Analýzy olejů jako nástroj proaktivní údržby strojů
Analýzy olejů jsou za předpokladu pravidelného a správného odběru vzorků účinným nástrojem diagnostiky strojů. Ve svém příspěvku uvádím předpoklady, nejčastěji používané metody a očekávaný ekonomický efekt. Toto vše je v druhé části příspěvku ilustrováno konkrétními příklady ze sledování různých typů strojů pomocí analýz z nich odebraných vzorků olejů.
Proaktivní údržba založená na analýze olejů
Ekonomický efekt
Sledování stavu strojů pomocí analýz mazacích olejů je dnes důležitou částí technické diagnostiky, především proto, že návratnost prostředků vložených do analýz je velmi dobrá, a přitom vypovídací schopnost výsledků analýz olejů o stavu strojů je dostatečně vysoká. Úspora za nákup mazacích olejů, jejichž výměnné intervaly lze při pravidelně prováděných analýzách ve velké většině případů prodloužit, činí totiž asi 10 % z celkem dosažitelných úspor. Přitom jen s touto částkou bývají náklady na analýzy porovnávány. Největší úspory prokazatelně spočívají v minimalizaci prostojů sledovaných strojů, v úsporách za opravy a náhradní díly. Je tak dokumentováno na příkladu v tabulce 1.
Metody
Program sledování stavu strojů pomocí analýz ma-zacích olejů je založen na třech skupinách zkoušek. Jednak je to metoda vhodná ke stanovení obsahu různých prvků v oleji. Nejčastěji se využívá přímá metoda stanovení pomocí optické emisní spektrometrie s indukcí vázaných plazmatem (ICP). Stanovuje se někdy až 22 prvků. Pomocí stanovení obsahu prvků se sledují : 1) otěrové kovy, tj. opotřebení stroje - např. železo měď, hliník, cín, olovo atd.; 2) znečištění oleje - např. křemík, hliník, sodík, titan atd.; 3) tzv. aditivní prvky, které jsou součástí přísad v olejích a jejichž obsah souvisí s vyčerpaností těchto přísad - např. vápník, zinek, hořčík, fosfor, baryum atd. Analýza přímou metodou plně podchycuje částice do 8 µm velikosti, se zvětšující se velikostí částic pak účinnost stanovení klesá. Proto se při sledování opotřebení strojů stanovení ICP vhodně kombinuje s další metodou zaměřenou na větší částice, např. klasifikátory částic třídící tzv. velké částice (velikost 20 a více m) do skupin podle charakteru, PQ index apod. Výhodou dnešních ICP spektrometrů je možnost analyzovat stovky vzorků denně.
Další metodou je infračervená spektrometrie s Fourierovou transformací (FTIR). Kromě již „tradičních" produktů degradace oleje (oxidace, nitrace, sulfatace) se dnes pomocí FTIR dá sledovat přítomnost či obsah vody v oleji, přítomnost či obsah glykolu v oleji, obsah sazí v oleji, TBN i další parametry oleje. Stručný souhrn většiny možností je uveden v tabulce 2.
Do třetí skupiny patří fyzikálně-chemické parametry zaměřené především na stav oleje a jeho znečištění. Která ze zkoušek se provádí závisí především na typu oleje. U všech typů olejů se stanovuje viskozita jako základní vlastnost mazacího oleje. Vedle sledování přítomnosti vody v oleji pomocí FTIR se často využívá tzv. „crackle test" - „prskací zkouška". Pomocí titrace v nevodném prostředí se standardizovanými postupy stanovují čísla celkové alkality (TBN) a kyselosti (TAN). TBN souvisí s přísadami zásaditého charakteru, které se přidávají především do motorových , ale i některých dalších typů olejů. TAN je dáno jednak přísadami kyselé povahy, jednak charakterizuje oxidační degradaci olejů. Posuzování hodnoty TAN závisí na typu oleje, např. u motorových olejů lze očekávat hodnoty nového oleje kolem 1 až 1,5 mg KOH/g a TAN by se nemělo zvýšit o více než 2 mg KOH/g, u některých hydraulických olejů jehodnota nového oleje kolem 0,5 mg KOH/g a TAN by se nemělo zvýšit o více jak 1 mg KOH/g a například nepoužité oleje pro chladicí kompresory mají hodnotu kolem 0,01 mg KOH/g a zvýšení na 0,1 mg KOH/g je u nich považováno za kritické. Někdy je potřeba stanovit přesné a většinou malé množství vody přítomné v oleji. Týká se to především izolačních olejů a z mazacích olejů pak skupin olejů pro chladicí kompresory, turbinových olejů a někdy hydraulických olejů. Pro tento případ je úspěšně využívána titrace podle Karl Fischera, častěji se využívá coulometrické titrace. Obsah vody lze změřit až k hranici 10 ppm. Některé oleje obsahují přísady, které mohou reagovat s titračními činidly a zkreslovat výsledek stanovení obsahu vody. V takovém případě se využívá pícka, ve které se voda přítomná v oleji odpaří a proudem inertního plynu (např. dusík) je vnesena přímo do titrační nádobky a stanovena.
Znečištění olejů je důležité sledovat jak z hlediska životnosti stroje, tak oleje. V případě motorových olejů se nejčastěji používá výkonných odstředivek a z naředěného vzorku oleje se nečistoty odstředí a stanoví v hmotnostních procentech. U průmyslových olejů se využívá stanovení nečistot na membránovém filtru buď v procentech hmotnostních nebo v mg/kg. Ke stanovení a rozdělení podle velikostí částic se využívají tzv. čítače částic. Výsledek se vyjadřuje nejčastěji v ISO kódu (ISO 4406:1999), který ve formě tří čísel oddělených lomítky, např. 19/16/13, informuje o počtech částic větších než 4 µm, 6 µm a 14 µm přítomných v 1 ml oleje. Čítače obecně nejsou schopny stanovit původ a složení počítaných částic, ale již existují přístroje, které vedle počítání částic provádějí také třídění částic do skupin především podle tvaru částice a propustnosti světla částicí.
Odběr vzorku
Správný postup při odběru vzorku oleje je zásadní věc pro vypovídající výsledky analýzy tohoto vzorku. Je velmi důležité dodržovat některé zásady zaručující reprezentativní složení odebraného vzorku z hlediska celé náplně sledovaného stroje. Při sledování stavu strojů pomocí analýz olejů je důležité správně a úplně vyplnit údaje o oleji i stroji do formuláře přiloženém ke vzorkovnici. Součástí protokolu je diagnostický závěr, tzn. vyhodnocení získaných výsledků a doproučení dalšího postupu. Pro tento závěr jsou velmi důležité údaje o stroji i oleji . Při sledování stavu strojů je důležité dodržovat pravidelné intervaly odběru vzorků oleje, protože tak je možné postihnout změny související se změnou režimu opotřebení stroje. Vhodné intervaly jsou uvedeny v tabulce 3. Tyto intervaly mohou být na základě výsledků analýz po určité době sledování zkráceny nebo prodlouženy.
Sledování hydraulických lisů
Jako příklad pro uplatnění sledování stavu strojů pomocí analýz olejů byly vybrány hydraulické lisy, na kterých se zpracovává plech na díly pro automobilový průmysl. Lisy jsou naplněny hydraulickým olejem typu HM 46 podle klasifikace ISO. Jednou za půl roku jsou z nich odebírány vzorky k analýze a pravidelně se sledují tyto parametry : kinematická viskozita při 40 °C a 100 °C, viskozitní index, číslo kyselosti, obsah vody, kód čistoty, obsah železa, mědi, hliníku a křemíku. Dále je každý vzorek analyzován pomocí FTIR spektroskopie. Protože jde o starší stroje, olejová náplň je doplňována v průměru 5 % svého objemu za rok. V tabulce 4 je typický záznam hodnot sledovaných parametrů.
Jak je z tabulky 4 vidět, kromě hodnot znečištění na začátku sledování a některých hodnot obsahu hliníku jsou v zásadě všechny sledované parametry v pořádku. Po doporučení účinnějšího čištění oleje se hodnoty kódů čistoty pohybují na velmi dobré úrovni a i hodnota obsahu hliníku se víceméně ustálila, pouze vzorek z prosince 2006 vykázal zvýšení obsahu hliníku a křemíku v souvislosti s průnikem prachu do oleje. Na vzorku z června 2007 je zřejmé, že účinné čištění oleje sehrálo pozitivní roli. FTIR analýza ukazovala až do prosince 2006 uspokojivý stav oleje, u posledního vzorku z června 2007 se objevily náznaky termooxidační degradace oleje. Zřejmá je menší intenzita pásů antioxidantů. Stav oleje zatím nevyžaduje výměnu náplně. Pokud příští vzorek potvrdí tento trend, bude nutné k výměně přistoupit, protože vysokoteplotní antioxidant, jehož pásy se začaly snižovat, funguje i jako protioděrová přísada a hrozilo by zvýšené opotřebení především čerpadla. Na obrázku 3 vidět, jak nasazení účinnějšího čištění vedlo k odstranění prachu z oleje (obsah hliníku a křemíku) a postupně i ke snížení obsahu otěrových kovů železa a mědi. Pokud by byl olej ponechán svému osudu při obsahu křemíku přes 60 ppm, železo i měď by zachovaly stoupající trend jako následek zvýšeného opotřebení a hrozila by porucha hydraulického systému, nejspíše čerpadla. Na obrázku 4 je u jiného lisu dokumentována souvislost přítomnosti prachu a zvýšeného opotřebení hydraulického systému, zároveň určitá setrvačnost v obsahu kovů po nasazení čištění.
Závěr
Možnost sledování stavu strojů pomocí analýz olejů byla dokumentována na příkladu hydraulických lisů, ze kterých jsou vzorky olejů analyzovány 3 roky. Doporučení účinnějšího čištění olejů na základě výsledků analýz vyloučilo nutnost opravy nadměrně opotřebených či porouchaných částí hydraulického systému.
Ing. Vladimír Nováček
