Analiza pierwiastków w środkach smarnych

05.12.2022

Pierwiastki mogą kojarzyć się z nielubianymi lekcjami chemii, jednak nie sposób ich unikać, gdyż są dosłownie wszędzie. Pierwiastek chemiczny to „zbiór wszystkich atomów, posiadających jednakową liczbę protonów w jądrze” oraz „substancja chemiczna, która składa się wyłącznie z atomów posiadających jednakową liczbę protonów w jądrze”. Niniejszy artykuł nie skupia się na dogłębnym badaniu tematu pierwiastków od strony chemicznej, ale na metodyce badań oraz sposobie wykorzystania ich obecności w środku smarnym do oceny stanu maszyny, zanieczyszczeń wewnątrz układu oraz poziomie dodatków środka smarnego.

Pierwiastki, jak już zostało wspomniane, stanowią otaczającą nas materię. Między innymi oleje składają się z pierwiastków, są to zazwyczaj węgiel oraz wodór. W przypadku olejów syntetycznych jak np. polialkilenoglikole, może pojawić się również tlen. W smarach natomiast mogą pojawić się pierwiastki pochodzące z zagęszczacza smaru jak np. lit (w przypadku smarów litowych). Składnikiem oleju oraz smaru są także dodatki uszlachetniające, które w zależności od pakietu dodatków mogą pojawiać się w postaci np.: fosforu, cynku, wapnia, magnezu, molibdenu (są różne w zależności od technologii środka smarnego). Mając taką wiedzę jesteśmy w stanie rozgraniczyć pierwiastki, które występują w oleju naturalnie od tych niepożądanych.

Badanie środków smarnych, pod kątem zawartości pierwiastków, pozwala na stwierdzenie czy w układzie smarnym zachodzą podwyższone procesy zużyciowe, pozwala ocenić dynamikę zużycia maszyn, śledzić poziom dodatków uszlachetniających oraz wykrywać obecność zanieczyszczeń (jeśli takowe się pojawią). Są to główne zalety badania pierwiastków w środkach smarnych.

 

1. METODY BADAWCZE

Istnieje wiele technik oznaczania pierwiastków, jednak w przypadku środków smarnych wykorzystuje się najczęściej dwie metody: metodę ICP-OES (Inductively Coupled Plasma – Optical Emission spectroscopy) oraz RDE-OES (Rotating disk electrode – Optical Emission spectroscopy).

 

Zasada działania indukcyjnie wzbudzanej plazmy polega na wzbudzaniu elektronów w atomie tzn. dostarczeniu energii z plazmy o temperaturze około 10000°C. Dostarczenie tej energii powoduje rozpad cząsteczek na atomy oraz przeskok elektronu na dalszą powłokę elektronową. Gdy elektron wraca na swoją pierwotną powłokę emituje światło o charakterystycznej dla danego pierwiastka długości fali, natomiast natężenie tego światła jest proporcjonalne do stężenie tego pierwiastka. Ogólną zasadę działania pomiaru prezentuje rys.3. Dzięki różnorodności widm jakie emitują pierwiastki można sprecyzować z jakimi pierwiastkami mamy do czynienia w próbce. Na Rys. 4 i Rys. 5 przedstawiono widmo światła dla wodoru i żelaza¹.

 

 

 

 

Zasada działania Rotating Disc Electrode jest podobna. Różnica polega na początkowym stadium badania. Energię dostarczają wyładowania elektryczne o temperaturze 5000 – 6000°C. W przeciwieństwie do ICP, gdzie elementem dostarczającym i podtrzymującym energię jest plazma wytwarzana z argonu w postaci gazu².

Jednostką w jakiej oznacza się koncentrację pierwiastków jest mg/kg = ppm (parts per milion).

 

2. O CZYM MÓWIĄ PIERWIASTKI

W zależności od wykrytego pierwiastka, typu oleju oraz pochodzenia oleju (np. olej silnikowy, przekładniowy, hydrauliczny) możemy otrzymywać różne wskazania. Pierwiastki badane w środkach smarnych, które dostarczają kluczowe informacje można skategoryzować ze względu na:

• Dodatki uszlachetniające: wapń (Ca), magnez (Mg), bor (B), cynk (Zn), fosfor (P), bar (Ba), molibden (Mo), siarka (S);
• Zanieczyszczenia: krzem (Si), potas (K), sód (Na), lit (Li), tytan (Ti);
• Zużycie: żelazo (Fe), chrom (Cr), cyna (Sn), glin (Al), Nikiel (Ni), miedź (Cu), ołów (Pb), antymon (Sb), mangan (Mn), Wanad (V), Srebro (Ag).

Powyższa kategoryzacja jest poglądowa i nie zawsze obecność danego pierwiastka stanowi dodatek lub zużycie, gdyż może również świadczyć o zanieczyszczeniu. Przykładowo lit, który w niektórych smarach stanowi dodatek uszlachetniający, może również może wskazywać na zanieczyszczenie oleju smarem.

Poniższa tabela zestawia skondensowane informacje o możliwości pochodzeniu pierwiastków w odniesieniu do zużycia, zanieczyszczeń oraz dodatków uszlachetniających.

 

Żelazo	Cząstki zużyciowe, stal, żeliwo, rdza, zgorzelina, pył kruszca/rudy, popiół, farba, pył papierniczy, azbest, talk, zeolit, detergenty czyszczące
Chrom	Pokrycie pierścieni, części chromowane, farby, stal nierdzewna
Aluminium (glin)	Kurz uliczny, łożyska, farby, tlenki glinu, zanieczyszczenia węglowe, popiół, pył odlewniczy, aktywowany tlenek glinu, boksyt, granit, katalizatory, cząstki zużyciowe
Miedź	Dodatek AW (antyzużyciowy), części z brązu, mosiądzu, klatki łożysk, chłodnice, wydobycie miedzi, fabry, babbit, pierścienie, tuleje, podkładki
Ołów	Babbit, łożyska ślizgowe, składnik benzyny, farby, luty, stopy brązu
Cyna	Klatki łożysk (brąz), luty, babbit, łożyska ślizgowe
Nikiel	Stopy stali nierdzewnej, pokrycia niklowe, stellit (kobalt – nikiel), stopy stali hartowanych
Molibden	Dodatek EP (Extreme Pressure), składnik stopów metali, pierścienie
Cynk	Dodatek AW (antyzużyciowy), składnik brązu, pokrycia (ocynkowanie), galwanizacja, smary, ochrona katodowa w systemach wód obiegowych
Srebro	Pokrycia łożysk (niektórych), luty, składnik łożysk igiełkowych (niektórych), tuleje sworznia
Tytan	Składnik łożysk turbin gazowych, farby, łopaty turbiny
Potas	Dodatek do płynów chłodniczych, zanieczyszczenia z powietrza, kurz uliczny, granit, śladowe ilości w paliwie
Bor	Dodatek do płynów chłodniczych, dodatek EP (Extreme Pressure), składnik środków czyszczących do beczek olejowych, kwas borowy (w oczyszczalniach wody), składnik detergentów
Krzem	Kurz uliczny, składnik uszczelek, dodatek antypienny, składnik stopów metali, oleje silikonowe, sprzęgła (mokre), szkło, dodatek do chłodziw, pył odlewniczy, filtr z włókna szklanego, zanieczyszczenie z powietrza, żużel, cement, azbest, granit, wapień, talk
Sód	Składnik chłodziw, słona woda, niektóre dodatki, smary, ziemia, kurz uliczny, sól drogowa, zanieczyszczenia z powietrza, aktywny glin, kurz z młynów papierniczych
Wapń	Twarda woda, woda słona, dodatek uszlachetniający olejów silnikowych (i nie tylko), kurz górniczy, smary, wapień, guma, żużel, węgiel brunatny, cement, kurz uliczny, gips, inhibitor korozji, detergenty
Fosfor	Dodatki AW/EP, wykończenie powierzchni niektórych przekładni, detergent myjący,
Bar	Dodatek olejów silnikowych (i nie tylko), smary, dodatek do paliw
Wanad	Łopaty turbin, zawory, olej opałowy
Kadm	Łożyska ślizgowe, pokrycia
Magnez	Twarda woda, dodatek olejów silnikowych (i nie tylko), metalurgia turbiny, woda morska, kurz uliczny

Tabela 1. Pochodzenie pierwiastków ³.

3. PIERWIASTKI JAKO ELEMENT DIAGNOSTYKI MASZYN

Biorąc pod uwagę dostępne badania laboratoryjne przeznaczone do analizy środków smarnych, oznaczenie pierwiastków jest podstawowym badaniem oceny stanu technicznego smarowanych elementów, zanieczyszczeń i poprawności zastosowanego oleju/smaru.
Ze względu na możliwość badania pierwiastków w większości środków smarnych oraz idące za tym korzyści, badanie to znajduje zastosowanie we wszystkich gałęziach przemysłu.

W regularnym monitoringu diagnostycznym zalecane jest prowadzenie badań pierwiastków w olejach hydraulicznych, przekładniowych, turbinowych (turbiny gazowe i parowe), sprężarkowych, silnikowych etc. Analiza pierwiastkowa znajduje zastosowanie również w olejach grzewczych, olejach elektroizolacyjnych, płynach chłodzących, cieczach obróbczych jak również w badaniach wody.

Podczas analizowania wyników pierwiastków ważne jest, aby śledzić linię trendu, czyli zmianę stężeń pierwiastków w kolejnych badaniach. Jest to ważne, ponieważ wartości zużycia są różne dla każdej z maszyn, w zależności od typu części, producenta i modelu, typu oleju, wieku, użytkowania itp. Śledzenie trendu zmian zawartości pierwiastków to bardzo przydatny element diagnostyki maszyn, umożliwiający wychwytywanie wczesnych oznak zużycia oraz problemów związanych z zanieczyszczeniami.

Analizując wyniki, pomocne jest odniesienie do oleju/smaru świeżego (próbka referencyjna) w zakresie poziomu dodatków uszlachetniających. Bardzo istotna jest znajomość  metalurgii maszyn, tak aby wykryte pierwiastki zużyciowe powiązać ze smarowanymi elementami urządzenia. Kolejną ważną kwestią, to znajomość potencjalnych zanieczyszczeń, które mogą przedostać się do układu z otoczenia pracy maszyny, np.: z układów i instalacji pomocniczych, występujących mediów procesowych, czynników chłodniczych, lub z prowadzonych prac serwisowych.

Zaleca się przyjąć częstotliwość analiz, zależnie od etapu życia urządzenia, w odstępach półrocznych, kwartalnych lub nawet częściej – dla krytycznych urządzeń złożonych instalacji oraz zawsze przed planowanym postojem remontowym, w trakcie którego, w razie wystąpienia niepokojących wyników, można zaplanować czynności serwisowe.

Badanie pierwiastków znajduje zastosowanie nawet wtedy, gdy nie badamy regularnie oleju. Wystarczy pobrać próbkę oraz wysłać do badania w celu potwierdzenia lub wykluczenia możliwego, zwiększonego zużycia lub korozji w obrębie układu smarnego.

W badaniu pierwiastków przytoczonymi metodami rejestrowane są cząstki o rozmiarach poniżej 5 mikronów, detekcja jest tym lepsza im mniejsze cząsteczki, a więc ogromną zaletą analizy pierwiastków jest wychwytywanie zużycia na bardzo wczesnym etapie ich generowania. Jest to bardzo istotna informacja przy interpretowaniu wyników badań. W praktyce, aby nie pominąć cząstek większych rozmiarów badania należy uzupełniać o inne parametry jak PQ indeks (zawartość ferromagnetycznych cząstek) czy badania klasy czystości z mikroskopową oceną występujących w oleju cząstek.

Główną zasadą przy ocenie koncentracji pierwiastków zużyciowych jest obserwacja trendu. Można odnosić się do specyfikacji i wymagań producentów urządzeń lub limitów wyznaczanych statystycznie.

Generalnie należy pamiętać iż jednostką w jakiej oznacza się koncentrację pierwiastków jest mg/kg = ppm (part per milion), Wartości pierwiastków odnosimy więc do objętości (masy) środka smarnego w układzie a więc:

100ppm (mg/kg) żelaza dla układu o pojemności 10l to ~ 0,001kg = 1g żelaza
100ppm (mg/kg) żelaza dla układu o pojemności 1000l to  ~ 0,1kg = 100g żelaza

Mając na uwadze powyższe przyjmuje się ogólną zasadę:

•  im większa pojemność oleju w układzie,
•  im krótszy czas pracy,
•  dla silników – im niższe obroty,
•  dla hydrauliki – im wyższe ciśnienia pracy,
•  dla przekładni – im wyższa prędkość obwodowa,

…tym niższe są limity graniczne dla metali zużyciowych.

 

4. PRZYKŁAD Z ŻYCIA

Poniżej przedstawiono rzeczywiste przebiegi zależności przyrostu pierwiastków zużyciowych (miedzi oraz cynku) w odniesieniu do daty poboru próbki, z przekładni głównej turbiny wiatrowej.

 

W pierwszej fazie wykresu można zaobserwować w miarę stabilny trend, co świadczyło o normalnej pracy przekładni nie wskazując na problemy eksploatacyjne. Od 2019r można zaobserwować wyraźne przyrosty zużycia wymagające zgodnie z zaleceniami diagnosty, podjęcia działań korygujących, obejmujących weryfikację, inspekcję układu, wymianę oleju. Brak podjęcia działań skutkował w 2021 roku intensyfikacją zużycia, i konieczności podjęcia złożonej reakcji serwisowej.

 

5. PODSUMOWANIE

Badanie pierwiastków w środkach smarnych należy do proaktywnym metod diagnostyki. Powinno być podstawowym i nieodzownym elementem każdego programu utrzymania ruchu urządzeń w każdej gałęzi przemysłu (może z wyjątkiem modelu RTF – Run to Failure). Regularne badania umożliwiają podjęcie optymalnych działań serwisowych, w optymalnym czasie, co przekłada się na  obniżeniem kosztów i wysoką dyspozycyjność parku maszynowego.

 

6. BIBLIOGRAFIA

¹https://www.agilent.com/en/support/atomic-spectroscopy/inductively-coupled-plasma-optical-emission-spectroscopy-icp-oes/icp-oes-instruments/icp-oes-faq
²https://www.mtb.es/files/products/White_Paper__Overview_of_Rotating_Disc_Electrode_RDE_Optical_Emission_Spectroscopy_for_in_service_oil_analysis.pdf
³Sourcebook For Used Oil Elements, Noria, James C. Fitch
⁴„Przemysłowe środki smarne. Poradnik.” Warszawa: Total Polska Sp. z o.o., 2003.