Исторически мы использовали анализ масла для идентификации окисления смазки по тренду кислотного числа (AN), окисления методом Фурье-преобразования инфракрасных (FTIR) и вязкости.

Как только обнаруживается признак окисления, назначается замена масла и, при необходимости, проводится анализ корневой причины, если цикл деградации слишком короткий или если мы планируем увеличить интервал обслуживания, обновив масло. Кажется, что разумный подход – это анализ масла, который определяет принятие решения.

Однако, в интересах избегания негативных последствий, связанных с окисленным маслом, включая коррозию и появление лака, а также для облегчения планирования и расписания обслуживания, не будет ли предпочтительнее применить анализ масла для оценки способности смазки сопротивляться окислению или измерить оставшуюся полезную жизнь (RUL)? Концепция измерения оставшейся полезной жизни смазки не нова, но её применение исторически ограничивалось крупными системами.

Тем не менее, новейшая технология, называемая Линейной Линейной Вольтамперометрией (LSV), значительно снижает стоимость проведения измерений RUL, делая этот тест доступным даже для самых маленьких систем. При принятии на вооружение LSV может навсегда изменить способ управления окислением смазки и выполнения рутиных анализов использованного масла.

Хотя метод LSV был доступен в коммерческой форме уже много лет, эта технология недавно была стандартизирована Американским обществом по испытаниям и материалам (ASTM) в стандарте D6810-92, и должна быть дополнительно стандартизирована в ASTM D6971, что придает ей дополнительную достоверность и полезность. Технология может поддерживать регулярные измерения RUL для широкого спектра оборудования заводов в рамках лабораторных или местных программ анализа масла на основе инструментов.

Измерение оставшегося срока службы

По мере деградации масла происходит последовательность событий, каждое из которых можно измерить с помощью анализа масла. Сначала исчерпывается антиоксидантная добавка. Затем базовое масло окисляется (рисунок 1). Окисление масла представляет собой серию химических реакций, инициированных и распространяемых реактивными химическими веществами, образующимися в масле, называемыми свободными радикалами. Антиоксидантная добавка жертвенна – она защищает базовое масло от окисления.

Самым распространенным антиоксидантным добавкой является фенольный ингибитор, который работает на нейтрализацию свободных радикалов, вызывающих окисление, в то время как ароматические аминокислоты, другой широко используемый класс антиоксидантных добавок, работают на ловлю свободных радикалов. Некоторые антиизносные добавки, такие как цинкдиалкилдитиофосфат (ZDDP), выполняют двойную функцию в качестве антиоксиданта. Они разлагают перекиси, образующиеся как побочный продукт окисления и других химических реакций. С течением времени антиоксидантные добавки истощаются до того уровня, когда они уже не могут эффективно защищать базовое масло.

Измерение оставшегося срока службы

Отслеживание способности масла сопротивляться окислению с помощью тенденции RUL осуществляется в области проактивного мониторинга, как показано на рисунке 1. Работая в проактивной области, техник по смазке может выполнить частичную замену масла или дозаправить его антиоксидантом, чтобы избежать деградации базового масла. (Примечание автора: Дозаполнение присадок должно проводиться с особой осторожностью и по совету опытных экспертов по смазочным материалам.)

Точно так же, для планирования и составления графика работы, мониторинг RUL предоставляет управлению значительное предупреждение о предстоящем отказе масла (с условием отсутствия вмешательства в химию), что позволяет событию быть обработанным таким образом, чтобы затраты и воздействие на организацию были минимизированы.

Когда добавки исчерпываются и начинается окисление базового масла, уходит возможность быть проактивным, и переходят в реактивную область (рисунок 1), где смазочное масло должно быть заменено или подвергнуто существенной обработке, чтобы избежать нежелательных последствий, таких как образование илов, образование смолы, зажим клапанов, коррозия и т. д.

Традиционно анализ использованного масла сосредоточен на измерении продуктов окисления базового масла, таких как кислоты, образующиеся в результате окисления, а не на способности масла сопротивляться окислению. Например, анализ AN использует реактив калия (KOH) для нейтрализации кислоты в масле. Объем щелочного реагента, необходимый для достижения точки нейтрализации, является функцией концентрации кислоты в масле.

Предполагается, что при окислении масла образуются органические кислоты, которые накапливаются в масле, вызывая увеличение коэффициента кислотности. Другой техникой, применяемой для обнаружения окисления базового масла, является анализ Фурье-трансформационной инфракрасной спектроскопии (FTIR). Анализ FTIR эффективно измеряет концентрацию различных органических или металлоорганических веществ, присутствующих в масле. При окислении масла углеводородные молекулы масла могут рекомбинироваться в растворимые и нерастворимые окисные продукты. FTIR измеряет накопление этих продуктов.

Изменение вязкости обычно является отставанием индикатора окисления. По мере деградации масла средний молекулярный вес увеличивается, что приводит к увеличению вязкости. Несмотря на достоверность всех этих измерений, факт остается фактом: все они показывают повреждение базового масла после его появления, что не является идеальным, потому что соответствующее обслуживание должно, по определению, быть реактивным. Предпочтительным сценарием является измерение и оценка способности масла сопротивляться окислению, его предельного срока службы, что способствует проактивному обслуживанию смазочного материала.

Измерение RUL – не новая концепция. Однако из-за сложности и стоимости проведения испытаний его применение было ограничено только крайне важными и большими системами, такими как турбогенераторы. На протяжении многих лет было доступно множество методов измерения RUL. Самым распространенным из них является испытание окисления вращающегося сосуда под давлением (RPVOT) – ASTM D2272, ранее называемое испытанием окисления вращающейся бомбы (RBOT).

В сущности, тест заключается в том, что образец масла помещается в сосуд под давлением вместе с водой и медным катушкой. Сосуд давится до 90 psi чистым кислородом и помещается в нагревательную ванну, установленную на 150°C на устройстве, вращающемся на 100 оборотов в минуту. По мере увеличения температуры сосуда под давлением и его содержимого давление растет. Точка, в которой оно стабилизируется, определяется как T₀, что представляет начало теста.

Со временем способность масла сопротивляться окислению становится хуже из-за истощения присадок, вызванного стрессом, до того момента, когда базовое масло начинает реагировать с кислородом, поскольку молекулы масла начинают окисляться. Поскольку кислород включается в химию масла, давление в герметичном сосуде начинает падать. Момент, когда давление падает на 25 фунтов на квадратный дюйм от давления в момент T₀, определяет окончание теста, обозначенное как T₁. Время, в минутах, необходимое для перехода от T₀ к T₁, отражается как значение RPVOT масла (Рисунок 2).

По мере разрушения присадочного пакета базовому маслу предоставляется меньше защиты. В результате число минут, необходимых для достижения T₁, уменьшается по мере старения масла в процессе эксплуатации, указывая на потерю RUL. Большее внимание привлекает фактический RUL, который является функцией значения RPVOT образца на стадии эксплуатации относительно базового значения для нового масла до начала эксплуатации.

Тест RPVOT надежен, но занимает много времени, дорог и требует значительного непосредственного контроля. Его результаты также могут быть вводящими в заблуждение в определенных обстоятельствах. Поэтому тест RPVOT не подходит для широкого круга смазываемых машин на предприятии.

Тест на окисление во вращающемся сосуде под давлением (RPVOT)

Несколько лет назад Робертом Кауффманом была предпринята работа в Университете Дэйтона для разработки более простого способа измерения остаточного срока службы масла. Эти исследования привели к тому, что сейчас называется и стандартизировано в ASTM D6810-02 как LSV. Для проведения испытания аналитик просто добавляет измеренный образец масла в пробирку, содержащую электролитическое решение. Затем аналитик вольтампером анализирует его для определения концентрации антиоксиданта по весу или по миллимолям (ммоль).

Вольтампер подвергает образец и электролитическое решение переменному разнонаправленному напряжению, что приводит к электрохимическому окислению добавок. Ток, протекающий между электродами, является функцией концентрации добавок. Снижение амплитуды тока по сравнению с базовой амплитудой при интересующем напряжении свидетельствует о уменьшении содержания антиоксидантного добавки (Рисунок 3).

Истощение антиоксидантного добавки

В то время как ASTM D6810 специально направлен на измерение фенольных ингибиторов в турбинном масле, ASTM утвердил второй стандарт, ASTM D6971, для измерения концентрации фенольных и ароматических аминов антиоксидантов в турбинных маслах без цинка.

Поставщик оборудования утверждает, что метод отлично подходит для измерения сопротивления окислению, обеспечиваемого ZDDP и аналогичными антиоксидантами/антиизносными добавками, но решил не преследовать стандартизацию связанной с этим процедуры испытания из-за уменьшающегося использования цинковых добавок.

Возможно, по мере роста интереса к применению этой технологии в более широком спектре промышленных смазочных материалов, возникнет вновь интерес к созданию дополнительных стандартных методов испытаний. Подробности о методах и доступных инструментах для их выполнения доступны в других источниках литературы. Главное заключение заключается в том, что тест можно выполнить за считанные секунды, и стоимость на один образец соответствует стоимости других рутиных тестов анализа использованного масла.

Существуют убедительные доказательства того, что LSV может эффективно и эффективно оценивать RUL масла. Было проведено много сравнений с RPVOT и другими традиционными показателями RUL, и инструмент, кажется, работает надежно.

Комитет ASTM, контролирующий такие тесты, был достаточно убежден в правильности техники, чтобы выпустить стандарт, связанный с ее использованием – и это трудная аудитория высококвалифицированных научных экспертов. Однако для специалистов по смазке или надежности оборудования более важен вопрос о том, как применить LSV на практике.

Зачем включать мониторинг RUL в программу анализа масла?

Теперь, когда существует быстрый, простой и надежный тест для измерения RUL смазочного материала, как его можно интегрировать в программы анализа масла и обслуживания? В первую очередь важно оценить способ, которым применяется более дорогой тест RPVOT. Обычно RPVOT используется только для ежегодного, полугодового или квартального анализа крупных систем, таких как турбогенераторы.

В то время как масло может быть тестировано дважды в неделю или ежемесячно на вязкость, AN, количество частиц и т. д., RUL тестируется только иногда. Стоимость является основной причиной того, что RPVOT проводится только время от времени и обычно только на наиболее критических системах. Тест RPVOT обычно стоит $200 или более за образец.

Таким образом, с более дешевой и удобной технологией RUL, возможно, мы могли бы тестировать RUL чаще на крупных критических системах и расширить ее применение на другие машины, которые исторически не были в центре внимания, такие как гидравлические системы, редукторы и т. д.

Первая реакция для большинства людей заключается в том, что увеличение частоты проведения испытаний RUL на крупных системах большого объема, таких как паровые турбины, является отличной идеей, но идея применения измерения RUL на маловместимых системах, таких как коробки передач и гидравлические системы, не имеет смысла, потому что стоимость масла на этих машинах слишком мала, чтобы оправдать проведение испытаний RUL.

Можно сказать, что проще просто поменять масло. Такой вывод не учитывает картину в целом. Основная цель и преимущество анализа масла заключается в том, что он позволяет принимать грамотные решения по обслуживанию. Поскольку RUL позволяет менеджерам прогнозировать необходимость технического обслуживания смазки, он способствует эффективному планированию и расписанию.

Точно так же, поскольку измерение RUL происходит в проактивной области, деградация смазки может быть эффективно предотвращена заранее, избегая коллатерального ущерба для масла и машины. Хотя стоимость самой смазки может быть незначительной, следует учитывать многочисленные источники потенциального коллатерального ущерба для машины, описанные ниже:

Коррозия

Процесс окисления порождает ряд побочных продуктов, включая кислоты. Кислота атакует поверхности компонентов, вызывая ямочное повреждение и деградацию поверхности. При наличии абразивов может возникнуть цикл коррозии-абразии, при котором коррозия создает легко абразивный материал, который обнажает легко кородируемый металл в цикле, который усиливает скорость износа. Вода, которая также производится как побочный продукт окисления и проникает из других источников, увеличивает коррозионный потенциал кислоты в масле.

Лакирование

Полимеры и оксиды являются другими побочными продуктами процесса окисления. Когда лак выходит из раствора, он склонен конденсироваться на поверхностях компонентов. Когда лак собирается на пассивных маслопроводах под действием гравитации, это может привести к голоданию. Когда лак собирается на обратной линии регулируемого потока подшипника, например, на тех, что находятся на бумажном стане, преграда приводит к увеличенной разнице давлений через подшипник, что нагружает уплотнения и может вызвать утечку.

Наращивание лака на сервоприводах, пропорциональных и других гидравлических клапанах с малым зазором приводит к заеданию, что может замедлить или остановить работу. Усугубляет проблему то, что частицы имеют тенденцию прилипать к лаку в клапанах, что еще больше усиливает проблемы с заеданием и вызывает абразивный износ. Отложения лака, которые накапливаются на внутренних поверхностях баков, труб и шлангов, химически активны и сокращают срок службы нового масла, добавленного в систему во время доливки или замены.

Потеря смазываемости

Окисление влияет на физические свойства масла, изменяя его текучесть и смазочные характеристики. Также суспензии шлама, образующиеся в результате окисления масла, обеспечивают полярные поверхности, к которым активные добавки, такие как противоизносные присадки, адсорбируются на поверхность шлама, и делают недоступными для защиты поверхностей машины, что является их предназначенной функцией.

Образование пены и воздушного включения

В момент начала деградации базового масла свойства межфазного натяжения масла начинают уменьшаться. Межфазное натяжение (связанное с поверхностным натяжением) – это физическое свойство, которое описывает легкость, с которой масло отделяется от нерастворимых веществ, таких как воздух и вода. Воздушное включение влияет на сжимаемость масла (объемный модуль). Масло хорошо работает в качестве смазки, потому что оно обладает отличной прочностью пленки в значительной степени из-за своей несжимаемости.

Фактически, вязкость масла увеличивается под нагрузкой в зоне контакта, что лежит в основе эластогидродинамического режима смазки, найденного во многих ситуациях контакта с прокаткой. Воздух, который, наоборот, является сильно сжимаемым, уменьшает прочность масляной пленки, увеличивая контакт поверхностью к поверхности и износ.

В гидравлических системах включенный воздух вызывает пенящийся эффект и потерю точности управления, снова из-за сжимаемости воздуха. Воздух является основной причиной газовой кавитации, которая может эродировать поверхности, на которые направлены импульсные силы имплозии. Под давлением компрессия нагревает включенные воздушные пузыри (изохорная компрессия) до такой степени, что горячие пузыри воздуха термически разлагают или образуют кокс, молекулы масла, с которыми они контактируют.

Также внутри пузырька воздуха происходит микродизелирование из-за наличия углеводородных паров (обычно более легких фракций масла). Масло, которое легко взвешивает воздух, окисляется с высокой скоростью из-за увеличения контакта поверхности между воздухом (источником кислорода) и маслом. Переизбыточное количество воздуха может привести к пенообразованию. Пена препятствует отводу тепла. Она может выйти за пределы резервуара или поддона, в котором содержится масло, и протечь на пол, вызывая скольжение или даже пожарные опасности. Кроме того, она быстро окисляется, образуя кислоты и осадки в масле.

Плохая демульсибильность воды

Как и в случае взвешивания воздуха и склонности к пенообразованию, демульсибильность воды или способность масла отделяться от воды является функцией межфазного натяжения, которое начинает быстро снижаться, когда базовое масло начинает окисляться.

Вода вызывает ржавчину, увеличивает скорость коррозии, гидролизует добавки и компоненты базового масла, создает опасные условия вспышечного испарения и паровой кавитации, нарушает эластогидродинамическое смазывание в контактах скольжения (роликовые подшипники, линия зацепления зубьев зубчатой передачи и т. д.), вызывает водородно-индуцированный износ (хрупкость и пузырьковость), смывает полярные добавки из масла и усугубляет воздухопроницаемость и пенообразование. Практически не нужно говорить, насколько важно контролировать загрязнение водой. Управление свойствами разделения воды является основным компонентом управления загрязнением водой. Окисление базового масла негативно влияет на хрупкие демульсионные свойства.

Засорение фильтра

Нарастание отложений варниша и ила может вызвать быстрое истощение фильтра (что становится большой статьей расходов для некоторых машин). Также, попадание воды из-за плохих демульсионных свойств негативно влияет на фильтрацию масла. Фильтрация относится к легкости, с которой смазка проходит через механическую фильтрующую среду. Наличие поглощенной воды существенно негативно влияет на фильтруемость.

Если возможность более эффективного планирования и графика технического обслуживания смазки не является достаточным мотивом для рассмотрения более частого мониторинга остаточного ресурса на больших системах и введения его на маловместительные машины, такие как коробки передач и гидравлические агрегаты, то желание избежать побочных повреждений, вызванных деградацией базового масла, должно стать тем движущим фактором. Теперь это просто вопрос выполнения.

Внедрение измерения остаточного ресурса в программу анализа использованного масла

Для разработки стратегии анализа масла, анализ на основе RPVOT будет называться RUL, а анализ на основе LSV будет называться скринингом RUL. Необходимо разработать соответствующую стратегию применения RUL и RUL скрининга. Стратегия должна учитывать машину, рабочую среду и применение. Чтобы решить, когда включить RUL скрининг в тестовый план анализа масла, разделите своё оборудование на три группы:

1. Критические системы большого объема, для которых в настоящее время выполняется тестирование RPVOT на регулярной основе;
2. Системы меньшего объема, для которых в настоящее время тестирование RPVOT не проводится, но при этом анализ масла используется для принятия решений о состоянии на основе условий; и
3. Менее объемные системы, для которых замена масла основана на расписании и проводится анализ масла для выявления необычных случаев деградации смазочного материала и облегчения анализа корневых причин, связанных с этим.

Для крупных критических систем, на которых в настоящее время проводится анализ остаточного ресурса в рамках квартального, полугодового или годового периода, анализ остаточного ресурса должен быть включен в регулярный месячный или двухнедельный комплекс тестов анализа масла. Если эти системы уже регулярно проверяются на наличие изношенных металлов, количественный анализ частиц и т. д., разумно добавить анализ остаточного ресурса в комплекс тестов.

В случае если RUL-скрининг выявляет потенциальную проблему, следует провести исключительно основанный на RPVOT анализ RUL для подтверждения состояния. Также периодический (ежеквартальный, полугодовой или годовой) анализ RUL, основанный на RPVOT, должен продолжаться, поскольку это проверенный временем метод. Со временем эта стратегия может быть пересмотрена, но сейчас она разумна, не добавляет много затрат в программу и обогащает программу большим объемом информации и возможностей.

Традиционные тесты на деградацию смазочного материала, такие как AN, FTIR и вязкость, не должны быть исключены, потому что они могут выявить важные проблемы, не связанные с RUL, такие как неправильное добавление масла.

Для меньших систем, где анализ масла используется для принятия решений о замене на основе состояния, скрининг RUL должен быть включен в повседневный (еженедельный, ежемесячный, раз в два месяца или ежеквартальный) график тестов анализа масла.

Обычно рутинный образец будет включать в себя тесты для обнаружения аномального износа, избыточного уровня загрязнения и деградации смазки. Как уже обсуждалось, обнаружение деградации смазки после факта ограничивает планирование технического обслуживания и планирование расписания и может привести к нежелательным побочным последствиям.

Добавление скрининга RUL к рутинному набору тестов не устраняет традиционные тесты на деградацию смазки, такие как AN, FTIR и вязкость, потому что еще раз они могут выявить важные проблемы, не связанные с RUL, такие как неправильное добавление масла.

Для небольших систем, где анализ масла не используется для принятия решений об изменении основанных на состоянии условий, скрининг RUL не должен преследоваться. Для этих машин тесты на свойства смазки полезны только для определения аномального рабочего состояния и облегчения анализа корневой причины.

Следует ли принять решение о переходе к изменениям на основе состояния машины из-за новой стратегии периодической дезактивации масла с использованием оффлайн фильтрации, если смазочное масло машины было обновлено до синтетического или какого-то другого стратегического решения, то в регулярный набор тестов по анализу масла следует добавить скрининг RUL.

Ценность скрининга RUL относительно различных типов машин должна быть ясной. Поэтому сейчас важно знать, где получить данные. Приборы для проведения измерений RUL на основе LSV подходят как для применения на месте, так и в лабораторных условиях. Заводы и предприятия с масштабом, желанием и средствами для проведения анализа масла на месте обнаружат, что приборы для проведения LSV имеют разумную стоимость и легки в использовании.

Помимо стоимости приобретения, необходимо также учитывать постоянные затраты на приобретение реагентов для тестирования. Опять же, они сравнительно разумны, особенно если RPVOT является точкой отсчёта. Если принято решение не приобретать оборудование для проведения LSV на месте, можно обратиться в лабораторию анализа масел.

Если лаборатория принадлежит компании и существует для поддержки потребностей завода, возможно побудить руководителя лаборатории добавить данную технологию в предложение лаборатории, особенно если менеджеры программы анализа масел других объектов, поддерживаемых этой лабораторией, также заинтересованы в данной услуге. Если анализ масел заключён с коммерческой лабораторией анализа масел, руководитель лаборатории или владелец лаборатории должны быть контактированы и сообщены причины ценности этой информации.

Вероятно, все больше и больше лабораторий добавят LSV в свои услуги, особенно сейчас, когда метод был стандартизирован ASTM.

Заключение

Ранее строгая область крупных систем критической смазки, таких как паровые турбины, измерение RUL теперь доступно для более широкого круга машин на заводе. Из-за высокой стоимости RPVOT, его применение исторически было ограничено периодической и редкой оценкой крупных критических систем.

Недавно стандартизировано по ASTM, LSV позволяет пользователям получать ценные сведения о RUL смазки на регулярной основе для широкого спектра оборудования по очень низкой стоимости за образец. Это позволяет профессионалам по смазке активно управлять сроком службы смазки, планировать техническое обслуживание смазки и избегать негативных последствий деградации основного масла. Будущее уже здесь, пришло время применить технологию и методику на практике!

1. ASTM D6810-02 – Стандартный метод испытаний для измерения содержания затрудненных феноловых антиоксидантов в смазочных маслах HL для турбин с помощью линейной вольтамперометрии. Американское общество по испытаниям и материалам International, West Conshohocken, Pa.
2. ASTM D6971 – Стандартный метод испытания для измерения содержания феноловых и ароматических аминов антиоксидантов в нецинковых турбинных маслах методом линейной вольтамперометрии. Международное агентство по испытаниям и материалам Америки, Уэст-Коншохокен, Пенсильвания.
3. Кауффман, Р.Е. (1994). Быстрое определение оставшегося срока службы смазочного материала. Справочник по смазке и трибологии, Том III. Редактор – Ричард Бузер. Издательство CRC Press, Бока-Ратон, Флорида.