Mieszalność olejów przekładniowych do turbin wiatrowych

09.06.2022

Pytanie o mieszalność najczęściej zadawane jest przy okazji podejmowania decyzji o zmianie typu środka smarnego lub konieczności ewentualnej dolewki. Oznaką świadomości i dojrzałej wiedzy eksploatacyjnej, jest samo zadanie tego typu pytania przed podjęciem decyzji. Jednakże dobrze postawione pytanie to tylko połowa sukcesu, potrzebujemy jeszcze rzetelnej i jasnej odpowiedzi. Najczęściej zwracamy się z takimi pytaniami do producentów czy dostawców środków smarnych lub szukamy ich w dostępnych kartach technicznych środków smarnych. W tych ostatnich pewnie znajdziemy informacje, że prezentowany środek smarny jest w pełni mieszalny i może być stosowany zamiennie ze wszystkimi odpowiednikami konkurencji, spełniającymi podane specyfikacje.

W tym miejscu chciałbym ostrzec przed braniem za pewnik informacji jedynie z karty technicznej i dla własnego bezpieczeństwa oraz spokoju zalecałbym poproszenie o zapewnienie przedstawiciela dystrybutora lub producenta o faktycznym braku przeciwskazań przed zmieszaniem oleju X i Y. Pamiętajmy, że producenci środków smarnych, aby sprostać ciągle rosnącym wymaganiom prześcigają się w komponowaniu coraz wydajniejszych pakietów dodatków i baz olejowych – wymuszone jest to m.in. przez dążenie do miniaturyzacji i zwiększania wydajności maszyn przy jednoczesnym ich wytężaniu. Taka sytuacja rodzi pewne problemy i pytania. O ile mieszalność samych baz olejowych jest kwestią dobrze poznaną, to doświadczenie uczy nas, że kolejny element środka smarnego, którym są dodatki, może reagować ze sobą w różny, niekoniecznie korzystny dla maszyny, sposób. W niniejszym artykule chciałbym skupić się na kwestii nie tylko mieszalności, lecz zagłębić się w temat KOMPATYBILNOŚCI, ponieważ tak naprawdę to o kompatybilność, a nie o samą mieszalność, powinniśmy pytać. Dwa środki smarne mogą doskonale się ze sobą pomieszać – jednakże pakiety dodatków w nich zawarte mogą nie być tak skore do współpracy.

Opis badań

W Laboratorium Analiz Olejowych Ecol sprawdzono kwestię mieszalności 8 olejów świeżych stosowanych w przekładniach głównych turbin wiatrowych, w systemie każdy z każdym. Otrzymano w efekcie 28 próbek olejów zmieszanych w proporcjach 50:50 oraz 8 próbek świeżych.

Badanie obejmowało oznaczenie najważniejszych parametrów fizykochemicznych świadczących o możliwej kompatybilności lub jej braku dla każdej próbki tj.:

• Wygląd zewnętrzny
• Zawartość pierwiastków
• Lepkość kinematyczna oraz wskaźnik lepkości
• Skłonność do pienienia
• Wskaźnik MPC
• Liczba kwasowa (Acid Number – AN)
• Widmo IR

 

Wygląd zewnętrzy jest pierwszym sygnałem, który informuje, czy proces mieszania przeszedł bez przeszkód – wystąpienie zmętnienia czy pojawienie się zawiesiny wskazuje na nieprawidłowości podczas mieszania środków, oczekiwanym rezultatem jest wysoka klarowność oraz barwa zbliżona do pierwotnej mieszanych olejów.

Zawartość pierwiastków wykonana dla oleju świeżego pozwala określić m.in. jakie dodatki w nim występują. Do najczęściej spotykanych pierwiastków w olejach przekładniowych należą: Fosfor, Siarka, Cynk, Wapń, Magnez, Bor, Molibden oraz Krzem. Są to zarówno dodatki przeciwzużyciowe/przeciwzatarciowe, inhibitory korozji, przeciwutleniacze czy środki antypienne.

 

 

Lepkość kinematyczna jest najważniejszym parametrem fizykochemicznym oleju, od której w głównej mierze zależy wytrzymałość filmu smarnego, nadmierne zmiany w lepkości grożą poważnymi konsekwencjami dla smarowanej przekładni.

Skłonność do pienienia pozwala określić, czy olej poddany napowietrzeniu będzie generował na swojej powierzchni pianę oraz jak intensywne będzie to zjawisko. Wynik badania przedstawiany jest jako ilość ml wygenerowanej piany w każdej z 3 sekwencji – im więcej tym gorzej.  Dla olejów przekładni turbin wiatrowych oczekujemy, że środki smarne będą wykazywały się minimalną skłonnością do pienienia (0 ml) ze względu na specyficzny reżim smarowania, szczególnie narażony na napowietrzanie.

Wskaźnik MPC informuje o ryzyku generowania osadów przez olej – zarówno osadów starzeniowych jak i nierozpuszczonych w wyniku braku kompatybilności dodatków. Wysoki wskaźnik MPC mówi o potencjalnym ryzyku wystąpienia osadów w układzie – głównie są to bardzo niewielkie, trudno rozpuszczalne cząstki o rozmiarach poniżej 1 µm. Eksploatacja oleju o wysokim wskaźniku MPC może prowadzić do skrócenia żywotności filtrów, obniżenia wydajności chłodnic, zatykania kanałów olejowych czy podniesionej temperatury węzłów tarcia w wyniku odkładania się osadów w układzie. MPC określane jest na podstawie zabarwienia membrany filtracyjnej 0,45µm po przefiltrowaniu odpowiednio przygotowanej próbki oleju.

 

 

 

Liczba kwasowa wyrażona jest w miligramach wodorotlenku potasu koniecznego do zobojętnienia wszystkich kwaśnych elementów próbki oleju. Początkowa liczba kwasowa jest charakterystyczna dla każdego rodzaju oleju i zależy od bazy olejowej oraz zastosowanej technologii dodatków. W miarę starzenia się oleju, w wyniku degradacji powstają kwaśne produkty, który powodują wzrost liczby kwasowej. Nadmierny wzrost informuje o zbliżającej się konieczności wymiany oleju.

Widmo IR uzyskiwane jest poprzez „prześwietlenie” próbki światłem podczerwonym. Cząsteczki chemiczne, z których składa się olej, reagują z falą podczerwoną absorbując światło oraz drgając w specyficzny dla danej molekuły sposób – pozwala to uzyskać widmo, które jest swoistym odciskiem palca danego środka smarnego i jest unikalne dla każdego produktu. Na podstawie widma IR można określić m.in. na jakiej bazie olejowej zbudowany jest olej oraz jaki pakiet dodatków zawiera, ponadto widmo IR służy do wykrywania ewentualnego zmieszania czy degradacji lub innych czysto chemicznych zanieczyszczeń  w środkach smarnych.

Oleje świeże

Wszystkie analizowane oleje są olejami syntetycznymi o klasie lepkości ISO VG 320, spełniającymi wymagania dla olejów przekładniowych typu CLP. Posiadają również aprobaty i dopuszczenia renomowanych producentów przekładni. Chciałem to uściślić, gdyż jak wspomniałem wcześniej – pomimo tego, że „na papierze” wszystkie te oleje są do siebie bardzo zbliżone, wyniki, które przedstawię w dalszej części pokażą nam, że w praktyce technologia w nich zawarta może być kompletnie różna – stąd też wynika całe zamieszanie dotyczące kompatybilności poszczególnych produktów.

Poniższe tabele przedstawiają kolejno zawartość pierwiastków dodatków (ppm) w analizowanych olejach świeżych przed zmieszaniem oraz typowe własności fizykochemiczne.

 

Żeby dopełnić obrazu różnic w chemii analizowanych olejów świeżych poniżej przedstawiono zbiorczo widma IR analizowanych produktów. Jeśli wcześniejsze argumenty nie były wystarczające do przekonania czytelnika, że występujące różnice pomiędzy olejami mogą być znaczące, to myślę, że poniższy obraz rozwieje wszelkie wątpliwości.

 

 

Najbardziej wyraźnie różnice w kompozycji olejów widoczne są w tzw. Obszarze daktyloskopowym, to właśnie w przedziale liczby falowej 1500cm^-1 – 750cm^-1 możliwe do zauważenia są charakterystyczne dla danego produktu „odciski palca”, które umożliwiają jego identyfikację. Wiązania węglowodorowe, jak należy się spodziewać, występują w każdym oleju, gdyż jak wspomniano są to oleje na bazie węglowodorów syntetycznych. W przypadku opisanego wcześniej oleju D (ciemnoniebieska linia na wykresie) zauważalny jest brak na widmie peaku w obszarze obecności dodatków estrowych.

 

Badania próbek zmieszanych

Po ustaleniu wartości startowych dla każdego oleju, możemy przejść do omawiania wyników uzyskanych po zmieszaniu świeżych produktów. Zmieszane próbki wygrzewano przez 5 dni w temperaturze 60^oC po czym przystąpiono do wykonywania pomiarów dla każdej z nich.

Najważniejszymi parametrami z punktu widzenia potencjalnych problemów eksploatacyjnych w rozpatrywanym przypadku będą dla nas wskaźnik MPC oraz skłonność do pienienia. Poniższe wykresy prezentują skumulowaną skłonność do pienienia (suma ilości piany w 3 sekwencjach) oraz wskaźnik MPC. Zdecydowałem się przedstawić te dane w taki sposób w celu zapewnienia czytelności wykresu.

 

Jak można zaobserwować 8 próbek wykazuje skłonność do pienienia, z czego wartości 20 ml i 10 ml odpowiednio dla olejów F + B oraz E + G możemy uznać za marginalne. Pozostałe wartości jasno sugerują nam, że w wyniku zmieszania znacząco wzrósł potencjał oleju do generowania piany co z punktu widzenia reżimu smarowania przekładni jest bardzo niekorzystne i potencjalnie groźne. Nadmierne pienienie się oleju zawsze powinno być odbierane jako sygnał występowania możliwych nieprawidłowości w układzie. Tak więc dla pozostałych sześciu mieszanin uzyskane wyniki zwiększonego pienienia kwalifikują je do uznania z dużym prawdopodobieństwem za niekompatybilne już na podstawie tylko powyższego parametru.

 

Wskaźnik MPC uznajemy za niepokojący od wartości 20. Takich sytuacji w naszym przypadku również obserwujemy 8, choć nie wszystkie są skorelowane z nadmiernym pienieniem. Najbardziej krytyczne wartości osiągnęły mieszaniny F + D, E + D, D + G, D + C, D + A oraz H + D. Rzuca nam się w oczy jedna rzecz – w każdej wymienionej sytuacji obecny jest olej D. Pamiętamy, że już olej świeży wykazywał się podniesioną skłonnością do generowania osadów, która w wyniku zmieszania i reakcji z innym środkiem skutkuje zwielokrotnieniem ryzyka ich występowania. Taka sytuacja informuje nas o krytycznej niekompatybilności dodatków zawartych w mieszanych produktach i wysokim prawdopodobieństwie ograniczenia skuteczności ich działania.

 

Poniżej przedstawiono zbiór parametrów fizykochemicznych dla każdej mieszaniny:

 

Przyjmując kryteria oparte na skłonności do pienienia, wskaźniku MPC oraz wyglądzie próbki po mieszaniu, stworzono matrycę mieszalności poszczególnych par olejów.

 

Wnioski

Jak można zauważyć, kwestia kompatybilność, wydawałoby się podobnych, środków smarnych nie jest taka prosta jakbyśmy sobie życzyli. Widzimy jakie potencjalne zagrożenia niesie zmieszanie ze sobą niekompatybilnych świeżych produktów. Należy mieć na uwadze, że zmieszanie oleju eksploatowanego w układzie, który jest już w jakimś stopniu zdegradowany i wystawiony na większy stres niż warunki testowe, może zwielokrotnić potencjale konsekwencje.

Bazując na powyższych wynikach oraz zdobytym doświadczeniu rekomendujemy prewencyjne wykonywanie badań kompatybilności przeznaczonych do zmieszania środków, aby zabezpieczyć się przed ewentualnymi konsekwencjami. Jednocześnie musimy zdawać sobie sprawę, że testy wykonane w laboratorium, niestety nie są w stanie w 100% oddać warunków panujących w układzie, pozwolą wykluczyć ewidentnie niekompatybilne produkty i uniknąć skrajnie negatywnych reakcji. Natomiast testowo kompatybilne środki po zmieszaniu w układzie mogą – ze względu na panujące tam warunki, zanieczyszczenia, osady itp. początkowo spowodować na przykład skrócenie żywotności filtrów do czasu wypłukania zanieczyszczeń. Dlatego przed zmianami typu środka smarnego czy wymiany oleju na świeży idealnym rozwiązaniem jest dokładne wyczyszczenie i wypłukanie układu potwierdzone wynikami analiz. Dopiero napełnienie należycie przygotowanego układu olejem docelowym gwarantuje nam największą pewność braku problemów eksploatacyjnych i zapewnia zdecydowanie dłuższy czas eksploatacji środka smarnego.

Niniejsze testy zostały wykonane jako wstęp do dalszych projektów, gdzie planowane są analizy kompatybilności środków nie tylko świeżych, lecz już eksploatowanych oraz podjęcie próby określenia „bezpiecznych” stosunków zmieszania, przy których ewentualne negatywne efekty będą minimalne. Zachęcamy do śledzenia naszych publikacji.

 

Autor: K. Płonka