Нефтяные масла. Способы получения, области применения и основные эксплуатационные характеристики

 

Нефтяные масла представляют собой высококипящие вязкие фракции нефти, очищенные от нежелательных примесей. Основное назначение нефтяных масел состоит в том, чтобы снизить трение между твердыми поверхностями движущихся частей различных механизмов, станков, двигателей, машин и тем самым предотвратить износ этих частей.

Существуют:

1.базовые масла, полученные непосредственно обработкой нефтяных фракций;

2.масла, в которые для улучшения эксплуатационных показателей введены присадки;

3.синтетические масла, полученные из индивидуальных органических соединений с помощью многоступенчатого органического синтеза.

Нефтяные масла классифицируются:

1.по способу выделения из нефти:

1.1.дистиллятные;

1.2.остаточные;

1.3.смешанные;

2.по методу очистки:

2.1.выщелоченные;

2.2.кислотно-щелочной очистки;

2.3.селективной очистки;

2.4.адсорбционной очистки и т. п.;

3.по областям применения:

3.1.смазочные:

3.1.1.индустриальные:

3.1.1.1.масла общего назначения серия И (И-5А, И-8А, И-12А и т. д.) для

смазки станков, подшипников, КИП, не содержат присадок, их

вязкость колеблется от 4—5 (И-5А) до 90—118 (И-100А) мм²/с;

3.1.1.2.масла серий ИГП (ИГП-4, ИГП-6 и т. д.), ИСП, ИРП и ИТП для смазки

различного станочного оборудования, зубчатых, червячных и

винтовых передач, они содержат набор различных присадок;

3.1.1.3.масла для смазки прокатных станов — вапоры облегченные 13, 25 и

30, масла П-28, ПС-28, П-40 (цифры обозначают вязкость при 100°С в

мм2/с);

3.1.1.4.масла вакуумные, применяемые в качестве рабочих жидкостей

вакуумных насосов — ВМ-1, ВМ-3, ВМ-4, ВМ-5, ВМ-6;

3.1.1.5.масла цилиндровые легкие 11,24 и тяжелые масла 38,52 для

смазывания горячих частей паровых машин (цифры обозначают

среднюю вязкость при 100 °С в мм²/с);

3.1.1.6.масла для направляющих скольжения станочного оборудования серии

ИНСп, телеграфное, сепараторные — Л и Т и др.;

3.1.2.турбинные (Тп-22, Тп-30, Тп-46, Т₂₂, Т₃₀, Т₄₀, Т₅₇ (цифры обозначают

вязкость при 50°С в мм²/с, буква «п»—присадку) для смазывания и

охлаждения подшипников турбин, турбонасосов, турбокомпрессоров, для

систем регулирования турбоагрегатов;

3.1.3.компрессорные для смазки цилиндров и клапанов компрессорных машин и в

качестве уплотнительной среды для герметизации камеры сжатия (К-12, К-19,

КС-19, К-28, ХА-23, ХА-30, ХФ-12-16 и др.). Получают в результате глубокой

очистки нефтяных фракций, добавляя различные присадки;

3.1.4.трансмиссионные ТС-14,5, ТЭ-5-ЭФО, ТС-10-ОТП используются в зубчатых

зацеплениях коробки передач, зацеплениях картера, заднего моста и рулевого

управления транспортных машин работают в интервале температур (от —50

до 150°С и выше);

3.1.5.приборные для смазывания КИП (масло МВП), счетно-аналитических

машин (ПАРФ-1), микроэлектродвигателей, часовых механизмов;

3.1.6.моторные для двигателей автомобилей и авиационных двигателей;

3.2.специальные (несмазочные) для гидравлических систем в качестве рабочей

жидкости, а также как электроизоляционные и технологические масла.

Классификация моторных масел основанная на вязкости и эксплуатационных свойствах. Буква М обозначает масло моторное, цифры 6, 8 и т. д.— вязкость при 100°С в мм²/с, буквы А, Б, В и т.д.— группу по эксплуатационным свойствам. В обозначении масел встречаются индексы П и И, которые указывают, что масло содержит отечественную (П) или импортную (И) присадки; буквы С и К обозначают способ очистки (селективная или кислотная); буквы Л, 3, С— летнее, зимнее или северное масло.

Особую группу составляют загущенные масла (в обозначении буква «з»), которые приготавливаются смешением незагущенного масла и полимера. Загущенные масла имеют дробную маркировку, в которой цифры в знаменателе характеризуют вязкость при —18°С.

Основными эксплуатационными характеристиками нефтяных смазочных масел являются:

1.вязкостно-температурные свойства;

2.подвижность при низких температурах;

3.устойчивость против окисления.

Вязкость. Требования, предъявляемые к вязкости смазочных масел, весьма различны; они зависят от характера и скорости движения трущихся поверхностей, удельных нагрузок. Вязкость масляных фракций, полученных из одной и той же нефти, растет с увеличением температур начала и конца кипения фракций. Вязкость фракций с одинаковыми пределами перегонки, полученных из разных нефтей или даже полученных из одной нефти, но очищенных разными способами, может оказаться неодинаковой. Вязкость зависит от углеводородного состава масляных фракций, который, в свою очередь, определяется химическим составом нефти и способом удаления нежелательных компонентов (очистки). Наименьшую вязкость имеют алканы. Удаление алканов из масляных фракций увеличивает вязкость масел. Вязкость циклоалканов и аренов выше, чем алканов. Вязкость аренов масла выше, чем вязкость циклоалканов. При удалении из масляных фракций аренов и циклоалкано-аренов наблюдается снижение вязкости масел.

Вязкостно-температурные свойства. Необходимо, чтобы вязкость масел с уменьшением температуры повышалась не резко, т. е. чтобы кривая зависимости вязкости от температуры была по возможности более пологой.

Для оценки вязкостно-температурных свойств применяются два показателя:

1.коэффициент вязкости;

2.индекс вязкости.

Коэффициент вязкости представляет собой отношение кинематической вязкости масла при 50 и 100°С или при двух любых других температурах, соответствующих крайним значениям интервала температур работы исследуемого масла. Коэффициент вязкости не полностью отражает ход кривой изменения вязкости масел в зависимости от температуры и потому не получил широкого распространения.

Общепринятой является оценка вязкостно-температурных свойств масел по индексу вязкости. Индекс вязкости (ИВ) определяется сравнением вязкости испытуемого масла с вязкостью эталонных масел по формуле:

ИВ = [(L-U) / (L-H)] 100,

где L — вязкость низкокачественного масла из асфальто-смолистой нефти, индекс вязкости масел из которой принят рапным 0; H — вязкость высококачественного масла из парафинистой нефти, индекс вязкости масел из которой принят равным 100; U — вязкость испытуемого масла.

Вязкость по индексу вязкости определяют при 38°C (100°F), в секундах Сейболта. Более употребительно определение индекса вязкости по специальным стандартным таблицам в зависимости от вязкости при 50 и 100°С

Чтобы получить масла с высокими вязкостно-температурными свойствами, необходимо максимально удалить из масляных фракций смолисто-асфальтеновые вещества, извлечь (но не полностью) полициклические арены с короткими боковыми цепями. В масле должны быть полностью сохранены алкилзамещенные циклоалканов, аренов и циклоалкано-аренов с большим числом углеродных атомов в боковой цепи.

Подвижность при низких температурах. Потеря подвижности масел при низких температурах происходит по двум причинам:

1.из-за резкого повышения вязкости масла;

2.вследствие появления в масле структур, состоящих из кристаллов твердых углеводородов.

В первом случае масло сохраняет все свойства ньютоновской жидкости, хотя и становится практически неподвижным. Во втором случае оно приобретает свойства, присущие дисперсным (не-ньютоновским) системам: вязкость масла начинает зависеть от скорости сдвига и от времени приложения нагрузки.

Показателем, контролирующим подвижность масел при низких температурах, является температура застывания. Для приборных, авиационных, трансформаторных масел температура застывания должна быть в пределах от — 30 до — 60 °С. Низкозастывающие масла получают, удаляя из фракций твердые алканы, полициклические арены и циклоалкано-арены с короткой цепью.

Смазывающая способность(маслянистость). В ряде случаев, когда смазочные масла применяются при больших нагрузках и малых скоростях, не удается получить стабильный смазывающий слой определенной толщины. В этих случаях большое значение приобретает возможность создания на металлической поверхности очень тонкого (0,1 —1,0 мкм), но прочного смазочного слоя. Этот тип смазки носит название граничной смазки, а способность масел создавать такой слой характеризуют термином маслянистость, или смазывающая способность.

Химическая стабильность по отношению к кислороду воздуха. Для масел, которые многократно прокачиваются через узлы трения (циркулируют),—турбинных, компрессорных, моторных и других — одним из важнейших показателей является стойкость против окисления кислородом воздуха. Окисление компонентов масла представляет собой сложный процесс, развитие которого зависит от химического и прежде всего углеводородного состава масел, а также от условий эксплуатации. Первичными продуктами окисления углеводородов являются гидроперекиси, которые затем разлагаются и превращаются в другие кислородсодержащие соединения.

Накопление кислородсодержащих соединений в масле вредно сказывается на эксплуатационных свойствах. По химической стабильности наилучшими свойствами обладают малоцикличные цикло-алканы, арены и гибридные углеводороды с длинными боковыми цепями.

Стойкость масел к воздействию кислорода характеризуют следующие показатели:

1.общая склонность масел к окислению;

2.коррозионная активность масел;

3.склонность к лакообразованию;

4.склонность к образованию осадка в двигателях внутреннего сгорания.

Для определения этих показателей предложен комплекс методов лабораторных и моторных испытаний.

Улучшение качества масел введением присадок. Очистка минеральных масел не позволяет получить продукты высокого качества. Обеспечить необходимые эксплуатационные свойства удается с помощью добавления к базовому маслу — очищенной нефтяной фракции — различных присадок.

По действию на смазочные масла присадки делятся на:

1.вязкостные;

2.депрессорные;

3.антиокислительные;

4.антикоррозионные;

5.детергентно-диспергирующие;

6.противоизносные и прогивозадирные;

7.антипенные.

Введение вязкостных присадок повышает вязкость масел, позволяет получить масла с более пологой температурной кривой вязкости.

Депрессорные присадки эффективно понижают температуру застывания масел. Механизм их действия зависит от природы присадки, причем возможны два варианта: а) поверхностное действие, когда вокруг частицы присадки группируются кристаллы парафина; б) объемное действие, когда разрушаются структуры кристаллов парафина и уменьшается объем кристаллизующихся частиц.

Введением антиокислительных присадок предотвращают протекание реакций окисления. Ингибиторы окисления в зависимости от условий их применения делятся на:

1.низкотемпературные, добавляемые к турбинным, трансформаторным, индустриальным маслам;

2.высокотемпературные, предназначенные для моторных масел.

Для подавления коррозии металлических поверхностей, вызываемой продуктами окисления, к маслам добавляют щелочные моющие присадки, которые нейтрализуют продукты окисления или замедляют образование кислот и перекисей. Наиболее эффективными антикоррозионными присадками оказались различные фосфор- и серосодержащие соединения, способные образовывать на металле стабильные непроницаемые пленки.

Детергентные (моющие) и диспергирующие присадки предназначены для того, чтобы уменьшить количество образующихся в двигателях лаков и осадков. Моющие присадки препятствуют прилипанию сажеобразных и смолистых веществ, накапливанию лаков и отложений. Кроме того, моющие присадки препятствуют последующей конденсации с выделением смол, лака и осадков.

Детергентные присадки хорошо растворимы в маслах и отличаются способностью диспергировать и поддерживать во взвешенном состоянии большие количества твердых частиц.

Для улучшения смазывающей способности масел к ним добавляют противоизносные и противозадирные присадки. Противоизносные присадки способствуют созданию прочного пограничного слоя в условиях граничной смазки. Эти присадки содержат фосфор, серу и хлор, которые вступают в химическое взаимодействие с металлом и образуют неорганические пленки, имеющие характер эвтектических сплавов. Сплавы со значительно более низкой температурой плавления, чем сам металл, в условиях граничной смазки при высоких температурах начинают течь и как бы полируют металлическую поверхность.

Антипенные присадки предотвращают пенообразование масел, возникающее вследствие их энергичного перемешивания с воздухом.

Присадки, которые улучшают одновременно несколько свойств смазочных масел, называются многофункциональными.

Достоинство многофункциональных присадок заключается в том, что их применение позволяет отказаться от введения в масло большого числа присадок специфического назначения. Многофункциональные присадки представляют собой либо смеси присадок, либо сложные органические соединения, содержащие различные полярные функциональные группы, серу, фосфор, металлы.