Загрязнение водой:

Контроль за водой в течение цикла работы смазки

Автор: John Sander

Вице президент отдела технологий

Введение: Мы все уже слышали высказывания «Вода и масло не смешиваются». Чаще всего это правда, но не всегда… Составы некоторых масел созданы специально, чтобы отделяться от воды, другие же  масла приобретают нужную им консистенцию при контакте с водой. В том или ином случае, вода становится загрязняющим веществом и может повредить как маслам, так и оборудованию, т.к. масла  должны помогать оборудованию работать стабильно. Поэтому важно понять те требования, которые нужно выполнять при работе с определенными смазками, и знать их рекомендуемые условия взаимодействия с водой, чтобы снизить загрязнение водой настолько максимально и эффективно, насколько это возможно. Эта статья рассматривает такие случаи, описывает стандартные причины, характеристики и результаты загрязнения водой, и выделяет из разнообразия техник те, которые помогают отделить воду от смазочных материалов.

Подбор правильной смазки: Сферы применения смазок и масел для производства и потребления практически бесконечны. В результате, невозможно подобрать оптимальный подход, который подошел бы для всех случаев, а выбор подходящей смазки критичен для работы оборудования. Некоторые смазки обязательно использовать специально для отделения от воды, так что воду очень просто убрать, в то время как остальные должны работать вместе с водой. Например, в турбине, производящей энергию, вода может попасть в масло либо из конденсата, либо из протечки охлаждающей системы. Так как вода вредна для движущих частей турбины и является причиной быстрого износа масла, турбины часто оборудованы средствами устранения воды. Однако, в обычном двигателе внутреннего сгорания, смазка нужна для борьбы с высокими уровнями загрязнения, такими как отложения, сажа и горение побочных продуктов. Одним из побочных продуктов горения бензина является вода. Людям не хочется каждый день забираться под машины,  чтобы убрать воду из поддона. Следовательно, масла для двигателей созданы для того, чтобы собирать и удерживать воду до тех пор, пока масло не станет достаточно горячим, чтобы испарить воду во время работы двигателя.

Как смешиваются вода и масло: Полностью смазка состоит из масла и присадок. Пример масла для двигателей, рассмотренный выше, предполагает, что возможно создать смесь воды и масла. В большинстве  случаев, присутствие полярных добавок в чистых смазках приводит к смене полярностей масла и появлению возможности взаимодействия с водой. Молекулы воды тоже обладают полярными свойствами, что означает неравномерное распределение электронного заряда. Вода обладает частично положительно заряженными частицами рядом с двумя водородными атомами и частично отрицательно заряженными частицами возле единственного атома кислорода из-за незанятых электронных пар. Электростатическое притяжение между частично положительно заряженными частицами возле атомов водорода и частично отрицательно заряженными частицами возле кислорода создает водородную молекулярную связь. Также, эти частично положительно и отрицательно заряженные частицы создают полярность, которая приводит к взаимному притяжению между водой и полярными добавками. В итоге получается, что некоторые процессы, которые происходят в смазках во время работы, также могут  создавать перемену полярностей в масле. Не как в примере с маслом для двигателей, эта перемена приводит к отрицательным последствиям в работе механизмов, где температура масла никогда не нагревается достаточно, чтобы испарить воду. В этих случаях воду необходимо удалить физически. После того как произошла смена полярностей в использованной смазке, устранение воды становится намного сложнее.

Механизм смены полярности в смазке: Ниже описан пошаговый механизм, которые приводит к изменениям в масле, которые приводят к изменению полярности:

Шаг 1: Инфильтрация

Шаг 2: Катализ (Гальванические реакции)

Step 3: Окисление и гидролиз

Step 4: Эмульсификация

Инфильтрация: Есть много разных способов, с помощью которых вода попадает в смазочные системы. Например, через неположенные отверстия, плохие сальники, открытые крышки, протечки паровых систем или через протекающие внутренние обогреватели или масляные кондиционеры. Потеря крышек от бочек или переносного оборудования, таких как шланги и насосы, может пропустить непредвиденные или погодные воды. Как было уже замечено, вода также является обычным побочным продуктом, и испаряемые выхлопные газы от горения могут попасть в смазочную систему. (1)

Катализ: Вода полярная – так же, как и металлические поверхности. Эта полярность объясняется взаимным притяжением между водой и металлическими поверхностями внутри оборудования. Определенные смазочные добавки, например, очистители, растворители и некоторые антиизносные средства, тоже полярны. Полярные добавки, следовательно, притягиваются к воде и металлическим поверхностям. Металлические поверхности играют роль катализатора, ускоряя реакцию между водой, добавками и самими металлическими поверхностями. Единственно возможный результат таких взаимодействий – это стабильная, мылоподобная эмульсия, которая собирается внутри смазки и на металлических поверхностях.  Другой возможный результат такого взаимодействия – гальваническая электролитическая реакция между металлом и кислородом внутри воды. Эта реакция образует ржавчину  и\или углеродистые материалы на металлических поверхностях. В любом случае, этап катализа блокирует воду внутри машин в том воде, в котором ее очень сложно удалить. Вода создает недвижимые субстанции, которые очень сложно доставить до фильтров или осушающих систем, и остается только наблюдать ухудшение состояния качества масла.

Окисление и гидролиз: Механизм для окисления смазки очень подробно описан. Как видно из названия, окисление в данном случае происходит из-за реакции основ смазок с кислородом. В результате окислительных реакций мы получаем образование кислородосодержащих продуктов, называемых свободно-радикальными кислотами, сложными эфирами, спиртами, кетонами, полярными связками и полимерными материалами. (2) Окисленное масло сильнее притягивается к воде.  Усиливается растворимость воды в окисленном масле, и теперь воду удалить намного сложнее.

Гидролиз – это реакция между окисленными сложными эфирами и кетонами с гидроксильными группами в воде. Вода, следовательно, распадается на слабые кислоты и гидроксильную группу во время процесса, называемого диссоциацией. Гидролиз является еще одной реакцией, которая возникает между водой и используемой смазкой, который усиливает притяжение между водой и смазкой и делает устранение воды более сложным.

Эмульсификация: Предыдущие три стадии описывали, как вода попадает в смазку, как вода ускоряет ухудшение свойств смазки и как эти ухудшения влияют на перемену полярности масла. Как только изменилась полярность смазки, запускается последняя стадия механизма смены полярности. Это называется эмульсификация. Эмульсия – это стабильная смесь двух нерастворимых жидкостей, таких как вода и масло. Когда достигнут этот этап у определенных масел, становится невозможно разорвать эмульсию и удалить воду из масла. Эмульсификация может вызвать проблемы, описанные в таблице 1.

Виды загрязнения воды: Загрязнение воды существует в трех формах при машинной смазке: свободная вода, растворенная вода и эмульсия. Свободная вода, как и предполагается в названии, это вода, которая отделяется от масла и собирается в резервуары внизу внутри оборудования или в масляных резервуарах. Свободная вода – это самая простая форма воды, которую нужно убирать, потому что она существует как отдельный слой под смазкой. Отделенный водный слой можно легко убрать. Растворенная вода «впиталась» в масло и не может быть легко устранена. Как было замечено ранее, вода и масло обычно не смешиваются, поэтому концентрация растворенной воды обычно в новом масле гораздо ниже. Эмульсия – это стабильная молочная смесь масло и воды, которую очень сложно разделить. Она отличается от растворенной воды тем, что это гелеподобное разделение капель воды внутри масла. При неправильном подходе, вода в любых из этих форм может причинить ущерб механике оборудования. Таблица 1 представляет список проблем, вызванных загрязнением водой, и короткое описание каждой из них.

На рисунке слева показана вода, которая не была отделена от масла.

На рисунке справа показана вода, которая находится в процессе отделения от масла.

Техники борьбы с водой:

Есть множество хорошо обоснованных методов устранения воды, включая:

• Сушка

• Отделение тяжелых элементов

• Центробежное отделение

• Отделение соединений

• Отделение абсорбирующих полимеров

• Вакуумное отделение

Сушка: Самый лучший способ устранения воды из любых смазочных материалов это в первую очередь прекратить ее попадание в источник смазки или в машинное оборудование. В некоторых случаях это очень сложно, но обычная техника устранения воды из смазки должна проходить при помощи воздушных высушивающих фильтров. Воздушный фильтр состоит из материала, который впитывает  воду из окружающего воздуха до того как он попадает в оборудование. Фильтры можно прикрепить к горлышку наполнителя. Большинство резервуаров со смазками «выдыхают» так же, как и «вдыхают», поэтому воздушные высушивающие фильтры могут также еще и устранить воду, которая попала в масла по время производства, перевозки или наполнения.

Отделение тяжелых элементов: Самым обычным способом устранения воды является отделение тяжелых элементов. Как и предполагается в названии, Отделение может разделить жидкости из-за их разных плотностей, таким образом, более тяжелые элементы отделятся от более легких. В случае с турбинными маслами, вода является тяжелым элементом. Чтобы удержать процесс отделения тяжелых элементов, систему нужно либо на время отключить, либо смазку нужно переместить в отдельные резервуар или отделение. Задачей является замедлить движение масла и, таким образом, снизить волнения, которые смешивают масло и воду вместе. Вода затем осядет отдельным слоем на дне резервуара, где ее можно легко убрать. Минус этой техники в том, что требуется время для отделения и дренажа, во время которого масло не может принимать участи в работе системы. В случае неудачи, из-за этого может быть потеряно огромное количество времени.

Центробежное отделение: Отделения тяжелых элементов часто недостаточно для отделения воды от масел в короткие сроки. В этом случае, очищающие системы, называемые «центрифуги»  применяют, чтобы «выбить» воду из турбинных и других масел с использованием центробежной силы. Эта техника похожа на цикл сушки в прачечных машинах. У этого способа есть определенные достоинства: вода свободно «выкручивается» из менее плотного масла и затем выливается из дна устройства под силой гравитации. В сравнении со способом отделения тяжелых элементов, центробежное отделение требует меньше времени, позволяет маслу оставаться в движении во время процесса отделения, и сам результат достигается быстрее. Также, эта техника иногда может удалить воду из масла, которое было создано с добавлением воды. Но для этого нужны бОльшие усилия.

Отделение соединений: Иногда поверхностное напряжение между водой и маслом достигает такой отметки, когда не притяжение, ни центробежная сила не достаточны, чтобы удалить воду из масла. В этом случае может быть использована система  отделения соединений. Соединения оказывают воздействие на воду и масло через экраноподобный элемент системы. Масло может пройти через экран; вода нет, она собирается и стекает вниз под воздействием силы тяжести и затем удаляется из системы. Как в центробежной системе, масло остается в движении. Также из плюсов то, что турбины не нужно выключать или переливать из них масло в отдельный резервуар. Такой системе не требуется выводить масло из системы. Как и при центробежном отделении, отделение соединений использует энергию, чтобы удалить воду.

Отделение абсорбирующих полимеров: Абсорбирующие полимерные материалы отфильтровывают воду от турбинного масла – так же, как и обычные фильтры это делают при очистке такого типа масел. Технология отделения абсорбирующих элементов используется в одноразовых детских подгузниках при удалении жидкости. Простыми словами, масло проходит через систему абсорбирующих полимеров. Материалы этих фильтров эффективно удаляет воду, тогда как масло спокойно возвращается обратно в работу. Эта система может быть очень эффективна, но она не подходит для сильного водного загрязнения. Полимеры могут впитывать в себя только ограниченный объем воды, после чего их нужно заменять. Затем фильтр надо либо выкинуть, либо перезарядить, что делает и так дорогую систему еще более затратной.

Вакуумное отделение: Последний способ устранения воды, который мы здесь обсудим, это вакуумное отделение воды. Эта техника основана на том, что давление, необходимое для испарения воды ниже, чем у большинства турбинных масел. В этой технике загрязненный состав вода-масло проходит через вакуумное пространство, в котором вода буквально высыхает из масла. Этот подход может хорошо работать с большинством турбинных масел, кроме тех, которые содержат летучие ингредиенты. При вакуумном отделении летучие ингредиенты могут исправиться вместе с водой. Этот вариант борьбы с водой может быть эффективен, но он очень дорогостоящий.

Наконец, следует отметить, что состав смазки играет ключевую роль в смягчении проблемы загрязнения водой. Масляная основа и добавки могут очень сильно облегчить борьбу с проблемой загрязнения водой и усилить эффективность проведение обсуждаемых выше техник борьбы. Деннис Морган из компании AMS Filtration, чья главная задача – это принятие решений по борьбе с устранением воды, говорит:

“Я не знаю точно, что изменилось за последние несколько лет, но устранение воды из некоторые турбинных систем стало настоящим испытанием. Ученые начинают использовать различные смазки, которые гораздо сложнее отделить от воды, чем другие. При опросе пользователей, мы узнали, что их поставщики смазок недавно изменили химический состав своих турбинных масел. И это кажется обоснованным” (5)

Заключение: Надежная работа станков и машин является первостепенно важным пунктом в производственном обществе, как для производителей, так и для потребителей. Загрязнение водой машинных смазок может вызвать разнообразные производственные проблемы и сильно повлиять на надежность и долгосрочность работы оборудования. Тем не менее, надежность работы оборудования часто начинается с подбора смазки, которая смогла бы нейтрализовать или  смягчить эффект вреда воды. Пользователям на рассмотрение предлагается множество разнообразных смазок, и всегда в первую очередь важно, чтобы они (пользователи) в первую очередь смотрели на рекомендации производителя техники при выборе смазки. Каждое действие должно быть направлено на то, чтобы устранить на как можно дальше воду от попадания к смазочным системам, так как это может вызвать смену полярности в большинстве составов смазок. Эта смена приводит к страшной потере защитных свойств смазок. Выбор густой смазки поможет сдержать смену полярности. Но когда вода попадет в рабочую зону, ее обязательно нужно удалить; существует всего шесть обоснованных техник устранения воды и контролирования загрязнения ею. Сегодня наиболее продвинутые поставщики смазок специализируются не только на смазках, но также могут провести экспертизу, которая поможет покупателю составить глобальный план борьбы с водой и подобрать подходящие техники. Управление по борьбе с загрязнением водой должно быть всегда на первом плане для любой программы смазки оборудования.

Ссылки:

1. Eachus, A., “The Trouble with Water,” Tribology & Lubrication Technology, Society of Tribologists and Lubrication Engineers Publishing, Ridge Park, IL, Октябрь 2005.

2. Lynch, T., Process Chemistry of Lubricant Base Stocks, CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton, 2008.

3. Fitch, Jim, “How Water Causes Bearing Failure,” Machinery Lubrication Magazine, Tulsa, Июль 2008.

4. Troyer, D., “Removing Water Contamination,” Machinery Lubrication Magazine, Tulsa, Май 2001.

5. Morgan, D., “Choosing an Oil Purification Method for Modern Turbine Lubricating Oils: Tried and True Methods No Longer Seem to be Effective,” AMS Filtration, 12 Января 2009.