Контроль состояния масел и смазочных материалов с помощью портативного спектрофотометра серии i-Spec на примере гидравлических масел

ИЮЛ162018

Оптические спектральные измерения используются на протяжении нескольких десятилетий с целью идентификации, контроля качества и получения характеристик различных масел и смазочных материалов. Наиболее успешным методом, который начал упоминаться еще с 1960 года, являлась ИК спектроскопия. На сегодняшний день для данных целей используется метод FTIR (Фурье-ИК). В данной статье описывается новый гибридный инструмент, охватывающий широкий рабочий диапазон от 350 нм до 2300 нм, являющийся дополнением к методу FTIR и позволяющий проводить анализ масел и подобных жидкостей вне стандартных лабораторных условий.

Новая волоконно-оптическая система i-Spec 22, представляющая собой широкополосный спектрофотометр компании B&W Tek, использовалась в качестве полевого инструмента для анализа смазочных материалов с предоставлением возможности контроля их состояния непосредственно в ходе прямой эксплуатации. Анализ исследуемых гидравлических масел проводился по методу «in-situ» менее чем за минуту и без необходимости отбора проб и отправки их в лабораторию для тестирования.

Введение

Термин «гидравлика» является всеохватывающим и затрагивает очень широкий спектр применений и областей, включая строительное, горное, промышленное, металлообрабатывающее оборудование и многое другое. Каждая из сфер имеет свой уникальный набор параметров и условий работы. В результате различные гидравлические жидкости для различных применений имеют совершенно разные химико-физические свойства, отвечающие тем или иным требованиям рабочего оборудования и установок. Кроме того, определенные нормативы также могут оказывать влияние на некоторые свойства таких веществ. Например, класс гидравлических синтетических эфирных масел и жидкостей (HEES), подверженных биоразложению, использование которых позволяет снизить уровень загрязнения почвы.

Химические свойства смазочных материалов играют важную роль в режиме работы и долговечности гидравлических систем. Обычно спектральные свойства таких веществ частично обусловлены природой исходных химических компонентов и частично природой потенциальных загрязнителей. Качество и состояние этих веществ является критическим условием поддержания целостности гидравлических систем и степени их деградации. Контроль старения и/или загрязнения смазочных материалов – это важная производственная проблема, особенно в тех случаях, когда нужно понять пришло ли время замены масел или нет.

Далее приведена классификация используемых масел и гидравлических жидкостей:

• Традиционные минеральные масла – данные минеральные масла (включая HH, HL, HM, HV и HG) являются наиболее важными и часто используемыми компонентами в гидравлических маслах. Одним из самых важных свойств этих масел является вязкость и именно по этому параметру и происходит их классификация
• Биоразлагающиеся эфирные масла – используются в больших объемах (от общего объема гидравлического масла), например, в строительном оборудовании, где существует вероятность потенциальной утечки из-за отказа или поломки оборудования, что приведет к воздействию на экологию и окружающую среду
• Жидкости для автоматических трансмиссий (ATF) – хотя данный тип масел традиционно используется в приводах в качестве трансмиссионного масла, ATF также могут классифицироваться и использоваться в качестве гидравлических жидкостей
• Другие типы жидкостей – большинство гидравлических масел, используемых в транспортных средствах, строительной технике и тяжелой промышленности относятся к одному из трех типов, описанных выше. Но также существует и другие классы жидкостей, такие как огнестойкие жидкости, использующиеся, например, в авиационной промышленности. Они зачастую должны быть негорючими и многие из них включают в себя смесь воды с гликолями или полигликолями

Эксперимент

Хотя метод БИК не является традиционным лабораторным способом для анализа смазочных материалов и масел, он стратегически важен как инструмент полевого анализа. Он содержит в себе некоторую спектральную информацию, находящуюся в средней ИК области, но в отличие от FTIR метода, БИК обычно используется не для идентификации материалов или получения характеристик.

Однако данный метод позволяет получать основную информацию о структуре масел и жидкостей, а также отображает признаки определенных типов химической функциональности. Хорошим примером являет вода, которая обладает характерным спектром и может быть отделена от углеводородной основы исследуемых жидкостей. Принимая это во внимание в практическом подходе, большинство масел и смазок, вероятно, не содержат водной составляющей, поскольку наличие воды в них обычно приводит к коррозии механизмов, а также указывает на утечку масел.

Вода имеет сильный и характерный спектр в БИК области и, хотя ее присутствие может быть частично замаскировано спектром основной жидкости, может быть частично обнаружена и даже количественно оценена дифференциальным измерением. При таком методе измерения спектр вещества контролируется на небольшие изменения с течением времени и эти изменения могут быть далее соотнесены с присутствием загрязняющих веществ, таких как вода или продукты разложения.

Для того, чтобы качественно отслеживать такие изменения во всем активном рабочем диапазоне, необходим инструмент, предоставляющий возможность снятия спектров в интересующей области. Таким инструментом является широкополосный спектрофотометр i-Spec 22 компании B&W Tek с рабочим диапазоном 350 – 2300 нм (см. рис. 1). Представленная система была оптимизирована под измерения в жидкостях за счет использования погружного волоконного зонда компании Spectral Products с длиной оптического пути 10 мм (5 мм физическая длина), работающего на пропускание и отражение (см. рис. 2).

Рис. 1. Широкополосный спектрофотометр серии i-Spec

Рис. 2. Погружной волоконный зонд, работающий на пропускание и отражение

Результаты измерений

Как уже отмечалось ранее традиционный анализ смазочных материалов и масел методом FTIR для базовой оценки образца и простой классификации по цвету и прозрачности. Кроме того, некоторые материалы имеют характерный цвет в зависимости от их применения (например, ATF). И цвет, и прозрачность предоставляют полезную информацию для дифференциации и, в случае уже используемых масел, изменение цвета может быть связано с определенными напряжениями (теплового и/или окислительного характера) в жидкости или с присутствием другой жидкости. Прозрачность, наличие замутнений или непрозрачность, а также частичная потеря прозрачности указывают на присутствие в рабочем материале твердых частиц или дисперсной воды. Наличие обоих компонентов является важным индикатором, отображающим состояние гидравлической жидкости. В данной статье был исследован ряд образцов такой жидкости (см. рис. 3).

Рис. 3. Исследуемые образцы гидравлических масел

Данные образцы были выставлены в порядке уменьшения прозрачности: от прозрачных образцов слева для еще не использованных масел до практически черных и непрозрачных образцов справа для масел, использовавшихся в течение долгого периода времени. Полученные спектры исследуемых образцов согласуются друг с другом и результаты могут быть легко интерпретированы с точки зрения цвета и прозрачности, связанных с окислением/старением образца, а также наличия диспергированной воды (мутно-коричневые образцы) и диспергированных нерастворимых материалов и частиц (темно-черные образцы).

Рис. 4. Примеры полученных характерных спектров исследуемых масел, отличающихся внешне

Дополнительные наборы спектров, характеризующие исследуемые образцы с точки зрения старения (изменения цвета) и изменения прозрачности приведены на рисунках ниже:

• Рисунок 5 отображает данные о процессах старения масел, степень которого видна за счет существенного изменения интенсивности пика в области 350 – 550 нм для различных образцов
• Рисунок 6 предоставляет похожую с рис. 5 информацию о спектрах, но соотносится с сильной степенью деградации, поскольку уровень поглощения излучения в той же области превышает значения в 1.3 единиц
• Рисунок 7 показывает спектры с различным уровнем концентрации загрязнения водой (от низких в 100 ppm до средних в 1000 ppm)
• Рисунок 8 показывает спектры, в которых загрязнение водой является достаточно сильным – от 1000 ppm до нескольких процентов (когда капельки воды можно увидеть напрямую); также в полученных спектрах отмечается сильное увеличение фона, представляющее собой практически полное поглощение на уровне 2.5 единиц и выше

Рис. 5. Анализ гидравлических масел на старение/износ/окисление

Рис. 6. Анализ гидравлических масел на степень деградации по наличию нерастворимых веществ

Рис. 7. Анализ гидравлических масел на загрязнение водой – низкие уровни

Рис. 8. Анализ гидравлических масел на загрязнение водой – высокие уровни

Заключение

В данном исследовании было показано, что новая волоконно-оптическая фотометрическая система серии i-Spec может использоваться в качестве инструмента для технического обслуживания для определения целостности и работоспособности гидравлических систем, использующихся в тяжелой промышленности, строительстве и прочих индустриальных областях. Система позволяет проводить быструю и простую диагностику качества различных масел и смазочных материалов с целью определения необходимости в сервисном обслуживании рабочего оборудования. Возможность проведения такого анализа непосредственно в полевых условиях (без необходимости лабораторных исследований) позволяет значительно сэкономить время и затраты. Система является очень компактной, легкой и простой в эксплуатации, а также может комплектоваться погружным зондом. Дополнительно система может быть запрограммирована для предоставления диагностической информации без необходимости работы с обученным оператором.

Подробные характеристики широкополосного спектрофотометра пропускания / отражения / поглощения i-Spec