Moderní oleje a nový přístup k jejich analýze

V posledním desetiletí však došlo k poměrně dramatickým změnám. Moderní oleje jsou formulovány jinak než jejich předchůdci z nedávné minulosti - postupně se při výrobě maziv používají základové oleje Group II (a vyšší) a kombinace různých typů antioxidantů. Mnoho uživatelů spoléhajících se na desítky let staré tradiční analytické postupy tak zůstává nepřipravených, protože tyto testy již nejsou tak prediktivní nástroj jako kdysi.

Tabulka 1 – rozdělení základových olejů do skupin dle jejich složení

Group I - tzv. Solvent Neutral; vyšší zastoupení aromatických uhlovodíků, nasycené uhlovodíky pod 90%, VI v rozmezí 80-120, síra nad 0.03%;
dobrá rozpustnost přísad

Group II - Hydrokrakové oleje; obsah nasycených uhlovodíků nad 90%, nízký obsah aromatických uhlovodíků,  síra pod 0.03%, VI nad 120;
zhoršená rozpustnost přísad

Group III - silná hydrogenace, hydroizomerace;  výrazně nad 90% nasycených uhlovodíků, prakticky bez aromatických uhlovodíků,  síra pod 0.03%, VI nad 120;
špatná rozpustnost přísad

Group IV - Syntetické uhlovodíky – typicky PAO; VI nad 130

Group V - Ostatní syntetické oleje – polyestery a polyolestery

Mnoho dnešních mazacích olejů je značně odlišných od těch používaných v předchozích desetiletích. Hlavní faktory ovlivňující změny ve formulacích olejů byly zvyšující se nároky na maziva např. od výrobců strojů a zařízení, modernizované technologie výroby olejů z ropy, snaha přeformulovat mazací oleje pro zvýšení hodnoty oleje vůči zákazníkovi a omezení dopadů výroby a likvidace olejů na životní prostředí.

Obecně přechod od olejů Group I na oleje Group II a III olejů přinesl změny chování olejů v provozu. Zmíněné nové generace olejů degradují odlišně než tradiční formulovaná maziva. Nelineární degradace většiny moderních maziv souvisí s výběrem antioxidantů a také s oxidační stabilitou základových olejů Group II a III.  Základové oleje Group II a III mají sice lepší oxidační stabilitu než oleje Group I, ale pokud dojde k vyčerpání antioxidantů a začne degradace vlastního oleje, degradují pak velice rychle. V důsledku toho většina standardních olejových analýz neposkytuje žádné varování o tom, kdy začne olej degradovat a vytvářet úsady.

Místo toho, aby degradace probíhala lineárně a předvídatelným způsobem, mnoho z moderních maziv má delší životnost a výkonnost, ale rychle selhává na konci své životnosti, jak je znázorněno na obr. 1.
Laboratorní analýza oleje byla, je a bude základním nástrojem pro odhalení počínajícího selhávání maziva. Tradiční soubor laboratorních zkoušek olejů však nedostatečně informuje o počínající degradaci olejů vyrobených ze základových olejů Group II a III, a vůbec neposkytuje informaci o tendenci oleje tvořit úsady v olejovém systému. To je názorně dokumentováno na obrázku 2, kde jsou shrnuty výsledky oxidačního testu trvajícího 8 týdnů.

Z obrázku 2 je zřejmé, že viskozita oleje mírně rostla, ale její změna byla cca +2%. Celkové číslo kyselosti TAN signalizovalo degradaci oleje až v poslední etapě testu. Hodnota RPVOT (rotating pressure vessel oxidation test) poklesla max. o 10%. Naopak velmi dobře korelují výsledky poklesu obsahu nízkoteplotního antioxidantu na bázi stíněných fenolů s rostoucí hodnotou MPC (membrane patch colorimetry), testem, který identifikuje potenciál oleje k tvorbě úsad v olejovém systému. Výsledky jsou ještě shrnuty v tabulce 2. Kromě jiného výsledky také dobře korespondují s poznatkem z minulých let týkajícím se testu RPVOT. Tento test velmi dobře dokáže rozlišit oxidační stabilitu nových nepoužitých olejů, ale horší je to se vztahem jeho výsledků k stavu provozovaného oleje a především k identifikaci sklonu oleje ke tvorbě úsad v olejovém systému. Dále bylo zjištěno, že některé typy antioxidantů, které ve výsledné formulaci oleje dávají vynikající výsledky testu RPVOT, mohou vést ke zvýšené tvorbě úsad v olejovém systému. Výsledky RPVOT plně formulovaného oleje mohou být také ovlivněny některými inhibitory koroze a pasivátory kovů, protože při testu se používá měděný katalyzátor, jehož povrch může být těmito přísadami „obsazen“ a tím pádem dochází ke snížení katalytického účinku mědi při testu.


Stanovení množství antioxidantů – zkouška RULER (voltametrie)
Bylo prokázáno, že přímé monitorování jednotlivých antioxidantů je velmi dobrá prediktivní metoda pro sledování úbytku antioxidantů a poskytuje hlubší pochopení toho, jak oleje degradují. FTIR analýza je řadu let užitečným nástrojem ke sledování degradace olejů, včetně některých antioxidantů. RULER (ASTM D6971, D7590, D6810, D7525) je speciálně navržen tak, aby sledoval jednotlivé antioxidanty a na rozdíl od FTIR tato zkouška není ovlivněna jinými chemickými sloučeninami. RULER identifikuje typ antioxidantů v oleji a porovnáním výsledků s novým olejem umožňuje určit, kolik antioxidantů bylo vyčerpáno. Příklad výsledků z RULERu lze vidět níže. Důležité je, že na rozdíl od FTIR se pomocí RULERu velmi dobře monitoruje obsah aminických antioxidantů a lze tak získat komplexní pohled na aktuální rezervu oxidační stability analyzovaného oleje.
 
Stanovení potenciálu k tvorbě úsad – MPC
Jakmile se spustí degradace antioxidantů v mazivu, první fyzický dopad na mazivo je produkce velmi malých sub-mikronových nečistot. Tyto částečky nečistot se mohou skládat z produktů degradace základových olejů, ale v počátečních fázích vývoje se častěji skládají z degradovaných antioxidantů. Zkouška, která se ukázala jako nejslibnější při prokazovaní přítomnosti produktů degradace, se označuje jako Membrane Patch Colorimetry (MPC).
Kolorimetr vyhodnocuje zbarvení membrány průměru 47mm s porozitou 0,45µm způsobené zachycenými nerozpustnými nečistotami a produkty degradace. Čím vyšší je změřená hodnota ΔE kolorimetrem, tím vyšší je znečištění oleje a tím vyšší je i zároveň potenciál k tvorbě úsad v olejovém systému (neboli Varnish Potential). Pro tento postup od prosince 2012 platí mezinárodní norma ASTM D7843.
Podle naměřené hodnoty je možné snadno zařadit stav oleje do skupin:
•    ΔE < 15 - normální stav, doporučuje se zachovávat nastavený interval pravidelných kontrol, např. 3 měsíce, pravděpodobnost tvorby úsad je nízká.
•    ΔE = od 15 do 30 - zhoršený stav – upozorňuje provozovatele na zvýšenou pravděpodobnost tvorby úsad, stav oleje by měl být sledován. Je možné také očekávat rychlejší zhoršování kondice oleje. Ačkoliv systém obvykle nebývá ještě úsadami zasažen, začátky tvorby úsad je možné zaznamenat zejména při zchladnutí oleje. Doporučuje se provést další laboratorní rozbory oleje.
•    ΔE = od 30 do 40 - abnormální stav – pravděpodobnost tvorby úsad je vysoká, z důvodu degradace oleje je v oleji zvýšený obsah měkkého znečištění. Toto měkké znečištění začne tvořit úsady zejména v úzkých a v chladnějších místech. Olej může způsobovat např. problémy ventilů. Doporučuje se provést  kontrolu stroje zaměřenou na hledání známek tvorby úsad (např. kontrola filtrů, nádrží, sítek před ventily atp.) a kontrolu zvýšení provozních teplot (např. u ložisek). Je nutné přijmout nápravná opatření potvrzená podrobným laboratorním rozborem oleje.
•    ΔE > 40 - kritický stav – olej má velký potenciál k tvorbě úsad. Z důvodu degradace oleje je v oleji vysoký obsah měkkého znečištění, které je schopné velmi negativně ovlivnit chod zařízení.

Závěr
RULER identifikuje vyčerpání antioxidantů a poskytuje kritickou informaci, kdy olej začne exponenciálně degradovat. MPC měří tvorbu těchto degradačních produktů a umožňuje uživatelům odhadnout, kdy se začnou usazovat v mazacím systému. Tyto dva testy jsou vhodné nástroje pro predikci vzniku úsad v olejovém systému u moderních maziv.
 
Na obrázku 4 je možné vidět, jak tradiční analytické metody (4x ročně - viskozita, č. kyselosti, obsah vody a obsah prvků, barva, kód čistoty) neodhalily vznik úsad v olejovém systému. Uživatel byl dlouhé roky přesvědčen, že je vše v pořádku a proto ani nepečoval o olej způsobem, který by zamezil vzniku těchto úsad nebo je ze systému odstranil.

Průmyslové oleje prošly dramatickou transformací v posledním desetiletí. Novější chemické složení poskytuje vyšší výkonnost oproti výkonu maziv v nedávné minulosti, ale změnil se také soubor pravidel pro jejich údržbu.  Testy jako RPVOT, číslo kyselosti a viskozita nyní poskytují jen malou hodnotu při detekci počínající degradace maziva. Většina z těchto moderních maziv nedegraduje lineárně, ale mají potenciál k rychlému selhání ke konci své životnosti. Doporučené zkoušky pro monitorování moderních olejů jsou RULER – měření obsahu antioxidantů a MPC - kolorimetrie membrán, které měří tvorbu měkkého znečištění.
Tradiční analytické metody doporučujeme doplnit o výše uvedené metody, které poskytují klíčovou informaci o degradaci moderních olejů a tvorbě úsad v olejových systémech.

Vladimír Nováček, ALS Czech Republic
Jan Novák, Intribo

Publikováno: 11. 11. 2013 | Počet zobrazení: 4475 675