Analiza oleju a konserwacja zapobiegawcza

Proszę sobie wyobrazić skutki, jakie mogą towarzyszyć zaniedbaniom w nadzorze układów smarowania sprzętu w zakładzie. Awaria przez to spowodowana może prowadzić zarówno do katastrofy, jak i do poważnych strat ekonomicznych. Nie tylko z powodu kosztów naprawy fizycznych uszkodzeń, ale także z powodu czasu przeznaczonego na reperację, a zwłaszcza strat poniesionych wskutek przestoju urządzenia.  

Programy analizy oleju 

Praca bez zakłóceń i długi czas eksploatacji maszyn w zakładzie mają zasadnicze znaczenie, dlatego niektórzy producenci urządzeń oferują swoim klientom program profilaktyki zapobiegawczej, przy wykorzystaniu analizy i monitoringu oleju. Polega on na regularnym pobieraniu próbek oleju, po analizie których, przy wykorzystaniu kombinacji testów chemicznych i fizycznych, możliwa jest ocena właściwości eksploatacyjnych zarówno oleju jak i układu smarowania lub układu hydraulicznego. Poprzez monitorowanie stanu oleju w trakcie eksploatacji, jego właściwości fizycznych, poziomu zanieczyszczeń oraz rodzaju i kształtów cząstek, można lepiej zrozumieć, jakim czynnikom podlegają smarowane elementy podczas eksploatacji. 

Tego typu program jest tradycyjnie oferowany przez część większych producentów urządzeń oraz przez myślących przyszłościowo właścicieli firm olejowych i firm serwisowych, którzy również zaczynają doceniać jego znaczenie. Oferując wszechstronny program konserwacji zapobiegawczej, przy wykorzystaniu analiz oleju, uzyskują dane, które dostatecznie wcześnie ostrzegają klientów przed wystąpieniem poważniejszych problemów. 

Co nam mówi analiza oleju? Weźmy przykład układu hydraulicznego. Można założyć, że składa się on z dwóch zasadniczych elementów, części ruchomych i środka smarnego. Wszystko pozostałe może być uważane za ciała obce. W miarę zużywania się układu małe mikroskopijne cząstki zużyciowe i produkty utleniania oleju będą przechodzić do oleju. Cząstki te mogą być nośnikiem bardzo ważnych informacji, np. które części ulegają zużyciu lub czy zanieczyszczenie pochodzi ze źródła zewnętrznego. Chociaż jest wiele różnych metod badawczych i sposobów rozwiązania tego problemu, aby rozwiązanie to było efektywne, program analizy oleju powinien być nastawiony na diagnostykę urządzeni i musi zawierać zestaw pomiarów fizykochemicznych. Najważniejsze z nich to:

Klasa czystości oleju: największym wrogiem dla smarowanych elementów i czyniących największe spustoszenie w urządzeniach są cząstki stałe. W celu określenia ilości i wielkości tych zanieczyszczeń dokonuje się odpowiednich pomiarów zgodnie z normami za pomocą specjalnych urządzeń takich jak liczniki cząstek. 

Licznik cząstek: w jednym z typów w licznika cząstek do pomiaru ilości i wielkości cząstek zawieszonych w oleju jest stosowana zasada rozpraszania światła. Przez próbkę oleju z układu smarowania przechodzi wiązka światła laserowego, każda z cząstek może przeciwdziałać dotarciu światła do detektora. W przypadku olejów pochodzących z układów, licznik cząstek jest typowo ustawiany na pomiar trzech różnych rozmiarów cząstek tj. 4, 6 i 14 mikronów, (wg normy ISO 4406: 1999). Wiedza o ilości i wielkości cząstek pozwala na podjęcie szybkich akcji korygujących czystość oleju (filtrację).

Woda: Po zanieczyszczeniach stałych – drugie najbardziej destrukcyjne zanieczyszczenie w oleju. W małych ilościach to zanieczyszczenie nie będzie powodować poważniejszych szkód. Mimo to należy zawsze dążyć minimalizacji jej ilości. W większych ilościach może prowadzić do zerwania filmu olejowego, powstawania emulsji, które mogą zatkać filtry, uczestniczyć w powstawaniu kwasów działających korozyjnie na metale i przyśpieszających utlenianie oleju. Analiza zawartości wody może być wykonywana metodą spektroskopii w podczerwieni lub metodą miareczkową Karla Fischera a nawet zgrubnymi metodami na miejscu (np. test gorącej płytki lub metodą Martechnik).

Całkowita Liczba Kwasowa (Total Acid Number – TAN) i Całkowita Liczba Zasadowa (Total Base Number – TBN): metody te monitorują zawartość organicznych kwasów i zasad, które powstają odpowiednio jako produkty utleniania wskutek działania ciepła (TAN) lub pochodzą z dodatków w pracującym oleju (TBN).

Lepkość: wskutek działania wyższych temperatur, w miarę upływu czasu olej podlega degradacji, a jego lepkość wzrasta. Monitorowanie lepkości oleju często jest dobrym wskaźnikiem i może być pomocne do określenia, czy olej trzeba wymienić.

Metale pochodzące z procesów zużycia: metaliczne cząstki w oleju, generowane przez procesy zużycia, mogą zawierać informację o stanie poszczególnych elementów maszyn. Kierunek zmian w odniesieniu do stężenia podstawowych i rzadkich pierwiastków w oleju może pomóc w zidentyfikowaniu ich prawdopodobnego źródła pochodzenia (tabela 1). 

Analiza metali pochodzących z procesów zużycia jest wykonywana przy zastosowaniu optycznych technik emisyjnych. Typowy wynik analizy metali ze zużycia metodą spektroskopii emisyjnej (rys. 1) wskazuje na tendencję wzrostu zawartości ołowiu i miedzi w funkcji czasu w próbce oleju smarującego łożysko z brązu. Można jednoznacznie stwierdzić, że po około 6000 – 7000 godzin pracy poziomy zawartości ołowiu i miedzi w oleju zaczynają wzrastać, wskazując na możliwość pojawienia się problemu z tym łożyskiem. 

Tabela 1. Typowe źródła zanieczyszczeń w oleju

Z kolei monitorowanie zawartości pierwiastków znajdujących się w dodatkach, dla danej formuły produktu, może być wskaźnikiem, kiedy pakiet dodatków się wyczerpie lub czy nastąpiło zanieczyszczenie innym olejem lub inną substancją. Jest to niezwykle istotna część analizy olejów pochodzących z pracujących układów, szczególnie tam, gdzie jest stosowanych wiele produktów o różnym składzie. 

Zawartość metali żelaznych: do pomiaru masowej zawartości metali żelaznych w oleju jest stosowana czuła metoda ferromagnetyczna, do opisu jest stosowany parametr PQ (Particle Quantifier) – wskaźnik cząstek ferromagnetycznych. W testach na zawartość wszystkich metali pochodzących z procesów zużycia wskaźnik PQ jest jedynie miarą zużywania się metali żelaznych.  

Badanie z wysoką przepustowością

Aby program konserwacji zapobiegawczej przy zastosowaniu analizy oleju był skuteczny, olej musi być badany regularnie. Analiza oleju z nowego urządzenia dostarcza informacji wyjściowych do dalszych interpretacji, jednakże aby uniknąć „szumu informacyjnego” (pozostałości po produkcji lub dawnej eksploatacji) należy zawsze zapewnić idealną czystość układów olejowych przed nalaniem świeżego oleju. Następnie, w miarę pracy urządzenia, olej z układu jest pobierany do badań z ustaloną częstotliwością. Zmiany właściwości fizykochemicznych oleju w funkcji czasu wskazują na panujące tendencje, które z kolei mogą wskazywać na kilka potencjalnych problemów, takich jak: rozkład termiczny lub oksydacyjny oleju, zużycie elementu maszyny, czy zanieczyszczenie ze źródeł zewnętrznych.

^{Rys. 1. Charakter zależności zawartości ołowiu i miedzi w funkcji czasu dla próbek oleju pobieranych z łożyska z brązu}

Kluczem do uniknięcia poważnego uszkodzenia jest częsta analiza próbek oleju, szybkość uzyskiwania wyników i dobra precyzja. Niestety, badania o dużej przepustowości mają czasami negatywny wpływ na jakość wyników, o ile stosowana aparatura nie jest optymalnie dobrana do konkretnego celu. Do tego typu zastosowań, gdzie wymagane jest wykonywanie kilkuset tysięcy badań rocznie, wymagana jest ścisła współpraca pomiędzy producentem aparatury a użytkownikiem sprzętu. Producent aparatury zna technologię i jej działanie, podczas gdy użytkownik aparatu ma wiedzę na temat aplikacji i doświadczenie, które może być bazą do podejmowania poważnych decyzji na podstawie uzyskanych danych. Istnieją dwie podstawowe techniki analityczne, stosowane w większości testów chemicznych w programie analizy oleju pochodzącego z układów maszyn. 

ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer) jest to szybka metoda analizy wielu pierwiastków w roztworach wodnych i organicznych. W metodzie tej do wzbudzenia atomów z próbki z ich stanu podstawowego jest wykorzystywana plazma argonowa, powodująca emisję fotonów światła o specyficznej długości fali, charakterystycznej dla danego pierwiastka. Fotony są następnie skupiane w układzie optycznym i kierowane na detektor, gdzie są zliczane przy zastosowaniu czułego obwodu pomiarowego. Intensywność emisji, odpowiadająca poszczególnym metalom śladowym w próbce, jest następnie mierzona przez porównanie z wzorcami kalibracyjnymi. 

Zasada spektroskopii w podczerwieni (FTIR) polega na tym, że różne struktury cząsteczkowe w próbce wykazują odmienne specyficzne charakterystyki absorpcji długości fali – nazywane jest to widmem IR. Przez porównanie intensywności i kształtu pasm cząsteczkowych, powstających podczas absorpcji promieniowania IR, składnik zawierający dane ugrupowania może być zidentyfikowany i zmierzony. Zwłaszcza przydatne do określania stopnia zestarzenia czy zawartości niektórych zanieczyszczeń czy dodatków. Na przykład woda może być łatwo zidentyfikowana w oleju smarowym przez odnalezienie pasma H₂O.  

Analiza końcowa

Zalety programu analizy oleju są niepodważalne. Istnieje niezliczona liczba przykładów na to, jak firmy zaoszczędziły duże pieniądze na minimalizacji czasu przestoju maszyn. Stosując internetową bazę danych, koncerny olejowe i serwisowe firmy olejowe dysponują obszerną wiedzą z zakresu analiz olejowych, koncentrują się na miejscach, gdzie występują problemy i oferują pomoc ekspertów. 

Artykuł pod redakcją Haliny Gawrońskiej