С.С. Долгополов – ООО «Фильтрационная техническая компания»
Настоящая статья продолжает цикл публикаций, посвященных вопросам эксплуатации машин и механизмов, увеличения их жизненного цикла. В первую очередь - за счет правильной эксплуатации и грамотного применения рабочих жидкостей.
Что такое лак и шлам?
Лак, шлам или смоляные отложения – это продукты деградации смазочного материала, одни из самых разрушительных загрязнителей масла в промышленности. Наряду с такими распространенными вредными факторами, как высокая температура, загрязнение твердыми частицами и влагой, лак и шлам значительно влияют на смазочный материал и снижают надежность оборудования, действуя как «мягкий загрязнитель».
Такие «мягкие загрязнители» могут возникнуть даже в самых хорошо обслуживаемых системах. Парадоксально, но это может произойти и в том случае, когда масло новое, а также в термостойких синтетических смазочных материалах и гидравлических жидкостях. Загрязнители образуются и накапливаются в объеме масла до тех пор, пока смазочный материал не достигнет своей емкости (предела насыщения) и любой избыток превращается в нерастворимые продукты деградации. Они могут образовываться в разных местах – это обусловлено движением масла по всей системе.
Причины и основные механизмы деградации масла
Из всех механизмов старения (рис. 3) наибольшее распространение имеет окисление. Состав продуктов реакции зависит от строения исходного углеводорода. Основными продуктами являются пероксид водорода, органические гидропероксиды и пероксиды различного состава, а также продукты их распада – спирты, гликоли, альдегиды, кетоспирты, кетоны, карбоновые кислоты, оксикислоты, вода и др., а также продукты распада углеводородов с разрывом C-C связей. При наличии в молекулах органических соединений других функциональных групп образуются также продукты их окисления: органические сульфиды превращаются в соответствующие сульфоксиды и сульфоны, алкены – в эпоксиды (оксираны).
Очень упрощенно этот процесс можно разделить на четыре стадии реакции:
- зарождение цепей;
- развитие цепей;
- вырожденное разветвление цепей;
- обрыв цепей (полимеризация).
Остановимся на первых двух стадиях, которые демонстрируют лавинообразное ухудшение состояния масла в присутствии загрязнений в виде схемы (рис. 1), где RH – представленный углеводород – масло; R – свободный радикал углеводорода; H – образовался в ходе рзрыва связи C-H; ROO – пероксирадикал; ROOH – алкилпероксирадикал.
Механизм образования шлама и лака
Как эти процессы деградации выглядят в самом масле, показано на рис. 2.
На рис. 2а показана деградация масла, где происходят все 4 стадии реакции, описанные выше. На ускорение этих реакций наибольшее влияние оказывают влага, металлы, кислород и нагрев. Происходит истощение антиокислительных присадок.
На рис. 2б – образование растворимых полярных продуктов окисления. На этой стадии масло еще способно удерживать их в своем объеме. Может наблюдаться потемнение масла, появление неприятного запаха, а также рост кислотного числа. Оптимальный период для применения фильтрационного оборудования ООО «ФТК» (рис. 6, 7, 8) – до того как количество продуктов окисления достигло точки насыщения в масле с последующим появлением шлама и лака. Таким образом, масло восстановит моющую способность и будет очищать отложения шлама с поверхностей металла в объем масла.
На рис. 2в показано образование мягких загрязнений – нерастворимых в масле продуктов окисления. Масло достигло точки насыщения и более не способно удерживать в объеме продукты окисления. Полярные оксиды и другие соединения, указанные ранее, «прилипают» к поверхностям металла и увеличиваются в размере в ходе агломерации. Эту проблему можно решить за счет применения фильтрационного оборудования компании «ФТК» с использованием сухих сорбентов и ионообменных смол.
На рис. 2г изображено образование шлама и лака. На металлических поверхностях образуется слой темного мягкого геля, который отвердевает с образованием лакового налета, препятствующего смазыванию и корректной работе систем управления. Деградация масла ускоряется, растет кислотное число, повышается вязкость, происходит обильное образование шлама в маслосистеме. В этом случае также можно использовать фильтрационное оборудование с применением сухих сорбентов и ионообменных смол.
Последствия деградации масла
Со временем отложения могут термически затвердевать под воздейстивем температуры до прочного эмалеподобного покрытия, образуя лак. Другие типы отложений, обычно в более холодных зонах, остаются мягкими или липкими, могут быть похожими на смазку.
Шлам может быть мягким (рис. 5д), твердым (рис. 5а), накапливаться на крышке (рис. 5в) или на дне внутри маслобака (рис. 5б, г).
Отложения, образующиеся на поверхностях агрегата, препятствуют потоку масла и механическим движениям, способствуя износу и коррозии и/или ухудшая теплопередачу, прилипая к поверхностям. Например, отложения на золотнике и канале сервоклапана могут приводить к заклиниванию или неправильному срабатыванию.
Последствия, вызванные образованием лака, осадка и шлама в маслосистеме, можно классифицировать следующим образом:
- ограничение или блокировка потока, масляное голодание в связи с облитерацией каналов;
- ограничение движения, заедание и залипание клапанов;
- снижение теплопередачи;
- повышение потребления энергии (трение);
- преждевременное засорение фильтров;
- дополнительные затраты для промывки системы.
К основным неисправностям, вызванным образованием шлама и лака (рис. 4), относятся:
- отказы клапанов;
- забитые отверстия;
- поврежденные механические уплотнения;
- износ подшипников скольжения (нарушение гидродинамического клина);
- преждевременное засорение масляных фильтров;
- ухудшение работы масляного радиатора;
- перегрев;
- неправильное позиционирование;
- вибрация.
Основная проблема при удалении лака и шлама заключается в том, что размер этих частиц меньше, чем степень фильтрации большинства фильтров – следовательно, эти частицы нельзя удалить с помощью классической механической фильтрации, ограниченной размером пор.
Способы удаления лака на каждом предприятии индивидуальны и отличатся друг от друга. Возможны следующие варианты:
- покупка переносного или стационарного специализированного оборудования для фильтрации;
- аренда такого оборудования;
- заключение договора с подрядной организацией на обслуживание;
- выполнение химической очистки;
- добавление продукта, усиливающего растворимость;
- замена масла, зачастую в двойном объеме, для промывки в зависимости от величины лаковых отложений.
В случае выбора первых трех вариантов возможно взаимодействие с компанией «ФТК», с использованием ее оборудования.
Удаление лака
В большинстве случаев лак и другие мягкие загрязнители могут быть удалены из масла, после чего масло можно возвращать в эксплуатацию. Нужно иметь в виду, что нельзя просто так заменить старое масло новым. Причина в том, что оставшиеся в системе старое масло и лак, уже образовавшийся на внутренних поверхностях системы, будут действовать как катализатор и фактически «отравят» новое масло, которое затем быстро разложится/полимеризуется. Обычно при таком подходе срок службы нового масла сокращается на 30…50%. Масло в системе необходимо подготовить, чтобы удалить растворенный лак и другие загрязнения перед тем, как будет введено новое масло.
По мере снижения уровня содержания лака и шлама в масле увеличивается его способность повторно растворять лак, прилипший к поверхностям машины, следовательно, больше лака с внутренней поверхности металла переходит в масло, откуда его можно удалить фильтрацией. Затем этот процесс продолжается до тех пор, пока весь лак и шлам не будет удален из масла и с поверхностей машины, что подтверждается значением MPC, которое снизится до приемлемого уровня (в идеале ниже 15).
Если масло очищено от шлама и лака, но процесс очистки прекращен до того, как вся система будет полностью очищена, то недавно очищенное масло снова быстро накопит лак и другие загрязнения. Процесс может занять от нескольких дней до нескольких месяцев, в зависимости от количества отложений, а также от скорости потока и эффективности фильтрующего оборудования. Большинство способов будут работать в режиме байпаса в автономном режиме при низких скоростях потока. При такой работе лак не удаляется с поверхностей машины напрямую: масло очищается от лака шлама, а затем за счет растворяющего действия очищенного масла удаляются отложения лака. Масло переносит повторно растворенный лак в фильтры или сепараторы, где его можно удалить из системы.
Для лучшего понимания процесса уместно рассмотреть четыре распространенных заблуждения, связанных с удалением лака и шлама:
- Единственная доступная технология удаления лака – это электростатическое разделение. На самом деле, адсорбционные среды, такие как целлюлоза, успешно используются уже много десятилетий. Компании мирового уровня используют этот метод как простое, мощное и эффективное средство для удаления лака из масла. Это подтверждает и практический опыт ООО «ФТК».
- Системы фильтрации и удаления лака напрямую очищают отложения лака с поверхностей машин. Система удаления лака может удалять только растворимые и нерастворимые частицы, которые проходят через нее. Именно сверхчистое масло, циркулирующее через основное оборудование, удаляет отложения лака. Эти отложения поднимаются растворяющим действием масла, а затем транспортируются маслом в систему фильтрации для окончательного удаления и сбора.
- Размер системы удаления лака не имеет значения. В действительности, когда дело доходит до удаления лака, размер системы имеет значение. Каждая молекула шлама или повторно растворенного лака занимает определенную площадь поверхности. Таким образом, система удаления, а именно, фильтрующие элементы должны иметь высокую удельную площадь поверхности, чтобы вместить удаленный лак. Производительность системы значительно влияет на скорость удаления отложений лака. При более высокой скорости оборота масла в МОУ процесс очистки будет опережать скорость образования лака (мы рекомендуем остановиться на 10…20% объема всей маслосистемы в час через МОУ при условии длительной непрерывной работы). Процесс очистки от отложений лака также ускоряется за счет более высокой скорости потока у основного оборудования, что позволяет растворяющей способности масла работать эффективнее. Этот процесс всегда требует времени, и важно понимать, что при быстром снижении показателя MPC Color в масле это не будет означать удаления лаковых отложений – напротив, вероятнее всего, через короткий промежуток времени масло смоет часть отложений лака и MPC Color снова вырастет. Необходимо соблюдать баланс производительности и времени работ.
- Лак не представляет угрозы для всех масел. Как правило, все масла подвержены лакообразованию, поскольку окисление происходит во всех системах.
Адсорбционная фильтрация
Адсорбция – это адгезия молекул к твердой поверхности т.е. выборочное физическое и/или химическое связывание атомов, молекул или частиц с поверхностью, называемой адсорбентом, например, активированным углем и силикагелем. Нужно отличать адсорбцию от абсорбции. Абсорбция не является выборочной и впитывает материал в абсорбирующий материал, как губка впитывает воду. Адсорбционная фильтрация – это удержание частиц на фильтрующей среде электростатическими силами или молекулярным притяжением.
Основное различие между классическими системами адсорбции и фильтрации, как технологического элемента, заключается в том, что производительность адсорберов обычно в значительной степени зависит от температуры, расхода, концентрации и других условий эксплуатации, в то время как фильтры менее чувствительны к таким условиям.
Очевидно, что использование адсорбции в качестве механизма захвата в сочетании с фильтрацией является перспективным способом удаления частиц лака и шлама. Ключевым моментом является поиск фильтрующей среды, которая также функционирует как эффективный адсорбент. Поэтому необходимо понимать основные физические и/или химические силы, обеспечивающие связывание молекул или частиц с адсорбирующим фильтрующим материалом.
В высококачественных масляных фильтрах применяется целлюлоза, которую можно использовать в качестве адсорбента. Она имеет большую площадь поверхности и, благодаря химической природе волокна, отлично подходит для сбора кислородосодержащих органических молекул, таких как лак и шлам. Компания «ФТК» использует фильтрующие элементы из спрессованной целлюлозы для глубинной аксиальной адсорбционной фильтрации и регенерации масел.
Адсорбция и электростатическое разделение: в чем отличие
Существуют два наиболее распространенных метода удаления лака – электростатическое разделение и адсорбция.
Принцип работы электростатических сепараторов, работающих в низкопоточной автономной байпасной системе, заключается в том, что заряженные частицы осаждаются на собирающей среде или пластинах противоположного заряда. Использование электростатических сепараторов имеет ряд недостатков, в том числе:
- высокая стоимость сепараторов и значительные эксплуатационные расходы;
- низкая маслоемкость собирающих сред;
- снижение эффективности при наличии воды в масле (500 ppm и более), а также газов и других загрязнений, ухудшающих электропроводность;
- низкая скорость потока;
- сложные системы управления.
Системы адсорбции также устанавливаются в автономной байпасной системе. В отличие от электростатических, адсорбционные установки могут обеспечивать более высокий диапазон скоростей потока, от низкого потока 2,5 л/мин (0,15 м3/ч) до высокого – 144 л/мин (8,64 м3/ч) и более, и не зависят от загрязнений масла. Адсорбционная среда, обычно используемая в фильтрах, представляет собой высокоплотный глубинный целлюлозный фильтр (фильтрация на основе способности спрессованной целлюлозы к адсорбции). Важно также, что с помощью этих фильтров можно объединить удаление твердых частиц, влаги, шлама и лака в одном фильтре.
Классические масляные фильтры используются во многих промышленных сферах, они ограничены удалением пыли и мусора определенного размера: как правило, до 3 микрон. Поскольку смазочные материалы содержат множество загрязняющих веществ помимо пыли и мусора, для долговечности оборудования важно, чтобы все поверхности маслосистемы оставались свободными от лака и шлама. Классические фильтры являются одним из источников образования лака и шлама за счет электростатической разрядки внутри фильтрующих слоев. Чтобы очистить открытый металл от таких отложений, лак и подобные загрязнители должны быть удалены способом, который гораздо эффективнее классических фильтров. Адсорбция является самым «мягким» и безопасным способом для удаления лака и шлама.
Целлюлоза особенно эффективна за счет высоких адсорбционных характеристик, ее высокая полярность обеспечивает притягивание и удаление лака и шлама. Поэтому, в отличие от электростатических сепараторов, не требуется электрического напряжения и сложных систем управления. Мощность определяется исключительно площадью поверхности. Всего один грамм целлюлозы имеет площадь поверхности примерно 371 м2. Стандартный фильтрующий картридж содержит 1150 граммов целлюлозы, что обеспечивает общую площадь поверхности, равную примерно площади 700 дачных участков.
Чтобы оценить влияние адсорбции, нужно знать принципы классической фильтрации, характеристики лаков, шлама и других загрязняющих веществ, а также понимать, что лежит в основе процесса адсорбции. Они объясняют, как и почему целлюлоза, в частности, является превосходным средством для удаления лаков из загрязненного масла.
Адсорбция и фильтрация принципиально различны: понимание сути первой находится в пределах физической химии, тогда как вторая обычно основана на простых физических силах и захватывает частицы путем столкновения или просеивания. Объединив адсорбцию и фильтрацию, мы достигли высокой эффективности удаления лака с помощью относительно простого, недорогого и компактного устройства – станции фильтрации масла ООО «ФТК» серии OFU.
Фильтрационная техническая компания готова предложить изготовление аналогов и эквивалентов фильтрующих элементов иностранного производства, активно применяющихся в Российской Федерации. Это позволит значительно улучшить ситуацию с эксплуа-тацией сложного технологического оборудования, увеличить его жизненный цикл.