CC BY
21Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №2/2021
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МИКРОПРИМЕСЕИ НА ВЯЗКОСТЬ НЕФТЕПРОДУКТОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
STUDY OF THE INFLUENCE OF MICROPRODUCTS ON THE VISCOSITY OF PETROLEUM PRODUCTS AT DIFFERENT TEMPERATURES
УДК 621.893
Нарембекова Айтбала Камзаевна, к.т.н., доцент кафедры НТМ, НАО Карагандинский технический университет, г. Караганда Толеутаева Диана Ерболовна, магистрант, НАО Карагандинский технический университет, г. Караганда
Narembekova A.K. cpk-kru@mail.ru Toleutayeva D.E. diana.toleutayeva@mail .ru
Аннотация
В статье рассматривается изучение влияний микропримесей на эксплуатационные свойства нефтяных масел. Так как в процессе эксплуатации масло разжижается из-за разрушения полимерного загустителя и масло начинает терять вязкость в задачи исследования входило изучение влияния Fe, Л], Mo, Si, Cr, Pb, Zn, Cu, Sn на вязкость трех масел различных марок и наработок при 40°С и 100°С.
В ходе исследования были составлены графики зависимости вязкости от элементного состава масел на основе данных приборов. Для определение элементного состава испытуемых проб выбран прибор ИСП-ОЭС спектрометр Р^шаРшП РР 9000 , а для исследования вязкости масла были выбраны термостат жидкостный ВИС-Т-07 и капиллярный вискозиметр ВПЖ-2.
Annotation
The article examines the study of the effect of trace impurities on the performance properties of petroleum oils. Since during operation the oil liquefies due to the destruction of the polymer thickener and the oil begins to lose viscosity, the research tasks included studying the effect of Na, Fe, Al, Mo, Si, Cr, Pb, Zn, Cu, Sn on the viscosity of three oils of different brands and operating time at 40°C and 100°C.
In the course of the study, graphs of the dependence of viscosity on the elemental composition of oils were compiled on the basis of these devices. To determine the elemental composition of the tested samples, the ICP-OES spectrometer PlasmaQuant PQ 9000 was chosen, and the liquid thermostat VIS-T-07 and the capillary viscometer VPZh-2 were chosen to study the oil viscosity. Ключевые слова: кинематическая вязкость, элементный состав, моторные масла, гидравлическое масло, спецтехника
Keywords: kinematic viscosity, elemental composition, engine oils, hydraulic oil, special equipment
Современные технологические агрегаты предъявляют все более высокие требования к эксплуатационным свойствам материалов, из которых они состоят. Качество деталей агрегата напрямую определяет срок его работы. В процессе работы деталь машины может изменяться в размере, то есть подвергается износу, что приводит к остановке технологического цикла на неопределенное время. Одним из наиболее важных направлений научно-технического прогресса является изучение влияний различных факторов на машинные масла, с целью увеличения срока эксплуатации агрегатов. Как например, моторное масло обеспечивает смазку всех движущихся деталей двигателя, покрывая их защитной пленкой, которая сокращает износ и трение. Также, оно предохраняет детали двигателя от грязи, вредных отложений и от коррозии [1,2].
Актуальной проблемой в машиностроении является предотвращение ухудшения свойств материалов, отличающихся высокими физико-
химическими, механическими и эксплуатационными характеристиками, устойчивых против износа.
Для решения проблем, возникающих в процессе эксплуатации, либо для защиты двигателя и увеличения его ресурс используют присадки в моторные масла. Присадки решают определенные вопросы эксплуатации, такие как: износ, утечки масла, дымление и угар масла, снижение компрессии, шум, загрязнения. То есть все вопросы, для решения которых предназначен пакет активных веществ, добавленный при производстве товарного масла [3].
Большинство присадок - аналогичные вещества, что используются при производстве товарного масла, только в большей концентрации.
В связи с этим актуальным является изучение влияний микропримесей на эксплуатационные свойства нефтяных масел. В частности, очень актуальна проблема повышения износостойкости агрегатов, работающих в условиях интенсивного износа, что характерно для металлургической, горнодобывающей, машиностроительной промышленности, строительной техники.
Объектом исследования являются машинные масла из различных отсеков агрегатов. В задачи исследования входило изучение влияния Na, Fe, Al, Mo, Si, Cr, Pb, Zn, Cu, Sn на вязкость масел при различных температурах.
Для проверки методики эксперимента в качестве эталонных жидкостей использовались пробы свежих масел:
• проба № 1- всесезонное полусинтетическое моторное масло марки G-Profi MSI Plus 15W-40;
• проба № 2 - всесезонное минеральное моторное масло марки Fastroil Force F500 Diesel 15W-40;
• проба № 3 - универсальное трансмиссионно-гидравлическое масла марки G-Special TO-4 10W.
При измерении элементного состава с помощью ИСП были получены следующие значения эталонных жидкостей (таблица 1).
Таблица 1 - Результаты измерения элементного состава эталонных жидкостей
№ пробы Al Cr Cu Fe Sn Pb Mo Si Na
1 0,000 0,066 0,398 0,059 0,014 0,000 0,012 0,038 0,046
2 0,450 0,197 0,202 0,961 0,101 0,367 0,410 0,860 0,030
3 0,964 0,027 1,304 1,572 0,128 0,040 0,000 1,058 0,046
При измерении вязкости с помощью капиллярного вискозиметра были получены следующие значения эталонных жидкостей (таблица 2).
Таблица 2 - Результаты измерения вязкости эталонных жидкостей
№ пробы Номер Кинематическая Кинематическая Индекс вязкости
вискозиметра вязкость при 40°С, вязкость при
мм2/с2 100°С, мм2/с2
1 1 115,10 14,77 132
2 265 109,74 14,81 140
3 368 41,22 6,34 101
Для исследования влияния загрязненности моторного и гидравлического масла на вязкость при 40°С и 100°С были подготовлены пробы масла, взятые со спецтехники разных наработок [4].
Измерение вязкостных свойств моторного масла марки G-Profi MSI Plus 15W-40. Пробы были отобраны с карьерного самосвала Komatsu HD785-7 № 343, s/n Y700189 (таблица 3).
Таблица 3 - Пробы моторного масла марки G-Profi MSI Plus 15W-40
№ пробы Дата отбора пробы Ресурс оборудования, м/ч Наработка масла, м/ч
1.1 15.06.2020 г. 295 295
1.2 27.07.2020 г. 767 472
1.3 11.08.2020 г. 1419 652
1.4 04.09.2020 г. 2258 839
Измерения элементного состава представлены в таблице 4, а измерения вязкости в таблице 5. По результатам полученных значений были построены графики зависимости вязкости от элементного состава чистого и грязного моторного масла марки G-Profi MSI Plus 15W-40 (рисунок 11).
Таблица 4 - Результаты измерения элементного состава масел
№ пробы Al Cr Cu Fe Sn Pb Mo Si Na
1 0,000 0,066 0,398 0,059 0,014 0,000 0,012 0,038 0,046
1.1 0,027 0,372 7,876 7,719 0,643 1,587 10,955 4,537 0,076
1.2 5,905 0,972 29,190 13,480 3,184 1,444 43,546 4,927 0,100
1.3 6,930 0,605 0,685 6,850 6,320 0,352 67,000 4,290 6,100
1.4 7,236 1,535 139,448 33,293 6,187 4,777 73,339 24,483 0,277
Таблица 5 - Результаты измерения вязкости масел марки
№ пробы Номер вискозиметра Кинематическая вязкость при 40°С, мм2/с2 Кинематическая вязкость при 100°С, мм2/с2 Индекс вязкости
1 1 115,10 14,77 132
1.1 1 106,07 14,01 133
1.2 265 104,54 13,92 135
1.3 365 - 12,74 -
1.4 368 - - -
Рисунок 1 - Графики зависимости вязкости от элементного состава чистого и грязного моторного масла марки G-Profi MSI Plus 15W-40
Из рисунка видно, что при изменении качества (загрязнения) моторных масел уменьшается вязкость по сравнению с чистым. Кроме этого при попадании в моторное масло сочетание таких элементов как свинец и кремний масло слишком загрязняется и не удается замерить кинематическую вязкость. Скорее всего, повышение этих элементов вызвано износом подшипников и загрязненностью масла пылью и песком.
Измерение вязкостных свойств моторного масла марки Fastroil Force F500 Diesel 15W-40. Пробы были отобраны с погрузчика Komatsu WA900-3 (таблица 6).
Таблица 6- Пробы моторного масла марки Fastroil Force F500 Diesel 15W-40
№ пробы Дата отбора пробы Ресурс оборудования, м/ч Наработка масла, м/ч
2.1 03.02.2020 г. 25501 478
2.2 08.04.2020 г. 28515 521
2.3 08.06.2020 г. 29030 530
2.4 10.08.2020 г. 36521 580
Измерения элементного состава представлены в таблице 7, а измерения вязкости в таблице 8. По результатам полученных значений были построены
графики зависимости вязкости от элементного состава чистого и грязного моторного масла марки Fastroil Force F500 Diesel 15W-40 (рисунок 2).
Таблица 7 - Результаты измерения элементного состава масел
№ пробы Al Cr Cu Fe Sn Pb Mo Si Na
2 0,450 0,197 0,202 0,961 0,101 0,367 0,410 0,860 0,030
2.1 1.390 0,437 0,960 13,130 1,689 0,566 0,160 6,038 0,263
2.2 7,577 1,106 1,226 22,700 1,658 0,622 0,703 13,400 0,118
2.3 10,400 2,800 24,460 72,300 6,930 1,340 1,000 13,100 3,650
2.4 15,877 18,528 64,984 164,546 7,546 1,735 1,058 15,544 4,042
Таблица 8 - Результаты измерения вязкости масел марки
№ пробы Номер вискозиметра Кинематическая вязкость при 40°С, мм2/с2 Кинематическая вязкость при 100°С, мм2/с2 Индекс вязкости
2 265 109,74 14,81 140
2.1 1 105,36 14,07 135
2.2 265 103,82 13,51 129
2.3 365 91,09 11,70 119
2.4 368 90,23 10,25 94
Рисунок 2 - Графики зависимости вязкости от элементного состава чистого и грязного моторного масла марки Fastroil Force F500 Diesel 15W-40
Из рисунка видно, что при изменении качества (загрязнения) моторных масел уменьшается вязкость по сравнению с чистым. Кроме этого при попадании в моторное масло сочетание таких элементов как железо и медь масляная пленка, образующаяся на внутренних поверхностях двигателя, становится слишком тонкой, для того чтобы предотвратить соприкасание движущихся металлических деталей, а в результате — повышенный нагрев и заклинивание. Скорее всего, повышение этих элементов вызвано износом коленвалов, клапанов, подшипников, гильз цилиндров.
Измерение вязкостных свойств гидравлического масла марки G-Special TO-4 10W. Пробы были отобраны с карьерного самосвала Komatsu HD785-7 № 343, s/n Y700189 (таблица 9).
Таблица 9 - Пробы моторного масла марки G-Special TO-4 10W
№ пробы Дата отбора пробы Ресурс оборудования, м/ч Наработка масла, м/ч
3.1 15.06.2020 г. 295 295
3.2 27.07.2020 г. 767 456
3.3 11.08.2020 г. 1419 719
3.4 04.09.2020 г. 2258 1260
Измерения элементного состава представлены в таблице 10, а измерения вязкости в таблице 11. По результатам полученных значений были построены графики зависимости вязкости от элементного состава чистого и грязного моторного масла марки G-Special ТО-4 10W (рисунок 3).
Таблица 10 - Результаты измерения элементного состава масел
№ пробы Al Cr Cu Fe Sn Pb Mo Si Na
3 0,964 0,027 1,304 1,572 0,128 0,040 0,000 1,058 0,046
3.1 1,814 0,219 2,245 1,285 0,719 0,240 0,000 1,135 0,064
3.2 4,896 0,250 3,011 3,610 0,964 0,335 0,000 3,578 0,088
3.3 9,487 0,955 5,571 3,471 1,047 0,954 0,001 4,577 0,257
3.4 37,401 1,021 6,128 5,436 1,161 1,287 0,005 17,848 0,477
Таблица 11 - Результаты измерения вязкости масел марки
№ пробы Номер вискозиметра Кинематическая вязкость при 40°С, мм2/с2 Кинематическая вязкость при 100°С, мм2/с2 Индекс вязкости
3 368 41,22 6,34 101
3.1 1 38,19 6,29 113
3.2 265 37,52 6,22 113
3.3 365 36,76 6,12 113
3.4 368 36,67 6,03 109
120 100 80 60 40 20 0
1
2
4
5
вязкость при 100°С индекс вязкости,ед
вязкость при 40°С
Рисунок 3 - Графики зависимости вязкости от элементного состава чистого и грязного моторного масла марки О-Бреша! ТО-4 10W
0
3
6
Из рисунка видно, что высокое содержание алюминия незначительно уменьшило вязкость масла. Скорее всего, пошел износ поршней. По этой причине пошло загрязнение масла абразивными частицами.
Проведя данные исследования, можно сделать вывод, что потеря несущей способности масла приводит к быстрому повышенному износу пар трения, потерям энергии, значительному росту сил трения скольжения и трения качения. Возрастание механического трения повышает количество выделяемого от трения тепла и ускоряет протекание процессов окисления.
Маловязкие моторные и трансмиссионные масла более чувствительны к загрязняющим частицам и веществам, т. к. смазывающая плёнка, образуемая маловязкими маслами слишком тонка. Наконец, гидродинамическая плёнка, образуемая моторным маслом, зависит от скорости, вязкости моторного или трансмиссионного масла и нагрузки в точке трения. Из этого следует, что при низкой вязкости масла, высокая нагрузка в сочетании с низкой скоростью трущихся деталей относительно друг друга может привести к разрыву масляной пленки и последующему сухому трению.
Литература:
1. Левченко Д.Н. Технология обессоливания на нефтеперерабатывающих предприятиях / Д.Н. Левченко, Н.В. Бергштейн, Н.М. Николаева. // М.: Химия, 2012.- 168 е.: ил.
2. Балтенас Р., Сафонов А.С., Ушаков А.И., Шергалис В. Моторные масла. Производство. Свойства. Классификация. Применение. - Москва-СПб: Альфа-Лаб, 2000;
3. Данилов В.Ф., Литвиненко А.Н., Ахсанов М.М., Тимербаев Р.М. Масла, смазки и специальные жидкости. - Елабуга: изд-во филиала К(П)ФУ, 2013.
4. ГОСТ 33-2000 (ИСО 3104-94) Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости.
5. СТ РК ASTM D 5185-2013. Стандартный метод определения присадок, продуктов износа металла и загрязняющих веществ в применяемых смазочных маслах и определение выбранных элементов в базовых маслах методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (АЭС-ИСП).
6. Анализ нефти и нефтепродуктов : [учеб.-метод. пособие] / Ю. Г. Кирсанов, М. Г. Шишов, А. П. Коняева ; [науч. ред. О. А. Белоусова] ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. -Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2016. - 88 с.
7. Алекперов, В.Ю. Нефть России: прошлое, настоящее и будущее /Алекперов В.Ю. М.: Креативная экономика, 2011. - 432 с.
Literature:
1. Levchenko D.N. Desalting technology at oil refineries / D.N. Levchenko, N.V. Bergstein, N.M. Nikolaev. // M .: Chemistry, 2012.- 168 e .: ill.
2. Baltenas R., Safonov A.S., Ushakov A.I., Shergalis V. Motor oils. Production. Properties. Classification. Application. - Moscow-SPb: Alfa-Lab, 2000;
3. Danilov V.F., Litvinenko A.N., Akhsanov M.M., Timerbaev R.M. Oils, greases and special fluids. - Yelabuga: publishing house of the K (P) FU branch, 2013.
4. GOST 33-2000 (ISO 3104-94) Petroleum products. Transparent and opaque liquids. Determination of kinematic viscosity and calculation of dynamic viscosity.
5. ST RK ASTM D 5185-2013. Standard Test Method for Additives, Metal Wear Products and Contaminants in Used Lubricating Oils and Determination of Selected Elements in Base Oils by Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry (ICP-AES).
6. Analysis of oil and oil products: [textbook-method. manual] / Yu. G. Kirsanov, MG Shishov, AP Konyaeva; [scientific. ed. OA Belousova]; Ministry of Education and Science Ros. Federation, Ural. Feder. un-t. -Yekaterinburg: Ural Publishing House. University, 2016 .-- 88 p.
7. Alekperov, V.Yu. Oil of Russia: past, present and future / Alekperov V.Yu. M .: Creative Economy, 2011 .-- 432 p.
