МЕХАНИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ОТ ПРИМЕСЕЙ

Все способы очистки нефтяных жидкостей от механических примесей могут быть разделены на две группы. К первой относятся способы, в основу которых положен процесс отделения твердых частиц путем пропускания загрязненного масла через пористые перегородки (фильтрование), ко второй — все способы очистки в силовых полях.
В соответствии с этим все средства, используемые для очистки, также делят на два основных класса. К первому относятся различные гидравлические фильтры: щелевые (проволочные и пластинчатые), сетчатые, металлокерамические, керамические, бумажные, картонные, фетровые, войлочные, тканевые, стеклотканевые и стекловатные, а также фильтры из волокнистых прессованных материалов и разнообразных пластмасс. Во второй класс входят средства, в которых очистка жидкостей от нерастворимых загрязнений осуществляется за счет применения силовых полей — магнитного, электрического, гравитационного, центробежных сил и др.
Для очистки трансформаторных масел от загрязнений применяют фильтры различных конструкций и центробежные маслоочистители.

Методы очистки масел

 Методы очистки

•  Физические методы
  • Отстаивание, Сепарация, Фильтрация 
• Физико-химические методы 
  • Адсорбция, Коагуляция, Термовакуумная сушка, Селективное растворение
•  Химические методы
  • Кислотная обработка, Щелочная обработка

Утилизация отработанного масла сама по себе требует финансовых затрат, но еще более неэкономичным оказывается одноразовое использование смазочных масел, стоимость которых может быть очень высока в связи со сложностью их производства. Экономичнее проводить регенерацию смазочных масел при которой из них удаляются скопившиеся загрязнители, и оно может быть использовано повторно и возвращено в систему смазки.

Конкретный метод очистки выбирается исходя из характера загрязнения, общего состава масла и требуемой степени очистки. При комплексном загрязнении может быть использовано несколько стадий очистки масла с использованием разных методов. Работает общий принцип, что в первую очередь проводят очистку от наиболее крупных и наиболее легко отделяемых загрязнителей, после чего следует стадия тонкой очистки. Если установка очистки ориентирована на работу с различными сортами масла и видами их загрязнителей, то в ее состав могут входить аппараты очистки различных конструкций, подключаемых в работу по необходимости в зависимости от конкретного случая.

Все методы очистки масел принято делить на три общих группы:

• физические;
• физико-химические;
• химические.

Физические методы

При очистке физическими методами масло не претерпевает каких-либо химических изменений, а процесс осуществляется с применением определенного физического воздействия. Может быть использовано поле гравитационных или центробежных сил, электрическое или магнитное поле и т.д. Также применяются различные теплообменные процессы, фильтрация и вибрационное воздействие. Методы этой группы обычно выступают в качестве вступительной стадии очистки, на которой удаляются механические примеси, жидкие загрязнители (включая воду) и газовые включения. Наиболее распространенные физические методы очистки включают в себя следующие позиции:

• отстаивание;
• сепарация;
• фильтрация.

Отстаивание

Данный метод является наиболее простым в реализации, но имеет небольшую производительность из-за длительности процесса. Отделению подвергаются относительно крупные механические или водные включения, оседающие на дно под действием сил земного притяжения. Отстаивание происходит в аппаратах простой конструкции, называемых отстойниками. Особенности этого метода делают его предпочтительным в качестве предварительного этапа очистки с целью снизить нагрузку на последующие аппараты тонкой очистки.

Сепарация

Это процесс центрифугирования масла, который принципиально схож с отстаиванием, однако вместо относительного слабого поля сил притяжения земли используется поле центробежных сил, значения которых могут быть на несколько порядков выше, что существенно интенсифицирует процесс разделения. Платой за ускорение процесса становится использование более сложного оборудования – центрифуг, требующих дополнительного источника энергии (обычно электродвигатели) для функционирования.

Фильтрация

Она заключается в пропускании загрязненного масла через объем фильтрующего материала, пористая или сетчатая структура которого позволяет ему пропускать компоненты масла и задерживать механические и часть жидких включений. Степень очистки зависит как от размеров отделяемых частиц, так и от размеров пор или ячеек сетки. В качестве фильтрующего материала могут использоваться металлические или пластмассовые сетки, керамика, ткани, бумага и более сложные композитные материалы. Аппарат для проведения фильтрации называется фильтром. Правильный подбор фильтрующего материала позволяет настроить фильтр как для грубой, так и тонкой очистки. Основным недостатком данного процесса является необходимость регенерации фильтрующих перегородок, подверженных закупориванию по ходу применения, либо же их утилизации в случае невозможности восстановления работоспособности.

Физико-химические методы

При использовании методов данной группы компоненты масла могут претерпевать частичные химические изменения в ходе очистки. Как правило они более сложные в реализации и затратные в сравнении с физическими, однако обеспечивают более глубокую и полною очистку масел. Физико-химическими методами очистки являются:

• адсорбция;
• коагуляция;
• термовакуумная сушка;
• селективное растворение.

Адсорбция

Адсорбционная очистка масла заключается в его пропускании через слой адсорбента – высокопористого вещества, структура которого позволяет задерживать в себе ряд растворенных примесей. В качестве такого высокопористого материала могут выступать природные материалы, такие как отбеливающая глина и бокситы, а также специально подобранные материалы, такие как силикагель или окись алюминия. Эффективность адсорбционной очистки сильно зависит от соотношения размеров пор и задерживаемых частиц. Высокая степень очистки данных методов имеет обратную сторону в виде дороговизны производства адсорбирующих материалов, которые в ходе эксплуатации требуют периодической регенерации, а в худшем случае являются одноразовыми. Природные адсорбенты обходятся дешевле, но и эффективность их заметно уступает искусственным. Аппараты для проведения адсорбции называются адсорберами.

Коагуляция

Метод направлен скорее на усиление эффективности ряда физических методов, так как в его основе лежит принцип слипания и укрупнения (коагуляции) коллоидных частиц загрязнителей масла, неотделимых или трудно отделимых фильтрацией и отстаиванием, которые после укрупнения уже могут быть отделены вышеназванными физическими методами. Для осуществления коагуляции используют ряд физических воздействий (электрический ток, перемешивание, сильный нагрев или охлаждение и т.д.), а также применяют специальные вещества коагулянты.

Термовакуумная сушка

Данным образом из масла удаляется большая часть воды и растворенных газов. В основе метода лежит разность температур кипения воды и масла, что дополнительно усиливается приложением низкого давления к камере, в которой происходит испарение воды. Масло дополнительно рассеивают, чтобы многократно увеличить площадь испарения, чем обеспечивается более полное и быстрое протекание процесса очистки масла. Необходимые для проведения процесса аппараты имеют относительно простую конструкцию и достаточно просты в эксплуатации, однако необходимо контролировать уровень их герметизации и не допускать попадания атмосферного воздуха.

Селективное растворение

Процесс основан на использовании селективных растворителей, которые должны не смешиваться с маслом и значительно лучше растворять в себе те вещества, подлежащие удалению из масла. При смешении масла и растворителя создается развитая поверхность контакта фаз, через которую происходит интенсивный переход загрязнителя из масла в растворитель. Затем фазы разделяются, после чего растворитель также может быть очищен от растворенного в нем загрязнителя и использован повторно для очистки масла. Метод имеет высокую эффективность, однако при наличии в масле присадок, что случается довольно часто, его применение недопустимо, так как в большинстве случаев вместе с загрязнителями в селективные растворители переходят и присадки, из-за чего масло теряет свои основные качества.

Химические методы

Методы данной группы используют различные реагенты, вступающие в химические реакции с загрязняющими компонентами масла. То есть обязательно наличие химических превращений в масле. Выделяют кислотную и щелочную обработку.

Кислотная обработка

В большинстве случаев применяется серная кислота. Данный метод уже далеко не нов, однако временем подтвердил свою эффективность. Его применяют для удаления асфальто-смолистых веществ, ненасыщенных углеводородов и других соединений, выпадающий в осадок при взаимодействии с серной кислотой. Такой осадок, достаточно легко отделяемый от масла, принято называть кислым гудроном. В качестве завершающей стадии использую щелочную обработку для нейтрализации остатков кислого гудрона и самой кислоты.

Щелочная обработка

Ее используют при сильной изношенности масла, когда требуется удалить различные органические кислоты и эфиры. При этом образуются химические соединения, легко растворяющиеся в воде, что делает эффективной последующую промывку. Как уже упоминалось выше, щелочная обработка может выступать в качестве завершающей стадии кислотной обработки, но также может выступать и в роли самостоятельного этапа очистки масла.

ОТСТАИВАНИЕ

Первой и обязательной стадией всех методов регенерации является отстаивание отработанных масел от различных механических примесей и воды. Оно основано на осаждении частиц, находящихся в жидкости во взвешенном состоянии. Под действием силы тяжести вода и механические примеси, имеющие большую плотность, чем масло, при спокойном стоянии его с течением времени осаждаются, образуя осадок. Отстаивание значительно упрощает дальнейшие процессы регенерации, хотя при нем не удаляются полностью все загрязнения и вода. Преимуществом отстаивания является его крайняя простота, дешевизна и безвредность для масла; к недостаткам же относится большая продолжительность операции.
Скорость отстаивания зависит от удельного веса и размера частиц, плотности и вязкости масла. Чем больше удельный вес и размер частиц и чем меньше плотность и вязкость масла, тем больше скорость осаждения примесей. Так как вязкость масла зависит от температуры, то отстаивание следует вести при повышенной температуре. Оптимальная температура отстаивания трансформаторных масел 35—40° С. При более низкой температуре отстаивание замедляется, а при более высокой ему мешают конвекционные токи и взмучивание масла пузырьками испаряющейся воды.
Продолжительность отстаивания зависит от высоты слоя масла в отстойнике: чем толще слой, тем больше требуется времени на отстаивание. Установлено, что наибольшая эффективность процесса достигается при соотношении между диаметром отстойника и его высотой 1,5 : 1 или 2:1. Однако на практике применяются в основном отстойники с соотношением диаметра и высоты примерно 1:1.
Для отстаивания сильно загрязненных масел применяют подземные стальные или железобетонные резервуары, куда сливают поступающее для регенерации масло. Дно резервуара имеет уклон в сторону грязевика, в котором скапливаются все загрязнения и вода. Время от времени резервуар освобождают от масла и очищают от скопившихся осадков и воды.

Анализ масла определяет и устраняет небольшие проблемы до того как они превратятся в отказ оборудования

Попадание пыли… или что?
Грязь, песок, пыль – всё это вокруг нас. И всё это очень разрушительно воздействует на машины, потому, что попадая в масло, эта смесь создает абразивную пасту, которая является причиной износа развивающегося очень быстро. К счастью для исследователей масла, грязь, в основном, состоит компонента называемого диоксид кремния, а кремний может быть легко определен при помощи спектрометра.

Так значит, если повышается уровень кремния в анализе масла, то повышается уровень загрязнений входящих в систему? Ответ: «Да, иногда… но не обязательно».

Таблица №1 демонстрирует типичный набор результатов спектрального анализа масла двигателя эксплуатировавшегося в нормальных условиях без очевидных мест попадания внутрь загрязнений. Второй пример демонстрирует рост уровня кремния и высокие показатели износа. Обычно загрязнения попадают внутрь через систему впуска: кремний указывает на загрязнения,  пока растут показатели железа (гильзы цилиндров), хрома (поршневые кольца) и алюминия (поршни).

Третий пример также демонстрирует рост  уровня кремния, но здесь это внутренние утечки охлаждающей жидкости. Когда охлаждающая жидкость попадает в двигатель, вода обычно испаряется. Однако присадки входящие в состав охлаждающей жидкости остаются, а кремний может быть частью кондиционера охладителя (метасиликат натрия Na₂SiO₃). В этом случае показатели содержания натрия и меди резко возрастают, но остальные показатели не изменяются. Натрий тоже присадка, но медь не продукт износа – она вымывается из радиатора (конечно, если он медный). Уровень кремния высок, но это загрязнение из системы охлаждения, а не абразивная частица.

Четвёртый пример демонстрирует очень высокий уровень кремния, но все остальные показатели остаются более или менее постоянными. Это силиконовый герметик или компонент уплотнительной прокладки. Эти компоненты попадают в масло, но не наносят какого-либо ущерба. Если этот высокий уровень кремния там, где могут быть попадания загрязнений извне, тогда стоит ожидать, что показатели износа возрастут, вследствие абразивной природы загрязнений. Стоит также отметить, что загрязнения, в основном, представляют собой смесь оксида кремния и оксида алюминия, т.е. в случае попадания загрязнений извне, уровень алюминия тоже должен достаточно вырасти. Есть правило для загрязнений, количество алюминия так относится к кремнию как AL:Si=1:10 – 1:2, в зависимости от состава окружающей среды. В этом случае, кремний загрязнение, но не абразивное и не представляет опасности.

Пятый пример демонстрирует небольшой рост уровня кремния, но это по причине присутствия кремне-содержащей присадки в масле, полиметилсилоксана, которая используется для предотвращения вспенивания масла. Этот рост кремния не будет причиной роста показателей износа, и не принесёт никакого ущерба.

Последний набор данных в Таблице№1 демонстрирует рост уровня кремния, железа и алюминия и очень похож на второй пример, когда загрязнения попадают через систему впуска. Однако, отношение алюминия к кремнию почти 1:1, что необычно. Это пример прогорания поршня. При неисправном инжекторе,  возможна ситуация когда топливо попадает и горит непосредственно на поршне.  В результате высокой температуры, поршень может оплавиться и, как результат, возрастает уровень алюминия (поршень), железа (гильза цилиндра), и хрома (поршневые кольца). Рост уровня кремния происходит за счет карбида кремния которым легируют материал поршня для уменьшения коэффициента температурного расширения алюминия. В этом случае, кремний – элемент износа, но не определяется как таковой, потому что выдерживается соотношение алюминия и кремния.
 

Во второй таблице, в первой строке, мы видим нормальные показатели. Во второй строке показатели показаны высокими, с доступом загрязнений, в дизельном двухтактном двигателе Detroit, где железо, хром и кремний, выросли все, но отношение алюминия к силикону смотрится неправильным и уровень олова выше. Причина в том, что алюминиевый поршень был покрыт слоем олова для улучшения теплопроводности.

Таблица №3 показывает нормальные значения, а также три примера загрязнения через систему впуска (высокий уровень железа, хрома и алюминия) без роста уровня кремния. Эти двигатели работают в Ричардс Бэй (ЮАР), марганцевом руднике и в руднике по добыче хрома. Здесь, загрязнения содержат минералы, которые присутствуют в окружающей среде, где работают машины, и уровень кремния не должен обязательно расти, когда происходит загрязнение.
 

Все табличные данные в ppm.

Химические элементы:

Al – алюминий, Zr – цирконий, Mn – марганец, Cu – медь, Sn – олово, Cr – хром, Si – кремний, Na – натрий, Fe – железо, Pb – свинец, Mg – магний, Ca – кальций.

Результаты анализа масла должны рассматриваться комплексно

Эти несколько примеров не необычны и наблюдаются довольно часто, за исключением прогорания поршня – это всё-таки исключительная поломка. Они иллюстрируют четыре ситуации:

• Рост уровня кремния из-за попадания загрязнений;
• Рост уровня кремния не из-за попадания загрязнений, но являющийся показателем проблемы;
• Рост уровня кремния, хотя видимых проблем нет;
• Уровень кремния больше или меньше чем  обычно, но попадание загрязнений имеет место.

Есть только один способ корректно определить текущую ситуацию – это анализ изменения износа и рассмотрения ситуации в целом. Вот почему показатели износа могут вводить в заблуждение и в некоторых случаях могут быть совершенно неверными.

Медь также может ввести в заблуждение

Кремний может быть хорошим примером для иллюстрации значения анализа изменения износа и изучения ситуации в целом, но рост некоторых данных может интерпретироваться по-разному, в зависимости от того какое значение у другого показателя. Таблица №4 показывает, как рост содержания меди может означать:

• Ненормальный износ;
• Загрязнения (износ);
• Загрязнения (нет износа);
• Присадки в масле.

Первый пример в Таблице №4 показывает нормальные показатели. Во втором примере показан высокий уровень меди, совместно со свинцом, оловом и железом, что обычно является показателем износа подшипника.

Третий пример показывает нам рост уровня меди соответствующий внутренней утечке охлаждающей жидкости (упоминалось при обсуждении кремния). Заметим, что незначительно растёт уровень свинца и олова, они используются в припое системы охлаждения, но так как уровень натрия растёт, а железа нет, то можно сделать вывод о том, что медь «приходит» из системы охлаждения и является показателем неисправности.

В последнем примере медь «растет», как и магний,  уровень кальция понижается – пока показатели износа не меняются. В данном случае медь – показатель  наличия антиоксидантной присадки в масле. Таблицы износа не рассматривают элементарный состав используемого масла.

В основном, спектрометрические данные можно сгруппировать в три класса:

• Изнашивающиеся металлы;
• Загрязнения;
• Присадки в масле.

Большинство элементов могут находиться в любом из вышеперечисленных классов. Только рассматривая все данные вместе, можно корректно определить класс. Что сильно осложняет задачу, важно это помнить, так это то, что рост какого-то одного показателя может быть результатом нескольких причин сразу. В примере о внутренней утечке системы охлаждения, это возможно и для других показателей, не отображенных в таблице, такое тоже может быть. Результатом внутренней утечки может быть перегрев, в этом случае вязкость и окисление будут расти, а TBN (Total Base Number – общее щелочное число) снижаться.

Таблица показателей износа не включает в себя элементарные составляющие масла

Изменения износа и регулярные пробы
Возвращаясь к важности наблюдений за изменением износа и регулярного взятия проб масла, ещё раз рассмотрим второй пример в Таблице№1, который показывает рост кремния вызванного большим количеством загрязнений совместно с износом поршней, колец и гильз цилиндров. Загрязнения попадают внутрь через воздушный фильтр, появляется абразивный износ цилиндров. Как следствие, расход масла со временем растет. Высокий расход масла означает, что в двигатель будет  доливаться свежее масло и, как результат, уровень частиц износа и загрязнений начинает снижаться. Возможна гипотетическая ситуация, которая начинается с роста уровня кремния (попадание пыли), следующий за этим рост железа (износ) и рост расхода масла, который, в конечном счёте, ведёт к снижению показателей железа и кремния. Следуя тенденциям регулярных проб, интерпретация данных довольно однозначна. Однако, что будет, если только пробы 1,2,3 и 10 были взяты? Показатели изменений будут неточными -  «размытыми»,  изменения уровня железа и кремния, могут отображать отсутствие проблем. Только рост в расходе масла будет замечен, без  понимания причин.

Повышенный или чрезмерный?
Нужно что-то ещё, чтобы понять едва уловимую разницу между повышенным и катастрофическим износом. Если данные износа растут в пробе масла двигателя, это должно обычно показывать износ подшипников. Однако это может быть повышенный износ, соответствующий работе механизма в более тяжёлых условиях, с износом всех подшипников несколько большим, чем обычно, или это может означать катастрофический износ только одного подшипника.

Наблюдение за изменениями это выгода при любых методах наблюдения

Есть много факторов влияющих на результаты анализа масла, которые вне контроля OEM (производителей оборудования), собственников, операторов и лаборантов и все они должны быть приняты во внимания во время выдачи результата анализа. Зависимости и их комплексное изучение дает большие возможности для любых методов наблюдения, не только в анализе масла. Когда используются показатели износа, они не являются золотым правилом, и должны использоваться осторожно. Показатели износа могут быть искажены, если, например, собственник оборудования установит какую-нибудь ультра фильтрующую систему для фильтрации масла. Результатом может быть снижение уровня всех показателей сигнализирующих об износе.