Техническое обслуживание и мониторинг водно-гликолевых гидравлических жидкостей Характеристики гидравлических жидкостей, в том числе и водно-гликолевых (W/G), зависят от их химического состава и степени чистоты. Данная статья представляет собой обзор того, как водно-гликолевые гидравлические жидкости могут влиять на износ гидравлической системы, а также содержит рекомендации по их эффективному использованию. Рекомендуемые нами процедуры могут существенно повысить производительность гидравлического насоса и срок его службы.
Во многих отраслях промышленности, таких как, например, производство сталей, литье под давлением, требуется использование гидравлических жидкостей, которые показывают большую пожаробезопасность, чем жидкости на основе минеральных базовых масел. Одна из самых распространенных альтернатив в таких случаях – использование водно-гликолевых гидравлических жидкостей. И если для нефтяных гидравлических жидкостей мы можем найти большое количество статей, описывающих их свойства, особенности применения, то такие публикации о водно- гликолевых гидравлических жидкостях относительно редки.
Во многих отраслях промышленности, таких как, например, производство сталей, литье под давлением, требуется использование гидравлических жидкостей, которые показывают большую пожаробезопасность, чем жидкости на основе минеральных базовых масел. Одна из самых распространенных альтернатив в таких случаях – использование водно-гликолевых гидравлических жидкостей. И если для нефтяных гидравлических жидкостей мы можем найти большое количество статей, описывающих их свойства, особенности применения, то такие публикации о водно- гликолевых гидравлических жидкостях относительно редки.
Химический состав
Эффективность любой гидравлической жидкости, как уже было сказано выше, зависит от ее химического состава и степени чистоты. Водно-гликолевые гидравлические жидкости, как правило, состоят из воды (для противопожарной защиты), гликолей (низкотемпературные свойства), полиалкиленгликоля (ПАГ) в качестве загустителя, пакета присадок, обеспечивающих антикоррозионные и деаэрирующие свойства, а также защиту от износа и коррозии, и краситель для обнаружения утечки.
Влияние на износ
Вещества, которые в соответствии с ASTM D2882 оказывают заметное влияние на состояние гидравлического насоса, – вода, амины, противоизносные присадки. Тест ASTM D2882 проводится при давлении в 13,8 Мпа в течение 100 часов со скоростью 30,6 л/мин в лопастном насосе Sperry Vickers V-104C. См. Рисунок 1. Влияние содержания воды на скорость износа
Содержание воды – один из наиболее значимых факторов, влияющих на износ. На рисунке 1 показана зависимость износа от процента воды в гидравлической жидкости. Из зависимости видно, что если мы хотим сохранить и противоизносные свойства, и пожаробезопасность, то критически важно контролировать содержание воды в водно-гликолевых гидравлических жидкостях.
Как показывает зависимость на рисунке 2, амины, которые в основном используются в качестве ингибитора коррозии, также влияют на степень износа. См. Рисунок 2. Влияние концентрации амина (щелочность) на износ
Скорость износа уменьшается с уменьшим концентрации амина, но далее мы видим, что есть некоторая оптимальная концентрация амина, ниже которой интенсивность износа опять начинает возрастать. Положение точки минимума и значение величины износа в ней зависят от химической природы используемого амина.
Влияние на коррозию
Основная функция амина – защита от коррозии. Его ингибирующие свойства в газовой и жидкой фазе гидравлической жидкости могут быть определены с использованием 200-часового испытания на коррозию. В этом тесте металлические тестовые пластинки помещает в аэрированное масло при температуре 70 ± 2°C и выдерживают в течение 200 часов. В качестве таких тестовых пластинок используют сталь (низкоуглеродистая в соответствии с SAE-1010), литьевой алюминий (SAE-329), медь (CA-110) и латунь (SAE-70C). Коррозионный эффект в газовой фазе определяется с использованием металлических пластинок из чугуна (G-3500) и стали (SAE-1010), которые подвешивают над жидкостью. На рисунке 3 изображена типичная установка для проведения испытания на коррозию.
Рисунок 3. Прибор для проведения испытания на коррозию в лабораторных условиях. Температура контролируется термометром, воздух постоянно нагнетается в жидкость через трубку, конденсатор уменьшает потери жидкости вследствие испарения
Хорошего уровня защиты от коррозии можно добиться путем выбора амина и его оптимальной концентрации. Так, при концентрации амина на 100% выше оптимальной, возрастет коррозия цветных металлов в жидкой фазе, а при концентрации амина на 75 % ниже оптимума увеличится коррозия железа в газовой фазе. В связи с этим крайне важно также контролировать концентрацию ингибитора коррозии и периодически корректировать ее по мере необходимости.
Безусловно, на износ гидравлического насоса также будет влиять концентрация противоизносной присадки.
Рисунок 4. Влияние концентрации противоизносной присадки на износ. Нормальный износ зависит от рецептуры гидравлической жидкости.
Как показано на рисунке 4, можно добиться такого состава гидравлической жидкости, когда противоизносная присадка будет обеспечивать минимальный износ, но с течением времени концентрация такой присадки будет падать и при достижении некоторого критического значения произойдет резкий рост темпов износа с дальнейшим уменьшением концентрации.
Загрязнение гидравлической жидкости
Качество работы гидравлической жидкости зависит не только от ее химического состава, но также от наличия твердых и жидких примесей. Для водно-гликолевых гидравлических жидкостей наиболее распространенной примесью являются нефтяные масла, которые могут попасть в гидравлическую систему из целого ряда источников. Поскольку нефтяные масла нерастворимы в W/G жидкости, они могут быть просто отделены от нее удалением с поверхности. На практике удалением таких загрязнений часто пренебрегают в течение долгих интервалов времени, что приводит к абсорбции присадок в минеральном масле. В результате при удалении масла происходит удаление и части добавок, поэтому очень важно избегать этого типа загрязнения при использовании водно-гликолевых жидкостей.
Анализ характеристик водно-гликолевых гидравлических жидкостей
Ниже рассматриваются методы анализа химического состава водно-гликолевых гидравлических жидкостей и мониторинга изменения их физических характеристик.
Замечание: все примеры ниже приведены только в иллюстративных целях, так как полученные показатели для жидкостей могут быть разными в зависимости от поставщика. Просьба проконсультироваться с Вашим поставщиком гидравлической жидкости для получениях необходимых рекомендаций.
Визуальные наблюдения
На первой стадии любого анализа определяются визуальные характеристики образца – его цвет, прозрачность. Образец не должен содержать масла и твердых примесей. Если присутствуют твердые примеси, то следует определить их магнитные свойства. Магнитные твердые частицы Концентрация противоизносной присадки, % Нормальный износ, % могут быть результатом износа или коррозии, немагнитные твердые примеси могут быть результатом внешних загрязнений или разрушения уплотнителя.
Содержание воды
Процент воды, содержащейся в водно-гликолевых гидравлических жидкостях, может упасть вследствие испарения в ходе эксплуатации. Вода должна быть обратно добавлена в систему для поддержания одинакового уровня вязкости и поддержания огнестойкости.
Наиболее распространенные методы определения содержания воды в гидравлических жидкостях – измерение показателя преломления, вязкости, а также титрование по методу Карла Фишера.
Наиболее часто для определения используют рефрактометр, а процент воды получают из калибровочной диаграммы (рисунок 5).
Рисунок 5. Зависимость индекса рефракции от содержания воды
Основным ограничением при определении содержания воды по показателю преломления является то, что значение этого показателя зависит также от присутствия других веществ, в том числе загрязняющих примесей, которые могут присутствовать в гидравлической жидкости. Таким образом, желательно сверять значение содержания воды, полученное с помощью показателя преломления, по меньшей мере с одним другим аналитическим методом. После того, как концентрация воды определена, при необходимости следует добавить дополнительное количество воды в жидкость. Некоторые поставщики предоставляют таблицы, которые позволяют определить процент воды без использования калибровочного графика (Таблица 1).
Таблица 1.
В водно-гликолевую гидравлическую жидкость можно добавлять только дистиллированную или деионизированную воду с проводимостью меньше 15 мкСм/см (или также рекомендуется максимальная жесткость воды не более 5 ppm). Соблюдение этих требований критически важно, поскольку ионы таких металлов как, например, Ca+2 , Mg+2 , Mn+2 будут реагировать с противоизносной присадкой, образуя соль с карбоновой кислотой:
Содержание воды в гидравлической жидкости может быть также определено путем измерения вязкости. Для этого можно использовать общий метод определения в соответствии с ASTM D445.
Рисунок 6. Зависимость вязкости от содержания воды
Используя зависимость вязкости от процента воды в водно-гликолевой гидравлической жидкости, представленную на рисунке 6, можно легко поддерживать содержание воды в пределах необходимого диапазона значений. Иногда производитель может предоставить таблицу, с помощью которой можно легко соотнести вязкость и процент воды для определенной гидравлической жидкости (таблица 2).
Таблица 2.
Способность пленки гидравлической жидкости выдерживать нагрузки зависит от ее вязкости, но процессы окислительной и термической деструкции приводят к уменьшению вязкости продукта. Таким образом, измерение вязкости служить методом мониторинга стабильности гидравлической жидкости, но также это означает, что в случае измерения содержания воды по значению вязкости результаты необходимо подкреплять и другими методами измерений.
Третий метод определения содержания воды – титрование по методу Карла Фишера (ASTM D1744) – наиболее однозначный, так как этот анализ является прямой мерой содержания воды, в то время как вязкость и показатель преломления являются косвенными, поскольку сильно зависят от наличия загрязнений (для показателя преломления) и деградации жидкости (вязкость).
Запас щелочности
Концентрация амина в водно-гликолевой гидравлической жидкости определяет такой параметр как запас щелочности. Этот параметр обычно определяется как объем 0,1 H соляной кислоты (HCl) в мл, который требуется для титрования 100 мл гидравлической жидкости до pH=5,5. Типичная кривая титрования изображена на рисунке 7.
Рисунок 7. Определение запаса щелочности кислотным титрованием
На кривой титрования наблюдается два перегиба, поскольку фактически анализируются два вещества: соль амина и карбоновой кислоты (кислота входит в состав противоизносной присадки) (1) и избыток «свободного» амина (2). Таким образом, титрование позволяет определить концентрацию противоизносной присадки в гидравлической жидкости.
Изменение концентрации ингибитора коррозии можно отслеживать по уровню pH. Рекомендуемый уровень pH для водно-гликолевых гидравлических жидкостей должен быть больше 8.
Деградация гидравлической жидкости
Водно-гликолевые гидравлические жидкости могут окисляться под воздействием высоких рабочих температур, которые могут возникнуть в случае плохого теплоотвода. Если температура держится на достаточном для окисления уровне в течение долгого времени, то это приводит к образованию низкомолекулярных кислот. Особенно опасно для системы присутствие муравьиной кислоты, поскольку при концентрации выше 0,15 % она начинает сильно влиять на износ (рисунок 8). Концентрацию кислоты предпочтительнее всего измерять методом ионной хроматографии.
Рисунок 8. Влияние содержания муравьиной кислоты и запаса щелочности на скорость износа Феррография
Как было показано выше, характеристики жидкости напрямую зависят от ее рецептуры и наличия примесей. В случае, когда необходимо устранить проблемы в работе гидравлической жидкости в системе, в дополнение к химическому и физическому анализу часто бывает полезно проанализировать продукты износа. Феррография – один из методов определения продуктов износа. Этот метод может быть использован для определения концентрации и распределения частиц износа, содержащихся в гидравлической жидкости. С помощью микроскопического анализа Запас щелочности Концентрация муравьиной кислоты, % можно определить уровень износа по таким материалам как медь, ржавчина, углеродистые материалы, мягкие металлы (алюминий, цинк и другие).
Таким образом, для оптимального режима работы водно-гликолевой гидравлической жидкости необходимо контролировать концентрацию воды, противоизносных присадок, ингибитора коррозии. Рекомендуемые аналитические методы мониторинга этих параметров включают определение:
Эффективность любой гидравлической жидкости, как уже было сказано выше, зависит от ее химического состава и степени чистоты. Водно-гликолевые гидравлические жидкости, как правило, состоят из воды (для противопожарной защиты), гликолей (низкотемпературные свойства), полиалкиленгликоля (ПАГ) в качестве загустителя, пакета присадок, обеспечивающих антикоррозионные и деаэрирующие свойства, а также защиту от износа и коррозии, и краситель для обнаружения утечки.
Влияние на износ
Вещества, которые в соответствии с ASTM D2882 оказывают заметное влияние на состояние гидравлического насоса, – вода, амины, противоизносные присадки. Тест ASTM D2882 проводится при давлении в 13,8 Мпа в течение 100 часов со скоростью 30,6 л/мин в лопастном насосе Sperry Vickers V-104C. См. Рисунок 1. Влияние содержания воды на скорость износа
Содержание воды – один из наиболее значимых факторов, влияющих на износ. На рисунке 1 показана зависимость износа от процента воды в гидравлической жидкости. Из зависимости видно, что если мы хотим сохранить и противоизносные свойства, и пожаробезопасность, то критически важно контролировать содержание воды в водно-гликолевых гидравлических жидкостях.
Как показывает зависимость на рисунке 2, амины, которые в основном используются в качестве ингибитора коррозии, также влияют на степень износа. См. Рисунок 2. Влияние концентрации амина (щелочность) на износ
Скорость износа уменьшается с уменьшим концентрации амина, но далее мы видим, что есть некоторая оптимальная концентрация амина, ниже которой интенсивность износа опять начинает возрастать. Положение точки минимума и значение величины износа в ней зависят от химической природы используемого амина.
Влияние на коррозию
Основная функция амина – защита от коррозии. Его ингибирующие свойства в газовой и жидкой фазе гидравлической жидкости могут быть определены с использованием 200-часового испытания на коррозию. В этом тесте металлические тестовые пластинки помещает в аэрированное масло при температуре 70 ± 2°C и выдерживают в течение 200 часов. В качестве таких тестовых пластинок используют сталь (низкоуглеродистая в соответствии с SAE-1010), литьевой алюминий (SAE-329), медь (CA-110) и латунь (SAE-70C). Коррозионный эффект в газовой фазе определяется с использованием металлических пластинок из чугуна (G-3500) и стали (SAE-1010), которые подвешивают над жидкостью. На рисунке 3 изображена типичная установка для проведения испытания на коррозию.
Рисунок 3. Прибор для проведения испытания на коррозию в лабораторных условиях. Температура контролируется термометром, воздух постоянно нагнетается в жидкость через трубку, конденсатор уменьшает потери жидкости вследствие испарения
Хорошего уровня защиты от коррозии можно добиться путем выбора амина и его оптимальной концентрации. Так, при концентрации амина на 100% выше оптимальной, возрастет коррозия цветных металлов в жидкой фазе, а при концентрации амина на 75 % ниже оптимума увеличится коррозия железа в газовой фазе. В связи с этим крайне важно также контролировать концентрацию ингибитора коррозии и периодически корректировать ее по мере необходимости.
Безусловно, на износ гидравлического насоса также будет влиять концентрация противоизносной присадки.
Рисунок 4. Влияние концентрации противоизносной присадки на износ. Нормальный износ зависит от рецептуры гидравлической жидкости.
Как показано на рисунке 4, можно добиться такого состава гидравлической жидкости, когда противоизносная присадка будет обеспечивать минимальный износ, но с течением времени концентрация такой присадки будет падать и при достижении некоторого критического значения произойдет резкий рост темпов износа с дальнейшим уменьшением концентрации.
Загрязнение гидравлической жидкости
Качество работы гидравлической жидкости зависит не только от ее химического состава, но также от наличия твердых и жидких примесей. Для водно-гликолевых гидравлических жидкостей наиболее распространенной примесью являются нефтяные масла, которые могут попасть в гидравлическую систему из целого ряда источников. Поскольку нефтяные масла нерастворимы в W/G жидкости, они могут быть просто отделены от нее удалением с поверхности. На практике удалением таких загрязнений часто пренебрегают в течение долгих интервалов времени, что приводит к абсорбции присадок в минеральном масле. В результате при удалении масла происходит удаление и части добавок, поэтому очень важно избегать этого типа загрязнения при использовании водно-гликолевых жидкостей.
Анализ характеристик водно-гликолевых гидравлических жидкостей
Ниже рассматриваются методы анализа химического состава водно-гликолевых гидравлических жидкостей и мониторинга изменения их физических характеристик.
Замечание: все примеры ниже приведены только в иллюстративных целях, так как полученные показатели для жидкостей могут быть разными в зависимости от поставщика. Просьба проконсультироваться с Вашим поставщиком гидравлической жидкости для получениях необходимых рекомендаций.
Визуальные наблюдения
На первой стадии любого анализа определяются визуальные характеристики образца – его цвет, прозрачность. Образец не должен содержать масла и твердых примесей. Если присутствуют твердые примеси, то следует определить их магнитные свойства. Магнитные твердые частицы Концентрация противоизносной присадки, % Нормальный износ, % могут быть результатом износа или коррозии, немагнитные твердые примеси могут быть результатом внешних загрязнений или разрушения уплотнителя.
Содержание воды
Процент воды, содержащейся в водно-гликолевых гидравлических жидкостях, может упасть вследствие испарения в ходе эксплуатации. Вода должна быть обратно добавлена в систему для поддержания одинакового уровня вязкости и поддержания огнестойкости.
Наиболее распространенные методы определения содержания воды в гидравлических жидкостях – измерение показателя преломления, вязкости, а также титрование по методу Карла Фишера.
Наиболее часто для определения используют рефрактометр, а процент воды получают из калибровочной диаграммы (рисунок 5).
Рисунок 5. Зависимость индекса рефракции от содержания воды
Основным ограничением при определении содержания воды по показателю преломления является то, что значение этого показателя зависит также от присутствия других веществ, в том числе загрязняющих примесей, которые могут присутствовать в гидравлической жидкости. Таким образом, желательно сверять значение содержания воды, полученное с помощью показателя преломления, по меньшей мере с одним другим аналитическим методом. После того, как концентрация воды определена, при необходимости следует добавить дополнительное количество воды в жидкость. Некоторые поставщики предоставляют таблицы, которые позволяют определить процент воды без использования калибровочного графика (Таблица 1).
Таблица 1.
В водно-гликолевую гидравлическую жидкость можно добавлять только дистиллированную или деионизированную воду с проводимостью меньше 15 мкСм/см (или также рекомендуется максимальная жесткость воды не более 5 ppm). Соблюдение этих требований критически важно, поскольку ионы таких металлов как, например, Ca+2 , Mg+2 , Mn+2 будут реагировать с противоизносной присадкой, образуя соль с карбоновой кислотой:
Содержание воды в гидравлической жидкости может быть также определено путем измерения вязкости. Для этого можно использовать общий метод определения в соответствии с ASTM D445.
Рисунок 6. Зависимость вязкости от содержания воды
Используя зависимость вязкости от процента воды в водно-гликолевой гидравлической жидкости, представленную на рисунке 6, можно легко поддерживать содержание воды в пределах необходимого диапазона значений. Иногда производитель может предоставить таблицу, с помощью которой можно легко соотнести вязкость и процент воды для определенной гидравлической жидкости (таблица 2).
Таблица 2.
Способность пленки гидравлической жидкости выдерживать нагрузки зависит от ее вязкости, но процессы окислительной и термической деструкции приводят к уменьшению вязкости продукта. Таким образом, измерение вязкости служить методом мониторинга стабильности гидравлической жидкости, но также это означает, что в случае измерения содержания воды по значению вязкости результаты необходимо подкреплять и другими методами измерений.
Третий метод определения содержания воды – титрование по методу Карла Фишера (ASTM D1744) – наиболее однозначный, так как этот анализ является прямой мерой содержания воды, в то время как вязкость и показатель преломления являются косвенными, поскольку сильно зависят от наличия загрязнений (для показателя преломления) и деградации жидкости (вязкость).
Запас щелочности
Концентрация амина в водно-гликолевой гидравлической жидкости определяет такой параметр как запас щелочности. Этот параметр обычно определяется как объем 0,1 H соляной кислоты (HCl) в мл, который требуется для титрования 100 мл гидравлической жидкости до pH=5,5. Типичная кривая титрования изображена на рисунке 7.
Рисунок 7. Определение запаса щелочности кислотным титрованием
На кривой титрования наблюдается два перегиба, поскольку фактически анализируются два вещества: соль амина и карбоновой кислоты (кислота входит в состав противоизносной присадки) (1) и избыток «свободного» амина (2). Таким образом, титрование позволяет определить концентрацию противоизносной присадки в гидравлической жидкости.
Изменение концентрации ингибитора коррозии можно отслеживать по уровню pH. Рекомендуемый уровень pH для водно-гликолевых гидравлических жидкостей должен быть больше 8.
Деградация гидравлической жидкости
Водно-гликолевые гидравлические жидкости могут окисляться под воздействием высоких рабочих температур, которые могут возникнуть в случае плохого теплоотвода. Если температура держится на достаточном для окисления уровне в течение долгого времени, то это приводит к образованию низкомолекулярных кислот. Особенно опасно для системы присутствие муравьиной кислоты, поскольку при концентрации выше 0,15 % она начинает сильно влиять на износ (рисунок 8). Концентрацию кислоты предпочтительнее всего измерять методом ионной хроматографии.
Рисунок 8. Влияние содержания муравьиной кислоты и запаса щелочности на скорость износа Феррография
Как было показано выше, характеристики жидкости напрямую зависят от ее рецептуры и наличия примесей. В случае, когда необходимо устранить проблемы в работе гидравлической жидкости в системе, в дополнение к химическому и физическому анализу часто бывает полезно проанализировать продукты износа. Феррография – один из методов определения продуктов износа. Этот метод может быть использован для определения концентрации и распределения частиц износа, содержащихся в гидравлической жидкости. С помощью микроскопического анализа Запас щелочности Концентрация муравьиной кислоты, % можно определить уровень износа по таким материалам как медь, ржавчина, углеродистые материалы, мягкие металлы (алюминий, цинк и другие).
Таким образом, для оптимального режима работы водно-гликолевой гидравлической жидкости необходимо контролировать концентрацию воды, противоизносных присадок, ингибитора коррозии. Рекомендуемые аналитические методы мониторинга этих параметров включают определение:
- Визуальных характеристик
- Содержания воды
- Запаса щелочности
- Концентрации муравьиной кислоты методом ионной хроматографии
- Износа методом феррографии
- Ионная хроматографии и феррография – дополнительны аналитически процедуры, которые могут проводится по мере необходимости. Анализы же по определению содержания воды, запаса щелочности, вязкости, а также визуальные наблюдения являются обязательными для регулярного определения и обычно проводятся поставщиком гидравлической жидкости. И если состояние гидравлической системы будет поддерживается на должном уровне, а характеристики гидравлической жидкости будут регулярно контролироваться, то результатом станет долгий срок службы гидравлической системы и качественная работа водно-гликолевой гидравлической жидкости.