Как измерить щелочное число масла

Автор представляет принципы ИК спектроскопии в отношении измерений общего кислотного числа и общего щелочного числа, показывает преимущества данного метода и приводит отдельные примеры его применения для различных типов двигателей и смазочных материалов. Деградация машинного масла со временем — это неизбежный процесс. Тепловой и механический стресс, совместно с неизбежным загрязнением, приводят к тому, что масло достигает некоторой точки, когда оно не может более выполнять свою функцию смазывающего материала.

Дизельные двигатели — одно из самых напряженных областей для смазочных материалов, поскольку высокие температуры и тепловой стресс в двигателях приводит к быстрому образованию продуктов окисления. Таким образом, в масла, используемые в дизельных двигателях необходимо вводить пакет с высокощелочными присадками, чтобы нейтрализовать образовавшиеся кислоты до того, как они образуют шлам или лакообразные отложения и приведут к коррозии машины.

Для этого типа масла диапазон окислительной деградации создается, а различное количество воды усредняется в образцах. Значения общего кислотного числа для всех этих образцов находится титрованием по стандарту ASTM D, а ИК спектры каждого образца регистрируются. Так как калибровка должна быть устойчивой для ряда образов, она тестируется на других маслах этого типа. Проверочный набор образцов генерируется подобно тому, как создавался калибровочный набор, как описано выше.

Поскольку существует сложная смесь образовавшихся кислот, поэтому нельзя выделить один единственный пик поглощения, который бы коррелировал непосредственно с параметром общее щелочное число, но малозаметные изменения во всем спектре могут быть обнаружены и использованы для установления корреляция с общим щелочным числом.

Данная калибровка создается из одного масла, а затем проверяется для других масел данного типа и образцов работающего масла, когда доступно. Когда масло выбрано, матрица деградированных образцов создается из этого масла. Эта матрица образца включает диапазон ожидаемых значений общего кислотного числа, деградации и загрязнений, которые могли бы быть в действительности для этих типов масел.

Повторяемость является изменяемостью измерений одного и того же образца, выполненных одним и тем же оператором на одном и том же оборудовании. Воспроизводимость — сравнение независимых анализов.

В принципе всегда есть предпочтительная последовательность действий, которая позволяет сделать так, чтобы эти образцы более полно представляли сложный цикл масел, находящихся в работе и, таким образом, обеспечивали бы наиболее точное предсказания. Рисунок 9 показывает предсказываемый вектор для этих масел для дизельных двигателей на морском транспорте. Значение общего щелочного числа само по себе получают из линейной мультипликации данного вектора с действительным инфракрасным спектром.

Более 15 лет мы организовываем отделы надежности в бумажной отрасли, металлургии, энергетике, нефтехимии, машиностроении и прочих отраслях. Значения общего кислотного числа и общего щелочного числа обычно используются для измерения деградации машинных масел для того, чтобы избежать износа машины, коррозии, лакообразования, засорения фильтров и других проблем.

Для этих масел производителя определяют верхний и нижний предел общего кислотного числа в соответствии с тем, как общее кислотное число изменяется в масле. Как показано на рисунке 7 приведены графики спектров используемого масла относительно чистого поглощение в области см-1 уменьшается до минимального уровня, постепенно с истощением присадок в масле. Рисунок 8 показывает, что значения общего кислотного числа, полученные из ИК спектров имеют хорошую корреляцию с данными, полученными по стандарту ASTM D, указывая, что инфракрасный мультивариантный анализ способен рассчитывать и правильно взвешивать различные наблюдаемые спектральные эффекты.

Данные результаты показывают прекрасную точность относительно методом лабораторного титрования за весь период времени. Спектральные изменения для тяжелых редукторных масел относительного новых масел показывают, как увеличение, так и уменьшение поглощения на различных частотах по мере деградации в масле. Данные получены с помощью анализатора FluidScan. Соотношение между значениями общего кислотного числа, полученными по ASTM D и инфракрасным методом для тяжелого редукторного масла.

Эти методы занимают достаточно много времени: Также необходимо учесть время на наладку, пробоподготовку, проверку прибора, очистку и утилизацию отходов.

Вот почему проводится мониторинг общего щелочного числа дизельных двигателей. Применительно к морским дизелям, на общее щелочное число больше влияет тип используемого топлива, чем продукты окисления, истощающие присадки. Это связано с тем, что на морском транспорте используются менее строгие требования на содержание серы в используемом топливе, что в результате приводит в необходимости введения в смазывающие материалы пакета присадок с высоким начальным значением общего щелочного числа.

Следовательно, образцы могут быть измерены за короткий интервал времени, и значение тренда будет эффективно. К маслам этого типа относятся трансмиссионные и гидравлические жидкости, а также некоторые редукторные масла. Они состоят из базового масла и присадок, которые придают им высокую стабильность при сдвиге и хорошее течение при низкой температуре. Не смотря на различия в базовой масле и составе присадок, для тех областей спектра, которые отражают изменения с увеличением значения общего кислотного число, ИК спектры этих масел похожи и могут быть классифицированы как принадлежащие к одному типу по классификации SIMCA.

Наконец, чтобы показать стабильность измерений общего щелочного числа с помощью FluidScan со временем, измерялось общее щелочное число в пяти различных дизелях на морском транспорте за период времени с июня по январь на борту этих кораблей помощью переносного прибора FluidScan, что показано в таблице 2.

Для операторов, работающих на месте, которые знают и имеют свежие интересующие их смазочные материалы с помощью данного подхода можно быстро подтвердить сначала принадлежность их набора смазочных материалов к определенному классу.

Увеличение общего щелочного числа в редукторном масле и то, как оно отражается на его инфракрасном спектре. Схема эксперимента включает измерение поглощения смазывающего материала в микронной кювете с использованием спектра пустой кюветы в качестве фонового. Уже сообщалось в общих чертах об ИК подходе к измерению общего щелочного числа моторных масел для поршневых двигателей, благодаря их относительно одинаковому составу, и его использовании в некоторых лабораториях для скрининга общего щелочного числа.

На само измерение требуется приблизительно одна минута. Очевидно, что подход с использованием инфракрасной спектроскопии предлагает возможность существенной экономии средств путем уменьшения трудовых, материальных ресурсов и вредных отходов.

Q предназначен для пользователей, которым необходим простой с использовании, но точный и надежный прибор для работы на месте. Технические характеристики FluidScan приведены в таблице 1. Мониторинг уровня кислотности смазочных материалов по мере их старения традиционно выполнялся методом электрохимического титрования образца масла. Эти методы требуют относительно большого количество образца в районе от 0,1 до 20 г , хорошо обученного технического персонала, средств индивидуальной защиты и утилизации легко воспламеняемых, коррозионно-активных и токсичных реагентов мл на образец, не включая растворитель, требующий для промывки и ополаскивания.

Эти масла имеют значения общего кислотного числа, которые сначала уменьшаются со временем эксплуатации, так как противокислотный пакет присадок медленно истощается. В конце концов, образование кислотсодержащих продуктов перевешивает подавление общего кислотного числа благодаря пакету присадок и общее кислотное число начинает расти.

Значения общего кислотного числа для этих образцов получаются посредством анализа по стандарту ASTM D и вновь созданной калибровки для нахождения общего кислотного числа из ИК спектров. Как видно из данных корреляции, показанных на рисунке 6, общее кислотное число трансмиссионной жидкости может хорошо предсказываться и использованием калибровки для индустриальных масел. Интересна калибровка для типа тяжелых редукторных масел, которые частично применимы в ветряных турбинах.

Следовательно, очень важно, проводить мониторинг уровня кислотности масла по мере его старения. Данный уровень кислотности получают измерением или кислоты в масле общее кислотное число или резерва щелочности масла, оставшейся от присадок общее щелочное число. Традиционно общее щелочное число используется для определения резерва щелочности в дизельных двигателях, а общее кислотное число измеряется прямо для таких систем, как роторы, гидравлика и турбины, где образование кислоты, в некоторой степени, менее интенсивно, чем, если кислота в масле измеряется напрямую.

Типичная калибровочная кривая для турбинных масел показана на рисунке 3. Он показывает несколько различных областей и стадий разрушения масла. Рисунок 4 показывает калибровочную кривую для моторных поршневых двигателей, основанную на различии между различными марками масла и степени деградации. Такая практика дает много данных, которые показывают тренд в уменьшении резерва щелочности и увеличении кислотности масла со временем эксплуатации.

Для семейств моторных масел для дизельных двигателей на морском транспорте и моторных масел для поршневых двигателей существует большое перекрытие в спектрах, когда речь идет о сравнимых значениях общего щелочного числа.

В настоящее время только калибровки по типам масел для отдельных применений конечных пользователей в целом рассматриваются, как количественные. Путем тщательной классификации химического состава смазывающих материалов перед анализом общего кислотного и общего щелочного числа, мы пришли возможности получения количественных данных с помощью инфракрасной спектроскопии.

Однако проведя однажды классификацию, образцы нового, работающего или использованного масла могут постоянно анализироваться без возвращения для справки к этому новому образцу. Не все смазочные масла будут классифицироваться по принадлежности к определенному химическому типу, так как библиотека продолжает расширяться. Для таких случаев необходимо использовать установленные стандарты ASTM для ИК-спектроскопии, чтобы вычислить деградацию масла.

Подход прямой инфракрасной спектроскопии, рекомендуемый компанией BALTECH, не требует пробоподготовки образца, реагентов и растворителей. Существует несколько стандартов ASTM для методов титрования, которые измеряют содержание общего кислотного и общего щелочного числа в смазочных материалах.

Реакция между водой и высоким содержанием серы в топливе приводит к образованию серной кислоты, содержание которой следует постоянно контролировать путем измерения общего щелочного числа. Обычно для дизельных двигателей морских судов, следует контролировать общее щелочное число еженедельно и добавлять свежее масло, чтобы поддерживать высокий уровень присадок. Как основные присадки, содержащиеся в моторных маслах, так и образовавшуюся кислоту можно увидеть, как изменение инфракрасном спектре масла.

Единственное требование состоит в том, чтобы можно было получить качественный спектры с достаточным разрешением в области между приблизительно см-1 и см-1, так как в данных областях могут быть получены калибровки общего кислотного и общего щелочного числа. Анализатор FluidScan от BALTECH - переносной прибор, предназначенный для проведения анализа в полевых условиях, разработан, чтобы обеспечивать качественные результаты измерения общего кислотного и общего щелочного числа.

Данное масло характеризуется сложным изменением со временем: Это достигается с помощью трех ступенчатой процедуры построения библиотеки, классификации образца и мультивариатной техники.

Мы подошли к решению этой проблемы в три этапа. Во-первых, мы собрали сотни новых и использованных масел разных типов и уровней деградации в одной библиотеке. В результате это был получен набор семейств кривых зависимость ИК спектра от значения общего кислотного или общего щелочного числа, которые показывают количественную корреляцию для широкого ряда масел, включая редукторные, индустриальные, машинные масла для морских дизелей, турбинные и масла для поршневых двигателей.

Электрохимическое титрование является традиционным методом измерения этих значений. Однако данный метод сложный и дорогостоящий, требующий относительно больших количеств образца, высококвалифицированного персонала, а также утилизации опасных реагентов. В данной статье рассматривается ИК спектроскопия, как альтернативный метод измерения значений общего кислотного числа и общего щелочного числа с использованием трехступенчатого процесса создания библиотеки, классификации образца и техники мультивариантного анализа.

Как показано на рисунке 1, изменение общего щелочного числа проявляется в ИК спектре, как уменьшение пиков поглощения, относящихся к основным присадкам, которые присутствуют в моторном масле и как изменение стандартных пиков деградации. Типично используемыми присадками являются сульфонаты, феноляты и салицилаты кальция и магния. Все они имеют пики в ИК-спектре в области около и см Продукты окисления обычно имеют пики поглощения в в ИК-спектре в области см Это можно увидеть на рисунке 2, где наблюдается увеличение поглощения в области около см-1, что указывает на увеличение продуктов окисления, нитрования и образования кислот.

Это не является неожиданным, так как главное отличие между этими двумя классами масел — это наличие присадок для поддержания общего щелочного числа, таких как детергенты, мыла и дисперсанты. Основная калибровка для дизельных двигателей на морском транспорте получается из анализа различных работающих и использованных образцов масла для дизельных двигателей коммерческого транспорта, включая автобусы, грузовики и небольшие суда. В отличие от примеров с общим кислотным числом мы должны бы были получить превосходную матрицу образцов из работающих и использованных образцов без дальнейшей обработки масла.

ASTM D описывает потенциометрическое измерение общего кислотного числа для нефтяных продуктов путем титрования раствором гидроксида калия. Общее щелочное число может быть измерено согласно следующим стандартам: Последний используется преимущественно для новых масел, а первый — для определения уменьшения общего щелочного числа в используемых маслах. Воспроизводимость и повторяемость для этих стандартных методов для использованных масел хорошо документирована.

Наоборот подход прямой ИК спектроскопии, не требует пробоподготовки образца, не нужны ни какие реагенты и растворители. Для выполнения анализа необходимо лишь 0,03 мл образца, а для очистки необходимо рабочая тряпка или полотенце.

Конечный результат состоит в том, что путем тщательной классификации химического состава смазочных материалов перед вычислением общего кислотного или общего щелочного числа, мы можем прийти к количественным данным с помощью инфракрасной спектроскопии.

Кислота образуется, что приводит к увеличению общего кислотного числа, что проявляется одинаково для этих масел. Это позволяет использовать одну калибровку, чтобы вычислить значение общего кислотного числа из ИК спектров образца.

Данные продукты окисления приводят к коррозии смазываемых маслом частей машин и образованию отложений и шлама, которые быстро забивают масляные фильтры.

На данном этапе предсказывается, что для этого подхода необходимо иметь свежий образец масла для того, чтобы определить его химическую принадлежность к определенному типу и таким образом обеспечить количественные данные для общего кислотного и общего щелочного числа для работающего или использованного масла.