcji współczynnika załamania światła. Na podstawie wyznaczonego współczynnika załamania światła jest sporządzany wykres, z którego jest odczytywana zawartość poszczególnych grup węglowodorów. Zawartość węgli, związanych w strukturach aromatycznych, naftenowych i parafinowych, może być również wyznaczona metodami spektrometrii w podczerwieni, spektrometrii masowej oraz spektroskopii w nadfiolecie i innymi metodami analizy instrumentalnej. Metody tego typu są w szczególności stosowane do oznaczania zawartości węglowodorów aromatycznych, którym jest przypisywane działanie kancerogenne (rakotwórcze). Należą do nich benzen oraz wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne tj. takie, które w cząsteczce zawierają nie mniej niż dwa skondensowane pierścienie. Zawartość benzenu jest oznaczana w wielu produktach naftowych zwłaszcza paliwach i rozpuszczalnikach naftowych. Jego zawartość w produktach naftowych jest ograniczana do minimum, jakie może być osiągnięte współcześnie dostępnymi technologiami. Zawartość benzenu w wielu krajach jest regulowana odpowiednimi przepisami lub normami. Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne występują w wysokowrzących frakcjach niektórych gatunków ropy naftowej. Ich zawartość w plastyfikatorach i olejach stosowanych w farmacji i przemyśle kosmetycznym (olejach białych) jest ograniczana bardzo surowymi dyrektywami Unii Europejskiej. Do tego typu węglowodorów aromatycznych zalicza się: q benzo(a)piren, q benzo(a)antracen, q benzo(b)fluoren, q benzo(k)fluoren, q benzo(j)fluoren, q dibenzo(a,h)antracen.

40

IV

Zawartość w produktach naftowych tego rodzaju węglowodorów jest oznaczana metodami spektrometrii masowej (patrz p. 4.21). Metody bezpośrednie oznaczania składu grupowego węglowodorów stwarzają określone trudności analityczne i wymagają stosowania specjalnej aparatury. Z tych względów są stosowane pośrednie metody obliczeniowe. Polegają one na oznaczaniu, metodami analitycznymi, łatwo oznaczanych właściwości produktu i obliczeniu na ich podstawie, składu grupowego. Dla potrzeb kontroli jakości zostały opracowane proste, laboratoryjne metody oznaczania zawartości grup węglowodorów, niekorzystnie wpływających na jakość produktów naftowych: węglowodorów aromatycznych i alkenów. Do oznaczania zawartości węglowodorów aromatycznych najczęściej jest stosowana metoda, polegająca na przereagowaniu produktu ze stężonym kwasem siarkowym. W warunkach reakcji węglowodory aromatyczne ulegają sulfonowaniu, a alkany i alkeny pozostają nienaruszone. Produkt reakcji – kwasy sulfonowe – jest rozpuszczalny w wodzie, co pozwala na jego usunięcie przez ekstrakcję. Miarą zawartości węglowodorów aromatycznych w produkcie naftowym jest również punkt anilinowy (patrz p. 4.16). Podwójne wiązanie alkenów łatwo ulega rozpadowi pod wpływem czynników utleniających, m.in. przyłącza ono dwa atomy jodu lub bromu. W znormalizowanych warunkach oznaczania jod i brom nie reagują z pozostałymi grupami węglowodorów. Tak więc ilość przereagowanego bromu lub jodu jest miarą podwójnych wiązań, a tym samym miarą zawartości węglowodorów nienasyconych. Oznaczenie liczby jodowej lub liczby bromowej indywidualnych węglowodorów (patrz p. 4.17), pozwala na obliczenie liczby podwójnych wiązań w cząsteczce. Do badania składu związków organicznych szerokie zastosowanie znalazła spektrofotometria w podczerwieni, zwana również spektrometrią IR (lub spektroskopią IR). Spektroskopia w podczerwieni, spektroskopia IR (IR – infrared) jest to grupa metod analizy instrumentalnej, oparta na badaniach widm elektronowych związków chemicznych, zawierających w cząsteczce określone wiązania chemiczne. Spektroskopia w podczerwieni jest również stosowana do oznaczania zawartości niektórych związków chemicznych w mieszaninach. W takim przypadku pomiar jest dokonywany dla ustalonej długości fali. Na podstawie uzyskanych widm i widm wzorców wnioskuje się o zawartości związku w badanej substancji. Przyrządy umożliwiające taki pomiar, są nazywane spektrofotometrami do podczerwieni lub spektrofotometrami IR. Metody te są stosowane do oznaczania: zawartości niektórych dodatków i składników niepożądanych. Analogiczne metody w obszarze światła widzialnego i ultrafioletu są stosowane do badania zawartości niektórych związków organicznych i nieorganicznych (patrz p. 4.21).

4.16 Punkt anilinowy Jedną z tradycyjnych metod badań, stosowaną do przybliżonej oceny składu grupowego węglowodorów i właściwości rozpuszczania rozpuszczalników węglowodorowych, jest tzw. punkt anilinowy. Punkt anilinowy (AP – aniline point) – jest to najniższa temperatura, w której równe objętości aniliny i badanego produktu są całkowicie mieszalne, w warunkach znormalizowanych. Węglowodory jednej grupy o zbliżonym składzie frakcyjnym, destylujące w wąskich przedziałach temperatury, mają zbliżone wartości punktu anilinowego. Natomiast węglowodory różnych grup mają różne punkty anilinowe. Z tego względu, pomiar punktu anilinowego pozwala na przybliżoną ocenę składu grupowego mieszanin węglowodorów.

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości... sadniczą część aparatu ręcznego do oznaczania punktu anilinowego i mieszanego punktu anilinowego, przedstawia rys. 4.70. Pomiar polega na wymieszaniu odpowiednio produktu lub roztworu produktu w n-heptanie, z równą ilością aniliny. Podgrzaniu mieszaniny powyżej punktu anilinowego i schładzaniu w sposób znormalizowany (1°C/min), przy ciągłym mieszaniu. Temperatura, w której naczyńko rtęciowe termometru stanie się widoczne w świetle odbitym, jest punktem anilinowym. W przypadku, gdy w temperaturze pokojowej mieszanina produktu i aniliny jest jednorodna, należy ją ochłodzić aż do zmętnienia, a następnie dopiero podgrzewać. Punkt anilinowy znalazł zastosowanie do szybkiego, przybliżonego oznaczania zawartości węglowodorów aromatycznych. Opracowano różne zależności, pozwalające na przybliżone obliczenie poszczególnych grup węglowodorów w mieszaninie. Punkt anilinowy jest jednym z podstawowych parametrów charakteryzujących właściwości rozpuszczalników węglowodorowych, pod względem zdolności rozpuszczania różnych substancji. Znajomość punktu anilinowego pozwala przewidzieć działanie produktu na elastomery. Im niższy punkt anilinowy, tym większa skłonność produktu do spęczniania gum.

Rys. 4.70 Aparat (ręczny) do oznaczania punktu anilinowego i mieszanego punktu anilinowego 1 – mieszadełko, 2 – probówka zewnętrzna, 3 – probówka wewnętrzna, 4 – korki uszczelniające, 5 – termometr

Najniższym punktem anilinowym charakteryzują się węglowodory aromatyczne, a najwyższym parafinowe. Węglowodory naftenowe i olefinowe mają pośrednie wartości punktu anilinowego. Przykładowo, węglowodory C8 mają następujące wartości punktu anilinowego (w przybliżeniu): q aromatyczne < 20°C, q naftenowe – 45°C, q parafinowe – 70°C. Rozpuszczalność węglowodorów aromatycznych w anilinie jest większa niż alkanów i alkenów. Rozpuszczalność dwóch ostatnich grup węglowodorów szybko maleje wraz z obniżeniem temperatury, a w pewnej temperaturze roztwór rozwarstwia się. Im niższy punkt anilinowy produktu naftowego, tym większa w nim zawartość węglowodorów aromatycznych. Punkt anilinowy jest wielkością charakterystyczną indywidualnych węglowodorów. W obrębie określonej grupy węglowodorów punkt anilinowy wzrasta wraz ze zwiększeniem masy cząsteczkowej. Wartości punktu anilinowego [°C] przykładowo wybranych rozpuszczalników, podano poniżej: q rozpuszczalniki węglowodorowe (ogólnie): 41... 81, q rozpuszczalniki aromatyczne: 9 … 16, q benzyna lakiernicza: 56 … 67, q nafta oczyszczona niskoaromatyczna: 64 … 78, q oleje mineralne, parafinowe: 93 … 117, q plastyfikatory węglowodorowe na bazie węglowodorów aromatycznych: 25 … 45, q plastyfikatory węglowodorowe z dużą zawartością węglowodorów aromatycznych: 42 … 77, q plastyfikatory węglowodorowe niskoaromatyczne: ≈ 110. W przypadku, gdy badany produkt ma punkt anilinowy poniżej temperatury topnienia aniliny (6°C), jest oznaczany tzw. mieszany punkt anilinowy. Mieszany punkt anilinowy – jest to najniższa temperatura, w której dwie objętości aniliny, jedna objętość n-heptanu oraz jedna objętość badanego produktu są całkowicie mieszalne, w znormalizowanych warunkach. Oznaczanie punktu anilinowego oraz mieszanego punktu anilinowego jest wykonywane metodą ręczną lub automatyczną. Za-

4.17 Liczba bromowa, liczba jodowa Związki nienasycone, zawarte w produktach naftowych i innych cieczach eksploatacyjnych, są reaktywne. Mogą one ulegać polimeryzacji, reakcji z tlenem z powietrza oraz innym reakcjom chemicznym, których produkty są uważane za szkodliwe w cieczach eksploatacyjnych. Z tych względów ich zawartość jest oznaczana. W węglowodorach mogą one być oznaczane metodami stosowanymi do oznaczania składu grupowego (p. 4.15), są to metody kosztowne i długotrwałe. Ponadto, nie mogą być zastosowane do wszystkich związków nienasyconych. Z tego względu, opracowano i znormalizowano proste, laboratoryjne metody badań, których wyniki mogą być miarą zawartości związków nienasyconych. Należą do nich liczba bromowa i liczba jodowa. Liczba bromowa (BI – bromine index) – jest to masa bromu (Br2), która w znormalizowanych warunkach wejdzie w reakcję ze 100 gramami substancji. Liczba jodowa (II – iodine index) – jest to masa jodu (I2), która w znormalizowanych warunkach wejdzie w reakcję ze 100 gramami substancji. Między liczbą bromową (BI) i liczbą jodową (II) zachodzi związek (4.56), który jest stosowany do wzajemnych przeliczeń tych wielkości. BI [mg Br2/100 g] = 0,6299 II [mg I2/100 g] (4.56) Oznaczanie liczby bromowej polega na działaniu roztworu bromu w alkoholu etylowym na badany produkt i odmiareczkowaniu nadmiaru bromu. Oznaczanie liczby jodowej jest wykonywane analogicznie, przy czym roztwór bromu jest zastąpiony roztworem jodu.

4.18 Zawartość siarki Ropa naftowa i produkty z niej otrzymywane, obok węglowodorów, zawierają pewne ilości związków siarki. Związki siarki zawarte w produktach naftowych, oddziałują niekorzystnie na materiały konstrukcyjne układów paliwowych i olejowych. Odgrywają istotną rolę w tworzeniu związków żywicznych, smół i nierozpuszczalnych osadów. Duża zawartość siarki występuje w nagarach, lakach i produktach korozji. Stwierdzono niekorzystny wpływ siarki na stabilność termiczną i termooksydacyjną

IV

41

oraz na skłonność rozpuszczalników, paliw i olejów smarnych do wywoływania korozji metali. Produkty spalania paliw, o dużej zawartości siarki, zawierają duże ilości tlenków siarki (SO2 i SO3). Tworzą one z wodą kwasy, silnie korodujące elementy układów wydechowych silników i zanieczyszczające środowisko naturalne (tzw. kwaśne deszcze). W ropie naftowej siarka występuje w następujących rodzajach związków: merkaptany, siarczki, di- i polisiarczki, tiofeny oraz wielopierścieniowe związki, o złożonej strukturze cząsteczek. Udział związków siarki w poszczególnych frakcjach ropy naftowej nie jest równomierny. Lekkie frakcje benzynowe zawierają niewielkie ilości związków siarki. Wraz ze wzrostem temperatury wrzenia frakcji naftowych, na ogół zwiększa się zawartość związków siarki tak, że pozostałość z destylacji może składać się wyłącznie z organicznych związków siarki. Produkty otrzymywane z ropy naftowej, mogą również zawierać siarkowodór i rozpuszczoną siarkę elementarną (pierwiastkową). Opracowano wiele procesów technologicznych, umożliwiających usunięcie znacznej części związków siarki, z poszczególnych frakcji ropy naftowej. Usunięcie wszystkich związków siarki, przy zastosowaniu powszechnie stosowanych technologii, jest trudne lub nieekonomiczne. Stąd większość produktów naftowych zawiera pewne ilości siarki w postaci różnych związków organicznych. Szkodliwość związków siarki, zawartych w produktach naftowych jest różna. Za najbardziej niekorzystne uważa się siarkowodór, merkaptany i siarkę elementarną. Najmniej reaktywnymi są tiofeny. Siarka elementarna występuje w produktach naftowych w postaci rozpuszczonej lub częściowo związanej w polisiarczkach. Produkty naftowe w zależności od składu chemicznego i zakresu temperatury wrzenia, mogą rozpuszczać od 0,5 … 5% siarki elementarnej. Siarka elementarna zawarta w produktach naftowych, silnie oddziałuje korozyjnie na miedź i jej stopy oraz srebro i nikiel. Nie obserwuje się natomiast korozyjnego oddziaływania siarki na pokrycia ochronne, wykonane z kadmu lub cynku. Ropa naftowa zawiera niekiedy minimalne ilości siarkowodoru. Jego obecność w produktach naftowych jest wynikiem termicznego rozkładu siarczków i polisiarczków lub niedokładności oczyszczania (np. strippingu) produktów rafinowanych wodorem. Siarkowodór jest silnie reaktywny. Działa korodująco na miedź i jej stopy oraz na srebro, glin i stopy żelaza, tworząc siarczki. Jednoczesna obecność w produktach naftowych siarkowodoru i siarki elementarnej, może powodować znacznie silniejszą korozję niż wynika to z sumy składników (działanie synergetyczne). W wyniku spalania siarkowodoru powstaje siarka, ditlenek siarki (SO2) lub tritlenek siarki (SO3). Merkaptany (tiole) są to organiczne związki siarki, zawierające grupę – SH połączoną z podstawnikiem węglowodorowym. Merkaptany są słabymi kwasami. Wodór w grupie – SH może być podstawiony metalem, tworząc tzw. merkaptydy. Utlenianie merkaptanów prowadzi do disiarczków lub kwasów sulfonowych. Pod działaniem wodoru przy wysokim ciśnieniu i temperaturze, w obecności katalizatorów zachodzi reakcja, prowadząca do powstania węglowodoru i siarkowodoru wg reakcji (4.57): R—SH + H2 ® R—H + H2S

(4.57)

Reakcja ta jest wykorzystywana w procesach oczyszczania i rafinacji wodorem (hydrooczyszczanie, hydrorafinacja, hydrokreking). Merkaptany silnie oddziałują korozyjnie na miedź i jej stopy oraz srebro. Aktywność korozyjna merkaptanów zależy od budowy rodnika węglowodorowego. Siarczki organiczne są to związki siarki, w których do atomu siarki są przyłączone dwa podstawniki węglowodorowe. Budowa ich jest analogiczna do budowy eterów, z tego względu nazywane są również tioeterami.

42

IV

W podwyższonych temperaturach siarczki rozpadają się, tworząc złożoną mieszaninę węglowodorów, merkaptanów i siarkowodoru. Rafinacja siarczków wodorem, podobnie jak w przypadku merkaptanów, prowadzi do ich usunięcia w postaci siarkowodoru. Aktywność korozyjna siarczków jest mniejsza niż siarkowodoru oraz merkaptanów i również zależy od budowy podstawników węglowodorowych. Disiarczki i polisiarczki są to organiczne związki siarki, zawierające dwa lub więcej związane ze sobą atomy siarki: R1—S—S—R2

R1— (S)n—R2

(4.58)

Podobnie jak w przypadku siarczków można wyróżnić dii polisiarczki alifatyczne, aromatyczne, alifatyczno-aromatyczne itp. W podwyższonej temperaturze przechodzą one w merkaptany, siarkowodór i węglowodory. Aktywność korozyjna di- i polisiarczków jest zbliżona do aktywności korozyjnej siarczków. Niektóre polisiarczki łatwo odłączające siarkę pierwiastkową, odznaczają się silnym działaniem korozyjnym. Tiofeny są to związki, zawierające w cząsteczce pięcioczłonowy pierścień z heteroatomem siarki. Do pierścienia tiofenu może być przyłączony rodnik alkilowy, pierścień aromatyczny lub naftenowy, np.: CH3 S

S

tiofen

2-metylototiofen

(4.59)

Tiofeny, podobnie jak związki aromatyczne, są mało reaktywne i słabo oddziałują na metale. Siarka w postaci związków chemicznych i siarka elementarna, zawarta w ropie naftowej lub produktach naftowych, jest nazywana siarką ogólną. Ze względu na szkodliwe oddziaływanie siarki i jej związków, zawartych w produktach naftowych, opracowano wiele metod pozwalających na oznaczenie zarówno siarki ogólnej, jak i jej aktywnych połączeń. Zawartość siarki ogólnej w paliwach i rozpuszczalnikach, najczęściej jest oznaczana tzw. metodą lampkową. Aparatura do tej metody (rys. 4.71) składa się z lampki i pochłaniacza z kominkiem oraz łapacza kropel. Odważona ilość produktu jest umieszczana Rys. 4.71 Aparat do oznaczania siarki metodą lampkową 1 – lampka z próbką produktu, 2 – kominek, 3 – pochłaniacz z roztworem pochłaniającym ditlenek siarki, 4 – łapacz kropel

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości... Rys. 4.72 Aparat Conradsona do oznaczania pozostałości po koksowaniu 1 – osłona z kominkiem, 2 – pokrywka, 3 – pokrywka wewnętrzna, 4 – tygiel zewnętrzny z blachy stalowej, 5 – tygiel wewnętrzny z blachy stalowej, 6 – tygiel porcelanowy z próbką badanego oleju, 7 – palnik

aktywnych związków siarki jest stosowana tzw. próba Doctora. Badany produkt jest wytrząsany z roztworem ołowinu sodowego5 z dodatkiem siarki elementarnej (kwiat siarczany). W obecności merkaptanów barwa siarki ulega szybko zmianie na czerwoną. Jeżeli produkt zawiera siarkę elementarną lub siarkowodór, wcześniej powinny one być usunięte przez wytrząsanie z roztworem soli kadmu. Oznaczanie ilościowe zawartości merkaptanów, na ogół jest wykonywane po uzyskaniu pozytywnego rezultatu w próbie Doctora. Obok tych metod są stosowane liczne metody instrumentalne, np. spektrometrii w podczerwieni lub spektrometrii masowej i inne. Wybór metody oznaczania jest uzależniony od poziomu wymagań normy przedmiotowej na badany produkt oraz wymaganej dokładności pomiarów.

4.19 Skłonność do koksowania

w zbiorniku lampki, której płomień pali się w kominku. Przepływ powietrza jest zapewniony przez odsysanie niezabsorbowanych produktów spalania przez łapacz kropel. W pochłaniaczu jest umieszczony roztwór wiążący, powstały podczas spalania dwutlenku siarki. Jako substancje absorbujące są stosowane wodne roztwory: węglan sodu (Na2CO3), nadtlenku wodoru (H2O2) lub chlorku baru (BaCl2). W metodach tych powstający dwutlenek siarki tworzy z wodą kwas siarkawy, który w przypadku stosowania roztworu węglanu sodu, uwalnia ditlenek węgla, tworząc siarczyn sodu, wg reakcji 4.60: SO2 + H2O ® H2SO3 (4.60)

Na2CO3 + H2SO3® H2O + CO2 + Na2SO3 Nieprzereagowany węglan sodu jest miareczkowany mianowanym roztworem HCl. W przypadku stosowania roztworu nadtlenku wodoru, kwas siarkawy utlenia się do kwasu siarkowego, który jest miareczkowany mianowanym roztworem wodorotlenku sodowego. Stosowanie roztworu chlorku baru pozwala na wagowe lub miareczkowe oznaczenie zawartości siarki. Siarka ogólna w lekkich i ciężkich produktach naftowych i innych cieczach technicznych, może być oznaczona metodą katalitycznego spalania w specjalnym piecu rurowym, tzw. metodami analizy elementarnej. Do oznaczania siarki ogólnej w olejach smarowych i innych ciężkich produktach naftowych jest stosowana metoda, polegająca na spaleniu badanego produktu w bombie kalorymetrycznej. Do bomby jest wkładany tygiel z próbką badanego produktu, na dno jest wlewany wodny roztwór NaOH. Bomba kalorymetryczna jest napełniana tlenem pod ciśnieniem 3 … 4 MPa. Spalanie próbki jest przeprowadzane analogicznie, jak przy oznaczaniu wartości opałowej. Powstały podczas spalania trójtlenek siarki jest absorbowany w roztworze NaOH, a następnie przeprowadzany w nierozpuszczalny siarczan baru (BaSO4). Zawartość siarki ogólnej jest obliczana ze znajomości masy otrzymanego siarczanu baru. Oznaczanie zawartości siarkowodoru jest wykonywane metodą potencjometryczną. Łączna zawartość siarkowodoru i siarki merkaptanowej jest oznaczana przez miareczkowanie próbki produktu amoniakalnym roztworem azotanu srebra. Bardzo ważnym wskaźnikiem jakościowym produktów naftowych, zwłaszcza rozpuszczalników i paliw jest zawartość siarki merkaptanowej. W celu wykrycia obecności merkaptanów i innych

Oleje mineralne i niektóre oleje syntetyczne, nagrzewane do wysokiej temperatury bez dostępu tlenu i w długim czasie, przechodzą przemiany chemiczne, których ostatecznym efektem jest koks. Mechanizm koksowania oleju jest następujący: pod wpływem wysokiej temperatury lotne składniki oleju odparowują, natomiast ciężkie ulegają termicznemu rozkładowi. W pierwszym etapie następuje odwodornienie i powstają wielkocząsteczkowe związki nienasycone. Związki te polimeryzują, tworząc częściowo związki cykliczne. Część parafin cyklizuje, tworząc nafteny. W wysokiej temperaturze następuje dalsze odwodornienie powstałych związków cyklicznych, aż do utworzenia skondensowanych związków pierścieniowych, które ogrzewane przechodzą w substancje asfaltowo-żywiczne, a następnie w koks. Poszczególne gatunki olejów mineralnych wykazują różną skłonność do tworzenia koksu. Zależy ona od składu chemicznego oleju oraz sposobu i głębokości rafinacji. Ze zwiększeniem lepkości oleju (przy zbliżonym składzie chemicznym i stopniu rafinacji) skłonność do koksowania zwiększa się. W warunkach laboratoryjnych skłonność olejów smarnych do koksowania jest oceniana dwoma metodami: Conradsona i Ramsbottoma. Zasada obu metod jest zbliżona: olej jest poddawany działaniu wysokiej temperatury bez dostępu powietrza, a pozostałość po skoksowaniu jest ważona i wyrażona najczęściej w % w stosunku do masy oleju, użytego do badania. W Europie powszechnie jest stosowana metoda Conradsona; jest ona szybsza, ale mniej dokładna, natomiast metoda Ramsbottoma znalazła zastosowanie w USA i niektórych innych krajach. Oznaczanie jest wykonywane przy użyciu aparatu, którego przekrój pokazano na rys. 4.72. Składa się on ze statywu z osłoną i kominkiem 1, do którego jest przymocowany pręt, służący jako wskaźnik wysokości płomienia spalających się par produktu. Wewnątrz znajdują się dwa tygle stalowe 4 i 5, nakryte nieszczelnymi pokrywkami 2 i 3 oraz tygiel porcelanowy 6, do którego jest nalewany badany olej. Tygle są ogrzewane palnikiem. Pary podgrzewanego oleju wypychają z tygli powietrze tak, że jego rozkład odbywa się bez dostępu tlenu. Pary oleju i produkty jego rozkładu, wydostające się z tygli ulegają spaleniu w strumieniu powietrza i produktów spalania z palnika. Rozkładający się olej wydziela koks, który osadza się na ściankach tygla porcelanowego. Metoda Ramsbottoma jest oparta na tej samej zasadzie, co metoda Conradsona. Schemat aparatu do tej metody przedstawia rys. 4.73. Próbka oleju w szklanej ampułce jest umieszczana w bloku aluminiowym i ogrzewana elektrycznie w stałej temperaturze 550°C, aż do całkowitego skoksowania. Wyniki oznaczeń uzyskane tymi metodami są wzajemnie przeliczalne, na podstawie wykresu przedstawionego na rys. 4.74 5

Ołowin sodowy, ze względu na słodki smak jest nazywany „cukrem ołowinowym” stąd proces nosi potoczną nazwę „słodzenie”.

IV

43

Rys. 4.73 Aparat Ramsbottoma do oznaczania pozostałości po koksowaniu 1 – termopara, 2 – probówka z badanym olejem, 3 – blok aluminiowy, 4 – spirala grzejna, 5 – izolacja cieplna, 6 – regulator temperatury bloku aluminiowego

ze względu na stosowane dodatki, zapobiegające powstawaniu twardego koksu. Dla olejów mineralnych i syntetycznych o małej lepkości, skłonność do koksowania nie jest stosowana jako parametr oceny ich jakości. Natomiast dla olejów mineralnych i syntetycznych o większych lepkościach oraz zawierających wiskozatory, skłonność do koksowania jest uważana za ważny parametr jakościowy. Oleje z dodatkami popiołowymi wykazują pozorną większą skłonność do koksowania, z tego względu niektóre normy przewidują oznaczanie skłonności do koksowania dla olejów bazowych, przed wprowadzeniem do nich dodatków. Obie omówione metody oznaczania pozostałości po koksowaniu są wykonywane w warunkach statycznych, nie zawsze dobrze modelujących warunki pracy oleju. Skłonność olejów silnikowych, sprężarkowych i niektórych innych do koksowania i tworzenia laków jest oceniana w badaniach prowadzonych w warunkach dynamicznych. Opracowano wiele takich metod badań. Przykładem może być często stosowana metoda Panel Coker Test, modelująca warunki pracy olejów silnikowych. Schemat aparatu stosowanego w tej metodzie, przedstawia rys. 4.75. Badany olej ogrzany do określonej temperatury w zbiorniku 2, modelującym miskę olejową, jest rozbryzgiwany szczotką 5, na płytkę aluminiową 3, modelującą denko tłoka. Poziom oleju jest uzupełniany z cylindra pomiarowego 7, stanowiącego zbiorniczek do uzupełniania oleju. Płytka jest ogrzewana do określonej, dokładnie ustalanej temperatury. Ocena skłonności oleju do koksowania i lakowania jest dokonywana wzrokowo i wagowo na podstawie ilości odłożonych koksów na płytce testowej oraz ilości oleju zużytego w trakcie badania.

4.20 Pozostałość po spopieleniu

Rys. 4.74 Zależność wyników badań pozostałości po koksowaniu wg Conradsona i Ramsbottoma

Produkty naftowe i inne ciecze eksploatacyjne zawierają pewne ilości organicznych związków metali i zanieczyszczeń mineralnych, w postaci: q mydeł kwasów naftenowych i metali, pochodzących z ropy naftowej q pyłów atmosferycznych, q zanieczyszczeń pochodzących z procesów rafinacji, q produktów korozji armatury i zbiorników, q katalizatorów, z procesów technologicznych, a w przypadku cieczy pracujących, ścieru pochodzącego z procesów zużywania współpracujących powierzchni skojarzeń trących. Substancje te są uznawane za zanieczyszczenia, szkodliwe z punktu widzenia eksploatacji. Ich zawartość jest kontrolowana poprzez oznaczenie: q pozostałości po spopieleniu, q popiołu tlenkowego, q popiołu siarczanowego. Pozostałość po spopieleniu – jest to pozostałość nie zawierająca węgla, wyrażona w ułamku masowym, uzyskana w wyniku spalenia i pirolizy produktu.

Rys. 4.75 Schemat aparatu Panel Coker do badania skłonności olejów smarnych do lakowania i koksowania w warunkach dynamicznych 1 – termometr do pomiaru temperatury oleju w misce olejowej, 2 – zbiornik (miska olejowa) z badanym olejem, 3 – testowa płytka aluminiowa (denko tłoka), 4 – termopara do pomiary temperatury płytki testowej, 5 – szczotka rozbryzgująca olej, 6 – regulator temperatury, 7 – zbiorniczek do uzupełniania oleju i pomiaru jego zużycia, 8 – silnik napędzający szczotkę 5

Początkowo na podstawie właściwości koksu rozróżniano oleje parafinowe, które dawały koksy twarde i naftenowe, z których koksy były miękkie. Aktualnie rozróżnianie takie nie ma miejsca

44

IV

Pozostałość po spopieleniu jest oznaczana poprzez spalenie odważonej ilości badanego produktu, w tyglu o dokładnie znanej masie w taki sposób, aby produkty spalania i wyprażania były wolne od części zwęglonych. Produkty wyprażania przemywa się gorącą wodą, aby usunąć z nich lotne alkaliczne tlenki sodu i potasu. Pozostałość po przemywaniu jest sączona ilościowo, suszona, a następnie spalana wraz z sączkiem, z dodatkiem silnych bezpopiołowych utleniaczy: kwasu azotowego lub azotanu amonu. Tak otrzymany popiół jest ważony. Pozostałość po spopieleniu jest wyrażana w %(m/m), w stosunku do masy produktu wziętego do spalania.

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości...

Popiół tlenkowy – jest to pozostałość po spaleniu produktu w powietrzu i następnie wygrzewaniu w piecu, w określonej temperaturze, wyrażona w ułamku masowym. Popiół tlenkowy jest oznaczany analogicznie jak pozostałość po spopieleniu bez przemywania wodą produktów wyżarzania. Pojęcie popiołu tlenkowego ma zastosowanie do produktów bez dodatków zawierających metale. Niektóre oleje smarne i inne ciecze eksploatacyjne zawierają dodatki uszlachetniające będące rozpuszczalnymi w produkcie związkami metali, np. wapnia i magnezu. W takim przypadku, zawartość dodatku jest oznaczana jako popiół siarczanowy. Popiół siarczanowy – jest to pozostałość po spaleniu produktu w powietrzu, potraktowaniu zwęglonej pozostałości kwasem siarkowym i wyprażeniu w piecu, w określonej temperaturze, wyrażona w ułamku masowym. Popiół siarczanowy jest oznaczany analogicznie jak pozostałość po spopieleniu, przy czym do produktów wyprażania jest dodawane kilka kropel wody i kwasu siarkowego, co powoduje przejście lotnych tlenków metali w nielotne siarczany. Wyprażanie jest wykonywane w ściśle określonej temperaturze, 775°C. Przekroczenie tej temperatury może spowodować ulotnienie się lub rozkład niektórych składników popiołu. Oznaczanie popiołu siarczanowego ma zastosowanie do świeżych olejów smarnych z dodatkami, które podczas spalania i spopielania mogą tworzyć lotne tlenki metali. Szczegółowe badania składu popiołu wykazały, że zawiera on związki takich metali jak: Ni, V, Fe, Na, Al, Zn oraz Mg i Ca oraz krzemionkę (SiO2). W przypadku ciężkich paliw (olejów opałowych i olejów napędowych) za bardzo szkodliwe uznaje się związki niklu i wanadu. Powodują one tzw. korozję wysokotemperaturową komór spalania i układów wylotowych silników i pieców. Związki niklu i wanadu i żelaza pochodzą z ropy naftowej, gdzie występują w postaci związków kompleksowych tzw. porfiryn. Związki żelaza i cynku mogą również pochodzić z wewnętrznych, skorodowanych powierzchni armatury i zbiorników. Niektóre rurociągi mają wewnętrzne pokrycia cynkowe. Sód przedostaje się do produktów naftowych wraz z solanką towarzyszącą ropie naftowej lub stosowanej jako płuczka podczas wierceń poszukiwawczych. Glin i krzemionka stanowią zanieczyszczenia pochodzące z zanieczyszczeń stałych towarzyszących ropie naftowej (glinokrzemiany i piasek), a także z zanieczyszczeń wtórnych przedostających się do produktów w procesach magazynowania i dystrybucji. Związki magnezu i wapnia, poza przypadkami gdy są wprowadzane w składzie dodatków, mogą stanowić zanieczyszczenie produktu olejami zawierającymi dodatki w postaci związków tych metali.

4.21 Zawartość pierwiastków w stężeniach śladowych W przypadkach cieczy eksploatacyjnych, przeznaczonych do smarowania precyzyjnych mechanizmów oraz zawierających dodatki uszlachetniające zawierające związki wymienionych dalej pierwiastków, zachodzi potrzeba oznaczania ich zawartości w stężeniach śladowych. Badania zawartości pierwiastków są także prowadzone podczas prowadzenia nadzoru nad stanem maszyny, poprzez badania oleju (patrz p. 23). W typowych przypadkach jest oznaczana zawartość wybranych pierwiastków, spośród następujących: 6

Chromofory są to ugrupowania atomów w związkach organicznych o charakterze nienasyconym, których obecność w cząsteczce powoduje pochłanianie fal elektromagnetycznych odpowiedniej długości, w przypadku światła widzialnego barwę związku.

q miedź (Cu), q wapń (Ca), q chrom (Cr), q kadm (Cd), q cyna (Sn), q lit (Li),

q żelazo (Fe), q glin (Al), q wanad (V), q molibden (Mo), q tytan (Ti), q sód (Na),

q magnez (Mg), q nikiel (Ni), q ołów (Pb), q kobalt (Co), q srebro (Ag), q potas (K)

a także fosfor (P), krzem (Si) lub krzemionka (SiO2). Wybór pierwiastków, które powinny być oznaczane w konkretnym środku smarnym, jest ustalany odpowiednią normą produktową lub specyfikacją. W przypadku prowadzenia nadzoru nad stanem maszyny, wykaz pierwiastków, które powinny być oznaczane, najczęściej podaje producent maszyny. W przypadkach niektórych olejów zawartość pierwiastków jest oznaczana z pozostałości po spopieleniu. Według wymagań norm produktowych, zawartość pierwiastków w stężeniach śladowych jest oznaczana przede wszystkim w następujących rodzajach olejów: q do turbinowych silników lotniczych, q do tłokowych silników lotniczych, q hydraulicznych, q elektroizolacyjnych (transformatorowych). Jeżeli olej lub smar plastyczny zawiera składniki lub dodatki zawierające metale, niektóre normy produktowe nakazują oznaczanie tych metali. Przykładowo, w przypadku olejów silnikowych i niektórych innych cieczy eksploatacyjnych są oznaczane Ca oraz Mg, będące składnikami dodatków do tego typu olejów. W olejach tych jest również oznaczany fosfor, jako składnik niektórych dodatków. W smarach plastycznych są oznaczane pierwiastki wchodzące w skład zagęszczaczy mydlanych: Na, Ca, Li, Al i czasami inne w zależności od rodzaju zagęszczacza. Spektroskopia w świetle widzialnym i nadfiolecie jest to grupa metod analizy instrumentalnej oparta na badaniach widm elektronowych związków chemicznych, zawierających w cząsteczce chromofory6 lub barwne jony. Spektroskopia w świetle widzialnym i nadfiolecie jest również stosowana do ustalania stężenia roztworów (np. związków metali i fosforu). W takim przypadku pomiar jest dokonywany dla ustalonej długości fali. Na podstawie uzyskanych widm i widm wzorców wnioskuje się o zawartości pierwiastka lub związku w badanej substancji. Przyrządy umożliwiające taki pomiar są nazywane spektrofotometrami. Metody te są stosowane do oznaczania zawartości niektórych dodatków i zanieczyszczeń. Analogiczne metody w obszarze podczerwieni są stosowane do badania składu chemicznego związków organicznych (patrz p. 4.15). Spektroskopia emisyjna jest to grupa metod analizy instrumentalnej, oparta na identyfikacji i badaniu widm uzyskanych przez rozszczepienie światła widzialnego (lub innego promieniowania), wysyłanego lub pochłanianego przez pary atomów lub jony, otrzymywane przez odparowanie badanej substancji w łuku elektrycznym Spektrogramy w tych metodach są otrzymywane metodami fotograficznymi w postaci prążków, charakterystycznych dla atomów lub jonów. Prążki te są porównywane z prążkami wzorców, zawierających określone metale lub identyfikowane na podstawie danych zawartych w katalogach widm. Metody te odznaczają się dużą czułością (do 10–5 %). Metodami spektroskopii emisyjnej są oznaczane niektóre metale i niektóre pierwiastki niemetaliczne. W analizie produktów naftowych metoda spektrometrii emisyjnej jest stosowana do badania produktów korozji i zużycia oraz różnego rodzaju osadów zawierających metale, np. nagarów, pozostałości po spopieleniu, a także do identyfikacji i oznaczania dodatków i składników zawierających metale. Spektroskopia absorpcyjna atomowa jest to grupa metod analizy instrumentalnej oparta na badaniach absorpcji promieniowania o określonej długości fali, emitowanego przez specjalne lampy z katodą wnękową wykonaną z oznaczanego pierwiastka (metalu). Lampy emitują promieniowanie o takiej długości fali, jakie absorbuje oznaczany pierwiastek Promieniowanie przechodzi

IV

45

Rys. 4.76 Schemat części pomiarowej spektrometru absorpcji atomowej 1 – źródło pulsującego napięcia, 2 – zasobnik lamp, których katody są wykonane z oznaczanych metali, 3 – lampa, 4 – automatyczny dozownik próbek, 5 – kuwety z próbkami, 6 – utleniacz, 7 – badany produkt, 8 – rozpylacz, 9 – pompka gazowa, 10 – palnik, 11 – zwierciadło, 12 – przesłona, 13 – fotopowielacz, 14 – komputer, 15 – urządzenia rejestrujące

przez płomień palnika, do którego jest doprowadzana substancja zawierająca oznaczany pierwiastek. Schemat części optycznej spektrofotometru absorpcji atomowej, przedstawiono na rys. 4.76. Światło z wybranej lampy 3 przechodzi przez płomień palnika 10, do którego są dostarczane w sposób ciągły badane próbki 5, pobierane z magazynu próbek 4 i dyspergowane w iniektorze. Po przejściu przez palnik promień światła jest kierowany poprzez monochromator 12, do detektora 13. Impulsy z detektora są wzmacniane i po obróbce elektronicznej przesyłane do urządzeń rejestrujących: monitora drukarki, pamięci komputera itp. W analizie cieczy eksploatacyjnych spektroskopia absorpcyjna atomowa jest stosowana do oznaczania pierwiastków w stężeniach śladowych, zarówno w produktach świeżych jak i pochodzących z układów smarowania. Metoda odznacza się dużą selektywnością i rozdzielczością. Szczególnie przydatna do analiz dużej liczby próbek. Spektroskopia elektronowa rezonansu paramagnetycznego jest to grupa metod analizy instrumentalnej oparta na badaniach przejść niesparowanych elektronów między poziomami spinu. Poszczególnym przejściom odpowiada absorpcja rezonansowa zmiennego pola magnetycznego, o częstotliwościach mikrofalowych. W analizie śladowych stężeń pierwiastków metoda znalazła zastosowanie do oznaczania jonów metali ziem rzadkich, a także wanadu. Ponadto, w analizie produktów naftowych metoda znalazła zastosowanie do badań żywic, asfaltenów i produktów starzenia. Spektroskopia masowa jest to grupa metod analizy instrumentalnej oparta na badaniach widm mas atomów, jonów, rodników i cząsteczek. W metodzie tej zjonizowane atomy i cząsteczki są rozdzielane w polu elektrycznym i magnetycznym, ze względu na masę cząsteczki lub atomu lub wg stosunku masy cząsteczki do wielkości jej ładunku elektrycznego (m/e) i rejestrowane jako widmo mas. Z przebiegu widma wyznaczane są wartości mas oraz zawartość poszczególnych składników badanej substancji. Są one porównywane z katalogiem widm w pamięci komputera. Spektroskopia masowa znalazła szerokie zastosowanie w analizie izotopów, rodników organicznych oraz w tzw. analizie śladowej (wykrywanie bardzo małych domieszek substancji) W analizie produktów naftowych jest stosowana m.in. do badań: procesu spalania, składu gazów spalinowych, składu osadów, nagarów, produktów korozji itp. Analiza aktywacyjna jest to grupa metod analizy instrumentalnej, polegających na wytworzeniu w próbce izotopów promieniotwórczych i pomiarze natężenia promieniowania jądrowego utworzonych izotopów. Do napromieniowania próbki najczęściej jest stosowane promieniowanie γ pochodzące z iztopów promie-

46

IV

niotwórczych, neutrony lub inne promieniowanie korpuskularne. Wzbudzone atomy emitują charakterystyczne dla nich promieniowanie, którego natężenie jest rejestrowane przez detektor. Na tej zasadzie jest oparte wiele metod analitycznych. Analiza aktywacyjna pozwala na oznaczenie śladowych ilości pierwiastków metalicznych na powierzchni lub w cienkowarstwowych próbkach. Metoda jest stosowana np. do oznaczania pierwiastków metalicznych w olejach podczas detekcji stanów przedawaryjnych (patrz p. 23). Kolorymetria jest to grupa metod ilościowej analizy instrumentalnej, w której stężenie substancji określa się na podstawie natężenia barwy związków chemicznych, niekiedy uzyskanych z oznaczanej substancji na drodze przemian chemicznych. Zasada pomiaru polega na ogół na ustaleniu takiej grubości warstwy roztworu wzorcowego, dla której natężenie barwy jest identyczne jak natężenie barwy roztworu badanego. Pomiar natężenia barwy jest dokonywany wzrokowo lub przy użyciu fotokomórki. Kolorymetry, w których długość fali światła może być dowolnie zmieniana (najczęściej od bliskiego ultrafioletu do bliskiej podczerwieni), są nazywane spektrofotokolorymetrami. Metody kolorymetryczne są stosowane do oznaczania zawartości pierwiastków i substancji organicznych. Znalazły one szerokie zastosowanie w badaniach produktów naftowych i innych cieczy eksploatacyjnych (dodatki, zanieczyszczenia, indywidualne składniki). Polarografia jest to grupa metod analizy instrumentalnej oparta na rejestracji zmian natężenia prądu płynącego przez naczynie elektrolityczne, w zależności od napięcia przyłożonego do układu elektrod, podczas redukcji lub utleniania składników substancji na kroplowej elektrodzie rtęciowej lub elektrodach stałych. Przyrządy stosowane w analizie polarograficznej są nazywane polarografami. Polarografia jest stosowana do oznaczania śladowych ilości pierwiastków i związków chemicznych oraz badania kinetyki reakcji chemicznych. W badaniach produktów naftowych techniki polarograficzne są stosowane do oznaczania różnych rodzajów związków siarki, azotu, tlenu itp., oznaczania pierwiastków wchodzących w skład dodatków, pierwiastków w stężeniach śladowych.

4.22 Zanieczyszczenia stałe Ciecze eksploatacyjne mogą zawierać zanieczyszczenia stałe stanowiące odrębną fazę, zwaną również ciałami stałymi obcymi, a potocznie zanieczyszczeniami mechanicznymi. Przyjmuje się, że cząsteczki zanieczyszczeń stałych mają średnice większe od

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości... TABELA 4.9 Źródła zanieczyszczeń stałych Zanieczyszczenia stałe

Zanieczyszczenia wewnętrzne

Zanieczyszczenia zewnętrzne

Z procesu technologicznego

Powstające w cieczy eksploatacyjnej

Produkty korozji i zużywania części maszyn

Zanieczyszczenia atmosferyczne i pochodzące z opakowań

– pozostałości katalizatorów, – produkty korozji i zużywania instalacji przemysłowych, – zanieczyszczenia pochodzące z surowców.

– produkty rozkładu składników powstające w procesach ich wytwarzania, – produkty przemian chemicznych powstające w eksploatacji.

– produkty zużywania układu: ścier, materiały uszczelnień, produkty korozji, składniki lakierów i materiałów filtracyjnych, – zanieczyszczenia biologiczne.

– pyły atmosferyczne, – materiały pochodzące z opakowań, – składniki cieczy obcych, – składniki wyrobów.

0,1 mikrometra. Są one zawieszone w całej objętości produktu lub osadzone na dnie zbiornika lub armatury. Pod wpływem mieszania produktu lub ruchów konwekcyjnych, osadzone zanieczyszczenia stałe mogą zostać ponownie zdyspergowane i zawieszone w produkcie. Zanieczyszczeniom stałym często towarzyszy wolna lub zdyspergowana woda, która jednak jest traktowana jako odrębne zanieczyszczenie. Zanieczyszczenia stałe (ciała stałe obce, zanieczyszczenia mechaniczne) – jest to odrębna faza stała zdyspergowana w produkcie lub łatwo przechodząca w taki stan, pod wpływem czynników zewnętrznych. W niniejszym opracowaniu jest stosowane pojęcie zanieczyszczenia stałe. 4.22.1 Źródła zanieczyszczeń stałych Źródła zanieczyszczeń stałych są wielorakie. Syntetycznie sklasyfikowano je w tabeli 4.9. Zanieczyszczenia wewnętrzne są to produkty pochodzące z surowców stosowanych w procesach produkcji, np. z ropy naftowej oraz jako produkty stosowanych procesów technologicznych, np. nie oddzielone cząstki katalizatorów, produkty korozji armatury itp. Do zanieczyszczeń wewnętrznych są zaliczane także cząstki powstające z niestabilnych składników surowców i gotowego produktu w procesie produkcyjnym, podczas transportu i użytkowania. Zanieczyszczenia zewnętrzne są to najczęściej produkty korozji zbiorników i armatury, stosowanych podczas dystrybucji oraz powstające w procesie użytkowania produkty korozji i zużywania powierzchni skojarzeń trących. Zanieczyszczenia stałe mogą różnić się znacznie między sobą. Ich podziału można dokonać według różnych kryteriów: q wielkości (średnic) cząstek, q natury chemicznej: nieorganiczne, organiczne, q twardości, q reaktywności chemicznej, q kształtu, q rozpuszczalności w cieczy eksploatacyjnej, q charakteru elektrycznego. Przy opisie zjawiska zanieczyszczania cieczy eksploatacyjnych są stosowane następujące pojęcia: q średnica zastępcza cząstki zanieczyszczenia, q zawartość zanieczyszczeń, q skład granulometryczny zanieczyszczeń, q klasa (poziom) czystości cieczy.

4.22.2 Pojęcie średnicy cząstki Cząstki zanieczyszczeń stałych mają bardzo zróżnicowane kształty. W wielu przypadkach zachodzi potrzeba zdefiniowania średnicy cząstki zanieczyszczenia, np. w procesach: oczyszczania, odstawania, filtracji, wirowania, oceny stanu czystości i precyzowania wymagań w zakresie czystości oraz podczas doboru filtrów. Opracowano wiele definicji średnic cząstek zanieczyszczeń, dostosowując je do możliwości technicznych aparatury pomiarowej oraz potrzeb wynikających z mechanizmów stosowanych w procesach oczyszczania. Podane dalej przykłady definicji średnic cząstek są najczęściej stosowane podczas kontroli czystości cieczy eksploatacyjnych i w procesach oczyszczania. Ponieważ jednoznaczne określenie średnicy cząstki nie jest możliwe, średnica cząstki definiowana jednym z dalej podanych sposobów jest nazywana średnicą zastępczą.

Definicja 1 Średnica zastępcza cząstki, D1, jest to średnica kuli o objętości równej objętości cząstki. Definicja 2 Średnica zastępcza cząstki, D2, jest to średnica koła o powierzchni równej powierzchni projekcyjnej cząstki, z uwzględnieniem powierzchni porów wewnętrznych. Definicja 3 Średnica zastępcza cząstki, D3, jest to średnica koła o powierzchni równej powierzchni projekcyjnej cząstki, bez uwzględnienia powierzchni porów wewnętrznych. Definicja 4 Średnica zastępcza cząstki,D4, jest to średnica koła równa długości rzutu cząstki na oś pionową lub na oś poziomą (średnica Feretsa). Definicja 5 Średnica zastępcza cząstki, D5, jest to średnica koła stanowiąca sumę długości rzutu cząstki i jej wewnętrznych porów na oś pionową. Definicja 6 Średnica zastępcza cząstki, D6, jest to średnica koła równa największemu wymiarowi poziomemu cząstki. Definicja 7 Średnica zastępcza cząstki, D7, jest to średnica koła równa największemu z czterech wymiarów projekcyjnych cząstki na cztery osie, ustawione względem siebie pod kątem 45 0.

IV

47

Rys. 4.78 Aparat filtracyjny do pobierania próbek zanieczyszczeń w warunkach laboratoryjnych 1 – badana ciecz, 2 – odfiltrowane zanieczyszczenia, 3 – filtr membranowy, 4 – podkładka filtra, 5 – przefiltrowana ciecz

Rys. 4.77 Porównanie średnic zastępczych przykładowej cząstki zanieczyszczenia, wg różnych definicji zastępczej średnicy cząstki

Definicja 8 Średnica zastępcza cząstki, D8, jest to średnica koła równa największemu wymiarowi projekcyjnemu cząstki. W celu zilustrowania zależności między zastępczymi średnicami tej samej cząstki, na rys. 4.77 przedstawiono graficzne porównanie tych średnic przykładowo wybranej cząstki. Tylko w przypadku cząstki o kształcie kuli, wartość średnicy zastępczej będzie taka sama niezależnie od przyjętej definicji. Średnica zastępcza cząstki zanieczyszczenia najczęściej jest podawana w mikrometrach [µm], zawartość cząstek w sztukach w 100 cm3 [szt/100 cm3] lub w sztukach w 1 cm3 [szt/cm3]. Biorąc pod uwagę przedstawiony przykład, w rozważaniach dotyczących zanieczyszczeń stałych, w przypadkach gdy średnice cząstek odgrywają istotną rolę, należy jednoznacznie definiować zastępczą średnicę cząstki. Ma to w szczególności znaczenie np. przy zastosowaniu różnych metod pomiaru średnic cząstek, w celu ustalenia tzw. składu granulometrycznego zanieczyszczeń oraz dla oceny jakości filtrów. Pomimo stosowania różnych środków ostrożności, mających na celu zachowanie dużej czystości cieczy eksploatacyjnej, może ona ulec zanieczyszczaniu cząstkami stałymi różnego pochodzenia. W niektórych typach układów (np. hydraulicznych) może być konieczne kontrolowanie cieczy pod względem zawartości zanieczyszczeń stałych. Przy tego typu kontroli procedura pobierania próbek nabiera większego znaczenia niż w przypadku innych badań kontrolnych. Konieczne jest przestrzeganie znormalizowanego sposobu pobierania próbek czystości pojemników na próbki oraz sposobu postępowania z próbką. 4.22.3 Zawartość zanieczyszczeń Podstawową wielkością charakteryzującą stan czystości cieczy jest zawartość zanieczyszczeń stałych. Zawartość zanieczyszczeń – jest to masowy lub objętościowy udział zanieczyszczeń, o średnicach zastępczych wynikających z zastosowanej metody pomiaru, zawartych w jednostce masy lub objętości cieczy. Istnieje wiele metod oznaczania zawartości zanieczyszczeń stałych w cieczach eksploatacyjnych. Laboratoryjne metody o dużej dokładności, najczęściej polegają na odfiltrowaniu zanieczyszczeń z określonej objętości cieczy na uprzednio zważonym sączku o określonej nominalnej średnicy porów. Odfiltrowane zanieczyszczenia są przemywane rozpuszczalnikiem, suszone i ważone. Typowe urządzenie filtracyjne, do wydzielania zanieczyszczeń stałych, przedstawia rys. 4.78.

48

IV

W zależności od zastosowanej metody pomiaru, jako zanieczyszczenia stałe mogą być uznane cząstki o średnicach zastępczych większych od określonej. Średnica cząstki do tego typu badań, najczęściej jest definiowana nominalną średnicą porów sączka, na którym są wydzielane zanieczyszczenia. W systemach oceny jakości, w zależności od wymagań urządzenia, do którego ciecz jest przewidziana, jako graniczne stosuje się średnice nominalne porów sączków: 0,2; 0,45; 0,8; 1,2; 5; 10 µm. Stosowane są również sączki o innych średnicach nominalnych. Sączki membranowe są produkowane z różnych materiałów odpornych na działanie cieczy eksploatacyjnych, o różnym składzie chemicznym. Do badań czystości produktów naftowych są stosowane sączki wykonane z nitrocelulozy. W przypadku wykonywania badań czystości cieczy w rurociągach przesyłowych lub w układach hydraulicznych, badana ciecz jest pobierana bezpośrednio przez bocznik, przy użyciu specjalnego urządzenia do pobierania próbek zanieczyszczeń (rys. 4.79). Ciecz przepływająca w rurociągu (najczęściej paliwo) jest pobierana poprzez specjalny bocznik 2, do którego szybkozłączem jest przyłączone urządzenie umożliwiające pobranie próbki. ZasadniRys. 4.79 Zasada pobierania próbek zanieczyszczeń z rurociągu 1 – ciecz przepływająca przez rurociąg, 2 – bocznik do pobierania próbek cieczy do badań, 3 – monitorek (rys. 4.80), 4 – pompka powietrzna do usuwania cieczy z monitorka, 5 – bocznik do przepłukiwania układu, 6 – zbiornik pomiarowy na przefiltrowaną ciecz

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości...

Rys. 4.80 Monitorek do pobierania próbek zanieczyszczeń 1 – pokrywka, 2 – jeden lub dwa filtry membranowe, 3 – podkładka filtra, 4 – podstawka

czą częścią urządzenia jest tzw. monitorek 3, zawierający sączek membranowy. Budowę monitorka przedstawia rys. 4.80. Paliwo lotnicze jest filtrowane przez dwa sączki membranowe 2, położone bezpośrednio jeden na drugim. Sączek górny jest sączkiem pomiarowym, a dolny kontrolnym. Sączek kontrolny jest przeznaczony do skorygowania wyniku oznaczania, gdy na sączku wierzchnim zostaną zaadsorbowane żywice zawarte w paliwie. Po przefiltrowaniu określonej objętości cieczy (najczęściej 1 litr), ciecz z aparatu jest usuwana ręczną pompką 4, monitorek wyjmowany i przesyłany do laboratorium, w celu wykonania dalszych badań tak jak w metodzie laboratoryjnej. W przypadku olejów hydraulicznych i niektórych innych cieczy eksploatacyjnych zawartość zanieczyszczeń stałych jest badana na jednym sączku membranowym. Zawartość zanieczyszczeń stałych w paliwach lotniczych, cieczach hydraulicznych i innych cieczach eksploatacyjnych, w stosunku do których jest wymagana kontrola czystości w warunkach eksploatacyjnych (polowych), jest oznaczana metodą kolorymetryczną. Zasada metody polega na odfiltrowaniu na sączku membranowym o określonej nominalnej średnicy porów, określonej objętości badanej cieczy (np.: paliwa lotnicze – 5 litrów, ciecze hydrauliczne – 1 litr) w urządzeniu do polowego pobierania próbek zanieczyszczeń (rys. 4.81). Wygląd sączka z odfiltrowanymi zanieczyszczeniami jest porównywalny ze skalą wzorców barwnych. Metoda ta również jest stosowana do przybliżonej oceny składu granulometrycznego zanieczyszczeń. W tym przypadku skala wzorców ma naniesione cząstki zanieczyszczeń. Inną, powszechnie stosowaną metodą oznaczania zawartości zanieczyszczeń stałych w cieczach eksploatacyjnych, jest tzw. metoda wirówkowa. Zasada metody polega na odwirowaniu w wirówce zanieczyszczeń z określonej objętości cieczy (100 ml lub 50 ml). Ciecz jest umieszczana w wyskalowanej probówce o stożkowym dnie (rys. 4.81), a następnie wirowana przez 10 minut z prędkością 1500 obr/min. Zawartość zanieczyszczeń w %(V/ V) jest odczytywana na podziałce skali umieszczonej na probówce. W tej metodzie równocześnie jest oznaczana zawartość wody, wyrażona w %(V/V). Metoda wirówkowa jest przeznaczona do cieczy, w których zawartość zanieczyszczeń stałych lub wody jest większa od 0,1 %(V/V). W przypadku olejów smarnych o dużej lepkości jest stosowana metoda analogiczna, polegająca na odwirowaniu zanieczyszczeń stałych zawartych w 10 ml oleju, który jest rozpuszczony w 90 ml nafty lub 90 ml toluenu. Wynik podaje się z uzupełniającym określeniem: zawartość zanieczyszczeń stałych, odpowiednio nie rozpuszczalnych w nafcie lub toluenie. W dokumentacji technicznej w języku angielskim, oznaczona w ten sposób zawartość zanieczyszczeń jest określana jako: precipitation number.

Rys. 4.81 Probówka do oznaczania zawartości zanieczyszczeń mechanicznych i wolnej wody metodą wirówkową A – probówka z wydzielonymi zanieczyszczeniami, B – Probówka z zanieczyszczeniami i wodą, 1 – odwirowane zanieczyszczenia mechaniczne, 2 – odwirowana woda, 3 – badany olej

Zawartość zanieczyszczeń stałych jest podawana w [%(m/m)] lub w [%(V/V)] lub w [mg/dm3]. 4.22.4 Skład granulometryczny Zanieczyszczenia stałe podlegają prawom wielkich liczb. Z tego względu, do ich opisu mogą być do zastosowane pewne modele matematyczne oparte na prawach statystyki. Na tych zasadach jest określone pojęcie zwane składem granulometrycznym. Skład granulometryczny – jest to zależność między średnicą cząstek, a liczbą lub udziałem cząstek przypadających na określony przedział średnic. Przykład składu granulometrycznego zanieczyszczeń stałych przedstawiono na rys. 4.82A. Rys. przedstawia procentowy udział cząstek dla przedziałów średnic cząstek Dn … Dn+1. Przykładowo z tego rys. można odczytać, że udział liczby cząstek w przedziale średnic 6 … 8 mikrometrów, w stosunku do ogólnej liczby cząstek wynosi 15%. W rozważaniach statystycznych zależność przedstawiona na rys. 4.82A, jest nazywana gęstością rozkładu statystycznego. Sumując udziały cząstek tak, aby powstała zależność między średnicą cząstki D a udziałem cząstek o średnicach większych od D, otrzymuje się zależność w statystyce zwaną dystrybuantą rozkładu statystycznego, przedstawioną na rys. 4.82B. Z zależności tej można odczytać jaki jest udział cząstek o średnicach mniejszych od D, a znając ogólną liczbę cząstek również liczbę cząstek o średnicach większych od D. Do opisu zależności statystycznych między średnicą cząstki a liczbą cząstek, zawartych w jednostce objętości cieczy, opracowano kilka modeli statystycznych, z których najczęściej jest sto-

IV

49

TABELA 4.10 Klasy czystości według NAS 1638 – liczba cząstek w 100 cm3 cieczy Klasa czystości

Liczba cząstek o średnicach z przedziału wymiarowego, mikrometry 5 ... 15

15 ... 25

25 ... 50

50 ... 100

>100

00

125

22

4

1

0

0

250

44

8

2

0

1

500

89

16

3

1

2

1 000

178

32

6

1

3

2 000

356

63

11

2

4

4 000

712

126

22

4

5

8 000

1 425

253

45

8

6

16 000

2 850

506

90

16

7

32 000

5 700

1 012

180

32

8

64 000

11 400

2 025

360

64

9

128 000

22 800

4 050

720

128

10

256 000

45 600

8 100

1 440

256

11

512 000

91 200

16 200

2 880

512

12

1 024 000

182 400

32 400

5 760

1 024

czeń cząstek zanieczyszczeń o średnicach większych od dowolnych dwóch wymiarów (np. 5 i 15 µm), można wyznaczyć liczbę cząstek o średnicach większych od dowolnego wymiaru. Praktyczne zastosowanie tej zależności pozwoliło na opracowanie kryteriów czystości uwzględniających liczbę cząstek o określonych średnicach. 4.22.5 Klasy czystości cieczy eksploatacyjnych Rys. 4.82 Skład granulometryczny zanieczyszczeń mechanicznych A – gęstość rozkładu statystycznego, B – dystrybuanta rozkładu statystycznego.

Rys. 4.83 Zależność między liczbą cząstek N większych od średnicy D i średnicą cząstki D, w układzie współrzędnych lg2D – lgN

sowany tzw. rozkład logarytmiczno-normalny. W tym rozkładzie, wykres zależności liczby cząstek N o średnicach większych od średnicy cząstki D, przypadających na jednostkę objętości cieczy, w układzie współrzędnych lg2 D – lgN jest linią prostą, co ilustruje rys. 4.83. Posługując się tego typu wykresem, na podstawie zli-

50

IV

Na podstawie przedstawionych zależności, dla składu granulometrycznego zostały opracowane kryteria czystości cieczy eksploatacyjnych. Stosowane są dwa podstawowe systemy, wg norm: q NAS 1638, q ISO 4406. Specyfikacja wg NAS 1638 określa 14 klas czystości, w zależności od liczby cząstek o średnicach zastępczych z określonych przedziałów wymiarowych. Klasyfikację tę przedstawiono w tabeli 4.10. Poziomy czystości cieczy wg ISO 4406 są określane przez dwie lub trzy liczby (w zależności od definicji średnicy zastępczej cząstki związanej z metodą oznaczania: mikroskopową lub automatyczną) odpowiadające: q liczbie cząsteczek o średnicach powyżej 5 µm w 1 ml cieczy, q liczbie cząsteczek o średnicach powyżej 15 µm w 1 ml cieczy, lub q liczbie cząsteczek o średnicach powyżej 4 µm(c) w 1 ml cieczy, q liczbie cząsteczek o średnicach powyżej 6 µm(c) w 1 ml cieczy, q liczbie cząsteczek o średnicach powyżej 14 µm(c) w 1 ml cieczy. Przy czym skala poziomów czystości 5 i 15 µm odnosi się do metody mikroskopowej, a skala: 4, 6, 14 µm (c) do metody automatycznej. Przykładowo, poziom czystości 18/13 oznacza, że w 1 ml cieczy znajduje się 13 000 … 25 000 (13.103 … 25.103) cząstek zanieczyszczeń o średnicach większych od 5 µm oraz 40 … 80 cząstek zanieczyszczeń o średnicach większych od 15 µm, oznaczanych metodą mikroskopową wg ISO 4407. Poziom czystości 12/8/3 oznacza, że w 1 ml cieczy znajduje się 2 000... 4 000 cząstek zanieczyszczeń o średnicach większych od 4 µm, 13 … 25 cząstek zanieczyszczeń o średnicach większych od 6 µm oraz 0,04 … 0,08 cząstek zanieczyszczeń o średnicach większych od 14 µm, oznaczanych metodą opartą opartych na pomiarze kontrastu optycznego wg ISO 11500. Przyjmuje się, że wyniki zliczeń metodą mikroskopową (m) odpowiadają wynikom zliczeń metodą automatyczną, w następujący sposób:

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości... TABELA 4.11 Przypisanie liczby cząstek zanieczyszczeń stałych do numeru skali wg ISO 4406 Liczba cząstek zanieczyszczeń stałych w 1 mililitrze cieczy, więcej od

Numer skali

2 500 000

> 28

1 300 000

28

640 000

27

320 000

26

160 000

25

80 000

24

40 000

23

20 000

22

10 000

21

5 000

20

2 500

19

1 300

18

640

17

320

16

160

15

80

14

40

13

20

12

10

11

5

10

2,5

9

1,3

8

0,64

7

0,32

6

0,16

5

0,08

4

0,04

3

0,02

2

0,01

1

0,00

0

Rys. 4.84 Sposób wyznaczania poziomu czystości wg ISO 4406, na podstawie pomiaru składu granulometrycznego

5 µm(m) ≈ 6 µm(c) 15 µm(m) ≈ 14 µm(c) W tabeli 4.11 przedstawiono zasady przypisywania poziomu czystości wg ISO 4406, na podstawie obu omówionych metod zliczania cząstek. Do tego celu można również posługiwać się siatką wg ISO 4406 (rys. 4.84). Na wykresie tym naniesiono dane z podanego przykładu, dotyczącego wyników zliczeń metoda mikroskopową. Przykładowo, łącząc linią prostą punkty odpowiadające liczbie cząstek o średnicach większych od 5 i 15 µm; na podstawie tej siatki, można z dobrym przybliżeniem odczytać liczbę cząstek o średnicach większych od dowolnie wybranej z przedziału wymiarowego 5 … 15 µm. Analogicznie postępuje się w przypadku poziomów czystości oznaczanych metodą automatyczną. Zasady opracowania wyników pomiarów składu granulometrycznego wg ISO 4406, znormalizowano w normie ISO 3938. Stosowane są również inne systemy oceny stanu czystości cieczy według norm: MIL STD 1246 A, SAE-791, GOST 17216-71. Istnieją zależności pozwalające na przeliczanie z jednego systemu na inne. Opierając się na założeniach przyjętych w normach ISO, przy znanej zawartości zanieczyszczeń można wyznaczyć przybliżoną liczbę cząstek zanieczyszczeń o dowolnych średnicach, większych od określonej średnicy D. Metodę ilustruje diagram przedstawiony na rys. 4.85.

Rys. 4.85 Nomogram umożliwiający wzajemne przeliczanie zawartości zanieczyszczeń mechanicznych na skład granulometryczny

Na rysunku tym przykładowo wyznaczono liczbę cząstek o średnicach większych od 50 µm, dla przypadku cieczy zawierającej 20 mg zanieczyszczeń w 100 ml. Wynosi ona 35 szt/100 ml.

IV

51

4.22.6 Metody oznaczania składu granulometrycznego W metodach oznaczania składu granulometrycznego można wydzielić trzy zasadnicze grupy, oparte na odrębnych zasadach: q metody mikroskopowe, ręczne i automatyczne, q metody automatyczne przy użyciu specjalnych liczników cząstek, q metody oparte na zjawisku kolmatacji. W każdej z tych grup istnieje wiele odmian różniących się rozwiązaniami konstrukcyjnymi aparatury i przyjętymi definicjami zastępczej średnicy cząstki zanieczyszczenia. Metody mikroskopowe polegają na przefiltrowaniu określonej objętości badanej cieczy przez filtr membranowy, o określonej nominalnej średnicy porów. Do tego celu najczęściej jest stosowany filtr membranowy z naniesioną kratką, ułatwiającą wybór pól do zliczania. Filtracja cieczy może być wykonana z zastosowaniem aparatu przedstawionego na rys. 4.79, lub przy użyciu monitorka wg rys. 4.81 aparatem przedstawionym na rys. 4.80. W przypadku cieczy, od których jest wymagana bardzo duża czystość, są stosowane aparaty zabezpieczające przed zanieczyszczeniami pochodzącymi z otoczenia. Przykład takiego aparatu przedstawia rys. 4.86. W aparacie tym zabezpieczenie przed zanieczyszczeniami z otoczenia stanowią monitorki 4, zawierające filtry membranowe o średnicy porów mniejszej od najmniejszej średnicy, dla której są zliczane cząstki. Po przefiltrowaniu określonej objętości cieczy, filtr z zanieczyszczeniami 6 jest przemywany i suszony. Cząstki są zliczane pod mikroskopem, którego okular jest wyposażony w specjalną podziałkę. W większości przypadków, w metodzie mikroskopowej podczas zliczeń są stosowane definicje średnicy cząstki: D6 i D8.

Rys. 4.86 Aparat do pobierania próbek zanieczyszczeń do mikroskopowej metody oznaczania składu granulometrycznego 1 – silnik mieszadła magnetycznego, 2 – magnes stanowiący mieszadełko, 3 – badana ciecz z zanieczyszczeniami, 4 – monitorek z filtrem zabezpieczającym przed zanieczyszczeniami atmosferycznymi, 5 – lejek z odmierzoną ilością badanej cieczy, 6 – filterek membranowy, 7 – kolba ssawkowa

52

IV

Rys. 4.87 Zasada pomiaru składu granulometrycznego licznikiem cząstek, opartym na kontraście elektrycznym A – budowa celki pomiarowej; B – szczelina z przepływającą cząstką 1 – zbiornik kompensacyjny, 2 – zaworek odpowietrzający, 3 – obudowa elektrody, 4,5 – elektrody, 6 – rejestrator

Do oznaczania składu granulometrycznego są stosowane również mikroskopowe metody automatyczne (skaningowe). W metodach tych, sączek z pobraną próbką zanieczyszczeń jest nawilżany cieczą, powodującą że stanie się on przezroczysty. Tak spreparowany sączek jest umieszczany pod obiektywem mikroskopu wyposażonego w kamerę telewizyjną, połączoną z analizatorem komputerowym. Obraz z zanieczyszczeniami jest analizowany, a wynik pomiaru podawany jako liczba cząstek definiowanych średnicami zastępczymi: D1, D3, D4, D5, D6, D7, D8. Pomiary z użyciem mikroskopu mogą być przetwarzane na wiele sposobów. Metodą tą można odrębnie zliczać cząstki o określonych kształtach, np. włókienka, lub cząstki o określonej barwie np. metaliczne itp. Inna grupa metod oznaczania składu granulometrycznego posługuje się tzw. licznikami cząstek. Istnieją trzy rodzaje tego typu aparatów, o odmiennej zasadzie działania: q oparta na pomiarze kontrastu elektrycznego, przeznaczona do cieczy będących elektrolitami. q oparta na pomiarze kontrastu optycznego, przeznaczona do dowolnych cieczy o małej lepkości, w tym do produktów naftowych, q metody oparte o zjawisko kolmatacji. Schemat pomiarowej części automatycznych liczników cząstek opartych na pomiarze kontrastu elektrycznego, przedstawiono na rys. 4.87. Ciecz, której skład granulometryczny zanieczyszczeń stałych jest badany musi przewodzić prąd elektryczny. Aparat ma dwie elektrody 4 i 5, z których jedna jest umieszczana w badanej próbce a druga w specjalnym zbiorniku 3. Do elektrod jest przyłożone stałe napięcie. Próbka i ciecz w zbiorniku 3 są oddzielone przegrodą z okienkiem (rys, 4.87B). Gdy okienko jest odsłonięte natężenie przepływającego prądu elektrycznego jest stałe. W momencie przepływania przez okienko cząstki zanieczyszczenia napięcie spada, co jest rejestrowane jako impuls elektryczny. Wielkość tego impulsu jest proporcjonalna do średnicy cząstki, wg definicji D1. Impulsy są podawane na bramkę elektryczną, połączoną z komputerem 6, która je segreguje i zlicza wg wielkości proporcjonalnych do średnic cząstek. Istnieje możliwość kalibrowania tego typu liczników pyłami wzorcowymi, dla których definicje średnic są inne niż D1. Zasadniczym elementem automatycznych liczników cząstek opartych na pomiarze kontrastu optycznego (fotoelektrycznych) jest czujnik pomiarowy, którego zasadę działania przedstawia rys. 4.88. Działa on na zasadzie kontrastu optycznego (przesłanianie źródła światła). Badana ciecz przepływa przez szczelinę pomiarową (rys. 4.88A). Po jednej stronie szczeliny jest zamontowana lampa a po drugiej fotodioda (rys. 4.88B). Strumień światła przechodzi przez strefę pomiaru, prostopadle do kierunku przepływu badanej cieczy i pada na okno fotodiody. Sygnał z fotodiody jest

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości...

Rys. 4.90 Mechanizm erozji wywoływanej cząstkami twardych zanieczyszczeń

4.22.7 Mechanizmy oddziaływania zanieczyszczeń stałych Rys. 4.88 Zasada pomiaru składu granulometrycznego licznikiem cząstek, opartym na kontraście optycznym A – szczelina pomiarowa, B – zasada pomiaru, 1 – kanał szczeliny pomiarowej, 2 – cząstka zanieczyszczenia, 3 – lampa, 4 – fotodioda

podawany do wzmacniacza. Gdy w świetle okna brak jest cząstek, na fotodiodzie wytwarzany jest sygnał o stałym napięciu. Cząstka zanieczyszczenia przechodząc przez strefę pomiarową, częściowo przesłania wiązkę światła. W tym momencie sygnał z fotodiody jest mniejszy od szczytowego, proporcjonalnie do powierzchni przesłoniętego strumienia światła. Impulsy napięcia, podawanego na wzmacniacz, odpowiadają zastępczym średnicom cząstek wg definicji D3. Są one szeregowane w układzie wielobramkowym lub progowym. W ten sposób uzyskuje się skład granulometryczny, czyli liczbę cząstek o średnicach projekcyjnych, przypadających na określone przedziały wymiarowe (jak na rys. 4.82A) lub większych od określonych wymiarów (jak na rys 4.88B). Metody kolmatacyjne są oparte na zjawisku zatrzymywania w ośrodku porowatym (filtrze) lub na szczelinie zawiesiny cząstek, znajdujących się w cieczy przepływającej przez ten ośrodek lub szczelinę. Zasada działania kolmatomierza jest oparta na zależnościach między różnicą ciśnienia cieczy na szczelinie, natężeniem przepływu i zawartością cząstek o wymiarach większych od wymiaru szczeliny. Wymiary szczeliny są regulowane tak, aby ocenić liczbę cząstek o średnicach większych od uznanego za szkodliwe dla urządzenia. Kolmatomierze są szczególnie przydatne do montowania w przewodach. Najczęściej są stosowane w precyzyjnych układach hydraulicznych, gdzie jest wymagana ciągła kontrola stanu czystości cieczy hydraulicznej.

Rys. 4.89 Mechanizm szlifowania powierzchni przez przepływające cząstki zanieczyszczeń, o wymiarach zbliżonych do luzów technologicznych

Zużycie materiałów konstrukcyjnych skojarzeń trących wywoływane obecnością zanieczyszczeń stałych w cieczach eksploatacyjnych, wynika z następujących mechanizmów: q zużycie ścierne, q erozja, q zużycie na skutek kontaktów powierzchniowych, q zużycie zmęczeniowe materiału, q zużycie kawitacyjne, q zużycie korozyjne. Zużycie ścierne jest powodowane przez cząstki o wymiarach zbliżonych do wielkości luzów technologicznych pomiędzy współpracującymi powierzchniami. Powstają bruzdy i wyżłobienia na powierzchniach, wzrastają luzy i naprężenia zmęczeniowe w obciążonych częściach. Zużycie ścierne jest również wywoływane cząstkami mniejszymi od wielkości luzów technologicznych (rys. 4.89). Erozja materiału występuje w przypadku dużej prędkości strumienia cieczy. W takich układach cząstki zanieczyszczeń zawieszone w cieczy podlegają znaczącym przyśpieszeniom. Energia kinetyczna tych cząstek (pomimo ich małej masy) może być znaczna, osiągają one bowiem prędkości do 120 m/s. Uderzenia cząstek w powierzchnie materiału powoduje wyrwanie jego fragmentów. Mechanizm erozji ilustruje rys. 4.90. Zużycie na skutek kontaktów powierzchniowych występuje podczas długotrwałej współpracy powierzchni skojarzeń trących, rozdzielonych zanieczyszczonym środkiem smarnym (rys. 4.90). Podczas prawidłowej eksploatacji współpracujące powierzchnie są oddzielone filmem olejowym. W przypadku przerwania filmu smarującego, występuje zjawisko tarcia granicznego lub suchego. Dochodzi wówczas do bezpośredniego kontaktu powierzchni skojarzeń trących z cząstkami zanieczyszczeń stałych. Cząstki zanieczyszczeń zawarte w cieczy eksploatacyjnej intensyfikują ten proces. W takiej sytuacji może dochodzić do przyśpieszonego zużycia, mikrozespawań, a w skrajnym przypadku do zatarcia. Zużycie zmęczeniowe materiału występuje głównie w łożyskach ślizgowych wówczas, gdy twarde cząstki przedostają się między współpracujące powierzchnie. Wywierane naciski powodują naruszenie struktury materiału, a następnie wypadanie jego fragmentów. Mechanizm zużycia zmęczeniowego przedstawiono na rys. 4.91. Zużycie kawitacyjne ma miejsce m w przypadku, gdy w układzie występuje zjawisko kawitacji. Obecność cząstek zanieczyszczeń stałych przyśpiesza procesy zużycia. Kawitacja (korozja kawitacyjna) jest to skomplikowane zjawisko, polegające na implozji pęcherzyków gazu w cieczy. Pęcherzyki powstają w układzie w miejscach, gdzie następuje gwałtowne obniżenie ciśnienia. Przemieszczają się one wraz ze

IV

53

Rys. 4.92 Mechanizm zużycia zmęczeniowego A – nacisk na powierzchnię przez cząsteczkę zanieczyszczenia, B – naruszenie struktury materiału, C – wypadanie fragmentów materiału

Rys. 4.91 Mechanizm zużycia wywołany zanieczyszczeniami w wyniku bezpośrednich kontaktów powierzchni

strugą cieczy i gwałtownie zanikają w momencie, gdy ciśnienie wzrasta. Powodem ich pojawiania się mogą być również drgania stałe w układzie. Gwałtowność implozji pęcherzyków powoduje powstawanie fal uderzeniowych, o długości 0,1 … 0,2 µm, które atakują powierzchnię z ogromnymi prędkościami, dochodzącymi do 1 km/s (lokalne wzrosty ciśnienia do dziesiątek tysięcy barów) i wyrywają fragmenty metalu tworząc głębokie wżery kawitacyjne. Oderwane cząstki metalu zanieczyszczają układ. Elementami układów hydraulicznych, najbardziej narażonymi na kawitację są: pompy, dławiki i rozdzielacze. Jednym z najprostszych sposobów zapobiegania kawitacji jest stosowanie specjalnych dodatków uszlachetniających w cieczy, które poprzez modyfikację warstwy przyściennej zapobiegają skutkom implozji. Kawitacja jest powodowana zazwyczaj problemami po stronie ssącej pompy (niskie ciśnienie) i daje o sobie znać głośną pracą układu hydraulicznego. Czasem może być konieczne zmodyfikowanie układu ssania. Głównymi czynnikami sprzyjającymi powstawaniu zjawiska kawitacji, są: q zbyt lepki olej (szczególnie przy rozruchu instalacji pracującej na powietrzu, w niskiej temperaturze), q zanieczyszczenie kosza ssącego, q zaciśnięcie przewodu ssącego, q niewłaściwa zamiana oleju mineralnego na ciecz hydrauliczną trudnopalną. Należy pamiętać, że niektóre ciecze trudnopalne mają gęstość większą niż 1 kg/dm3, znacznie większą od gęstości olejów mineralnych. Podczas przechodzenia z oleju mineralnego na ciecz trudnopalną, celem uniknięcia kawitacji w instalacji, w konstrukcji której tego nie przewidziano od początku, może być konieczna modyfikacja układu ssania (zmiana wysokości ssania, powiększenie średnicy przewodu ssącego, zmniejszenie dławienia na zaworze ssącym). Zużycie korozyjne może być przyśpieszane obecnością zanieczyszczeń stałych, wskutek stałego odsłaniania pasywowanej powierzchni materiału. Korozja jest zjawiskiem elektrochemicznym i zależy od wielu różnych czynników. Pewne związki chemiczne, zawarte w cieczach hydraulicznych mogą być agresywne wobec niektórych metali. W celu przeciwdziałania temu zjawisku, metale konstrukcyjne są dobierane w taki sposób aby w środowisku cieczy eksploatacyjnej ulegały one pasywacji. Zdzieranie przez zanieczyszczenia stałe warstewki pasywacyjnej powoduje korozję kolejnych warstw materiału. Zamulanie jest to proces osadzania się cząstek zanieczyszczeń stałych, o wymiarach 2 … 5 µm, na ogół mniejszych od wielkości luzów technologicznych i porów filtra, w takich miejscach układu, gdzie strumień przepływającej cieczy nie może ich przemieścić. Zamulanie prowadzi do zwiększenia czasu odpowiedzi na sygnał, zmienia charakterystykę dynamiczną układu, częstotliwość (szczególnie w przekaźnikach proporcjo-

54

IV

nalnych) oraz zostaje ograniczony zakres regulacji. Zamulanie może doprowadzić do całkowitego zatkania i unieruchomienia układu. Przeważnie jest to powodowane przez cząstki zanieczyszczeń, o wymiarach zbliżonych do wielkości luzów technologicznych. Proces zamulania postępuje w czasie. Gdy ilość osadu jest duża, może on powodować zużycie krawędzi współpracujących elementów działając na zasadzie materiału szlifierskiego. Mechanizm tego zjawiska przedstawia rys. 4.93. 4.22.8 Skutki obecności zanieczyszczeń W wyniku obecności zanieczyszczeń następuje niszczenie elementów układu: zaworów, pomp, regulatorów i innych precyzyjnych mechanizmów, a także łożysk, przekładni itp. Szczególnie znaczące są uszkodzenia pomp hydraulicznych, regulatorów, wtryskiwaczy, mających bezpośredni kontakt z zanieczyszczoną cieczą eksploatacyjną. Niszczące działanie zanieczyszczeń na części współpracujące z cieczą eksploatacyjną, zależy zarówno od zawartości zanieczyszczeń, ich składu granulometrycznego, jak i twardości. Wpływ zawartości zanieczyszczeń w oleju smarującym łożysko ilustruje przykładowo rys. 4.94, na którym przedstawiono zależność ubytku masy łożyska od zawartości zanieczyszczeń w oleju (wg Timken). Cząstki zanieczyszczeń szlifują bieżnię łożyska, kulki i pierścień uszczelniający. W rezultacie w łożysku powstają luzy, co w efekcie prowadzi do jego uszkodzenia.

Rys. 4.93 Mechanizm działania mikroszlamów na blokowanie i zużycie 1 – miejsca przyśpieszonego zużywania krawędzi, 2 – blokowanie ruchu

Rozdział IV: Podstawowe metody oceny jakości...

Rys 4.94 Wpływ zawartości zanieczyszczeń w oleju smarnym na zużycie łożyska, mierzone ubytkiem jego masy, przy jednakowym czasie pracy łożyska 1 – przyśpieszone zużywanie krawędzi, 2 – blokowanie ruchu

Wpływ składu granulometrycznego zanieczyszczeń na trwałość łożyska, na podstawie rezultatów badań Timken, przedstawia rys. 4.95. Wykres na rys. ilustruje wpływ poziomu czystości, wg ISO 4406 na względną trwałość typowego łożyska. Wynika z niego, że aby zapewnić długotrwałą pracę łożyska, powinno ono być smarowane olejem o poziomie czystości do 14/12, a liczba cząstek o średnicach większych niż 5 mikrometrów w mililitrze, nie powinna przekraczać 100 szt. Poziom czystości powyżej tej wartości jest szkodliwy, przyśpiesza proces zużywania łożyska. Stan czystości cieczy eksploatacyjnej ma istotne znaczenie dla niezawodności precyzyjnych układów. W sposób uogólniony ilustruje to wykres przedstawiony na rys. 4.96. Przedstawia on zależność niezawodności od umownego poziomu czystości cieczy. Przyjmując że obszar A prezentuje poziom czystości nominalny, tj. w sposób optymalny dobrany przez producenta, niewielkie odchylenie od poziomu nominalnego (obszar B) już powoduje zmniejszenie niezawodności. Duże odchylenie od poziomu nominalnego (obszar C) powoduje istotne zmniejszenie niezawodności,

Rys. 4.96 Wpływ poziomu zanieczyszczeń w cieczy hydraulicznej na niezawodność układów hydraulicznych A – zakres czystości nominalnej, B – niewielkie odchylenia od czystości nominalnej, nie powodujące istotnych zmian niezawodności układu, C – duże odchylenia od czystości nominalnej, powodujące istotne zmniejszenie niezawodności układu, D – bardzo duże odchylenia od czystości nominalnej, powodujące zróżnicowane zmniejszenie niezawodności układu

TABELA 4.12 Wymagania w zakresie czystości przykładowo wybranych mechanizmów, wg danych różnych producentów Poziom czystości wg ISO 4406

Klasa czystości wg NAS 1638

Serwomechanizmy

< 11/8

+ 120

Obciążenie małe – obciążenie spotykane zazwyczaj w tzw. „lekkoobciążonych” przekładniach z naciskiem na powierzchnię zęba, na ogół poniżej 500 MPa (500 N/mm2) i z maksymalną prędkością poślizgu (Vg) powierzchni zęba, na ogół mniejszą niż 1/3 prędkości obwodowej (V) na okręgu podziałowym, przy współpracy kół zębatych o średnicach tocznych równych średnicom podziałowym. Obciążenie duże – poziom obciążenia spotykany zazwyczaj w tzw. „mocno obciążonych” przekładniach z naciskiem na powierzchnię zęba, na ogół powyżej 500 MPa (500 N/mm2) i z maksymalną prędkością poślizgu (Vg) powierzchni zęba, mogącą przekraczać 1/3 prędkości obwodowej (V) na okręgu podziałowym, przy współpracy kół zębatych o średnicach tocznych, równych średnicom podziałowym. Pełny symbol klasyfikacyjny oleju do przekładni przemysłowych składa się z czterech członów, oznaczających kolejno: q symbol klasyfikacji (ISO), q symbol klasy, q kod literowy środka smarnego, q klasa lepkości wg ISO 3448. Przykładowo, dla oleju mineralnego o podwyższonych właściwościach przeciwzużyciowych i przeciwzatarciowych, odpornego na utlenianie, o dobrych właściwościach przeciwkorozyjnych i przeciwpiennych, klasy lepkościowej VG = 460 wg ISO 3448, przeznaczonego do smarowania zamkniętych przekładni, pracujących w stałej normalnej temperaturze z przedziału: –16°C …+ 70°C i przy dużym obciążeniu, podano poniżej: ISO-

8

VII

L-

CKC

460

W przypadkach przekładni wyprodukowanych w Niemczech do roku 1990, a niekiedy i później, przywoływana jest klasyfikacja wg DIN 51 5021. Norma ta klasyfikuje środki smarne w sposób ogólny, powołując środki smarne do przekładni redukcyjnych, dla których wymagania są zawarte w normie DIN 51 5172, powołująca trzy klasy olejów przekładniowych C (część 1), CL (część 2) oraz CLP (część 3) o wzrastającej jakości. Klasyfikacja lepkościowa olejów przekładniowych wg norm DIN jest identyczna z klasyfikacją ISO VG wg ISO 3448. Normy klasyfikacyjne DIN utraciły znaczenie w związku z ustanowieniem klasyfikacji ISO 6743-6 i aktualnie są stosowane coraz rzadziej. 7.4.3 Klasyfikacje lepkościowe Przy doborze oleju do przekładni przemysłowej istotną właściwością jest jego lepkość. Z tego względu, w symbolu klasyfikacyjnym oleju do przekładni przemysłowych jest podawana klasa lepkościowa oleju. Najczęściej są stosowane klasyfikacje wg ISO 3448 (patrz p. 3) oraz klasyfikacja jakościowo-lepkościowa, wg AGMA (American Gear Manufacturers Association). TABELA 7.6 Odniesienie klasyfikacji lepkościowych AGMA i ISO VG Klasy lepkościowe wg AGMA R&O

EP

1

2

Klasy lepkościowe ISO 3448

41,4 ... 50,6

VG 46

61,2 ... 74,8

VG 68 VG 100

2

2 EP

3

3 EP

90 ... 100

4

4 EP

135 ... 165

VG150

5

5 EP

198 ... 242

VG 220

6

6 EP

288 ... 352

VG 320

7 comp

7 EP

414 ... 506

VG 460

8 comp

8 EP

612 ... 748

VG 680

900 ... 1000

VG 1000

8A comp

1

Lepkość kinematyczna w temp. 400C, mm2/s

DIN 51 502 Schmierstoffe und verwände Stoffe - Kurzbezeichnung der Shmierstoffe und Kennzeichnung der Schmierstoffbehälter, Schmierstellteen. DIN 51 517 Schmierstoffe – Schmierőle C – Mindestanforderungen (Teil 1, 2, 3).

Rozdział VII: Smarowanie przekładni mechanicznych Tabela 7.7 Podstawowe metody typowych badań olejów przekładniowych Lp.

Właściwości

ASTM D

ISO

1

Barwa

1500

2049

2

Gęstość

1298

3675

3

Lepkość kinematyczna w temp. 40°C i 100 °C

445

3104

4

Wskaźnik lepkości

2270

2909

5

Temperatura płynięcia

97

3016

6

Temperatura zapłonu w tyglu otwartym (Cleveland)

92

2592

7

Temperatura palenia (Cleveland)

92

2592

8

Liczba kwasowa

974

6618

9

Stabilność hydrolityczna

2619

–

10

Skłonność do pienienia

892

6247

11

Odporność na emulgowanie z wodą (deemulgowalnoś

1401

6614

12

Działanie korodujące na miedź (3h w temp. 100 °C) (procedura A)

130

2160

13

Działanie korodujące na stal w obecności wody (procedura A i B)

665

7120

14

Odporność na utlenianie olejów smarnych pod maksymalnym obciążenie

2893

–

15

Punkt anilinowy

611

2977

16

Pozostałość po spopieleniu

482

6245

Klasyfikacja AGMA przewiduje 9 klas lepkościowych, w dwóch klasach jakościowych: q R – oleje z inhibitorami rdzewienia i korozji, q O – oleje z inhibitorami utlenienia, q EP lubricants – oleje o właściwościach EP (z dodatkami EP). Wzajemne powiązanie klasyfikacji AGMA i ISO VG przedstawiono w tabeli 7.6.

testy. Podstawowe badania i testy smarnościowe bliżej opisano w p. 4.7. 7.5.2 Kontrola jakości oleju w eksploatacji W małych przekładniach o niedużej mocy, praktycznie nie prowadzi się kontroli jakości oleju, a olej wymienia się zgodnie z zaleceniami producenta przekładni (maszyny). W przypadku dużych wielostopniowych przekładni, o dużym momencie obrotowym i dużej mocy jest zalecany jest nadzór stanu jakościowego oleju oraz stanu technicznego przekładni na podstawie zmian jakościowych oleju. TOTAL opracował specjalny system badań laboratoryjnych służących temu celowi pod nazwą LUBIANA. Założenia tego systemu, przedstawiono w dalszej części opracowania. Użytkownikom przekładni zaleca się zapoznanie się z tym rozdziałem, a w szczególności z podanym w nim przykładem. System ten, w przypadku olejów do przekładni przemysłowych, przewiduje kontrolę następujących parametrów oleju: q wygląd oleju, q zawartość wody, q zawartość nierozpuszczalnych osadów, q lepkość kinematyczną, q liczbę kwasową, q zawartość pierwiastków: P, Zn, Fe, Cu, Al. Pb, Si, Cr, Sn, q analityczny wskaźnik cząstek. Na podstawie wyników przeprowadzonych badań oleju, wnioskuje się o stanie technicznym maszyny oraz konieczności wymiany oleju. System LUBIANA pozwala nie tylko na racjonalne gospodarowanie olejem, ale również na zapobieganie poważnym awariom przekładni. Uczestnictwo użytkowników przekładni w systemie badań laboratoryjnych LUBIANA przynosi określone korzyści ekonomiczne, zwłaszcza w przypadku kosztownych maszyn o długim okresie użytkowania.

7.5 Metody kontroli jakości

7.6 Dobór oleju do przekładni

Jakość olejów przekładniowych jest oceniana na podstawie parametrów stosowanych w systemach kontroli jakości innych olejów przemysłowych. Znormalizowane metody badań rutynowych, najczęściej stosowane w przypadku kontroli jakości świeżych olejów przekładniowych, podano w tabeli 7.7.

W przypadkach zaistnienia konieczności doboru do smarowania przekładni środka smarnego, innego niż dotychczas stosowany, należy kierować się przede wszystkim zaleceniami producenta przekładni. Zazwyczaj producent przekładni podaje podstawowe charakterystyki zalecanego środka smarnego. W aktualnie produkowanych przekładniach jest zazwyczaj podana klasa jakościowa oleju, zgodnie z klasyfikacją ISO 6743-6 oraz klasa lepkościowa wg ISO 3448. W takiej sytuacji, dobór środka smarnego polega na porównaniu wymagań producenta przekładni z danymi katalogowymi środka smarnego. W przypadkach, gdy przekładnia pracuje w ujemnych temperaturach, należy brać pod uwagę również niskotemperaturowe właściwości oleju, a zwłaszcza jego temperaturę płynięcia. Powinna ona być niższa o 5 …10°C od przewidywanej, najniższej temperatury uruchamiania przekładni. Dobór środka smarnego do przekładni przemysłowych, ma istotne znaczenie dla poprawnej pracy przekładni oraz jej trwałości. Zagadnieniu temu poświęcono wiele prac teoretycznych i badań na realnych przekładniach. Przy doborze oleju uwzględniane są następujące czynniki eksploatacyjne oraz konstrukcyjne : q typ przekładni, q prędkość obrotowa, q stopień redukcji, q zakres temperatury pracy, a zwłaszcza temperatura najniższa i najwyższa, q przenoszona moc, q powierzchnia styku zębów, q charakterystyka obciążeń, q sposób sterowania, q sposób smarowania, q zawartość wody w oleju, q możliwość wycieków oleju.

7.5.1 Specyficzne metody badań Właściwości smarne i przeciwzużyciowe olejów do przekładni przemysłowych są kontrolowane metodami stosowanymi do oceny również innych środków smarnych. Należą do nich: q testy realizowane z użyciem maszyny czterokulowej, q testy na maszynie Falex, q testy na maszynie Timken i inne. Testy te szerzej omówiono w p. 4.7. Obok badań typowych, podczas opracowywania składu oraz w systemie kontroli jakości olejów przekładniowych są stosowane metody specyficzne, modelujące warunki pracy przekładni mechanicznych. Należą do nich testy na maszynach, których badawczym skojarzeniem trącym jest para testowych kół zębatych, takie jak: q Test FZG jest jednym z podstawowych testów, stosowanych do oceny właściwości smarnych i przeciwzużyciowych olejów przekładniowych i smarów plastycznych, stosowanych do smarowania przekładni zębatych. q Test L-60 służący do oceny skłonności olejów przekładniowych do wydzielania szlamów i laków, w podwyższonych temperaturach pracy przekładni. Laki i szlamy mogą spowodować przyśpieszone zużywanie powierzchni skojarzeń trących oraz uszkodzenia uszczelnień. W przypadkach środków smarnych przeznaczonych do przekładni pracujących w specyficznych warunkach, do modelowania procesów tarcia i smarowania przekładni są stosowane inne liczne

VII

9

TABELA 7.8 Dobór oleju do czołowych zębatych przekładni otwartych - zalecenia AGMA

Typ przekładni

Klasa oleju wg AGMA, Średnica koła w temperaturze pracy zębatego, przekładni: o najmniejszych obrotach, mm –10 0C ... +10 0C +10 0C ... +50 0C

Jednokrotna redukcja

< 200

2 ... 3

3 ... 4

200 ... 500

2 ... 3

4 ... 5

> 500

3 ... 4

4 ... 5

< 200

2 ... 3

3 ... 4

> 200

3 ... 4

4 ... 5

< 200

2 ... 3

3 ... 4

200 ... 500

3 ... 4

4 ... 5

> 500

4 ... 5

5 ... 6

< 400

2 ... 3

3 ... 4

> 400

3 ... 4

4 ... 5

Dwukrotna redukcja Trzykrotna redukcja Przekładnie planetarne

TABELA 7.9 Dobór oleju do przekładni śrubowych i szybkoobrotowych - zalecenia AGMA

Typ przekładni

Charakterystyka przekładni

Klasa oleju wg AGMA, w temperaturze pracy przekładni: –100C ... +100C +100C ... +500C

Przekładnie o zębach śrubowych

Odległość między osiami < 300 mm

2 ... 3

4 ... 5

Odległość między osiami < 300 mm

3 ... 4

5 ... 6

–

2 ... 3

4 ... 5

Prędkość obrotowa > 3600 obr/min lub Prędkość liniowa > 25 m/s

1

2

Przekładnie silnikowe Wysokoobrotowe przekładnie

TABELA 7.10 Dobór oleju do redukcyjnych, cylindrycznych przekładni ślimakowych - zalecenia AGMA Klasa oleju wg AGMA, w temperaturze pracy przekładni:

Średnica ślimaka, mm

Prędkość obrotowa, min-1, do:

Prędkość obrotowa, min-1, powyżej:

–100C ... + 100C +10 0C ... + 500C

< 150

700

700

7 comp, 7 EP 8 comp, 8 EP

150 ... 300 300 ... 450 450 ... 600 > 600

450

7 comp, 7 EP 8 comp, 8 EP 450

300

7 comp, 7 EP 7 comp, 7 EP

300 250 250 200

< 150 150 ... 300 300 ... 450 450 ... 600 > 600

10

VII

Opracowane przez AGMA zasady doboru środków smarnych do przekładni przemysłowych są oparte na lepkości oleju w temperaturze 40°C (patrz p. 7.4.3) oraz właściwościach przeciwzużyciowych (AW) i przeciwzatarciowych (EP). W tabeli 7.8 podano zalecenia dotyczące doboru oleju do przemysłowych, czołowych, otwartych przekładni zębatych: spiralnych, daszkowych, kątowych i spiralnych, w zależności od zakresu temperatury oleju podczas pracy oraz liczby stopni redukcji i średnicy koła zębatego o najmniejszych obrotach. W tabelach 7.9, 7.10 i 7.11, podano analogiczne zalecenia do przemysłowych przekładni śrubowych i jednostek o dużych prędkościach obrotowych. 7.6.2 Zalecenia TOTAL TOTAL, na podstawie doświadczeń własnych i użytkowników przekładni, opracował własne zalecenia doboru środków smarnych do przekładni przemysłowych, pracujących w zakresie temperatury 45 …90°C. Wymaganą lepkość oleju można obliczyć na podstawie poniższych wzorów: q przedział wartości lepkości względnej oleju w temperaturze 50°C, wyrażonej w stopniach Englera (°E), można obliczyć wg wzoru (7.7):

7 comp, 7 EP 7 comp, 7 EP

14

7 comp, 7 EP 8 comp, 8 EP

V0,42

Prędkość obrotowa, min-1, powyżej:

700 700 450 450 300 300 250 250 200 200

≤ °E ≤

28 V0,42

(7.7)

7 comp, 7 EP 8 comp, 8 EP 7 comp, 7 EP 8 comp, 8 EP

200

Prędkość obrotowa, min-1, do:

7.6.1 Zalecenia AGMA

7 comp, 7 EP 8 comp, 8 EP

w którym:

7 comp, 7 EP 7 comp, 7 EP

TABELA 7.11 Dobór oleju do przekładni redukcyjnych, ślimakowych, globoidalnych - zalecenia AGMA Średnica ślimaka, mm

W większości przypadków producent przekładni podaje w instrukcji eksploatacji wymagania, jakim powinien odpowiadać stosowany środek smarny. Jednak w bardzo wielu przypadkach, zwłaszcza przekładni produkowanych do lat 1960, w instrukcjach eksploatacji były stosowane zapisy dotyczące olejów i smarów plastycznych, których produkcja została dawno zaniechana lub stawiane im wymagania są powiązane z niestosowanymi już metodami oceny jakości. W takich przypadkach, oraz w przypadkach opracowywania nowych konstrukcji przekładni, zachodzi konieczność doboru środka smarnego. Podane dalej reguły i zalecenia nie zawsze gwarantują optymalny wybór. Pozwalają one jedynie na przybliżone określenie podstawowych charakterystyk środka smarnego, który może być zastosowany do smarowania przekładni. W doborze środka smarnego do przekładni przemysłowych coraz częściej są stosowane zalecenia wynikające z normy ISO 6743-6. Równie często są stosowane zalecenia AGMA , jak i producentów olejów przekładniowych. Zalecenia dotyczące doboru olejów do przekładni przemysłowych opracował również TOTAL.

Klasa oleju wg AGMA, w temperaturze pracy przekładni: –100C ... + 100C +10 0C ... + 500C

8 comp

8A comp

8 comp

8 comp

8 comp

8A comp

8 comp

8 comp

8 comp

8A comp

8 comp

8 comp

8 comp

8A comp

8 comp

8 comp

8 comp

8A comp

8 comp

8 comp

V=

DN 60 000

D – średnica podziałowa małego koła przekładni [mm], N – prędkość obrotowa małego koła przekładni[obr/min]. q lepkość kinematyczną n50 oleju w temperaturze 50°C, wyrażoną w mm2/s (cSt), można obliczyć wg wzorów (7.7) lub (7.8) w zależności od maksymalnej temperatury pracy przekładni: – dla temperatury pracy przekładni, wynoszącej 45°C: g50 =

100 V0,4

(7.7)

– dla temperatury pracy przekładni, wynoszącej 90°C: g90 =

200 V0,4

(7.8)

Wymagana lepkość oleju może być również dobrana do przekładni na podstawie danych, przytoczonych w tabelach 7.12 i 7.13 w przypadku przekładni czołowych, oraz w tabelach 7.14 i 7.15

Rozdział VII: Smarowanie przekładni mechanicznych TABELA 7.12 Dobór lepkości oleju do czołowych przekładni redukcyjnych - smarowanie natryskowe - zalecenia TOTAL Prędkość obrotowa koła najbardziej obciążonego, obr/min-1

Stopień redukcji < 10

Moc przenoszona, KM

Temperatura pracy < 5°C

5 ... 30°C

1000 ... 2500

> 2500

< 5°C

5 ... 30°C

> 30°C 450

32 - 46

150 - 220

220 - 320 - 460

68

220

30 ... 100

68

220

460 - 680 - 1000

100 - 150

320

1000

100 ... 1000

100 - 150

320

1000 - 1500

150

460

1000 - 1500

> 1000

300 ... 1000

> 30°C

Klasa lepkości wg ISO 3448 < 30

< 300

Stopień redukcji > 10

460

1000 - 1500

< 30

32

150

220 - 320

1000

1000 - 1500

32

220

220 - 320 - 460

30 ... 100

32 - 46

220

220 - 320 - 460

68

220

460

100 ... 1000

68

220

460 - 680 - 1000

100 - 150

320

460 - 680 - 1000

> 1000

100 - 150

320

1000 - 1500

150

460

1000 - 1500

< 10

22 - 32

46 - 68

150 - 220

32

100 - 150

220 - 320

10 ... 50

32

100 - 150

220 - 320

32 - 46

150 - 220

220 - 320 - 460

> 50

32 - 46

150 - 220

220 - 320 - 460

46 - 68 - 100

220

460 - 680 - 1000

< 10

10 - 15 - 22 - 32

32 - 46 - 68

68 - 100 -150

10 ... 50

32

68 - 100

150 - 220

> 50

32 - 46 - 68

100 - 150 - 220

220 - 320 - 460

Zalecane oleje tych samych klas lepkościowych, co w przypadku stopnia redukcji < 10

TABELA 7.13 Dobór lepkości oleju do czołowych przekładni redukcyjnych - smarowanie obiegowe (cyrkulacyjne) - zalecenia TOTAL Prędkość obrotowa koła najbardziej obciążonego, obr/mi-1

< 300

300 ... 1000

1000 ... 2500

> 2500

Stopień redukcji < 10

Moc przenoszona, KM

Stopień redukcji > 10 Temperatura pracy

< 5°C

5 ... 30°C

> 30°C

< 5°C

5 ... 30°C

> 30°C

32 - 46 - 68

150 - 220

220

Klasa lepkości wg ISO 3448 < 30

32

100 - 150

150 - 220

30 ... 100

32 - 46 - 68

150 - 220

220

68 - 100

220

320

100 ... 1000

68 - 100

220

460

100 - 150

320

460

> 1000

100 - 150

320

460

150

460

460

< 30

15 - 22 - 32

46 - 68

100 - 150

22

100 - 150

150 - 220

30 ... 100

32

100 - 150

150 - 220

32 - 46 - 68

150 - 220

220

100 ... 1000

32 - 68

150 - 220

220

68 - 100

220

320

> 1000

68

220

320

100 - 150

320

460

< 10

10 - 15 - 22

22 - 32

46 - 68

22 - 32

68

100 - 150

10 ... 50

22 - 32

46 - 68

100 - 150

32

100 - 150

150 - 220

50 ... 500

32

100 - 150

150 - 220

32 - 46

150 - 220

220

> 500

32 - 46 - 68

150 - 220

220

46 - 68

220

320

< 10

10 - 15 - 22

22 - 32

32 - 46

10 ... 50

22 - 32

32 - 46

68 - 100 - 150

> 50

32

46 - 68 - 100

150 - 220

Zalecane oleje tych samych klas lepkościowych, co w przypadku stopnia redukcji < 10

Tabela 7.14 Dobór lepkości oleju do hipoidalnych przekładni redukcyjnych - smarowanie natryskowe - zalecenia TOTAL Prędkość obrotowa koła najbardziej obciążonego, obr/min.

Moc przenoszona, KM

Stopień redukcji < 10

Stopień redukcji > 10 Temperatura pracy

< 5°C

5…30°C

> 30°C

< 5°C

5…30°C

> 30°C

Klasa lepkości wg ISO 3448 < 50 50…100

500…2500

> 2500

< 50

320

460

680 - 1000

320

460

680 - 1000

100…150

220

320

220

320

460

>= 50

220

320

460

320

460

680…1000

< 10

100 - 150

100 - 150

220

100 - 150

220

320

10…50

100 - 150

220

320

220

320

460

> 50

220

230

460

230

460

680 - 1000

20

100 - 150

220

320

220

320

460

VII

11

Tabela 7.14 Dobór lepkości oleju do hipoidalnych przekładni redukcyjnych - smarowanie natryskowe - zalecenia TOTAL Prędkość obrotowa koła najbardziej obciążonego, obr/min.

Moc przenoszona, KM

Stopień redukcji < 10

Stopień redukcji > 10 Temperatura pracy

< 5°C

5…30°C

> 30°C

< 5°C

5…30°C

> 30°C 680 - 1000

Klasa lepkości wg ISO 3448 < 50 50…100

500…2500

> 2500

320

460

680 - 1000

320

460

< 50

100…150

220

320

220

320

460

>= 50

220

320

460

320

460

680…1000

< 10

100 - 150

100 - 150

220

100 - 150

220

320

10…50

100 - 150

220

320

220

320

460

> 50

220

230

460

230

460

680 - 1000

20

100 - 150

220

320

220

320

460

w przypadku przekładni ślimakowych. Lepkość kinematyczna oleju jest dobierana jako funkcja prędkości obrotowej małego koła przekładni i przenoszonej mocy. Dane w tabelach 7.12 …7.15 należy traktować jako orientacyjne. Odnoszą się do olejów przekładniowych o współczynniku lepkości VI w granicach 90 …100. W tabeli 7.16, podano współczynniki korekcyjne do mocy silników napędzających przekładnię, podanych w tabelach 7.12 …7.15. Rzeczywistą moc silnika należy pomnożyć przez współczynnik odczytany z tabeli 7.16, a następnie dobrać odpowiednią lepkość oleju przekładniowego. UWAGA Olejów przekładniowych na bazie poliglikolowej nie można mieszać z innymi olejami do przekładni przemysłowych – są wzajemnie nierozpuszczalne. UWAGA Oleje do przekładni przemysłowych, specjalnie dostosowane do potrzeb przemysłu spożywczego, zostały omówione w p. 21.

TABELA 7.15 Dobór lepkości oleju do czołowych przekładni redukcyjnych – smarowanie obiegowe (cyrkulacyjne) – zalecenia TOTAL Prędkość Moc obrotowa koła przenoszona, najbardziej KM obciążonego, -1 obr/min < 50

Temperatura pracy < 5°C

5 ... 30°C

> 30°C

Klasa lepkości wg ISO 3448 220

320

460

100 - 150

220

220 - 320

>= 50

220

320

320 - 460

< 10

100 - 150

150

220

10 ... 50

150

220

220 - 320

> 50

220

320

320 - 460 100 - 150

< 50

50 ... 100

500 ... 2500

Stopień redukcji < 10

> 2500

20

100 - 150

220

220 - 320

Tabela 7.16 Dobór lepkości oleju do przekładni czołowych – współczynniki multiplikacyjne do mocy silnika w tabelach 7.12 ... 7.15 – zalecenia TOTAL Przekładnia współpracująca z silnikiem

12

VII

Obciążenie równomierne

Lekkie wstrząsy

Gwałtowne wstrząsy

O ruchu obrotowym (silniki elektryczne, turbiny, itp.)

1

1,25

1,75

O ruchu postępowo– zwrotnym (tłokowe)

1,25

1,50

2

Rozdział VIII: Smarowanie sprężarek

Rozdział VIII

SMAROWANIE SPRĘŻAREK

8.1 Sprężarki Sprężarki – zwane też kompresorami, są to maszyny zwiększające ciśnienie sprężanego czynnika (powietrza, gazu). Sprężarki charakteryzuje się stopniem sprężania (sprężem), oznaczanym symbolem P, będącym stosunkiem ciśnienia tłoczenia pt do ciśnienia ssania ps, wyrażonym wzorem (8.1): pt Π= p s

(8.1)

Inne parametry charakteryzujące sprężarki to: V – wydajność, N – zapotrzebowanie mocy, Dp – przyrost ciśnienia, η – sprawność, Ψ – wskaźnik spiętrzenia (sprężarki przepływowe). Przebiegi zmian wielkości: p, Dp, η, N, Ψ zazwyczaj są przedstawiane w funkcji V, a prędkość obrotowa jest traktowana jako parametr. Ponadto w przypadku sprężarek przepływowych, często są stosowane charakterystyki bezwymiarowe, ułatwiające porównywanie różnych konstrukcji. Obowiązującą jednostką ciśnienia (system SI) jest Pascal [Pa], przy czym [1 Pa = 1 N/m2]. Pascal jest to bardzo mała jednostka i dlatego używa się jego wielokrotności hekto-Pascali [hPa = 100 Pa], w przypadku pomp próżniowych oraz kilo-Pascali [kPa = 1000 Pa] w przypadku sprężarek. Często również jest używany skrót „bar”, przy czym [1 bar = 105 (100000) Pa lub 100 kPa]. Ponadto należy pamiętać, że [1 bar = 1,02 kG/cm2] oraz, że [1 hPa = 1 mbar]. Sprężarki są klasyfikowane pod względem: A) zastosowania na: q sprężarki powietrza, q sprężarki gazowe, q sprężarki chłodnicze, q pompy próżniowe; B) realizację sposobu sprężania na: q wyporowe, q przepływowe; C) konstrukcji mechanicznej: q sprężarki tłokowe: – bezwodzikowe, – wodzikowe – i inne liczne konstrukcje, q sprężarki rotacyjne: – jednowałowe: łopatkowe, z pierścieniem cieczowym, mimośrodowe,

– dwuwałowe (wielowałowe): śrubowe, Rootsa, zębate, – przepływowe: odśrodkowe, osiowe. W przypadkach, gdy jest niezbędne wysokie ciśnienie tłoczenia, sprężanie jest realizowane na dwóch lub więcej stopniach. Takie sprężarki są nazywane wielostopniowymi. W sprężarkach wielostopniowych, sprężony gaz jest praktycznie zawsze schładzany między kolejnymi stopniami, w pośrednich chłodnicach powietrznych lub wodnych. Jest on również często chłodzony po ostatnim stopniu. Ze względu na bogactwo konstrukcji, istnieje wiele różnych klasyfikacji sprężarek, biorących jako podstawę podziału różne cechy konstrukcyjne, spełniane funkcje, liczbę stopni sprężania, zastosowania itd.

8.2 Sprężarki powietrza 8.2.1 Sprężarki tłokowe Sprężarki tłokowe są to sprężarki wyporowe o posuwistozwrotnym ruchu tłoka. Są one budowane w różnych układach konstrukcyjnych, różniących się liczbą i rozmieszczeniem cylindrów oraz typem mechanizmu korbowego, który może być bezwodzikowy (rys. 8.1) lub wodzikowy (rys. 8.2). W sprężarkach, w odróżnieniu od silników tłokowych, zawory (lub zawory wzniosowe) wlotowe i wylotowe nie są sterowane, ale funkcjonują automatycznie. Ich otwarcie i zamknięcie jest powodowane różnicą ciśnienia gazu. Obecność sprężyny służy jedynie do amortyzacji uderzenia zaworu o kieł zderzaka podczas otwarcia i do przyspieszenia jego zamknięcia. Prędkość uderzeń zaworów

Rys. 8.1 Zasada działania jednocylindrowej sprężarki tłokowej, o jednostronnym działaniu, z tuleją suwakową i chłodnicą wodną A – ssanie, B – tłoczenie, 1 – wał korbowy, 2 – chłodnica wodna, 3 – zawór wlotowy (ssania), otwarty, 4 – zawór wylotowy (tłoczenia), zamknięty, 5 – ssanie, zstępujący ruch tłoka, 6 – korbowód, 7 – sprężanie, wstępujący ruch tłoka, 8 – zawór ssania (zamknięty), 9 – zawór tłoczenia (otwarty), 10 – tłok

VIII

1

Rys. 8.2 Zasada działania jednocylindrowej sprężarki tłokowej, o dwustronnym działaniu, z wodzikiem 1 – tuleja, 2 – tłok, 3 – tłoczysko, 4 – wodzik, 5 – zawory wlotowe (ssania), 6 – zawory wylotowe (tłoczenia)

praktycznie ogranicza prędkość obrotową sprężarek tłokowych do 2000 obrotów/minutę. Zasadę działania jednostopniowej sprężarki tłokowej przedstawiono na rys. 8.1. W sprężarkach tego typu wyróżnia się dwa suwy: ssania (rys. 8.1 A) i sprężania (rys. 8.1 B). W suwie ssania ruch tłoka powoduje zasysanie powietrza z obszaru ssania do przestrzeni roboczej cylindra. Wówczas jest otwarty zawór ssania i zamknięty zawór tłoczenia. W suwie tłoczenia ruch tłoka powoduje wytłaczanie powietrza z przestrzeni roboczej cylindra do obszaru tłoczenia. Zamyka się wówczas zawór ssania, a otwiera zawór tłoczenia. Sprężarki wodzikowe mają dwie komory i odpowiednio usytuowane zawory. Suw ssania w jednej z komór jest połączony z suwem sprężania w drugiej, co ilustruje rys. 8.2. Z termodynamicznego punktu widzenia, sprężarki tłokowe są

charakteryzowane tzw. obiegiem Carnota, który przedstawia zależność ciśnienia p sprężanego gazu od jego objętości V. Wyróżnia się tzw. obieg teoretyczny i rzeczywisty, przykładowo przedstawiony na rys. 8.3. Zmiennymi w obiegu Carnota są: ciśnienie p, objętość V i temperatura bezwzględna T gazu. W obiegu Carnota wyróżnia się następujące cykle: q ssanie (I), podczas którego: zawór wlotowy (A) jest otwarty, a zawór wylotowy (B) zamknięty, przy czym: p4 = p1 ; V4 ä V1; T4 = T1; q sprężanie (II), podczas którego: zawory wlotowy (A) i wylotowy (B) są zamknięte, przy czym: p1 ä p2; V1 æ V2; T1 ä T2; q wytłaczanie (III), podczas którego: zawór wlotowy (A) jest zamknięty, a zawór wylotowy (B) otwarty, przy czym: p2 = p3 ; V2 æ V3 ; T2 = T3; q rozprężanie przestrzeni martwej (IV), podczas którego: zawór wlotowy (A) jest otwarty, a zawór 00 wylotowy (B) zamknięty, przy czym: p3 æ p4 (rozprężanie przestrzeni martwej); V3 ä V4 ; T3 = T4. W praktyce eksploatacyjnej ważnym wnioskiem z obiegu Carnota jest wzrost temperatury z T1 do T2 podczas sprężania gazu od p1 do p2. Ten wzrost temperatury jest powodem ograniczenia sprężu, zarówno w przypadku sprężarek tłokowych, jak i rotacyjnych sprężarek śrubowych. Temperatura sprężanego gazu może osiągnąć bardzo duże wartości, jak to przedstawiono na rys. 8.4. Wysokość osiąganej przez gaz temperatury ogranicza maksy-

Rys. 8.4 Przebieg zmian temperatury na wylocie, w zależności od ciśnienia na wylocie przy adiabatycznym sprężaniu powietrza o temperaturze 21°C 1 – sprężarka jednostopniowa, 2 – sprężarka dwustopniowa, 3 – sprężarka trójstopniowa

Rys. 8.3 Uproszczony, rzeczywisty obieg Carnota jednostopniowej sprężarki tłokowej I – ssanie, II – sprężanie, III – tłoczenie, IV – rozprężanie, 1 – zamknięcie zaworu A, wlotowego (p1V1T1), 2 – otwarcie zaworu B, wylotowego (p2V2T2), 3 – zamknięcie zaworu B, wylotowego (p3V3T3), 4 – otwarcie zaworu A, wlotowego (p4V4T4), Va – objętość przestrzeni martwej (szkodliwej), Vb – objętość wynikająca ze skoku tłoka, Vc – objętość zasysania, ps – ciśnienie ssania, Pt – ciśnienie tłoczenia

2

VIII

malne ciśnienie tłoczenia do około 8…10 bar, w przypadku sprężarek jednostopniowych. Aby ograniczyć temperatury tłoczenia, sprężarki tłokowe są schładzane wodą lub powietrzem, na poziomie cylindra lub głowicy cylindra. Wielkie jednostki są chłodzone przede wszystkim wodą, a w przypadku sprężarek powietrznych lub gazów wilgotnych, chłodzenie powietrzem przedstawia zaletę polegającą na ograniczaniu skraplania wody w układzie rozrządu. Jednym z zasadniczych problemów spotykanych w tłokowych sprężarkach powietrznych, jest ryzyko pożaru, a nawet wybuchu mieszanki powietrzno-olejowej w momencie, gdy „trójkąt ognia” (tlen + paliwo + ciepło) skumuluje krytyczne warunki sprzyjające samozapaleniu. Jest to moment, w którym koncentracja par z zestarzonego oleju, a zwłaszcza mgły olejowej, w gorącym przetłoczonym powietrzu osiągnie krytyczny próg (dolna granica wybuchowości), który znajduje się pomiędzy 20 i 50 ml oleju na metr sześcienny powietrza w warunkach normalnych (23...30 g/m3), a przypadkowe przegrzanie rozpoczyna spontaniczny proces palenia. Może się to zdarzyć z wielu powodów: gdy temperatura tłoczonego powietrza osiągnie (nawet jedynie miejscowo) temperaturę samozapłonu oleju w powietrzu lub gdy dopływ ciepła wskutek

Rozdział VIII: Smarowanie sprężarek tarcia, albo mechanicznego czy też termicznego zaiskrzenia, sposmarownicami napędzanymi przez wał korbowy lub niezależny woduje zapalenie się. Splot takich okoliczności może spowodować silnik elektryczny. detonację stwarzając poważne niebezpieczeństwo dla osób przeW przypadku sprężarek o dużej mocy często są one smarowabywających w pobliżu sprężarki i znaczne straty materialne. ne obiegowo pod ciśnieniem, z zastosowaniem pompy olejowej. W przypadkach, kiedy niezbędne jest wysokie ciśnienie tłoczeObieg smarowania zawiera filtry, zawór odciążający, czujnik temnia, odpowiedni spręż uzyskuje się na dwóch lub więcej stopniach. peratury, manometr kontrolujący ciśnienie, czujnik reagujący na Dzięki pośredniemu schładzaniu gazu obniża się jego temperatura spadek ciśnienia oraz chłodnicę oleju. Olej przez smarowniczki me(patrz rys. 8.4), poprawia się sprawność sprężarki, a w konsekwencji chaniczne jest wtryskiwany bezpośrednio do cylindrów i ewentualzmniejsza zużycie energii. nie przetłaczany do pierścieni uszczelniających trzony tłokowe. Jest Działanie wielostopniowej sprężarki tłokowej polega na okreon podawany pompami nurnikowymi o bardzo małej pojemności sowym wprowadzaniu powietrza (gazu) do poszczególnych cylinskokowej, napędzanymi przez wał rozrządu lub mimośrodowy, drów, w których ulega sprężeniu wstępnemu i wytłoczeniu sprężopołączony sztywno ze sprężarką, co pozwala na automatyczne donego powietrza do kolejnych stopni sprężarki. Z ostatniego stopnia zowanie oleju, proporcjonalne do prędkości obrotowej sprężarki. sprężone powietrze jest podawane do kolektora tłocznego. Najczęściej są stosowane pompy o zazębieniu zewnętrznym albo Najczęściej stosowanymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi sprępompy krzywkowe. Punkty dozowania oleju do cylindrów są wyżarek tłokowych są układy: rzędowy, widlasty, kątowy, leżący oraz posażone w zawory zwrotne, aby uniknąć wstecznego tłoczenia bokser. oleju przez ciśnienie sprężanego powietrza lub gazu. Za każdym Wyróżnia się: razem wydatek oleju przy rozruchu jest regulowany śrubą, która q sprężarki małe – są to sprężarki jedno lub dwustopniowe: dajązmienia skok nurnika. ce ciśnienia poniżej 7 bar i o mocy poniżej 55 kW: W małych sprężarkach, o tłokach z tuleją suwakową i chło– pionowe: zwykle smarowane obiegowo, przez zastosowanie dzeniem powietrzem, olej w skrzyni korbowej jest obowiązkowo typowego układu smarowania, olejem do sprężarek. Mechanizmy są smarowane rozbryzgowo, – poziome, wówczas cylindry są zawsze smarowane poprzez a cylindry przez natrysk. Do smarowania rozbryzgowego służą widoczne mechaniczne smarownice przepływowe, a inne łopatki (łyżki) przedłużające stopę korbowodu i zagłębiające się mechanizmy ruchome poprzez smarowanie rozbryzgowe raz przy każdym obrocie w łaźni olejowej albo w pojemniku skrzyni lub obiegowe; korbowej lub też w czarce (korytku) o stałym poziomie, zasilanych q dużej i średniej mocy – są one zawsze wielostopniowe (ciśnieolejem przez małą pompę zębatą. Smarowanie rozbryzgowe jest nie do 200 bar, a czasami do 400 bar). bardziej efektywne; może zmniejszyć zużycie pierścienia umiejscoSmarowanie: w sprężarkach tłokowych smarowaniu podlegają: wionego na końcu wału korbowego, który przetłacza olej i przesyła części sprężające (cylinder – tłok – stożkowe pierścienie uszczelgo poprzez natrysk do główki korbowodu oraz do cylindrów. Ten niające), części wlotowe i wylotowe (zawory) i części przekazujące system smarowania nie pozwala na regulacje natężenia przepływu, ruch (łożyska wału korbowego lub mimośrodu, a w przypadku maszczególnie cylindrów. Nadmiar oleju powoduje szybsze zaniełych sprężarek, łożyska główki i stopy korbowodu). czyszczenie zaworów, a ponadto powoduje zawracanie do skrzyni W przypadku sprężarek wodzikowych, dochodzą problemy korbowej części oleju, który smarował cylindry. Olej ten, zdegrasmarowania wodzika (tłok-prowadnica w cylindrze lub wodzik na dowany termicznie i utleniony, zanieczyszcza miskę olejową, co prowadnicy) i części uszczelniających wzdłuż trzonu tłoka. powoduje konieczność jej opróżniania, co około 2000 godzin. Intensywność smarowania sprężarek tłokowych jest ściśle Silnikosprężarki są to połączone wspólnym korpusem spręzwiązana z osiąganą temperaturą tłoczenia. Temperatura sprężarka i silnik. Napędzane są silnikiem tłokowym: parowym lub żanego gazu ogranicza współczynnik sprężania na każdym spalinowym. Dzielą się one na: korbowe i bezkorbowe. Funkcjonustopniu. W przypadku dużych sprężarek przemysłowych, jest je wiele różnorodnych konstrukcji tego typu sprężarek. Sprężarki ona rzędu 130...140°C, a dla większości małych sprężarek wynosi bezkorbowe z napędem parowym były powszechnie stosowane do około 160...170°C, ale może osiągnąć 220...210°C, a nawet 250°C, zasilania pneumatycznych urządzeń hamulcowych w parowozach. w przypadku sprężarek powietrznych do butli tlenowych dla płeWśród silnikospężarek na uwagę zasługują sprężarki o swobodnych twonurków. tłokach (rys. 8.5). W konstrukcjach tych, centralnie umieszczona Należy rozróżniać dwa zespoły części przeznaczonych do komora spalania jest ograniczona dwoma tłokami. Napęd stanowi smarowania: dwusuwowy silnik diesla. Ruch tłoków na zewnątrz jest powodoq mechanizmy: łożyska wału korbowego i korbowodu, wodziki, q cylindry: tłoki, pierścienie tłokowe uszczelniające, cylindry i zawory. W dużych sprężarkach, na ogół wodzikowych, są dwa oddzielne układy smarowania, a środek smarny może zostać dobrany w zależności od wymogów dotyczących smarowania każdego z tego typu części. Do smarowania mechanizmów najczęściej jest używany olej turbinowy lub ciecz hydrauliczna (HL, HM lub HV) i specjalny olej do smarowania cylindrów sprężarek (naftenowy, parafinowy z inhibitorem utlenienia, alkilobenzen lub diester). W przypadku sprężarek powietrznych, aktualne przeważają tendencje do używania jednego tylko oleju (oleju do sprężarek), który chociaż droższy od oleju do smarowania mechanizmów, bardzo ułatwia czynności smarowania. Unika się w ten sposób zmieszania olejów, kiedy szczelność na poziomie trzonu tłoka nie jest do- Rys. 8.5 Silnikosprężarka ze swobodnym tłokiem napędzana silnikiem dwusuwowym Diesla skonała. Sprężarki gazowe wymagają specjalnego oleju 1 – tłok sprężarki, 2 – wylot tłoczonego powietrza, 3 – cylinder sprężarki, 4 – szczeliny przemywania do smarowania cylindrów, dlatego są one zwykle sma- cylindra silnika, 5 – cylinder i komora spalania silnika Diesla, 6 – wylot gazów spalinowych i przemywającego powietrza, 7 – szczeliny wylotowe, 8 – powietrzna poduszka amortyzacyjna, 9 – tłok rowane dwoma różnymi olejami. amortyzujący, 10 – tłoki silnika, 11 – wtryskiwacz oleju, 12 – wlot powietrza przedmuchującego, Mechanizmy sprężarek są smarowane obiegowo, 13 – wlot powietrza zasysanego

VIII

3

wany przez ciśnienie gazów spalinowych, a ruch powrotny energią rozprężającego się gazu, sprężanego w specjalnych komorach. Smarowanie: sprężarki współpracujące z silnikiem diesla o cyklu dwusuwowym, muszą być smarowane olejem, odpowiednim do silnika, bardzo odpornym na utlenianie i działanie wysokiej temperatury. Oleje te powinny zawierać detergent, o możliwie jak najmniejszej zawartości popiołu siarczanowego, aby zmniejszyć w ten sposób ilość osadów w szczelinach i na zaworach tłoczenia, w części sprężarkowej. W praktyce, silnikosprężarki tej grupy, o swobodnych tłokach, dobrze działają przy zastosowaniu klasycznych olejów do silników diesla.

8.2.2 Sprężarki rotacyjne, jednowałowe Sprężarki rotacyjne są to sprężarki wyporowe, o obrotowym ruchu tłoka. Ze względu na kształt tłoków, wyróżnia się sprężarki rotacyjne: łopatkowe, z pierścieniem cieczowym i mimośrodowe. Sprężarki rotacyjne, jednowałowe, łopatkowe są to sprężarki wyporowe, w których gaz (powietrze) jest sprężany przez ruchome łopatki, przesuwające się w gniazdach wirnika ruchem posuwistozwrotnym. Oś obrotu wirnika jest umieszczona mimośrodowo względem otworów w kadłubie. Schemat i zasadę działania rotacyjnej sprężarki łopatkowej przedstawia rys. 8.6. Podczas obrotu wirnika objętość przestrzeni roboczej między łopatkami ulega zmianie. W położeniu A (rys. 8.6 A) objętość ta jest najmniejsza i w miarę obrotu wirnika do położenia B zwiększa się do maksimum – odpowiada to suwowi ssania w sprężarce tłokowej. Dalszy obrót wirnika (rys. 8.6 B) od położenia B do C powoduje zmniejszenie objętości oraz wzrost temperatury i ciśnienia – odpowiada to suwowi sprężania. Pod koniec suwu sprężania, przesunięcie łopatki otwiera otwór wylotowy i sprężony gaz przepływa do kolektora. W tego typu sprężarkach prędkość obrotowa wirnika jest ograniczana, z jednej strony – minimalną siłą odśrodkową niezbędną do wysunięcia łopatek z wirnika, z drugiej – naciskiem łopatek na powierzchnię korpusu sprężarki. Chłodzenie, smarowanie i uszczelnienie między łopatkami a korpusem pompy jest realizowane poprzez wtrysk oleju do powietrza po stronie ssącej. Smarowanie. W sprężarkach łopatkowych środek smarujący, poza funkcją zasadniczą, spełnia funkcję chłodzenia sprężanego gazu. Wymaga się, aby środek smarny: q zapewniał dobry poślizg łopatek w gniazdach, mimo przerywania warstewki oleju pod wpływem ugięcia tychże łopatek, q zmniejszał tarcie i zużycie między końcówkami łopatek, a wewnętrzną powierzchnią korpusu, q polepszał szczelność poszczególnych komór, tworząc uszczelnienie między łopatkami a wewnętrzną powierzchnią korpusu,

q zapewniał smarowanie łożysk (łożyska: ślizgowe, kulkowe lub wałeczkowe), q chronił powierzchnie przed rdzą i korozją. Istnieją dwa rozwiązania systemu smarowania tego typu sprężarek: Metoda bezzwrotnego smarowania pod ciśnieniem, jest stosowana w przypadku wielkich sprężarek stacjonarnych, na ogół wielostopniowych i chłodzonych wodą, z pośrednimi chłodnicami sprężanego gazu. Mechaniczne smarowniczki mają wydajność od 7 do 20 gramów oleju na metr sześcienny zasysanego gazu w czasie 1 godziny. Kanały boczne dostarczają olej niezbędny do smarowania łożysk, na przykład w ilości 3 do 4 kropel na minutę. W przypadku, gdy łopatki są wykonane z metalu, zalecanym środkiem smarującym jest olej silnikowy z detergentem i dodatkiem przeciwzużyciowym, aby z jednej strony – uniknąć nagromadzenia się osadów w gniazdach wirnika, z drugiej – przeciwdziałać zużyciu i zakleszczaniu się łopatek. W przypadku sprężarek jednostopniowych zalecane są klasy lepkości SAE 30 lub 40. W przypadku sprężarek dwustopniowych, tłoczących powietrze w temperaturze równej lub wyższej od 160°C zalecane są nawet lepkości SAE 50. W przypadku, gdy łopatki są wykonane z tworzywa sztucznego, są zalecane oleje nie zawierające detergentów o lepkości porównywalnej z lepkością olejów silnikowych, to znaczy zawartą w zakresie ISO VG 100 do 220. Niektórzy konstruktorzy zalecają nawet oleje klasy lepkościowej rzędu ISO VG 320, zarówno do sprężarek powietrznych jak i sprężarek gazowych. Stosowane oleje, nie zawierające detergentów, są albo klasycznymi olejami do sprężarek powietrznych typu mineralnego, parafinowanego, z antyutleniaczem (DAB lub DAA), lub olejami maszynowymi, albo też, w przypadku najniższych klas lepkości olejami hydraulicznymi klasy HL. Metoda wtrysku oleju do powietrza (lub do gazu) na początku fazy sprężania. Metoda ta jest stosowana w przypadku małych jednostek stacjonarnych i sprężarek budowlanych. Na ogół, olej jest wstrzykiwany pod ciśnieniem nieco większym od różnicy ciśnienia na wlocie i wylocie, a zbiornik oleju jest utrzymywany pod ciśnieniem większym niż ciśnienie tłoczenia. W ten sposób wstrzyknięty olej przyczynia się do schładzania sprężonego gazu. Olej jest oddzielany od sprężonego gazu w separatorze: cyklonowym, labiryntowym lub zderzeniowym. Urządzenia te usuwają około 98% oleju. Sprężany gaz jest podawany na filtr wykonany ze sprasowanych włókien mineralnych (najczęściej z włókien szklanych) lub spieków ceramicznych, po przejściu którego gaz zawiera mniej niż 5 ppm oleju. Schemat układu sprężania i smarowania jednowałowej sprężarki łopatkowej przedstawiono na rys. 8.7. W układzie takim powietrze jest zasysane przez filtr powietrza wlotowego 1, a ilość

Rys. 8.6 Schemat i zasada działania rotacyjnej, jednowałowej sprężarki łopatkowej A – ssanie, B – sprężanie, C – tłoczenie, 1 – wirnik, 2 – łopatka, 3 – stojan, 4 – wlot, 5 – wylot

4

VIII

Rozdział VIII: Smarowanie sprężarek Tarcie pomiędzy końcówkami łopatek i cylindrem może być znacznie zmniejszone, albo przez nachylenie krawędzi łopatek, formujących hydrodynamiczny klin olejowy; albo poprzez montaż pierścieni równoważących. Częstym problemem w sprężarkach łopatkowych jest blokada promieniowa łopatek wskutek wypełnienia szczelin nagarem i lakami. Powstają one w wyniku utleniania i rozkładu termicznego oleju. Do sprężarek rotacyjnych łopatkowych są także zaliczane tzw. sprężarki rotacyjne jednowałowe z pierścieniem cieczowym. Istnieją dwie podstawowe wersje takich sprężarek. W pierwszej (rys. 8.8), wirnik wyposażony w stałe łopatki promieniste obraca się w cylindrycznym, nie centrycznym korpusie, zawierającym pewną ilość cieczy, na ogół roztworu wody i glikolu. Pod wpływem obrotów wirnika, pod działaniem siły odśrodkowej ciecz jest przemieszczana na ściankę statora, kształtując tzw. „pierścień cieczowy”, współśrodkowy w stosunku do cylindra korpusu. Przestrzeń w kształcie Rys. 8.7 Schemat układu smarowania łopatkowej sprężarki powietrza sierpa, ograniczona przez pierścień cieczowy i wirnik, 1 – filtr powietrza wlotowego, 2 – regulator przepływu powietrza, 3 – sprężarka, 4 – zbiornik oleju, jest podzielona przez łopatki wirnika na szereg komór 5 – separator powietrzno-olejowy, 6 – zawór spustowy oleju, 7 – chłodnica oleju, 8 – wentylator sprężania, o zmiennej objętości, zwiększającej się w obchłodzący, 9 – filtr olejowy, 10 – sprężone powietrze szarze zasysania i zmniejszającej w obszarze sprężania podawanego powietrza jest regulowana układem zaworów regulai tłoczenia. tora przepływu powietrza 2. Sprężone powietrze jest podawane do W drugim rodzaju wirnik, wyposażony w proste lub skrzywione separatora powietrzno–olejowego 4, stanowiącego jednocześnie łopatki, jest usytuowany w korpusie o kształcie owalnym. Pierścień zbiornik oleju 5. Wydzielony w separatorze olej spływa bezpośredcieczowy o eliptycznym kształcie, ogranicza wraz z wirnikiem dwie nio do zbiornika, skąd jego ewentualny nadmiar może być usuprzestrzenie sprężania w kształcie naprzemiennie położonych nięty z układu poprzez zawór spustowy 6. Olej ze zbiornika 5 pod sierpów. Sprężarki tego typu są stosowane zarówno do sprężania wpływem wytwarzanego ciśnienia jest tłoczony do chłodnicy 7, powietrza, jak i mocno nasyconej pary wodnej, a także do korozyjchłodzonej wentylatorem 8 i przez filtr olejowy 9 jest podawany do nych gazów. powietrza na wlocie sprężarki 3. Sprężone i odolejone powietrze 10 Zaletą tego typu sprężarek jest brak zaworów i tarcia mechajest podawane układem przewodów do zastosowań. nicznego w statorze, gdyż występuje jedynie wewnętrzne tarcie Maszyny tego typu są również stosowane jako pompy próżniocieczy. Z tego powodu nie występuje zużycie powierzchni trących, we, przy odwrotnym ruchu wirnika. za wyjątkiem ryzyka korozji (rdzy), erozji w wyniku kawitacji i erozji Stosowany olej ma na ogół mniejszą lepkość od oleju używaściernej, jeśli gaz jest zanieczyszczony pyłami. nego do smarowania sprężarek o bezzwrotnym smarowaniu, ale Największą niedogodnością jest fakt, że powietrze (lub gaz) istnieją także inne zalecenia konstruktorów. nasyca się wilgocią i porywa za sobą część wody z pierścienia Niektóre sprężarki łopatkowe są smarowane olejem mineralcieczowego, w postaci małych kropelek. Wymaga to stałego donym z inhibitorem rdzewienia i utleniania, np.: olej turbinowy lub prowadzania wody oraz osuszania gazu, w bardzo skutecznych olej hydrauliczny klasy jakościowej HL, o klasie lepkości ISO VG 32 separatorach wody. W zamian woda intensywnie chłodzi tłoczone do 46. powietrze. W pewnych przypadkach, konstruktorzy zalecają olej zawieraSmarowanie: jedynymi smarowanymi częściami są łożyska wirjący dodatki przeciwzużyciowe, aby przeciwdziałać nadmiernemu nika, które są zamontowane na zewnątrz statora (wraz z uszczelniezużywaniu łopatek i gładzi cylindra, np. olej hydrauliczny klasy HM. niem dla cieczy), na poziomie wyjścia wałka na obrzeże korpusu. Są Jest również możliwe używanie płynu typu ATF1, mimo że te płyny o bardzo dużym wskaźniku lepkości rzędu 150 do 200 zawierają polimery, rzadko zalecane w tego typu sprężarkach z powodu ich szybkiego mechanicznego ścinania się na łopatkach i relatywnie słabej odporności na rozkład termiczny. W rzeczywistości, ta ostatnia wada może spowodować zamulenie separatorów powietrzeolej produktami polimerowymi, pochodzącymi z rozkładu dodatku lepkościowego (wiskozatora) w przypadku, gdy sprężarka tłoczy gaz o wysokiej temperaturze. Niektóre, starszego typu budowlane sprężarki powietrzne napędzane silnikiem diesla, w trosce o racjonalizację w dziedzinie smarowania, były smarowane jednosezonowym olejem silnikowym bez dodatków polimerowych i detergentów. Zwiększenie zawartości dodatków polarnych i polimerowych, dość często pociąga za sobą poważne problemy pienienia i emulgowania z wodą (pochodzącą ze skraplania) oraz odkładanie się osadów na filtrze koalescera. Aktualnie, często są zalecane oleje syntetyczne na bazie diesterów o klasach lepkościowych ISO VG 32 lub 46, a także oleje na bazie polialfaolefin (PAO), rekomendowane głównie do sprężarek śrubowych. 1

Płyny ATF (Automatic Transmission Fluid) – płyny (oleje) do automatycznych przekładni samochodowych .

Rys. 8.8 Schematyczny przekrój rotacyjnej, jednowałowej sprężarki z pierścieniem cieczowym i nie centrycznym wirnikiem 1 – pierścień cieczowy, 2 – cylindryczny stator, 3 – otwór tłoczenia, 4 – wylot, 5 – nie centryczny wirnik, 6 – wlot, 7 – otwór ssący

VIII

5

Rys. 8.9 Zasada działania rotacyjnej, jednowałowej sprężarki z tłokiem wirującym A – ssanie, B – sprężanie, C – tłoczenie, 1 – wał, 2 – wirujący tłok, 3 – korpus, 4 – wlot powietrza, 5 – wylot, 6 – łopatka - przegroda, 7 – zawór wylotowy

to na ogół łożyska kulkowe lub wałeczkowe, które smaruje się albo smarem plastycznym do łożysk, klasy NLGI 2, albo przez zanurzenie w łaźni olejowej, wypełnionej olejem turbinowym klasy lepkościowej rzędu ISO VG 32 do 68. Kiedy sprężarka ma nie pracować przez dłuższy czas, zaleca się opróżnienie jej z cieczy, osuszenie i wlanie do cylindra małej ilości oleju – najlepiej konserwacyjnego, aby zapobiec rdzewieniu. Sprężarki rotacyjne mimośrodowe, są to sprężarki wyporowe o obiegowym ruchu mimośrodowego tłoka osadzonego na wale, którego oś obrotu pokrywa się z osią wewnętrznej powierzchni korpusu sprężarki. Wyróżnia się dwa podstawowe typy takich sprężarek: rotacyjne mimośrodowe z tłokiem wirującym oraz, sprężarki rotacyjne mimośrodowe z tłokiem oscylującym. Sprężarki rotacyjne mimośrodowe z tłokiem wirującym, których zasada działania jest przedstawiona na rys. 8.9. Tłok (wirnik) obracający się odśrodkowo w stosunku do skrzyni korbowej cylindra, zapewnia kolejno: zasysanie, sprężanie i tłoczenie gazu. Łopatka jest zainstalowana w szczelinie skrzyni korbowej. Przemienne przemieszczanie sterowane przez mimośrodowy wirnik i przez sprężynę cofającą zapewnia oddzielenie obszaru zasysania od obszaru tłoczenia. Podobnie pracują sprężarki rotacyjne mimośrodowe z tłokiem oscylującym, których zasadę działania ilustruje rys. 8.10.

Rys. 8.10 Zasada działania rotacyjnej, mimośrodowej sprężarki z tłokiem oscylującym 1 – wał, 2 – oscylujący tłok, 3 – korpus

6

VIII

Smarowanie: środki smarne stosowane w tego typu sprężarkach są analogiczne jak w przypadku sprężarek łopatkowych. Olej jest wtryskiwany w początkowym okresie fazy sprężania. Zapewnia on smarowanie skojarzenia trącego łopatka-wirnik oraz łopatkaprowadnica łopatki, a także chłodzenie sprężanego gazu.

8.2.3 Sprężarki rotacyjne, dwuwałowe Sprężarki rotacyjne śrubowe są to sprężarki wyporowe o obrotowym ruchu tłoka, w których elementem roboczym, spełniającym rolę tłoka, są zwoje dwóch wirników śrubowych, a rolę przestrzeni roboczych spełniają międzyzwojowe komory tych wirników. Proces sprężania polega na zmniejszeniu objętości komór przez śrubowe zwoje wirników, obracających się w przeciwnych kierunkach. Rotacja wirnika wspomagającego jest powodowana bezpośrednio przez śrubę napędzaną silnikiem głównym, a chłodzenie i smarowanie jest wykonywane poprzez wtrysk oleju po stronie ssącej. Rotacja śrub może być również synchronizowana poprzez zespół przekładni zębatych, w tym przypadku wtrysku oleju nie stosuje się. Sprężanie ma miejsce w przestrzeni zmiennej w trakcie rotacji, zawartej pomiędzy zarysem spiralnym nawiniętym śrubowo dookoła dwóch wirników o równoległych osiach: grubym wewnętrznym (męskim), posiadającym cztery zwoje gwintowe w kształcie płatków lub liści. Zazębia się on, stykając się lub nie, z wirnikiem zewnętrznym (żeńskim) mającym sześć sprzężonych zwojów. Wirnik żeński obraca się z prędkością równą 2/3 prędkości wirnika męskiego. Istnieją również, występujące o wiele rzadziej sprężarki śrubowe, których wirniki posiadają odpowiednio 3 i 4 zęby. Przekrój sprężarki śrubowej z uwidocznionym wirnikiem wewnętrznym przedstawia rys. 8.11, a jej przekrój poprzeczny rys. 8.12. Obydwa wirniki mogą być napędzane bez styku pomiędzy nimi, przez synchronizującą przekładnię zębatą, lub jeden z wirników może napędzać drugi, poprzez styk. W tym drugim przypadku, to właśnie męski wirnik napędza wirnik żeński, ale istnieją także sprężarki śrubowe, gdzie wałek silnika jest wałkiem wirnika żeńskiego. W tym systemie, natężenie przepływu sprężonego gazu jest stałe i nie zawiera resztkowego, nie przetłoczonego gazu, tak jak to ma miejsce w przypadku sprężarek postępowo-zwrotnych (tłokowych). Inną zaletą jest brak zaworów zasysania i tłoczenia. Sprężarka jest wyposażona w prosty zawór wzniosowy, na ogół sterowany hydraulicznie, który reguluje natężenie przepływu, zamykając mniej lub bardziej przewód ssania i zawór bezpieczeństwa ustawiany na minimalne ciśnienie rzędu 3 do 4 bar. Ten zawór, za-

Rozdział VIII: Smarowanie sprężarek

Rys. 8.11 Schemat sprężarki śrubowej (przekrój wzdłuż wału napędzającego) 1 – korpus, 2 – wlot, 3 – śruba, 4 – wylot, 5 – wał napędowy

Rys. 8.12 Schemat sprężarki śrubowej (przekrój poprzeczny) 1 – korpus, 2 – wlot, 3 – wirnik „męski”, 4 – wirnik „żeński”, 5 – wylot

montowany na przetłaczaniu, na ogół za separatorem oleju, jednocześnie odgrywa rolę zaworu zwrotnego. Wykorzystując ciśnienie tłoczenia zapewnia odpowiednie natężenie przepływu w sprężarce i utrzymuje w ten sposób korzystne warunki dobrego oddzielania powietrza od oleju. Istnieją dwa podstawowe typy sprężarek śrubowych: „suche” i „wilgotne”. W sprężarkach „suchych”, dwa wirniki są napędzane bez kontaktu pomiędzy nimi, poprzez synchronizującą przekładnię zębatą. Śruby nie są smarowane, co pozwala na przetłaczanie gazu całkowicie pozbawionego wszelkich śladów oleju. Ta cecha jest ceniona w pewnych zastosowaniach: uzyskanie próżni, sprężanie gazów niekompatybilnych z konwencjonalnymi środkami smarnymi. W tym typie sprężarek, brak styku metal–metal eliminuje wszelkie ryzyko awarii przez zmęczenie lub zatarcie. Ta konstrukcja wymaga, aby luzy pomiędzy zarysami śrub i pomiędzy śrubą a skrzynią korbową były bardzo małe, natomiast prędkość obrotów duża, w celu zapewnienia wystarczającej szczelności, dużego współczynnika sprężania oraz zadowalającej wydajności.

W pewnych przypadkach śruby są pokryte warstwami samosmarującymi (miękkie metale, specjalne farby, warstewki polimerowe, lakiery poślizgowe itd.), poprawiającymi szczelność i smarowanie, przy luzach zmierzających do zera. Smarowanie: sprężarek „suchych” ogranicza się do smarowania łożysk i zsynchronizowanych przekładni zębatych. Ze względu na dużą prędkość obrotów tego typu maszyn, do smarowania jest zalecany olej maszynowy o stosunkowo małej lepkości (ISO VG 32 lub VG 22), oleje hydrauliczne HM lub HV, ewentualnie oleje silnikowe SAE 10W, lub nawet płyny ATF. Sprężarki z wtryskiem oleju lub sprężarki „wilgotne” nie mają synchronizowanej przekładni zębatej. Silnik jest sprzężony albo bezpośrednio albo najczęściej pośrednio z wirnikiem męskim, poprzez parę przekładni zębatych lub zespół koła pasowe - pasy napędowe pracujące jako multiplikator prędkości, który napędza przez styk wirnik żeński (lub odwrotnie). Ruch odpowiadający profilom sprzężonym dwóch śrub, charakteryzuje się słabym współczynnikiem poślizgu w stosunku do łożysk, co ogranicza przegrzanie wskutek tarcia i pozwala na dobrą sprawność mechaniczną sprężarki. Smarowanie – aby zmniejszyć tarcie i przeciwdziałać zużyciu, styk śrub musi być smarowany. Ponieważ w przypadku tego typu sprężarek nie ma wielu możliwości zewnętrznego chłodzenia przez komorę wodną lub przez łopatki (tak jak ma to miejsce w sprężarkach tłokowych), chłodzenie zapewnia wtrysk znacznej ilości oleju do powietrza lub do gazu. Olej jest wtryskiwany pomiędzy śruby mniej więcej w połowie długości wirników, bezpośrednio do gazu już w trakcie sprężania. Temperatura oleju wynosi zwykle 45 do 55°C, a jego natężenie przepływu jest dobrane tak, aby przetłaczane powietrze miało temperaturę od 80 do 100°C. Taki dobór parametrów powoduje, że para wodna zawarta w powietrzu nie skrapla się w sprężarce. Dzięki dużej prędkości obrotu śrub, wtryskiwany olej tworzy mgłę olejową. Ta mgła zapewnia chłodzenie sprężonego gazu oraz smarowanie powierzchni trących śrub. Stanowi to także zabezpieczenie przeciwkorozyjne, jak również gwarantuje szczelność pomiędzy dwoma śrubami i pomiędzy śrubami a skrzynią korbową. Łożyska, które muszą przenosić lekki napór osiowy do tyłu (przeciwna strona napędu) są łożyskami kulkowymi lub wałeczkowymi. Są one smarowane, tak jak i koła przekładni zębatych jeśli taka istnieje, poprzez przewody głównego obiegu podającego olej. Przepływ oleju jest zapewniony dzięki ciśnieniu tłoczenia wytworzonemu w zespole zbiornik-separator. Przy doborze środka smarnego, poza wymogami ogólnymi dotyczącymi smarowania mechanizmów (łożyska, przekładnie zębate, prędkości), należy brać również pod uwagę zdolność oleju do szybkiego wydzielenia powietrza (odpowietrzanie, odporność na pienienie); zdolność do łatwego oddzielenia skroplonej wody (zdolność do deemulgacji), właściwości ochronne metali żelaznych przed rdzewieniem i nie żelaznych przed korozją, a przede wszystkim dobrą odporność na utlenianie ze względu na wysokie temperatury, mogące występować przy przetłaczaniu (czasami ponad 110°C, a nawet 120°C) oraz na dokładne zmieszanie powietrza z mgłą olejową. Największą niedogodnością są skutki utleniania składników oleju, co powoduje konieczność jego okresowej wymiany. Po dłuższej pracy olej staje się zbyt lepki, nie stanowi już właściwej ochrony przed korozją, a także zawiera substancje powierzchniowoczynne, co powoduje że jest bardziej podatny na pienienie, napowietrzanie i emulgowanie wody. Obserwuje się również tworzenie nierozpuszczalnych osadów, mogących szybko zatkać filtr separatora oleju. Ponadto, składniki oleju muszą mieć dobrą odporność na hydrolizę, aby uniknąć korozji i powstawania osadów. W środowisku wilgotnym nie są zalecane oleje na bazie estrów, podlegających hydrolizie lub oleje zawierające alkiloditiofosforany cynku (patrz p. 2.5.3). Właściwości oleju chroniące przed zużyciem są również wymagane przy niektórych rozwiązaniach, mających parę podwymia-

VIII

7

Rys. 8.13 Przekrój poprzeczny sprężarki typu Roots 1 – korpus, 2 – wirnik, 3 – wylot, 4 – wlot

Rys. 8.14 Przekrój sprężarki rotacyjnej typu Zimmern 1 – wał napędowy, 2 – wirnik w kształcie ślimaka globoidalnego, 3 – satelitarne koła zębate

Rys. 8.15 Schemat dwuwałowej sprężarki hakowej 1 – przewód doprowadzający powietrze, 2 – otwór wlotowy, 3 – wirnik halowy (I stopień), 4 – otwór tłoczenia, 5 – wirnik halowy (II stopień), 6 – przewód wyprowadzający powietrze

8

VIII

rowych przekładni zębatych lub napęd poprzez wirnik żeński, co tłumaczy się bardziej intensywnymi warunkami zazębiania śrub (poślizg). Z tego powodu, w stosunku do oleju jest często wymagany odpowiedni poziom zdolności do przenoszenia obciążeń, odpowiadający FZG ≥ 10 lub spełniający wymagania testu pompy łopatkowej Vickers V 104C, dla olejów hydraulicznych. Do smarowania powietrznych sprężarek śrubowych są stosowane następujące rodzaje olejów: q typowe oleje sprężarkowe, spełniające wymagania ISO 6743-3A lub DIN 51 506 lub PN-91/C-96073, q oleje turbinowe, klasy lepkościowej ISO VG 32, 46, 68, odpowiadające poziomowi DAG klasyfikacji ISO 6743-3A, q oleje hydrauliczne HL, HM, HV, klasy lepkościowej ISO VG 22...68, q oleje silnikowe (w sprężarkach napędzanych silnikami diesla), klasy lepkościowej SAE 10W, 20W - 20, q płyny ATF, q nowoczesne sprężarkowe oleje syntetyczne na bazie PAO, poliglikoli oraz estrów. Sprężarki rotacyjne dwuwałowe typu Rootsa, nie są sprężarkami w tradycyjnym tego słowa znaczeniu. Składają się ze skrzyni korbowej, o dwóch otworach cylindrycznych, w których obracają się z równą prędkością, ale w odwrotną stronę, dwa wirniki mające kształt przekładni zębatej prostej, o 2 lub 3 zębach lub płatkach (rys. 8.13). Oba wirniki są ułożone w łuskę, przemieszczają się bez styku między sobą i bez kontaktu z korpusem. Zewnętrzna przekładnia zębata (cylindryczna o zębach prostych lub helikoidalnych) zapewnia synchronizację wirników. Nie ma smarowania wewnętrznego, w konsekwencji - szczelność jest związana z luzem roboczym. Sprężanie jest ograniczone przeciekami przez luzy, wzdłuż profilu płatków. Natężenia przepływu gazu są pulsujące i mogą różnić się w szerokich granicach (od 1 do 850 m3/min.), w zależności od zastosowania. Sprężarki typu Rootsa są stosowane do: napowietrzania pomieszczeń, suszenia, doładowania silników benzynowych do pojazdów sportowych lub wielkich morskich dwusuwowych silników diesla, a także w przenośnikach pneumatycznych. Sprężarki rotacyjne typu Zimmern. W tego typu sprężarkach rotacyjnych (rys. 8.14), wirnik w kształcie ślimaka globoidalnego (na ogół z brązu) zazębia się z dwoma satelitarnymi kołami zębatymi, wykonanymi z żywic fenolowych wzmocnionych włóknami. Z tego względu są one czasami nazywane sprężarkami trójwałowymi. Smarowanie tego typu sprężarek dotyczy łożysk ślizgowych lub tocznych oraz zsynchronizowanych przekładni zębatych. Smarowane są one rozbryzgowo lub obiegowo pod ciśnieniem, w zależności od rozmiaru sprężarki. Do smarowania są stosowane oleje zalecane do smarowania innych typów sprężarek śrubowych: turbinowe, do przekładni przemysłowych, hydrauliczne o klasie lepkości od ISO VG 32 do ISO VG 68 oraz oleje sprężarkowe klas: DAG, DAH lub DAJ o klasie lepkości ISO VG 32 lub 46. W niektórych sprężarkach, łożyska umiejscowione po przeciwnej stronie zsynchronizowanych przekładni zębatych są, z racji uproszczenia, smarowane klasycznymi smarami plastycznymi do łożysk, klasy konsystencji NLGI 2. Najczęściej są to smary plastyczne na bazie kompleksowych mydeł litowych. Sprężarki rotacyjne dwuwałowe, hakowe. Ostatnio wprowadzono na rynek gamę sprężarek powietrznych nie smarowanych olejami, zasysających od 6 do 12 m3/min powietrza i tłoczących pod ciśnieniem 7 do 8,5 bar. Są to rotacyjne sprężarki tłokowe o dwóch wałkach, których dwa wirniki o obrotach zsynchronizowanych i obracające się w przeciwną stronę, posiadają każdy jeden lub dwa zęby w kształcie haczyka (rys. 8.15) lub dzioba. Wirniki, bez styku między nimi lub z otworami w skrzyni korbowej, są połączone przez zsynchronizowaną przekładnię zębatą. W trakcie rotacji, zamykają lub otwierają pozbawione zaworu otwory ssące i tłoczenia. Na każdy obrót przypada jeden lub dwa cykle sprężanie-tłoczenie.

Rozdział VIII: Smarowanie sprężarek Sprężarki tego typu są chłodzone powietrzem lub wodą. Tłoczone powietrze jest zupełnie pozbawione oleju dzięki bardzo efektywnym uszczelnieniom, umiejscowionym pomiędzy blokami sprężania a obudowami łożysk i przekładni zębatych. Są to pierścienie samoustawne, oddzielone otworami drenażu i uszczelnieniami typu labiryntowego, połączonymi z atmosferą. Smarowaniu w tego typu sprężarek podlegają łożyska wałeczkowe (od strony napędu) i proste łożyska kulkowe lub stożkowe (od strony przeciwnej napędowi) oraz dwie pary przekładni zębatych, o prostych lub helikoidalnych zębach. Smarowanie jest zapewniane przez wtrysk oleju przy użyciu pompy napędzanej przez wał napędowy sprężarki. Do smarowania są stosowane oleje klasy lepkościowej ISO VG 32...68, w zależności od warunków pracy sprężarki, zgodnie z regułą: im wyższa temperatura, tym olej o większej lepkości. Stosowane są mineralne oleje hydrauliczne (HL lub HM), oleje turbinowe, oleje maszynowe, o poprawionych właściwościach smarnych i przeciwzużyciowych oraz oleje syntetyczne na bazie PAO.

8.2.4 Sprężarki przepływowe Sprężarki przepływowe (rotodynamiczne, turbosprężarki) są to sprężarki wirnikowe, w których sprężanie powietrza odbywa się w sposób ciągły przez łopatki wieńców wirnika. Zależnie od kierunku wypływu powietrza opuszczającego wirnik, sprężarki przepływowe dzielą się na odśrodkowe (promieniowe) i osiowe. Sprężarki odśrodkowe (rys. 8.16) są to sprężarki wyporowe, w których elementem roboczym są wieńce łopatkowe wirnika. W tego typu sprężarkach sprężanie odbywa się w sposób ciągły. W sprężarkach odśrodkowych, nadanie prędkości (wzrost energii kinetycznej) gazu następuje zawsze na jednym lub wielu kołach łopatkowych, ale kierunek przepływu gazu idzie ze środka w stronę obrzeża koła, to znaczy promieniście, zależnie od kierunku wypływu gazu opuszczającego wirnik. W przypadku sprężarki osiowej elementy stałe, złożone z dyfuzora (rury ssącej) i kanałów rozprowadzających, przekształcają energię kinetyczną gazu we wzrost ciśnienia, odrzucając powietrze lub gaz na obrzeża ruchomego

Rys. 8.16 Schemat jednostopniowej, wirnikowej sprężarki odśrodkowej 1 – obudowa spiralna, 2 – komora wlotowa, 3 – dyfuzor, 4 – wirnik, 5 – wał napędowy

Rys. 8.17 Schemat turbodmuchawy 1 – wirnik (wentylator), 2 – wlot, 3 – wylot

Rys. 8.18 Schemat sprężarki osiowej 1 – wlot, 2 – łożysko podpory przedniej, 3 – kadłub komory ssania, 4 – łopatki kierownicy, 5 – łopatki wirnika, 6 – kadłub komory tłoczenia, 7 – łożysko podpory tylnej, 8 – wylot, 9 – wirnik

koła łopatkowego i przenosząc je do środka następnego koła, jeśli sprężarka zawiera kilka stopni. Sprężarka odśrodkowa jest dużo bardziej rozpowszechniona w przemyśle niż sprężarka osiowa i istnieje jej wiele typów: q jednostopniowa ze wspornikowym kołem łopatkowym lub podtrzymywana pomiędzy dwoma łożyskami, q wielostopniowa, q z jednym lub podwójnym przepływem, q bez chłodzenia lub z chłodzeniem wewnętrznym lub zewnętrznym, q bez multiplikatora prędkości z przekładnią zębatą, q ze skrzynią korbową, z poziomym lub pionowym układem połączeń typu „beczka”. Sprężarki te są dostosowane szczególnie do sprężania dużych ilości powietrza (lub gazu). Natężenia przepływu w tego typu sprężarkach zawierają się między 100 a 1 200 000 m3/h, w zależności od rozmiarów kół. Kiedy ciśnienie tłoczenia jest niższe od 2,5 bar, sprężarka odśrodkowa jest nazywana „turbodmuchawą” (rys. 8.17). Sprężarki osiowe (turbosprężarki) (rys. 8.18) są na ogół wielostopniowe; przepływ gazu jest tu osiowy, a przekształcenie w ciśnienie energii przekazanej do gazu przez łopatki wirnika następuje poprzez układ łopatek kierujących (lub rozpraszających) zamocowanych na statorze. Wzrost ciśnienia pomiędzy stopniami jest niewielki, co wymaga znacznej ilości stopni (aż do 20) w celu otrzymania ciśnienia tłoczenia, które na ogół nie przekracza 6 do 7 bar na jednym korpusie.

VIII

9

Spręż wynosi zwykle między 2 a 5. Wyższe ciśnienia tłoczenia, do 35 bar, mogą zostać osiągnięte w sprężarkach osiowych wielokorpusowych. Zazwyczaj, przemysłowe sprężarki osiowe o prędkości obrotowej od 1500 do 10 000 obr/min., napędzane silnikiem elektrycznym, turbiną parową lub turbiną gazową, są używane w przemyśle chemicznym lub hutniczym, do wytwarzania bardzo dużych natężeń przepływu powietrza lub gazu, od 40 000 do 2 600 000 m3/h, przy umiarkowanych poziomach ciśnienia na wylocie. Sprężarki osiowe są również używane do sprężania powietrza i gazów przemysłowych oraz w turbinowych silnikach lotniczych: odrzutowych, śmigłowych i śmigłowcowych. Smarowanie turbosprężarek, osiowych lub odśrodkowych nie stanowi poważnego problemu, gdyż olej nie ma kontaktu ze sprężonym powietrzem lub gazem. Ilość oleju w układzie smarowania jest znaczna. Smarowane są: łożyska (łożyska kół), łożyska wałów multiplikatora i łożysko oporowe (wzdłużne), przeznaczone do kompensowania nacisku osiowego, mało obciążone i szybkoobrotowe przekładnie zębate, zwiększające prędkość oraz sprzęgła. Z uwagi na to, że nie ma styku pomiędzy wirnikiem a statorem, części w układzie sprężania nie wymagają smarowania; jeśli szczelność pomiędzy łożyskami i sprężonym gazem jest dobra, tłoczone powietrze lub gaz nie zawierają śladów oleju. W przypadku typowych sprężarek powietrznych, złącza łożysk typu labiryntowego mogą być powodem niewielkiego wycieku oleju. Jeśli to niewielkie zanieczyszczenie olejem jest niepożądane, co ma miejsce w przypadku sprężarek gazowych stosowanych w przemyśle chemicznym, sprężarek gazów korozyjnych, toksycznych lub wybuchowych, które z różnych względów muszą pozostać czyste, stosuje się bardziej precyzyjne uszczelnienia oraz podwójne uszczelnienia labiryntowe przez uszczelki ślizgowe z grafitu lub z PTFE lub uszczelnienia hydrodynamiczne, w których szczelność jest zapewniona przez warstewkę oleju. Wymagane właściwości środka smarnego są takie jak wymagania dla olejów turbinowych i są one, następujące: q doskonała odporność chemiczna (odporność na utlenianie i hydrolizę) i termiczna, ze względu na znaczny czas użytkowania od kilku tysięcy godzin do kilku dziesiątek tysięcy godzin, q mała skłonność do pienienia, q łatwe uwalnianie powietrza, ponieważ czas przebywania oleju w zbiorniku jest często dość krótki, q dobre zabezpieczenie części stalowych przeciw rdzewieniu i antykorozyjne w stosunku do miedzi i jej stopów (stopów panewek łożysk, brązu, itp.), q kompatybilność z materiałami, z których są wykonane uszczelnienia, q dobre właściwości przeciwzużyciowe. Do smarowania tego typu sprężarek są zalecane następujące środki smarne: q oleje turbinowe – typu ISO-L-TSA, klasy lepkościowej rzędu ISO VG 32, do normalnej pracy i ISO VG 46 przy wysokich temperaturach, w przypadku sprężarek z napędem bezpośrednim. Są to oleje na bazie mineralnej, parafinowej, głęboko rafinowane, o dobrych właściwościach przeciwutleniających i przeciwrdzewnych, q oleje turbinowe – typu ISO-L-TSA, o lepkości VG 68, w przypadku sprężarek, które są zasilane przez multiplikator prędkości, relatywnie słabo obciążony, q oleje turbinowe – typu ISO-L-TSE, o lepkości VG od 32 do 68, do sprężarek z intensywnym i złożonym multiplikatorem prędkości, q oleje do turbin gazowych – typu ISO-L-TGB (na bazach mineralnych) lub TGC (na bazach syntetycznych: PAO lub estrów). W przypadku sprężarek napędzanych turbiną gazową, ze wspólnym obiegiem do smarowania, najczęściej są stosowane oleje o lepkości ISO VG 32. Różnorodność stosowanych rozwiązań konstrukcyjnych przepływowych sprężarek powietrza nie pozwala na omówienie wszystkich ich typów i odmian. Stosowane są różne rozwiązania

10

VIII

układów smarowania, a konstruktorzy zalecają stosowanie różnych środków smarnych. W przypadku nowoczesnych sprężarek na ogół są zalecane oleje turbinowe, o określonej przez konstruktora lepkości według klasyfikacji ISO VG. Ze względu na trwałość i niezawodność, należy bezwzględnie przestrzegać zaleceń producentów, dotyczących stosowania środków smarnych, okresu ich wymiany, filtracji, konserwacji podczas długotrwałych postojów itp. Ze względów bezpieczeństwa należy stosować tylko oleje renomowanych firm, gwarantujących jakość swoich wyrobów. W przypadkach sprężarek starszego typu, dla których często były zalecane oleje określonych marek, często dawno już niedostępnych na rynku, dobór środków smarnych dobrze jest powierzyć specjalistom lub zasięgnąć informacji od producenta, jeżeli jeszcze istnieje.

8.3 Pompy próżniowe Pompy próżniowe są to maszyny, stosowane do wytwarzania ciśnienia niższego niż ciśnienie atmosferyczne (podciśnienia). Pompy próżniowe można traktować jako sprężarki podłączone częścią ssącą do komory, gdzie ma być uzyskane podciśnienie. Ogólnie są to pompy rotacyjne, łopatkowe. W zależności od zakresu ciśnień, z którymi pracuje pompa próżniowa wyróżnia się pompy do próżni: wstępnej, pośredniej i głębokiej. W rozwiązaniach technicznych jako pompy próżniowe znalazły zastosowanie pompy: q wyporowe tłokowe, jedno- lub wielostopniowe, q wyporowe rotacyjne, olejowe, jednostopniowe lub dwustopniowe, q strumieniowe, jedno- lub wielostopniowe, q Rootsa, q dyfuzyjne, q molekularne. Do smarowania pomp próżniowych w przypadku, gdy próżnia nie jest głęboka, stosuje się oleje do sprężarek powietrza. W przypadku głębokiej próżni są stosowane specjalne oleje, o niskiej prężności par. Oleje do pomp próżniowych są klasyfikowane w ISO 6743-3A2) w klasach DVA...DVF, w zależności od warunków pracy, co zostało omówione dalej.

8.4 Układy smarowania sprężarek Układy smarowania sprężarek są zróżnicowane, podobnie jak ich konstrukcje. Niezależnie od budowy układu smarowania, cele smarowania sprężarek pozostają niezmienne, tak jak dla innych maszyn. Należą do nich: q zmniejszenie tarcia, q zmniejszenie zużycia współpracujących części, q odprowadzenie ciepła, powstającego zarówno w wyniku tarcia jak i w wyniku sprężania gazu, q odprowadzenie produktów zużycia i innych zanieczyszczeń stałych z obszaru styku współpracujących części, q ochrona przed korozją smarowanych części, q uszczelnianie. W sprężarkach znajdują zastosowanie praktycznie wszystkie techniki smarowania hydrostatycznego i hydrodynamicznego, a do smarowania sprężarek są stosowane wszystkie rodzaje środków smarnych. Doprowadzenia środka smarnego do skojarzenia trącego jest realizowane zarówno układami pod ciśnieniem jak i bezciśnieniowo. W przypadku smarowania bezciśnieniowego, są stosowane niemal wszystkie dostępne techniki doprowadzenia środka smarującego, a w szczególności smarowanie: q rozbryzgowe, q grawitacyjne, 2

Aktualnie w opracowaniu norma ISO obejmująca wszystkie typy olejów sprężarkowych: ISO/DIS 6743-3:2001 Lubricants, industrial oils and related products (class L) - Classification –Part 3: Family D (Compressors).

Rozdział VIII: Smarowanie sprężarek

Rys. 8.19 Rozbryzgowy układ smarowania łożysk i cylindra sprężarki tłokowej 1 – odpowietrznik skrzyni korbowej, 2 – wskaźnik poziomu oleju, 3 – zawór tłoczny, 4 – zawór nadmiarowy, 5 – zawór upustowy, 6 – zawór wlotowy, 7 – płaszcz wodny, 8 – smarownica panewki

q kapilarne, q zanurzeniowe i wiele innych. W systemach ciśnieniowych, doprowadzenie środka smarnego jest uzyskiwane na wiele sposobów. W szczególności jest stosowane zarówno smarowanie przelotowe jak i obiegowe. Wyróżnia się dwa zespoły części przeznaczonych do smarowania: – mechanizmy: łożyska wału korbowego i korbowodu, wodziki, – cylindry: tłoki, pierścienie tłokowe uszczelniające, cylindry i zawory. Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych sprężarek tłokowych przedstawiono na rys. 8.19...8.21. Na rysunkach tych układ olejowy został zaznaczony kolorem czarnym, a układ chłodzenia wodą, kolorem szarym. W małych sprężarkach, olej ze skrzyni korbowej smaruje mechanizmy rozbryzgowo, a cylindry przez natrysk. Przykład takiego systemu smarowania przedstawiono na rys. 8.19. Smarowanie rozbryzgowe może zmniejszyć zużycie pierścienia, umiejscowionego na końcu wału korbowego, który wywołuje przepływ oleju na skutek rotacji i przemieszcza go, poprzez natryskiwanie, do główki korbowodu i do cylindrów. Ten system smarowania nie pozwala na regulację natężenia przepływu oleju, szczególnie na poziomie cylindrów. Nadmiar oleju wywołuje szybsze zanieczyszczenie zaworów. W niektórych konstrukcjach małych sprężarek powietrznych bywa stosowany ciśnieniowy układ dostarczania środka smarnego do skojarzeń trących. Przykład takiego systemu smarowania przedstawiono na rys. 8.20. W dużych sprężarkach, niekiedy są dwa oddzielne układy smarowania, a środek smarny jest dobrany w zależności od wymogów dotyczących smarowania każdego z zespołów. Jednak, jeśli chodzi o sprężarki powietrzne, aktualne są tendencje użycia jednego tylko oleju. Jest on droższy od oleju do mechanizmów, ale bardzo ułatwia czynności smarowania i unika się w ten sposób niezamierzonego zmieszania różnych olejów. Sprężarki gazowe, wymagające specjalnego oleju do cylindrów, na ogół są smarowane dwoma różnymi olejami. Olej, przez smarowniczki mechaniczne jest wtryskiwany bezpośrednio do cylindrów i przetłaczany ewentualnie do pierścieni

uszczelniających trzony tłokowe w wielu punktach. Są to wielosekcyjne pompy nurnikowe o bardzo małej pojemności skokowej, napędzane przez wał rozrządu lub system mimośrodowy połączony sztywno ze sprężarką, co pozwala na zapewnienie automatycznej i proporcjonalnej do prędkości obrotowej sprężarki dystrybucji oleju. Punkty dolotowe oleju do cylindrów są wyposażone w zawory zwrotne, aby uniknąć zwrotnego tłoczenia oleju przez ciśnienie sprężanego gazu. Typowe rozwiązanie konstrukcyjne układu smarowania dużej, wielostopniowej sprężarki tłokowej przedstawia rys. 8.21.

8.5 Oleje sprężarkowe 8.5.1 Wymagania ogólne Oleje sprężarkowe, ze względu na specyfikę warunków pracy i wynikające z nich wymagania, stanowią wyodrębnioną grupę środków smarnych, w ogólnych klasyfikacjach zaliczaną do olejów przemysłowych. Wymagania dla olejów sprężarkowych są związane z: q temperaturą powietrza na końcowym stopniu sprężania, q ciśnieniem sprężanego gazu, q wymaganą czystością sprężanego gazu, q konstrukcją układu smarowania. Na olej w sprężarce oddziałowuje wysoka temperatura sprężanego gazu, a w przypadku sprężarek powietrza obecność tlenu. Dlatego od olejów sprężarkowych jest wymagana wysoka termiczna stabilność i odporność na utlenianie, a także brak skłonności do koksowania i wydzielania osadów. Wymaga się, aby obłok mgły olejowej szybko osiadał na ściankach cylindrów. W przeciwnym przypadku rozgrzany koks, osadzony na ściankach układu wylotowego może zapalić mieszaninę powietrza i mgły olejowej, co może prowadzić do wybuchu sprężarki (patrz p. 8.2.1). Powstający z oleju koks powinien być miękki i łatwo usuwalny z powierzchni strumieniem gazu. Olej sprężarkowy nie powinien zawierać lotnych składników. Temperatura zapłonu olejów sprężarkowych powinna być wyższa o 40...50°C od najwyższej temperatury, występującej w układzie.

VIII

11

Rys. 8.20 Układ smarowania sprężarki tłokowej z wymuszonym obiegiem oleju 1 – regulator przepływu oleju, 2 – płaszcz wodny, 3 – sworzeń cięgła regulatora, 4 – filtr olejowy, 5 – wskaźnik poziomu oleju, 6 – regulator ciśnienia oleju i manometr, 7 – wlot wody chłodzącej, 8 – zawór upustowy, 9 – zawór wlotowy

Rys. 8.21 Układ smarowania dużej, dwustopniowej, wodzikowej sprężarki tłokowej 1 – siatka filtracyjna, 2 – pompa olejowa, 3 – układ przewodów doprowadzających olej do tłoków, 4 – płaszcz wodny, 5 – cylinder drugiego stopnia sprężania, 6 – cylindry pierwszego stopnia sprężania, 7 – uszczelnienie wodzika, 8 – zbieracz oleju, 9 – podgrzewacz oleju, 10 – przewód do zalewania pompy olejowej

12

VIII

Lepkość oleju powinna być na tyle duża, by właściwie smarował on pierścienie tłokowe i tuleje cylindrowe w najwyższych temperaturach pracy sprężarki, a z drugiej strony na tyle mała, by olej został szybko dostarczony do wszystkich smarowanych skojarzeń trących podczas rozruchu. Oleje sprężarkowe najczęściej są otrzymywane z ropy naftenowej. Jako bazy są stosowane wąskie frakcje próżniowe, bardzo dokładnie odasfaltowane (mała pozostałość po koksowaniu) i pozbawione innych niestabilnych składników. Oleje klas L-DAA i L-DAB najczęściej nie zawierają dodatków. Oleje wyższych klas jakościowych mogą zawierać dodatki: przeciw-utleniające, przeciwkorozyjne, myjące, przeciwpienne. Nie powinny zawierać polimerowych dodatków poprawiających właściwości niskotemperaturowe i reologiczne, ze względu na ich skłonność do koksowania. Jako bazy olejów sprężarkowych również są stosowane oleje syntetyczne, głownie polialfaolefiny (PAO) oraz estry poliolowe. Oleje do pomp próżniowych powinny się charakteryzować niską prężnością par, właściwie dobraną do uzyskiwanej próżni, dobrą stabilnością chemiczną i termiczną. Jako oleje do pomp próżniowych są stosowane oleje bazowe, otrzymywane w procesie destylacji próżniowej głęboko rafinowanych olejów mineralnych. W niektórych zastosowaniach do otrzymywania bardzo niskiej próżni są stosowane specjalne oleje syntetyczne, o bardzo niskiej prężności par.

Rozdział VIII: Smarowanie sprężarek 8.5.2 Klasyfikacje olejów sprężarkowych Aktualnie najczęściej stosowaną klasyfikacją olejów sprężarkowych jest klasyfikacja wg ISO 6743-3A. Dotyczy ona środków smarnych do tłokowych i rotacyjnych sprężarek powietrza, jak również przeznaczonych do smarowania mechanicznych pomp próżniowych (grupa D wg klasyfikacji olejów przemysłowych wg ISO 6743). Środki smarne do sprężarek gazowych i chłodniczych zostały sklasyfikowane odrębną normą ISO 6743-3B. Klasyfikacje te obejmują podgrupy: q A (A - air) – oleje do sprężarek powietrza,

q V (V – vacuum) – oleje do pomp próżniowych, q G (G – gas) – oleje do sprężarek gazów, q R (R – refrigerator) – oleje do sprężarek chłodniczych. Tabela 8.1, przedstawia fragment klasyfikacji wg ISO 6743-3A, bez uwzględnienia zmian proponowanych w ISO/DIS 6743-3: 2001. Należy odnotować, że klasyfikacja środków smarnych do sprężarek „suchych” i do turbosprężarek nie jest jeszcze sprecyzowana. Norma ISO 6743-3A podaje również, jako wskazówki, graniczne wartości ciśnienia wylotowego i temperatury na wylocie, również stopień sprężania, co może być pomocne użytkownikom

TABELA 8.1 Klasyfikacja olejów przemysłowych wg: ISO 6743/3A: 1987 Rodzina D (sprężarki) ISO 6743/3B: 1988 Rodzina D (sprężarki chłodnicze i gazowe) Symbol ISO

Skład i właściwości

Zastosowania Sprężarki powietrza (ISO 6743-3A)

DAA

Oleje mineralne z dodatkami uszlachetniającymi.

Sprężarki tłokowe lub rotacyjne do powietrza do lekkich warunków pracy.

DAB

Oleje mineralne z dodatkami uszlachetniającymi.

Sprężarki tłokowe lub rotacyjne do powietrza do średnich warunków pracy.

DAC

Oleje mineralne z dodatkami uszlachetniającymi.

Sprężarki tłokowe lub rotacyjne do powietrza do ciężkich warunków pracy.

DAG

Oleje mineralne z dodatkami uszlachetniającymi.

Sprężarki rotacyjne łopatkowe i śrubowe do powietrza do lekkich warunków pracy.

DAH

Oleje mineralne z dodatkami uszlachetniającymi.

Sprężarki rotacyjne łopatkowe i śrubowe do powietrza do średnich warunków pracy.

DAJ

Oleje mineralne z dodatkami uszlachetniającymi.

Sprężarki rotacyjne łopatkowe i śrubowe do powietrza do ciężkich warunków pracy.

Pompy próżniowe (ISO 6743-3A) DVA

Oleje mineralne i syntetyczne, wąskie frakcje o małej prężności par.

Pompy próżniowe tłokowe i rotacyjne, smarowane kropelkowo do niskiej próżni do nieagresywnych gazów.

DVB

Pompy próżniowe tłokowe i rotacyjne, smarowane kropelkowo do niskiej próżni do agresywnych gazów.

DVC

Pompy z wirującym tłokiem cieczowym do średniej próżni do nieagresywnych gazów.

DVD

Pompy z wirującym tłokiem cieczowym do średniej próżni do agresywnych gazów.

DVE

Pompy z wirującym tłokiem cieczowym do wysokiej próżni do nieagresywnych gazów.

DVF

Pompy z wirującym tłokiem cieczowym do wysokiej próżni do nieagresywnych gazów. Sprężarki do gazów (ISO 6743-3B)

DGA

Głęboko rafinowane oleje mineralne do gazów, które nie reagują z olejami mineralnymi lub nie obniżają lepkości olejów mineralnych do stopnia uniemożliwiającego ich stosowanie .

Sprężarki wyporowe tłokowe i rotacyjne do gazów: N2, H2, NH3, Ar, CO2, He, SO2, H2S, CO.

DGB

Specjalne oleje mineralne do gazów zawierających wilgoć i kondensat.

Sprężarki wyporowe tłokowe i rotacyjne.

DGC

Oleje najczęściej syntetyczne do gazów o dużej rozpuszczalności w olejach mineralnych.

Sprężarki wyporowe tłokowe i rotacyjne (węglowodory, NH3, CO2 – duże ciśnienia).

DGD

Zwykle oleje syntetyczne do gazów które reagują chemicznie z olejem mineralnym.

Sprężarki wyporowe tłokowe i rotacyjne (HCl, Cl2, O2, tlen z powietrzem, CO).

DGE

Zwykle oleje syntetyczne do gazów redukujących, bardzo suchych (punkt rosy –40°C ).

Sprężarki wyporowe tłokowe i rotacyjne (N2, H2, Ar – duże ciśnienia).

Sprężarki chłodnicze (ISO 6743-B) DRA

Oleje mineralne naftenowe, parafinowe lub syntetyczne.

Sprężarki tłokowe i rotacyjne w konfiguracji hermetycznej, półhermetycznej lub otwartej, do amoniaku i chlorowęglowodorów do temperatur odparowalnika powyżej –40°C.

DRB

Syntetyczne oleje węglowodorowe.

Sprężarki j.w. wyposażone w instalacje z suchymi parownikami, temperatury parownika poniżej –40°C, do amoniaku i chlorowcowęglowodorów.

DRC

Głęboko rafinowane oleje mineralne lub syntetyczne węglowodory.

Sprężarki j.w. do temperatur parowalnika powyżej 0°C, do chlorowcowęglowodorów.

DRD

Syntetyczne oleje, które są nie mieszalne z czynnikiem chłodniczym mineralne oleje lub syntetyczne węglowodory.

Sprężarki j.w. typu otwartego, do zastosowań, gdzie olej i czynnik chłodniczy nie mogą się mieszać i muszą szybko się separow.

DRE

Oleje syntetyczne typu estrów mieszalne z czynnikiem chłodniczym.

Do zastosowań stosujących czynniki chłodnicze przyjazne dla środowiska np. HFC 134a.

VIII

13

TABELA 8.2 Kryteria określania typu pracy dla sprężarek powietrznych postepowo-zwrotnych ze smarowanymi cylindrami (fragment aneksu do normy ISO 6743-3A) Praca

Symbol oleju

Lekka

DAA

Średnia

Intensywna

DAB

DAC

Warunki pracy Praca okresowa

Wystarczający czas, aby pozwolić na schłodzenie miedzy okresami pracy • albo poprzez zatrzymanie sprężarki, • albo poprzez zmniejszenie obciążenia

Praca ciągła

a) ciśnienie na wylocie ≤1 000 kPa (10 bar), temperatura na wylocie ≤160°C, stopień sprężania 1 000 kPa (10 bar), temperatura na wylocie ≤140°C, stopień sprężania < 3 : 1.

Praca okresowa

Wystarczający czas, aby pozwolić na schłodzenie miedzy okresami pracy

Praca ciągła

a) ciśnienie na wylocie ≤1 000 kPa (10 bar), temperatura na wylocie ≤160°C, lub b) ciśnienie na wylocie ≤1 000 kPa (10 bar), temperatura na wylocie >140°C ale ≤160°C, lub c) stopień sprężania >3 : 1.

Praca okresowa lub ciągła

Tak samo przy średniociężkich warunkach pracy, jeśli wyżej wymienione warunki, określone w punktach a), b) lub c) są spełnione i jeśli można obawiać się powstania nagaru w układzie wylotowym, przy intensywnej pracy, według wyników otrzymanych poprzednio z olejem do warunków średnich.

Rys. 8.22 Obszary warunków pracy charakteryzujące intensywność pracy sprężarek powietrznych

TABELA 8.3 Kryteria określania typu pracy powietrznych sprężarek rotacyjnych z wtryskiem oleju (fragment aneksu do normy ISO 6743-3A) Praca

Symbol oleju

Warunki pracy

Lekka

DAG

Temperatura na wylocie powietrza przy wyjściu z bloku sprężarki