В данной статье рассматриваются: процесс разложения масла, упреждающие способы продления срока эксплуатации смазочного материала и методы надлежащей утилизации отходов после того, как производится замена масла.

Когда человека просят описать смазочный материал, он обычно называет брэнд или название продукта. Точнее говоря, смазочный материал, в виде масла или смазки, представляет собой совокупность эксплуатационных характеристик, таких как: скорость окисления, устойчивость к термической или гидролитической деструкции, параметры износоустойчивости или устойчивости к истиранию и способность сепарировать влагу и воздух. Необходимые рабочие параметры различаются в зависимости от применения (табл. 1). Если вырабатывается компромисс между эксплуатационными характеристиками, снижается способность смазывающего материала сводить к минимуму трение, износ и коррозию, управлять теплом и загрязнением и передавать усилие и движение в гидравлических системах. Чтобы обеспечить надежность работы устройства необходимо, чтобы были должным образом спроектированы и проведены работы по техническому обслуживанию смазочных материалов, являющихся причиной неполадок в работе.

Таблица 1. Требования к эксплуатационным характеристикам

1 – очень важно;
2 – в некоторой степени важно;
3 – важно в зависимости от применения.

Замена масла
Вопреки распространенному мнению, масло не может использоваться вечно. Масло в устройстве следует заменять или хотя бы обслуживать; иначе оно перестанет обладать эксплуатационными свойствами, необходимыми для удовлетворения потребностей устройства, его применения и эксплуатационной среды. Иногда масло следует заменить, потому что базовое масло смазочного материала разложилось и более не пригодно к употреблению. Окислительная, термическая и гидролитическая деструкция меняют химические и физические свойства базового масла, что, в свою очередь, меняет эксплуатационные характеристики смазочного вещества. В других случаях, истощается композиция присадок смазочного материала. К сожалению, смазочный материал может также загрязняться посторонними веществами, которые нелегко удалить.

Деструкция базового масла
Окисление. Одним из наиболее распространенных видов деструкции базового масла является окисление. Оно происходит, когда кислород вступает в реакцию с базовым маслом смазочного материала, которое, как правило, является углеводородом. Когда масло окисляется, некоторые молекулы углеводородов преобразуются в кислоты и шлам, что отрицательно влияет на эксплуатационные свойства масла. Одни молекулы обладают лучшей способностью противостоять окислению, чем другие. Поэтому некоторые базовые масла более устойчивы к окислению. Кислород является необходимым компонентом для процесса окисления; соответственно, степень насыщения смазочного материала кислородом влияет и на степень окисления. На степень окисления также влияет присутствие воды и химически активных металлов, таких как железо и медь. Антиокислительные компенсируют действие кислорода, чтобы защитить базовые масла от окисления.
Термическая деструкция. В отличие от окисления, для термической деструкции не нужен кислород. Термический отказ происходит, когда масло вступает в контакт с горячими поверхностями внутри устройства, такими как зона цилиндра внутреннего сгорания или зона выхлопа или же при контакте со сжатыми пузырями, такими как пузыри, имеющиеся в гидравлических системах. Результатом термической деструкции является потеря водорода, после чего остаются насыщенные углеродом частицы в виде отложений и шлама. При термическом отказе не образуется кислоты, тем не менее, образуются отложения, которые влияют на эксплуатационные характеристики масла. В некоторых случаях, углеродная цепь углеводорода расщепляется на более мелкие цепи вещества, снижая среднюю молекулярную массу и вязкость получающихся в результате молекул.
Гидролиз. Гидролиз является прямой реакцией смешивания базового масла с водой, которая постоянно изменяет молекулярную структуру базового масла. Смазочные масла на эфирной основе, включая эфиры двухосновных кислот, эфиры высокомолекулярных спиртов и фосфатные эфиры, более всего подвержены гидролизу. Этерификация спиртов и кислот, процесс, в результате которого образуются сложноэфирные базовые масла, дает в качестве побочных продуктов воду и эфир. При воздействии воды эфиры легко подвергаются гидролизу, вновь превращаясь в спирт и кислоту. Гидролиз влияет на эксплуатационные характеристики базовых масел, в которых используются сложные эфиры. Во многих смазочных материалах и гидравлических жидкостях используются сложные эфиры в качестве основного компонента базового масла или в качестве одного ои основных компонентов для улучшения растворимости и параметров герметизации минеральных и синтетических масел высокой степени очистки.

Истощение присадки
Присадки вводятся в состав смазочного материала для улучшения эксплуатационных характеристик, таких как отделяемость от воды и воздуха, и подавления нежелательных свойств, таких как тенденция к образованию парафина при низких эксплуатационных температурах. Присадки также включают для того, чтобы сообщить смазочному материалу новые свойства, такие как уменьшение износа в условиях соприкосновения границ материалов. С течением времени, присадки истощаются и необходимо техническое обслуживание для восстановления рабочих параметров смазочного вещества. Это можно сделать, заменив масло, или очистие его за счет частичного слива и наполнения новым (разбавление), а можно восстановить смазочный материал. Скорость истощения присадок зависит от вида присадочного материала, а также от условий окружающей среды, в особенности, температуры и наличия воды. Некоторые присадки конденсируются и выделяются из базового масла при низкой температуре; поэтому скорость истощения присадок возрастает по мере того, как повышается температура. Многие присадки подвержены гидролизу, и присутствие воды, как правило, наносит ущерб системе присадок. Многочисленные механизмы истощения присадок в различной степени влияют на присадки.

Управление сроком эксплуатации смазочного материала за счет выбора высококачественного базового масла
Одним из способов продления срока эксплуатации смазочного материала является выбор высококачественных продуктов, в рецептуру которых включены высококачественные базовые масла, высококачественные системы присадок или и то и другое вместе. Американский нефтяной институт (API) создал стандартную классификацию базовых масел в виде объединения в группы для того, чтобы соединить их по качеству. Категории, предложенные API, включают масла групп I, II, III, IV и V. Масла групп I, II и III это минеральные базовые масла с различной степенью очистки. Масла группы IV это специальным образом синтезированные углеводородные базовые масла, такие как полиальфаолефин (PAO), наиболее распространенное синтетическое базовое масло. В классификации API также указывается коэффициент вязкости (VI), требования по процентному содержанию насыщенных углеводородов и серы для групп I, II и III. К числу масел группы V относят все масла, не входящие в группы I, II, III или IV, такие как эфиры двухосновных кислот, эфиры высокомолекулярных спиртов, полигликоли, фосфатные эфиры, и множество других базовых масел, обладающих особыми свойствами. Из-за широты диапазона базовых масел группы V, для данной группы специальные требования не разработаны.

Коэффициент вязкости
Коэффициент вязкости представляет собой показатель относительного изменения вязкости базовых масел для заданного изменения температуры. Высокий коэффициент вязкости обычно считается положительной характеристикой, поскольку смазочные материалы могут эксплуатироваться в более широком диапазоне температур. По сравнению с базовым маслом с более низким коэффициентом вязкости, базовое масло с высоким коэффициентом вязкости имеет относительно низкую вязкость при холодном запуске. В связи с этим параметры текучести у него выше, и оно сохраняет более высокую вязкость при всех температурах эксплуатации, обеспечивая, тем самым, более толстую пленку масла для его защиты. Масла группы I имеют самые низкие требования к коэффициенту вязкости, а масла группы IV самые высокие требования, установленные API, масла групп II и III располагаются между ними. Базовые масла группы IV (PAO) имеют, в целом, более высокий коэффициент вязкости, чем масла групп I, II или III. Коэффициент вязкости масел группы V варьируется в зависимости от типа масла.

Ненасыщенные углеводороды
Процентное содержание в масле ненасыщенных углеводородов показывает способность масла быть устойчивым к окислению и термическому отказу. Базовое масло высокой степени очистки, произведенной для того, чтобы снизить содержание ненасыщенных молекул или полностью их удалить, значительно более устойчиво к окислению и термическому отказу, чем базовое масло со сравнительно высоким процентным содержанием ненасыщенных углеводородных молекул. Базовые масла I группы обладают высоким процентным содержанием ненасыщенных молекул, по сравнению с маслами групп II или III, что обычно означает, что срок эксплуатации базовых масел группы III с точки зрения устойчивости к окислению и термостойкости превышает срок эксплуатации масел группы II, срок эксплуатации которых превышает срок эксплуатации масел группы I. Тем не менее, повышение устойчивости к окислительному и термическому отказу путем очистки базового масла для снижения содержания или устранения ненасыщенных углеводородов может иметь и отрицательные последствия. Базовые масла с низким процентным содержанием ненасыщенных молекул с трудом растворяют присадки, и могут стать причиной усодки эластомера. Для того чтобы не допустить этого, рецептура многих базовых масел групп II, III и IV составляется с включением в основу масел, таких как диэфиры высокомолекулярных спиртов, для повышения растворимости присадок и нейтрализации склонности к снижению герметизации.

Сера
В большинстве минеральных базовых масел наличие серы заложено от природы. API определил максимально допустимые уровни содержания серы для базовых масел групп I, II и III, причем в маслах группы I допустимо более высокое содержание серы, чем в маслах групп II или III. В РАО группы IV, которые являются синтезированными углеводородами, сера отсутствует. Как ни удивительно, сера повышает смазочную способность базового масла (т. е. способность масла смазывать в условиях непосредственного контакта двух металлических поверхностей) и природную устойчивость к окислению. Более того, сера является составным компонентом многих рецептур присадок, включая антиоксиданты, противоизносные присадки и противозадирные присадки или присадки сверхвысокого давления. Отчего же в таком случае меньшее содержание серы ассоциируется с марками более высококачественного базового масла? Разработчики рецептур современных смазывающих веществ предпочитают вводить химические соединения серы в готовый смазочный материал. Поэтому они предпочитают начинать с базового масла с низким содержанием серы природного происхождения так, чтобы ее можно было вновь добавить в концентрацию и химическую форму, которая считается подходящей для того или иного применения.

Синтетическое базовое масло
Конечные потребители часто полагают, что выбрав синтетическое базовое масло, они по определению выбрали высококачественный смазочный материал. В некоторых случаях использование синтетического базового масла целесообразно, но далеко не всегда. В зависимости от типа синтетическое базовое масло дает несколько возможных преимуществ (табл. 2). Тем не менее, не все синтетические базовые масла имеют эти свойства и, более того, эти свойства могут и не понадобиться. Например, базовое масло с высоким коэффициентом вязкости не требуется для устройства, которое эксплуатируется 24 часа в сутки 7 дней в неделю при постоянной температуре. Таким же образом следует рассмотреть и вредные воздействия, которые связаны с использованием синтетических базовых масел. Если Вы не можете сами принять решение, посоветуйтесь со специалистом.

Таблица 2. Преимущества и недостатки при выборе синтетических базовых масел*.

Выбор присадок
При выборе высококачественного смазочного материала, выбор базового масла не является единственным решением, которое должен принять конечный пользователь. Небольшое число поставщиков снабжает присадками разработчиков рецептур смазочных материалов и участников рынка, которые затем применяют технологию введения присадок в свои продукты для получения необходимых эксплуатационных характеристик для намеченного применения. Как нетрудно понять, не все присадки создаются одинаковыми. Некоторые технологии введения присадок лучше и прогрессивнее, чем остальные, и могут быть более затратными. Присадки могут также поставляться в виде готовых систем, которые необходимо только смешать с базовым маслом для получения стандартного готового продукта для специального применения. Тем не менее, многие поставщики смазочных материалов приобретают присадочные компоненты и создают рецептуры специальных смазочных материалов, которые обладают особыми эксплуатационными характеристиками. Такие, сделанные по заказу для конкретного применения, продукты, стоят дороже, чем стандартные продукты, это вызвано использованием дорогих присадочных компонентов и инжиниринга, которые необходимы для создания рецептур. Их часто смешивают небольшими партиями из-за того, что спрос невелик, и требуются особые усилия для их реализации, а также использование инженерных услуг, что еще более увеличивает затраты.
Вопреки распространенному мнению, в смазочных материалах, созданных для особых применений, не всегда используется синтетическое базовое масло или минеральные масла высокой степени очистки. Выбор базового масла влияет на эксплуатационные характеристики готового смазочного материала; тем не менее, эксплуатационные характеристики смазочного материала зависят от выбора базового масла, присадки и разработки рецептуры. Разработчик может предпочесть использовать базовое масло групп I или II для создания специальной композиции или продукта с высокими рабочими параметрами. Важно понимать, каковы необходимые эксплуатационные характеристики для данного применения, и спланировать соответствие эксплуатационных характеристик готового смазочного материала.

Управление состоянием масла
Независимо от того, какой смазочный материал выбран, конечный потребитель очень существенно влияет на фактический срок эксплуатации смазочного материала за счет управления загрязнением системы и обновления присадок. Контроль загрязненности представляет собой самый простой и широко распространенней метод продления срока эксплуатации смазочного материала.
К загрязнениям относятся все посторонние и нежелательные формы материи и энергии, включая частицы, влажность, тепло, воздух, химические вещества и радиационное излучение.

Тепло
Тепло - это злейший враг смазочного материала. В плане окисления срок эксплуатации смазывающего материала в зависимости от температуры, как правило, выражается в соответствии с законом Аррениуса, согласно которому скорость химической реакции возрастает экспоненциально с ростом абсолютной температуры. Основное практическое правило гласит, что окислительный срок эксплуатации становится вдвое меньше с каждым повышением температуры на 10ºC. Так, например, если окислительный срок смазочного материала составляет 1000 часов при температуре масла в емкости 100ºC, можно прогнозировать срок эксплуатации в 500 часов при 110ºC, 250 часов при 120ºC и так далее. Управление температурой это самое главное при управлении сроком эксплуатации смазывающего вещества. Если нет возможности поддерживать низкую температуру, может понадобиться высококачественный смазочный материал. Температура масла в емкости (например, температура в баке или маслосборнике) влияет на степень окисления. Тем не менее, переходный контакт с горячими поверхностями может, как уже отмечалось ранее, привести к термической деструкции.

Воздух
Воздух является еще одним фактором, влияющим на скорости окисления и термической деструкции. Это основной источник кислорода, который необходим для реализации процесса окисления, и во всех смазочных материалах содержится некоторое количество растворенного и/или вовлеченного воздуха. Увеличение содержания растворенного или вовлеченного воздуха повышает скорость окисления. Соотношение здесь примерно один к одному, поэтому двойное повышение концентрации воздуха примерно в два раза повышает скорость окисления. Горячие сжатые пузыри также являются основной причиной термического отказа, особенно в гидравлических устройствах с высоким давлением. Управление загрязнением воздухом должно быть важным компонентом любого плана по продлению срока эксплуатации смазывающего материала. Натяжение на границе раздела фаз между маслом и пузырьками воздуха, на которую оказывают влияние, как базовое масло, так и система присадок, определяет, как воздух может быть вовлечен в смазочный материал. Там, где натяжение на границе высокое, пузыри воздуха легко растворяются и отделяются. Там, где натяжение на границе раздела фаз низкое, воздух вовлекается значительно легче. Уровень загрязнения воздухом также зависит от конструкции и объема емкости, механизма доставки смазочного материала и множества других факторов.

Влажность
Влажность является врагом большинства смазочных компонентов. Она является причиной деэтерификации эфирных компонентов базовых масел, превращает присадки в кислоту и/или шлам и способствует окислению базового масла, особенно, в присутствии каталитических металлов, таких как железо или медь. Вода проникает в устройство там, где оно соприкасается с окружающей средой, включая источники некондиционной добываемой нефти, воздушные клапана резервуаров и впускные отверстия, уплотнения вала и т. д. Наибольший риск существует при повышенной влажности окружающей среды, когда устройства эксплуатируются с перерывами, и когда устройства подвергаются орошению водой. Наилучшим способом управления водяным загрязнением является использование высококачественных средств герметизации, влагопоглотителей и других воздушных, предотвращающих водоприток. Для удаления избытка воды могут также использоваться методы дегидратации.

Частицы
Воздействие, которое частицы оказывают на ухудшение свойств смазочного материала, зависит от типа частицы. Взвешенные частицы могут повышать вовлеченность воздуха, что опосредованно повышает скорость окисления. А некоторые частицы сами могут быть катализаторами окисления. Каталитическое воздействие зависит от свойств металла и присутствия воды. Кремний, который является первичным элементом, содержащимся в земной коре, не является высококаталитичным для смазочных материалов. С другой стороны, железо и медь, первичные элементы, используемые в машиностроительной металлургии, являются мощными катализаторами окисления смазочных материалов. Степень воздействия частиц железа и меди на скорость окисления зависит от присутствия воды. Вода вступает в реакцию с металлом, образуя пероксиды и свободные радикалы, которые вызывают окисление. К счастью, загрязнение частицами обычно можно предотвратить тем же самым способом, что и загрязнение водой, поскольку они проникают через те же точки, где устройство соприкасается с другим устройством. Частицы следует удалять так же, как и воду. К сожалению, поскольку устройство вырабатывает свои собственные частицы, необходимо удаление частиц для поддержания баланса материалов. В промышленности сейчас используется множество устройств для удаления частиц, в основном, это фильтры. Для каждого конкретного применения необходимо подбирать технологию удаления частиц и специально выбирать качество фильтра.