Osady i laki w układach przemysłowych: przyczyny, diagnostyka i metody zapobiegania

laki i osady w układach olejowych: mechanizmy i konsekwencje

Współczesne układy olejowe, z racji swojej miniaturyzacji, szeroko pojętej ekologii oraz wysokich obciążeń, sprzyjają intensywnej degradacji środków smarnych. Jednym z bardziej problematycznych efektów tego procesu jest powstawanie nierozpuszczalnych osadów. Cząstki o charakterze submikronowym mogą powstawać w wyniku lokalnych przegrzewów, microdieselingu, wyładowań elektrostatycznych czy wyczerpania się dodatków. Ponadto generacja osadów może być również efektem niepoprawnego procesu blendingu oleju oraz zmieszania olejów niekompatybilnych. Początkowo w niewidoczny sposób obniżają sprawność maszyn i urządzeń, a w skrajnych przypadkach powodują kosztowne awarie i przestoje.

Zrozumienie mechanizmu formowania się laków ma kluczowe znaczenie dla sprawnego utrzymania ruchu. Wczesne wykrycie symptomów problemu pozwala podejmować działania zapobiegawcze i korygujące, redukując ryzyko uszkodzeń.

zjawiska wpływające na powstawanie osadów:

Utlenianie oleju – jest to główny proces degradacji środka smarnego, obserwowany m.in. przez wzrost liczby kwasowej, zmianę barwy oleju, wzrost lepkości oraz obecność produktów degradacji na widmie FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy). Polega na łączeniu się składników oleju z katalizatorem, tworząc tym samym reaktywne wolne rodniki, których liczba rośnie wskutek dalszych reakcji. Powyższy proces będzie trwać do momentu zablokowania wolnych rodników przez antyoksydanty, tworzące obojętne produkty uboczne. Warto zauważyć przyjętą właściwość, że każde podniesienie temperatury o 10 °C zwielokrotnia oksydację (szczególnie przy obecności katalizatora – metale, tlen, podwyższone ciśnienie), co w przybliżeniu skraca żywotność środka smarnego o połowę (reguła Arrheniusa).

Polimeryzacja – połączenie się kwasów karboksylowych i wodoronadtlenków (ROOH – inicjator reakcji rodnikowych) w większe cząstki. Doprowadza to do powstawania dużych cząstek o niskiej masie cząsteczkowej. Każdy wzrost stopnia polimeryzacji oleju podnosi lepkość.

Termiczna i ciśnieniowa degradacja bazy olejowej – natlenianie oleju, połączone z adiabatyczną kompresją, może powodować implozję pęcherzyków powietrza w oleju – microdieseling. W konsekwencji zjawisko to tworzy lokalne miejsca przegrzania oleju, powodując degradację termiczną środka smarnego.

Degradacja bazy olejowej przez wyładowania elektrostatyczne – tarcie molekularne pomiędzy olejem a elementami układu olejowego tworzy różnicę potencjałów. W zbiornikach następuje wyładowanie elektrostatyczne, tworząc lokalne przegrzewy.

proces tworzenia się osadów:

Osady niskotemperaturowe (tzw. cold varnish)
Wskutek utleniania środka smarnego powstają polarne cząstki, które inicjują proces powstawania lakierów. Polarne produkty degradacji, przekraczając punkt nasycenia roztworu, aglomerują się na powierzchniach metalowych układu, tworząc tym samym osad. Ze względu na charakterystykę termiczną procesu, lakiery najczęściej powstają w chłodnych strefach układu (np. chłodnice, zawory, filtry).

Proces powstawania osadów ma charakter odwracalny, co (przez zmianę temperatury) umożliwia sterowanie położeniem punktu nasycenia. Monitorowanie nierozpuszczalnego osadu może dostarczyć informacji o ilości zanieczyszczeń nagromadzonych na powierzchniach układu. Obserwowanie zawartości laków rozpuszczonych może pomóc określić stopień nasycenia oleju osadami o wymiarach poniżej mikrona, szacując poziom ryzyka zanieczyszczenia powierzchni elementów w głębi układu wskutek nagłego obniżenia temperatury.

osady wysokotemperaturowe (tzw. hot varnish)
Degradacja oleju następuje lokalnie, w miejscach największych naprężeń ścinających oddziałujących na środek smarny. Powstała energia cieplna powoduje miejscowy skok temperatury, doprowadzając do tworzenia się osadów. Zjawisko to najczęściej występuje w układach maszyn wysokoobrotowych, gdzie pod wpływem dużych obciążeń dochodzi do zmniejszenia grubości filmu smarnego; może również wystąpić po naprawach lub rekonfiguracjach układu.

parametry pomiarowe mogące wskazywać na ryzyko powstawania osadów w układzie

MPC (Membrane Patch Colorimetry) – badanie polegające na określeniu skłonności do powstawania nierozpuszczalnych osadów przy użyciu rozpuszczalnika niepolarnego oraz spektrofotometru. Analiza polega na wygrzewaniu próbki w temperaturze 60 °C przez 24 godziny oraz jej przechowywaniu przez 72 godziny w temperaturze 20 °C. Następnie olej przepuszczany jest przez sączek (0,45 μm), którego analiza kolorymetrem daje wynik (ΔE) z następującymi składowymi:

• Luminancja – L – im większy udział ciemnych cząstek, tym niższa wartość L.
• Wartość czerwona – a – im większa wartość, tym większa obecność cząstek korozyjnych.
• Wartość żółta – b – im większa wartość, tym większa skłonność do tworzenia kleistych osadów.

RULER (voltanometria) – liniowy wzrost napięcia rozkłada określone antyoksydanty (aminowe/fenolowe) przy ustalonym napięciu prądu, tworząc charakterystyczny pik na wykresie. Porównując otrzymaną krzywą z referencją, jesteśmy w stanie określić pozostałą ilość dodatków antyutleniających. Krytycznie niska zawartość antyoksydantów zwiększa skłonność do utleniania środka smarnego, czego konsekwencją jest tworzenie się osadów na powierzchniach układu.

Liczba kwasowa – produkty oksydacji oleju cechuje odczyn kwaśny, dzięki czemu możemy obserwować stopień degradacji starzeniowej środka smarnego oraz oszacować jego pozostałą przydatność eksploatacyjną. Liczba kwasowa mierzona jest poprzez miareczkowanie potrzebnego wodorotlenku potasu (KOH) do zneutralizowania wszystkich produktów degradacji o odczynie kwaśnym z 1 grama próbki.

Stabilność oksydacyjna (Rotating Pressure Vessel Oxidation Test – RPVOT) – badanie obciąża środek smarny wysoką temperaturą (150 °C), obecnością wody, tlenu pod ciśnieniem oraz miedzią w roli katalizatora. Stabilność oksydacyjna oznaczana jest przez pomiar czasu potrzebnego do określonego spadku ciśnienia (1,75 bar) względem największego zmierzonego ciśnienia podczas testu. Obniżona stabilność oksydacyjna sprzyja przemianom chemicznym oleju, tym samym tworzeniu się osadów na elementach układu.

Zawartość cząstek zanieczyszczeń wg ISO 4406 – duże zanieczyszczenie oleju często tworzy aglomeraty w postaci osadów, które ze względu na swoją polarność mogą w kontakcie z wodą, powietrzem oraz innymi związkami tworzyć trudno rozpuszczalne szlamy i laki.

skutki tworzenia się osadów

• Ograniczenie wymiany ciepła elementów układu, podwyższając temperaturę układu.
• Aglomerowanie się zanieczyszczeń, zatykanie filtrów.
• Przyspieszenie degradacji oleju.
• Zmniejszenie wymaganych przez producenta urządzenia luzów i pasowań.
• Doprowadzanie do niewłaściwego sterowania zaworów, zacinania się układów sterujących.

jak ograniczyć skłonność do powstawania osadów (zmniejszyć MPC)

• Stosowanie olejów wysokiej jakości.
• Regularne odświeżanie oleju.
• Stosowanie dodatków wspomagających rozpuszczenie osadów.
• Nanofiltacja – filtracja polegająca na przepływie oleju pod ciśnieniem przez membrany o określonej, małej porowatości, które zatrzymują większe cząstki i zanieczyszczenia.
• Filtry aglomeracyjne – efektywne wyłapanie zanieczyszczeń submikronowych. Medium rozdzielane jest na dwa strumienie, nakładając przeciwny ładunek na cząstki osadów, które po ponownym zmieszaniu aglomerują w większe zanieczyszczenia. Metoda ta umożliwia kontynuowanie filtracji w sposób mechaniczny.
• Filtry elektrostatyczne – zatrzymują osady rozpuszczalne i nierozpuszczalne, wykorzystując przyciąganie polarne występujące pomiędzy wkładem filtracyjnym a cząstkami laków.
• Filtry jonowymienne – usuwanie osadów przez wiązanie jonowe pomiędzy polarnymi cząstkami zanieczyszczeń a żywicami wkładów filtracyjnych o złożonej powierzchni chłonnej.

metody mechaniczne w przypadku poważnego zabrudzenia układu

• Czyszczenie hydrodynamiczne (hydroblasting) – metoda polegająca na czyszczeniu wnętrza układu bez użycia środków myjących. Wykorzystywana jest woda pod bardzo wysokim ciśnieniem (nawet do 3 tys. bar). Proces ten skutecznie usuwa powstałe osady, szlamy i produkty korozji, jednocześnie minimalizując ryzyko uszkodzenia czyszczonych elementów.

podsumowanie

Powstawanie laków i osadów jest naturalnym efektem degradacji oleju, wynikającym z procesów utleniania, obciążeń cieplnych oraz warunków pracy układu. Zanieczyszczenia te mogą znacząco obniżać sprawność maszyn, przyspieszać starzenie środka smarnego i prowadzić do awarii. Regularne monitorowanie parametrów fizykochemicznych oleju oraz stosowanie odpowiednich metod filtracji i oczyszczania pozwala ograniczyć ryzyko ich powstawania i utrzymać układ w bezpiecznym stanie eksploatacyjnym.

bibliografia

1. 1. Michael Barrett, Insight Services; „Varnish Potential Analysis”.
2. 2. Hasanur J. Molla et al., Saudi Aramco; „Resolving Varnish Challenges Using Soluble Varnish Removal Technology”.
3. 3. Dave Wooton, Wooton Consulting; Greg Livingstone, Fluitec International; „Complete Guide to Lubricant Deposit Characterization”.
4. 4. Noria Corporation; „The Lowdown on Oil Breakdown”.
5. 5. Jim Fitch, Noria Corporation; „The Power of the Patch: Comparing Particle Analysis Methods Using Membranes”.
6. 6. Jim Fitch, Noria Corporation; „Sludge and Varnish in Turbine Systems”.
7. 7. Wasan Chokelarb, Pornsawan Assawasaengrat, Andy Sitton, Thanant Sirisithichote, Pongsert Sriprom; „Soluble and Insoluble Varnish Test Methods for Trending Varnish Buildup in Mineral Turbine Oil”.
8. 8. Ghasem Shilati, Naham Pala Engineering; „Deficiencies of Membrane Patch Colorimetry (MPC) Test: The Varnish Potential Test”.
9. 9. Bennett Fitch, Noria Corporation; „Identifying the Stages of Oil Oxidation”.
10. 10. Greg Livingstone; „Varnish Deposits in Bearings: Causes, Consequences, and Cures”.
11. 11. Justin Stover, C.C. Jensen; „Adsorption: A Simple and Cost-Effective Solution to Remove Varnish”.
12. 12. Greg Livingstone; „Varnish Deposits in Bearings: Causes, Consequences, and Cures”.
13. 13. Nguyen Truong, Noria Corporation; „Today’s Varnish Control Technologies”.
14. 14. Sung-Ho Hong, Eun Kyung Jang; „Varnish Formation and Removal in Lubrication Systems: A Review”.