uŻytkowanie paliw i ŚrodkÓw smarowych iv semestr

Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie”

Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

1

Materiały dydaktyczne

Użytkowanie paliw i środków smarowych

Semestr IV

Wykłady




2

Uwaga: Wzory, tablice i grafika dostępne w trakcie wykładów

Temat 1.Gęstość

Znajomość wartości gęstości produktu (oleju lub paliwa) jest niezbędna m.in. do określania:

• masy produktu, np. zapasów oleju smarowego, przyjętego na pokład paliwa,

itd.,

• zużycia paliwa w raportach statkowych,

• metod i parametrów oczyszczania oleju lub paliwa, np. dobór średnicy tarczy

selekcyjnej wirówki, temperatury wirowania,

• parametrów charakterystycznych paliwa, np. własności zapłonowych paliwa

pozostałościowego, CCAI, CCI itp.

Gęstość substancji zależy od ciężaru cząsteczkowego, budowy cząsteczek i odległości

międzycząsteczkowych. Gęstość mówi nam o „upakowaniu” cząsteczek w jednostce

objętości, najniższą posiada substancja w stanie gazowym, najwyższą w stałym. Wyjątkiem

jest woda, której faza stała (lód) posiada gęstość niższą od gęstości cieczy.

Gęstość jest zdefiniowana jako stosunek masy substancji do jej objętości:

wz. (1.1)

Gęstość jest zależna od temperatury substancji. Im wyższa temperatura, tym niższa

gęstość (wyjątkiem jest woda, dla której maksimum gęstości występuje nie w temperaturze

zera, ale w 4oC). Przebieg zmian gęstości wywołanych zmianą temperatury może być

odmienny dla różnych substancji, czego przykład przedstawiono dla olejów smarowych i

wody na rysunku 1.1. Nieliniowy przebieg zależności dla wody (będący wynikiem

wyjątkowej budowy cząsteczek wody) i liniowy dla olejów, daje możliwość wyróżnienia

przedziału temperatur (80-90oC), w którym występuje największa różnica gęstości oleju i

wody. Zaobserwowane zjawisko jest wykorzystywane w procesie oczyszczania olejów przy

pomocy wirówek. Temperatura oleju na dolocie do bębna wirówki powinna mieścić się




3

właśnie w tym przedziale, ponieważ skuteczność separacji wody z oleju jest najwyższa przy

największej różnicy gęstości między fazą olejową i wodną.

Rysunek 1.1. Zależność gęstości olejów i wody od temperatury

Porównanie gęstości dwóch lub więcej substancji ma sens, jeśli jest przeprowadzone

na podstawie wartości oznaczonych w jednakowych temperaturach. Dla jednoznaczności

zapisów w przypadku ropy i produktów naftowych (np. olejów i paliw) wprowadzono tzw.

temperaturę standardową (odniesienia, referencyjną). Na przestrzeni lat przyjmowano różne

wartości tej temperatury, kierując się np. definicją gęstości, klasyfikacją produktu,

stosowanymi układami jednostek miar, tradycjami itd.

Obecnie najczęściej stosowaną temperaturą standardową, w jakiej podaje się gęstość,

jest 15oC lub 60oF, która jest w przybliżeniu równa 15oC (dokładnie 15,56oC).

Oznaczenia gęstości często dokonuje się w temperaturze t2 wyższej od temperatury

odniesienia t1. Wartość gęstości w t1 można otrzymać posługując się zależnością:

wz. (1.2)

np. dla 15oC

wz. (1.3)

gdzie α – współczynnik zmian gęstości w zależności od temperatury, kg/dm3C, odczytany z

tablic lub z wykresów.

Jeżeli nie są dostępne wartości współczynnika α, z podobną dokładnością można

określić gęstość wg formuły zamieszczonej w normie ASTM D 1298

wz. (1.4)

Czasami pojawia się konieczność działania w przeciwną stronę: mając podaną gęstość

produktu w temperaturze standardowej t1 (np. w 15oC na kwicie bunkrowym lub w

specyfikacji technicznej produktu), należy określić gęstość produktu w temperaturze będącej




4

skutkiem podgrzania w instalacji bunkrowania paliwa lub temperaturze otoczenia lub wody

zaburtowej itp. Przekształcamy wtedy powyższe wzory do postaci:

wz. (1.5)

lub

wz. (1.6)

Podane wyżej zależności pozwalają z wystarczającą dokładnością określać gęstość dla

celów wyszczególnionych na początku rozdziału.

W międzynarodowym obrocie handlowym (transport ropy naftowej czy produktów

ropopochodnych) przyjęcie ładunku i jego wydawanie może odbywać się w różnych

temperaturach. Objętość przyjętego na burtę i wydawanego w porcie przeznaczenia może się

różnić, ale masa ładunku powinna być jednakowa. Dla jednoznacznego określenia masy

ładunku stosuje się tabele ASTM D1250-80, pozwalające wyznaczyć bardzo dokładne

wartości gęstości.

Wypór powietrza działający na ładunek jest stosunkowo niewielki, ale przy dużych

ilościach ładunku wymaga uwzględnienia. Stąd też czasami w kwitach bunkrowych można

spotkać terminy „density in vacuo” i „density in air” ( lub „weight factor”). „Gęstość w

próżni” jest większa od „gęstości w powietrzu”, w przypadku paliw pozostałościowych do

rozliczeń przyjmuje się różnicę 1,1 kg/m3, w innych, według współczynników podane w

tabelach norm. Taka sytuacja może mieć miejsce, kiedy ładunek statku wydawany jest np. na

cysterny kolejowe, a ilość ładunku kontrolowana na wadze.

1.1. Oznaczanie gęstości cieczy

Wyznaczenie gęstości ρ przy pomocy wagi, polega na pomiarze masy m znanej

objętości substancji V.




5

Innym sposobem oznaczenia gęstości (np. ASTM D 1298-99, ISO 3675) jest

wykorzystanie prawa Archimedesa: na ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu

skierowana pionowo do góry, równa ciężarowi wypartej przez ciało cieczy.

Jeżeli w badanej cieczy umieścimy pływające ciało, tzn. siła wyporu jest równa

ciężarowi ciała, ciężar (tym samym masa m) jest znany i potrafimy zmierzyć objętość V

zanurzonej części ciała, to posiadamy wszystkie dane do wyznaczenia gęstość cieczy ρ.

Areometr (lub densymetr) to przyrząd zbudowany w oparciu o prawo Archimedesa i

służący do pomiaru gęstości cieczy. W celu osiągnięcia wyższej dokładności areometry są

wykonywane dla wąskich zakresów gęstości. Skala gęstości jest opisana na wąskiej walcowej

części wychodzącej z cylindrycznego zbiornika. Ciężar oraz objętość areometru musi być tak

dobrana do gęstości cieczy, aby poziom cieczy w trakcie pomiaru mieścił się w zakresie skali.

Dla ułatwienia pomiaru, konstrukcja areometru może zawierać wewnątrz termometr,

który pozwala mierzyć temperaturę badanej cieczy. Taki przyrząd nosi nazwę

termoareometru.

Areometry są wzorcowane w próżni i w określonej temperaturze (np. ISO lub PN to

20oC). Ma to swoje konsekwencje w procedurze pomiaru gęstości, dokonywany jest nie w

próżni, ale w powietrzu (wypór), także temperatura pomiaru (szczególnie produktów o

wysokiej gęstości i lepkości) jest różna, przeważnie wyższa od standardowej 20oC. Podczas

pomiaru wszystkie odstępstwa od warunków wzorcowania muszą być skorygowane przez

odpowiednie poprawki.

Przyrządem do bardzo precyzyjnego pomiaru gęstości jest piknometr . Jednak

dokładność pomiaru wymaga spełnienia wielu czasochłonnych procedur i taką metodą

możemy oznaczać gęstość tylko w laboratorium.

Procedura określania gęstości areometrem uniemożliwia pomiar ciągły np. w instalacji

technologicznej. W takim przypadku do mierzenia gęstości można stosować inne metody

pomiaru, np. wykorzystujące ultradźwięki. Użycie odpowiednich systemów głowic

ultradźwiękowych i systemów przetwarzania sygnałów, pozwala na ciągły pomiar i

ewentualne sterowanie wartością gęstości w procesie.




6

1.2. Symbole i zapis gęstości

Gęstość paliw i środków smarowych podaje się w różnych jednostkach, w zależności

od wymagań formalnych, rodzaju produktu, wytwórcy, regionu sprzedaży itp.

Można wyróżnić trzy rodzaje gęstości: bezwzględną, względną i umowną.

1.2.1. Gęstość bezwzględna

Jednostkami wyrażającymi gęstość bezwzględną w układzie SI są:

wz. (1.7)

Gęstość produktu podana w specyfikacji technicznej czy np. na kwicie bunkrowym musi mieć

jednoznacznie podaną temperaturę odniesienia. Wtedy zapis ma postać następującą:

wz. (1.8)

co w tym przypadku oznacza gęstość wyznaczoną dla temperatury 15oC (@ jest symbolem

angielskiego wyrażenia „at”).

1.2.2. Gęstość względna

Najczęściej spotykana to gęstość względna d (density), wyrażająca stosunek gęstości

bezwzględnej produktu ρp do gęstości bezwzględnej wody ρw:

wz. (1.9)

gdzie tw i tp są temperaturami dla jakich wyznaczono gęstości bezwzględne odpowiednio

wody i produktu. Woda jest tutaj wzorcem, do którego porównuje się gęstości innych

substancji.

wz. (1.10)




7

gdzie 60oF = 15,56oC,

stąd gęstość względna jest przybliżona. Jeżeli gęstość wody jest podawana w temperaturze 4

albo 20oC, to wartości gęstości względnej produktu będą różne. Dla dokładnego obliczenia

ilości substancji (M=ρV) należy uwzględnić gęstość wody jako wzorca w tej temperaturze.

Tabela 1.1. Gęstość wody w najczęściej używanych temperaturach referencyjnych

Gęstość względna używana w Ameryce Północnej to tzw. Specific Gravity (Relative

Density), w skrócie SG (RD), która jest zdefiniowana w sposób analogiczny do gęstości d.

Wyraża stosunek masy określonej objętości próbki produktu do masy tej samej objętości

wody w tej samej (lub różnej), co produkt temperaturze. Dla wody wartość SG wynosi 1,0.

Nazwa „ciężar właściwy” ma źródło historyczne w starym układzie jednostek, gdzie

porównywano ciężary produktu i wody. Wartość liczbowa gęstości względnej d i SG w tych

samych temperaturach jest jednakowa.

1.2.3. Gęstość umowna

Często spotykaną (przede wszystkim w strefie Ameryki Północnej) w obrocie

handlowym i literaturze gęstością umowną są stopnie API (także oAPI, API Gravity). Gęstość

wody jest równa 10oAPI, wartości wyższe niż 10o oznaczają gęstość niższą, a wartości

mniejsze gęstość wyższą niż gęstość wody. Ich związek z gęstością względną d lub SG

wyrażony jest formułą:

wz. (1.11)

Znając gęstość wyrażoną w stopniach API możemy wyznaczyć wartość gęstości 6060d , 15

15d lub

SG@60oF przekształcając odpowiednio powyższe wzory, np.:

wz. (1.12)




8

Umiejętność dokładnego przeliczania wartości gęstości w różnych temperaturach jest

niezbędna do rozliczania dostaw paliw czy olejów, szczególnie przy dużych ilościach

produktu. Kontrola dostawy oparta jest na pomiarze objętości produktu w temperaturze

odbiegającej od standardowej, a rozliczenie oparte jest na ciężarze w temperaturze

standardowej. W niektórych przypadkach podstawą rozliczenia jest liczba metrów

sześciennych w temperaturze standardowej. Sposób rozliczenia jest ustalony z dostawcą.




9

Temat 2. Lepkość

Znajomość wartości lepkości produktu (środków smarowych lub paliw) jest niezbędna m.in.

do określania:

• Możliwości przechowywania i transportu paliw i olejów,

• Możliwości oczyszczania olejów i paliw,

• Możliwości zastosowania olejów w węzłach tarcia lub urządzeniach, uwzględniające

ich konstrukcję i warunki otoczenia,

• Możliwości zasilania paliwem silnika spalinowego i w kotła parowego (jakość

rozpylania paliwa),

• Maksymalnej temperatury paliwa (minimalna lepkość) dla prawidłowej współpracy

elementów instalacji paliwowej,

• Własności zapłonowych paliwa,

Lepkość jest miarą tarcia wewnętrznego ciała podczas płynięcia.

Opór ruchu jest wywołany wzajemnym oddziaływaniem cząstek. Między cząsteczkami

występują jednocześnie siły przyciągające i odpychające. Proporcje tych sił decydują o stanie

skupienia. Im silniejsze oddziaływanie tym mniejsza odległość między molekułami. Jeśli siły

przyciągające są bardzo silne, cząsteczki tworzą ciało stałe, jeśli słabe – ciecz, a jeszcze

słabsze gaz. Płynięcie (cała stałego, cieczy lub gazu) wymaga pokonania sił

międzycząsteczkowych.

W przyrodzie nie występują substancje, które są nielepkie, a ich istnienie jako

umownych, jest przyjmowane dla uproszczenia skomplikowanych rozważań teoretycznych.

M.in., dlatego noszą nazwę „płynów doskonałych”.

Intuicyjnie możemy wskazać ciecz o większej lepkości obserwując na przykład

płynięcie wody i miodu. Jednak jest to tylko ocena jakościowa i nie możemy na podstawie

obserwacji przewidzieć zachowania się tych substancji w warunkach odmiennych od

obserwowanych (temperatura i siła grawitacji). Stąd pojawiła się konieczność ilościowego

opisania zjawiska lepkości różnych substancji.




10

2.1. Lepkość bezwzględna

Przez lepkość bezwzględną rozumiemy lepkość wyrażoną w jednostkach układu

miar, której wartość jest niezależna od metod służących do jej wyznaczenia. W tej definicji

mieszczą się pojęcia lepkości dynamicznej i kinematycznej.

2.1.1. Lepkość dynamiczna (absolutna)

Gdyby w próżni, między dwie równoległe nieskończenie wielkie powierzchnie

wprowadzono ciekłą i nielepką substancję o grubości ∆y i popchnięto górną płytę (w krótkim

czasie przyłożono siłę F), to górna płyta będzie się poruszała ruchem jednostajnym w

nieskończoność. Jeśli warstwę ∆y stanowi płyn lepki, do poruszania górnej płyty ze stałą

prędkością jest potrzebna siła o stałej wartości. Wielkość siły konieczna do nadania

określonej prędkości jest zależna od oporu, jaki stanowi lepkość warstwy pośredniej między

płytami. Praca, którą wkłada się w przesuwanie płyty, jest zamieniana na ciepło.

Wyznaczając wielkości jednostkowe badanego układu, siłę pozwalającą utrzymać

założoną prędkość i grubość warstwy między płytami, możemy wyznaczyć tzw.

współczynnik lepkości dynamicznej (dalej nazywany lepkością dynamiczną lub

absolutną) badanego płynu.

Lepkość dynamiczną (absolutną) definiuje się jako stosunek naprężeń stycznych do

gradientu prędkości ścinania. Wielkości potrzebne do wyjaśnienia tego zjawiska ilustruje rys.

2.1, na którym oznaczono:

F – siła [N],

∆y – grubość warstwy płynu [m],

v – prędkość [m/s],

t – czas [s]

Rysunek 2.1. Wycinek z układu dwóch płyt i warstwy płynu o nieskończenie dużych powierzchniach.




11

Naprężenie styczne jest to stosunek siły F do powierzchni płytki elementarnej S

wz. (2.1)

Natomiast przez prędkość ścinania (gradient prędkości) γ rozumiemy

wz. (2.2)

stąd zapis wzoru na lepkość dynamiczną (bezwzględną albo absolutną) wygląda następująco:

wz. (2.3)

Zależność między szybkością ścinania i naprężeniem ścinającym można przedstawić w

postaci graficznej:

Rysunek 2.2. Zależność naprężenia stycznego od szybkości ścinania (krzywa płynięcia) w przypadku płynu

niutonowskiego

Wymiarem lepkości dynamicznej jest:

wz. (2.4)

Ponieważ wartość lepkości z wymiarem Pa·s dla środków smarowych i paliw jest

stosunkowo niska (np. lepkość dynamiczna wody w temperaturze 20oC wynosi około 0,001

Pa•s, przykładowego oleju smarowego około 0,040), stosujemy jednostki tysiąc razy

mniejsze: mPa·s. Redukuje to zapis do postaci 1 i 40 mPa·s, co jest istotne przy zapisach z

miejscami po przecinku.

Do niedawna oficjalnie były stosowane (ale i dzisiaj możemy je spotkać w niektórych

publikacjach) jednostki układu cgs, a mianowicie P (puaz). Także dla wygody zapisu

używano jednostek sto razy mniejszych, czyli cP (centipuaz).

1P = 0,1 Pa•s




12

1cP = 1 mPa•s

Wartość lepkości dynamicznej η może nam dostarczyć informacji o zachowaniu się

płynu w warunkach zbliżonych do rzeczywistych, np. oleju w łożyskach ślizgowych pod

obciążeniem, płynu w obiegu wymuszonym chłodzenia, oleju w układzie hydraulicznym.

Znając parametry pracy układu (wymiary geometryczne węzła tarcia, prędkość

obrotową, temperaturę otoczenia itd.) możemy do badania zastosować takie parametry (np.

temperaturę, gradient ścinania γ), które będą bardzo zbliżone do warunków rzeczywistych.

Praktycznym przykładem jest test HT/HS (High Temperature/ High Sheare, Wysoka

Temperatura/Wysokie Ścinanie) wykonywany dla nowoczesnych olejów smarowych.

Wynikiem testu jest wartość lepkości dynamicznej w temperaturze150oC i przy prędkości

przepływu 106 s-1. Pozwala nam ocenić lepkość dynamiczną środka smarowego w

ekstremalnych warunkach pracy węzłów tarcia (od lepkości dynamicznej zależy grubość

filmu smarowego zapewniającego minimalne zużycie i tarcie).

2.1.2. Lepkość kinematyczna

Szczególnym rodzajem jest lepkość nazywana kinematyczną. Różni się od lepkości

dynamicznej siłą wymuszającą ruch cieczy.

Lepkość kinematyczna zależy od gęstości cieczy ρ. Wartość lepkości kinematycznej

można oznaczyć stosując znormalizowane przyrządy do pomiaru lepkości kinematycznej lub

znając wartość lepkości dynamicznej i gęstość próbki. Korzystamy wtedy z zależności:

wz. (2.5)

Jednostką lepkości kinematycznej płynu w układzie SI jest:

wz. (2.6)

Jednostka jest zbyt duża w odniesieniu do zakresu lepkości spotykanych na co dzień,

np. lepkość wody w 20oC wynosi ok. 0,000001 (1·10-6) m2/s. Stąd też lepkość podaje się

najczęściej w mm2/s i wtedy dla wody ma wartość 1 mm2/s.




13

W poprzedzających SI układach stosowano jednostkę St (Stokes), który był równy 1

cm2/s (1·10-4 m2/s). Dla ułatwienia zapisu, powszechnie używano cSt, sto razy mniejszych.

wz. (2.7)

wz. (2.8)

Lepkość kinematyczna odzwierciedla zachowanie się cieczy w ziemskim polu

grawitacyjnym, jest używana do porównywania lepkości produktów m.in. naftowych, stanowi

kryterium klasyfikacji lepkościowych.

2.1.3.Lepkość umowna lub względna

Nazwa wskazuje, że podawana wartość lepkości jest porównaniem lepkości badanej

materii do lepkości innej, wzorcowej substancji, np. wody. Można też umówić się, że lepkość

będzie wyrażana w sekundach wypływu badanej cieczy ze znormalizowanego przyrządu (np.

Redwood’a).

Różne jednostki mogą funkcjonować równolegle, dając wyboru np. łatwiejszą metodę

oznaczania lepkości.

Jednostki lepkości względnej lub umownej możemy rozpoznać po mianach, w jakich

są wyrażone. Na rynku produktów naftowych powszechnie (szczególnie w USA, ale nie

tylko) używa się sRI, sRII (sekundy Redwood’a), sekund Seybolt’a (Universal SSU lub Furol

SSF), stopni Englera itd. Sama nazwa zawierająca słowo „sekunda” nasuwa skojarzenia

związane z czasem wypływu cieczy. Oczywiście, aby wyniki mogły być porównywalne, do

pomiaru muszą być użyte znormalizowane przyrządy i procedury pomiarowe [4].

Jednym z przykładów lepkości względnej jest pomiar w stopniach Englera. Mierzy się

czas wypływu określonej objętości próbki w określonej, stałej temperaturze przez

kalibrowany otwór. Czas wypływu porównuje się z czasem wypływu wody w




14

znormalizowanej temperaturze i stosunek czasu wypływu podaje jako lepkość produktu w

stopniach Englera (oE).

Sekundy Redwood’a należą do jednostek umownych (sposób określania lepkości), ale

generalnie można powiedzieć, że wszystkie wymienione w tym punkcie jednostki należą do

lepkości umownych. Bez aparatu Seybolt’a czy Englera, nie uda się określić lepkości w tych

jednostkach. Nie możemy wyznaczyć lepkości w oE na aparacie Seybolt’a i odwrotnie, jest

tylko możliwość przeliczenia tych jednostek.

Wartości liczbowe różnych metod pomiaru lepkości względnej mogą różnić się

znacznie, a najprostszym sposobem przeliczania są tabele i wykresy zestawiające różne

systemy jednostek.

2.3. Czynniki wpływaj ące na lepkość

Od początku obserwacji zjawisk związanych z lepkością płynów zauważono, że

wartość lepkości zależy nie tylko od rodzaju substancji, ale także od innych jej parametrów:

temperatury i ciśnienia, jednorodności struktury, ilości i rodzaju zanieczyszczeń itd.

Warunkiem koniecznym do prawidłowego wyznaczenia lepkości, jest przepływ

laminarny. Opisuje się go jako ruch wszystkich cząsteczek płynu w jednakowym kierunku i

zwrocie, a różnych wartościach prędkości, zależnych od odległości od ścian ograniczających

strumień. Przepływ ten rozpatruje się jako przesuwanie nieskończenie cienkich, wydzielonych

umownie warstw.

2.3.1. Temperatura

Podwyższając temperaturę substancji przy stałym ciśnieniu zwiększamy jej objętość,

zwiększają się odległości między cząsteczkami składającymi się na ciało. Większe odległości

powodują zmniejszenie wzajemnego oddziaływania cząsteczek tym samym zmniejszają

lepkość. Takie zjawisko występuje w ciałach stałych i cieczach.




15

Rysunek 2.3. Wpływ temperatury na opór przepływu

W przypadku gazów podniesienie temperatury powoduje wzrost ich lepkości na

skutek wyższej energii poszczególnych cząsteczek. Cząsteczki gazu znajdują się w ciągłym

ruch z prędkością średnią zależną od temperatury. Doznają zderzeń z innymi cząsteczkami,

zmieniając kierunek ruchu. Wyższa temperatura, to wyższa prędkość i liczba zderzeń, czyli

oddziaływania międzycząsteczkowego. W konsekwencji, podwyższenie temperatury gazu jest

przyczyną wyższej wartości lepkości.

Rysunek 2.4. Zależność lepkości od temperatury produktów naftowych

2.4.2. Ciśnienie

Wzrost ciśnienia płynu powoduje zmniejszenie odległości międzycząsteczkowych i

tym samym wzrost lepkości. Związki ilościowe między ciśnieniem i lepkością są dość

złożone i nawet dla rodziny bardzo zbliżonych olejów mogą się znacznie różnić.

Rysunek 2.5. Wpływ ciśnienia na zmiany lepkości dynamicznej oleju smarowego

Na rysunku 2.5 przedstawiono charakter zmian lepkości oleju smarowego pod

wpływem ciśnienia. Dla celów poglądowych rozciągnięto skalę na osi lepkości.

Do ciśnienia około 25 Mpa lepkość oleju zmienia się liniowo, w stopniu nieznacznym

i ilościowo tę zmianę można wyznaczyć z zależności 1 na rys. 2.5. Przy ciśnieniach wyższych

wzrost wartości lepkości jest nieliniowy, wyraźniejszy i należy go uwzględniać w przypadku

rozpatrywania układów pracujących przy ciśnieniach przekraczających 25 MPa. O wielkości

tych zmian decyduje ciśnieniowy współczynnik lepkości α [1/Pa], którego wartość może być

różna dla różnych olejów, paliw czy też innych cieczy.




16

2.4.3. Struktura substancji

Opisane do tego miejsca i podlegające powyższym prawom płyny nazywane są

cieczami niutonowskimi. Jako najlepszy przykład można wymienić wodę, także mineralne

oleje bazowe w temperaturach daleko wyższych od temperatury płynięcia.

Jednakże nie wszystkie substancje podlegają prawu Newton’a. Okazuje się, że na

ujawnione odmienne zachowanie materii poddanej naprężeniom ścinającym, (czyli płynącej),

silny wpływ ma struktura materii. Wielkość cząsteczek czy cząstek innej fazy rozproszonej w

ośrodku niutonowskim może być przyczyną bardziej złożonych zależności i większej liczby

czynników wpływających na lepkość, niż tylko temperatura i ciśnienie, dodatkowo np. czas

ścinania t i gradient ścinania γ (η = f(t; γ). Takie ciecze są nazywane nieniutonowskimi.

Rysunek 2.6. Wpływ struktury cieczy na opory przepływu

Stosując uproszczenie można to wyjaśnić w oparciu o rysunek 2.6. Jeżeli w

jednorodnej cieczy pojawią się większe cząsteczki lub cząstki o rozmiarach, masie i znaczącej

liczebności, to ruch sąsiadujących warstw (przepływ) jest zakłócony, wzrastają opory

przepływu (rośnie lepkość). Przykładem może być emulsja olejowo-wodna lub paliwowo-

wodna o zawartości H2O już od kilku procent. Krople wody mają średnice z reguły większe

niż 10µm i dodatkowo na swojej powierzchni wiążą się z fazą rozpraszającą (olejową)

tworząc warstwę przejściową roztworu oleju i wody. Ich wymiar znacznie przekracza wymiar

cząsteczek fazy rozpraszającej (np. oleju). Im większa jest zawartość wody, tym wpływ na

lepkość i zachowanie reologiczne cieczy jest wyraźniejszy. Różnice w zachowaniu takich

cieczy (roztworów koloidalnych, emulsji, zawiesin, układów dyspersyjnych itd.) jest łatwo

zauważalne w graficznej postaci zależności naprężeń stycznych i prędkości ścinania τ=f(γ).

Przytoczony wyżej model, w którym cząsteczki przedstawia się w postaci kulistej, jest

wyidealizowanym. Produkty otrzymane z ropy naftowej czy nawet ciecze syntetyczne

składają się z cząsteczek o budowie łańcuchowej. Jeżeli łańcuchy są stosunkowo krótkie (np.

lekkie frakcje paliwowe, olejowe bazowe), ciecze zachowują się jak ciecze niutonowskie,

podobnie jak woda. Przy większych ciężarach cząsteczkowych, długich łańcuchach,




17

zachowanie cieczy odbiega od praw obowiązujących dla cieczy niutonowskich (np. paliwa

pozostałościowe, oleje smarowe z wiskozatorami)

Rys. 2.7. przedstawia rodzinę cieczy lepkich scharakteryzowanych zależnością

naprężenia stycznego w funkcji prędkości przepływu (prędkości ścinania, gradientu ścinania).

Tę zależność funkcyjną nazwano „krzywymi płynięcia”. Ciecz niutonowską reprezentuje

prosta „a” wychodząca z punktu 0 układu współrzędnych. Wykładnik n jest równy 1, a

współczynnik jest równy lepkości dynamicznej η. Zachowanie się cieczy wg krzywej „b”

(ciecz pseudoplastyczna) jest określane jako „rozrzedzanie ścinaniem”. Im większa prędkość

przepływu, tym mniejsza lepkość, wykładnik n<1. Ciecze typu „c” to zagęszczane ścinaniem

(n>1).

Krzywe d, e, f są reprezentatywne dla ciał, które pod wpływem małych sił (np. pola

ciężkości Ziemi) utrzymują nadany im wcześniej kształt, a po przyłożeniu siły np. tłoka w

smarownicy płyną przewodem lub po wprawieniu w ruch łożyska zachowując się jak ciecz.

Przejście o stanu „ciała stałego” do ciekłego wymaga przyłożenia siły powodującej powstanie

naprężenia stycznego większego od τ0.

Rysunek 2.7. Zależność naprężenia stycznego od szybkości ścinania (krzywe płynięcia) w przypadku cieczy

niutonowskich i nie-niutonowskich;

a- niutonowska (np. woda, olej bazowy mineralny), b- pseudoplastyczna, „rozrzedzana” ścinaniem, c-

dylatacyjna, „zagęszczana” ścinaniem, d- ciecz Binghama, e- pseudoplastyczna z granicą płynięcia (np.

smar plastyczny, paliwo pozostałościowe), f- dylatacyjna z granicą płynięcia,

Okazało się jednak, że niektóre ciecze nie podporządkowuję się i tak już

skomplikowanym prawom. W trakcie ścinania (przepływu) z upływem czasu wykazywały

coraz niższą lepkość. Po zatrzymaniu na określony czas, okazało się, że lepkość wróciła do

wartości początkowej lub bardzo bliskiej. Takie zachowania (rys.2.8.) nazwano tiksotropi ą i

można je zaobserwować w trakcie użytkowania smarów plastycznych i paliw

pozostałościowych.




18

Rysunek 2.8. Wpływ zjawiska tiksotropii na lepkość zawiesin (objawia się w smarach plastycznych i paliwach

pozostałościowych)

Zjawisko to można wytłumaczyć obecnością i stanem struktury cieczy w czasie

badania (ścinania), następnie odbudowy po zatrzymaniu przepływu. Struktury powstają w

układach dyspersyjnych, składających się z fazy rozpraszającej i rozproszonej (np. kryształy

parafiny w oleju). W odpowiednim stężeniu fazy tworzącej strukturę faza ciekła jest

unieruchomiona (krzepnięcie oleju czy paliwa w niskich temperaturach). Struktura wyłania

się w czasie spoczynku cieczy, natomiast jest niszczona w trakcie przepływu.

Mówi się wtedy o „lepkości strukturalnej” lub „pozornej”, która jest wynikiem

procesu tworzenia przez cząsteczki aglomeratów i następnie siatki przestrzennej, nazywaną

„strukturą”. Najczęściej strukturę tworzy inna faza w roztworze, przede wszystkim w

temperaturach zbliżonych do temperatury krystalizacji jednego ze składników. Aglomeraty i

struktura mogą powstawać także w cieczach wielofazowych, gdzie cząstki zawieszone w

fazie rozpraszającej mają silne skłonności do łączenia się. Takie zjawiska możemy

zaobserwować przede wszystkim w smarach plastycznych, ale także w okrętowych paliwach

pozostałościowych.

Rysunek 2.9. Etapy tworzenia i niszczenia struktury, np. w paliwach pozostałościowych

Mechanizm procesów jest złożony, zależny od fizykochemicznych właściwości

substancji będących składnikami rozpatrwanego układu. Ważną rolę w ich przebiegu odgrywa

temperatura, może być przyczyną destrukcji struktury (np. temperatura kroplenia smaru

plastycznego).

Oleje mineralne, posiadające cechy cieczy niutonowskich w temperaturach dodatnich,

będą się zachowywały jak nieniutonowskie w temperaturach bliskich granicy płynięcia

(wydzielanie parafin); ciągłe podgrzewanie paliwa pozostałościowego w zbiornikach

zapasowych (35÷50oC) zapobiega utworzeniu trwałej struktury unieruchamiającej objętość

paliwa.




19

Produkty wykazujące jednakową wartość lepkości w temperaturze np. 40o C, mogą w

temperaturze 100o C wykazywać lepkości znacznie się różniące. W przypadku środków

smarowych jest to o tyle istotne, że temperatury w łożyskach przeciętnie wynoszą ok. 80o C,

ale mogą osiągać 150o C i więcej w specjalnych wykonaniach.

Może też pojawiać się sytuacja odwrotna, równa lepkość w temperaturze 100o C i

zupełnie różna w niskich. Znajomość wartości lepkości jest kluczową dla zapewnienia

optymalnych warunków pracy węzłów tarcia. Obserwacja charakteru zmian lepkościowo-

temperaturowych różnych produktów spowodowała konieczność znalezienia parametru

jednoznacznie określającego zachowania cieczy w zmiennych temperaturach i możliwości

przewidywania zakresu tych zmian.

Budowa cieczy wykazuje swój wpływ na zmiany lepkości w zależności od wartości

temperatury. Budowa molekularna jest przyczyną różnego zachowania się cieczy w zakresie

temperatur pracy płynów eksploatacyjnych i temperatur znacznie od nich odbiegających.

Przez budowę w przypadku olejów i paliw rozumiemy rozmiary cząsteczek, ich skład

chemiczny i strukturę, ilość (skład grupowy), ewentualnie zawartość wody i stopień dyspersji,

zawartość dodatków, np. wiskozatorów. Sprawdzając lepkość w tylko w jednej z temperatur,

nie możemy przewidzieć, jak zachowa się olej czy paliwo w innej temperaturze (np. 1 i 3 na

rys.2.10).

Rysunek 2.10. Krzywe zależności lepkości od temperatury różnych produktów naftowych

Okazało się koniecznym opracowanie dodatkowego wskaźnika pozwalającego

przewidywać lepkość produktu w dowolnych temperaturach. Takim parametrem jest

wskaźnik lepkości, którego zasadę wyznaczania zilustrowano na rysunku 2.11.

Pierwsze opracowania mówiące o wyznaczaniu wskaźnika lepkości VI przyjmowały

dwa oleje wzorcowe uzyskane z dwóch różnych rop naftowych, przyjęto, że olej mający

najsilniejszą zależność lepkości od temperatury posiada VI=0, zaś olej o najsłabszej: VI=100.

Jako temperatury odniesienia przyjęto 100oF i 210oF. Wtedy nie oczekiwano jeszcze istnienia

olejów o wskaźniku lepkości wykraczającym poza te wzorce. Dzisiaj wiadomo, że istnieją

produkty o VI znacznie wyższym niż 100 i są one w powszechnym użyciu.




20

Rysunek 2.11. Wyznaczanie wskaźnika lepkości produktów naftowych

Z punktu widzenia konstruktora możliwość przewidzenia lepkości w różnych

temperaturach pracy płynu eksploatacyjnego ma kluczowe znaczenie. W układach, gdzie

lepkość jest najważniejszym parametrem cieczy, wskaźnik lepkości zakreśla obszar

temperatur pracy. Im wyższa wartość VI, tym większa rozpiętość temperatur pracy.

Wyznaczanie wskaźnika wg współczesnych standardów polega na zmierzeniu

lepkości kinematycznej w temperaturach 40 i 100oC i odczytaniu VI w oparciu o

znormalizowane tabele.

Wskaźnik lepkości paliw okrętowych waha się od VI = 70 do 80. Oleje smarowe

powinny posiadać VI ≥ 90, oleje smarowe wielosezonowe (szerszy zakres temperatur

pracy!!!) lub specjalnego przeznaczenia posiadają wskaźniki nawet powyżej 200.

Odzwierciedleniem lepkości w niskich temperaturach jest wskaźnik nazywany

temperaturą płynięcia. W odpowiednio niskich temperaturach (różnej wartości dla różnych

produktów) struktura jest tak silna, że skutecznie unieruchamia substancję w polu sił

grawitacji (przy przechylonym naczyniu nie zmienia się położenie zwierciadła cieczy). Czyli

można stwierdzić, że wysoka wartość lepkości uniemożliwia płynięcie cieczy. Najniższa

temperatura, przy której ciecz zachowuje płynność (w znormalizowanych warunkach) nazywa

się temperaturą płynięcia. W temperaturach niższych od temperatury płynięcia ciecz może

płynąć tylko pod wpływem sił wymuszających przepływ, większych od sił ciężkości.

Zależność lepkości od prędkości ścinania ma charakter podobny do smarów plastycznych

(rys. 2.7, krzywa e).

Graficzna postać zależności lepkości od temperatury dla produktów naftowych

Zależność lepkości od temperatury określa wzór Waltera, który po logarytmowaniu

przyjmuje postać [4]:

wz. (2.9)




21

gdzie: ν – lepkość kinematyczna w mm2/s; T – temperatura w K; c, K, m – stałe,

W literaturze i standardach europejskich wartość c przyjmuje się równą 0,8. K i m są

stałe dla danego produktu naftowego. Zgodność obliczeń wg wzoru z pomiarami lepkości jest

w miarę zadowalająca w zakresie wyższych temperatur, w pobliżu temperatury płynięcia

rozbieżności mogą wynosić nawet kilkadziesiąt procent. Dlatego do wyników interpolacji

szczególnie w zakresach niższych temperatur (np. dla paliw pozostałościowych poniżej 50oC)

należy podchodzić z dużą ostrożnością.

Posługiwanie się wzorem i obliczanie na jego bazie poszukiwanych wartości lepkości

w praktyce eksploatacyjnej jest pracochłonne i kłopotliwe. Dlatego na bazie przytoczonych

zależności opracowane są nomogramy dla typowych produktów. Obrazem zależności

lepkości od temperatury produktu naftowego wyznaczonej wg wzoru Walther’a w układzie

logarytmicznym jest linia prosta. Nachylenie linii zależy od wskaźnika lepkości, im mniejszy

kąt nachylenia, tym wyższa wartość wskaźnika lepkości.

Rysunek 2.12. Zależność lepkości produktów naftowych od temperatury wg wzoru Walther’a

Na rys. 2.12 produkt o wyższym wskaźniku lepkości jest reprezentowany przez linię

2. W standardowej temperaturze odniesienia oba produkty mogą mieć równe lepkości (ta

sama klasa lepkości), ale w innych temperaturach różne. Każdy z produktów osiąga żądaną

lepkość przy innej temperaturze, przykładem na rysunku 2.12. wymagana lepkość wtrysku.

Jest to istotne szczególnie tam, gdzie nie są stosowane urządzenia do automatycznej regulacji

lepkości i ręczne nastawienie temperatury opiera się o wartości odczytane z wykresu.

Popularne wykresy zamieszczane w instrukcjach obsługi silników spalinowych, czy dostępne

w materiałach producentów, są wykonane dla paliw o wskaźniku lepkości VI = 70÷80. W

przypadku produktu o VI wyższym niż 80 wyznaczając temperaturę z wykresu można nie

osiągnąć wymaganej lepkości wtrysku (zbyt wysoka), co przekłada się na gorszą jakość

spalania.




22

Zapisy lepkości produktów naftowych

Ponieważ lepkość jest zależna od temperatury, do jej wartości jako parametru

charakteryzującego produkt, musi być wskazana temperatura odniesienia. Informacja o

temperaturze może być wskazana bezpośrednio w zapisie, np. ν @86oC = 40 cSt, ν @212o F

= 170 sRI.

Oprócz zapisów bezpośrednich istnieją standardowe temperatury odniesienia

(referencyjne), wynikające z przyjętych klasyfikacji np. ISO, ASTM lub innych, które w

zapisie możemy pominąć, ale domyślnie mają wartość z klasyfikacji. W zwrocie „paliwo o

lepkości 1500 sRI” domyślamy się, że to lepkość w temperaturze 100oF; „paliwo IFO 180”

(dawna klasyfikacja lepkościowa) oznacza lepkość w temperaturze 50oC, a wg nowej

klasyfikacji ISO 8217:2010, paliwo pozostałościowe RME lub RMG o lepkości 180 cSt w

50oC (standardowa temperatura, w jakiej podaje się lepkość paliw pozostałościowych; dla

destylacyjnych wynosi 40oC). Jeżeli produkt ma lepkość 10oE i nie wskazano temperatury, to

oznacza jego lepkość w 50oC (standardowa temperatura odniesienia dla stopni Englera).

Oznaczanie wartości lepkości [4], [10], [12],

Wykorzystując powyższe zależności i prawa nimi rządzące, skonstruowano wiele

aparatów do oznaczania lepkości.

Wartość lepkości dynamicznej wyznacza się przy pomocy wiskozymetrów

rotacyjnych, kapilarnych i kulkowych z wymuszeniem gradientu ścinania.

Istnieje wiele rozwiązań elementu realizującego przepływ w wiskozymetrach

rotacyjnych: cylindryczne, płytkowe, a każdy z nich posiada kilka rozwiązań. Poszczególne

rozwiązania pozwalają wyznaczać lepkość dynamiczną najróżnorodniejszych substancji dla

szerokiego spektrum wartości i w szerokim zakresie szybkości ścinania.

Wykorzystując lepkościomierze kapilarne do wyznaczenia lepkości korzystamy z

prawa Hagena –Poiseuille’a. Wymiary kapilary L/D muszą wynosić co najmniej 30:1.




23

Szczególnym przypadkiem są wiskozymetry o kapilarach L/D 10:1 i mniej (1:1- kryza), gdzie

lepkość podaje się w jednostkach umownych.

Najbardziej powszechnym wiskozymetrem z opadającą kulką jest wiskozymetr

Höpplera, w którym metodę wyznaczania lepkości oparto o prawo Stokes’a.

Wartość lepkości kinematycznej można wyznaczyć znając lepkość dynamiczną i

gęstość. Jako podstawowe przyrządy pomiarowe używane są kapilary, przez które badana

ciecz w stabilizowanej temperaturze przepływa pod wpływem grawitacji. Czas wypływu z

kapilary jest funkcją lepkości.




24

Temat 3. Wpływ sposobu wytwarzania paliw dla silników wysokoprężnych na ich

najważniejsze własności użytkowe

Można przyjąć, że sto procent paliw ciekłych stosowanych w siłowniach okrętowych

pochodzi z procesów przeróbki ropy naftowej. O ich własnościach decyduje:

• pochodzenie ropy naftowej i związany z tym skład chemiczny,

• technologie otrzymywania produktów z ropy naftowej,

• technologia wytwarzania paliw,

• transport, przechowywanie i obróbka paliw przed spalaniem w siłowni okrętowej

Ropa naftowa jest mieszaniną węglowodorów i związków węglowodorów z innymi

pierwiastkami. Skład chemiczny ropy jest różny, w zależności od źródła wydobycia. Ma on

wpływ na parametry fizyko-chemiczne, np. takie jak:

• barwa,

• zapach,

• gęstość,

• lepkość,

Jakkolwiek można określić skład pierwiastkowy poszczególnych rop naftowych, którego

przeciętne wartości wynoszą [17, vol.1, s. 8]:

• WĘGIEL C 84 ÷ 87 %

• WODÓR H 11÷ 14 %

• SIARKA S <0,1 ÷ 8 %

• TLEN O <0,1 ÷ 1,8 %

• AZOT N <0,1 ÷ 1,6 %

• METALE 0 - ślady

to wskazanie wszystkich związków chemicznych wchodzących w skład wybranej ropy

naftowej (węglowodorów i związków węglowodorów z innymi pierwiastkami) jest

przedsięwzięciem, którego jeszcze nikt nie dokonał .




25

Węgiel jest jednym z najbardziej aktywnych (w sensie liczby tworzonych związków)

pierwiastków występujących w przyrodzie. Bardzo powszechny i jednocześnie

charakteryzujący się możliwościami połączeń niedostępnych dla innych pierwiastków. Atomy

węgla mogą tworzyć łańcuchy składające się z tysięcy atomów lub pierścienie o różnej

wielkości, przy czym dodatkowo mogą się rozgałęziać lub krzyżować. Do atomów węgla

mogą przyłączać się inne atomy, głównie wodoru H, ale także tlenu O, azotu N, siarki S,

fluoru, fosforu i wielu innych pierwiastków.

Daje to w efekcie możliwość istnienia milionów różnych związków węgla. Związki te

mogą posiadać skrajnie różne cechy, mimo podobnej liczby atomów węgla i wodoru.

Jednakże w całej grupie daje się wyróżnić charakterystyczne struktury połączeń chemicznych

i związki o podobnej budowie wykazują podobieństwa właściwości fizyko-chemicznych. Te

właściwości wykorzystuje się w procesach przeróbki ropy naftowej i komponowaniu

produktów o oczekiwanych własnościach użytkowych. Można wyróżnić trzy podstawowe

rodzaje budowy i grupy węglowodorów: parafinowe (łańcuchy, nasycone), naftenowe

(pierścienie nasycone) i aromatyczne (pierścienie nienasycone). Istnieją jeszcze pochodne

związków, ale charakterem zbliżone do tych z grupy podstawowej.

Węglowodory parafinowe charakteryzują się lepkością i gęstością niższą od

naftenowych i aromatycznych. Do pewnego stężenia są pożądanym składnikiem paliw (dobre

własności samozapłonowe) i olejów okrętowych. Najwyższe temperatury płynięcia, jest

odpowiedzialna za lepkość strukturalną i problemy z transportem paliwa w niskich

temperaturach. Najniższa rozpuszczalność. Wytrącają się z paliwa w obecności wody

morskiej, co w skrajnych przypadkach uniemożliwia wirowanie paliwa.

Węglowodory naftenowe mają gęstość i lepkość wyższą niż parafinowe, niższą

temperaturę płynięcia, własności zapłonowe gorsze od parafinowych, pożądany składnik

paliw i olejów smarowych. Zdolność do rozpuszczania lepsza od parafinowych.

Węglowodory aromatyczne cechują się najwyższą gęstością ze wszystkich

węglowodorów, lepkością pośrednią między parafinowymi i naftenowymi. Niepożądany

składnik paliw do silników z zapłonem samoczynnym ze względu na słabe własności




26

zapłonowe (rys.3.1). Posiadają najniższą temperaturę płynięcia. Są dobrymi

rozpuszczalnikami.

Rysunek 3.1. Porównanie wybranych własności typowych węglowodorów

O własnościach węglowodorów oprócz budowy decyduje też liczba atomów węgla w

związku. Na rys. 3.1 przedstawiono zależność liczby cetanowej od zawartości atomów w

poszczególnych węglowodorach. Parafiny mają lepsze własności zapłonowe od naftenowych,

ale naftenowe z dużą liczbą atomów węgla wykazują przewagę nad parafinowymi o małej

zawartości atomów węgla.

Rysunek 3.2. Wpływ liczby atomów na własności zapłonowe węglowodorów

Podobnie wpływ mają niewielkie wydawałoby się różnice w budowie węglowodorów

parafinowych, łańcuchy proste (n-parafiny) z taką samą liczbą atomów węgla mają lepsze

własności zapłonowe niż parafiny rozgałęzione (izo-parafiny).

Przytoczone przykłady są jednymi z niewielu, ale mają wskazać złożony charakter

związków węgla i wodoru i wynikający z tego charakter produktów będących mieszaniną

związków.

O cechach mieszaniny węglowodorów decydują nie pojedyncze związki, ale skład

grupowy węglowodorów. Stąd też struktura związków i ich udział w składzie mieszaniny

stanowi często jedno z kryteriów klasyfikacji, np. rop naftowych (parafinowe, naftenowe,

aromatyczne i pochodne), olejów (parafinowe, naftenowe) itd.

Chemią związków węgla zajmuje się chemia organiczna.

W zależności od źródła pochodzenia ropy, zróżnicowane są rodzaje i ilości możliwych

do otrzymania produktów. Przemysł naftowy rozwija i poszukuje nowych technologii

pozwalające na produkcję maksymalnych ilości najbardziej pożądanych produktów z

jednostki masy ropy naftowej. Nowe technologie zwiększają wartość wskaźników

technicznych i ekonomicznych, ale jednocześnie mogą być źródłem niepożądanych cech

produktów.




27

Procesy przetwarzania ropy naftowej [9], [11] można podzielić na cztery grupy:

a. Zachowawcze

b. Destrukcyjne

c. Redukujące

d. Konwersyjne

Procesy zachowawcze obejmują destylację atmosferyczną i próżniową. Określenie

zachowawcze oznacza uzyskiwanie frakcji (mieszaniny węglowodorów z różnych grup)

charakteryzujących się zbliżoną temperaturą wrzenia i skraplania w wąskim przedziale

temperatur. Węglowodory i związki węglowodorowe pozostają w postaci takiej samej jak w

ropie naftowej.

Procesy destrukcyjne powodują zmianę budowy węglowodorów i związków

węglowodorowych (zmniejszenie liczby atomów węgla w cząsteczce), uzyskaną poprzez

rozrywanie (kraking ) wiązań między atomami węgla. Procesy przebiegają w wyższych niż

destylacja temperaturach i ciśnieniach (kraking termiczny ) albo w obecności katalizatorów

(kraking katalityczny ). Produkty mają zredukowaną gęstość i lepkość. Występuje

możliwość pojawienia się związków nienasyconych oraz cząstek katalizatora (catfines).

Dzięki procesom redukcyjnym (np. hydrotreating) możemy obniżyć zawartość

związków nienasyconych (olefiny → parafiny, aromaty → nafteny, itd.) oraz usunąć siarkę,

azot, tlenki. Niekompletny proces może być przyczyną późniejszej korozji, niestabilności i

nieprzyjemnego zapachu (obecność H2S).

Procesy konwersji (przebudowy) służą do uzyskiwania nowych związków o

określonej strukturze i określonych właściwościach.

Opisane wyżej metody służą w rafinerii do otrzymania jak największej ilości

produktów najwyższej jakości. Niestety, nie można całości ropy naftowej przetworzyć na

dowolne produkty. Szkodliwe związki usuwane w procesie rafinacji innych produktów,

skoncentrowane pozostają w rafinerii pod nazwą „pozostałości” (residuals). Pozostałości

porafinacyjne charakteryzują się wysoką gęstością, lepkością, wysoką zawartością związków

aromatycznych i innych nienasyconych, asfaltenów i innych produktów utleniania oraz siarki,

metali (przede wszystkim sód i wanad), cząstkami katalizatora oraz ewentualnie




28

technologicznymi chemikaliami. W pozostałościach koncentrują się substancje, które były

niepożądane na innych etapach rafinacji ropy. Im bardziej nowoczesna technologia, tym

wyższa ich koncentracja.

Część pozostałości jest spożytkowana przez rafinerię do ogrzewania instalacji

technologicznych, część wykorzystuje się do produkcji paliwa nazywanego

„pozostałościowym”.

Dla uzyskania żądanych wartości lepkości, składniki paliw okrętowych są mieszane w

odpowiednich proporcjach (komponowane) w rafinerii lub u dostawcy, czasami bezpośrednio

przed użyciem w siłowni okrętowej.

Na rynkach paliwowych występują dwa rodzaje paliw żeglugowych: destylacyjne i

pozostałościowe (patrz: klasyfikacja paliw żeglugowych ISO 8217).

Nazwa „paliwa destylacyjne” pochodzi od nazwy procesów zachowawczych

(destylacja atmosferyczna i próżniowa). Dzisiaj nazwa „destylacyjne” może być nieco

myląca, ponieważ paliwa „destylacyjne” lub ich komponenty mogą pochodzić z innych

procesów np. krakingu, ewentualnie posiadają domieszkę paliw pozostałościowych. Mimo

tego, nadal cechują się właściwościami (lepkość i gęstość) potocznie rozumianych

„destylatów” lub „paliw lekkich”. Nowe technologie mogą być przyczyną utraty

dotychczasowych własności paliw destylacyjnych, np. odporności na utlenianie.

Paliwa pozostałościowe powstają po zmieszaniu pozostałości porafinacyjnych

(residuals, z których nie można już otrzymać innych produktów), z niewielką ilością

(maksymalnie do 25% objętości) frakcji (np. MDO) mających za zadanie obniżenie lepkości

paliwa. Coraz częściej do obniżania lepkości pozostałości służą także inne substancje, np.

pochodzące z krakingu katalitycznego o dużej zawartości aromatów. O składzie paliwa

pozostałościowego decyduje skład pozostałości porafinacyjnych, ze względu na ich

dominujący udział w paliwie. Niewielki udział substancji obniżającej lepkość, znacząco

obniża lepkość mieszaniny (lepkość paliwa pozostałościowego), charakter tej zależności

ilustruje rys. 3.2. Nowocześniejsze i wydajniejsze technologie przeróbki ropy naftowej

generują pozostałości o niższych walorach użytkowych.




29

Rysunek 3.3. Lepkość mieszaniny paliwa pozostałościowego z destylacyjnym w zależności od proporcji, wg

[14]

Niższa jakość paliw przejawia się charakterystycznymi problemami w instalacjach

transportu (wysoka lepkość), przechowywania (utrata stabilności), oczyszczania (brak

stabilności to duża ilość palnych odpadów) i spalania (własności zapłonowe, spalanie

niecałkowite) w siłowni statkowej.

Ubożejąca wraz z rozwojem technologii jakość produktów stosowanych do zasilania

silników spalinowych i kotłów, była powodem ustalenia minimalnych wymagań

lepkościowych i jakościowych. Wymagania te zawarte są w standardach ISO 8217.




30

Temat 4. Zanieczyszczenia paliw okrętowych i inne istotne parametry opisujące

własności paliw

Główne zanieczyszczenia paliw stanowią:

• Woda, zarówno morska, dostająca się do paliwa w łańcuchu transportowym na statek,

jak i słodka, będąca skutkiem kondensacji w zbiornikach. Woda morska może być

przyczyną zwiększonych osadów na końcówkach rozpylaczy i w rowkach

pierścieniowych oraz korozji elementów silnika. Może być przyczyną osadów i

korozji elementów silnika w obszarze wysokich temperatur. Jeżeli utworzy emulsję z

paliwem, pojawią się trudności z separacją w wirówce paliwowej (duże ilości

odpadów). Obecność wody może być przyczyną skażenia biologicznego paliwa,

wzrostu ilości szlamów, blokowania filtrów i korozji w zbiornikach. Woda jest

usuwana w zbiornikach osadowych i wirówkach paliwa.

Metoda oznaczania: ISO 3733.

• Substancje nieorganiczne, rdza, piasek, resztki spawalnicze i inne cząstki dostające się

ze zbiorników lądowych, bunkierki, rurociągów. Mogą powodować zużycie ścierne

elementów silnika, osady i korozję. Są przyczyną wzrostu zawartości popiołu w

produktach spalania paliwa. Są usuwane w zbiornikach osadowych i wirówkach

paliwa. Skutki obecności w spalanym paliwie mogą być redukowane przez użycie

dodatków do paliw (modyfikatory popiołów).

Osady paliw destylacyjnych.

• Substancje organiczne, będące wynikiem utleniania składników paliwa, są przyczyną

powstawania szlamów osadzających się na dnie zbiorników zapasowych, zwiększonej

ilości odpadów w wirówce paliwowej, blokowania filtrów. Obecność wody,

podwyższona temperatura i długi czas magazynowania sprzyjają procesowi utleniania;

możliwe jest zredukowanie skutków utleniania przez użycie dodatków do paliw.




31

Substancje, które wraz z nieorganicznymi składają się na całkowite osady po starzeniu

paliw pozostałościowych (TSP).

• Sód, Na, którego źródłem może być niestaranny proces odsalania ropy lub

wymieszanie z wodą morską; może przyczyniać się intensyfikacji korozji

wysokotemperaturowej elementów silnika w obecności wanadu, związki metali

stanowią składniki popiołu w produktach spalania paliwa; możliwe jest zredukowanie

skutków obecności przez użycie dodatków do paliw,

Metoda oznaczania: IP 501, IP 470.

• Aluminium i krzem (katalizatory), pochodzi z procesów przeróbki ropy naftowej

(Fluid Catalytic Cracking, FCC), ze względu na niewielkie rozmiary i bardzo wysoką

twardość cząstek, stanowi zagrożenie zużyciem ściernym (nawet zatarciem)

elementów układu zasilania paliwem i złożenia tłok-tuleja cylindrowa; przy starannym

doborze parametrów wirowanie paliwa można je usunąć do bezpiecznej zawartości.

Metoda oznaczania: IP 501, IP 470 lub ISO 10478.

• Przepracowane oleje smarowe (Used Lubricating Oils, ULO), przede wszystkim

silnikowe, dodawane do paliw pozostałościowych w ramach utylizacji, oparte o różne

oleje bazowe, zawierające znaczące ilości dodatków zmywających i

przeciwzużyciowych, zawierających związki wapnia, cynku i fosforu.

Metoda oznaczania: IP 501, IP 470, IP 500.

Zanieczyszczenia mają wpływ na przechowywanie, przygotowanie i spalanie paliw ze

wszystkimi konsekwencjami oddziaływania produktów spalania na urządzenie i środowisko.

Wymiernym skutkiem obecności zanieczyszczeń jest wzrost kosztów eksploatacji

siłowni okrętowej, niższy w przypadku skutecznego ich usuwania lub redukcji

niepożądanych oddziaływań na urządzenia.




32

W przypadku porównywalnych cen paliw, na wzrost kosztów eksploatacji siłowni

oprócz zanieczyszczeń, ma wpływ jakość paliwa.

Jakość paliw może wpłynąć na wyższe zużycie paliwa, szybsze zużycie urządzeń

zasilanych paliwem, zużyciem większej ilości energii przeznaczonej na magazynowanie,

oczyszczanie i przygotowanie paliwa do spalania, zwiększonej ilości odpadów powstałych w

procesie wirowania, niejednokrotnie wymusza użycie kosztownych dodatków. W skrajnych

przypadkach może doprowadzić do poważnych awarii i przestojów statku.

Jakość paliw można scharakteryzować pewnymi własnościami, których wartości

liczbowe mówią o przydatności paliwa do określonych celów.

Lepkość – wpływa na mikro- i makrostrukturę strugi paliwa i na przebieg procesu

spalania; wysoka jest przyczyną dużych rozmiarów kropli i zwiększa zasięg strugi

(możliwość osiadania kropli paliwa na denku tłoka i ściankach cylindra.

Paliwa o wysokiej lepkości wymagają odpowiedniego podgrzewania do uzyskania

wymaganej lepkości: w trakcie przechowywania (max. około 40÷50oC), wirowania (max.

98oC), zasilania silnika nawet powyżej 135oC, ale wyższe temperatury mogą być przyczyną

zakłóceń w dopływie paliwa do cylindrów z powodu wydzielających się par lekkich frakcji,

gazów i pary wodnej.

Wysoka lepkość i ograniczenia górnej temperatury w różnych operacjach, mogą być

przyczyną gorszej jakości spalania, niższej skuteczności wirowania oraz możliwych trudności

w obsłudze instalacji transportu paliwa.

Natomiast zbyt niska lepkość (paliwa destylacyjne) może być przyczyną

przyspieszonego zużycia lub nawet zatarcia elementów instalacji zasilania paliwem.


Gęstość – wysoka jest powodem niższej skuteczności oczyszczania (szczególnie

separacji wody), w paliwach ze stosunkowo niską lepkością może świadczyć o wysokiej




33

zawartości związków aromatycznych, negatywnie wpływających na własności zapłonowe

paliwa i przebieg procesu spalania.

Metoda oznaczania: ISO 3675 lub ISO 12185.

Lepkość w połączeniu z gęstością paliw okrętowych, to parametry mówiące w

pośredni sposób o składzie grupowym węglowodorów, strukturze paliwa, o spodziewanych

wartościach części pozostałych własności i różnych parametrach fizyko-chemicznych. Kilka

istotnych wskaźników paliw jest opartych na wartościach lepkości i gęstości, np. obliczeniowe

wartości opałowe czy wskaźniki jakości zapłonu.

Wskaźnik cetanowy CI – charakteryzuje właściwości zapłonowe paliw

destylacyjnych (zdolność do samozapłonu), określany analitycznie, zastępuje liczbę

cetanową, wyznaczaną przy pomocy silnika wzorcowego, jest to informacja o opóźnieniu

samozapłonu, mała zwłoka to „miękka” praca silnika, duża jest przyczyną „twardej” pracy i

obciążeń układu korbowo-tłokowego. Im wyższa wartość, tym lepsze własności zapłonowe.


Zawartość siarki – źródłem siarki w paliwie jest ropa naftowa, siarka może być

przyczyną korozji niskotemperaturowej tulei cylindrowej lub elementów kotła, w związku

chemicznym z tlenem (SOx) stanowi szkodliwy składnik spalin,

Metoda oznaczania: ISO 8754, ISO 14596.

.

Obliczeniowy wskaźnik aromatyczności węgla CCAI – charakteryzuje własności

zapłonowe paliw pozostałościowych (zdolność do samozapłonu), kalkulowany w oparciu o

wartości gęstości i lepkości paliwa, jego wartość mówi o opóźnieniu samozapłonu paliw

pozostałościowych i przydatności tych paliw do zasilania określonych typów silników, im

niższa wartość, tym lepsze własności zapłonowe.

Metoda oznaczania: ISO 8217, Aneks F.




34

Temperatura zapłonu – dla bezpiecznego przechowywania i operacji z paliwem w

siłowni okrętowej temperatura zapłonu nie może być niższa od 60oC (wymogi SOLAS),


Siarczek wodoru, siarkowodór (H2S) – jest silnie toksycznym związkiem, w

skrajnych przypadkach może być przyczyną śmierci. W małych stężeniach charakteryzuje się

zapachem zgniłych jaj, wysoka koncentracja może powodować utratę węchu, bóle i zawroty

głowy, a bardzo wysoka zejście śmiertelne. Ograniczenie zawartości siarkowodoru ma na celu

ochronę zdrowia członków załogi i osób narażonych na jego oddziaływanie.

Metoda oznaczania: IP 570.

Liczba kwasowa (AN) – paliwa z wysoką wartością liczby spowodowaną dużą ilością

kwaśnych związków, mogą być przyczyną przyspieszonego zużycia aparatury wtryskowej

silnika. W paliwach powszechnie występują naturalne kwasy, ale w małych ilościach, w

większych ilościach w paliwach pochodzących z rop naftenowych. Korozyjna natura paliw, a

w szczególności korelacja między kwasowością i korozyjną aktywnością paliwa wciąż jest

przedmiotem badań. Niemniej należy mieć na uwadze, że nawet mała kwasowość (poniżej

ustalonych limitów) nie daje gwarancji uniknięcia problemów korozyjnych związanych z

paliwem.

Metoda oznaczania: ASTM D664.

Całkowita zawartość osadów po gorącej filtracji – znana pod nazwą Total Sediment

Existent (TSE) przeznaczona do paliw destylacyjnych nieprzezroczystych, określa zawartość

związków nieorganicznych w paliwie.

Metoda oznaczania: ISO 10307-1.

Stabilność oksydacyjna – test stosowany w odniesieniu do paliw destylacyjnych,

mówiący o odporności na procesy utleniania paliwa, miarą jest ilość produktów utleniania.

Współczesne procesy przeróbki ropy naftowej mogą prowadzić do powstania produktów




35

skłonnych do łatwego utleniania. W paliwach przeznaczonych do zastosowań lądowych

dodaje się kilka procent bio-komponentów. Ich obecność może wpływać na stabilność

oksydacyjną. Bio-komponenty mogą się przedostawać do paliw destylacyjnych przez

używanie tych samych instalacji transportowych.


Całkowita zawartość osadów po starzeniu – mówi o zawartości wszystkich osadów,

nieorganicznych i organicznych, jest wskaźnikiem stabilności paliwa, przeznaczona dla

paliw pozostałościowych, Total Sediment Accelerated (TSA), przyspieszone „starzenie”

chemiczne oraz Total Sediment Potential (TSP), starzenie w podwyższonej temperaturze.

Większą pewność daje metoda TSP, ale wymaga dłuższego czasu starzenia. TSA jest metodą

szybszą, ale wynik poniżej limitu nie daje gwarancji stabilności. Natomiast wynik negatywny

testu TSA, eliminuje konieczność przeprowadzania TSP.


Pozostałość po koksowaniu – mówi o skłonności paliwa do tworzenia osadów

komorze spalania w wysokich temperaturach, przede wszystkim na końcówkach rozpylaczy,

denku tłoka, w rowkach pierścieniowych,


Temperatura mętnienia – jest własnością dotyczącą zachowania paliw w niskich

temperaturach, temperaturą, w której pojawiają się pierwsze kryształy parafiny. Wytrącanie

parafin z paliwa może być przyczyną blokady filtrów paliwowych i problemów z zasilaniem

silnika. Testowi poddaje się paliwa destylowane.


Temperatura płynięcia – jest to najniższa temperatura, w jakiej paliwo jest w stanie

ciekłym w polu grawitacji, wskazuje warunki przechowywania i transportu paliwa,





36

Zawartość popiołów – jest wynikiem pozostałości nieorganicznych paliwa po

spaleniu, popioły tworzą wraz z pozostałością po koksowaniu osady na koronie tłoka; są

przyczyną ściernego zużycia (polerowanie) tulei cylindrowej silnika i pogorszenia warunków

jej smarowania.


Zawartość wanadu – wanad jest naturalnym składnikiem ropy naftowej i paliwa

pozostałościowego w wyższej koncentracji, może być przyczyną korozji

wysokotemperaturowej elementów komory spalania.

Metoda oznaczania: IP501, IP 470 lub ISO 14597.

Smarność – jest informacją o skłonności do przyspieszonego zużycia i zacierania

elementów smarowanych paliwem (aparatura wtryskowa). Test przeprowadza się dla paliw

destylacyjnych o masowej zawartości siarki poniżej 500 ppm (0,05%). Siarka i je związki

posiadają bardzo dobre własności tworzenia filmów granicznych (są stosowane jako dodatki

do olejów smarowych), brak siarki może spowodować skłonności do zacierania

współpracujących elementów.


Wartość opałowa – jest to ilość ciepła uzyskana ze spalenia całkowitego i zupełnego

jednostki masy lub objętości paliwa (przeważnie wyrażona w MJ/kg), po ochłodzeniu

produktów spalania do temperatury początkowej, i założeniu, że para wodna nie jest

skroplona w produktach spalania. W zależności od wartości opałowej, przy takim samym

zapotrzebowaniu na moc, wymagana jest większe lub mniejsze zużycie paliwa.

Wartość opałowa zależy od składu paliwa. Podstawowa zależność wartości opałowej

od gęstości (im wyższa gęstość, tym niższa wartość opałowa) wynika z budowy i składu

węglowodorów (np. stosunek H/C) składających się na paliwo. Paliwa o wysokiej gęstości

posiadają większe ilości węglowodorów aromatycznych, w których występuje niższa




37

stosunku do atomów węgla liczba atomów wodoru H. Wyższa zawartość siarki przyczynia się

do obniżenia wartości opałowej paliwa.

Wartości graniczne nie są ujęte w standardzie 8217.




38

Temat 5. Klasyfikacja paliw i normy jakościowe

Do początku lat 80 ubiegłego wieku na rynku żeglugowym funkcjonowała jedynie

klasyfikacja lepkościowa, kryterium gatunku paliwa była lepkość, najczęściej podawana w

cSt w temperaturze 50oC. Równolegle stosowano sRI (sekundy Redwood’a I) w 100oF, sRII,

SS (sekundy Seybolt’a) i ich pochodne.

Wskaźniki jakościowe były ujęte jedynie w standardach poszczególnych krajów (np.

BS MA100:1982) lub stowarzyszeń zajmujących się problemami jakości paliw (np. CIMAC).

Wraz z postępem w technologii przeróbki ropy naftowej, stymulowanej kryzysami

energetycznymi, jakość paliw gwałtownie się pogarszała, szczególnie „paliw ciężkich”, czyli

pozostałościowych. Kryterium lepkości okazało się niewystarczające i w 1987 wprowadzono

międzynarodową normę ISO 8217 „Petroleum products – Fuels (class F) – Specifications of

marine fuels”, powszechnie uznaną w Unii Europejskiej i na światowych rynkach.

Standard uwzględnia wskaźniki paliw mające wpływ na eksploatację i bezpieczeństwo

siłowni, zdrowie załogi i na ochronę środowiska.

Paliwa są podzielone na dwie grupy: destylacyjne destylacyjnych (4 kategorie) i

pozostałościowe R (6 kategorii).

Rysunek 5.1. Kategorie paliw wg klasyfikacji paliw żeglugowych ISO 8217: 2010

Oprócz lepkości, poszczególne gatunki paliwa różnią się wartościami granicznymi

następujących wskaźników stanowiących o ich jakości:

• Lepkość

• Gęstość

• Wskaźnik cetanowy CI.

• Zawartość siarki

• Obliczeniowy wskaźnik aromatyczności węgla CCAI.

• Temperatura zapłonu




39

• Siarczek wodoru, siarkowodór (H2S)

• Liczba kwasowa (AN)

• Całkowita zawartość osadów po gorącej filtracji

• Stabilność oksydacyjna

• Całkowita zawartość osadów po starzeniu

• Pozostałość po koksowaniu

• Temperatura mętnienia

• Temperatura płynięcia

• Zawartość popiołów.

• Zawartość wanadu.

• Smarność

Paliwa destylacyjne oznaczone: D-distillate, M-marine, pozostałe litery X, A, Z, B w

kolejności oznaczają coraz gorszą klasę jakościową. Gatunek DMX nie może być

używany bezpośrednio siłowni okrętowej ze względów bezpieczeństwa (dopuszczalna

niska temperatura zapłonu), ale służy jako paliwo do agregatu awaryjnego. Pozostałe

muszą spełniać warunek: tzapł>60oC. Pełny zapis dla paliw destylacyjnych ma postać ISO-

F-DMB .

Paliwa pozostałościowe oznaczone: R-residual, M -marine, pozostałe litery A, B, D, E,

G, K w kolejności oznaczają coraz gorszą klasę jakościową. Litery wskazują na różnice

między wartościami granicznymi wskaźników jakościowych przywołanych wyżej. Liczba

przy gatunku paliwa pozostałościowego jest wartością lepkości w temperaturze 50oC

wyrażoną w centystokesach, np. (pełny zapis) ISO-F-RMG 380.

W praktyce posługujemy się zapisami skróconymi DMB lub RMG 380.

W tabeli 5.1. zamieszczono graniczne wartości własności żeglugowych paliw

destylacyjnych, a tabeli 5.2. paliw pozostałościowych.

Tabela 5.1. Charakterystyka destylacyjnych paliw żeglugowych ISO 8217:2010




40

Tabela 5.2. Charakterystyka pozostałościowych paliw żeglugowych ISO 8217:2010

Zmiany w stosunku do normy ISO 8217: 2005:

a) Dotyczące paliw destylacyjnych

• Dodatkowa klasa DMZ z minimalną lepkością 3,000 mm2/s w 40oC, pozostałe

wskaźniki jakościowe jak DMA,

• Dotychczasowe paliwo DMC zmodyfikowano i przesunięto do grupy paliw

pozostałościowych jako RMA10,

• Włączono dodatkowe limity do tabeli: zawartość siarkowodoru, liczba kwasowa,

stabilność oksydacyjna i smarność,

• Minimalną lepkość dla paliwa DMA podniesiono do 2,000 mm2/s w 40oC,

• Dodano wymagania minimalnej lepkości 2,000 mm2/s w 40oC dla paliwa DMB

(poprzednio nieokreślona),

• Poprawiono wykaz dla wskaźników „wyglądu” próbek w tabeli paliw

destylacyjnych,

b) Dotyczące paliw pozostałościowych

• Dodano RMA 10

• Rozszerzono kategorie RMG i RMK o dodatkowe klasy lepkości,

• Usunięto kategorie RMF i RM,

• Dodatkowe wskaźniki włączono do tabeli: CCAI, zawartość siarkowodoru, liczba

kwasowa i zawartość sodu,

• W tabeli nie zamieszczono limitu zawartości siarki, są regulowane innymi

przepisami ustawowymi (MARPOL Aneks VI), nabywca paliwa musi określić limit

siarki zgodnie z konstrukcją silnika, wyposażeniem kontroli emisji SOx i

obowiązującymi ustawowymi limitami w obszarach, gdzie paliwo będzie używane.

• Test TSP został wskazany jako rekomendowany, TSA dodano jako alternatywny,

• Obniżono dopuszczalną zawartość popiołów w większości kategorii,

• Obniżono granice zawartości wanadu (z wyjątkiem RMB 30 gdzie pozostał

niezmieniony), dla RMG 380 górna granica została lekko podniesiona,




41

• Zredukowano wartość limitu Al.+Si,

• Poprawiono kryteria oceny zawartości olejów używanych (ULO) w paliwie.

Spełnienie przez paliwo wszystkich wymagań normy paliwowej ISO 8217 nie daje

gwarancji, że paliwo nie będzie źródłem problemów eksploatacyjnych siłowni okrętowej.




42

Temat 6. Tarcie i smarowanie

Tarcie jest zjawiskiem powszechnie występującym w przyrodzie. Tarcie występuje

wewnątrz i na powierzchniach ciał stałych lub wewnątrz płynów W technice jest

wykorzystywane w budowie maszyn. Ale często tarcie jest niekorzystne i człowiek walczy z

jego skutkami. Niepożądane skutki tarcia to:

• Zużycie

• Wydzielanie ciepła i czasami znaczny wzrost temperatury

• Potrzebna dodatkowa energia na pokonanie sił tarcia

W zależności od przyjętych kryteriów, możemy wyróżnić następujące rodzaje tarcia (rys.

6.1):

Rysunek 6.1. Kryteria podziału i rodzaje tarcia [2], [6],[ 10]

W przypadku braku materii rozdzielającej trące powierzchnie, mówimy o tarciu

suchym, w którym wyróżniamy tarcie suche fizyczne (czyste, metaliczne powierzchnie) i

tarcie suche techniczne (powierzchnie pokryte zaadsorbowanymi cząstkami wilgoci, gazu

oraz tlenkami). Tarcie suche charakteryzuje najwyższa wartość współczynnika tarcia µ.

W trakcie pracy węzła tarcia występuje różnica prędkości liniowej między

współpracującymi elementami (prowadnicą i elementem prowadzonym), co jest przyczyną

przesunięć względnych. Względnemu przesunięciu elementów zawsze towarzyszy zjawisko

tarcia, którą symbolizuje siła tarcia T przeciwnie zwrócona niż siła poruszająca element. Jej

wartość jest tym większa, im większa jest wielkość powierzchni styku, obciążenie (siła

normalna N do powierzchni styku) i współczynnik tarcia µ.

Istnieje kilka teorii wyjaśniających zjawisko tarcia [2], [4], [6] np.:

� Mechaniczna, tłumacząca powstawanie oporów tarcia na skutek nierówności i

chropowatości powierzchni, ścinania nierówności i połączeń zespawanych

(adhezyjnych i adhezyjnych cieplnych), z tym, że połączenia tarciowe

traktowane są z punktu widzenia wytrzymałościowego; wniosek: tarcie można




43

zniwelować przez wygładzenie powierzchni (usunięcie błędów kształtu i

chropowatości)

� Adhezyjna (molekularna), opory tarcia wyjaśnia oddziaływaniem pól sił

atomów, cząsteczek lub jonów występujących na powierzchni, tworzeniem się

i rozrywaniem wiązań molekularnych w trakcie przesuwania względem siebie

powierzchni o „chropowatości molekularnej”, czyli gładkiej geometrycznie,

� Mechaniczno-molekularna, zakłada występowanie dwóch powyższych zjawisk

jednocześnie,

� Energetyczna, mówi o zamianie energii kinetycznej stykających się i

poruszających względem siebie powierzchni na inne rodzaje energii, przede

wszystkim na ciepło.

Przedstawione hipotezy nie wyczerpują wszystkich teorii, w rzeczywistości

sprawdzają się one w różnym zakresie w różnych warunkach i nie można powiedzieć o

jednej, jedynie prawdziwej. Dokładne wyjaśnienie i opis zjawiska nie są jeszcze znane.

Generalnie, można przyjąć, że tarcie to skutek zjawisk (o zróżnicowanych zakresach)

mechanicznych, fizycznych, chemicznych i elektrycznych występujących między trącymi

powierzchniami.

Ze względu na rodzaj ruchu wyróżniamy dwa rodzaje tarcia:

• ślizgowe

• toczne

Rysunek 6.2. Rodzaje tarcia ruchowego suchego, a-ślizgowe, b-toczne

Tarcie toczne charakteryzuje się niższą wartością współczynnika tarcia µ (0,002÷0,01)

niż tarcie ślizgowe (0,2÷0,8). Podane wartości stanowią przeciętne zakresy, które w technice

mogą być przekroczone.

Rzeczywista powierzchnia styku dwóch elementów jest mniejsza (i to znacznie) od

powierzchni nominalnej, określonej wymiarami zewnętrznymi powierzchni styku. Każda

płaska (pozornie) powierzchnia wykazuje mniejszą lub większą falistość. Kiedy przyjrzymy




44

się powierzchni jeszcze bliżej, to ujrzymy mikronierówności powierzchni, które nazywamy

chropowatością. Powierzchnia charakteryzuje się większą lub mniejszą chropowatością

uzależnioną od rodzaju obróbki lub stopnia zużycia powierzchni. Powierzchnie stykają się

tylko wierzchołkami nierówności (rys.6.3).

Rysunek 6.3. Styk powierzchni chropowatych

Stąd wynikają inne naciski jednostkowe w punktach stykających się wierzchołków

nierówności i rzeczywista powierzchnia styku, która może stanowić tylko ułamek procenta

nominalnej (rys.6.4).

Rysunek 6.4. Rzeczywista powierzchnia styku dwóch płyt płaskich [2], [6]

Rzeczywista powierzchnia styku metali nie zależy od nominalnej powierzchni styku,

ale od obciążenia powierzchni (im większa siła normalna, tym większa rzeczywista

powierzchnia styku) i od rodzaju odkształceń mikronierówności (sprężyste lub plastyczne). W

niewielkim natomiast stopniu zależy od chropowatości [18, s.30-31]

W tabeli 6.1. przedstawiono przykłady typowych chropowatości powierzchni

elementów łożysk ślizgowych i tocznych. W wykonaniach specjalnych wartości mogą się

różnić od podanych.

Tabela 6.1. Chropowatości elementów typowych węzłów tarcia [11]

Rodzaje odkształceń mikronierówności na styku dwóch powierzchni, decydujące o

powierzchni styku są zależne od materiałów. W konsekwencji większa powierzchnia styku

daje wyższy współczynnik tarcia. W tabeli 6.2. zamieszczono wartości współczynnika tarcia

µ dla różnych materiałów w czasie tarcia suchego.




45

Tabela 6.2. Współczynniki tarcia ślizgowego suchego dla różnych par materiałów wg [11]

Aby zmniejszyć współczynnik tarcia i zużycie elementów, należy rozdzielić

powierzchnie współpracujących elementów. Do ich rozdzielenia służy film smarowy. W

zależności od stanu rozdzielenia powierzchni, można wyróżnić trzy rodzaje smarowania wg

kryterium styku współpracujących elementów.

Rysunek 6.5. Rodzaje smarowania

Jeżeli między elementy węzła tarcia wprowadzimy odpowiednią warstwę płynnego

środka smarowego dokładnie je rozdzielającą, to mówimy o smarowaniu płynnym. Wtedy

współczynnik tarcia między elementami jest współczynnikiem tarcia środka smarowego, czyli

jego lepkości dynamicznej w określonych warunkach (np. temperatura, ciśnienie).

W przypadku zamierzonego stosowania środków smarowych, smarowanie płynne

jest najbardziej pożądanym stanem pracy węzła tarcia.

Związki zawarte w środkach smarowych tworzą na powierzchni smarowanych

elementów mniej lub bardziej trwałe (adsorpcja fizyczna lub adsorpcja chemiczna) warstwy.

Chronią one powierzchnie metaliczne węzłów tarcia przed bezpośrednim kontaktem.

Struktura tych warstw jest taka, że w porównaniu z tarciem suchym znacznie obniża

współczynnik tarcia µ. Kiedy powierzchnie elementów dzielą tylko warstwy graniczne,

mówimy o smarowaniu granicznym. W pewnych stanach pary kinematycznej mimo

obecności środka smarowego grubość filmu jest niedostateczna. W wolnych przestrzeniach

występują kliny smarowe(ze względu na wymiary nazywane mikroklinami), ale elementy

stykają się wierzchołkami nierówności, z których część jest pokryta warstwą graniczną, a

część nie. Mówimy wtedy o smarowaniu mieszanym.

W zależności od sposobu wytworzenia siły nośnej warstwy smaru wyróżniamy dwa

rodzaje smarowania płynnego:

1. Hydrodynamiczne

2. Hydrostatyczne

W pierwszym przypadku ciśnienie jest wynikiem zjawisk zachodzących podczas

przepływy lepkiego płynu przez zwężającą się szczelinę między dwoma poruszającymi się




46

względem siebie elementami pary kinematycznej. Film olejowy i siła nośna zanika, kiedy nie

ma ruchu względnego, a nawet wtedy, gdy prędkość względna jest zbyt mała

Rysunek 6.6. Smarowanie hydrodynamiczne HD

Mechanizm smarowania hydrodynamicznego (HD) jest uwarunkowany, po pierwsze,

istnieniem dwóch powierzchni o kształcie tworzącym przestrzeń o zmiennym przekroju

wypełnionym środkiem smarowym. W przypadku ruchu postępowego jest to nachylenie

jednej z płaszczyzn pod pewnym kątem, a przy ruchu obrotowym różnica średnicy wału i

łożyska (rys. 6.11). Po drugie, miedzy jednym i drugim elementem musi występować

odpowiednia różnica prędkości. I tylko wtedy w zwężającym się przekroju występuje w

warstwie płynu (potocznie nazwaną „klinem smarowym”) siła unosząca wał nad

powierzchnią łożyska i rozdzielenie płynem elementów pary kinematycznej.

Rysunek 6.7. Krzywa Stribeck’a, grubość filmu hydrodynamicznego i stopień zużycia w funkcji parametru

Hersey’a

Zależność między podstawowymi parametrami pracy łożyska, środka smarowego a

grubością filmu smarowego przedstawia krzywa Stribeck’a (rys.6.12). Na osi poziomej

odłożone są wartości liczby Hersey’a,

wz. (6.1)

gdzie η oznacza lepkość środka smarowego, v oznacza prędkość względną, a P średnie

ciśnienie w środku smarowym między elementami, wynikające z obciążenia węzła. Na osi

pionowej znajdują się wartości współczynnika tarcia µ. Poniżej krzywej Stribecka dla tych

samych wartości He zamieszczono przebieg zmienności grubości filmu olejowego h i stopnia

zużycia elementów.

Wartość parametru Herseya wyznacza trzy obszary rodzajów tarcia, w których za

kryterium przyjęto styk elementów węzłów ruchowych. Są to smarowanie graniczne

(boundary), smarowanie mieszane (mixed film) i hydrodynamiczne (płynne, full-film, fluid-

film, hydrodynamic lubrication).




47

Z charakteru krzywej widać, że im wyższa jest lepkość i prędkość względna, tym

większa grubość filmu olejowego. Jednocześnie wzrostowi obciążenia węzła tarcia

towarzyszy zmniejszenia grubości filmu smarowego.

Współczynnik µ początkowo zmniejsza swą wartość wraz ze wzrostem lepkości i

prędkości, aby w obszarze smarowania HD znowu wzrosnąć, i to do dość znacznego poziomu

(zbliżającego się do wartości tarcia granicznego). Związane to jest z rosnącą grubością i

tarciem wewnętrznym warstw filmu.

Obraz zależności zużycia od parametru Herseya jest tu wyraźny: minimum przypada

na pełne płynne smarowanie. Natomiast w obszarach tarcia granicznego i mieszanego jest

największy.

Linią przerywaną zaznaczono zmiany współczynnika tarcia i zużycia wywołane

zastosowaniem dodatków przeciwzatarciowych i przeciwzużyciowych (EP-Extreme Pressure,

AW-Anti Wear). Tworzą one silne warstwy graniczne i w niekorzystnych warunkach pracy

(nikły lub brak filmu) w dużej mierze przejmują zadania płynnego filmu olejowego, co

skutkuje niższym zużyciem w stanach przejściowych pracy. Ale nie tylko stany przejściowe

(start, stop, manewry) są groźne. Nowoczesne silniki okrętowe mogą pracować z prędkością

obrotową n zbliżoną do 10 min-1 i wystąpienie pełnego smarowania HD może być utrudnione,

a nawet niemożliwe. Stąd tak ważne jest zabezpieczenie trących powierzchni w silne warstwy

graniczne.

Podstawowymi przykładami par kinematycznych ze smarowaniem typu HD są

łożyska ramowe i korbowe, wodziki silników wodzikowych, sworznie tłokowe, pierścień-

tuleja cylindrowa, itd.

Grubość filmu smarowego HD mieści się w granicach 2÷100 (200)µm.

Odmianą smarowania płynnego jest film powstający w trakcie pracy tocznego węzła

tarcia. Jego odmienność polega m.in. na sposobie doprowadzenia cieczy smarowej do strefy

styku wynikającej z jego geometrii

Teoretycznie styk między takimi elementami jest liniowy. Praktycznie obciążenie

powoduje odkształcenie współpracujących elementów w rejonie styku. Zakres odkształcenia

jest funkcją własności materiałów elementów i konstrukcji pary kinematycznej.




48

Przykład kulki lub walca poruszającego się po bieżni łożyska pokazany jest na rys.

6.8.

Rysunek 6.8. Strefa styku przy smarowaniu elastohydrodynamicznym EHD wg [11]

Środek smarowy dostaje się do rejonu styku przez strefę wejścia. W rejonie styku

widoczne jest spłaszczenie przekroju kulki, z widocznym na końcu charakterystycznym

wybrzuszeniem. Obciążenie i mała powierzchnia styku powoduje bardzo wysokie ciśnienia w

warstwie środka smarowego (rzędu 102 ÷ 103 MPa). Oleje i smary plastyczne przy takich

naciskach mają lepkość pozwalającą uznać je za ciało stałe, dlatego odkształcają się części

wykonane z twardych materiałów. Teoretyczny rozkład nacisków w strefie odkształcenia

zaznaczono linią przerywaną. W rzeczywistości, sprężystość materiału i szybki spadek

ciśnienia w pobliżu wyjścia ze strefy „zgniotu” umożliwia powrót fragmentu elementu do

poprzedniej, niezgniecionej postaci, stąd charakterystyczne przewężenie szczeliny i filmu

(hmin) przy wyjściu środka smarowego z rejonu deformacji. Rozkład ciśnienia w tej sytuacji

różni się od teoretycznego, a obrazuje to linia ciągła na rys. 6.13.

Nazwa smarowania pochodzi od zjawiska sprężystego (ang. elastic) odkształcenia

strefy styku.

Opisane wyżej zjawiska zachodzą nie tylko w łożyskach tocznych, ale także w

przekładniach zębatych (rys 6.14). W tym przypadku możemy mieć do czynienia nie tylko z

ruchem tocznym, ale jednocześnie ślizgowym (ślizganie się powierzchni bocznych zębów).

Rysunek 6.9. Smarowanie EHD w przekładniach zębatych

W łożyskach tocznych także mogą pojawiać się mikropoślizgi.

Grubości filmu przy smarowaniu EHD zależy od większej liczby czynników niż w

przypadku smarowania HD, opisuje ją doświadczalny wzór 6.2 [11]

wz. (6.2)

gdzie: η0 – lepkość przy ciśnieniu atmosferycznym,

ve – prędkość wejścia, średnia arytmetyczna prędkości liniowych bieżni i kulki,




49

α – ciśnieniowy współczynnik lepkości,

R – zastępczy promień krzywizny,

E’ – zastępczy moduł sprężystości,

w - obciążenie

Grubość filmu smarowego EHD zależy przede wszystkim od lepkości dynamicznej i

prędkości wejścia, nieco mniejszy wpływ ma stosunek średnic elementu tocznego i bieżni.

Natomiast w przeciwieństwie do łożyska ślizgowego, obciążenie łożyska tocznego

zdecydowanie słabiej wpływa na grubość filmu olejowego.

Przeciętna grubość filmu smarowego EHD wynosi ok. 1µm.

W smarowaniu hydrostatycznym ciśnienie w warstwie oleju jest wytworzona przez

zewnętrzną pompę dostarczającą środek smarowy między elementy węzła tarcia. Niezależnie

od stanu węzła (ruch-stop) ciśnienie w tej warstwie jest równe, co najmniej ciśnieniu

dostarczanym przez pompę.

Rysunek 6.10. Smarowanie hydrostatyczne

W ciałach między cząsteczkami, jonami lub atomami działają siły przyciągania i

odpychania. Siły te zależą od wzajemnej odległości i przy pewnej jej określonej wartości

następuje stan równowagi sił (minimum energii układu). Siły przyciągania atomów można

podzielić na dwie grupy: chemiczne i van der Waalsa. Wśród chemicznych rozróżniamy

wiązania jonowe, atomowe oraz metaliczne. W porównaniu z chemicznymi siły van der

Waalsa są zdecydowanie słabsze (ok. 10 razy) i wewnątrz metali praktycznie nie odgrywają

roli na tle wiązań metalicznych.

Cząsteczki, jony lub atomy znajdujące się na powierzchni znajdują się w stanie

nierównowagi, ponieważ siły oddziaływania nie są zrównoważone na zewnątrz metalu

(rys.6.11). Dlatego na powierzchni wytwarzane jest pole sił wiązań ciała (krótkozakresowe) i

van der Waalsa (długozakresowe).

Rysunek 6.11. Niezrównoważone siły na czystej powierzchni metalu




50

Pole sił powoduje adsorbcję innych cząstek na powierzchni metalu. Wskutek tego,

powstają warstwy zaadsorbowanych cząstek izolujących powierzchnię metaliczną od

atmosfery. Przekrój przez typową warstwę wierzchnią pokazano na rysunku 6.12. Grubość

zaabsorbowanych warstw na powierzchni jest rzędu nanometrów (nm).

Rysunek 6.12. Warstwa powierzchniowa metalu w atmosferze wg [2], [6]

W zależności od wzajemnego oddziaływania powierzchni metalu i substancji

zewnętrznej, mogą wystąpić wiązania van der Waalsa (słabe, adsorbcja fizyczna) lub

chemiczne (silne, jonowe, chemisorpcja). Fizykosorpcja jest odwracalna, podwyższając

temperaturę powierzchni można łatwo spowodować desorpcję, Warstwę adsorbowaną

chemicznie można usunąć tylko mechanicznie, jest znacznie trwalsza (większe siły wiązań)

od fizycznej. Rysunek 6.13 ilustruje różnice między warstwami adsorbowanymi i reakcją

chemiczną z metalem.

Rysunek 6.13. Rodzaje wiązań na powierzchni metalu, wg [11]

O tym, jaki rodzaj wiązania powstanie decydują właściwości ciała stałego i stykającej

się z nim substancji oraz warunki zewnętrzne (temperatura, naciski itp.). Są substancje mające

większe skłonności do tworzenia określonych wiązań i substancje niewykazujące zdolności

do wiązania się np. z warstwą metalu. Przez dobór odpowiednich związków możemy

decydować o rodzaju warstwy powierzchniowej i dzięki temu uzyskać pożądane własności,

np. smarność.

Rysunek 6.14. Film graniczny

Kiedy niemożliwe jest utworzenie płynnego filmu smarowego(np. w momencie

rozruchu), warstwy graniczne złożone z zaadsorbowanych cząstek określonych substancji

(film graniczny) pozwalają zabezpieczyć powierzchnie współpracujących elementów przed

bezpośrednim stykiem i tarciem suchym. Warstwy graniczne powstałe z tych substancji

charakteryzują się posiadaniem płaszczyzn łatwego poślizgu (płaszczyzn słabszych wiązań)




51

zgodnych z kierunkiem ścinania (stąd niski współczynnik tarcia). Ze względu na rodzaj

wiązań można podzielić filmy graniczne na dwie grupy: koloidalne (grafit, dwusiarczek

molibdenu, borany itd.) i chemiczne (np. kwasy tłuszczowe, fosforan trójkrezylu AW, itd.).

Parametrem dobrze obrazującym jaki rodzaj smarowania występuje, jest tzw.

względna grubość warstwy smarowej. Mówi o tym, ile razy większa jest grubość warstwy

smaru od sumy nierówności współpracujących powierzchni:

wz. (6.3)

gdzie: h jest grubością warstwy smarowej, R1 i R2 chropowatościami powierzchni. W

oparciu o ten wskaźnik możemy graficznie przedstawić rodzaj smarowania w zależności od

względnej grubości warstwy smarowej (rys. 8).

Rysunek 6.15. Zakresy względnej grubości filmu dla różnych rodzajów smarowania [11], [17]

W tab.6.3 zestawiono typowe wymiary elementów węzła tarcia poczynając od

grubości warstwy cząstek polarnych do grubości filmu HD.

Tabela 6.3. Typowe wymiary składowych węzła tarcia [11]




52

Temat 7. Klasyfikacje lepkościowe olejów smarowych

Środki smarowe stanowią element konstrukcyjny maszyny, stąd też wynikła potrzeba

standaryzacji środków smarowych. Funkcje, jakie musi wypełniać środek smarujący,

decydują o wyborze właściwości substancji do danego węzła tarcia. Miarą właściwości są

parametry fizykochemiczne substancji oraz inne własności wykazywane w czasie

standaryzowanych testów. Dzięki standaryzacji przyjęte zwięzłe oznaczenia produktu

zawierają w sobie szereg informacji, których opis w wybranych przypadkach mógłby

zajmować wiele stron.

Klasyfikacje olejów istnieją od wielu lat. Tworzone były przez narodowe instytucje

normalizacyjne, instytuty badawcze, stowarzyszenia krajowe, regionalne i międzynarodowe,

użytkowników, producentów, tak olejów, jak i urządzeń nimi smarowanych. Zasięg

oddziaływania różnych klasyfikacji obejmował lub obejmuje kraje, regiony, kontynenty lub

też jest uznawany w międzynarodowym obrocie. Wśród klasyfikacji środków smarowych

można wyróżnić klasyfikacje do przeznaczeń szczegółowych (silnikowe, turbinowe,

przekładniowe, hydrauliczne, itd.) oraz klasyfikacje ogólne, obejmujące wszystkie środki

smarowe.

Struktura i zakres rzeczowy każdej klasyfikacji jest wynikiem przyjętych kryteriów.

Wypełnianie przez olej funkcji w urządzeniu można przypisać do dwóch grup własności:

lepkościowych (tworzenie filmu olejowego) i jakościowych. Własności lepkościowe

(zachowania reologiczne) są kryterium klasyfikacji lepkościowych, natomiast pozostałe

stanowią kryteria kształtujące klasyfikację jakościową.

Klasyfikacje lepkościowe olejów smarowych dają informację przede wszystkim o

lepkości kinematycznej ewentualnie wskaźniku lepkości i innych zachowaniach

reologicznych. Najbardziej rozpowszechniona klasyfikacją lepkościową olejów silnikowych

jest klasyfikacja SAE. Przyjęto w niej następujące wskaźniki, których wartości określają

odpowiednie klasy:

• maksymalna lepkość strukturalna (mPas) w określonej niskiej temperaturze

(oC)-warunki rozruchu,




53

• maksymalna lepkość ( 60 000 mPas) w określonej niskiej temperaturze (oC)-

pompowalność

• minimalna i maksymalna lepkość kinematyczna (mm2/s) w temperaturze

100oC,

• minimalna lepkość HTHS (mPas) w temperaturze 150oC

Na podstawie wartości (tabela7.1), utworzono 11 klas lepkości, sześć „zimowych” W

(winter) i pięć letnich.

Tabela 7.1. Klasyfikacja lepkościowa olejów silnikowych SAE 300

Zakresy temperatur stosowania poszczególnych klas letnich czy zimowych są dosyć

wąskie, o czym decyduje stosunkowo niski wskaźnik lepkości(warunki tworzenia filmu

olejowego).W zmiennym klimacie, po zimie należałoby wymieniać olej na letni, a po lecie na

zimowy. Rozwiązaniem tego problemu są oleje wielosezonowe, o wyższym wskaźniku

lepkości. Lepkość oleju wielosezonowego w niskich i wysokich temperaturach ilustruje rys.

7.1.

Rysunek 7.1. Olej wielosezonowy, połączenie zachowań niskotemperaturowych oleju zimowego i

wysokotemperaturowych letniego

Problemem pozostaje wybór minimalnych i maksymalnych temperatur otoczenia. Przybliżone

wartości dla olejów jedno- i wielosezonowych pokazano na rys.7.2.

Rysunek 7.2. Zakresy temperatur zastosowania wybranych klas lepkościowych olejów silnikowych

Z zestawienia jasno wynika, że przypisane do klasy lepkości liczby nie są wartościami

temperatury(ani lepkości) i stanowią symbol klasy lub jego część.

Powyższa klasyfikacja została stworzona dla silników samochodowych, pracujących

w zmiennych temperaturach otoczenia.




54

W dużych silnikach okrętowych (zarówno napędu głównego, jak i prądotwórczych)

istnieje możliwość dokładnej regulacji temperatury oleju smarowego (układ ogrzewania i

chłodzenia oleju).Temperatury oleju są niezależne od temperatury otoczenia. Poza tym, w

siłowni okrętowej panują temperatury przeciętnie od +5 (minimalna temperatura wymagana

obecnością wody w instalacjach chłodzenia) do ok.40oC, więc wymagania lepkościowe w

zupełności mogą spełnić oleje jednosezonowe.

Oleje obiegowe silników wodzikowych mają klasę lepkości SAE 30, silników

bezwodzikowych SAE 40 (lepkość wyższa, ponieważ olej obiegowy jest równocześnie

olejem smarującym tuleje cylindrowe),oleje cylindrowe silników wodzikowych posiadają

klasę lepkości SAE 50.

Także na potrzeby przemysłu motoryzacyjnego stworzono klasyfikację olejów

przekładniowych SAE J 306. Wyróżniono 3 klasy zimowe i 3 letnie. Kryteria w tym

przypadku stanowią: wartość lepkości kinematycznej (minimalna i maksymalna) w 100oC

oraz najniższa temperatura, przy której olej osiąga lepkość 150 000 mPas (tab.7.2).

Tabela 7.2. Klasyfikacja lepkościowa olejów przekładniowych SAE J 306

Przekładnie motoryzacyjne są konstrukcjami specyficznymi i przenoszącymi małe

moce rzędu kilkuset kilowat. Amerykańscy producenci przekładni przemysłowych (AGMA)

mocach znacznie wyższych opracowali klasyfikację podzieloną na 9 klas lepkości, od 1 do

8A. Kryterium przynależności do odpowiedniej klasy jest minimalna i maksymalna lepkość w

temperaturze 40o i 100oC.

Tabela 7.3. Klasyfikacja lepkościowa AGMA olejów przekładniowych

Klasyfikacja olejów przemysłowych ISO 3448 szereguje oleje bez względu na ich

przeznaczenie. Jedynym kryterium przynależności do klasy jest wartość lepkości

kinematycznej (mm2/s) w temperaturze 40oC. Klasę lepkości oznacza się literami ISO VG

(viscosity grade) z podaniem symbolu liczbowego, równego lepkości w 40oC wyrażonej w

mm2/s. Ta wartość jest średnią z przedziału charakteryzującego klasę lepkości.




55

Zakresy lepkości dla poszczególnych klas lepkości wg ISO przedstawia tab. 7.4.

Tabela 7.4. Klasyfikacja lepkościowa olejów wg ISO 3448

Porównanie zakresów lepkości różnych klasyfikacji lepkościowych olejów

silnikowych i przekładniowych z klasyfikacją ISO przedstawiono na rys. 7.3.

Rysunek 7.3. Zakresy lepkości różnych klasyfikacji




56

Temat 8. Funkcje oleju smarowego w silniku spalinowym oraz możliwości ich

wypełniania przez oleje

1. Obniżenie współczynnika tarcia,

2. Zmniejszenie zużycia,

3. Odprowadzenie ciepła,

4. Uszczelnienie układu (np. złożenia tłok cylinder),

5. Zabezpieczenie elementów silnika przed korozją,

6. Utrzymywanie czystości elementów silnika,

7. Transmisja mocy w elementach hydraulicznych silnika.

Oleje uzyskane bezpośrednio z procesu rafinacji mogłyby spełnić część

wymienionych funkcji jedynie w prostych, niskoobciążonych silnikach spalinowych,

wymagając częstej wymiany oleju i filtra. Można by się spodziewać problemów ze

smarowaniem w niskich temperaturach (przyspieszone zużycie silnika).

W nowoczesnych, wysokoobciążonych jednostkach napędowych oleje smarowe

wymagają ulepszenia, które można osiągnąć mieszając oleje rafinowane (nazwane olejami

bazowymi) z dodatkami. Alternatywną drogą osiągnięcia wyższej jakości olejów, jest

zastąpienie oleju mineralnego olejem syntetycznym. Mimo lepszych własności, te oleje także

wymagają dodatków. Rolą dodatków jest:

• Wzmocnienie korzystnych własności bazy olejowej,

• Poprawienie (lub usunięcie) niekorzystnych własności bazy olejowej,

• Wprowadzenie nowych własności do bazy olejowej,

Podstawowymi dodatkami w oleju są [10], [11], [12], [17]:

• Detergenty (substancje zmywające),

• Dyspergatory (substancje rozpraszające),




57

• Depresatory (substancje w niskich temperaturach zapobiegające tworzeniu się

siatki z wydzielających się kryształów parafin)

• Modyfikatory tarcia (Friction Modifier, FM),

• Dodatki przeciwzużyciowe (Anti Wear, AW),

• Dodatki przeciwzatarciowe (Extreme Pressure, EP),

• Inhibitory utleniania (substancje spowalniające utlenianie oleju),

• Inhibitory korozji (substancje zabezpieczające powierzchnie metalowe przed

korozyjnym oddziaływaniem kwasów obecnych w oleju),

• Modyfikatory lepkości (substancje podwyższające lepkość) i wiskozatory

(substancje podwyższające wskaźnik lepkości oleju),

• Dodatki przeciwpienne,

• Dodatki neutralizujące kwaśne produkty spalania.

Detergenty maja za zadanie zmywanie osadów powstających przede wszystkim w

rowkach pierścieniowych tłoka, ale także innych elementów silnika. Detergenty są

jednocześnie dodatkami tworzącymi rezerwę alkaliczną oleju.

Dyspergatory zapobiegają tworzeniu się aglomeracji, wypadaniu i tworzeniu osadów

z cząstek szlamów i sadzy warstw osadów, utrzymując zanieczyszczenia w postaci

rozproszonej, pozwalają na usuwanie zanieczyszczeń na filtrach lub w wirówkach olejowych.

Depresatory obniżają temperaturę płynięcia oleju, umożliwiając zastosowanie oleju w

niższych temperaturach (adsorbują na kryształach parafin, utrudniają tworzenie struktury),

Modyfikatory tarcia obniżają współczynnik tarcia w momencie rozruchu silnika,

Dodatki przeciwzużyciowe obniżają stopień zużycia współpracujących elementów,

Dodatki przeciwzatarciowe zapobiegają intensywnemu zużywaniu powierzchni w

warunkach wysokich obciążeń i temperatur w obszarze styku,

Inhibitory utleniania spowalniają utlenianie oleju, tym samym powstawanie kwasów,

laków, szlamów oraz wzrost lepkości,

Inhibitory korozji tworząc warstwy na powierzchni metali pozbawiają je możliwości

reakcji chemicznych z aktywnymi w oleju związkami,




58

Modyfikatory lepko ści służą do podniesienia wartości lepkości oleju,

Wiskozatory podnoszą wskaźnik lepkości oleju,

Dodatki przeciwpienne zapobiegają tworzeniu się piany (dyspersji powietrza w

oleju), tym samym zmniejszają powierzchnię kontaktu oleju z powietrzem i spowalniając

procesy utleniania,

Dodatki neutralizuj ące kwasy mają za zadanie zobojętnić kwas siarkowy

pochodzący ze spalania paliwa zawierającego siarkę.

Wiadomo, w jaki sposób wpłynąć na poprawę lub wprowadzenie nowej własności

środka smarowego, czyli jaki dodatek i w jakiej ilości musi być wprowadzony. Problem

polega jednak na tym, że do bazy olejowej musimy dodać kilka różnych substancji, i to często

substancji, które wzajemnie oddziaływają na siebie. To oddziaływanie może powodować

wzmocnienie efektów zastosowania jednego z dodatków (synergia), ale też może mieć skutki

negatywne (antagonizm).

Istniejące dodatki mogą spełniać kilka funkcji (tzw. wielofunkcyjne), np. wiskozatory

odpowiedzialne za lepkość i wskaźnik lepkości, często działają także jako dyspergatory i

depresatory, substancje zmywające jednocześnie pełnia funkcję neutralizatorów kwasów itd.

Tabela 8.1. Zestawienie głównych dodatków do olejów silnikowych [11],[17],

Dodatek może być zastosowany jako pojedynczy komponent, ale najczęściej korzysta

się z wielofunkcyjnych pakietów kilku dodatków. Tajemnica producentów pakietów tkwi w

ich odpowiednim doborze i proporcjach. Na świecie tylko kilka wysoce wyspecjalizowanych

firm produkuje dodatki do olejów, co zmniejsza ryzyko niekompatybilności olejów opartych

na tych samych lub kompatybilnych olejach bazowych.

Pakiet dodatków do oleju musi bardzo dobrze rozpuszczać się w bazie olejowej i jest

to jeden z najważniejszych problemów w trakcie produkcji olejów. Nie wszystkie bazy

olejowe charakteryzują się dobrą rozpuszczalnością dodatków i stabilnością takiej mieszaniny

w trakcie przechowywania. Szczególnie dotyczy to niektórych baz syntetycznych i w takich




59

przypadkach do rozpuszczenia dodatków stosuje się inną bazę umożliwiającą stosunkowo

łatwe rozproszenie pakietu dodatków i późniejsze ich mieszanie z główną bazą olejową.

Ilość i rodzaj dodatków do oleju jest pochodną warunków, w jakich olej pracuje, czyli

urządzenia i jego przeznaczenia. Największa różnorodność węzłów tarcia (HD, EHD),

temperatur, obciążeń, obecność spalin i produktów spalania chemicznie aktywnych występuje

w silnikach spalinowych. Stąd też znacząca ilość dodatków w olejach silnikowych. W

zależności od przeznaczenia oleju do określonego zastosowania (silnikowy, turbinowy,

chłodniczy, hydrauliczny itd.) ilość i jakość dodatków będzie różna. W tabeli 8.1.

zamieszczono główne dodatki oraz ich orientacyjne zawartości dla olejów o różnym

przeznaczeniu.

Tabela 8.2. Jakość i ilość dodatków w zależności od przeznaczenia oleju

Najlepszy olej, ale użyty niezgodnie z przeznaczeniem, może przynieść większe

zużycie silnika niż olej z mniejszą ilością dodatków („gorszy”). Przykładem może być olej z

dodatkami typu EP, w urządzeniach gdzie węzły tarcia pracują przy niskich obciążeniach i

temperaturach, współczynnik tarcia jest wyższy niż oleju bez tych dodatków (rys. 8.1).

Rysunek 8.1. Wpływ dodatków smarnościowych i obciążenia na współczynnik tarcia

Dodatki EP w postaci niezmienionej naciskami i temperaturą na powierzchniach

metalu, mogą być przyczyną pojawienia się zjawisk korozyjnych.

Także współczesne oleje syntetyczne zastosowane w urządzeniach starszej daty mogą

generować problemy z utratą szczelności niektórych złożeń lub uszkodzeniem materiałów

uszczelnień.




60

Temat 9. Wytwarzanie olejów smarowych

Większość olejów smarowych pochodzi z przeróbki ropy naftowej. Pozostałość

podestylacyjna (mazut) jest podgrzana i kierowana do kolumny próżniowej, gdzie następuje

rozdzielenie frakcji pod obniżonym ciśnieniem. Otrzymujemy trzy frakcje olejowe, A (twrz

400÷450oC) i B (twrz 450÷550oC) oraz pozostałość próżniową (twrz >550oC), tzw. gudron (rys

9.1)

Rysunek 9.1. Schemat destylacji ropy naftowej i frakcje olejowe, [17]

Frakcje oprócz różnych temperatur wrzenia różnią się m.in. lepkością (najniższa A,

najwyższa gudron), zawartością koksu (najniższa A i najwyższa gudron) i wskaźnikiem

lepkości (np. A ok. 90, B ok. 75)[3].

Schemat obróbki półproduktów przedstawiono na rys. 9.2.

Rysunek 9.2. Schemat otrzymywania mineralnych olejów bazowych, wg [17]

Jako zalety baz mineralnych, które na razie są trudne lub wręcz niemożliwe do

uzyskania w przypadku syntetyków, można wyróżnić:

� Stabilność hydrolityczna,

� Ochrona przed korozją,

� Niska toksyczność,

� Nieszkodliwość w stosunku do materiałów uszczelnień i konstrukcyjnych,

� Rozpuszczalność dodatków,

� Właściwości smarne,

� Cena i dostępność.

Oprócz olejów bazowych mineralnych, w produkcji środków smarowych używa się olejów

syntetycznych.




61

Ropa naftowa będąca źródłem pochodzenia olejów mineralnych jest mieszaniną

milionów kombinacji węglowodorów i związków węglowodorowych. Produkt z ropy

naftowej w procesie eliminacji niepożądanych związków ma ich zmniejszoną liczbę, ale w

dalszym ciągu jest złożoną mieszaniną, której nie sposób opisać jednym wzorem

chemicznym. Natomiast cząsteczki oleju syntetycznego o ściśle zaprojektowanej budowie

powodują, że jednorodność i czystość chemiczna oleju syntetycznego jest nieporównywalnie

większa.

Rysunek 9.3. Różnice w budowie i składzie cząsteczkowym oleju mineralnego i syntetycznego

Różnice między bazami mineralnymi a syntetycznymi mają swoje źródło w budowie

cząsteczkowej.

Syntetyczne oleje bazowe stanowią niespełna 5% światowej produkcji surowca do

komponowania środków smarowych, ale ich znaczenie i udział na rynku z roku na rok rośnie.

Na te tendencje składa się wiele czynników, dwa najważniejsze to parametry

fizykochemiczne cieczy syntetycznych oraz malejący dostęp do ropy naftowej jako surowca

(podaż, cena, perspektywy). Spośród najważniejszych zalet cieczy syntetycznych

stosowanych do produkcji środków smarowych należy wymienić:

� Wysokie wartości wskaźnika lepkości,

� Mała lepkość w niskich temperaturach (płynność),

� Odporność na utlenianie,

� Odporność na wysokie temperatury pracy (stabilność termiczna),

� Odporność na promieniowanie radioaktywne,

� Niepalność,

Niestety, jak na razie tylko nieliczne ciecze syntetyczne posiadają najwyższe wartości

wszystkich wymienionych wskaźników jednocześnie.




62

Oleje syntetyczne klasyfikuje się przede wszystkim ze względu na budowę chemiczną.

Zastosowanie znajdują produkty, które można znaleźć w sześciu grupach:

Tabela 9.1. Klasyfikacja olejów syntetycznych według budowy chemicznej [5]

Stopień „czystości” (jednorodności) „syntetyków” przyczynia się do

przewidywalności zachowań takiej cieczy. Na rys. 9.4 zestawiono przydatność wybranych

baz olejowych w różnych temperaturach pracy.

Rysunek 9.4. Porównanie czasu życia olejów opartych na różnych bazach olejowych w zależności od

temperatury pracy [11]

Porównując do możliwości olejów mineralnych, syntetyki wykazują większą

odporność na wysokie temperatury.

Na rynku dostępne są produkty z ropy naftowej po głębokich (i kosztownych)

procesach rafinacji, co do których ich wytwórcy używają określenia „syntetyczny”. Mimo

uzyskania wysokiej jakości rzeczywiście zbliżonej do syntetycznych środków smarowych,

natura pochodzenia tych olejów (wielość związków) i wpływ na właściwości użytkowe

pozostają.

W tabeli 9.2 porównano wartości wskaźników lepkości olejów mineralnych i

syntetycznych.

Tabela 9.2. Porównanie wskaźnika lepkości wybranych olejów bazowych

Syntetyczne oleje bazowe mogą być jednorodną cieczą lub mieszaniną syntetycznej i

mineralnej lub dwóch i więcej cieczy syntetycznych, np. MO/ PB, MO/DE, PAO/MO,

PAG/POE, PAO/PB, POE/PB. Mieszanie olejów syntetycznych ma na celu uzyskanie bazy

olejowej rozpuszczającej dodatki lub spełniającej wymagania w określonym urządzeniu dla

określonych warunków pracy.




63

Stosowanie olejów bazowych z różnych źródeł i o odmiennej budowie cząsteczkowej

może być przyczyną problemów eksploatacyjnych w przypadkach mieszania olejów. Dotyczy

to uzupełniania olejów lub wymian w instalacjach. Jakkolwiek najczęściej obecnie oferowane

oleje syntetyczne na bazie PAO są dobrze mieszalne z mineralnymi, to w innych przypadkach

mogą pojawić się np. szlamy blokujące filtry czy wytrącone z olejów dodatki.

W razie wątpliwości, bezwzględnie zaleca się konsultacje z producentem oleju lub z

firmą prowadzącą serwis olejowy. W tabeli 9.3 zestawiono przykładowe dane dotyczące

mieszalności różnych baz olejowych.

Tabela 9.3. Mieszalność wybranych baz olejowych

Należy pamiętać, że mieszanie różnych olejów, mimo zgodności baz, może być

niemożliwe np. ze względu na dodatki, a właściwie na ich charakter chemiczny. Oleje o tym

samym przeznaczeniu mogą posiadać dodatki zasadowe albo kwaśne (np. oleje hydrauliczne

czy przekładniowe).

Podstawowymi wadami syntetycznych cieczy bazowych są:

� Wyższa cena (od kilku do kilkuset razy droższe od mineralnych),

� Mogą ulegać hydrolizie (niektóre),

� Niektóre mogą stanowić zagrożenie dla środowiska,

Przy zamianie olejów należy zwrócić uwagę na oddziaływanie olejów na

uszczelnienia. W kontakcie z olejami niektóre materiały ulegają kurczeniu, a inne pęcznieniu.

W każdym przypadku powoduje to uszkodzenia uszczelnienia. W tab. 9.3 przedstawiono

odporność najczęściej stosowanych materiałów uszczelnień współpracujących z różnymi

olejami bazowymi.

Tabela 9.4. Odporność podstawowych rodzajów elastomerów (oznaczenia wg ASTM D 1418) na działanie

olejów [12]




64

Oleje bazowe muszą spełniać wymagania jakościowe i We wczesnych latach

dziewięćdziesiątych, Amerykański Instytut Nafty API zaproponował klasyfikację baz

olejowych. Podział funkcjonuje do dzisiaj, jednak rozwój technologii i coraz lepszej jakości

produkty spowodowały, że istniejący podział jest zbyt ogólny. Nie uwzględnia produktów

uzyskanych takimi samymi metodami, ale w ostrzejszych reżimach produkcyjnych

skutkujących lepszymi właściwościami fizyko-chemicznymi. Najogólniej rzecz biorąc,

główny podział polegał na utworzeniu grup olejów bazowych mineralnych (I,II i III) oraz

syntetycznych (IV i V). Jednakże obecnie w grupie V mogą się mieścić oleje bazowe

mineralne, które nie spełniają wymagań grup I do IV. W Europie umownie funkcjonuje grupa

VI, do której zalicza się polyinternalolefiny (PIOs).

Nowe wymagania stawiane olejom smarowym (przede wszystkim silnikowym)

spowodowały, że zmieniły się wymagania wobec baz olejowych i zachodzi czasami

konieczność mieszania produktów różnych grup olejów między sobą, dla uzyskania

odpowiedniej jakości bazy.

Tabela 9.5. Klasyfikacja olejów bazowych API:

O jakości oleju czy smaru plastycznego w znacznej mierze decyduje olej bazowy.

Oleje smarowe powstają w procesie mieszania (blendowania) dodatków (patrz temat 8) w

olejach bazowych.




65

Temat 10. Silnikowy olej smarowy w eksploatacji – zanieczyszczenia eksploatacyjne

oleju silnikowego

Oprócz doboru oleju właściwego dla danego urządzenia, najważniejszą rzeczą jest

utrzymanie oleju w czystości. Zanieczyszczenia stałe ( w większym stopniu) i woda to

najwięksi wrogowie filmu smarowego.

Ogólnie, zanieczyszczenie to niepożądana substancja, która może występować w

postaci roztworu lub też osobnej fazy rozproszonej w oleju.

Wpływ zanieczyszczeń na stan techniczny maszyny

Pierwotnym źródłem zanieczyszczenia jest pył pochłaniany z otoczenia, na różnych

etapach życia oleju, w trakcie produkcji, pakowania, przechowywania w zbiorniku

(odpowietrzenia), pompowania itd. Składnikami pyłu są przede wszystkim tlenki krzemu (Si)

i aluminium (Al), czasem wapnia(Ca) i magnezu(Mg). Te cząstki są twardsze (nawet do 9 w

skali Mossa) od większości elementów maszyn; pozyskiwane celowo z innych źródeł są

używane jako komponenty materiałów ściernych.

Wtórnym źródłem są zanieczyszczenia pojawiające się w oleju w czasie eksploatacji

(rys. 10.1)

Rysunek 10.1. Źródła zanieczyszczeń stałych oleju w urządzeniu

Jeśli ich rozmiar jest zbliżony do grubości filmu olejowego, powodują zużycie ścierne

współpracujących elementów (rys. 10.2).

Rysunek 10.2. Wpływ stosunku wymiaru cząstek stałych do grubości filmu olejowego na stopień zużycia w

węźle tarcia.

Skutkiem zużycia powierzchni jest pojawienie się coraz liczniejszych cząstek stałych

w oleju biorących udział w dalszym zużyciu ściernym.




66

Jeśli w strumieniu oleju występują duże prędkości lub ciśnienia, nierzadkim

zjawiskiem jest erozja i jej następstwo, zużycie erozyjne. Produktami są cząstki o mniejszych

wymiarach, ale też mające wpływ na stopień zużywania.

Nadmierne obciążenie, niska lepkość czy mała prędkość powodują zmniejszenie

grubości filmu olejowego i zwiększają prawdopodobieństwo bezpośredniego styku

metalicznego współpracujących elementów i tym samym zużycia adhezyjnego. Wierzchołki

nierówności powierzchni będących w ruchu względem siebie, w przypadku styku poddane są

miejscowym bardzo wysokim naciskom i ulegają tzw. zimnemu zespawaniu. Powstały spaw

jest odrywany i albo przemieszcza się przywarty do jednej z powierzchni, albo swobodny

unoszony jest z olejem.

Obecność w filmie olejowym cząstek zużycia ściernego materiału węzła tarcia, także

może prowadzić do pojawiania się zużycia adhezyjnego.

Proces zimnego spawania, generuje nowe cząstki o twardości wyższej niż materiał

rodzimy.

Zanieczyszczenie wodą oleju nawet w stosunkowo niewielkim stopniu

(niepowodującym zmian koloru czy przezroczystości) może być przyczyną zużycia

adhezyjnego w węzłach tarcia ze smarowaniem elastohydrodynamicznym (EHD). Wysokie

ciśnienia w warstwie smarowej (rzędu nawet 3000 MPa) o małej powierzchni (np. styk kulki

z bieżnią) w obecności wody o stosunkowo małej lepkości powoduje zanik filmu smarowego

i bezpośredni kontakt materiału elementu tocznego i bieżni. Są to warunki idealne dla

procesów zużycia adhezyjnego.

Większe zanieczyszczenia wodą może być powodem podobnych zjawisk w łożyskach

lub innych węzłach tarcia ze smarowaniem HD, co związane jest również z wytrzymałością

filmu smarowego zanieczyszczonego kropelkami wody.

Zanieczyszczenia stałe, które dostają się w strefę filmu smarowego i nie powodują

zużycia ściernego, mogą być przyczyną wgnieceń i mikroskopijnych pęknięć powierzchni. Im

większa częstość i naciski, tym zjawisko jest bardziej intensywne i prowadzi do odrywania się

charakterystycznych fragmentów powierzchni. Ten rodzaj zużycia znany jest pod nazwą




67

zużycia zmęczeniowego, występuje przede wszystkim tam, gdzie mamy do czynienia ze

smarowaniem EHD.

Wszystkie rodzaje zużycia powodują wzrost zanieczyszczenia oleju cząstkami stałymi

i właściwie skalę tego zjawiska można porównać do reakcji łańcuchowej.

Zanieczyszczenie wodą należy rozpatrywać nie tylko z punktu wytrzymałości filmu

smarowego, ale także w dłuższej skali czasu. Procesy zużycia korozyjnego przebiegają

wolniej, ale są również groźne dla długości życia maszyny.

Wiele olejów jest z natury „kwaśnych”, a właściwie tę naturę kształtują kwaśne dodatki

olejowe. Także procesy utleniania olejów kończą się m.in. produktami typu kwasów

organicznych, co w połączeniu z kwaśnymi dodatkami i wodą podwyższa możliwości

korozyjnego oddziaływania na powierzchnie metalowe. Produktami korozji są najczęściej

ścierne tlenki żelaza. W połączeniu z pozostałymi, wymienionymi wcześniej

zanieczyszczeniami oleju, w trakcie pracy węzła tarcia powodują usuwanie ochronnej

warstwy tlenków i wystawiają czystą warstwę metaliczną na ponowne reakcje utleniania

metalu. Czasem ten mechanizm zużycia nazywany jest tribochemicznym.

Występujące w strumieniu oleju strefy niskiego ciśnienia mogą powodować

odparowanie wody i powstawanie pęcherzy parowych. Zanikają one gwałtownie w obszarach

wysokiego ciśnienia. W przypadku zanikania na powierzchni elementów, towarzyszące

zanikaniu w bardzo krótkim czasie (ok.10-3 – 10-4s) wysokie ciśnienie (rzędu setek MPa)

może powodować wyrywanie materiału elementów. Mikrouszkodzenia powierzchni mogą

być procesem przyspieszającym zużycie zmęczeniowe oraz korozyjne (odsłonięte ziarna

powierzchniowe metalu).

Nie tylko woda jest czynnikiem powodującym kawitację, ale także pęcherze powietrza

w oleju. Obecność wody sprzyja pochłanianiu większej ilości powietrza i intensyfikacji

kawitacji.

Kawitacja w oleju to nie tylko zużycie kawitacyjne elementów maszyny. Zanikanie

pęcherzy wodnych lub par oleju oprócz wysokich wartości ciśnień generuje wysokie

temperatury rzędu 1000oC. Są to temperatury sprowadzające się do obszaru punktowego, ale




68

przy odpowiednim natężeniu zjawiska wymiernie rzutują na cała objętość, skutkujące

degradacją tak bazy olejowej, jak i dodatków, np. wiskozatorów.

Wpływ zanieczyszczeń na stan oleju

Jeśli wpływ zanieczyszczeń stałych na stan i zużycie maszyny jest wyraźny, to

obecność wody w oleju silnie rzutuje przede wszystkim na życie oleju. Oba rodzaje

zanieczyszczeń mają swoje negatywne skutki tak dla maszyny, jaki i dla oleju, a ich

jednoczesna obecność w oleju powoduje znacznie przyspieszoną degradację stanu maszyny i

oleju.

Jednym z procesów wpływających na stan oleju jest utlenianie, przebiegające od

chwili wytworzenia do procesu utylizacji przepracowanego oleju. Intensywność utleniania

wzrasta w obecności wody, zanieczyszczeń stałych, w tym metalicznych produktów zużycia i

w wyższych temperaturach. Najpierw formują się tlenki organiczne, z których powstają

alkohole, aldehydy i kwasy organiczne. Kwasy organiczne z kolei tworzą środowisko

sprzyjające korozji metalowych elementów maszyny i tym samym zużyciu korozyjnemu.

Dalsze utlenianie prowadzi do powstawania szlamów, składających się z

wielkocząsteczkowych polimerów nierozpuszczalnych w oleju.

Skutki utleniania przejawiają się we wzroście lepkości i liczby kwasowej AN oleju.

Wyższa wartość lepkości powoduje wzrost ilości wydzielającego się ciepła i tym samym

wyższą temperaturę filmu olejowego, co przyspiesza proces utleniania.

Zanieczyszczenia stałe i produkty zużycia zawierające metale są katalizatorami

procesu utleniania. Utlenianie w ich obecności zachodzi kilka razy szybciej. To

przyspieszenie reakcji chemicznych jest różne dla różnych metali, przyczyną największego

jest miedź Cu.

Jeśli produkty zużycia w oleju występują w obecności wody, to proces utleniania przebiega

kilkanaście razy szybciej!

Znany jest także wpływ temperatury na zjawiska utleniania oleju. Podwyższenie temperatury

pracy oleju o każde 10oC ( w przewidywanym zakresie temperatur pracy 80-150oC)

dwukrotnie przyspiesza utlenianie, czyli skraca życie oleju o połowę.




69

Olej smarowy składa się z bazy i dodatków. Zadaniem dodatków w oleju jest

wzmocnienie, poprawa i wprowadzenie nowych własności bazy olejowej. Dodatki są

związkami chemicznymi o różnych funkcjach i zróżnicowanej koncentracji w bazie olejowej

(stężenie waha się od 0,1 do kilku, a w olejach silnikowych do kilkudziesięciu procent).

Stężenie dodatków decyduje o skuteczności działania oleju jako środka smarowego.

Większość z tych związków ma budowę polarną, tzn. jedna strona posiada ładunek dodatni, a

druga ładunek ujemny. Rozproszone w oleju związki wykazują preferencje: jeden koniec jest

metalofilny, przywiera do powierzchni metalowych, drugi olejofilny, kieruje się do bazy

olejowej. Duża ilość cząstek – produktów zużycia, będzie adsorbowała na powierzchni

polarne cząsteczki dodatków. System oczyszczania oleju (filtry, wirówki) usunie

zanieczyszczenia wraz z dodatkami. Stężenie dodatków będzie malało wraz ze wzrostem

ilości zanieczyszczeń i w szybkim czasie doprowadzi do wyczerpania się związków

spełniających kluczowe funkcje w oleju smarowym.

Niektóre bazy lub dodatki syntetyczne w obecności wody ulegają hydrolizie. Jest to

proces rozkładu chemicznego z ubocznym produktem w postaci wody, co jeszcze bardziej

intensyfikuje proces degradacji oleju.

Woda w oleju to doskonałe środowisko dla rozwoju mikroorganizmów. Ich obecność

skutkuje pojawieniem się szlamów (nierozpuszczalnych w oleju związków

wielkocząsteczkowych), kwasów, wzrostem lepkości i często obecnością siarkowodoru

(charakterystyczny zapach).

Podsumowując, zanieczyszczenia stałe i woda w oleju smarowym lub

hydraulicznym są największymi wrogami maszyn i urządzeń, nieusunięte w krótkim

czasie powodują znaczące skrócenie czasu użytkowania maszyny lub urządzenia, a

często prowadzą do awarii.

Zanieczyszczenia stałe i woda nie są jedynymi przyczynami utraty własności

użytkowych oleju. Skomplikowany charakter wzajemnych oddziaływań nie pozwala na

prosty opis tych zależności, co jest widoczne w przypadku próby wykazania dla tylko dwóch

wybranych zanieczyszczeń: stałych i wody. Można podjąć próbę określenia skutków

pojedynczych, wyabstrahowanych przyczyn kryjących się w zanieczyszczonym oleju, a




70

wpływających na stan maszyny czy urządzenia, ale zawsze musimy pamiętać, że regułą jest

kombinacja kilku rodzajów, ilości i stężenia zanieczyszczeń oraz że regułą jest wzajemne

wzmacnianie oddziaływania tych czynników w procesie degradacji maszyn i urządzeń oraz

oleju.

Rysunek 10.3. Eksploatacyjne zanieczyszczenia oleju

Wewnętrzne zanieczyszczenia oleju pochodzą z procesów starzenia oleju, czyli utraty

własności użytkowych oleju. Starzeniu ulega zarówno olej bazowy jak i dodatki. Źródłami

starzenia się oleju są: stres mechaniczny, termiczny, woda, powietrze i katalizatory

mechanizmów starzenia, takich, jak utlenianie, polimeryzacja, kraking, hydroliza i

odparowanie.

Utrata własności użytkowych jest określana przy pomocy parametrów

fizykochemicznych oleju. Przez producenta urządzenia określone są wartości ostrzegawcze

(podjęcie działań korygujących) i krytyczne (wymiana oleju). W olejach silnikowych są to

m.in. następujące wskaźniki: lepkość, temperatura zapłonu (min.180oC), zawartość wody,

zawartość zanieczyszczeń stałych, liczba zasadowa BN, pozostałość po koksowaniu itd.

W siłowni okrętowej olej silnikowy oczyszczany jest dwiema metodami: przy pomocy

filtrów i przy pomocy wirówek. Dla zapewnienia skuteczności należy bezwzględnie

przestrzegać zaleceń producentów silnika i parametrów wirowania (wydajność i temperatura).

Stan filtrów jest kluczowym dla żywotności łożysk.

Wydajność wirówek jest dobrana do wielkości silnika (pojemności układu olejowego)

oraz typu silnika. W silniku wodzikowym olej obiegowy nie ma kontaktu ze spalinami (tuleje

cylindrowe są smarowane przelotowo, innym gatunkiem oleju), natomiast w silniku

czterosuwowym, olej służy jednocześnie do smarowania łożysk i tulei cylindrowej, co

powoduje jego zanieczyszczenie produktami spalania. Stąd też wymagana większa

intensywność oczyszczania (tab. 10.1)

Tabela 10.1. Wydajność wirówki i krotność wirowania oleju obiegowego różnych silników.




71

Podana w tabeli wydajność wyrażona jest w % wydajności nominalnej wirówki i

krotność wirowania w ciągu doby przy takiej wydajności wirówki. Taki dobór wielkości

wirówki pozwala na dokładne oczyszczenie oleju z wody i innych zanieczyszczeń. Im niższa

wydajność wirówki, tym wyższa skuteczność wirowania. Ale nie można zapominać, że

zmniejszanie wydajności poniżej zalecanej może spowodować nie uzyskanie wymaganej

krotności wirowania.

Na podstawie analiz olejów smarowych, podejmowane są decyzje związane z

zachowaniem własności użytkowych oleju. W tabeli 10.2. przedstawiono typowe

przekroczenia wartości ostrzegawczych i niezbędne czynności korygujące.

Tabela 10.2. Typowe zmiany oleju w trakcie eksploatacji i działania korygujące




72

Temat 11. Klasyfikacje jakościowe olejów smarowych

Klasyfikacje olejów do silników do silników okrętowych wywodzą się z klasyfikacji

olejów samochodowych. W silnikach samochodowych najpopularniejszą jest klasyfikacja

jakościowa API. Są dwie grupy silników: z zapłonem iskrowym (S) i zapłonem

samoczynnym (C). Do odpowiedniej litery rodzaju silnika, dodana jest litera klasy jakości, od

A w górę. Im litera jest dalej od początku alfabetu, tym wyższa klasa jakości, olej

przeznaczony dla silnika pracującego przy większych obciążeniach i w trudniejszych

warunkach. W silnikach benzynowych najwyższa jakość to SM (rok 2010). Dla silników z

zapłonem samoczynnym CJ-4, gdzie cyfra 4 oznacza silnik czterosuwowy. Oznaczenie klasy

jakości jest zapisane w postaci symboli literowych, np. API CJ-4.

Oleje silnikowe mogą spełniać jednocześnie wymagania olejów dla silników

benzynowych i z zapłonem samoczynnym, np. API SJ/CF.

Warunkiem zakwalifikowania oleju do danej klasy jakości jest spełnienie

podstawowych wymogów, w tym reologicznych, ale przede wszystkim pozytywne wyniki

testów silnikowych.

W siłowni okrętowej stosujemy w zasadzie trzy rodzaje olejów silnikowych:

a- olej do silników bezwodzikowych, (napęd główny i zespoły prądotwórcze),

b- olej obiegowy do silnika bezwodzikowego (napęd główny),

c- olej cylindrowy do silnika bezwodzikowego (napęd główny),

oraz niewielkie ilości olejów wielosezonowych do agregatu awaryjnego i silników szalup.

Producenci wolnoobrotowych silników dużej mocy w swoich zaleceniach z reguły nie

wskazują na klasę jakości oleju. Wskazują na istotniejsze parametry: klasę lepkości (patrz

temat 7), liczbę zasadową BN, własności myjące, przeciwpienne, deemulgacyjne, odporność

termiczną, ewentualnie wskazują parametry wirowania i maksymalną zawartość wody.

Przykład olejów dla silników wodzikowych MAN i Wärtsilä:

• olej obiegowy: SAE 30, BN min. 5, nie więcej niż 10,

• olej cylindrowy: SAE 50, BN zależna od zawartości siarki, ale nie niższa niż 12




73

Oprócz klasyfikacji API, w Europie funkcjonuje klasyfikacja ACEA, której wymagania są

nieco wyższe niż amerykańskie (konstrukcja europejskich silników, większa moc z cylindra,

obciążenia).

Dla olejów innych niż silnikowe, najbardziej powszechną jest klasyfikacja jakościowa

ISO 6743

Klasa L w normie jest podzielona na grupy, które zawierają oleje przeznaczone do

określonych urządzeń, instalacji lub zadań.

Tabela 11.1. Podział przemysłowych środków smarowych i pokrewnych klasy ISO-L na grupy

Każda z grup produktów dzieli się na podgrupy, oznaczone dodatkowymi literami

wyznaczającymi klasę jakości. Poniżej przedstawiono najważniejsze grupy olejów mające

zastosowanie w siłowniach okrętowych

Tabela 11.2. Oleje przekładniowe ISO 6743-6, klasa L, grupa C

Litera K w oznaczeniu została wprowadzona dla odróżnienia oznaczeń od klasyfikacji

API olejów silnikowych, a klasę jakości reprezentuje trzecia litera symbolu.

Tabela 11. 3. Oleje sprężarkowe ISO 6743-3, klasa L, grupa D, podgrupy A,V, G, R

Druga litera oznacza podgrupę i rodzaje sprężanego czynnika, natomiast trzecia klasę jakości.

Tabela 11.4. Oleje hydrauliczne ISO 6743-4, klasa L, grupa H




74

Temat 12. Smary plastyczne

Producenci smarów plastycznych przedstawiają następujące zalety smarów

plastycznych (w porównaniu z olejami):

• Nie wyciekają pod wpływem siły ciężkości, odśrodkowej i ciśnienia,

• Wymagają mniejszej częstości obsługi,

• Łatwiejsza obsługa,

• Obniżają poziom hałasu i wibracji,

• Lepiej przylegają do powierzchni tarcia,

• Mają lepszą charakterystykę L-T,

• Lepiej się zachowują w wyższych temperaturach, ciśnieniach i zmiennych

prędkościach,

• Lepiej uszczelniają węzły tarcia (mniejsze koszty uszczelnień),

• Mają większą odporność na działanie wody i na korozyjne oddziaływanie

otoczenia,

• Smar nigdy nie znika z węzła gwałtownie, tylko stopniowo.

Niemniej odnotować należy istotne wady smarów plastycznych:

• Większe straty tarcia w momencie rozruchu (potrzebny wyższy moment

rozruchowy),

• Ograniczone możliwości odprowadzania ciepła (tym samym ograniczone

prędkości obrotowe),

• Ograniczone temperatury pracy (niższe niż w przypadku olejów),

• Bardziej pracochłonna wymiana,

• Brak możliwości ciągłego usuwania zanieczyszczeń.

Jakkolwiek w poszczególnych przypadkach porównania oleju ze smarem to

zestawienie zalet i wad może nie odpowiadać prawdzie, wybierając rodzaj środka smarowego

należy uwzględniać powyższe cechy (ważne z punktu widzenia eksploatatora).




75

Dobór smaru plastycznego do smarowania węzła tarcia opiera się na kilku przesłankach:

• Prędkość ruchu elementów węzła tarcia,

• Konstrukcja węzła tarcia, także materiały węzła tarcia, (łożysko, przekładnia, łańcuch,

lina, przegub itd.),

• Charakter obciążenia węzła (wysokie lub niskie, stałe lub zmienne, co do wartości,

kierunku, częstości, czasu trwania, itp.),

• Minimalna i maksymalna temperatura pracy,

• Możliwość kontaktu smaru z otoczeniem (dostęp wody, pary, kwasów, pyłu, itd.),

• Sposób doprowadzenia smaru do węzła (miejscowy, centralny, ręczny –

automatyczny),

• Materiały uszczelnień,

• Dokładność wykonania, montażu i stan techniczny,

• Częstość obsługi,

• Wymagania ekologiczne,

• Wymagania bezpieczeństwa: niezawodności, pożarowego, toksyczności,

Ogólna zasada wynikająca z prędkości ruchu względnego elementów złożenia

trybologicznego jest następująca: im niższa prędkość, tym wyższa lepkość smaru i odwrotnie.

Kryterium może być prędkość linowa, obwodowa lub inne wskaźniki.

Charakterystycznym wskaźnikiem stanowiącym kryterium doboru środków

smarowych dla łożysk tocznych, jest iloczyn DN [mm/min -1], gdzie D jest średnią

arytmetyczną średnicą łożyska,

wz. (11.1)

a N prędkością obrotową łożyska wyrażoną w [min.-1] (inne nazwy to: parametr DN, indeks

obrotów).

Granicą stosowalności typowych smarów plastycznych do łożysk tocznych jest

maksymalna wartość DN=450 000, łożyska o wyższej wartości powinny być smarowane

olejem [10]. Ograniczenie jest związane z niską trwałością tych smarów w podwyższonych




76

temperaturach i wysokich DN (DN jest informacją o wysokim gradiencie ścinania). Smary

oparte na bazach syntetycznych, przewidziane do pracy w wysokich temperaturach, mogą być

użyte dla znacznie wyższego wskaźnika, np. DN=800 000. Czasami maksymalną wartości

indeksu można znaleźć w danych technicznych smaru.

Smary plastyczne są elementem konstrukcyjnym węzła tarcia, dlatego powinny

spełniać wymagania przewidziane przez konstruktora. Zamiana smaru na inny, zmiana

warunków otoczenia, w jakich pracuje urządzenie, stan techniczny urządzenia wymaga

analizy potrzeb tego węzła.

Wskazówki dla eksploatatora dotyczące wymagań wobec smaru plastycznego znajdują

się w instrukcji obsługi urządzenia.

Smary plastyczne to substancje o konsystencji od ciekłej do stałej, których głównymi

składnikami są oleje bazowe i zagęszczacze. Zagęszczacz tworzy elastyczną przestrzenną

sieć, utrzymującą fazę ciekłą w odpowiedniej konsystencji. Oprócz zagęszczacza do smaru

wprowadza się wybrane dodatki modyfikujące niektóre właściwości użytkowe smaru.

Rysunek 11.1. Skład smarów plastycznych [18]

Smary plastyczne uzyskuje się mieszając bazę olejową z zagęszczaczami (dla

uzyskania pożądanej konsystencji) i dodatkami.

Proces przebiega w kilku etapach:

• Podgrzanie oleju bazowego,

• Wprowadzanie i dyspergowanie zagęszczacza w oleju w stałej temperaturze

(zmydlanie),

• Osuszanie,

• Krystalizacja zagęszczacza (chłodzenie i mieszanie),

• Wprowadzanie dodatków,

• Homogenizacja dodatków (chłodzenie i mieszanie),




77

• Filtracja i odpowietrzanie,

• Pakowanie

Każdy z etapów wymaga odpowiedniej temperatury i czasu.

Rodzaj oleju bazowego, zagęszczaczy i dodatków do smarów plastycznych dobierany

jest w zależności od przeznaczenia smaru do określonych warunków pracy węzła tarcia:

temperatury, obciążenia, oddziaływania środowiska zewnętrznego (woda, pył, środowisko

sprzyjające korozji itp.), materiałów węzła tarcia, prędkości względnej elementów, częstości

obsługi, sposobu doprowadzenia smaru do węzła tarcia, itd.

Największy udział w światowej produkcji smarów mają mineralne oleje bazowe, ale

udział syntetycznych wykazuje stałą tendencję wzrostową.

Oleje bazowe wpływają głównie na smarność, odporność na temperaturę i w dużym

stopniu na starzenie smaru.

Zagęszczacze smarów plastycznych można podzielić na cztery podstawowe

grupy[1],[11]:

• Mydła metaliczne (produkt reakcji tłuszczów lub kwasów tłuszczowych z

wodorotlenkami metali)

• Zagęszczacze organiczne (np. poliuretan, pigmenty, teflon),

• Zagęszczacze nieorganiczne (np. glinki bentonitowe, żel krzemionkowy),

• Węglowodory stałe, woski,

Zagęszczaczami najczęściej są mydła metali (około 90% produkowanych smarów).

Wśród nich najpowszechniejsze to litowe, wapniowe, sodowe i glinowe. Mydła metali mogą

być proste (wszystkie cząsteczki zagęszczacza mają jednakową budowę), hydroksylowe i

mydła kompleksowe, składające się z tej samej bazy (np. mydła litowe), ale cząsteczki mogą

różnić się od siebie składem i strukturą. Mydła proste są pochodnymi kwasów tłuszczowych,

żywicznych i naftenowych, mydła hydroksylowe to pochodne kwasów organicznych z grupą

OH.




78

Zastąpienie mydeł prostych kompleksowymi, pozwala uzyskać smary przeznaczone

dla wyższych temperatur pracy.

Smary plastyczne z mydłami kompleksowymi stanowią nieliczną grupę wśród

zagęszczanymi mydłami, te z mydłami prostymi stanowią ponad 80% wszystkich smarów.

Dla poprawy wybranych własności smarów można użyć mieszaniny mydeł prostych,

np. litowo-wapniowa poprawia odporność smaru litowego na działanie wody.

Rodzaj zagęszczacza wpływa przede wszystkim na właściwości reologiczne (np. na

konsystencję), temperaturę kroplenia, odporność na działanie temperatury, odporność na

działanie wody i kwasów, wytrzymałość filmu smarowego, stabilność mechaniczną,

wydzielanie oleju ze smaru. Przegląd wpływu olejów bazowych i zagęszczaczy na wybrane

własności smaru przedstawiono w tab. 1.

Tabela 11.1. Wpływ rodzaju zagęszczacza i oleju bazowego na zakres temperatur pracy i odporność na działanie

wody wg [1]

Oprócz cech czysto eksploatacyjnych, smary mają zróżnicowane ceny. Przyjąwszy

cenę smaru litowego prostego na bazie oleju mineralnego za podstawę (czyli 1), możemy

ocenić, że najtańsze smary to zagęszczane mydłami metalicznymi prostymi oleje mineralne.

Zastosowanie mydeł kompleksowych powoduje kilkukrotny wzrost kosztów. Jeżeli mydłami

kompleksowymi zagęszczane są oleje syntetyczne, mogą być droższe kilka lub kilkadziesiąt

razy od litowego. Relacje cenowe smarów z typowymi zagęszczaczami nieorganicznymi

(bentonit, poliuretan) i olejami mineralnymi wynoszą ok. 2-6. Natomiast użycie bazy olejowej

syntetycznej może generować ceny kilkadziesiąt do kilkuset razy przewyższające prosty smar

litowy.

Dodatki do smarów plastycznych mają identyczne przeznaczenie jak w olejach

smarowych: poprawić istniejące, zniwelować niepożądane i wprowadzić nowe właściwości

smaru. Z najczęściej stosowanych można wymienić:

• Adhezyjne, poprawiające przyczepność smaru do powierzchni,




79

• Inhibitory utleniania,

• Inhibitory korozji, zabezpieczające elementy ze stopów nieżelaznych,

• Inhibitory rdzewienia, zapewniające ochronę elementów ze stopów żelaza,

• Deaktywatory metali, przeciwdziałające katalitycznemu działaniu cząstek metali

(produktów zużycia współpracujących powierzchni, ale przede wszystkim miedzi) na

proces utleniania smaru,

• Przeciwzużyciowe (AW) i przeciwzatarciowe (EP)

Czasami oprócz wyżej wyszczególnionych jako dodatki mogą być użyte stałe środki

smarowe, np. grafit, dwusiarczek molibdenu, teflon, proszki metali itd., jako środki

przeciwzatarciowe.

Mieszalność różnych smarów plastycznych zależy przede wszystkim od mieszalności

ich baz i zagęszczaczy. Możliwości mieszania baz olejowych jest opisana w rozdziale o

bazach olejowych. Natomiast mieszalność wybranych typów zagęszczaczy przedstawiono w

tabeli 11.2. Podobne zestawienia mogą się różnić od cytowanego, jeśli nie uwzględniono

różnic w budowie zagęszczacza tego samego pochodzenia (np. mydła wapniowe: stearynian i

12-hydroksystearynian Ca).

Tabela 11.2. Możliwości mieszania smarów z różnymi zagęszczaczami (wg Texaco Lubricants Polska), ++

dobra, + dostateczna, - zła

Brak kompatybilności bazy olejowej lub zagęszczaczy może być przyczyną

gwałtownej utraty pierwotnych własności środka smarowego i prowadzić do przyspieszonego

zużycia węzła tarcia. Najbardziej wiarygodne dane o możliwości mieszania smarów są w

posiadaniu jego producenta. Jeśli nie mamy jednoznacznych informacji, pewność daje nam

dokładne usunięcie wymienianego smaru z układu i węzła tarcia.

Pewien pogląd na skalę problemu obrazuje udział poszczególnych smarów

plastycznych w globalnej produkcji (rys. 11.2.).

Rysunek 11.2. Udział poszczególnych zagęszczaczy w światowej produkcji smarów plastycznych w 2003 r.

[11]




80

Najważniejsze właściwości użytkowe, które są podstawą doboru smaru plastycznego

do rodzaju węzła tarcia (łożysko kulkowe lub ślizgowe, przekładnia, przegub, dławnica itd.)

pracującego w określonych warunkach obciążenia i otoczenia, to:

• Lepkość oleju bazowego,

• Klasa konsystencji,

• Najniższa temperatura pracy,

• Najwyższa temperatura pracy,

• Odporność na działanie środowiska i ochrona przed korozją (wilgotność, obecność

wody, także morskiej),

• Obecność dodatków przeciwzatarciowych EP,

Lepkość oleju bazowego ma istotne znaczenie dla grubości filmu smarowego. Smary

plastyczne są substancjami „rozrzedzanymi” ścinaniem i charakteryzującymi się tiksotropią

(patrz temat 2, rys. 2.8.). Lepkość strukturalna wywołana obecnością zagęszczacza jest

obniżana przez wzrost prędkości ścinania, czas działania i wzrost temperatury. Najniższa

lepkość, jaką może wykazać smar plastyczny jest teoretycznie równa lepkości oleju bazowego

(w rzeczywistości jest zawsze wyższa, rys. 11.2).

Rysunek 11.3. Wpływ prędkości ścinania na lepkość smaru plastycznego w stałej temperaturze

Klasa konsystencji jest szczególną klasyfikacją lepkościową mającą zastosowanie do

smarów plastycznych, od płynnej, przez półpłynną, miękką, twardą do bardzo twardej.

Powszechne zastosowanie ma klasyfikacja NLGI (równoważne ISO oraz DIN), w której ujęto

9 klas konsystencji od klasy 000 (płynna) przez 00, 0 i 1do 6 (bardzo twarda). Kryterium

przynależności do klasy jest tzw. liczba penetracji, mówiąca o głębokości zanurzenia w

smarze znormalizowanego stożka, wyrażona w dziesiętnych milimetra.

Na konsystencję smaru ma wpływ przede wszystkim ilość oraz rodzaj zagęszczacza.

Wyższa klasa konsystencji nie oznacza wyższej lepkości oleju. W tej samej klasie smarów

(NLGI-2) bazą mogą być oleje zarówno VG 46 jak i VG 460. Przytoczone wartości pochodzą




81

z danych technicznych: oleju uniwersalnego o przedłużonym okresie stosowania (PAO `+

mydła barowe kompleksowe) i oleju ogólnego stosowania w podwyższonych temperaturach

(olej mineralny + poliuretan).

Przy wyborze klasy konsystencji kierujemy się rodzajem węzła tarcia (przekładnie

mechaniczne, łożyska toczne i ślizgowe, inne mechanizmy), sposobem dostarczania smaru do

węzła tarcia (ręcznie lub układ centralnego smarowania, tab. 11.3.), prędkością względną

elementów, ewentualnie warunkami otoczenia (temperatura, zapylenie, obecność wody, itd.).

Tabela 11.3. Zastosowanie smarów o różnych klasach konsystencji w typowych węzłach tarcia, wg [10], [12],

[18]

Najpowszechniejsze zastosowanie ma 2 klasa konsystencji.

Najniższa temperatura pracy ma wpływ na lepkość smaru, moment rozruchowy,

jakość filmu smarowego szczególnie w momencie rozruchu, a także możliwość pompowania.

Oznacza najniższą temperaturę rozruchu, pracy lub układu pompującego. Smary do

zastosowań w temperaturach ujemnych poddawane są specjalnym testom, takim jak

wyznaczenie momentu rozruchowego oraz penetracji w ujemnej temperaturze.

Przekroczenie najwyższej temperatury pracy może spowodować spadek lepkości

smaru poniżej przewidzianej lepkości (przyspieszone zużycie), przyspieszenie starzenie

smaru, a w skrajnym przypadku może spowodować wypłynięcie smaru z węzła tarcia.

Ważnym wyznacznikiem jest temperatura kroplenia, maksymalna temperatura pracy musi

być niższa od temperatury kroplenia. Różnica między temperaturami jest tym większa, im

niższa jest temperatura pracy węzła tarcia.

Odporność smaru na działanie wody jest konsekwencją lepkości oleju bazowego,

rodzaju i ilości zagęszczacza, czasem obecności niektórych dodatków. Odporność bada się

wyznaczając ubytki smaru spowodowane strumieniem wody skierowanym na łożysko

kulkowe wypełnione smarem plastycznym. Testy przeprowadza się w specjalnym aparacie, a

metodyka badania jest określona w PN-85/C-04099.

Odporność smaru na działanie wody maleje wraz ze wzrostem jej temperatury.




82

Odporność smaru na działanie wody rośnie wraz ze wzrostem:

• Lepkości oleju bazowego,

• Ilości dodatków adhezyjnych,

• Zawartości zagęszczacza odpornego na działanie wody.

Obecność wody w środowisku pracy może być przyczyną korozji smarowanych

elementów. Dlatego ocenie podlegają właściwości ochronne przeciwkorozyjne. Najczęściej

stosowane testy to SKF – Emcor, metoda dynamiczna i metoda o charakterze statycznym, w

której przechowuje się łożyska ze smarem w temperaturze 25oC i wilgotności 100%. Po

próbach ocenia się powstałe ślady korozji.

Oprócz wody słodkiej smar może mieć kontakt z wodą morską. W badaniu smaru

można wtedy zastąpić wodę destylowaną wodą morską.

Węzeł tarcia może pracować w obecności innych substancji powodujących korozję

elementów. W takich przypadkach stosowane są inne metody badawcze.

Węzłom tarcia poddanym wysokim oraz zmiennym obciążeniom, przeznaczone są

smary z dodatkami przeciwzużyciowymi AW i przeciwzatarciowymi EP. Badanie tych

właściwości najczęściej przeprowadza się na aparacie czterokulowym, a smarów

przekładniowych w teście FZG.

Właściwości użytkowe wymienione wyżej są zawarte w oznaczeniu smaru wg

klasyfikacji ISO 6743-9. oznaczenie składa się z następujących elementów:

Tabela 11.4. Skład symboli oznaczenia smarów plastycznych wg ISO

Do wyznaczenia wszystkich symboli niezbędna jest szczegółowa klasyfikacja

ISO6743-9. Do określenia symbolu trzeciego wymagana jest tabela pomocnicza, wg której

należy sprecyzować warunki środowiska (suche – L, wilgotne – M, wymywanie wodą – H)

oraz ochronę przed rdzewieniem (bez ochrony – L, ochrona w obecności wody słodkiej – M,

ochrona w obecności wody morskiej – H). Kombinacja warunków środowiska i ochrony

przed rdzewieniem generuje 9 literowych symboli nr 3 od A do I.

Smar plastyczny o następujących właściwościach:




83

- Najniższa temperatura stosowania (symbol 1): 0oC (A),

- Najwyższa temperatura stosowania (symbol 2): + 90oC (B),

- Obecność wody, wymywanie wodą, (symbol 3): (H),

- Ochrona przed rdzewieniem w obecności wody morskiej (symbol 3): (H),

- Smar nie posiada właściwości EP: (A)

- Klasa konsystencji: 2

będzie oznakowany jako ISO-L-XABIA-2 .

W praktyce smary plastyczne stosowane w siłowni okrętowej, a produkowane przez

najbardziej popularnych dostawców, nie posiadają oznaczeń klasyfikacji ISO. Najczęściej w

materiałach ofertowych oprócz nazwy handlowej zamieszczony jest krótki opis (mniej lub

bardziej marketingowy), zakres zastosowań oraz dane techniczne produktu. Liczba tych

danych jest zróżnicowana w zależności od producenta, od kilku podstawowych (klasa

konsystencji, zagęszczacz, lepkość oleju bazowego, zakres temperatur pracy, punkt kroplenia)

do ponad dwudziestu, w tym np. szczegółowe wyniki badań smarności, ochrony korozyjnej,

testów na wydzielanie olejów, odporności na wymywanie wodą, itd.

Oprócz smarów przeznaczonych do smarowania współpracujących elementów,

dostępne są smary do lin stalowych, łańcuchów, sprężyn, smary montażowe, np. ułatwiające

demontaż elementów narażonych na pracę w wysokich temperaturach takich, jak

wtryskiwacze silników okrętowych, śruby kolektorów wydechowych, itd., smary do styków

elektrycznych.

Podobnie jak w przypadku olejów przemysłowych, prowadzi się prace nad smarami

plastycznymi biodegradowalnymi. Biodegradowalność wyrażana jest w procentach masy

substancji ulegającej rozkładowi biochemicznemu, w odpowiednio standaryzowanych

warunkach. Łatwo rozkładalne związki chemiczne ulegają w ponad 70% degradacji

(przyjmuje się jako pełną biodegradację), powyżej 50% rozkładu związki uważa za

rozkładalne, poniżej 50% za trudno rozkładalne, 0% oporne.

O biodegradowalności decyduje przede wszystkim chemia oleju bazowego, a w

mniejszym stopniu zgęszczacze i dodatki. W ekologicznie przyjaznych smarach bazą olejową

są głównie oleje estrowe lub olej rzepakowy, zagęszczaczami mydła litowe kompleksowe lub

I




84

glinowe. Biodegradowalne smary plastyczne dostępne są głównie w klasach konsystencji 0 i

2. [10]

Obsługa instalacji smarowania smarem plastycznym wymaga przestrzegania

podstawowych zasad:

• Prawidłowe przechowywanie - pojemniki ze smarem najlepiej magazynować w

pomieszczeniach zamkniętych, nie powinny być narażone na temperatury powyżej

60oC i ekstremalnie niskie, jeżeli składowane są poza pomieszczeniami, powinny być

ułożone poziomo i nakryte, aby uniknąć przedostania się wody do wnętrza,

• Zapobieganie przedostawaniu się wody i pyłów po otwarciu pojemnika, używanie

czystych przyrządów do pobierania smaru, po użyciu szczelne zamykanie,

• Zachowanie czystości w czasie napełniania łożysk, smarownic kapturowych i prasek,

Doprowadzenie smaru plastycznego do węzła tarcia [1], [7], [12], odbywa się

najczęściej ręcznie łopatką przy montażu, okresowe uzupełnianie kanałem w obudowie lub

przewodem z wykorzystaniem ciśnienia wytworzonego przez smarownicę kapturową lub

praskę (smarownicę dźwigniową). W przypadku większej liczby punktów smarowniczych na

urządzeniu, stosowane są układy centralnego sterowania, z napędem ręcznym lub w układzie

automatyki. Koła zębate przekładni (lub łańcuchy) mogą być natryskiwane przy pomocy dysz

(klasa konsystencji od 000 do 1).

Jeżeli do węzła tarcia dostarczona jest prawidłowa ilość smaru, to przy stałym

obciążeniu pracuje on w stałej temperaturze. Zmianę temperatury węzła może wywołać

zmiana obciążenia lub temperatury otoczenia. Przyczyną wzrostu temperatury jest

zarówno zbyt mała ilość smaru, jak i nadmiar smaru. Szczególnie łatwo jest zaobserwować te

zjawiska przy obsłudze łożysk tocznych. Ilość smaru do pierwszego (podczas montażu)

napełnienia łożyska i dawki uzupełniające w okresie między przeglądami można wyznaczyć

korzystając z formuł opartych o doświadczenie [7], [10], [12]. W praktyce należy pamiętać,

że dla trwałości łożyska korzystniejsza od nadmiaru jest niedostateczna ilość smaru.




85

Ilość smaru w łożysku i jego obudowie zależy także od pozycji montażu (pionowa lub

pozioma) oraz wskaźnika DN. Poczynając od największych DN, objętość smaru nie powinna

przekraczać 2/3 wolnej przestrzeni w łożysku, przy niewielkich rozmiarach łożysk i DN<

50 000 oraz zanieczyszczonym otoczeniu, smar może wypełniać całe łożysko.

Trwałość smaru w łożysku (czas pracy do wymiany) skraca się przy wzroście DN i

wzroście temperatury pracy [2]. Ilustrację tej zależności dla smaru litowego pokazano na rys.

11.4.

Rysunek 11.4. Wpływ temperatury i prędkości obrotowej łożyska na trwałość smaru litowego [2]

Wyznaczana jest przez konstruktora w oparciu o metody oparte w dużej mierze na

doświadczeniu eksploatacyjnym. Przykładem może być sposób oszacowania czasu pracy

smaru w łożysku przedstawiony w [7].

Natomiast wskazówki dla eksploatatora, dotyczące rodzaju smaru i okresów wymiany,

znajdują się w instrukcji obsługi urządzenia.




86

Temat 12. Bezpieczeństwo pracy z produktami ropopochodnymi

Większość produktów pochodzenia ropy naftowej i produktów syntetycznych

stosowanych w siłowni okrętowej jako płyny eksploatacyjne, posiada w swoim składzie

związki szkodliwe dla człowieka. Każda taka substancja posiada kartę MSDS (Material

Safety Data Sheet) lub w krajach europejskich SDS (Safety Data Sheet). W karcie

udostępnionej przez producenta zawarte są m.in. jego dane, właściwości szkodliwych

składników, oznakowanie, środki ochrony indywidualnej, zasady pierwszej pomocy,

zagrożenie dla zdrowia (wdychanie, połykanie, kontakt ze skórą, oczami, itd.), zagrożenie dla

środowiska i inne. Osoba, która ma kontakt np. z paliwem, olejem lub smarem powinna

zapoznać się z danymi zawartymi MSDS (SDS) i stosować do zaleceń.




87

LITERATURA:

1) Czarny R., „Smary plastyczne”, WNT, Warszawa, 2004,

2) Czarny R., „Smarowanie układów jezdnych maszyn roboczych i pojazdów”, OW

Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1998,

3) Dudek A., „Oleje smarowe Rafinerii Gdańskiej, MET-PRESS, Gdańsk 1997,

4) Hebda M., Wachal A., “Trybologia”, WNT, Warszawa 1980,

5) Hodges B., “Hydraulic fluids”, Arnold, London, Sydney, Auckland, 1996,

(www.knovel.library),

6) Lawrowski Z. “Tribologia”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej,

Wrocław 2008,

7) Neale M.J., The Tribolgy Handbook, Buterworth-Heinemann, 1995,


8) Norma ISO 8217:2010,

9) „Petroleum Technology”, Wiley Critical Kontent, J.Wiley&Sons, 2007,


10) Podniało A., „Paliwa, oleje i smary w ekologicznej eksploatacji”, WNT Warszawa,

2002,

11) Praca zbiorowa, “Fuels and Lubricants Handbook: technology, performance, and

testing”, ASTM International, 2003,

12) Praca zbiorowa, “Przemysłowe środki smarne”, Total, Warszawa 2003,

13) Troyer D., Fitch J., “Oil analysis basics”, Noria Corporation, Tulsa, Oklahoma, 1999,

14) Urbański P., „Paliwa i smary”, Fundacja WSM Gdynia, 1999,

15) Urbański P., „Paliwa, smary i woda dla statków morskich”,

16) Zwierzycki W., „Paliwa silnikowe i oleje opałowe”, Rafineria Nafty „Glimar” S.A. w

Gorlicach, 1997,

17) Zwierzycki W., „Oleje smarowe”, Rafineria Nafty „Glimar” S.A. w Gorlicach, 1998,

18) Zwierzycki W., „Paliwa, oleje, motoryzacyjne płyny eksploatacyjne”, Rafineria Nafty

„Glimar” S.A. w Gorlicach, 1998,




88

uŻytkowanie paliw i ŚrodkÓw smarowych iv semestr

Documents