Vybrané metody pro sledování stupně degradace turbínových a hydraulických olejů

Příspěvek je zaměřený na sledování praktického použití metody Membrane Patch Colorimetry (MPC) a Remaining Useful Life Evaluation Routine (RULER) u reálných vzorků turbínového a hydraulického oleje. Hodnocení celkového stavu olejů jsme podpořili dalšími testy a to pomocí infračervené spektrometrie, stanovením celkových nečistot na membráně a obsahem otěrových prvků. 
Samotnému měření degradace oleje pomocí kolorimetrie předchází přefiltrování oleje přes membránu. Postup je velmi podobný jako při klasickém stanovení obsahu nečistot (ČSN EN 12662). Je zde ale několik odlišností, na které je třeba upozornit. Ke stanovení se používá membrána o porozitě 0,45 µm. Vzorek oleje, který se analyzuje, musí být před stanovením minimálně tři dny uložen při teplotě 15-25 °C bez přístupu světla. U vzorků, které by takto nebyly před analýzou uskladněny, může být výsledná hodnota hodnoty degradace oleje nižší. Po pečlivé homogenizaci vzorku se do kádinky odlije 50 ml oleje a přidá se 50 ml rozpouštědla (je předepsáno rozpouštědlo na bázi uhlovodíků s nerozvětveným řetězcem C5 až C9, s bodem varu 35-60 °C). Směs se důkladně promíchá a přefiltruje se přes membránu za použití vakua (71 ±5 kPa). Kádinka se zbytkem vzorku je ještě dvakrát vypláchnuta 35 ml rozpouštědla.    Při vlastním stanovení intenzity barvy membrány (varnish potenciál) se používá spektrofotometr s měřicím rozsahem 400-700 nm. U přístroje, který v naší laboratoři používáme, jsou zdrojem světla tři LED diody, dvě s bílým a jedna s modrým světlem. Tyto diody se zapínají v různých časech tak, aby vytvořily optimální světelné spektrum. Detektor pak obsahuje různé filtry, kde koeficienty filtrů se mění v čase, v závislosti na intenzitě vstupního a výstupního signálu.
Hodnota MPC (Membrane Patch Colorimetry) se uvádí jako hodnota dE (ΔE), která se získá porovnáním měření čistě membrány a membrány s analyzovaným vzorkem a vypočítá se ze vzorce

ΔE=√((ΔL)2 + (Δa)2 + (Δb)2),

kde ΔL je rozdíl ve světlosti
Δa je rozdíl v oblasti červeného a zeleného spektra světla
a Δb je rozdíl v oblasti žlutého a modrého spektra světla.
Naměřenou hodnotu ΔE je pak možno vyhodnotit podle následující tabulky 1. Normální stav znamená nízkou pravděpodobnost tvorby úsad. Stav zhoršený naznačuje zvýšenou pravděpodobnost tvorby úsad. Olej samotný nebude ještě vykazovat problém tvorby úsad. Ty se však mohou začít tvořit při ochlazení oleje. Při hodnotách 16-30 se proto doporučuje častější sledování stavu oleje. Při abnormálním stavu je pravděpodobnost tvorby úsad vysoká a může docházet k nárůstu teplot ve stroji a provozním problémům. Při abnormálním stavu se doporučuje intenzivní čištění. Pokud se hodnota ΔE dostane do kritických čísel, pak olej má vysoký potenciál k tvorbě úsad a nasazení čištění oleje je nezbytné, případně je nutné náplň vyměnit a nasadit intenzivní čištění, aby měkké kaly nezůstaly usazeny na stěnách stroje.

Pro stanovení RULERu (zbývající doba použitelnosti oleje) se využívá voltamperometrie. Jde o stanovení obsahu přítomných aditiv vzhledem k referenčnímu oleji. Tato metoda je založená na zavedení zvyšujícího se napětí do oleje pomocí elektrody a oxidací přítomných aditiv v oleji. Při samotném stanovení se příslušné množství oleje nadávkuje do vzorkovnice s rozpouštědlem a jemným pískem, přičemž pro různé typy olejů (různé typy přísad) je možné použít odlišná rozpouštědla (na bázi acetonu nebo alkoholu). Vzorek se homogenizuje a po usazení písku (po 2 minutách) se může do vzorkovnice ponořit elektroda provést samotné měření. Hodnota použitelnosti oleje se vyhodnocuje v relativních procentech a je vždy vztažena na příslušný nový olej. Pro vyhodnocení obsahu antioxidantu používáme limitu 30 % hodnoty nového oleje, jako hraniční hodnoty pro bezpečný provoz.
Pro názorný příklad jsme vybrali dva stejné hydraulické oleje používané v různých strojích, které podle FTIR spektra mají odlišný obsah přísad (nízkoteplotní antioxidant-pás v oblasti 3650 cm-1 na ose x a protioděrová přísada-pás v oblasti 670 cm-1), viz obr. 1. Ve spektru olej B jsou navíc patrné pásy produktů degradace v oblasti 1660-1690 cm-1.U těchto olejů jsme porovnávali hodnotu obsahu nečistot na membráně, hodnotu MPC a i zbytkovou použitelnost oleje pomocí RULERu.

Olej označený na obrázku 1 jako A má podle FTIR spektra nižší obsah přísad než olej referenční, zatímco u oleje B jsou pásy přísad téměř neznatelné. V následující tabulce 2 jsou uvedeny obsahy nečistot obou olejů i hodnoty MPC. Už podle vzhledu membrán a nakonec i podle výsledků je patrné, že olej označený A má obsah nečistot poměrně nízký a hodnotu MPC lze hodnotit podle tabulky 1 jako mírně zhoršený stav, což zatím nepředstavuje výraznou hrozbu z hlediska přítomnosti měkkých kalů v oleji, ale zcela jistě by kontrola stavu takového oleje měla být častější a to z toho důvodu, abychom zabránili stavu, jaký se objevil u oleje B. Ten totiž má naproti tomu vysoký obsah nečistot a hodnotu MPC lze zařadit do kategorie kritický stav. Takovýto olej je prakticky na konci své životnosti a ve většině případů nezbývá než ho vyměnit a pokusit se vyčistit stroj.

Pro kompletnější představu, o jaké nečistoty se jedná, jsou v tabulce 3 uvedeny obsahy nejčastějších otěrových prvků a také obsahy aditivních prvků, které oba použité oleje i referenční olej obsahují.

Z porovnání obsahu aditiv je patrné, že olej A má zatím ještě dostatečné množství přísad vzhledem k novému oleji, zatímco u oleje B se obsah přísad, zvláště pak zinku, blíží 30% limitnímu obsahu. U obou olejů přitom nebyl nalezen nijak zvýšený obsah otěrových prvků, který by mohl ovlivnit hodnotu barvy membrány při vyhodnocování varnish potenciálu.
Na obr. 3 a 4 jsou výsledky měření zbytkové použitelnosti oleje (RULER). U oleje A je patrné, že obsah fenolické přísady vzhledem k novému oleji je snížený, ale zatím dostatečný (47 % vzhledem k novému oleji), zatímco u oleje B je znatelný velký úbytek vzhledem k novému oleji (jen 4 %).
Pro voltamperometrické stanovení je vždy důležité mít pro porovnání vždy konkrétní nový olej, který se ve stroji používá. Je to důležité z toho důvodů, že poměrně často se obsah aditiv (ale někdy i jejich složení) může lišit, byť označení oleje je zcela shodné.

Ve vyhodnocování hodnot barvy membrány (MPC) a zbytkové životnosti oleje (RULER) je patrná výhoda, že výsledky jsou uváděné v jasných číslech, která říkají, že ta a ta hodnota je kritická nebo v pořádku. U měření barvy membrány je výhodné i to, že není ke stanovení potřebný nový olej, což se u měření zbytkové životnosti oleje ukazuje někdy jako problematický faktor. Opět se ale potvrzuje, že bez pravidelného sledování stavu olejů nelze jednoznačně nastavit investice do oprav a zásahů, které ve velké míře mohou ušetřit zmetkovost výrobků nebo náklady na náročné opravy.

Mgr. Pavlína Šandová, Ing. Tomáš Turan , ALS Czech republic
 

Publikováno: 21. 7. 2014 | Počet zobrazení: 3809 535