книги из ГПНТБ / Казанский, В. Н. Системы смазки паровых турбин

ного бака, откуда может быть удалена через дренажное отверстие. Однако в ряде случаев турбинные масла при обводнении образуют стойкие масловодяные эмульсии, недопустимые по следующим причинам:

1) при эмульгировании масла увеличивается его вяз­ кость [Л. 93], что ухудшает условия транспортировки масла по трубопроводам, снижает надежность работы подшипников;

3)вода в эмульсии способствует окислению масла, ржавлению смазываемых деталей, эрозийному износу и окислению баббита [Л. 8, 15];

4)эмульсии служат переносчиками по системе абра­

зивных примесей. ' Для систем, работающих на обводненном масле, ха­

рактерны частые доливки свежего масла. Периодический слив отстоявшейся в баке воды всегда сопровождается потерями той части эмульгированного масла, которая собирается на границе раздела между водой и маслом

[Л. 86].

Всякая эмульсия представляет собой однородную дис­ персию одной жидкости в другой. Такая система не яв­ ляется стабильной, однако время, необходимое для раз­ деления фаз эмульсии, может различаться очень сильно, в пределах от нескольких секунд до многих часов (и даже суток) [Л. 42]. Образование масловодяных эмуль­ сий стимулируется полярно-активными веществами, ко­ торые в маслах могут содержаться в качестве естествен­ ных компонентов, перешедших из сырой нефти, несмотря на предпринятую очистку. Масла селективной очистки обычно содержат меньше полярных веществ, стимули­ рующих эмульгирование, чем масла кислотной очистки [Л. 8, 77]. Ухудшение качества масла вследствие окисле­ ния может привести к накоплению растворимых в масле полярных продуктов, например металлических мыл, спо­ собных оказывать эмульгирующее влияние даже тогда, когда они находятся в малых концентрациях, поскольку эти вещества адсорбируются на граничной поверхности масло — вода [Л. 86]. Эмульгаторами могут быть и вы­ сокодисперсные твердые вещества, например механиче­ ские примеси, попадающие в масло из воздуха при вен­ тиляции системы смазки. Шлам, отбеливающие земли,

140

оставшиеся в масле после некондиционной фильтрации, металлическая пыль, зола, цемент — все эти загрязните­

маслах, которые мутнеют от воды при нормальной тем­ пературе. Малые примеси воды определяются или «по потрескиванию» [Л. 77] или стандартизированным гидро­ кальциевым способом [Л. 94]. Для количественного опре­ деления большого содержания воды в эмульгированном масле обычно применяют способ Дина и Старка [Л. 77, 94]. Время расслоения заданного столба эмульгирован­ ного масла на составляющие его компоненты зависит от концентрации и дисперсности водяных капель, от сте­ пени чистоты и температуры масла. Важно знать спо­ собность турбинного масла к деэмульсации. Для этой цели обычно используют стандартный метод определения скорости деэмульсации масла [Л. 94], основанный на визуальном определении времени полного отделения во­ ды при 55°С после окончания барботирования пара че­ рез слой воды и масла, залитых до начала испытаний в определенных соотношениях в измерительный цилиндр. Если 20 мл воды и 100 мл масла, налитые в цилиндр вместимостью 250 мл (ГОСТ 1770-64), после пропуска­ ния пара (в течение 10 мин) снова отделятся друг от друга четким мениском за время не более 8 мин, то считают, что масло обладает удовлетворительной (допу­ стимой) способностью к деэмульсации. Для высокока­ чественных турбинных масел время деэмульсации со­ ставляет иногда даже 4—5 мин, а специальные деэмуль­ гирующие присадки способны уменьшить это время до 1—2 мин [Л. 157]. Наоборот, для окисленного и зашламленного масла время деэмульсации 10—20 мин (и бо­ лее).

3-5. СТАРЕНИЕ МАСЛА

а) Окисление масла

В процессе эксплуатации паровых турбин залитое в их системы смазки масло постепенно претерпевает глубо­ кое изменение, которое обычно характеризуется поняти­ ем «старение», включающим изменения его химических и физических свойств [Л. 85, 86, 94, 143]. Старение масла происходит в результате контакта углеводородов с кис-

141

лородом воздуха, стимулируется каталитическим дейст­ вием воды и металлов, с которыми соприкасается масло,

ность и вязкость, ухудшается деэмульгирующая способ­ ность, образуются растворимые в масле, а также лету­ чие кислые продукты, обусловливающие коррозионную агрессивность масла; плотные продукты окисления вы­

проходя через различные промежуточные ступени, и за­ висит от строения молекул углеводородов и условий, в которых происходит окисление.

Установлено, что во всех случаях, когда в масле отсутствует кислород и вода, никаких окислительных ре­ акций не происходит. Например, предварительно вакуумированное и обезвоженное масло при нагревании в ва­ кууме при 150 °С в течение 14 000 ч совершенно не окис­ лилось и даже не изменило своего первоначального цвета. На окисление масла (в большой степени влияет ско­ рость диффузии кислорода в слой масла, которая зави­ сит от парциального давления кислорода и площади со­ прикосновения последнего с маслом. Распыливание и разбрызгивание масла, барботирование его воздухом, вспенивание — все это создает наибольшую поверхность соприкосновения масла с воздухом и, таким образом, ускоряет окисление масла. Есть данные, согласно кото­ рым при изменении поверхности контакта в 2,8 раза од­ ного и того же количества масла с воздухом количество осадка возросло в 58 раз!

Скорость окислительных реакций существенно зави­ сит от температуры. Известно, что окисление масла, хо­ тя и замедленное, происходит при комнатной темпера­ туре и даже при температуре ниже 0°С. При высоких температурах способность масел к окислению настолько велика, что достаточно даже следов кислорода, чтобы началось интенсивное образование продуктов окисления. Установлено, что повышение температуры на каждые 10°С сверх 110°С ускоряет реакцию окисления масла приблизительно в 2 раза, а повышение температуры от 220 до 275 °С увеличивает скорость реакции в 42 раза! При температуре 310—350 °С происходит самовоспламе­ нение масла (в кислородной среде).

142

Окисление углеводородов ускоряется в присутствии положительных катализаторов: металлов, солей органи­ ческих кислот, воды. Наиболее активными катализатора­ ми являются медь и ее сплавы, свинец; менее активны никель, железо, цинк, олово; алюминий практически не оказывает никакого влияния на процесс окисления мас­ ла. Интенсивность воздействия металла при прочих рав­ ных условиях зависит от величины его поверхности. Со­ ли металлов органических кислот (нафтенаты меди, свинца, железа, кадмия), окислы и другие производные металлов способны ускорить окисление масла, причем в ряде случаев эти продукты являются более активными инициаторами окисления, чем сами металлы. Изучение старения и коррозионного действия турбинных масел в присутствии воды показало, что ускорение окисления масла в этом случае вызвано обогащением его катиона­ ми (Fe, Mg, Na и др.), содержащимися в виде следов в воде и образующими е кислотами растворимые мыла, ускоряющие окисление масла [Л. 45].

Неметаллические материалы, применяемые в турбо­ строении (картон, бумага, ткани, бакелит, древесина, гетинакс), не оказывают проокислительного воздействия на масло. Маслостойкая резина иногда после 1—2 лет эксплуатации частично разрушается с образованием осадка, содержащего окись цинка (которая входит

вчисло ингредиентов резины), вследствие чего масло быстро стареет. Более стойкой оказывается кремнийорганическая резина марки 5р-129, подвергнутая термо­ обработке [Л. 85]. Продукты окислениямогут сами по себе служить катализаторами «старения» масла. Из опыта эксплуатации известно, что смешение свежего масла с окисленным и зашламленным не приостанавли­ вает, а, наоборот, вызывает усиленное окисление полу­ ченной смеси. Поэтому при смешении масел, доливаемых

вбак, следует строго руководствоваться рекомендация­ ми [Л. 44].

Способность масла противостоять окислительному

воздействию кислорода воздуха при повышенной тем­ пературе называется стабильностью. По методу ВТИ (ГОСТ 981-55) стабильность характеризуется содержа­ нием водорастворимых кислот (нелетучих и летучих) после окисления масла в легких условиях, отвечающих начальной стадии его старения, а также кислотным чис­ лом и количеством осадка в масле, подвергнутом глубо-

143

кому искусственному старению (общая стабильность). Основным показателем стабильности является способ­ ность масла образовывать водорастворимые кислоты в начале старения. По расходу едкого кали (в мг), по­ шедшего на нейтрализацию водорастворимых кислот, извлеченных из 1 г масла в водную вытяжку, судят о ко­ личественном содержании нелетучих низкомолекуляр­ ных кислот. Если масло не содержит водорастворимых кислот, то реакция водной вытяжки из такого масла бу­ дет нейтральной или даже слабощелочной. Общее содер­ жание кислот в масле выражают кислотным числом, представляющим расход (в миллиграммах) едкого ка­ ли (КОН), требующегося для нейтрализации 1 г масла. Кислотное число после искусственного старения масла марки 22п не должно быть более 0,2 мг КОН на 1 г мас­ ла.

По ПТЭ [Л. 102] эксплуатационные нефтяные масла должны удовлетворять следующим нормам: кислотное число — не выше 0,5 мг КОН; реакция водной вытяж­ ки— нейтральная; вода и шлам — полностью отсутст­ вовать. Масло, залитое в систему, должно подвергаться сокращенному анализу1 не реже 1 раза в 2 месяца при кислотном числе не выше 0,2 мг КОН и полной прозрач­ ности масла, 1 раз в 2 недели при превышении кислот­ ного числа 0,2 мг КОН или при наличии в масле шлама н воды; при резком ухудшении качества масла произво­ дится внеочередной анализ. Один раз в сутки (в днев­ ную смену) оно подвергается цех-овому контролю1.2

6) Коррозионные свойства масла

Коррозионная агрессивность смазочных масел оценива­ ется потерей массы металла в граммах с 1 м2 поверхно­ сти. По современным представлениям коррозия метал­ лов в масле обусловлена воздействием на них перекисей и кислот. Свежие турбинные масла обладают наимень­ шей коррозионной активностью. Коррозия металлов по­ является с того момента, когда в масле начнут скапли­ ваться первые продукты окисления углеводородов. Вода, которая попадает в масло извне или же образуется в ре­

1 В объем сокращенного анализа масла входит определение кис­ лотного числа, реакции водной вытяжки, наличия примесей и воды.

2 Цеховой контроль масла заключается в проверке его по внеш­ нему виду на содержание воды, шлама, механических примесей.

144

зультате окисления самого масла, является главной причиной, резко усиливающей коррозию [Л. 86, 142].

Высокомолекулярные органические кислоты, образу­ ющиеся при окислении масла, не способны воздейство­ вать на металл непосредственно. Однако они активно реагируют в присутствии воды с окислами металлов. В результате получаются металлические мыла органи­ ческих кислот, растворимые в масле или выпадающие в осадок и являющиеся сильными катализаторами даль­ нейшего окисления масла.

Действие воды наиболее сказывается в тех случаях, когда в масле накапливаются низкомолекулярные кис­ лоты (муравьиная, уксусная, серная).

Турбинные масла, изготовленные из нефтей различ­ ных месторождений, обладают неодинаковой коррозион­ ной активностью. Более того, нефтяная промышленность иногда выпускает неравноценные по качеству (в том числе и по коррозионности) партии масел, изготовленных даже из нефти одного и того же месторождения. Бакин­ ские турбинные масла (ГОСТ 32-53) обычно являются менее коррозионными, чем сернистые турбинные (МРТУ 12Н № 18-63). Однако в присутствии воды и бакинское масло все же вызывает интенсивную коррозию, в особен­ ности черных металлов [Л. 45].

Сернистые масла, несмотря на содержание в них 0,2% антиокислительной присадки ионол, обладают бо­ лее высокой коррозионной агрессивностью, чем бакин­ ские. Коррозия стальных пластин в обводненном серни­ стом масле начинается при весьма низком кислотном числе (0,003 мг КОН), т. е. практически в свежем масле. С увеличением продолжительности работы обводненного масла глубина окисления и коррозионная активность масла возрастают [Л. 45]. Однако между возрастанием кислотности масла и коррозионной агрессивностью не существует строгого соответствия ]Л. 85]. Объясняется это тем, что в разных маслах при окислении образуются неодинаковые кислые продукты, характер и коррозион­ ное действие которых по отношению к металлам могут быть резко отличными. При эксплуатации паровых тур­ бин и при лабораторных испытаниях нередко наблюда­ лись случаи, KOI да сернистое масло имело весьма благо­ приятные показатели окисления (низкое кислотное чис­ ло, малое содержание водорастворимых кислот), однако коррозия стальных деталей была значительно большей,

чем при эксплуатации бакинских масел с менее благо­ приятными показателями окисления.

По данным ВТИ [Л. 45], коррозия цветных металлов вызывается продуктами старения турбинных масел в при­ сутствии воды значительно ниже, чем коррозия черных металлов.

На интенсивность коррозии, кроме воды, влияют и другие факторы: температура, нагрузка на подшипники, термоокислительная стабильность масла, характер про­ дуктов окисления [Л. 86, 142]. При повышении темпера­ туры масла ускоряется процесс окисления. Быстрое на­ копление кислых продуктов вызывает повышение интен­ сивности их корродирующего воздействия на металлы. Особенно резко возрастает коррозия цветных сплавов при увеличении температуры выше 100 °С.

Особо стоит вопрос, в какой степени сернистые сое­ динения масла оказывают влияние на его коррозионную агрессивность. Опыты показали, что между количеством природных сероорганических соединений, обычно содер­ жащихся в нефтяных маслах, и их коррозионной агрес­ сивностью нет четкой зависимости. Однако механизмы этих процессов еще нельзя считать вполне изученными

[Л. 85].

в) Посторонние примеси в масле [Л. 77, 86, 94, 143]

Под общим понятием посторонних примесей имеются в виду нежелательные продукты, снижающие эксплуа­ тационные свойства масла. Механическими примесями считают все нерастворенные вещества, находящиеся в масле в виде загрязнений или осадков, которые могут быть задержаны при фильтровании как самого масла, так и его бензинового или бензолового растворов. За­ грязнениями называются посторонние вещества, которые тем или иным путем попали в масло и не вступили с ним в химическое соединение (пыль, волокна тряпок, зола, сажа). Осадками называются нерастворенные (в дан­ ных условиях) продукты распада или старения масла, а также продукты реакции окислов металлов с органи­ ческими кислотами.

Различные механические примеси (осадки и загряз­ нения) всегда перемешаны между собой и представляют обычно липкую массу, обогащенную окислами железа, мылами и смолами. Такая смесь называется шламом. Многие компоненты шлама растворимы в горячем мас-

146

ле, но выпадают в осадок при охлаждении. Наблюда­ лись случаи, когда горячее, и внешне совершенно про­ зрачное масло при циркуляции через маслоохладители оставляло на холодных стенках трубок обильный шлам, бывший до этого в растворенном состоянии. На различ­ ной растворимости части шлама в горячем н холодном масле основан и способ его выявления: отбирается про­ ба масла из системы смазки работающей турбины и по­ степенно охлаждается до 12—15 °С. Помутнение масла будет свидетельствовать и о наличии в нем растворимо­ го шлама. Такое масло считается ненадежным, и его следует сменить при первой возможности.

Нормы на содержание растворимого в масле шлама еще не установлены. В свежем масле механические при­ меси должны отсутствовать, в эксплуатационном содер­ жание веществ, нерастворимых в нормальном бензине, не должно превышать 0,1%. Метод количественного оп­ ределения механических примесей по ГОСТ 6370-59 тре­ бует не менее 2 суток, поэтому в настоящее время рядом организаций (ВТУЗ ЛМЗ, ВТИ) разработаны экспрессметоды для количественной оценки загрязненности тур­ бинного масла.

Масло содержит определенное количество растворен­ ных примесей, в частности первичные и вторичные про­ дукты окисления его: низкомолекулярные водораствори­ мые кислоты, высокомолекулярные кислоты, раствори­ мые в масле и практически нерастворимые в воде, фенолы, асфальтены, смолы, мыла органических кислот и др.

Следует отметить, что не все смолистые вещества яв­ ляются посторонними примесями. Содержание в масле некоторого количества смол (до 1%) даже необходимо, так как они способствуют стабильности масла, являясь естественными антиокислителями.

Специфическим загрязнителем масла является сера. В турбинных маслах из сернистых нефтей восточных районов СССР активной (свободной) серы не содержит­ ся. Сера входит в структуру органических соединений и находится как бы в скрытом состоянии. Иногда (при не­ кондиционной очистке масла) встречаются и непрочные сернистые ингредиенты, увеличивающие коррозионную активность масла. Благодаря селективной и гидрогенизационной очистке масляных дистиллятов сернистых неф­ тей в товарных турбинных маслах содержание серы даже в малоактивных соединениях обычно не превыша­

ет 0,6— 1,0%. В гидроочищенном масле обычно содер­ жится меньше серы (до 0,2—0,3%), чем в масле фе­ нольной очистки (0,5—0,7%).

В состав примесей, содержащихся в масле, входят как органические, так и неорганические соединения. Не­ органическая часть (называемая также зольной частью примесей) характеризует содержание в масле солей органических и минеральных кислот, продуктов корро­ зии и износа металлов, шеллака, пыли, отбеливающих земель и других несгораемых примесей. Заметное коли­ чество золы получается только в плохо очищенных мас­ лах. В свежем турбинном масле марки 22 зольность не должна превышать 0,005% массы. По мере эксплуатации зольность масла растет в основном за счет попада­ ния металлической пыли (износ деталей), загрязнения пылью, вносимой вместе с вентилируемым воздухом из машинного зала (все то, что принято называть пылью, на 70% состоит из кварцевого песка; органическая часть пыли не превышает 25%, окислы железа составляют 3— 5%). Однако накопление зольной части примесей масла идет значительно медленнее, чем накопление органиче­ ской части примесей.

Прозрачность и цвет масла являются важнейшими характеристиками, по которым можно качественно су­ дить о содержании посторонних примесей. Свежие тур­ бинные масла обычно светлого цвета с желтоватым от­ тенком. Несколько темнее цвет у сернистых масел. Характерна зеленая подцветка у гидроочищенных масел.

вплоть до темно-красного. Цвет масла с присадками за­ висит от типа присадок. Быстрое и сильное потемнение масла указывает на его быстрое изнашивание.

Одним из показателей хорошей очистки масла явля­ ется наличие флюоресценции (отсвечивания). Если рас­ сматривать свежее масло в проходящем свете, то на его поверхности всегда бывает голубоватое или зеленоватое отсвечивание. Специфической ярко-зеленой флюоресцен­ цией (иногда с синеватым оттенком) обладают гидро­ очищенные сернистые масла. В окисленных, загрязнен­ ных маслах флюоресценция выражена слабо (матовая или слегка голубоватая) или совсем отсутствует {Л. 77].

Характеристика свежих турбинных масел приведена в приложении 5.

148

3-6. СМАЗЫВАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ МАСЛА

Смазывающая способность масла [Л. 105] определяется различными механизмами, основанными на двух эффек­ тах: объемном и поверхностном. Объемные (физические) эффекты проявляются при жидкостном режиме трения и характеризуются способностью создавать несущий масляный слой, полностью разделяющий трущиеся по­ верхности. Образование такого слоя происходит в ос­ новном за счет важнейшего объемного свойства масла— вязкостного эффекта, обусловливающего в свою очередь гидродинамический эффект, гидростатический и эффект вязкоупругости.

Поверхностные (физико-химические, химические) эф­ фекты проявляются при граничном режиме трения и ха­ рактеризуются способностью создавать на трущихся поверхностях тонкие, но прочные несущие адсорбиро­ ванные слои смазочного вещества (или отдельных его активных компонентов), химические слои окислов, мыл или присадок.

Трение смазанных поверхностей основано на взаимо­ действии системы «металл — масло — металл», которую можно назвать «триадой трения». Эффективность сма­ зочного действия масел зависит не только от его свойств, но и от сложной системы взаимодействия между всеми составляющими «триады трения», а эти взаимодействия определяются многочисленными факторами физическо­ го, химического, геометрического и кинематического свойств. Поэтому нельзя оценивать износные и фрикци­ онные свойства масла безотносительно к конкретным условиям его применения. «Хорошие» по смазывающим свойствам масла в одних условиях применения могут оказаться «плохими» при ином сочетании внешних фак­ торов: режима трения, свойств материала, геометрии трущейся поверхности и др.

Механизм действия граничной смазки достаточно сложен. На чистых, не защищенных пленками (ювениль­ ных) поверхностях трения создается сильное электроста­

тическое силовое поле. При достаточно тесном сближе-

о

нии таких поверхностей (5— 10 А) возникают огромные силы взаимного притяжения (до 200 000 -105 Па), обус­ ловливающие ювенильное трение. При обработке метал­ лических поверхностей в воздухе они покрываются пер-

О

вичной пленкой окислов (10—50 А). Пленки окислов

149