Основные химмотологические требования к нефтяным маслам

Смазочные масла, применяемые практически во всех областях техники, в зависимости от назначения выполняют следующие основные функции: уменьшают коэффициент трения между трущимися поверхностями, снижают интенсивность изнашивания, защищают металлы от коррозии, охлаждают трущиеся детали, уплотняют зазоры между сопряженными деталями, удаляют с трущихся поверхностей продукты изнашивания.

Несмазочные масла служат рабочими жидкостями в гидравлических передачах, электроизоляционной средой в трансформаторах, конденсаторах, кабелях, масляных выключателях, используются для приготовления смазок, присадок и т. п.

В товарном ассортименте более 400 марок масел различного назначения, однако широко распространено лишь ограниченное число марок. По источнику сырья масла подразделяются на

дистиллятные, полученные из соответствующих масляных фракций вакуумной перегонки мазута;

остаточные, полученные из остатка вакуумной перегонки мазута, т. е. из гудрона;

компаундированные, полученные при смешении дистиллятного и остаточного компонентов;

загущенные, полученные введением в базовые масла загущающих полимерных присадок (в марках масел обозначаются индексом «З»).

По способу очистки различают масла кислотно-щелочной, кислотно-контактной, селективной и адсорбционной очистки и гидроочистки (или гидрокрекинга). Основное количество масел производят с использованием процессов селективной очистки и депарафинизации.

Основными показателями качества всех смазочных масел являются вязкость и ее изменение с температурой (вязкостно-температурные свойства); температура застывания; устойчивость против окисления кислородом воздуха (химическая стабильность); смазочная способность; защитные и антикоррозионные свойства. Кроме того, к различным группам масел, например несмазочных, в зависимости от назначения предъявляются специфические требования.

Вязкость и вязкостно-температурные свойства масел зависят от их фракционного и химического состава. С повышением температуры кипения масел их вязкость возрастает. Остаточные масла более вязкие, чем дистиллятные. Парафиновые углеводороды нормального строения характеризуются наименьшей вязкостью. С разветвлением цепи их вязкость возрастает. Циклические углеводороды значительно более вязкие, чем парафиновые. При одинаковой структуре вязкость нафтенов выше, чем аренов. Наибольшую вязкость имеют смолистоасфальтеновые вещества. Важнейшей характеристикой масел является изменение их вязкости с температурой. Чем более полога температурная кривая вязкости, тем выше значение ИВ и более качественно масло (современные масла должны иметь ИВ не менее 90). Индекс вязкости, наряду с температурой застывания, определяет интервал температур, в котором работоспособно масло. Всесезонные масла, например, имеют более высокие значения ИВ, чем летние или зимние. Наибольшим ИВ обладают алканы нормального 69 строения. Для циклических углеводородов характерно улучшение вязкостно-температурных свойств с уменьшением цикличности молекул и увеличением длины боковых цепей. Для получения высокоиндексных масел следует полностью удалять полициклические арены и нафтено-ароматические углеводороды с короткими боковыми цепями и смолисто-асфальтеновые вещества.

Температура застывания масел зависит от содержания в них тугоплавких углеводородов, и прежде всего парафинов и церезинов. Выделяющиеся при низких температурах кристаллы твердых углеводородов образуют пространственную структуру, что приводит к застыванию и потере подвижности масел. Поэтому из масел следует удалять, помимо низкоиндексных, и компоненты, ухудшающие их низкотемпературные свойства.

Химическая стабильность масел. В процессе длительной эксплуатации под воздействием кислорода воздуха образуются (особенно интенсивно при высоких температурах и каталитическом влиянии различных металлов) и накапливаются в маслах различные продукты окисления и конденсации (оксикислоты, смолы, асфальтены, углистые отложения, лаки и др.), которые ухудшают их эксплуатационные свойства. Наилучшей химической стабильностью обладают малоцикличные нафтено-ароматические углеводороды. Смазочная способность масел является важнейшей их характеристикой в условиях работы машин и механизмов при больших нагрузках и малых скоростях. Она определяет способность масла создавать на металлической поверхности весьма прочный, но очень тонкий смазочный слой толщиной всего лишь 0,1–1,1 мкм, т. е. 50…500 молекулярных слоев. Такой тип смазки получил название граничной смазки. Несмотря на ничтожно малую толщину такого слоя, износ материалов при граничной смазке уменьшается в тысячи раз по сравнению с сухим трением. Наилучшей смазочной способностью обладают смолисто-асфальтеновые вещества, некоторые высокомолекулярные сероорганические и кислородсодержащие соединения, которые, с точки зрения других эксплуатационных показателей, в маслах нежелательны и подлежат удалению. Поэтому для улучшения смазочной способности в масла вводят специальные поверхностно-активные присадки.

Защитные и антикоррозионные свойства масел обусловливаются их способностью вытеснять воду с поверхности металла, удерживать ее в объеме смазочного материала и образовывать на нем прочные адсорбционные и хемосорбционные пленки, препятствующие развитию коррозионных процессов. Базовые нефтяные масла не способны дли70 тельно защищать металлы от коррозии. Их защитные свойства улучшают введением небольших количеств ингибиторов коррозии.

Моторные масла. Моторные масла предназначены, как уже отмечалось, для смазки двигателей различных систем. Доля их в общем объеме производства масел составляет: в мире 50 %, в бывшем СССР – 60 %. Стремление форсировать ДВС значительно повысило требования к качеству моторных масел, работающих на высокотемпературном режиме. Отечественные товарные моторные масла в соответствии с ГОСТ 17479–72 обозначаются при маркировке буквой М с указанием класса вязкости (по значению í100) и группы по эксплуатационным свойствам буквами А, Б, В, Г, Д и Е с индексом 1 или 2, означающим применимость их соответственно к бензиновым или дизельным двигателям. В зависимости от жесткости (форсированности) работы ДВС масла дифференцируют на следующие группы: А – для нефорсированных двигателей, Б – малофорсированных, В – среднефорсированных, Г – высокофорсированных бензиновых и дизельных двигателей, Д – для высокофорсированных дизелей, работающих в тяжелых условиях, Е – для малооборотных дизелей с лубрикаторной системой смазки. Например, М-10Г1 – это моторное масло для смазки высокофорсированных карбюраторных двигателей с вязкостью í10010±0,5 сСт; М-43/8В2 – масло предназначено для смазки среднефорсированных дизелей с вязкостью í1008±0,5 сСт, содержит загущающие присадки. Основные характеристики наиболее распространенных марок масел приведены в табл. 1.12.

Трансмиссионные и осевые масла. Трансмиссионные масла используются для смазки агрегатов трансмиссий транспортных машин и промышленных редукторов. Агрегаты трансмиссий транспортных машин предназначены для передачи мощности от двигателя к движителю (колесу, гусенице, гребному валу и т. д.). Они подразделяются на механические и гидравлические. Механическая трансмиссия состоит обычно из сцепления, коробки передач, карданной передачи и ведущего моста. На автомобилях повышенной проходимости (с двумя или более ведущими мостами) в трансмиссию дополнительно включают раздаточные коробки и коробки отбора мощности. К числу основных агрегатов механических трансмиссий различных типов (цилиндрических, конических, червячных, гипоидных и др.), смазываемых маслом, относятся коробка передач, ведущий мост, коробка отбора мощности и раздаточная коробка. Таблица 1.12 – Основные характеристики некоторых моторных масел

Гидравлическая трансмиссия состоит из гидромуфты, гидротрансформатора, шестеренчатой (или гидромеханической) коробки передач и системы автоматического регулирования. Промышленные редукторы состоят из зубчатых или червячных передач, выполненных в виде отдельного агрегата.

Трансмиссионные масла предназначены для предотвращения или снижения износа элементов пар трения под действием высоких нагрузок, уменьшения вибрации и шума, защиты их от ударных нагрузок, удаления из зоны трения продуктов износа и отвода избыточного тепла. Они должны обладать наряду с высокой смазывающей способностью хорошими вязкостно-температурными свойствами. Масла гидравлических трансмиссий помимо своего основного назначения служат и гидравлической средой, заполняющей систему.

В зависимости от напряженности работы передач, согласно ГОСТ 17479–85, установлены следующие 5 групп трансмиссионных масел: ТМ1, ТМ2 и ТМ3 – для прямозубых, спирально-конических и червячных передач, работающих при контактных напряжениях соответственно до 1600, 2100 и 2500 МПа и температуре масла в объеме до 90, 130 и 150 °С соответственно; ТМ4 и ТМ5 – соответственно для умеренно- и высоконагруженных гипоидных передач при объемной температуре до 150 °С.

В зависимости от вязкости трансмиссионные масла подразделяются на следующие 4 класса:

Например, трансмиссионное масло марки ТМ3 -18 означает, что масло 3-й группы с вязкостью при 100 °С от 14 до 24,9 сСт. Основные характеристики некоторых марок трансмиссионных масел приведены в табл. 1.13 (в скобках указана старая маркировка).

Осевые масла предназначены для смазывания осей колесных пар железнодорожных вагонов и тепловозов, тендеров паровозов с подшипниками скольжения, подшипников электровозов и других узлов трения подвижного состава железнодорожного транспорта и некоторых промышленных механизмов. Они представляют собой неочищенные мазуты Эмбенских, Ярегских и некоторых других нефтей. Их изготовляют без присадок следующих марок: летнее «Л», зимнее «З» (с tЗ ≤ 40 °C) и северное «С» (с tЗ ≤ 55 °C).

Индустриальные масла. Доля индустриальных масел в общем объеме производства смазочных масел в бывшем СССР превышает 30 %. Их ассортимент велик и насчитывает более 90 наименований. В марках всех индустриальных масел цифра показывает значение кинематической вязкости при 50 °С. В зависимости от области применения они подразделяются на 2 группы – общего и специального назначения. Индустриальные масла общего назначения (табл. 1.14) служат для смазывания наиболее широко распространенных узлов и механизмов оборудования различных отраслей промышленности. Представляют собой очищенные дистиллятные и остаточные масла или их смесь. Масла серии «И» не содержат в своем составе присадок, а серии «ИГП» содержат антиокислительную, противоизносную, противокоррозионную и противопенную присадки. Индустриальные масла специального назначения обычно содержат присадки и предназначены для использования в узких или специфических областях.

Энергетические масла (турбинные, компрессорные, трансформаторные и цилиндровые). Турбинные масла применяют для смазки и охлаждения подшипников, турбоагрегатов, маслонапорных установок гидротурбин, судовых паротурбинных установок и др. Турбинные масла должны прежде всего обладать хорошей стабильностью против окисления при рабочей температуре (60…100 °С и выше); обеспечивать длительную бессменную (несколько лет) работу без выделения продуктов окисления, а также иметь низкую стойкость эмульсии с водой и не образовывать пены.

Такие свойства турбинных масел обеспечиваются глубокой селективной или кислотно-контактной очисткой или введением композиции присадок, улучшающих антиокислительные, антикоррозионные, деэмульгирующие, антипенные и прочие свойства. С учетом этого выпускаются две группы турбинных масел – масла без присадок (Т-22, Т-30 и Т-46) и масла с присадками (табл. 1.15). Турбинные масла без присадок вырабатываются из малосернистых беспарафинистых нефтей.

Компрессорные масла предназначены для смазки различных узлов и деталей (цилиндров, клапанов и др.) компрессорных машин, а также для создания уплотнительной группы. Требования к качеству компрессорных масел примерно аналогичны требованиям, предъявляемым 76 к качеству моторных масел. Для смазки компрессоров используют нефтяные масла (см. табл. 1.15), различающиеся по вязкости и области применения.

Электроизоляционные масла, к которым относятся трансформаторные, конденсаторные и кабельные, представляют собой специфическую группу несмазочных масел, являются жидкими диэлектриками. Основным их назначением является изоляция токонесущих частей электрообуродования, гашение электродуги в выключателях, а также отвод тепла. В наибольших количествах и ассортименте производят трансформаторные масла.

Цилиндровые масла предназначены преимущественно для смазывания горячих деталей паровых машин. Они представляют собой дистилляты щелочной очистки или остаточные масла сернокислотной или селективной очистки без присадок. Легкие масла цилиндровые 11, 24 (цифра показывает значение вязкости при 100 °С) предназначены для смазывания цилиндров и золотников паровых машин, работающих насыщенным паром. Тяжелые цилиндровые масла 38 и 52 используют для машин, работающих перегретым паром соответственно до 350 и свыше 350 °С.

Присадки к маслам. В связи с ужесточением требований различных видов техники к эксплуатационным свойствам смазочных масел, в мировой нефтепереработке со второй половины XX в. наблюдается тенденция к непрерывному увеличению количества и ассортимента выпускаемых присадок к маслам. Присадками называют вещества, которые добавляют к маслу в количестве от тысячных долей до 10…12 % для улучшения одного или нескольких показателей его качества. Присадки не только улучшают эксплуатационные свойства масел, но и существенно снижают расход последних. В качестве присадок к маслам изучено и предложено несколько тысяч органических соединений. Однако промышленное производство и практическое применение получили только немногим более ста продуктов и композиций. Промышленное производство их в мире исчисляется миллионами тонн в год и является важной отраслью нефтехимии.

Присадки принято классифицировать по назначению, т. е. по функциональному действию, на следующие группы, улучшающие те или иные свойства масел:

– антиокислительные, повышающие стойкость масел к окислению при высокой температуре;

– антикоррозионные, защищающие металлические поверхности от воздействия агрессивных веществ и атмосферной коррозии;

– противоизносные и противозадирные (антифрикционные), улучшающие смазочные свойства масел;

– моющие (детергентно-диспергирующие), препятствующие отложению лаков, нагаров и осадков;

– депрессорные, понижающие температуру застывания масел;

– вязкостные, улучшающие вязкостно-температурные свойства базовых масел;

– антипенные, предотвращающие вспенивание масел;

– антисептики, повышающие устойчивость масел к воздействию грибков и бактерий;

– многофункциональные, улучшающие одновременно несколько эксплуатационных свойств масел.

Вязкостные присадки применяют для получения моторных масел повышенной вязкости с хорошими низкотемпературными свойствами. Наиболее распространенной присадкой этого типа являются высокомолекулярные полимеры двух основных типов: полиизобутилены молекулярной массы 5… 20 тыс. (КП-5, КП-10, KП-20) и полиметакрилаты М = 3…17 тыс.

В качестве депрессорных присадок, улучшающих низкотемпературные свойства масел (воздействуя на кристаллизующиеся частицы твердых углеводородов), используют продукты алкилирования нафталина или фенола хлорированным парафином (АзНИИ, АзНИИ–ЦИATИМ-1, АФК) и полиметакрилаты.