Анализ масла в процессе эксплуатации при обслуживании по техническому состоянию

Практическое применение анализа масла в процессе эксплуатации и анализа отработанного масла началось более века назад на двигателях локомотивов. Сейчас это один из наиболее важных компонентов обслуживания по техническому состоянию (CBM). Он применяется для оценки состояния машины посредством периодического сбора данных по ключевым показателям технического состояния машины с целью разработки графиков технического обслуживания. Ежегодно миллиарды долларов расходуются на замену компонентов оборудования, изношенных из-за недостаточно высоких характеристик смазочного материала. Умение интерпретировать изменения свойств смазочного материала позволяет увеличить время безотказной работы и срок службы критически важного оборудования. Наличие или количество посторонних примесей и частиц, образующихся в результате износа деталей, эрозии и загрязнения дает представление о проблемах, влияющих на эксплуатационные характеристики и надежность.

Анализ смазочных материалов, топлива и других эксплуатационных жидкостей дает важную информацию для раннего предупреждения о приближающемся отказе машины. Анализируя и отслеживая эти данные, можно планировать техническое обслуживание до того, как произойдет отказ критически важной детали. В результате повышается эксплуатационная готовность и производительность оборудования, снижаются затраты на техническое обслуживание и общая стоимость владения (ОСВ), сокращается время простоя, оптимизируются эксплуатационные характеристики оборудования и повышается экологичность его эксплуатации.

Что такое анализ масла в процессе эксплуатации?

Смазка — источник жизненной силы машин. Анализ масла в процессе эксплуатации может предоставить информацию о степени износа машины, загрязнении смазочного материала, а также о его состоянии (рис. 1). Специалисты по надежности и техническому обслуживанию могут принимать решения о необходимости проведения обслуживания на основе результатов анализа масла.

Рис. 1-1. Информация, полученная при проведении анализа масла в процессе эксплуатации

Анализ износа машины — это, по сути, анализ содержания частиц в масле. Износ машин можно разделить на адгезионный износ (в результате трения скольжения), абразивный износ, усталостный износ и коррозионный износ. Полный анализ частиц износа включает определение количества и распределения частиц, формы и морфологии частиц, наличия частиц износа деталей из металлов и сплавов и крупных ферромагнитных частиц. На протяжении многих лет в условиях эксплуатации и в технических лабораториях применялись самые разные методы и приборы, но, по сути, все они предоставляли информацию, упомянутую выше.

Несмотря на то, что все методы анализа частиц износа могут быть применены к различным типам оборудования, конкретные проблемы у промышленных машин и двигателей могут быть различными. Поршневые двигатели имеют тенденцию к появлению мелких частиц износа, а моторные масла могут темнеть из-за попадания сажи (наноразмерных частиц углерода, являющегося побочным продуктом сгорания).

Элементный анализ — это первичный, а иногда и единственный анализ, выполняемый в лабораториях, специализирующихся на исследовании масел, который позволяет оценить степень износа двигателя; концентрация различных металлических элементов, образующихся в масле в результате износа деталей, указывает на степень износа движущихся частей двигателя. Медленно вращающиеся механизмы, такие как редукторы, как правило, производят более крупные частицы износа. Поскольку большинство из них изготовлено из стали, распространен анализ крупных ферромагнитных частиц, и его легко проводить для масел, используемых в подобном оборудовании.

Загрязняющие вещества могут содержаться в масле как в твердой, так и в жидкой форме. Твердые загрязнители, такие как песок и грязь, обычно отслеживаются с помощью методов подсчета и определения размера частиц. Жидким загрязнителем для промышленных вращающихся машин в основном является вода. Однако для дизельных или бензиновых двигателей это может быть как вода, так и охлаждающая жидкость или топливо. Довольно распространенной причиной появления жидких загрязнителей во всех типах оборудования является случайное или целенаправленное использование непригодного смазочного материала при доливе старого масла. Все загрязняющие примеси могут значительно сократить срок службы масла и увеличить износ машины. Необходимо заблаговременно принимать меры, предотвращающие проникновение в масло загрязняющих примесей, применять надлежащие уплотнения и системы фильтрации, а также регулярно контролировать уровень загрязнения.

Контроль деградации смазочного масла помогает решить, пригодно ли масло для дальнейшего использования или его нужно менять. Одним из ключевых свойств масла является вязкость. Вязкость обычно измеряется при 40 °C в движущихся механизмах и при 100 °C в двигателях. Масла в движущихся механизмах подвергаются контролю окисления и уровня кислотности (общее кислотное число, или TAN), чтобы определить, пригодно ли масло для дальнейшего использования, и предотвратить коррозию. Моторные масла проходят контроль окисления, нитрования, сульфатирования и общего содержания щелочных присадок (общее щелочное число, или TBN). У моторных масел в двигателях, работающих на природном газе, наряду с другими параметрами моторного масла контролируют параметр TAN.

Основные параметры анализа масла и соответствующие аналитические методы. Методы, отмеченные звездочкой (*), используются в продуктах компании Spectro Scientific, Inc. с подробными объяснениями, приведенными в настоящем руководстве.

Преимущества анализа масла в процессе эксплуатации

Основными преимуществами анализа масла в процессе эксплуатации являются снижение затрат на техническое обслуживание и повышение производительности за счет увеличения времени безотказной работы машин. Машины работают дольше, если используются подходящие масла и если масла не содержат воды, являются чистыми и пригодными для использования. Смешивание масел — одна из наиболее частых проблем, связанных со смазкой машин, приводящих к их отказу.

Залить подходящее масло в машину — простая задача, которая может повысить надежность машины. Проверка вязкости, производителя и марки поступающего масла, а также проверка его на загрязнение посторонними жидкостями помогают снизить вероятность смешивания масла и поддерживать оптимальную эффективность работы машины.

Чтобы масло не содержало влаги, было чистым и свободным от загрязняющих примесей, необходимо обеспечить надлежащую работу уплотнений и системы фильтрации и организовать регулярную проверку масла. Песок и грязь в масле вызывают абразивный износ. Влага в масле вызывает коррозию. Топливо или охлаждающая жидкость в моторном масле изменяют вязкость и вызывают адгезионный износ. Необходимо постоянно поддерживать чистоту и отсутствие влаги в масле.

Чтобы масло оставалось пригодным для использования, необходимо регулярно контролировать его состояние, убеждаясь, что масло используется в соответствии с его эксплуатационными характеристиками. Хорошо сбалансированная программа анализа масла должна включать контроль износа машины, степень загрязнения и деградации масла. Необходимо регулярно измерять ключевые параметры и тщательно отслеживать их тенденции. Если один или несколько параметров превышают пределы срабатывания сигнализации или обнаруживается изменение скорости их изменения, специалисты по надежности получают предупреждение, в результате чего для решения потенциальных проблем может потребоваться техническое обслуживание.

Экономия за счет хорошо проработанной программы анализа масла достигается посредством снижения производственных потерь из-за незапланированных простоев в результате внезапного полного отказа, а также сокращения затрат на ремонт и исключения ненужных замен масла. На электростанции или целлюлозно-бумажном комбинате экономия достигается в основном за счет сокращения времени простоя оборудования и количества ремонтов. На горнодобывающей площадке с сотнями тягачей снижение затрат происходит, как правило, за счет устранения потенциальных отказов двигателей. Однако в парке городского транспорта экономия обусловлена сокращением количества материалов, рабочей силы и расходов на утилизацию благодаря увеличению интервалов замены масла.

На месте или на стороне — вот в чем вопрос

Осведомленность об анализе масел среди профессионального сообщества по вопросам надежности с годами возросла. Ежегодно публикуются многочисленные тематические исследования, демонстрирующие, как методы анализа масла и управления процессами, связанными со смазкой, повышают надежность машин и экономят деньги.

Компании или организации с большим парком дорогостоящего оборудования разработали обязательные процедуры и процессы, используя анализ масла в своей практике профилактического обслуживания.

Также распространено привлечение услуг сторонних лабораторий для проведения анализа масла. Ежегодно сотни миллионов проб масла анализируются лабораториями по всему миру. Анализ масла в сторонних лабораториях включает в себя сбор проб масла на объекте и их отправку в лабораторию. После этого лаборанты проводят необходимые исследования масла в зависимости от типа оборудования, а специалист по анализу просматривает данные и дает рекомендации, включаемые в окончательный отчет. Оформленный отчет отправляется обратно пользователю на рассмотрение; при необходимости, выполняются действия по техническому обслуживанию на основе указанных в отчете рекомендаций и графика технического обслуживания (рис. 2).

Преимущество анализа масла в сторонних лабораториях заключается в том, что во внешних коммерческих лабораториях есть полный набор инструментов для анализа масла, квалифицированный персонал для проведения тестов и опытные аналитики, интерпретирующие полученные данные. Никакие предварительные капитальные вложения не требуются, поэтому такой подход довольно просто реализовать. Он идеально подходит для малых и средних предприятий с ограниченным количеством объектов для тестирования и для организаций, в которых анализ масла ранее не проводился.

Обратной стороной использования услуг сторонних лабораторий является длительное время с момента отбора пробы до получения отчета. Обычно задержка происходит во время отбора или транспортировки проб масла в лаборатории. Многие лаборатории предоставляют ускоренные услуги, отправляя заказчику отчет об испытаниях в течение нескольких часов после получения проб масла. Однако бутылки с маслом могут находиться в транспортном узле в течение нескольких дней, недель или даже месяцев, прежде чем их отправят в лабораторию. Таким образом, специалист по надежности редко может полагаться на отчеты лаборатории для своевременного принятия решений. Используя другие инструменты профилактического обслуживания, такие как тепловизор или анализатор вибрации, специалисты по техническому обслуживанию оборудования могут принимать решения и давать рекомендации на месте эксплуатации в режиме реального времени. Отчеты лабораторий анализа масла также используются для подтверждения неисправности при проведении анализа после наступления отказа.

Даже если в отчете об анализе масла указана потенциальная неисправность, специалисты по надежности нередко упускают момент для обслуживания машины, или же отказ происходит до получения отчета. Это ограничивает эффективность анализа масла в любой программе обслуживания по техническому состоянию (CBM).

Если лаборатория по анализу масла создана на предприятии рядом с объектами, а отчеты предоставляются в течение нескольких часов после взятия пробы масла, то отчеты об анализе масла могут являться частью процесса принятия решений. Анализ масла на месте эксплуатации - это еще один инструмент в арсенале специалистов по надежности, в дополнение к анализаторам вибрации и тепловизорам.

Раньше создание лабораторий на месте было затратным проектом, требующим ремонта лабораторных помещений, найма дополнительного персонала с высоким уровнем квалификации и долгих месяцев реализации. С внедрением готовых решений для анализа масла, разработанных компанией Spectro Scientific, значительно снижаются капитальные затраты, занимаемые площади, а также потребная численность и квалификация персонала. Компания Spectro Scientific оптимизировала каждое решение по стоимости, производительности, простоте использования и эксплуатационным характеристикам для различных сценариев использования. Например, лаборатория серии MiniLab была разработана для промышленных предприятий и электростанций, а MicroLab для ежегодного анализа от 1000 до 3000 проб в таких областях применения оборудования, как горнодобывающая промышленность, бурение нефтяных скважин и т. д., а также на автомобильном транспорте. Обе лаборатории, используемые на месте эксплуатации оборудования, не требуют дополнительного персонала или квалифицированных операторов. Необходимое пространство - не больше, чем место на столе. Стоимость лабораторий MiniLab и MicroLab значительно ниже, чем стоимость полноразмерной лаборатории анализа масла. Анализ масла на месте эксплуатации является частью процесса CBM.

На месте или на стороне? Вот в чем вопрос. В конечном счете, выбор в данном случае зависит от двух следующих вопросов:

• Насколько критичны последствия отказа?
• Сколько проб нужно анализировать ежегодно?

Для критически важных операций, включая военную сферу, анализ на месте является обязательным. Для заводов или автопарков, отбирающих более 500 проб в год, преимущества проведения анализа масла на месте быстро окупают затраты при использовании анализаторов масла серии MiniLab и MicroLab.

Решения для анализа масла на месте эксплуатации

Методы анализа масла для разных объектов и областей применения могут быть различными не только из-за разных требований к испытаниям для двигателей и вращающихся машин, но и из-за различий в среде эксплуатации и методах использования результатов анализа масла.

Выделим пять распространенных областей применения:

• анализ масла в лабораториях для испытания двигателей в рамках процесса контроля/обеспечения качества;
• анализ масла на месте эксплуатации оборудования промышленных предприятий или электростанций;
• анализ масла на месте эксплуатации оборудования на транспорте, в тяжелой добывающей промышленности или в сервисных мастерских автопарков для руководителей предприятий;
• анализ масла по маршрутному листу для сервисных инженеров, исследующих оборудование на месте эксплуатации;
• централизованные промышленные лаборатории большого объема для крупных предприятий или нескольких удаленных рудников.

Во всех случаях инженерам требуется комплексный анализ масла, позволяющий лучше понять состояние оборудования, состояние масла и состояние системы фильтрации. Таким образом, в каждой области применения используются свои системы анализа масла из-за различий в требованиях.

Лаборатория для испытаний двигателей при проведении НИОКР и заводских испытаний

Рис. 1-3: Пример системы анализа масла на месте эксплуатации, предназначенной для лабораторий, проводящих испытания двигателей.

Динамические испытания имеют решающее значение в процессе разработки, сертификации и производства двигателей. Анализ масла при испытании двигателя; важный инструмент для понимания его характеристик. Всесторонний анализ масла в режиме, близком к реальному времени, может предоставить важную информацию о состоянии двигателя и масла.

Во время ускоренных нагрузочных испытаний анализ масла следует проводить с интервалом от 10 до 15 минут. Это существенно ограничивает время, имеющееся в распоряжении у инженеров для проведения испытаний и анализа результатов после отбора пробы масла, хотя время обработки пробы имеет высокий приоритет.

В некоторых лабораториях, предназначенных для анализа моторных масел, используют элементный анализ для определения содержания металлических частиц износа, степени истощения присадок и наличия загрязняющих веществ, например из-за утечки охлаждающей жидкости.

Кроме того, такие лаборатории оснащены инфракрасным (ИК) спектрометром для проверки масел на предмет окисления, нитрования, сульфатирования, а также для определения общего щелочного числа (TBN), содержания сажи, влаги и следов утечки охлаждающей жидкости. Кроме того, проводится анализ с помощью измерителя разжижения топливом, позволяющий обнаружить попавшее в масло топливо. На рис. 3 показан пример лаборатории для испытания двигателей, оснащенной оптическим эмиссионным спектрометром SpectrOil 100 (OES), ИК-анализатором масла FluidScan и измерителем степени разжижения топливом FDM.

Система MiniLab для промышленных предприятий и электростанций

Анализатор серии MiniLab (рис. 4) был разработан для мониторинга состояния масла во вращающемся оборудовании, таком как редукторы, компрессоры и турбины, используемом на промышленном предприятии. Это экономичный подход к созданию комплексной лаборатории для анализа масла на месте эксплуатации.

Рис. 1-4: Система Minilab 153 и диаграмма TrivectorTM. В состав оборудования системы входят элементный оптический эмиссионный спектрометр (OES) SpectrOil 100, анализатор частиц серии LaserNet 200, ИК-спектрометр FluidScan и портативный вискозиметр.

Система определяет параметры масла, указывающие на износ машины, загрязнение и деградацию масла (изменение химического состава), и отображает информацию на инновационной, но интуитивно понятной диаграмме Trivector. Информация о состоянии масла в дальнейшем может быть интегрирована в другие методы профилактического обслуживания, такие как виброанализ и формирование тепловых изображений, чтобы обеспечить всесторонний обзор состояния машины. Критически важное значение для специалистов по надежности имеют тенденции параметров масла с предельными значениями аварийных сигналов, которые позволяют определять, когда нужно проводить техническое обслуживание. Комплексная мини-лаборатория (MiniLab 153) позволяет проводить такие тесты, как элементный анализ, подсчет частиц, анализ размера и формы частиц, подсчет ферромагнитных частиц, определение общего содержания железа, загрязнения водой, вязкости и степени деградации масла, в частности, определение окисления и кислотного числа (TAN). Программное обеспечение AMS OilView™ LIMS позволяет управлять оборудованием, предоставляет справочную базу данных по смазочным материалам, отслеживает тенденции, управляет пределами аварийных сигналов и обеспечивает интеграцию с другими технологиями PdM. На рис. 4 показана конфигурация оборудования системы MiniLab 153 и диаграмма TriVector.

Полностью автоматизированная система MicroLab для технического обслуживания автопарка

Рис. 1-5: Система MicroLab и ее окончательный отчет с результатами измерений, диагностическими данными и рекомендациями

Техническое обслуживание мобильного парка в сервисном центре существенно отличается от технического обслуживания турбин и редукторов на заводе. Решения нужно принимать, пока автомобиль находится в сервисном центре. Как только автомобиль уезжает, его сложно отозвать обратно и своевременно повторно обслужить. В этом случае анализ масла должен предоставлять не только результаты измерений, но и диагностические данные в реальном времени, а также рекомендации для механиков.

Анализаторы серии MicroLab предназначены для быстрого анализа параметров двигателя. MicroLab 30 включает в свой состав элементный OES для обнаружения металлических частиц износа, ИК-спектрометр для определения химического состава масла и двухтемпературный вискозиметр. В дополнение ко всем тестам, проводимым системой MicroLab 30, система MicroLab 40 позволяет осуществлять подсчет частиц для контроля загрязнения гидравлических масел.

Основные особенности анализаторов серии MicroLab - автоматизация и встроенная экспертная система, выдающая диагностические данные и рекомендации. Нажатием одной кнопки можно выполнить автоматический отбор масла из пробирки и провести анализ. По завершении анализа печатается отчет, содержащий данные о параметрах технического состояния на основе заранее написанных правил, и рекомендации по ремонту. В систему автоматически закачивается чистящее средство для очистки компонентов системы и соединений трубок. После очистки система готова к анализу следующей пробы. Для работы с системой требуется минимальное обучение.

Портативный анализатор Q5800 для специалистов по обслуживанию на месте эксплуатации

Отбор проб масла в полевых условиях и доставка их в лабораторию для анализа нередко сопряжены с трудностями. Инженерам на морской буровой установке иногда приходится ждать недели или месяцы, прежде чем пробы будут доставлены в береговую лабораторию.

Экспедиционная система анализа жидкостей FieldLab 58

Кроме того, могут существовать ограничения по объемам или ресурсам при выполнении анализа масла на месте эксплуатации оборудования, особенно если услуги по обеспечению надежности предоставляются сторонней сервисной организацией. В этом случае на место периодически выезжает группа сервисных инженеров для проведения анализа масла с использованием портативных инструментов. Технологические достижения теперь позволяют иметь портативные инструменты анализа масла с батарейным питанием и аналитическими возможностями, сопоставимыми с лабораторными приборами. Теперь инженеры службы обеспечения надежности могут в режиме реального времени комбинировать результаты анализа масла и данные анализа вибрации. Это дает им возможность принимать обоснованные решения и давать рекомендации по техническому обслуживанию машины. На рис. 6 показан прибор FieldLab 58, в состав которого входит счетчик частиц, рентгенофлуоресцентный детектор (XRF) для анализа частиц износа по 13 химическим элементам, прямой ИК-спектрометр для определения химического состава масла и вискозиметр кинематической вязкости с регулируемой температурой. Все компоненты упакованы в футляр и питаются от литий-ионного аккумулятора, обеспечивающего непрерывное проведение анализа до четырех часов.

Данные от прибора FieldLab 58 могут быть загружены по беспроводной сети в приложение SpectroTrack LIMS, благодаря чему специалист или руководитель, находящийся за тысячи километров от места проведения анализа, может просматривать данные и отчеты в режиме реального времени.

Полноразмерная промышленная трибологическая система (ITL) для коммерческих или промышленных лабораторий

Когда для обработки больших объемов проб требуются аналитические приборы лабораторного уровня, рекомендуется использовать поставляемую "под ключ" промышленную трибологическую систему (ITL). ITL - полный набор средств для анализа масла, подходящий для выполнения самых сложных задач в процессе эксплуатации, которые обычно выполняются в коммерческой лаборатории (рис. 7). Приборы, входящие в состав ITL, имеют небольшие габариты, не требуют подготовки проб (или требуют лишь незначительных подготовительных действий), имеют низкую стоимость расходных материалов, малое количество отходов и просты в эксплуатации. Система обычно используется на удаленных горнодобывающих участках, железнодорожных ремонтных станциях, в судовых или центральных лабораториях промышленных предприятий.

В состав основного оборудования системы ITL входят оптический эмиссионный спектрометр (OES) с вращающимся дисковым электродом (RDE), анализатор формы и количества частиц на основе технологии LaserNet Fines, высокоскоростной автоматический вискозиметр, инфракрасный спектрометр и программное обеспечение SpectroTrack LIMS.

В таблице 3 представлен подробный обзор пяти различных решений для анализа масла на месте эксплуатации, включая предполагаемые области применения, годовой объём анализируемых проб и подробные параметры анализа.

Заключение

Таким образом, анализ масла в процессе эксплуатации предоставляет важную информацию о состоянии машины и масла. Существуют различные подходы к реализации программы анализа масла в зависимости от области применения и целей технического обслуживания. Современные технологии позволили специалистам по надежности применять новые средства, которых у них никогда не было, чтобы эффективно проводить обслуживание на основе данных анализа масла в процессе эксплуатации.