Ograde

Kako kontaminacija ulja utiče na hidraulične sisteme

U hidrauličnom sistemu, ulje prenosi radnu energiju, podmazuje pokretne delove, odvodi toplotu, zaptiva zazore između komponenata, štiti od korozije, i još dosta toga. Drugim rečima — ulje je i radni medijum i servisni fluid u jednom.

Upravo zato, kada se ulje kontaminira, ne postoji samo jedan problem. Posledice su kumulativne, međusobno se pojačavaju i napadaju sistem sa više strana istovremeno.Veliki svetski proizvođači hidrauličnih komponenata, saglasni su u oceni da stanje ulja, tj loše karakteristike stoje iza 70 do 80% svih zastoja i skraćenog veka hidraučličnih komponenata. Dominantan uzrok su kontaminanti: čvrste čestice, voda i vazduh.

Odakle dolazi kontaminacija

Kontaminacija hidrauličnog sistema dolazi iz tri osnovna izvora.

Novo (kontaminirano) ulje. Ovo je najčešće potcenjen izvor kontaminacije. Kada se vrši punjenje ili dopunjavanje hidrauličnog sistema, pretpostavlja se da je novo ulje čisto. Međutim, ulje se transportuje i skladišti u buradima i cisternama pre nego što dođe do sistema, i ta putanja nosi rizike. Novo ulje nije nije u skladu sa zahtevanim klasama čistoće savremenih hidrauličnih komponenata i trebalo bi se filtrirati pre punjenja sistema.

Spoljašnja kontaminacija. Čestice iz okolnog vazduha ulaze u sistem kroz oduške rezervoara, zaptivke, brisače klipnjača cilindara, kao i pri svakom otvaranju sistema za servis i zamenu komponenata.

Interno generisana kontaminacija. Kontaminacija nastaje i unutar samog sistema. Habanjem pokretnih delova nastaju metalne čestice koje cirkulišu kroz sistem, temperaturne oscilacije uzrokuju kondenzaciju i unos vode, dok oksidacija ulja sa vremenom stvara meke naslage na unutrašnjim površinama.

Izvor: RMF Systems, Introduction to Oil Cleanliness

Pet vrsta kontaminanata i njihov uticaj

1. Čvrste čestice

Čvrste čestice su najrasprostranjeniji i najdirektniji uzrok mehaničkih oštećenja u hidrauličnim sistemima. Prisustvo čvrstih čestica kao što su metal, pesak, guma, ali i soli i kristali leda, mogu se prepoznati po:

  • prisustvu nečistoće u rezervoaru
  • oštećenim zaptivkama
  • začepljenim ventilima
  • ubrzanoj oksidaciji i degradaciji ulja

Čvrste čestice mogu uzrokovati sledeće probleme: abraziju, adheziju, površinski zamor, eroziju i taloženje čestica.

Zazori između pokretnih delova u hidrauličnim komponentama su mikroskopski mali, i predstavljeni su u tabeli.

Komponenta Detalj Zazor
Ventili Servo ventil 1–4 μm
Ventili Proporcionalni ventil 1–6 μm
Ventili Razvodni ventil 2–8 μm
Klipne pumpe promenljivog kapaciteta Klip i cilindrični otvor 5–40 μm
Klipne pumpe promenljivog kapaciteta Razvodna ploča i blok cilindra 0,5–5 μm
Krilne pumpe Vrh lopatice i kućište 0,5–1 μm
Krilne pumpe Bočna strana lopatice i kućište 5–13 μm
Zupčaste pumpe Vrh zupca i kućište 0,5–5 μm
Zupčaste pumpe Zubac i bočna ploča 0,5–5 μm
Kuglični ležajevi Debljina mazivog filma 0,1–0,7 μm
Valjkasti ležajevi Debljina mazivog filma 0,1–1 μm
Klizni ležajevi Debljina mazivog filma 0,5–100 μm
Zaptivka Zaptivka i osovina 0,05–0,5 μm
Zupčanici Kontaktne površine zubaca 0,1–1 μm

Izvor: RMF Systems, Introduction to Oil Cleanliness; prema ASME Wear Handbook

Ljudsko oko detektuje čestice veće od otprilike 40 µm. Čestice koje oštećuju hidraulične sisteme su uglavnom ispod 40 µm — potpuno nevidljive golim okom. Da bi ovo stavili u kontekst: zrno soli ima prečnik oko 100 µm, polenska zrna oko 25 µm, a prosečna bakterija 0,1–3 µm.

Uređaji za filtraciju koji se standardno ugrađuju u hidraulične sisteme uklanjaju čestice krupnije od 3 µm, ali fine čestice koje su manjih dimenzija  stvaraju mulj koji prolazi kroz standardne filtere i akumulira se u sistemu. Upravo te najsitnije čestice, nanose najviše štete komponentama.

Mehanizmi oštećenja

Abrazija nastaje kada krupnija čestica upadne između dve pokretne površine i mehanički oštećuje obe. Posledice su povećanje zazora između komponenata, propuštanje ventila i pad efikasnosti.

Adhezija nastaje kada debljina mazivog filma opadne do tačke pri kojoj dolazi do direktnog kontakta metal-na-metal. Površine se spajaju i kidaju — što dovodi do propuštanja ventila, pada efikasnosti i otkaza komponente. Najizloženiji su hidraulični cilindri i ležajevi.

Zamor materijala nastaje kada čestice udaraju u metalnu površinu i stvaraju riseve, koje se ponavljanim udarima pretvaraju u pukotine. Kada se pukotina dovoljno razvije, deo metalnog materijala se oslobađa — i postaje nova čestica koja nastavlja da oštećuje sistem.

Erozija je uklanjanje materijala sa površina udarima čestica koje nosi struja ulja pod pritiskom. Najosetljivije su pumpe, servo i proporcionalni ventili i mlaznice.

Taloženje materijala je akumulacija sitnih čestica u uskim prolazima unutar komponenata. Posledice su zagušeni ventili, spora ili nestabilna reakcija sistema, zaglavljeni klipovi u ventilima, pregaranje elektromagneta i poremećaj prenosa toplote.

2. Voda

Voda u ulju je podmukao kontaminant jer u malim koncentracijama nije uopšte vidljiva. Ulje može da apsorbuje određenu količinu vode, kada se molekuli vode vezuju za molekule ulja, a fluid ostaje bistar. Tačka zasićenja, tj. maksimalna količina adsorbovane vode, iznosi između 200 i 600 ppm, zavisno od tipa ulja i temperature. Pri višoj temperaturi ulje zadržava više vode; sa padom temperature, višak vode se izbacuje iz rastvora i prelazi u slobodnu fazu.

Kada se koncentracija vode prekorači, ulje prelazi u emulziju i poprima mlečni izgled. Daljim povećanjem sadržaja vode emulzija se razlaže i voda se izdvaja kao slobodna faza, koja se zbog veće gustine taloži na dnu rezervoara.

Koncentracija vode u hidrauličnom fluidu označava se kao RH procenat (relativna vlažnost), ppm (delovi na milion) ili % (procentualni udeo po masi ili zapremini). 

Vrednost RH od 100% označava tačku pri kojoj ulje više ne može da zadrži vodu u dispergovanom stanju i počinje da se izdvaja slobodna faza. Cilj je da se sistem drži što dalje od te granice. Za mineralna hidraulična ulja klase H, HL, HLP i HVLP preporučuje se maksimalna vrednost od 40–50% RH pri radnoj temperaturi. Dielektrična ulja imaju znatno niže tačke zasićenja — između 30 i 50 ppm — i zahtevaju stroži nadzor.

Kako voda utiče na sistem?

Prva posledica je promena viskoznosti, što direktno smanjuje debljinu mazivog filma i dovodi do kontakta metal-na-metal. Slobodna voda u kombinaciji sa sitnim česticama bakra ili gvožđa nastalim habanjem deluje kao katalizator oksidacije — taj katalitički efekat dramatično ubrzava oksidaciju ulja. Istraživanja pokazuju da mešavina ulje+voda+gvožđe ubrzava oksidaciju ulja oko 47 puta u poređenju sa čistim uljem, dok mešavina ulje+voda+bakar taj broj povećava na 66 puta.

Slobodna voda prodire u mikroskopske pore na metalnim površinama i izaziva koroziju. Korozivne čestice se rasipaju sistemom, izazivaju novu koroziju koja se širi kroz sistem. Pored toga, voda ubrzava zamor površine ležajeva, razgrađuje aditive u ulju i ubrzava hemijsko starenje fluida.

Na temperaturama ispod nule, slobodna voda u ulju formira kristale leda koji imaju razorni efekat na precizne zazore u komponentama

Procena rizika kao osnov odabira zaštitne mere

Standard ISO 14120 i domaći pravilnik eksplicitno propisuju da osnovu za izbor zaštitnog sistema mora uvek biti procena rizika. Procenom se utvrđuje:

  • Vrsta i intenzitet opasnosti (kretanje, udar, ispadanje delova pod pritiskom, elektromagnetske smetnje, jonizujuće zračenje i sl.)
  • Verovatnoća i težina povrede u slučaju kontakta
  • Broj i kategorija lica izloženih riziku
  • Frekvencija pristupa opasnoj zoni

Na osnovu ovih parametara bira se vrsta zaštitnog sistema: pasivna fizička ograda, aktivni bezbednosni sistem (svetlosne zavese, skener, rampa), ili kombinacija oba.

3. Vazduh

Vazduh u hidrauličnom sistemu postoji u rastvorenom i slobodnom stanju. Rastvoren vazduh ne stvara probleme. Slobodan vazduh — u vidu mehurića — direktno narušava funkcionisanje sistema.

Hidraulika počiva na pretpostavci da je fluid praktično nestišljiv. Vazduh je mnogo stišljiviji od ulja, pa kada ga ima u sistemu, pumpa deo energije troši na kompresiju mehurića umesto na koristan rad. Reakcija cilindara postaje spora, i neprecizna.

Kompresija vazdušnih mehurića generiše lokalne temperaturne pikove koji mogu uništiti aditive u ulju i degradovati sam fluid. Oba agregatna stanja vazduha — i rastvoren i slobodan — izvor su oksidacije koja ubrzava koroziju metalnih delova i pojačava taloženje čestica i mulja. Pena na površini ulja u rezervoaru je pouzdan indikator prisustva slobodnog vazduha.

4. Meke nataložene nečistoće 

Meke nečistoće nastaju kao produkt oksidacije i termičke degradacije ulja. Kontaminirani fluid koji sadrži metalne čestice i vlagu oksiduje, što dovodi do hemijskog propadanja ulja i rasta kiselinskog broja (TAN — Total Acid Number). Kako TAN raste, na metalnim površinama počinje da se formira lepljiva, tvrda prevlaka — varnish.

Varnish hvata čestice iz struje ulja, nastavlja da raste i na kraju formira abrazivne naslage na unutrašnjim površinama sistema: cevima, ventilima, izmenjivačima toplote i filterskim elementima. Pored varnisha, oksidacija daje i mulj — meku, tamnu supstancu (sludge) koja se taloži na dnu rezervoara, začepljuje ventile i podiže radnu temperaturu sistema.

Obe pojave direktno smanjuju vek trajanja ulja, filtera i komponenata i uzrokuju neplanirane zastoje, naročito kod turbinskih postrojenja.

5. Kiseline

Oksidacija — hemijska reakcija između kiseonika i ugljovodoničnih molekula u ulju — primarni je uzrok hemijskog starenja hidrauličnog ulja. Nivo oksidativne degradacije prati se kiselinskim brojem, koji predstavlja količinu kalijum hidroksida u miligramima potrebnu za neutralizaciju kiselina u jednom gramu ulja.

Kako kiselost raste, ulje tamni, viskoznost se povećava, a taloženje varnish-a i sludge-a se intenzivira. Ove kiseline napadaju metalne površine i zaptivke, ubrzavaju koroziju i dodatno razgrađuju paket aditiva.

Merenje čistoće ulja — ISO 4406

Čistoća hidrauličnog ulja kvantifikuje se standardom ISO 4406, koji definiše broj čestica u tri veličinska opsega — veće od 4 µm, veće od 6 µm i veće od 14 µm — na 100 ml uzorka ulja. Rezultat se iskazuje kao tri broja razdvojena kosom crtom, na primer 18/16/13. 

Svaki broj predstavlja opseg broja čestica u odgovarajućem veličinskom razredu — što je broj viši, više čestica ima u uzorku. Svaka promena broja za jedan znači otprilike duplo manje ili više čestica u tom razredu. Broj 18 na primer odgovara opsegu od 130.000 do 250.000 čestica na 100 ml, broj 16 opsegu od 32.000 do 64.000, a 13 opsegu od 4.000 do 8.000 čestica.

Korisnici hidrauličnih sistema ponekad nemaju predstavu o značaju povećanja broja čestica sa, na primer, potrebne klase čistoće ISO 19/17/14, za samo dve klase, na ISO 21/19/16. Iako je klasa čistoće promenjena za samo dva broja, broj čvrstih čestica u ulju povećan je 4 puta. A ako se ulje ne filtrira, pa se u nekom periodu klasa čistoće poveća na ISO 22/20/17, broj čvrstih čestica postaje 8 puta veći od dozvoljenog.

Svaka hidraulična komponenta ima ciljani nivo čistoće ulja koji definiše njen proizvođač. Zahtevana klasa čistoće zavisi od tipa i osetljivosti komponente. Što je komponenta osetljivija i radni pritisak viši, zahtevi za čistoćom su stroži. Tabela prikazuje preporučene klase čistoće po standardu ISO 4406 za najčešće tipove hidrauličnih komponenata, u zavisnosti od radnog pritiska i uslova eksploatacije.

Nizak/srednji pritisak
140 bar i niže 		Visok pritisak
140–210 bar 		Veoma visok pritisak
210 bar i više
Umereni uslovi Teški uslovi Visoki pritisci i teški uslovi
PUMPE
Zupčaste/krilne pumpe fiksnog kapaciteta 20/18/15 19/17/14 18/16/13
Klipne pumpe fiksnog kapaciteta 19/17/14 18/16/13 17/15/12
Krilne pumpe promenljivog kapaciteta 18/16/13 17/15/12 Nije primenjivo
Klipne pumpe promenljivog kapaciteta 18/16/13 17/15/12 16/14/11
VENTILI
Nepovratni ventili 20/18/15 20/18/15 19/17/14
Razvodni ventili 20/18/15 19/17/14 18/16/13
Standardni protočni ventili 20/18/15 19/17/14 18/16/13
Kartrič ventili 19/17/14 18/16/13 17/15/12
Proporcionalni ventili 17/15/12 17/15/12 16/14/11
Servo ventili 16/14/11 16/14/11 15/13/10
AKTUATORI
Cilindri, krilni motori, zupčasti motori 20/18/15 19/17/14 18/16/13
Klipni motori, kose ploče, zupčasti motori 19/17/14 18/16/13 17/15/12
Hidrostatički pogoni 16/15/12 16/14/11 15/13/10
Ispitne stanice 15/13/10 15/13/10 15/13/10
LEŽAJEVI
Klizni ležajevi 17/15/12 Nije primenjivo Nije primenjivo
Industrijski reduktori 17/15/12 Nije primenjivo Nije primenjivo
Kuglični ležajevi 15/13/10 Nije primenjivo Nije primenjivo
Valjkasti ležajevi 16/14/10 Nije primenjivo Nije primenjivo

Izvor: RMF Systems, Introduction to Oil Cleanliness

Ekonomske posledice kontaminacije

Direktna veza između čistoće ulja i veka trajanja opreme jasno se vidi na primeru dve identične instalacije sa pumpom kapaciteta 250 l/min, u radu 24 sata dnevno, 7 dana u nedelji. 

Uzorak od 100 ml ulja pokazuje da prvi sistem ima klasu čistoće ISO 23/21/18, a drugi ISO 16/14/11. Kroz pumpu prvog sistema prolazi godišnje 4.375 kg nečistoće — očekivani vek pumpe je oko 2 godine. Kroz pumpu drugog sistema prolazi svega 25 kg nečistoće godišnje. Na osnovu tabele faktora produžetka veka, očekivani vek pumpe u čistijem sistemu iznosi više od 14 godina.

Izvor: RMF Systems, Introduction to Oil Cleanliness (Tabela prikazuje za koliko se puta produžava vek trajanja komponenata prelaskom sa trenutne na višu klasu čistoće ulja.)

Pored direktnog uticaja na vek komponenata, kontaminacija nanosi štetu i kroz skraćeni vek ulja. Ulje koje ne zadovoljava parametre čistoće mora se menjati ranije — a odlaganje kontaminiranog ulja košta višestruko više od nabavke novog. Procenjuje se da je cena odlaganja otpadnog ulja i do 5 puta veća od cene novog.

Pored toga, svaki neplanirani zastoj nosi troškove zastoja mašine, troškove hitnih popravki i troškove rada. Kod manjih pogona ti iznosi su merljivi, ali kod fabrika gde jedna linija generiše veću vrednost u toku jednog sata, trošak posledičnog zastoja izazvanog kontaminiranim uljem višestruko nadilazi sva ulaganja u preventivu.

Kako Tecosesa pristupa ovom problemu

Tecosesa d.o.o. je distributer Des-Case i RMF Systems rešenja za kontrolu čistoće ulja — od filtracije i dehidracije do praćenja stanja ulja u realnom vremenu. U zavisnosti od tipa i intenziteta kontaminacije, rešenje se bira prema konkretnom problemu.

Za kontrolu čvrstih čestica koriste se off-line jedinice serije OLU (RMF Systems) koje se montiraju paralelno sa glavnim sistemom, crpe ulje iz rezervoara, filtriraju ga i vraćaju nazad, i mogu raditi čak i dok je glavni sistem isključen. Za pokretnu hidrauličnu opremu — bagere, utovarivače, šumarske i poljoprivredne mašine — dostupne su by-pass jedinice koje se priključuju na postojeći hidraulični krug i kontinuirano filtriraju deo ulja bez uticaja na rad sistema.

Za vlagu se koriste filter odušci koji sprečavaju unos vlage kroz odušak rezervoara, kao i vakuumski dehidatori koji uklanjaju vodu, gasove i čvrste čestice iz ulja u eksploataciji. Tecosesa pruža i usluge vakuumske dehidracije i filtracije ulja na terenu — ulje se dovodi u zahtevanu klasu čistoće bez potrebe za zamenom istog.

Za praćenje stanja ulja tu su CLPC uređaji koji daju analizu čistoće po ISO 4406 standardu, uključujući merenje relativne vlažnosti (RH%). Pored toga, Tecosesa pruža i usluge analize ulja — za klijente kojima je potreban uvid u stvarno stanje sistema.

Zaključak

Kontaminacija ulja u hidrauličnim sistemima je hronični proces koji napreduje tiho, dok se posledice ne manifestuju u vidu havarija, pada preciznosti, preranog habanja ili potpunog otkaza sistema. Čvrste čestice lančano povećavaju sopstveni broj dok habaju komponente. Voda ubrzava oksidaciju ulja i oštećuje ležajeve. Vazduh narušava preciznost i ubrzava degradaciju fluida. Kiseline i meke naslage blokiraju ventile i povećavaju radnu temperaturu.

Razumevanje ovih mehanizama je prvi korak ka efektivnoj kontroli kontaminacije. Drugi korak je merenje i praćenje — bez podataka o klasi čistoće ulja, nema osnove za donošenje odluka o intervenciji.