DEGRADÁCIA MAZACIEHO OLEJA

Mazací olej je často vystavený  nepredvídaným prevádzkovým podmienkam, ktoré majú  podstatný vplyv na jeho životnosť. Pre jeho kontrolu vzhľadom na to platia tri všeobecné kritéria, ktoré určujú dôvod na výmenu mazacieho oleja. Ide o degradáciu základového oleja, úbytok prísad a nečistoty v mazacom oleji. 
Pozornosť bude zameraná  na hydraulické, turbínové a ďalšie mazacie oleje. Výrobcovia mazacích olejov v súčasnej dobe používajú  základové oleje skupiny II a III podľa API a vhodnú kombináciu prísad. Tieto oleje majú omnoho lepšiu oxidačnú stabilitu pri ich hodnotení podľa oxidačnej skúšky RPVOT, ASTM D 2272, resp. skúšky stability podľa TOST, ASTM D 943, ako základové oleje skupiny I podľa API, ktoré sa dlhé roky používali a ešte používajú v praxi. Treba pripomenúť, že v súčasnej dobe stroje pracujú pri vyšších prevádzkových teplotách, predlžujú sa výmenné lehoty olejových náplni a iné. To všetko vedie napriek novým formuláciám olejov ku vzniku často neočakávaných problémov, ktoré súvisia s degradáciou mazacieho oleja a to k tvorbe mäkkých nečistôt, kalov a lakov.  

Keď hovoríme o degradácii mazacieho oleja, tak máme na mysli degradáciu základového oleja a tvorbu nežiaducich vedľajších  produktov, ako sú kaly (sludge) a laky (varnish), živice, nežiaduce polárne látky, ktoré sa usadzujú (priľnú) na funkčných plochách strojových častí, kde vytvoria súvislý nerozpustný film, napr. na klzných plochách,  ložiskách, regulačných ventiloch a iných funkčných plochách. Laky sú mäkké nečistoty, častice, ktoré sú menšie ako 1µ a nie sú merateľné pomocou postupov pre stanovenie triedy čistoty oleja. Samotný lakový film môže byť oranžovej, hnedej, resp. až čiernej farby. Tieto nečistoty, laky sa nedajú odstraňovať pomocou mechanickej filtrácie. Čo sa týka kalov, tak sú to vlastne laky, ktoré obsahujú určité množstvo vody. Ide o mäkké nečistoty, ktoré možno odstrániť, extrahovať bežným konvenčným spôsobom z oleja.  Samotnú degradáciu základového oleja môže spôsobiť prebiehajúci oxidačný proces, tepelná degradácia (horúce miesta) a chemická degradácia. Určitý vplyv na degradáciu mazacieho oleja má aj samotná formulácia, voľba základového oleja a vhodných prísad, resp. úbytok prísad. Pozornosť treba venovať najmä tepelnej degradácii oleja. Tepelná degradácia je proces, ktorý vzniká bez prítomnosti kyslíka pri teplote okolo 300 °C, resp. aj pri vyšších teplotách. Uhľovodíkové štruktúry sú narušené (krakované), pričom vznikajú nerozpustné karbónové produkty, laky a kaly.

Primárnou príčinou tepelnej degradácie sú:

-  Mikro – dieselizácia (adiabatická kompresia, teplo zostáva v plyne a zvýšenie teploty dodatočne zvyšuje aj tlak), ktorá vzniká vtedy, keď vzduchové bublinky prechádzajú z nízko tlakovej oblasti (olejová nádrž) do vysoko tlakovej oblasti (čerpadlo), bublinky vtedy skolabujú pri teplote nad 1 000 °C.

-  Elektrostatický výboj – vzniká vtedy ak olej prúdi cez veľmi úzke tolerancie (štrbiny) pri vysokom prietoku, cez filtre,  resp. pri hraničnom mazaní, kde samotný elektrostatický výboj môže zvýšiť teploty až nad 10 000 °C.

-  Horúce miesta – v mazacom systéme sa vyskytujú, čo vedie k vzniku chemických reakcií a to polymerizácii (spájanie rovnakých molekúl) alebo pyrolýze (rozklad molekúl).

Produkty degradácie, kaly a laky sú známe a sú často príčinou prevádzkových problémov v mnohých priemyselných odvetviach. Ich výskyt je spojený najmä s prevádzkovou teplotou mazacieho oleja. Podľa doterajších skúsenosti, možno preto postup degradácie mazacích olejov uviesť  nasledovne.

POSTUP DEGRADÁCIE MAZACÍCH OLEJOV

Oxidácia a polymerizácia

↓

Rozpustnosť mäkkých nečistôt

↑↓

Zrážanie (usadzovanie)  a zhlukovanie (hromadenie)

↑↓

Laky  na častiach strojov

Treba poznamenať, že posledné tri stupne sú vratné (reverzibilné). Ak oxidácia oleja pokračuje, tak potom nasledujúca polymerizácia, ktorá je podnetom, príčinou vzniku mäkkých nečistôt, ktoré menia svoju farbu a kyslosť. Tieto mäkké nečistoty sú podnetom, základom vzniku lakov, ktoré sú rozpustné v teplom oleji. Zmena teploty oleja vyvoláva určitú, môžeme povedať vzájomnú rovnováhu  v procese degradácie olejov. Pokles teploty vedie k zvýšeniu koncentrácie  nerozpustných nečistôt, ktoré sa vyzrážajú a  zhlukujú sa (aglomerácia) do lakových formácií, zatiaľ čo nárast teploty vedie k tomu, že tieto nečistoty z lakových formácii sa vrátia späť do roztoku. Teda teplý olej rozpúšťa nečistoty (laky) a studený olej ich vylučuje a vracia späť do oleja, ako laky.

Mnohé oleje podľa dostupných informácií sú schopné vyzrážať (vylúčiť) mäkké nečistoty pri teplotách v rozsahu od 10 do 35 °C. Ako príklad môžeme uviesť pôsobenie cukru v káve. Horúca káva ľahko rozpustí  cukor v káve a naopak studená káva, keď sa zníži bod (teplota) nasýtenia, tak cukor sa vylúči a zostane na dne hrnčeka. Zohriatím kávy sa nám vráti cukor znovu do (roztoku) kávy.

Ak mäkké nečistoty sú rozpustené v mazacom oleji pri teplote nad 40 °C, nemôžu byť odstránené pomocou bežných mechanických filtrov alebo elektrostatických filtrov. Ide o dôležitú informáciu pre postupy ošetrovania olejov. Treba uviesť, že mäkké nečistoty sú polárne látky a adsorbujú sa na dipolárných (chladných) kovových povrchoch „chladné miesta“   alebo najmä vtedy, keď zariadenie, stroj je odstavený, nie je prevádzke. Mäkké nečistoty majú  nižšiu teplotnú stabilitu ako mazací olej, a tak sa ľahšie prichytia na kovových povrchoch, napr. klzných plochách, ložiskách.

Na mazací olej v prevádzke pôsobia často neočakávané vplyvy, určité prevádzkové aspekty. Ide o fenomén, ktorý súvisí s uvedenými informáciami  a má zásadný vplyv na olej, teda jeho fyzikálne a chemické vlastnosti. To spôsobuje potom často  problémy, ktoré vedú k narušeniu prevádzkovej spoľahlivosti a funkčnosti strojových častí. Uvedieme niektoré problémy so vznikom lakov (živíc), ktoré môžu vzniknúť v prevádzke strojov:

-  Menšie, užšie tolerancii, uloženia trecích uzlov, ovplyvnenie mazacieho režimu, prechod z hydrodynamického mazania na hraničné mazanie, nárast opotrebovania napr. čerpadiel, ložísk, ventilov a iných strojových častí

-  Všeobecne nárast trenia v trecích uzloch, trhavý pohyb mechanických časti, ako sú regulačné ventily a pod.

-  Zvýšené prevádzkové teploty, laky, živice pôsobia ako izolátor, znižuje sa efekt chladenia a tiež ochladzovania mazacích olejov

-  Zmeny toku, prúdenia oleja, zanášanie a zníženie účinnosti  filtrov, ventilov a pod.

-  Nárast opotrebovania, živice môžu obsahovať aj tvrdé nečistoty, vznik abrazívneho opotrebovania a teda celkové nárast opotrebovania

-  Poškodenie mechanických tesnení, ložísk a iných strojových častí

-  Nárast nákladov z dôvodu čistenia strojov,  mazacích systémov a iné

Výrobcovia mazacích olejov, ako už bolo uvedené, pripravili a používajú nové formulácie základových olejov, ktoré zabraňujú tvorbe lakov a kalov. Ide o základové oleje skupiny II podľa API, resp. vyšších tried a to triedy III a IV. Z doterajších informácií a skúsenosti z praxe je známe, že syntetické, alebo vysoko rafinované oleje odolávajú oxidácii lepšie ako bežné komerčné oleje. Napriek tomu každý olej či je  syntetický alebo ropný podlieha pri vyššej teplote, tepelnej degradácii. Bolo zistené, že formácie nečistôt, kalov a lakov môžu vznikať rýchlejšie pri vysoko rafinovaných olejoch. Čo sa týka rozpustnosti, tak pri konvenčných olejoch je lepšia. To znamená, že schopnosť usadzovania nečistôt na funkčných plochách je nižšia, čo je výhoda. Rozhodujúcim faktorom je tu prevádzková teplota oleja. Pri prevádzkovej teplote oleja 70 °C a vyššej, začínajú také oxidačné procesy, ktoré vedú k vytváraniu karbónových usadenín, lakov a kalov. Z toho vyplýva, že  prevádzková teplota má zásadný vplyv na tvorbu kalov, čo dokazujú aj skúsenosti z praxe.
Čo sa týka nových formulácií prísad, tak v tejto súvislosti treba spomenúť, že veľmi dôležitou prísadou pre oleje je správna voľba vhodného  antioxidantu.
V súčasnosti sa používajú, resp. sú známe dva základne typy antioxidantov a to báze fenolov a amínov, resp. ich kombinácia. Ide o primárne antioxidanty a to nízkoteplotné antioxidanty, fenoly, pre teploty pod 120 °C a vysokoteplotné antioxidanty, amíny pre teploty nad 120 °C. V niektorých prípadoch sa používajú ešte aj sekundárne antioxidanty, napr. na báze ZDDP(Zinc-Dialkyl-Dithio-Phosphates). 
Pre formuláciu súčasných mazacích olejov sa odporúča výber základových olejov podľa API, skupiny II, III a IV, ak je to možné. Čo sa týka prísad, tak sa odporúča kombinácia fenolových a amínových antioxidantov s vyšším obsahom fenolovej zložky z dôvodu maximálnej ochrany.

Kontrolu mazacích olejov zameranú na obsah lakov, teda to či olej je v dobrej kondícii a je čistý, nie je možné vykonávať klasickými postupmi, ako pri analýze bežných mazacích olejov. Skúšky, ako nízka hodnota čísla kyslosti (TAN), zistenie triedy čistoty oleja podľa ISO, resp. NAS a vysoká hodnota oxidačnej skúšky podľa RPVOT nie sú garanciou pre zistenie výskytu lakov v oleji. Určitý potenciál vzniku lakov môže byť kontrolovaný pomocou IČ spektrometrie (FTIR, 1 630 cm^-1 ), gravimetrickou analýzou, kvantitatívnou spektrometrickou analýzou (metóda QSA) a ultra odstredivou skúškou.

Na kontrolu mäkkých nečistôt sa najčastejšie používa skúška na membráne, MPC ∆E (Membrane Patch Colorimetric) test podľa ASTM D2.CO.01 WK 13070. Skúška MPC ∆ E (výkonová škála) ukazuje, hodnotí mäkké nečistoty (kaly a laky) prítomné v oleji porovnávané na základe straty farby na bielej membráne z celulózy. Takto sa porovnáva (kvantifikuje) množstvo degradačných látok, ktoré sú rozpustené v oleji, ako je to uvedené na príklade, obrázok č.1. Vzorka (zmes 50 ml oleja a 50 ml rozpúšťadla) sa prefiltruje cez membránu o 0,45 µ). Čím je  farba vzorky tmavšia, tým vyššia je hodnota MPC, ktorá môže byť až MPC 100. Pri MPC 20 a nižšej hodnote začína  bezpečné pásmo, mazací olej vyhovuje prevádzke. Odstraňovanie lakov z funkčných častí strojov, mazacieho systému je veľmi náročné a vyžaduje si veľkú pozornosť. 

V súčasnosti je niekoľko systémov, postupov, ktoré sa odporúčajú na zníženie obsahu lakov, mäkkých nečistôt v mazacích olejoch.  Uvedieme niektoré, ktoré sú dostupné  a poskytneme základné informácie o ich uplatnení v praxi.

Elektrostatické kvapalinové čističe, ELC (Electrostatic Liquid Cleaners) využívajú elektrostatické sily na priťahovanie polárnych nečistôt, kvapalina, olej prechádza cez sadu anód a katód. Potom záporne nabité častice sú priťahované ku kladnej časti zariadenia a kladné častice k zápornej časti. Ide o proces známy ako elektroforéza. Nepolárne častice sú priťahované pri deformácii elektrického poľa, procesom známym ako dieelektroforéza. Sú to účinné zariadenia na odstraňovanie veľmi jemných nečistôt a tiež nečistôt z degradácie mazacích olejov. 

Aglomeračný postup, CA (Charge Agglomeration) je postup podobný elektrostatickým kvapalinovým čističom (ELC), ale v tomto prípade sú častice nabité elektrostatickými silami a spájajú (aglomerujú), zhlukujú sa do väčších útvarov. Ak sa veľmi jemné častice  zhlukujú do väčších útvarov potom sa môžu odstrániť z mazacieho oleja pomocou dostupných mechanických filtrov.  

Hĺbkové kvapalinové filtre, DM (Depth Media Filters)  môžu filtrovať častice približne pod 3 µ. Mnohé z týchto filtrov sú konštruované ako polárne, celulózové látky. V týchto prípadoch polárne degradačné olejové nečistoty sú priťahované k polárnym filtračným látkam a adsorbované na ich vláknach. Tieto zariadenia sú vhodné tam, kde je treba odstrániť malé množstvo polárnych veľmi malých nečistôt, ktoré sa nachádzajú v mazacom oleji. Treba upozorniť ak olej má vyššiu teplotu, ako je teplota topenia nečistôt, tak všetky degradačné produkty, nečistoty sa vrátia do oleja (roztoku), teda znovu sa kontaminuje mazací olej.

Elektrofyzikálny separačný proces, ESP (Elektrophysical Separation Process) bol navrhnutý na odstraňovanie mäkkých organických nečistôt z mazacích olejov. Používaním selektívnych adsorpčných filtračných médií sa pomocou tejto technológie dosiahne odstraňovanie degradačných produktov z oleja, ktoré sú buď rozpustne alebo nerozpustné. Pritom to nemá vplyv ani na ďalšie komponenty prísad, ktoré sú formulované v oleji a ani na filtračné látky, média na ktoré pôsobí voda a ďalšie nečistoty. 

Mnohé s týchto uvedených technologických postupov pracujú veľmi spoľahlivo, dobre, ale napriek tomu v praxi sú limitované niektorými prevádzkovými vplyvmi. Pri výbere určitého, konkrétneho  postupu treba sa vždy správne rozhodnúť. V nasledovnej tabuľke je prehľad jednotlivých odporúčaných postupov, ich výhody a nevýhody pri odstraňovaní mäkkých, lakových nečistôt. Treba uviesť, že elektrostatické technológie sú vynikajúce ak sa používajú pri odstraňovaní nerozpustných degradačných produktov.  Ak ide o oleje typu R&O, pri ktorých vznikajú organické degradačné produkty, látky, potom je rozhodujúca najmä teplota oleja  a ďalšie prevádzkové vplyvy.

Tabuľka: Odporúčané systémy na odstraňovanie mäkkých nečistôt, kalov a lakov na základe chemických vlastnosti nečistôt a teploty oleja

Druhy oleja	Charakteristika degradačných  produktov	Teplota oleja, °C	Odporúčaný systém	Neodporúčaný systém
Hydraulické a ďalšie oleje obsahujúce prísadu ZDDP	Nerozpustné	<40 °C >40 °C	ELC & CA	ESP & DM
Hydraulické oleje bez obsahu zinku	Nerozpustné Rozpustné	<40°C >40°C	Všetky technológie ESP	DM
Turbínové, kompresorové a ostatné oleje typu R&O	Nerozpustné Rozpustné	<40°C >40°C	Všetky technológie ESP	DM

Poznámka : ELC – Elektrostatické kvapalinové čističe,  CA – Aglomeračný postup, 

   DM – Hĺbkové kvapalinové filtre,  ESP – Elektrofyzikálny separačný proces 

Výskyt mäkkých nečistôt, kalov a lakov  je súčasným problémom nových moderných hydraulických, turbínových a ďalších mazacích olejov, ktoré sa používajú v mazacích systémoch strojov a zariadení. Má to  vplyv na nárast nákladov na údržbu strojov, zníženie výroby a ďalšie energetické náklady.   

Treba poznamenať, že tieto problémy súvisia s dramatickou zmenou vo formulácii olejov, výberom  základových olejov skupiny II a III podľa API. Mäkké nečistoty, kaly a laky sú produktom degradácie oleja, ktorej pôvod treba hľadať pri vzniku oxidácie oleja.