Как создать эффективную программу анализа масла для контроля состояния техники

Одна из самых больших ошибок, совершаемых новичками в анализе масла при подборе программы, – завышенные ожидания от лаборатории анализа масла. Это не означает, что компетентная лаборатория анализа масла не может предоставить жизненно важную информацию для эффективной программы мониторинга состояния. Однако существует распространенное заблуждение, что заполнение бутылки образцом и ее доставка в лабораторию гарантирует получение подробного отчета о том, какой компонент неисправен, почему он выходит из строя и как предотвратить его повторный сбой.

Часто упускается из виду то, какие именно тесты будет выполнять лаборатория и достаточно ли их для обнаружения и диагностики проблемы.

Большинство коммерческих лабораторий анализа масла предоставляют предоплаченные бутылки для проб. Стоимость бутылки обычно покрывает несколько основных тестов, таких как элементный анализ, вязкость и скрининг-тест на наличие воды. Хотя эти базовые исследования необходимы и во многих случаях дают жизненно важную информацию, их следует рассматривать именно как базовые. Итак, какие дополнительные исследования следует добавить к этим фундаментальным тестам, чтобы обеспечить полный пакет испытаний или подобрать набор тестов для каждого типа компонента?

Некоторые лаборатории пытаются решить эту проблему, предлагая пакеты, которые включают как базовые, так и дополнительные тесты для различных типов оборудования. Например, могут предлагаться программы для гидравлических систем и трансмиссии.

Хотя такой однонаправленный подход имеет некоторые преимущества, обеспечивая простоту, удобство и охват большего числа базовых параметров, у этой стратегии есть и недостаток. Индустрия анализа масла чувствительна к цене, и выполнение слишком большого числа тестов увеличивает затраты, что может сделать услуги лаборатории слишком дорогими. Тем не менее, если тестов слишком мало, это может привести к неспособности обнаружить и диагностировать проблему. Выбор правильной программы тестирования – это тщательный поиск баланса между предусмотрительностью и здравым смыслом.

Двухэтапный подход к анализу масла

Рис. 1. Двухэтапный подход к анализу масла

На рис. 1 показана схема двухэтапного подхода к анализу масла.

Выбирается начальная серия плановых тестов, предназначенных для раннего предупреждения о возможных проблемах. Это обычные методы анализа масла и диагностики, такие как анализ вибрации, термография, визуальный контроль, а также звуковое или обонятельное восприятие.

Но сразу после обнаружения проблемы необходимо определить, в чем ее основная причина. Затем нужно выяснить, как эту причину устранить. Именно здесь начинается второй этап анализа масла. Если набор плановых тестов не отвечает на эти вопросы, область тестирования необходимо расширять до тех пор, пока не будет определена первопричина. В этом и заключается двухэтапный метод анализа масла.

Плановое тестирование: первый этап

Наилучший подход к созданию плановой программы анализа заключается в том, чтобы оценить каждый элемент оборудования и решить, какие показатели необходимо измерять, предельные значения этих параметров и периодичность отбора проб. Это часто требует комплексного обследования смазочных материалов на месте. При такой проверке программа тестирования разрабатывается в соответствии с уникальной средой эксплуатации, режимами применения и обслуживания.

Для этого часто бывает полезно провести анализ последствий аварийных режимов смазки и их критичности (FMECA), чтобы определить наиболее частые проблемы на основе исторических данных. После этого будет проще выбрать соответствующую программу тестирования, предельные значения этих параметров и периодичность отбора проб, и это обеспечит наиболее раннее предупреждение и максимально широкие возможности диагностики без большой нагрузки на бюджет.

Возьмем, например, промышленную гидравлическую систему, которая работает в относительно чистой, сухой среде, но имеет историю отказов сервоклапана, вызванных накоплением лака в результате относительно высоких рабочих температур. Нет смысла включать дорогостоящий тест Карла Фишера на влажность в стандартный набор проверок для этой гидравлической системы, в которой, скорее всего, никогда не возникали сбои из-за воды.

Лучше всего в данном случае выбрать тест на кислотное число, чтобы предупредить окисление масла и обеспечить возможность замены масла по состоянию, прежде чем образуется лак. Именно этот баланс жизненно важен при выборе эффективного, но финансово оправданного набора плановых тестов.

Дополнительное тестирование: второй этап

Программу планового тестирования следует выбирать так, чтобы обеспечить максимальную возможность раннего обнаружения проблемы, однако маловероятно, что она даст полную картину во всех случаях. Например, промышленный редуктор может иметь историю отказов из-за усталостного выкрашивания, что требует наличия эффективной программы для отслеживания возникновения такой проблемы.

Лучший способ определить, действительно ли начинается выкрашивание, – искать частицы износа с помощью аналитической феррографии. Однако не имеет смысла ежемесячно проводить аналитическую феррографию по цене от 50 до 100 долларов за образец, чтобы раз за разом на феррограмме подтверждался нормальный износ от трения, и выполнять такую проверку до тех пор, пока неисправность действительно не возникнет.

Разумнее использовать другие, менее дорогостоящие инструменты для проверки, таких как тест на элементарное железо и плотность железосодержащих частиц. Это позволяет находить ранние признаки отказа редукторов. В качестве исключительного тестирования применяется полный феррографический анализ, позволяющий диагностировать основную причину проблемы.

Программы тестирования для конкретных машин

Как и следовало ожидать, выбор плановых и дополнительных тестов зависит от типа компонента, и многие лаборатории предлагают программы тестирования, предназначенные для оборудования определенного типа. Например, проблемы, которые могут возникнуть в дизельном двигателе, вряд ли будут соответствовать типичным неисправностям промышленных гидравлических систем или редукторов.

Эти различия должны быть отражены в списке испытаний для каждого типа компонентов и учтены во время анализа FMECA, который должен быть проведен до настройки программы испытаний. Для справки ниже в таблице 1 представлены и описаны стандартные плановые и дополнительные тесты, которые должны быть включены в любой пакет для конкретных компонентов оборудования различных классов.

Дизельные двигатели

Дизельные двигатели имеют сложную конструкцию с сотнями движущихся частей. Наиболее распространенные проблемы, как правило, связаны с деградацией смазочного материала (разрушение присадок, окисление и т. д.) и загрязнением.

Источники загрязнения могут быть внутренними и внешними. Например, это может быть грязь из внешней среды, охлаждающая жидкость, проникшая в систему смазки из-за утечки, топливо и чрезмерная концентрация сажи. Поэтому в программе тестирования необходимо сосредоточиться на этих проблемах, т. к. они наиболее вероятны. Если наблюдается чрезмерный износ, и причиной не может быть названа деградация смазочного материала или загрязнение, или если не удалось установить первопричину, рекомендуется провести детальный анализ частиц износа с использованием феррографических тестов.

В определенных ситуациях могут быть проведены другие испытания, например, подсчет щелочного числа или количества частиц, блокирующих поры. Такие проверки также могут считаться плановыми и проводиться, например, при увеличении интервалов замены масла или при мониторинге эффективности фильтрации.

Компоненты трансмиссии

Как и двигатели, компоненты трансмиссии подвержены деградации смазки и загрязнению. Чаще всего загрязнения попадают снаружи или представляют собой частицы износа компонентов. Обычно аномальный износ начинается с образования мелких частиц (менее 5 мкм), и в таких условиях эффективным инструментом контроля износа является элементный анализ, который также дополняется измерением плотности частиц железа и/или полным феррографическим анализом для изучения более сильного износа.

Многие компоненты приводных систем, особенно трансмиссии, содержат немагнитные сплавы, без железа, поэтому следует соблюдать осторожность при проведении тестов на частицы износа, ориентированных на выявление ферромагнитных частиц (железа и низколегированной стали). Для таких компонентов лучше подходит феррографический анализ с использованием фильтрограммы, а не феррограммы.

Деградация смазки может быть вызвана как разрушением присадок, так и окислением масла, что требует тщательного контроля как вязкости, так и кислотного числа. Измерение вязкости при 40°C и при 100°C позволит определить вязкость масла при рабочих температурах. Это может быть важно при проверке некоторых жидкостей для автоматической трансмиссии, кинематическая вязкость которых при повышенных рабочих температурах может приближаться к минимальному значению 4 cSt, необходимому для поддержания динамической нагрузки.

Гидравлика

Подавляющее большинство проблем в гидравлических системах вызвано загрязнением частицами, которое приводит к проблемам с насосом, цилиндром и клапаном. По этой причине требуется тщательный мониторинг и контроль загрязнения частицами с использованием обычного автоматического или микроскопического подсчета частиц. К другим важным тестам относятся измерение вязкости и кислотного числа для контроля состояния смазки и учета замены масла по состоянию, а также тест на содержание воды в любой системе, подверженной воздействию высокой влажности.

В таких системах для обнаружения воды обычно проводят тест на потрескивание, так как при соблюдении осторожности его нижний предел обнаружения составляет около 500 ppm. Однако его результаты следует подкреплять количественным анализом по методу Карла Фишера, поскольку высокое содержание воды может привести к преждевременной деградации масла, истощению присадок и эксплуатационным проблемам, включая кавитацию паров в насосе.

Так как большинство гидравлических систем содержат большие объемы масла, спектрометрический анализ менее эффективен для определения ранних признаков чрезмерного износа, если только пробы не отбираются непосредственно за изнашиваемым компонентом. По этой причине следует тщательно рассчитывать места расположения клапанов отбора проб в гидравлической системе, поскольку для надежного анализа может потребоваться несколько точек отбора.

Масло для бумагоделательных машин

Основной целью отбора проб масла бумагоделательных машин является мониторинг состояния смазки и загрязнений. Это особенно верно для данного случая, так как большинство бумагоделательных машин содержат несколько тысяч литров масла или даже больше, и масло обычно меняется лишь каждые 5–10 лет, и то в зависимости от состояния масла.

Проверка по состоянию должна включать следующие испытания:

• окисление во вращающемся сосуде под давлением (RPVOT) и определение кислотного числа для контроля окисления масла;
• тест на деэмульгируемость для определения того, насколько хорошо масло может отделять воду – распространенный загрязнитель в системах бумагоделательных машин;
• элементный анализ для отслеживания истощения присадок, особенно моющих присадок и ингибиторов коррозии, которые подвержены вымыванию водой.

Самые распространенные загрязнители – это волокна, грязь и особенно вода. Они способны повредить любые компоненты, и в особенности подшипники качения. По этой причине очень важно устанавливать уровни чистоты жидкости по содержанию частиц и воды и регулярно контролировать их. В данном случае проверка на содержание влаги по методу Карла Фишера должна считаться плановой процедурой, поскольку большинство циркуляционных систем используются для подачи смазки к крупным подшипникам качения, где уровень воды должен поддерживаться в диапазоне от 200 до 300 ppm для оптимального срока службы подшипников. Этот диапазон ниже минимальных значений, обнаруживаемых при таких проверках как тест на потрескивание и ИК-спектроскопия Фурье (FTIR).

Как и в гидравлических системах, анализ первичных проб на наличие частиц износа имеет ограниченное применение в системах циркуляционных бумагоделательных машин из-за разбавления. Если подозревается проблема с конкретным подшипником или группой подшипников (например, на пути к общему коллектору), для определения основной причины проблемы могут быть полезны вторичный отбор проб из вторичной точки сразу после подшипника и феррографический анализ.

Однако, с учетом того, что большинство систем этого типа содержит несколько сотен подшипников, регулярный контроль каждого подшипника нереалистичен с экономической точки зрения.

Промышленные редукторы

Наиболее распространенные проблемы промышленных редукторов обычно возникают из-за несоосности, перегрузки, отсутствия смазки или неправильного смазывания. В центре внимания любой программы мониторинга состояния должно быть обнаружение ранних признаков этих или любых других проблем, выявленных в процессе FMECA. Для предотвращения механических проблем раннее обнаружение частиц износа жизненно важно. Тем не менее, при некоторых проблемах даже на ранних стадиях образуются крупные частицы износа (более 10 микрон), которые трудно обнаружить с помощью спектрометрического анализа.

По этой причине рекомендуется включать в стандартные тесты не только элементную спектроскопию, но и методы оценки крупных частиц, такие как подсчет частиц или определение плотности железа. Эти испытания могут быть подкреплены полной аналитической феррографией для получения более точной информации для выявления первопричины.

Большинство промышленных редукторов имеют относительно небольшую емкость поддона и, следовательно, не обязательно требуют регулярного контроля по кислотному числу. Однако данные элементной спектроскопии и вязкости имеют жизненно важное значение для определения деградации смазочного материала и обнаружения неподходящего масла.

В отличие от гидравлических систем и крупных подшипников качения с большой нагрузкой, загрязнение в данном случае, как правило, имеет менее серьезные последствия. Вместе с тем, подсчет частиц, включая процентное содержание железа, с использованием счетчика с пористым фильтром, обеспечивает предварительное предупреждение не только о крупных частицах износа, но и о попадании внутрь загрязняющих веществ.

Большое количество частиц и низкий процент железа обычно указывают на наличие проблемы с уплотнением или сапуном, а большое число частиц и высокий процент железа, как правило, говорят о нехватке смазки (из-за масляного голодания, либо из-за неверно выбранного или деградировавшего масла) или указывают на несоосность. Вода не представляет большой проблемы для многих редукторов, и тест на потрескивание обычно дает требуемый результат.

Подшипники двигателя и насоса

Большинство подшипников насосов и двигателей работают на высоких скоростях и требуют чистого масла в хорошем состоянии. Таким образом, в центре внимания при проведении упреждающего анализа масла должен быть контроль состояния и чистоты смазки. Подобно двигателям и компонентам трансмиссии, подшипники двигателей и насосов, как правило, представляют собой малогабаритные системы, и в качестве основного средства обнаружения и анализа износа для них подходит элементный анализ.

Однако, помимо несоосности (которую лучше контролировать с помощью анализа вибрации), основной первопричиной отказа двигателя и насоса является состояние смазки и загрязнение, поэтому требуется тщательный контроль вязкости, состояния присадок, загрязнения частицами и содержания воды.

Паровые турбины

Паровые турбины, используемые в производстве электроэнергии, обычно имеют большие объемы масла, состояние которого необходимо тщательно контролировать, чтобы планировать замену масла во время планового отключения. Несмотря на то, что в графике обслуживания есть плановые остановки, из-за больших объемов масла оптимизация и увеличение интервалов его замены является приоритетной задачей при анализе масла.

Поэтому необходимо в обязательном порядке отслеживать состояние масла, в т. ч. проводя тесты на вязкость, кислотное число, RPVOT и истощение присадок. Лучше всего отслеживать истощение антиокислительных присадок с помощью таких тестов как тесты RULER и RPVOT, так как они позволяют определить оставшийся срок службы масла.

Кроме того, при профилактическом обслуживании системы смазки паровой турбины необходимо осуществлять мониторинг загрязнения водой и частицами, а также температуры, так как эти факторы влияют на скорость окисления масла. Для паровых турбин рекомендуется ежегодно проводить проверку всех основных свойств масла.

Испытания должны включать проверку устойчивости к окислению, кислотного числа, коррозионной активности, защиты от коррозии, характеристик пенообразования и деаэрации, а также деэмульгируемости в соответствии со стандартом ASTM D43784.

Для паровых турбин с системами EHC, в которых используются огнестойкие жидкости на основе эфиров фосфорной кислоты, рекомендуется тщательный мониторинг содержания воды с определением влажности и кислотного числа, поскольку эти жидкости склонны к гидролитическому распаду. Также рекомендуется контролировать потенциал образования лака.

Газовые турбины

С точки зрения анализа масла, газовые турбины похожи на паровые, за исключением того, что они менее подвержены воздействию воды и, следовательно, масло загрязняется водой в меньшей степени. Аналогично паровой турбине, основное внимание при проведении любых анализов масла для газовой турбины должно уделяться мониторингу состояния и загрязнения смазочного материала. Основной причиной деградации масла в газовой турбине являются высокие температуры, обычно возникающие в таких агрегатах.

Как и в случае с паровыми турбинами, тест на вязкость, кислотное число, RPVOT и мониторинг антиокислительных присадок следует считать плановыми проверками, равно как и проверку масла на способность противостоять коррозии, особенно ржавчине. Стандарт ASTM D43784 применим как к газовым турбинам, так и к паровым турбинам, и соответствующие испытания следует проводить ежегодно.

Компрессоры

Термин «компрессоры» охватывает широкий диапазон устройств, в т. ч. поршневые и роторные установки, применяемые для сжатия воздуха, технологических газов или газов в холодильных установках. По этой причине их конструкция и требования к анализу масла значительно различаются. Для винтовых компрессоров с погружной смазкой, наиболее часто используемых для сжатия воздуха, необходимо тщательно контролировать смешивание газа со смазочным материалом.

Сюда входит контроль вязкости и кислотного числа, так как при высоких температурах нагнетания в большинстве таких компрессоров данные параметры могут спровоцировать окисление масла.

Хотя производительность таких устройств не слишком велика, многим компрессорам требуются дорогостоящие синтетические жидкости, например на основе сложных эфиров или полигликоля, чтобы обеспечивать работу в условиях высоких температур и (или) смешивания с газами. По этой причине приоритетным является отслеживание состояния масла для его замены по состоянию.

Компрессоры могут содержать различные смазываемые компоненты, включая шестерни, подшипники скольжения и качения, а также опоры ротора компрессорах с погружной смазкой. Поэтому чистота жидкости имеет первостепенное значение и должна тщательно контролироваться с помощью методов подсчета частиц.

Компрессоры, используемые для сжатия легковоспламеняющихся жидкостей и газов (например, компрессоры метанола), также могут требовать регулярного контроля температуры вспышки для определения степени загрязнения. Как и в случае с большинством компонентов, основная причина чрезмерного износа может быть определена с помощью дополнительных инструментов анализа продуктов износа, таких как феррографический анализ.

Успех анализа масла напрямую зависит от того, какой набор тестов выбран для каждого из компонентов. Если комплекс исследований имеет меньший охват или чувствительность, чем нужно для обнаружения признаков проблемы на раннем этапе, успех маловероятен. Более того, обнаружение – это только первый этап.

Реальная ценность анализа масла заключается в возможности объяснить первопричину конкретных проблем, связанных со смазкой. Для этого жизненно важно, чтобы пользователи, выполняющие анализ масла, помимо плановых тестов также проводили дополнительные проверки, чтобы обеспечить эффективный и своевременный анализ первопричин.

* RULER является зарегистрированным товарным знаком компании Fluitec International (www.fluitec.com)

• Автор статьи:
  Корпорация Noria
• Источник:
  How to Create an Effective Oil Analysis Test Slate
• Использованная литература:
  1) Тройер, Д. (май – июнь 2000 г.). FMEA и смазочные материалы. Журнал «Практика анализа масла». С. 43-52.
  2) Тибо, Р. (2000). Переход к замене масла по состоянию. Материалы конференции «Методы анализа масла 2000». Корпорация Нория, г. Талса, шт. Оклахома, США.
  3) Элиот, С. (январь – февраль 1999 г.). Борьба с отказами подшипников с помощью присадок. Методы анализа масла. С. 21–22.
  4) ASTM D4378-97. Стандартные методы мониторинга минеральных турбинных масел в паровых и газовых турбинах в ходе эксплуатации.