Как избавиться от воды в масле

Мы уже не раз публиковали материалы по различным вопросам, относящимся к использованию и свойствам смазочных материалов для тяжелой специальной техники. Начиная с данного номера журнала редакция «ОС» планирует предложить вниманию читателей новую серию статей «Смазочные материалы: полезные сведения и рекомендации». Открывает серию публикация по одной из важнейших проблем – удаление воды из масла.

Вода, вода, кругом вода… Так поется в одной старой песне. Вода в природе присутствует повсюду, окружает нас со всех сторон. И если только вы не живете в мертвой, выжженной солнцем пустыне, это неоспоримый факт жизни.

Вода в смазочных, трансмиссионных и гидравлических маслах неблагоприятно влияет на их рабочие характеристики и поэтому считается загрязнением. Поговорим о проблеме очистки масел от попавшей в них воды.

Причины попадания воды в масло и меры по его предотвращению

Воду в масле часто называют подлинным бедствием для машин и механизмов. Как известно, попавшая в масло вода может находиться в различных состояниях: свободном, эмульгированном или растворенном. Даже в свежем масле всегда присутствует некоторое количество воды в растворенном состоянии. Вода может проникать в масло постепенно и незаметно в результате конденсации влаги из атмосферы либо быстро и одномоментно, например, в результате разрушения уплотнения крышки емкости с маслом или попадания в бак струи воды при мойке машины. Увеличивается вероятность попадания воды в смазочные материалы машины, если техника работает под открытым небом, например, на строительстве и в горнодобывающих карьерах, или если машины часто моются, как те, что перевозят пищевые продукты или сырье для их производства. Например, вода может проникать в картер дифференциала моста через уплотнения при въезде в глубокую лужу: разогретое масло и картер остывают, внутри картера создается разрежение, и вода всасывается внутрь через манжеты. Вообще же загрязнение смазочных масел водой имеет место практически во всех отраслях промышленности.

Если обнаружилось загрязнение масла водой, прежде всего следует постараться выяснить, как она попадает в картер двигателя или трансмиссии, и устранить причину загрязнения. Это избавит вас от повторения этой проблемы в будущем и от новых затрат на материалы, рабочую силу и запчасти, ведь простая замена загрязненного масла не устраняет причины попадания воды в масло.

Мероприятия по предотвращению попадания воды в масло следует начинать еще на складе нефтепродуктов. Бочки и цистерны для масел должны быть защищены от неблагоприятных воздействий окружающей среды, особенно в тех регионах, где высокая влажность воздуха. Даже в помещении емкости с маслом должны быть надежно укрыты от попадания струй воды при мойке помещения или, например, при проверке системы пожаротушения. Емкости с маслом не должны напрямую сообщаться с атмосферой: сапуны емкостей должны быть оснащены фильтрами – поглотителями влаги, особенно если масла хранятся в условиях повышенной влажности.

Для машин специалисты рекомендуют такие меры, как использование фильтров-осушителей воздуха в сапунах картеров, чтобы задерживать любые самые незначительные количества влаги, которая могла бы конденсироваться на внутренних поверхностях картера при понижении температуры. В картерах и кожухах не должно быть никаких открытых отверстий и лючков, их следует загерметизировать. В осенний и весенний периоды, когда велика влажность и разница между рабочими температурами агрегатов машин и окружающего воздуха, а также между дневной и ночной температурами, при понижении температуры до точки росы влага из воздуха начинает конденсироваться внутри картеров агрегатов, а днем, если температура будет низкой, влага не улетучивается из картера.

Если вода попадает в масло из-за неисправности уплотнений валов, штоков и крышек, уплотнения следует заменить как можно быстрее. Следует обучать операторов и специалистов по сервису правильным приемам мойки машин: струя воды не должна быть чрезмерно мощной, необходимо следить, чтобы струи воды не попадали непосредственно на уплотнения валов, штоков, заправочные горловины и сапуны узлов машины.

Рекомендуется следить за состоянием масла в мерных стеклах – указателях уровня масла в картере и периодически проверять фильтры-отстойники, не забывать сливать отстой через сливные краны. Если сливного крана нет или он неисправен, рекомендуется отремонтировать или установить новый. Можно порекомендовать сливать отстой из картеров агрегатов машины регулярно, каждый день и записывать количество слитого отстоя. Агрегаты, из которых отстоя сливается больше всего, необходимо тщательно проверить и выяснить причину, заменить в них фильтры – осушители сапунов.

В картерах больших стационарных машин (например, дизель-генераторов) иногда рекомендуют поддерживать избыточное давление, чтобы исключить поступление воздуха (и влаги в нем) извне. Однако данную рекомендацию следует использовать осторожно: во-первых, может начать выдавливать масло наружу через уплотнения, а во-вторых, централизованная система подачи воздуха обходится недешево, и если в системе возникнет хотя бы небольшая утечка воздуха, расходы на эксплуатацию этой системы возрастут еще больше.

«Точка насыщения масла водой»

Вода практически всегда присутствует в масле просто потому, что масло соприкасается с атмосферным воздухом. Воду, растворенную в масле на молекулярном уровне, нельзя увидеть невооруженным глазом. Масло внешне может выглядеть совершенно чистым, прозрачным и красивым. Однако если содержание воды в масле близко к «точке насыщения» (т. е. содержание растворенной воды в масле близко к максимальному количеству, которое способно удержать масло), при понижении температуры растворенная вода может переходить в эмульгированное или свободное состояние и создавать молочно-белое помутнение в масле. Поскольку эмульгированная и свободная вода наносит более существенный вред, чем растворенная, то содержание воды всегда должно быть ниже предела насыщения. Однако и растворенная вода может причинить ущерб.

Значение «точки насыщения» зависит от типа и температуры масла, его срока службы и состава пакета присадок. Для каждого типа масла существует свой предел насыщения, при котором растворенная вода переходит в эмульгированное или свободное состояние. Эмульгированная или свободная вода также может переходить в растворенное состояние при повышении температуры масла.

Например, полигликолевые масла, которые составляют около одной трети всех синтетических масел и обозначаются по классификации DIN буквами PG. Полигликолевые масла используются в качестве моторных, авиационных и в других сферах. Полигликоли изготавливаются из смеси этилена и пропилена, обычно в соотношении 50:50 или 60:40. От этого соотношения зависит гигроскопичность и способность масла растворять воду. Если соотношение равно 1:1, масло может абсорбировать до 10% влаги при обычной температуре и относительной влажности 80%. Поэтому следует хорошо проанализировать все условия эксплуатации, прежде чем выбирать полигликолевое масло для использования в машине.

Чем выше температура масла, тем выше значение точки насыщения, и следовательно, больше воды может содержаться в масле в растворенном состоянии. Чем больше срок службы масла, тем большее количество воды можно в нем растворить. Это объясняется присутствием ионизированных продуктов окисления масла, которые действуют как «крючки», удерживающие молекулы воды в растворе. Масла с высоким содержанием присадок, такие, как моторные и трансмиссионные, имеют более высокую точку насыщения по сравнению с маслами, у которых содержание присадок невысокое (например, турбинные масла), поскольку присадки, многие из которых имеют ионизированные молекулы, также имеют свойство удерживать молекулы воды в растворенном состоянии в масле.

Вредное воздействие воды

Вода оказывает вредное влияние как на само масло, так и на машину. Вода способствует окислению базового масла, изменению его вязкости и пенообразованию (аэрации), что в свою очередь приводит к уменьшению прочности масляной пленки и ускорению износа трущихся деталей. Вода также может оказывать негативное воздействие на пакет присадок: вымывать некоторые присадки, неустойчивые к действию влаги, способствовать гидролизу (расщеплению) присадок, что приводит к образованию высококоррозионных кислот и истощению присадок. Вода является источником возникновения в масле таких загрязнений, как парафины, суспензии, углеродные и окисные нерастворимые загрязнения и даже микроорганизмы.

Вода нанесет серьезный ущерб любому узлу машины, в который попадет вместе с маслом. В двигателях внутреннего сгорания, которые работают на высоких скоростях и при высоких температурах, состояние масла следует контролировать очень тщательно. Вода усиливает процессы ржавления и коррозии, в результате водородной коррозии возникает вспучивание и охрупчивание стали, а также питтинг в результате паровой кавитации. Если же в масле содержатся кислоты, то при совместном воздействии воды с кислотами коррозионное воздействие на черные и цветные металлы усиливается.

Определение содержания воды в масле

Специалисты рекомендуют сокращать содержание воды в масле до самого низкого уровня, какого только можно достигнуть при разумных затратах, предпочтительно, чтобы содержание воды было ниже точки насыщения при рабочей температуре масла. Существует много способов и приборов для определения содержания воды в масле, а также рабочих характеристик масла. Характеристики понадобятся вам при определении пригодности масла для дальнейшего использования. Выбор метода зависит от того, содержание какой формы воды в масле нужно определить – только растворенной или воды во всех формах, т. е. кроме измерения содержания растворенной воды будет учтено и содержание несвязной воды.

Распространен метод инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR). Довольно точное определение содержания воды в масле обеспечивает титрование по методу Карла Фишера (ГОСТ Р 54284–2010; ASTM D6304). В практике используются еще простые методы, позволяющие предварительно оценить наличие воды в масле. Из наиболее широко используемых подобных методов можно назвать визуальный осмотр, «испытание на потрескивание» (ГОСТ 2477–2014) и метод виброцентрифуги (ГОСТ Р ИСО 3734–2009).

Проба на потрескивание заключается в нагревании испытуемого масла в стеклянной пробирке до заданной температуры. Имеющиеся в масле следы влаги переходят в парообразное состояние. При дальнейшем нагревании пузырьки пара, поднимаясь к поверхности масла, разрываются и потрескивают.

При использовании метода центрифугирования равные объемы масла и насыщенного водой толуола помещают в конусообразную пробирку для центрифугирования. После центрифугирования записывают объем высоковязкой воды и уровень осадка в нижней части пробирки.

Отметим, что применение метода центрифугирования для определения воды и осадка часто приводит к неправильным результатам, особенно когда для получения представительной пробы используют высокоскоростную мешалку. Настоящий метод не всегда дает удовлетворительные результаты, и количество определенной воды, как правило, ниже ее фактического содержания.

Более точными лабораторными методами определения содержания воды в масле являются метод дистилляции (ИСО 3733) и метод экстракции (ИСО 3735).

Технологии очистки масел от воды

Итак, как поступить, если в масло все же попала вода и просто утилизировать его нежелательно, чтобы не терять значительные средства. Перечислим ряд методов очистки масла от воды, их преимущества и недостатки.

Какая из технологий окажется наиболее эффективной в каждом данном конкретном случае, будет зависеть от того, какой процент содержания влаги в масле необходимо в итоге обеспечить, какой объем воды нужно удалить из масла и каков объем масла, каков тип базового масла (минеральное, синтетическое и т. д.) и какая производительность процесса очистки требуется. Как правило, чем больше воды попало в масло, тем сложнее будет ее удалить.

Отстаивание. Поскольку у воды удельный вес больше, чем у масла (за некоторыми исключениями), вода, присутствующая в масле в свободном состоянии («несвязная»), под действием силы тяжести стремится оседать на дно емкости, если ей дать достаточно времени и не взбалтывать. Увеличение температуры масла и использование резервуара-отстойника конусной формы помогают повысить эффективность метода разделения отстаиванием. Чтобы увеличить эффективность отстаивания загрязнений, необходимо понизить вязкость масла, поэтому иногда резервуары для отстаивания масел оборудуют подогревательными устройствами. Обычно применяют трубчатые, секционные или змеевиковые подогреватели, в которых теплоносителем служит водяной пар или горячая вода.

Будет ли оптимальным способ кратковременного подогрева масла, чтобы удалить из него воду и поддержать работоспособное состояние, остается пока вопросом, открытым для обсуждения. Но большинство специалистов сходятся во мнении, что позволить воде оставаться в масле намного более вредно для масла, чем его кратковременный нагрев. Поэтому выпускаются портативные системы удаления воды из масла с нагревательными элементами. В статичных системах, например в больших резервуарах, важно обеспечить плотность энергии таких нагревательных элементов ниже 0,775 Вт/cм2, чтобы свести к минимуму негативное тепловое воздействие на масло.

В некоторых случаях масло освобождается от примеси воды самостоятельно, потому что работает при повышенных температурах и вода из него испаряется. Масло в двигателе внутреннего сгорания демонстрирует наглядный пример такого самоочищения.

Недостаток метода с нагревом масла заключается в том, что нагрев необходимо тщательно контролировать, особенно это относится к минеральным маслам, чтобы избежать разрушения масла. Однако относительные затраты на очистку масла этим методом меньше, чем при использовании технологий центробежной и вакуумной сепарации (о них будет сказано ниже), поэтому данный метод может быть эффективным способом удаления воды из масла при определенных условиях.

Время, необходимое для отделения воды от масла, также зависит от состава пакета присадок, срока службы масла и типа базового масла. Например, для турбинного масла с небольшим содержанием присадок разделение способом отстаивания может быть оптимальным и позволит избавиться от большей части воды. Присутствие побочных продуктов окисления и арктических присадок, а также загрязнений уменьшает эффективность разделения масла и воды методом отстаивания. Некоторые масла обладают свойством удерживать воду в виде эмульсии и не давать ей отделяться – для таких масел способ отстаивания будет малоэффективным.

Иногда достаточно просто открыть сливной кран и слить отстоявшуюся воду и грязь из картера агрегата машины. Эффективность этой операции, однако, будет зависеть от того, на какой срок можно оставить машину в нерабочем состоянии, чтобы дать воде отстояться, и будет ли температура масла достаточно низкой, чтобы как можно большее количество воды в масле перешло в несвязное состояние. При больших объемах масла можно порекомендовать использовать специальные емкости, в которых масло может остывать, вода будет переходить из состояния эмульсии в свободное и оседать вместе с грязью.

Главным недостатком метода отстаивания является то, что он позволяет отделить лишь несвязную воду и отчасти в форме эмульсии, а вода в растворенном состоянии вся остается в масле. Преимуществом же является низкая стоимость этого процесса.

Разделение с помощью центрифуги. Принцип очистки методом центрифугирования основан на отделении от масла более тяжелых составляющих в процессе вращения, когда возникают высокие ускорения силы тяжести и вода, имеющая больший удельный вес, перемещается к периферии центрифуги. Чем больше разница значений удельного веса загрязняющего вещества и масла, тем более эффективно протекает процесс. Поэтому центрифуга лучше работает с маслами, у которых малый удельный вес и низкая вязкость, такими, как турбинные масла, а не с более тяжелыми трансмиссионными маслами.

С помощью центробежного сепаратора несвязная вода отделяется быстрее, чем методом отстаивания. Центробежный сепаратор – отличное средство для полнопоточной очистки технических жидкостей от загрязнений, и в том числе от воды. Эффективность отделения в какой-то степени зависит от состава пакета приставок, поскольку определенное количество воды содержится в масле в форме эмульсии.

Недостатками центрифугирования является то, что этот метод сравнительно дорог и от масла отделяется только вода в свободном состоянии. Частично можно отделять воду в эмульсированном состоянии в зависимости от соотношения устойчивости эмульсии и величины центробежной силы, которую развивает сепаратор, если обрабатывать масло при низкой температуре. Как и при отстаивании, чем ниже температура масла, тем большая часть воды будет находиться в эмульгированном и свободном состояниях, и следовательно, тем эффективнее будет процесс разделения воды и масла. Центробежные сепараторы не способны удалить из масла растворенную воду. В итоге, учитывая, что метод центрифугирования позволяет удалять из масла также иные тяжелые загрязнения и обеспечивает довольно высокую производительность по сравнению с другими технологиями, он считается экономически эффективным для применения в определенных ситуациях.

Вакуумная дегидратация (обезвоживание). Еще один способ – пропустить масло через вакуумный дегидратор (который иначе называется вакуумным дистиллятором). При вакуумной дегидратации в специальной установке снижают парциальное давление паров воды, что способствует отделению и удалению воды из масла. Снижение давления дает возможность воде (и другим летучим веществам) закипать при значительно более низких температурах.

Установки для перегонки под вакуумом работают таким образом: масло нагревается примерно до +65–70 °С, создается разрежение примерно 635–711 мм. рт. ст. При таком разрежении вода закипает при температурах 50–55 °С и начинает эффективно выпариваться из масла. Базовое масло и присадки в нем при таком нагреве практически не подвергаются ни тепловому разрушению, ни окислению. В большинстве дегидраторов над маслом пропускают нагретый и осушенный воздух. Водяной пар, выходящий из масла, поступает в сухой воздух. Чтобы увеличить производительность процесса и площадь воздействия, масло разливают тонким слоем по большой поверхности: масло последовательно протекает по целому ряду поверхностей внутри вакуумной камеры либо стекает в камере в виде «дождя с зонтика», и через него проходит осушенный воздух.

Серьезным преимуществом этого процесса является возможность удалять из масла до очень низкого уровня несвязную, эмульгированную и растворенную воду и другие загрязняющие жидкости с низкой температурой кипения: топливо, хладагенты и растворители. Из масел с низким содержанием присадок, таких как турбинные масла, вакуумный дегидратор способен удалить до 80–90% растворенной воды и обеспечить уровень содержания воды в масле всего в несколько миллионных долей (ppm). Особенно полезен этот метод в ситуациях, когда используются большие объемы масла и велик риск попадания в него влаги. Чем больше объем масла и воды и чем ниже требующийся уровень содержания воды в масле, тем более рентабельной будет вакуумная дегидратация.

Основным недостатком вакуумных дегидраторов являются их высокая стоимость и сравнительно низкая производительность. Именно из-за высокой стоимости многие компании предпочитают не приобретать в собственность, а брать эти установки в аренду по мере необходимости или просто заменить масло, в которое попала вода. При использовании этой технологии существует определенный риск испарения из масла отдельных присадок.

Воздушная осушка масла. Технология, альтернативная вакуумной дегидратации, – удаление воды путем воздушной осушки масла. При воздушной осушке воздух или азот вводится в поток подогретого масла, перемешивается с маслом и абсорбирует воду и газы, содержащиеся в масле. Затем смесь масла с воздухом расширяется, чтобы из нее вышел воздух/ азот вместе с впитанными, загрязняющими масло веществами. Обычно вода, выделенная таким способом из масла, имеет нормальное качество, ее можно сливать в общую канализацию, не подвергая дополнительной очистке и обработке. Отработавший воздух/ азот фильтруется, чтобы свести к минимуму выбросы паров масла в окружающую среду.

Недостатком способа воздушной осушки, как и у вакуумных дегидраторов, является высокая стоимость. Однако преимуществом этого метода является то, что затраты на эксплуатацию установки все же меньше, чем при использовании обычного вакуумного дегидратора, потому что у воздушного осушителя меньше движущихся деталей. То, что этим методом можно удалять из масла не только несвязную и эмульгированную, но и растворенную воду до уровня менее 100 миллионных долей (ppm) и другие газовые примеси и загрязнения, делает технологию воздушной осушки эффективной альтернативой вакуумной дегидратации.

Осушка пространства над жидкостью в резервуаре. Установка для продувки масел воздухом состоит из нескольких резервуаров, насосов для перекачки масла и компрессора для подачи воздуха. Резервуары оборудованы подогревателями и покрыты теплоизоляцией для поддержания необходимой температуры масла. Эти установки работают, откачивая воздух из пространства над жидкостью в резервуаре, осушая его и затем закачивая равный (или увеличенный в некоторых случаях) объем воздуха назад в резервуар, чтобы сохранить в нем прежнее давление. Процесс протекает за счет влагообмена между маслом и воздухом и за счет усиления испарения влаги из масла в газовое пространство резервуара. Воздух затем перекачивается в осушитель для обработки.

Продувку масел воздухом ведут при 80 °С. С понижением температуры способность воздуха поглощать влагу резко падает, и продолжительность процесса обезвоживания значительно увеличивается, а при повышении температуры существенно возрастает вероятность вспенивания масла, что может привести к его выбросу из резервуара.

Продувка воздухом позволяет обезвоживать масла в более короткие сроки, чем при других способах осушки. Большое преимущество этой технологии в том, что установка не взаимодействует с маслом. При использовании этого способа потери масла с удаляемой водой исключаются. С помощью этой технологии можно удалять из масла несвязную, эмульгированную и растворенную воду.

Абсорбция. В конструкцию некоторых масляных фильтрующих элементов включают дополнительный слой, состоящий из влагопоглощающего полимера-суперабсорбента на основе целлюлозы. Этот слой предназначен для того, чтобы поглощать из масла путем абсорбции как эмульгированную, так и несвязную воду. Такие фильтры выглядят как обычные навинчиваемые или патронные (со сменным элементом) фильтры.

Главным недостатком отделения воды от масла методом абсорбции является ограниченная емкость гигроскопичных фильтрующих элементов. Полимеры сильно разбухают, впитывая воду. После заполнения фильтрующего элемента открывается перепускной клапан фильтра, и неочищенное масло идет через байпас. Поэтому прежде чем выбрать данный способ очистки масла от воды, следует рассчитать возможное количество воды, содержащейся в масле, – емкость гигроскопичных фильтрующих элементов должна быть достаточной для удержания подсчитанного объема воды. Такие фильтрующие элементы удобны и лучше всего работают в составе компактных фильтров для систем, где проблемы с попаданием воды в масло минимальны. Например, небольшой картер трансмиссии может оборудоваться системой охлаждения масла с таким фильтром. Кроме того, фильтры с полимерами-суперабсорбентами не способны отфильтровывать и задерживать растворенную воду.

Положительный аспект заключается не только в способности подобных фильтров задерживать еще и твердые частицы, но и в том, что фильтры с влагопоглощающим слоем являются довольно рентабельным средством очистки для масляных систем малого объема, которые требуют удаления даже самого малого количества влаги.

Коагуляция. Слипание и укрупнение коллоидных частиц называется коагуляцией. Добиться протекания данного процесса можно с помощью добавления в масло специальных агентов (электролитов и неэлектролитов), механического воздействия (перемешивание и встряхивание), нагревания или сильного охлаждения, пропускания электрического тока или воздействия лучевой энергии. В каждом из случаев коагуляция возникает за счет ослабления связи загрязняющих частиц с окружающей их дисперсной средой.

Коагуляционные сепараторы помогают микроскопическим каплям воды соединяться вместе, образуя большие и тяжелые скопления, которые легче опускаются на дно и отделяются от масла. Это происходит потому, что при одинаковом объеме воды у крупных капель меньшая поверхность контактирует с маслом, чем в случае, когда капли мелкие и их очень много. Коагуляцию проводят следующим образом. Сначала масло нагревается до температуры 75–90 °С и обрабатывается при перемешивании 10%-ным водным раствором коагулятора на протяжении 20–30 минут. Затем его отстаивают около двух суток и удаляют отстой. Коагуляционные сепараторы более эффективны, когда вязкость масла низка.

Следует отметить, что коагуляторы позволяют отделять от масла эмульсированную воду только отчасти и не могут отделять растворенную воду.

Здесь приводится сводная таблица, отражающая возможности упомянутых методов очистки масла от воды.

Характеристики способов удаления воды из масла

Присадки

Иногда высказывается мнение, что проблему повышенного содержания воды в масле можно устранить путем добавления в масло специальных присадок. Скажем сразу: это заблуждение.

Во-первых, добавлять в масло присадки самостоятельно не стоит никогда. Рецептуру, содержание присадок в масле подбирают специалисты компании-производителя. Соотношение количества базового масла и присадок в составе продукта должно точно соответствовать рецептуре, чтобы масло имело необходимые рабочие и защитные характеристики.

Если вы не устраните причину попадания воды в масло, от добавки присадок будет мало пользы. Введение присадки может дать кратковременный положительный эффект, но полностью проблему не устранит. Добавляя антиокислительные и антикоррозионные присадки и не решая при этом проблему проникновения воды в масло, вы получите то, что новые присадки будут расходоваться и в конечном счете не принесут пользы.

Итак, необходимо прежде всего устранить причину проникновения воды в масло, а затем, если объем системы смазки невелик, часто оказывается более экономически выгодно просто слить масло и заправить свежее. Если масла в системе много и просто утилизировать его дорого, можно сначала очистить масло от воды одним из описанных выше способов, а затем сделать анализ масла и рассмотреть вопрос о пополнении состава пакета присадок.

Контроль содержания воды в масле машины – это как контроль содержания холестерина в крови человека: если не контролировать регулярно, нельзя ожидать хороших результатов. Правильная организация этого процесса может потребовать изменения всего сложившегося порядка работы на объекте – от внесения больших изменений в регламент действий работников и до внесения небольших изменений в конструкции машин. Но если учесть, какие неприятности и потери может принести вода в масле, станет ясно, что усилия по изменению порядков на производстве того стоят.

Владимир Шляховой, журнал «Основные средства»