Laboratórne analýzy používaných olejov
Laboratórne analýzy olejov sú častou témou diskusií na rôznych sympóziách, kongresoch, seminároch a ďalších podujatiach, týkajúcich sa jednak údržby strojov a zariadení, ale aj výskumu a vývoja nových mazív pre najmodernejšiu techniku. Často sa o laboratórnych analýzach mazív hovorí v súvislosti s prediktívnou údržbou strojového parku. Tento systém prediktívnej údržby dokáže ušetriť nemalé finančné prostriedky, keď sa využíva rozumne. Princíp je jednoduchý: „Je lacnejšie poruchám predchádzať, ako ich riešiť."
Laboratórne analýzy vzoriek používaných mazív, odobratých priamo z výrobného zariadenia, motora, či automobilu sú jedným z najefektívnejších prostriedkov prediktívnej údržby. Hlavne preto, lebo ich cena, v porovnaní s hodnotou výrobného zariadenia alebo s cenou za opravu havarovaného zariadenia je nepatrná. Na druhej strane tieto analýzy poskytnú dostatočne verný obraz o stave olejovej náplne, ale aj o stave samotného stroja.
Aby analýzy mazív mali význam pre prax, musia sa správne vybrať parametre, ktoré sa pre jednotlivé druhy olejov budú sledovať. Pri hydraulických olejoch sú to hlavne „klasické" metodiky, ako je meranie kinematickej viskozity, stanovenie kódu čistoty (stanovuje sa podľa rôznych noriem, u nás najčastejšie podľa ISO 4406 a NAS 1638), obsahu vody, zmena čísla kyslosti; ale popri nich aj atómová absorpčná, či emisná spektroskopia na stanovenie oterových a aditivačných prvkov, a hlavne infračervená spektroskopia, ktorá dá obraz napr. o oxidačnom starnutí oleja, alebo jeho kontaminácii iným olejom, či produktom alebo vodou.
Pri motorovom oleji je dôležité aj stanovenie alkalickej rezervy oleja (BN = Base Number), či bodu vzplanutia. Skrátka účel použitia maziva určuje výber parametrov pre jeho analýzy.
Poďme po poriadku:
Žiadna analýza oleja, akákoľvek presná a podrobná, nám neposkytne verný obraz o olejovej náplni, ani o stave stroja, pokiaľ odobratá vzorka nie je reprezentatívna. Správny odber vzorky oleja je preto rovnako dôležitý, ako samotné stanovenie jej parametrov v laboratóriu. Preto uvádzame niekoľko dôležitých zásad pre odber vzoriek olejov.
Odber vzorky
1) Odoberaná vzorka musí byť reprezentatívna pre celú olejovú náplň.
2) Po odobratí sa vzorka nesmie kontaminovať.
3) Vzorka musí byť jasne a úplne identifikovateľná (obchodný názov oleja, účel jeho použitia, mazacie miesto, dátum odberu vzorky, prípadne ešte prevádzkové hodiny stroja a oleja).
4) odobrať množstvo oleja, ktoré bude dostatočné pre všetky potrebné analýzy. Obvykle stačí 100 ml, pre niektoré špeciálne analýzy je potrebné aj niekoľko litrov oleja. My obvykle odoberáme 250 ml pre prípad, že by sa niektoré analýzy museli opakovať, prípadne sa vzorka bude stanovovať vo viacerých laboratóriách.
5) Pri motorovom oleji, ale aj ďalších, najmä viskóznejších, je vhodné olej odobrať počas prevádzky, kým je zahriaty.
6) Nádobky pre odber hydraulických olejov na stanovenie kódu čistoty by mali byť niekoľkokrát vypláchnuté jemne filtrovaným prchavým rozpúšťadlom (napr. petroléter) a až do okamihu odberu uzavreté, aby pary zo zvyšku rozpúšťadla vytvorili v nádobke pretlak, čím sa zabráni znečisteniu vzorkovnice prachom z okolitého prostredia.
Analyzovať olej alebo nie a ako často to robiť?
Dnes pre väčšinu olejov sú intervaly ich výmeny stanovené výrobcami strojov a automobilov a výrobca na dodržiavanie tohto intervalu často vzťahuje svoju záruku, takže tu analyzovanie oleja nemôže prispieť k predlžovaniu intervalov výmeny oleja. Môže však byť nástrojom na overenie stavu zariadenia (napr. obsah oterových prvkov napovie, či v stroji, napriek dodržaniu intervalu výmeny oleja, nie je enormné trenie).
Tiež nemá význam analyzovať malé olejové náplne, kde cena celej olejovej náplne je nižšia, alebo podobná cene analýz. Vtedy je lacnejšie jednoducho celú olejovú náplň vymeniť. Výnimkou sú zariadenia, ktoré sú pre prevádzku kľúčové a analýza oleja slúži na overenie ich funkčnosti a spoľahlivosti.
Úplne iná je situácia pri plynových motoroch. Plynové motore sú prevádzkované v neobvyklých podmienkach a spaľujú najrôznejšie zmesi plynov, najmä pokiaľ ide o bioplyn a skládkový plyn. Tu priamo výrobcovia motorov odporúčajú odoberať a analyzovať vzorky oleja každých 1 500 prevádzkových hodín, alebo každé 3 mesiace. Avšak pri prvej náplni oleja sa odporúča odoberať vzorky omnoho častejšie, napr. každých 250 - 300 hodín, aby sa orientačne stanovila životnosť olejovej náplne.
Pri veľkých náplniach hydraulických a priemyselných prevodových olejov obvykle stačí odobrať vzorku raz ročne. To isté platí pre teplonosné médiá a kaliace oleje. Samozrejme, pri mimoriadne dôležitých zariadeniach sa tento interval môže skrátiť, aby mal prevádzkovateľ istotu, že zariadenie stále funguje správne. Tiež v prípade kontaminácie oleja, alebo v prípade kolísania niektorých parametrov (keď niektorý parameter dosiahne „varovnú hodnotu"), je dobré interval odberu vzoriek skrátiť.
Pri kovoobrábacích emulziách obvykle nie sú potrebné laboratórne analýzy, väčšinou sa vystačí s jednoduchými meraniami priamo v prevádzke, ako je napr. stanovenie koncentrácie, pH a vodivosti. Koncentrácia emulzií by sa mala merať denne, pH a vodivosť raz za týždeň, obsah mikroorganizmov a obsah dusitanov raz za mesiac (v centrálnom systéme raz za týždeň). Laboratórne analýzy sa tu robia obvykle len 1-2-krát ročne.
Výber parametrov pre analýzy olejov
Je rozdiel, či sa používaný olej analyzuje na účely výskumu a vývoja mazív, alebo ide o rutinné analýzy v rámci prediktívnej údržby. V prvom prípade je cieľom získať čo najviac parametrov z oleja, aj zo zariadenia, aby tieto detaily mohli byť využité pri nových receptúrach olejov. V druhom prípade je dôležité vybrať stanovované parametre oleja tak, aby pri čo najmenších nákladoch poskytli dostatočne verný obraz stavu oleja a stroja. Veľmi vhodná je kombinácia „klasických" a moderných prístrojových metód.
Ako to vyzerá v praxi? Ktoré parametre merať? Nám sa osvedčili tieto:
Motorové oleje:
- kinematická viskozita pri 40 a 100 °C
- viskozitný index (výpočtom z viskozít pri viacerých teplotách)
- prítomnosť vody alebo chladiacej kvapaliny (gly-kolová skúška)
- celkové znečistenie
- BN (Base Number) - alkalická rezerva
- bod vzplanutia, Cleveland (otvorený téglik)
- obsah oterových, kontaminujúch a aditivačných prvkov (OES-ICP)
- infračervené spektrum
Oleje pre plynové motory:
- kinematická viskozita pri 40 a 100 °C
- BN (Base Number) - alkalická rezerva
- TAN (Total acid Number) - obsah voľných kyselín
- i-pH
- celkové znečistenie
- obsah chlóru a síry
- obsah oterových, kontaminujúch a aditivačných prvkov (OES-ICP)
- infračervené spektrum (z neho sa stanovuje oxi-dácia, nitrácia a sulfonácia oleja)
Hydraulické oleje:
- kinematická viskozita pri 40 a 100 °C
- viskozitný index (výpočtom z viskozít pri viacerých teplotách)
- číslo kyslosti
- kód čistoty počítačom častíc (podľa ISO 4406 ale-bo NAS 1638)
- obsah vody coulometrickou metódou
- obsah oterových, kontaminujúch a aditivačných prvkov (OES-ICP)
- infračervené spektrum (oxidácia, kontaminácia)
Turbínové oleje:
- kinematická viskozita pri 40 °C
- číslo kyslosti
- deemulgačné číslo (prípadne aj deemulgačná charakteristika)
- obsah vody coulometricky
- kód čistoty počítačom častíc
- obsah oterových, kontaminujúch a aditivačných prvkov (OES-ICP)
- infračervené spektrum (oxidácia, kontaminácia)
Prevodové oleje:
- kinematická viskozita pri 40 a 100 °C
- viskozitný index (výpočtom z viskozít pri viacerých teplotách)
- prítomnosť vody
- celkové znečistenie
- korozívny účinok na oceľ a na meď
- obsah fosforu a síry ako aditivačných prvkov
- obsah oterových, kontaminujúch a aditivačných prvkov (OES-ICP)
- infračervené spektrum
Kompresory:
- kinematická viskozita pri 40 a 100 °C
- viskozitný index (výpočtom z viskozít pri viacerých teplotách)
- číslo kyslosti
- prítomnosť vody
- obsah nečistôt
- bod tuhnutia (bod tekutosti)
- obsah oterových, kontaminujúch a aditivačných prvkov (OES-ICP)
- infračervené spektrum
Chladiace kompresory:
- kinematická viskozita pri 40 a 100 °C
- viskozitný index (výpočtom z viskozít pri viacerých teplotách)
- číslo kyslosti
- obsah vody coulometricky
- obsah nečistôt
- bod tuhnutia (bod tekutosti)
- obsah oterových, kontaminujúch a aditivačných prvkov (OES-ICP)
Teplonosné médiá:
- kinematická viskozita pri 40 °C
- bod vzplanutia v otvorenom tégliku (Cleveland) a v uzavretom tégliku (Pensky-Martens)
- obsah vody coulometricky
- číslo kyslosti
- celkové celkové znečistenie
- karbonizačný zvyšok podľa Conradsona
Pre niektoré rutinné analýzy stačí často aj menej parametrov, čo sa, samozrejme, premietne do ceny analýz.
Význam jednotlivých parametrov
Ani veľké množstvo nameraných parametrov ešte nie je zárukou správneho posúdenia stavu olejovej náplne a zariadenia, keď ich nevieme správne interpretovať. Preto je nevyhnutné poznať „normálne" a hraničné hodnoty jednotlivých parametrov, ako aj súvislosti medzi nimi. Až keď vieme, čo jednotlivé hodnoty znamenajú môžeme urobiť objektívny posudok olejovej náplne a zariadenia z tribologického hľadiska. Inak by sa výsledok analýz stal len bezcennou zmesou čísel.
Kinematická viskozita je jedným z najdôležitejších parametrov oleja. Je mierou tekutosti a vnútorného trenia oleja. Od nej závisí hrúbka mazacieho filmu. Jej zníženie môže znamenať napr. nariedenie olejovej náplne palivom, alebo kontamináciu iným médiom. Jej zvýšenie môže signalizovať napr. silné oxidačné zmeny oleja, alebo jeho znečistenie spalinami alebo sadzami (pri motorovom oleji).
BN - je hodnota alkalickej rezervy pri motorových olejoch. Olej by sa mal vymeniť, keď jej hodnota je polovičná oproti počiatočnej hodnote BN pri novom oleji.
TAN (Total Acid Number) - hovorí o obsahu voľných kyselín, ktoré v oleji vznikli v dôsledku jeho oxidačných zmien. Motorový olej a olej pre plynové motory by sa mal vymeniť, keď sa hodnoty TAN a BN vyrovnajú. Pri ostatných treba poznať hraničnú hodnotu TAN, prípadne ju konfrontovať s infračerveným spektrom, ktoré v prípade oxidačných zmien vykazuje výraznú prítomnosť karbonylovej skupiny C=O (hovorí o prítomnosti produktov oxidácie oleja - aldehydov, ketónov, karboxylových kyselín).
Bod vzplanutia - je dôležitým bezpečnostným parametrom napr. pri nehorľavých hydraulických kvapalinách (HFDU-kvapaliny), alebo teplonosných médiách. Napr. v motorových olejoch môže jeho zníženie znamenať kontamináciu oleja palivom, resp. v iných olejoch kontamináciu prchavými látkami.
Obsah vody - je dôležitý parameter vo väčšine olejov, pretože kontaminácia oleja vodou môže spôsobiť problémy, ako je korózia, strata mazacích vlastností oleja, tvorba kalov a usadenín,... Väčšina olejov je hygroskopických, teda pohlcujú vlhkosť z okolitého prostredia. Pri niektorých olejoch je vlhkosť jedným z rozhodujúcich parametrov, ovplyvňujúcich aplikačné vlastnosti oleja, napr. prierazné napätie u transformátorového oleja. Pri hydraulických a turbínových olejoch sa často používa pojem „saturačný bod" (bod nasýtenia), čo je také množstvo vody v oleji, keď už každá ďalšia vniknutá voda sa uvoľní ako voľná a nie je olejom ďalej pohlcovaná.
Kvôli zvýšenému obsahu vody z prostredia, je často potrebné používať oleje s detergentno-dispergačnými vlastnosťami, ktoré sú schopné pohltiť väčšie množstvo vody bez straty mazacích vlastností oleja (hydraulické oleje, oleje pre pneumatické systémy).
Celkové znečistenie - hovorí o kontaminácii oleja mechanickými nečistotami. Tieto nečistoty môžu nepriaznivo ovplyvniť mazacie vlastnosti oleja, pôsobiť v systéme abrazívne, upchávať mazacie kanálik, ventily, prispievať k tvorbe kalov a usadenín v systéme. Tento parameter je mimoriadne dôležitý napr. pri hydraulických a turbínových olejoch. V týchto prípadoch však lepší obraz o znečistení poskytne kód čistoty (meraný laserovým počítačom častíc, alebo ručne, s použitím mikro-skopu a rastrovacej mriežky).
Kód čistoty - je významný hlavne u hydraulických a turbínových olejov. Dnes sa meria hlavne laserovým počítačom častíc, metódou prerušenia svetelného lúča. Poskytuje údaje o počte častíc v oleji podľa veľkostných kategórií. Tie sú rôzne pre metódu ISO a NAS, ako aj forma kódového čísla, ktoré sa udáva ako výsledok merania.
OES-ICP - často používaná metóda na stanovenie aditivačných, kontaminačných a oterových prvkov v oleji.
Aditivačné prvky - k najdôležitejším patrí zinok, fosfor, síra, vápnik a bárium. Treba poznať zloženie oleja a obsah prvkov v čerstvom oleji, aby sa dal sledovať ich úbytok. Väčšinou sa takto stanovuje obsah EP-prísad, ktoré majú priamy vplyv na protioterové vlastnosti oleja.
Oterové prvky - k najdôležitejším stanovovaným oterovým prvkom patria: železo, hliník, chróm, olovo, meď, cín, horčík. Tu je potrebná znalosť konštrukcie systému, či zariadenia, aby sa dalo predpokladať, odkiaľ jednotlivé oterové prvky môžu pochádzať, a tiež sú potrebné skúsenosti v danej oblasti. Napr. meď môže pochádzať pri motorovom oleji z opotrebovania ložísk, vačky, ojnice, ale aj z chladiaceho systému.
Kontaminačné prvky - sú prvky, ktoré by sa v systéme normálne nemali nachádzať. Najčastejšie sa sleduje kremík, ktorý hovorí o znečistení oleja prachovými časticami.
Infračervená spektroskopia - sa dá využiť na stanovenie zmien oleja, nap. pri olejoch pre plynové motory sa touto metódou stanovuje oxidácia, nitrácia a sulfonácia oleja. Touto metódou sa dá zistiť aj kontaminácia oleja iným olejom, alebo produktom, ale aj vodou. Porovnaním IČ-spektier sa dá zistiť zhoda olejov, alebo rozdiely medzi nimi. Dnes knižnice spektier umožňujú s určitou pravdepodobnosťou aj pomerne presne identifikovať konkrétny typ oleja.
Dnešná moderná tribológia kombinuje „klasické" metodiky s dvoma modernými, opísanými v závere. Niektoré domáce a zahraničné laboratóriá sú schopné predložiť výsledky analýz ešte v deň dodania vzorky - samozrejme, väčšinou za príplatok. V niektorých prípadoch je ale dôležité mať výsledok k dispozícii čo najskôr.
Mnohé laboratóriá poskytujú dnes množstevné zľavy, alebo ceny za tzv. balíček analýz, ktoré predstavujú nejaký celok pre konkrétnu kategóriu oleja. Protokoly s výsledkami analýz, prístupné cez internet, sú dnes už tiež samozrejmosťou.
Analýzy olejov sa stali bežnou súčasťou prevádzky a šetria nemalé finančné prostriedky. Mnohé olejárske spoločnosti ich poskytujú ako súčasť svojho obchodno-technického servisu, často bezplatne.
Ing. Peter Dálik
