Базовые масла


Категория Применение топлив в судовых дизелях

Качество применяемых смазочных материалов в значительной степени определяет надежность работы судовой энергетической установки, срок службы ее отдельных узлов и деталей, трудоемкость технического обслуживания, возможность использования того или иного сорта топлива и ряд других факторов, влияющих на эксплуатационные расходы судна.

На морском транспортном флоте наибольшее количество смазочных масел расходуется для смазки судовых дизелей. Доля моторных масел, т. е. масел, применяемых для смазки двигателей внутреннего сгорания, составляет 95% общего расхода смазочных материалов по флоту. Расход турбинных масел примерно равен 4% и прочих смазочных материалов, включая и пластичные смазки,— около 1%. Такое соотношение в расходе смазочных масел обусловлено главным образом различием в их удельных расходах, которые в паротурбинных установках во много раз меньше, чем в дизельных.

К качеству смазочных масел, применяемых в судовых дизельных установках, помимо общих требований к моторным маслам, предъявляются еще и специфические, связанные с длительным автономным плаванием судна в различных климатических условиях, возможностью обводнения масла пресной или морской водой и применением в судовых дизелях дешевых топлив, содержащих значительное количество серы, золы и асфальто-смолистых веществ.

Способность масла обеспечить качественную смазку узлов и деталей современного форсированного судового дизеля при его работе на высоковязких высокосернистых топливах зависит от качества базового масла, эффективности и количества вводимых в него присадок.

При выработке базового масла в настоящее время используют почти исключительно минеральные масла нефтяного происхождения. Синтетические базовые масла, вследствие их высокой стоимости, имеют ограниченное применение и используются только в тех двигателях, где по температурным или другим условиям моторные масла на минеральной основе являются непригодными.

К качеству базового масла, идущего на выработку товарных сортов моторных масел, предъявляются высокие требования. Например, недостаточная антиокислительная стабильность базового масла вызывает расходование щелочной присадки на нейтрализацию собственных продуктов окисления масла. Именно этим объясняется тот факт, что разные базовые масла, в которые введены одинаковые композиции присадок, обладают резко различными эксплуатационными свойствами.

Любые нефти, в том числе «масляные», из которых вырабатываются смазочные масла, представляют собой сложную смесь жидких углеводородов с разными молекулярным весом и химическим строением, с примесью серы, кислорода и азотосодержащих соединений. В нефти может также находиться во взвешенном состоянии некоторое количество твердых веществ органического и неорганического происхождения.

Смазочные масла в основном состоят из циклических (нафтеновых и ароматических) углеводородов с присоединенными к циклическому ядру боковыми цепями парафиновых углеводородов. С увеличением длины этих боковых цепей и уменьшением числа колец в молекуле улучшаются вязкостно-температурные и другие свойства масла. В зависимости от преобладания в нефти той или иной группы углеводородов меняются свойства масел.

Масла из нафтеновых нефтей имеют низкую температуру застывания, малое коксовое число и другие положительные качества, но невысокий индекс вязкости и окисляются значительно легче, чем масла, в которых преобладают ароматические углеводороды. Последние, если они не содержат боковых цепей, являются наиболее устойчивыми к окислению кислородом воздуха. Стабильность ароматических углеводородов снижается с увеличением числа цепей и углеродных атомов в них.

Нафтено-ароматические углеводороды по стабильности занимают промежуточное место между ароматическими и нафтеновыми углеводородами. Парафиновые углеводороды обладают хорошими вязкостно-температурными свойствами (высоким индексом вязкости), малой испаряемостью и при умеренных температурах являются весьма стабильными к окислению. Предполагается, что в течение ближайших лет масла, вырабатываемые из парафиновых нефтей, в значительной мере вытеснят получаемые из нафтеновых нефтей масла, широко используемые в настоящее время для. выработки масел, применяемых в циркуляционной системе смазки тронковых и крейцкопфных дизелей. Для выработки цилиндровых масел парафиновые нефти используют мало, что связано с пониженной сопротивляемостью к окислению парафиновых углеводородов при повышенных температурах; эти масла вырабатывают преимущественно из нафтеновых нефтей.

Весьма важное значение для эксплуатационных свойств имеет соотношение в масле углеводородов разных групп. Продукты окисления ароматических углеводородов оказывают, например, замедляющее влияние на окисление нафтеновых и парафиновых углеводородов, в то время как продукты, образующиеся в масле в результате окисления нафтеновых и парафиновых углеводородов, ускоряют процессы окисления углеводородов всех групп.

Находящиеся в масляных погонах смолисто-асфальтовые вещества, представляющие собой полициклические соединения, в молекулах которых содержатся кислород, сера и ряд других элементов, обладают очень низким индексом вязкости и ухудшают другие эксплуатационные показатели смазочных масел. Например, некоторые асфальтовые соединения парализуют действие даже самых сильных антиокислительных присадок, без которых невозможно достичь необходимого уровня эксплуатационных свойств моторных масел. Присутствие в масле небольшого количества смол даже желательно, так как они являются эффективными антиокислителями для всех групп углеводородов. Смолистые вещества, содержащиеся в масле в большом количестве, являются источником образования нерастворимых в масле твердых или пластичных продуктов окислительной полимеризации. Поэтому глубина очистки масла от смолисто-асфальтовых веществ оказывает значительное влияние на эксплуатационные свойства моторного масла.

Из нефтей, используемых для производства смазочных масел, в зависимости от технологии их производства, вырабатываются дистиллятные и остаточные базовые масла.

Если нефть нагревать при атмосферном давлении, будет происходить ее разделение (перегонка) на более простые смеси — фракции, последовательно выкипающие в определенном интервале температур. Вначале происходит выкипание бензиновых фракций (от 30 до 180 °С), затем керосиновых (200—300 °С) и, наконец, дизельных (270—350 °С). Эти фракции служат сырьем для выработки «светлых» дистиллятных прямогонных топлив — бензинов, керосинов п дизельных. После отбора из нефти топливных фракций остается мазут, который используется как котельное топливо или служит сырьем для получения масляных погонов. Для предотвращения термического разложения мазута его разгонка на масляные фракции производится в вакууме. Качество и количество масляных дистиллятов, получаемых при вакуумной перегонке мазута, зависят от свойств нефти, из которых они вырабатываются. Так, из восточных нефтей принято вырабатывать три вакуумных дистиллята: легкий (фракция 300-400 °С), средний (400-450 °C) и тяжелый (450—500 °С).

Остаток после разгонки мазута — гудрон, с температурой кипения более 500 °С, служит сырьем для получения высоковязких масел, называемых остаточными.

Как дистиллятные, так и остаточные масляные фракции нефти не могут применяться в качестве готовых базовых масел без их предварительной очистки от нежелательных компонентов и улучшения углеводородного состава и являются лишь масляным сырьем. В процессе дальнейшего производства из масляных фракций удаляют кислые соединения, непредельные углеводороды, частично сернистые и смолистые соединения, полициклические углеводороды с короткими боковыми цепями, твердые парафины. Нежелательные компоненты масел, ухудшающие их эксплуатационные свойства, удаляют из масла различными методами. Взаимодействием с серной кислотой, с последующим выщелачиванием и контактной очисткой отбеливающими землями из масляных фракций нефтей, содержащих небольшое количество смол {бакинские, эмбенские и некоторые другие малосернистые нефти), удаляют асфальто-смолистые вещества, нафтеновые кислоты и частично азотистые и сернистые соединения и полициклические ароматические углеводороды. Селективными методами очистки извлекают из масляных фракций только определенные компоненты. Например, при обработке масла такими избирательными растворителями, как фенол или фурфурол, из масла удаляют асфаль-то-смолистые соединения и полициклические ароматические углеводороды с короткими боковыми цепями, что повышает индекс вязкости масла. Некоторые растворители способны растворять углеводороды масла, не растворяя нежелательные вещества. На этом принципе основан процесс деасфальтизации остаточных масляных фракций, которые могут содержать до 50% и более асфальто-смолистых веществ. Поэтому при выработке остаточных масел более целесообразно извлекать из масляных погонов нужные углеводороды, чем подбирать растворитель для различных асфальто-смолистых и других нежелательных соединений. Например, жидкий пропан извлекает только наиболее ценные (для получения качественных масел) углеводороды и почти не растворяет асфальто-смолистые вещества, которые выпадают в осадок и легко удаляются. В процессе депарафинизации масла, с целью понижения температуры застывания, из него удаляют твердые парафиновые углеводороды, находящиеся в масле в растворенном или взвешенном состоянии. При понижении температуры эти углеводороды образуют кристаллы и масло теряет подвижность. Твердые парафины осаждают из масла при помощи таких избирательных растворителей, как ацетон, дихлорэтан и другие.

В настоящее время наиболее совершенным и перспективным способом выработки смазочных нефтяных масел, который позволяет не только хорошо очищать масляные фракции от вредных компонентов, но и изменять групповой состав масла в желательном направлении, является процесс каталитической гидрогенизации (гидрирования).

Различают три вида гидрогенизации. При «мягком» гидрировании сохраняются без изменения все физические свойства масла, за исключением цвета. При этом процессе снижается кислотное число масла, уменьшается содержание в нем серы и азота и улучшается деэмульгирующая способность. Процесс идет при низких давлениях (7ч-18) Х98066,5 Па, температурах около 250°С и умеренно активных катализаторах. При несколько более высоких температурах и давлениях (гидрирование «средней жесткости») и тех же катализаторах происходит более значительное снижение содержания в масле серы, фосфора и смолистых веществ, увеличивается выход из нефти масел. «Жесткое» гидрирование (гидрокрекинг) является сочетанием процессов гидрогенизации, изомеризации и крекинга. Крекинг вызывает глубокие изменения в групповом составе углеводородов масла (расщепление цепей и разрыв колец углеводородов), что позволяет вырабатывать масла оптимального группового состава. Например, нафтеновые углеводороды, являющиеся носителями наиболее низкого индекса вязкости, удалить из масла очень трудно, и их содержание в масляных погонах, по сравнению с исходной нефтью, уменьшается в процессе производства масла весьма незначительно. И только в процессе гидрирования масла достигается почти полное насыщение и разложение большей части конденсированных кольцевых систем нафтеновых углеводородов, что позволяет вырабатывать масла с индексом вязкости более 100 и хорошей восприимчивостью к присадкам. С помощью процесса гидрирования можно получать высококачественные базовые масла даже из «немасляных» нефтей. По методу гидрирования работают только новые установки по производству смазочных масел.

Современные автоматизированные установки позволяют осуществлять при выработке масел непрерывный технологический контроль, что обеспечивает точность и однородность состава базового масла и почти полное отсутствие в масле механических примесей. Их удаление достигается улучшением качества фильтров. Например, бумага, пропитанная смолами, позволяет улавливать примеси величиной до 1 мкм.

Товарные сорта базовых масел могут быть чисто дистиллятные или остаточные либо полученные смешением (компаундированием) тех и других сортов. Компаундированием достигается получение базовых масел с требуемым уровнем вязкости, а также улучшение некоторых эксплуатационных показателей моторных масел. С увеличением содержания в компаундированном масле остаточного компонента моторные свойства базового масла в целом улучшаются: повышается его смазочная способность, термоокислительная стабильность и некоторые другие свойства.

Перспективными методами улучшения качества базовых масел являются использование смесей минеральных и синтетических масел и чисто синтетических продуктов. Например, добавка в минеральные масла до 30% и более полиизобутилена (ПИБ) с молекулярной массой, близкой к массе минерального масла, значительно улучшает моторные свойства последних.

ПИБ сгорает без образования отложений и, вследствие высокой адгезионной способности по отношению к металлическим поверхностям, обеспечивает прочную масляную пленку. Кроме того, минеральные масла с ПИБ уменьшают количество отложений в камере сгорания и выпускной системе; предотвращают коррозию деталей двигателя даже при очень жестких условиях его работы; имеют лучшую совместимость с присадками, чем чисто минеральные масла.

Синтетические масла на основе диалкилбензола имеют высокий индекс вязкости, низкую температуру застывания, высокую термическую стабильность и меньшую испаряемость. Кроме того, эти масла обладают хорошими антизадирными свойствами. Масла на основе диалкилбензола могут использоваться в качестве многофункционального компонента для моторных масел, работающих при высоких температурах.

Перспективными синтетическими маслами, которые могут применяться в качестве моторных масел, являются масла на основе сложных эфиров и гликолей и фторуглеродные масла. Масла на основе сложных эфиров и гликолей обладают высокой термической стабильностью, малой летучестью, хорошей смазывающей способностью, высокой температурой вспышки, не образовывают смолистых продуктов и осадков, инертны по отношению к металлам и резине. Фторуглеродные масла отличаются высокой стабильностью и термостойкостью, что позволяет обеспечить ими смазку поверхностей с температурой 350°С и выше; они практически не окисляются и поэтому не образовывают отложений в двигателе. Способность фторуглеродных масел обеспечивать смазку трущихся пар, работающих в условиях высоких температур и давлений, открывает возможность дальнейшей форсировки судовых и других типов дизелей.

В настоящее время производство синтетических масел не превышает 0,5% общего выпуска смазочных масел, что вызвано их высокой стоимостью, превышающей стоимость минеральных масел в 15—20 раз. Применение синтетических масел имеет место в высоконагруженных парах трения, работающих при температурах 250—300°С и выше.

Однако энергетический кризис в капиталистических странах, вызвавший резкое повышение цен на минеральные масла нефтяного происхождения, повысил конкурентоспособность синтетических масел и заставил нефтяные компании усилить разработки этих масел. Например, американская фирма Мобил в 1973 г. разработала новое моторное масло Мобил-SHC, основой которого служат синтетические углеводороды в сочетании со специально подобранными присадками. Масло отличается высокой смазочной способностью, стабильностью при высоких температурах, малой склонностью к образованию отложений и вдвое меньшим расходам на угар по сравнению с моторными маслами на минеральной основе, что компенсирует более высокую стоимость этого масла по сравнению с моторными маслами нефтяного происхождения.

Высокие требования, предъявляемые к моторным маслам для судовых дизелей, вызванные непрерывно растущей форсировкой этих двигателей, не могут быть удовлетворены минеральными или синтетическими маслами, какими бы совершенными не были методы их выработки.

Масло в цилиндре двигателя подвергается: воздействию высоких температур смазываемых поверхностей цилиндровой втулки, поршня и поршневых колец; окисляющему действию кислорода воздуха, интенсивность которого растет с повышением давления газов в цилиндре в конце хода сжатия; излучению горящего топлива, усиливающему процесс старения масла, особенно при работе двигателя на тяжелых топливах, вследствие большей длительности процесса их сгорания; воздействию растворов сернистой и серной кислот, образующихся в цилиндре двигателя при сгорании сернистого топлива и вызывающих потерю маслом смазочных и других эксплуатационных свойств. Масло также подвергается высоким механическим нагрузкам в подшипниках (особенно крейц-копфных), вызванным ростом максимального давления сгорания топлива.

Увеличение жесткости условий работы масла отодвигает основную функцию смазочного масла — снижение затрат двигателем мощности на преодоление сил трения и уменьшение механического износа деталей — на второй план. В первую очередь к современным моторным маслам предъявляются такие требования: поддерживать двигатель в чистоте, нейтрализовывать коррозионно-актив-ные кислоты, выдерживать без ухудшения своих смазочных свойств высокие механические и тепловые нагрузки; препятствовать непосредственному контакту металлов в условиях граничного трения; не корродировать сплавы цветных металлов; обладать консервационно-защитными свойствами при длительных остановках двигателя; не вспениваться; не образовывать стойкой эмульсии с водой и пр. Достижение необходимого для данной группы моторных масел уровня моторных свойств производится путем ввода в масла присадок.


Читать далее:

Категория Применение топлив в судовых дизелях