eng
Содержание
Введение.............................................................................................................7
ГЛАВА 1.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ
И ОЦЕНКА ЕГО ВЛИЯНИЯ
НА ДЕЭМУЛЬГИРУЕМОСТЬ МАСЕЛ.............................................................8
1.1.
Методы определения поверхностного натяжения.......................................9
1.1.1.
Метод наибольшего давления в пузырьке газа................................................9
1.1.2.
Сталагмометрический метод – отрыва капли..................................................9
1.1.3.
Метод уравновешивания пластинки................................................................9
1.1.4.
Метод висящей капли.....................................................................................10
1.1.5.
Метод отрыва кольца......................................................................................10
1.2.
Поверхностное натяжение как критерий оценки
ресурса масел...............................................................................................10
1.2.1.
Поверхностное натяжение как показатель оценки ККМ..............................13
1.2.2.
Испытание компонентов масел......................................................................13
1.2.3.
Испытание масел.............................................................................................14
1.2.4.
Влияние полимера...........................................................................................18
1.2.5.
Влияние обводнения масла на поверхностное натяжение............................19
Выводы по разделу.................................................................................................21
ГЛАВА 2.
ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ ВОДЫ И ВЛИЯНИЕ
НА ДЕЭМУЛЬГИРУЕМОСТЬ. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ ВОДЫ.............22
ГЛАВА 3.
ОБВОДНЕНИЕ МАСЕЛ И ОБРАЗОВАНИЕ
ЭМУЛЬСИЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАСЕЛ
РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ........................................................................32
ГЛАВА 4.
СТАНДАРТНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ
ДЕЭМУЛЬГИРУЮЩИХ СВОЙСТВ МАСЕЛ И ТОПЛИВ..............................36
4.1.
Стандарт ASTM D 1401-02..........................................................................36
4.2.
Стандарт ASTM D 2711................................................................................38
4.3.
Методика Morgoil. Стойкость
к динамической деэмульгируемости.
UEC – Dynamic Demulsibility Endurance....................................................39
4.4.
Стандарт по ТУ 0253-034-00151911-06. Масла И..ПВ................................39
4.5.
Стандартные методы оценки деэмульгирующих свойств масел...............40
4.5.1.
ГОСТ 12337-84.
Масла моторные для дизельных двигателей. Технические условия
(действующий, дата актуализации 01.01.2021)...............................................40
Деэмульгируемость и фильтруемость
индустриальных масел
4
4.5.2.
ГОСТ 12068-66.
Масла нефтяные. Метод определения времени деэмульсации.
(действующий, дата актуализации 01.07.2023)...............................................40
4.6.
Оценка деэмульгирующих свойств судовых топлив.................................. 43
4.7.
Выводы по методам оценки
деэмульгируемости...................................................................................... 43
ГЛАВА 5.
МЕТОД «ГАЗПРОМНЕФТЬ МЗСМ».
ОЦЕНКА ДЕЭМУЛЬГИРУЮЩИХ СВОЙСТВ МАСЕЛ
ПО РАЗНИЦЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В СЛОЯХ МАСЛА И ВОДЫ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАЛОРИМЕТРА....................................................... 44
5.1.
Сущность метода......................................................................................... 44
5.2.
Дополнительное оборудование
к аппаратуре метода ASTM D 1401.............................................................. 45
5.3.
Проведение испытаний............................................................................... 45
5.3.1.
Термостатирование и перемешивание. I этап испытаний.............................45
5.3.2.
Электронное фиксирование перепада температуры
в специальном калориметре. II этап испытаний............................................47
5.4.
Расчет оценки деэмульгирующих свойств масла
по разнице температуры в слоях масла и воды
в калориметре.............................................................................................. 47
5.5.
Контрольные испытания............................................................................. 48
5.6.
Оценка влияния процедуры проведения испытаний на точность измере-
ний. Потери «холостого хода»..................................................................... 51
5.7.
Испытание товарных и опытных образцов масел...................................... 53
5.8.
Подготовительные и проверочные процедуры.......................................... 54
5.8.1.
Промывка при испытании..............................................................................54
5.8.2.
Продувка системы воздухом при испытании.................................................54
5.8.3.
Проверка размеров установки термопар........................................................54
ГЛАВА 6.
ДЕЭМУЛЬГАТОРЫ
ДЛЯ ИНДУСТРИАЛЬНЫХ МАСЕЛ................................................................ 55
ГЛАВА 7.
ПЕНООБРАЗОВАНИЕ И ДЕАЭРАЦИЯ В МАСЛАХ........................................ 61
7.1.
Пенообразование......................................................................................... 61
7.2.
Насыщение масла воздухом и деаэрация................................................... 70
7.3.
Краткие сведения о теории пенообразования и деаэрации....................... 76
ГЛАВА 8.
ФИЛЬТРОВАНИЕ И ФИЛЬТРУЕМОСТЬ МАСЕЛ......................................... 77
8.1.
Фильтрование.............................................................................................. 78
8.2.
Центробежное фильтрование...................................................................... 79
5
Содержание
8.3.
Фильтрование с использованием фильтровального
материала.....................................................................................................80
8.4.
Основные характеристики конструкции корпусов
для фильтровальных картриджей и рукавов...............................................81
8.5.
Технологические схемы и фильтровальные установки..............................84
8.6.
Ресурс и грязеемкость. Перепад давления..................................................85
8.6.1.
Предварительное фильтрование.....................................................................87
8.7.
Стандарты классов чистоты........................................................................89
8.8.
Числовые коды для определения классов чистоты
по ГОСТ ИСО 4407-2006.............................................................................91
8.9.
Измерение классов чистоты. ПКЖ-904А...................................................93
8.10.
Измерение классов чистоты с использованием микроскопа....................94
8.11.
Автоматические счетчики частиц...............................................................94
8.12.
Оценка эффективности фильтра. Коэффициент ....................................96
8.13.
Фильтруемость масел..................................................................................101
8.14.
Фильтруемость индустриальных масел.....................................................104
8.14.1.
Метод Денисона............................................................................................105
8.14.2.
Метод AFNOR filtration.................................................................................106
8.14.3.
Метод ISO 13357 ...........................................................................................106
8.14.4.
Определение фильтруемости масел..............................................................107
8.14.5.
Выводы по оценке фильтруемости...............................................................114
ГЛАВА 9.
ХАРАКТЕРИСТИКА И СВОЙСТВА
ТЕХНИЧЕСКОЙ ВОДЫ НА ПРОИЗВОДСТВЕ,
ВЛИЯНИЕ НА ДЕЭМУЛЬГИРУЕМОСТЬ.....................................................115
ГЛАВА 10.
ЭМУЛЬСИИ ДЛЯ ПРОКАТА. ФИЗИЧЕСКАЯ АДСОРБЦИЯ .......................119
ГЛАВА 11.
ОБВОДНЕНИЕ МАСЕЛ ПЖТ ПРИ ПРОКАТЕ..............................................125
ГЛАВА 12.
ПРОИЗВОДСТВО И ВИДЫ ПРОКАТА.
ТРЕНИЕ, НАГРУЗКА И СКОРОСТЬ ПРОКАТА,
СХЕМЫ СИСТЕМ СМАЗКИ..........................................................................129
12.1.
Выпуск прокатной стали...........................................................................129
12.2.
Характеристика процесса прокатки.........................................................129
12.3.
Трение, смазка, охлаждение, скорость при прокатке..............................133
12.4.
Горячий прокат..........................................................................................134
12.5.
Холодный прокат.......................................................................................135
12.6.
Скорость прокатки....................................................................................136
12.7.
Типичные системы смазки прокатных станов.........................................137
Деэмульгируемость и фильтруемость
индустриальных масел
ГЛАВА 13.
МАСЛА И ПОДШИПНИКИ ЖИДКОСТНОГО ТРЕНИЯ..............................141
13.1.
Конструкция подшипников ОАО «ЭЗТМ» ..............................................144
13.2.
Определение несущей способности масел для ПЖТ ..............................145
13.3.
Подшипники Morgoil................................................................................146
13.4.
Материал подшипников............................................................................148
13.5.
Коррозия подшипников............................................................................148
13.6.
Оценка антикоррозионных свойств баббита в маслах ............................149
13.7.
Объем выпуска масел для ПЖТ в России.................................................149
13.8.
Основные марки масел для ПЖТ..............................................................150
13.9.
Применение масел ПЖТ в зависимости от вязкости................................151
13.10.
Требования к маслам по ТУ 0253-034-00151911-06
«Масла И..ПВ для ПЖТ прокатных станов»............................................152
13.11.
Требования к маслам ПЖТ по спецификации Morgoil............................154
13.12.
Требования к маслам ПЖТ по спецификации Danieli.............................157
13.13.
Требования к маслам ПЖТ по спецификации NO-TWIST......................160
13.14.
Задачи по разработке масел ПЖТ с улучшенными
характеристиками......................................................................................162
ГЛАВА 14.
РАЗРАБОТКА СОВРЕМЕННОГО МАСЛА ПЖТ............................................163
14.1.
Характеристика масел Shell и ExxonMobil................................................163
14.2.
Характеристика масла И-ПВ.....................................................................166
14.3.
Оценка деструкции масла И-ПВ................................................................167
14.4.
Разработка современного масла ПЖТ.......................................................168
14.4.1.
О проблеме разработки современного масла ПЖТ.....................................172
Заключение......................................................................................................174
Литература......................................................................................................175
6
ВВЕДЕНИЕ
Современная промышленность не может существовать без смазочных материалов, смазка применятся во всех узлах трения механизмов. Разработка различного вида новых смазочных материалов проводилась одновременно с развитием промышленности. Среди смазочных материалов больше половины их производства приходится на моторные и индустриальные масла. Масло представляет собой дисперсную систему, состоящую из двух фаз, базовый компонент выступает как дисперсионная среда, а дисперсной фазой являются присадки, поверхностно активные вещества (ПАВ), вода, механические примеси, продукты окисления и износа. Особенности дисперсных систем изучает коллоидная химия – наука
о дисперсных системах и поверхностных явлениях, таких как поверхностное натяжение, адсорбция, адгезия, образование двойного электрического слоя, которые влияют на процессы добычи и переработки нефти, а также на производство и эксплуатацию смазочных материалов.
ГЛАВА 1
ИССЛЕДОВАНИЕ
ПОВЕРХНОСТНОГО
НАТЯЖЕНИЯ
И ОЦЕНКА ЕГО ВЛИЯНИЯ
НА ДЕЭМУЛЬГИРУЕМОСТЬ
МАСЕЛ
Как уже говорилось ранее, энергия, затраченная на образование эмульсии, концентрируется на границе раздела фаз в виде поверхностной энергии Гиббса. В силу избытка поверхностной энергии сама эмульсия является термодинамически неустойчивой системой. Система может самопроизвольно перейти в неустойчивое состояние под действием температуры или деэмульгаторов, таким образом происходит разрушение эмульсии. На процесс разрушения эмульсии основное влияние оказывает поверхностная энергия Гиббса, которая напрямую связана с поверхностным натяжением на границе раздела двух фаз. Поверхностное натяжение – это энергия на поверхности раздела двух фаз, которая может изменяться в силу различных факторов.
Способность изменять уровень поверхностного натяжения является мерой поверхностной активности вещества (деэмульгатора) и определяется как его свойствами, так и природой веществ, которые образуют поверхность раздела двух фаз, на которой происходит адсорбция. Деэмульгаторы должны обладать высокой поверхностной активностью и низкой стабилизирующей способностью.
Основным назначением деэмульгаторов является функция разрушения устойчивых эмульсий с водой.
Поверхностное натяжение является основным фактором, влияющим на деэмульгируемость масел. Поэтому исследование факторов, влияющих на поверхностное натяжение и, соответственно, на деэмульгируемость масел, является одной из важных задач при разработке масел для подшипников жидкостного трения (ПЖТ).
Сам термин и понятие «поверхностное натяжение жидкостей» обосновал в теории капиллярности венгерский математик Янош Сегнер в 1752 году.
С тех пор практически до 1983 года, считалось, что поверхностное натяжение жидкостей является просто физическим показателем. Как правило, говорилось, что поверхностное натяжение – это энергия, необходимая на разрыв единицы поверхности. В работах по исследованию изменения поверхностного натяжения начиная с 1983 года эти изменения поверхностного натяжения уже рассматриваются как изменение энергии.
Глава 1. Исследование поверхностного натяжения 9
и оценка его влияния на деэмульгируемость масел
При измерении тепловой энергии было установлено, что показатель деэ-
мульгируемости зависит от поверхностного натяжения, это также подтверждалось
и другими исследованиями [1–4]. Поэтому было осуществлено широкое иссле-
дование, чтобы установить изменение поверхностного натяжения в зависимости
от состава масла и его компонентов. В ходе исследований был рассчитан пока-
затель ККМ, исследовалось поверхностное натяжение деэмульгаторов, эмульга-
торов, антипенных присадок, а также было изучено изменение поверхностного
натяжения в зависимости от обводнения масла.
Рассмотрим вначале стандартные методы оценки поверхностного натяже-
ния, которые получили широкое применение.
1.1. Методы определения поверхностного
натяжения
При проведение исследовательских работ и при контроле выпускаемой продук-
ции применяются различные методы, из них наиболее широкое применение по-
лучили: метод наибольшего давления в пузырьке, сталагмометрический, отрыва
кольца, уравновешивания пластинки. В промышленности чаше всего применяют
метод отрыва кольца [5–8].
1.1.1. Метод наибольшего давления в пузырьке газа
Образование газовых пузырьков (метод П. А. Ребиндера). Метод основан на из-
мерении давления, при котором происходит отрыв пузырька газа (воздуха), вы-
дуваемого в жидкость через капилляр. При медленном продавливании пузырька
из капилляра в жидкость в нем возникает избыточное внутреннее давление Δр
которое, согласно закону Лапласа, определяется поверхностным натяжением s
и кривизной поверхности пузырька.
1.1.2. Сталагмометрический метод – отрыва капли
Определяется вес капли, которая отрывается из капилляра. Считается, что
при отрыве вес капли Pk уравновешивается силой, равной поверхностному натя-
жению по длине окружности капилляра радиусом ro, тогда
Pk = 2ro s/k, (11)
k – поправочный коэффициент.
Метод широко распространен в учебных заведениях из-за простых операций
и расчетов.
1.1.3. Метод уравновешивания пластинки
Пластинка шириной h (метод Вильгельми), приведенная в контакт с жидкостью,
смачивается или не смачивается по обе стороны. Затем прикладывается сила F,
которой сопротивляется поверхностное натяжение жидкости:
s = F/2h. (12)
10 Деэмульгируемость и фильтруемость
индустриальных масел
1.1.4. Метод висящей капли
Определение поверхностного натяжения производилось в комплексе методов
оценки поверхностных свойств на приборе EasyDrop (KR SS GmbH, Германия)
с программным обеспечением DSA1, позволяющим рассчитывать краевой угол
смачивания поверхности, поверхностное натяжение жидкости и свободную энер-
гию поверхности (СЭП) посредством анализа формы оцифрованного изображе-
ния капель. Прибор включает в себя объектив с возможностью шестикратного
увеличения, видеокамеру, источник света, предметный столик, систему дозирова-
ния исследуемой жидкости. По данным краевых углов смачивания и поверхност-
ных натяжений рассчитывается величина работы адгезии по уравнению Дюпре-
Юнга. Учитывая комплексную оценку показателей жидкостей, включая адгезию,
этот метод получил широкое применение в исследовательских организациях [9].
1.1.5. Метод отрыва кольца
Измерение поверхностного натяжения производится статическим способом
отрыва кольца дю Нуи. Сущность метода вытекает из названия. Измеряют силу
F, необходимую для отрыва проволочного кольца от поверхности жидкости. От-
рыв кольца происходит в тот момент, когда сила поверхностного натяжения, удер-
живающая кольцо, и вес поднятой жидкости уравновешиваются. Максимальное
усилие отрыва кольца измеряют при помощи тензиометра дю Нуи:
F = 4prks /k, (13)
k-поправочный коэффициент, учитывающий форму столба вытягиваемой жид-
кости, или постоянная прибора для данного кольца при неизменном натяжении
нити.
Способ измерения поверхностного натяжения назван в честь автора разработ-
ки метода Пьера Леконта дю Нуи (1883–1947) – французского математика, био-
физика, философа и публициста.
Метод получил широкое распространение в промышленности. В России
60 лет выпускается прибор ВН 5504 М, который массово применяют на элек-
тростанциях при оценке ресурса трансформаторных масел. Прибор отличает-
ся простотой конструкции. Состоит из стойки, коромысла, чашки и держателя,
не содержит ни одной электронной детали.
1.2. Поверхностное натяжение как критерий оценки
ресурса масел
Коэффициент поверхностного натяжения s с давних пор использовался
для оценки качества энергетических масел. В качестве примера можно привести
цитату из работ известного ученого в области смазочных материалов Дж. Фитча:
«В конце концов, тесты для деэмульгирования (ASTM D 1401, ASTM D 2711), пе-
нообразование (ASTM D 892) и отделение воздуха (ASTM D 3427) – все они зависят
от поверхностного натяжения, и поверхностное натяжение восходит к первым дням
разработки смазочных материалов». Далее он приводит цитату из книги Уильяма
Дж. Форбса (1943) «Смазка промышленной и морской техники»: «…Многие ис-
11
следования показали, что изменения поверхностного натяжения нефти является
самым ранним признаком загрязнения или окисления. Определение межфазного
натяжения является наиболее ценным тестом, который может быть использован
для оценки турбинного масла» [10].
Первыми в России начали оценивать качество масел с использованием пока-
зателей поверхностного натяжения энергетики, они установили нормы изменения
поверхностного натяжения при эксплуатации трансформаторного масла. Изме-
нения показателей трансформаторного масла регламентируются СТО 56947007-
29.180.010.070-2011. В этом СТО даются методические указания по определению
поверхностного натяжения трансформаторных масел методом отрыва кольца
по ИСО 6295 или по ГОСТ 5985-79 [11]. Снижение поверхностного натяжения
объясняется ростом концентрации в масле растворенной воды, кислых и окис-
ленных полярных продуктов старения бумажной изоляции и масла, коллоидных
соединений металлов конструкционных материалов и других загрязнителей.
Этот стандарт также устанавливает допустимые нормы изменения поверхност-
ного натяжения в зависимости от мощности трансформатора. Так, например,
для свежего масла устанавливается
норма не менее 40 мН/м. Для транс-
форматора мощностью 150 кВт при
достижении 20 мН/м масло необхо-
димо заменить (табл. 1) [12].
Наглядное представление изме-
нения поверхностного натяжения
трансформаторного масла во время
эксплуатации представлено на диа-
грамме. Все время службы масла
делится на две зоны. Зона №1 – это
область работы масла, когда в масле
действуют антиокислительные при-
садки. После срабатывания анти-
окислительных присадок начина-
ется интенсивный рост кислотного
числа, эту зону обозначают как зона
№2. За период эксплуатации по-
верхностное натяжение масла сни-
жается от 40 до 20 мН/м (рис. 1) [13].
Современная промышленность не может существовать без смазочных материалов, смазка применятся во всех узлах трения механизмов. Разработка различного вида новых смазочных материалов проводилась одновременно с развитием промышленности. Среди смазочных материалов больше половины их производства приходится на моторные и индустриальные масла. Масло представляет собой дисперсную систему, состоящую из двух фаз, базовый компонент выступает как дисперсионная среда, а дисперсной фазой являются присадки, поверхностно активные вещества (ПАВ), вода, механические примеси, продукты окисления и износа. Особенности дисперсных систем изучает коллоидная химия – наука
о дисперсных системах и поверхностных явлениях, таких как поверхностное натяжение, адсорбция, адгезия, образование двойного электрического слоя, которые влияют на процессы добычи и переработки нефти, а также на производство и эксплуатацию смазочных материалов.
ГЛАВА 1
ИССЛЕДОВАНИЕ
ПОВЕРХНОСТНОГО
НАТЯЖЕНИЯ
И ОЦЕНКА ЕГО ВЛИЯНИЯ
НА ДЕЭМУЛЬГИРУЕМОСТЬ
МАСЕЛ
Как уже говорилось ранее, энергия, затраченная на образование эмульсии, концентрируется на границе раздела фаз в виде поверхностной энергии Гиббса. В силу избытка поверхностной энергии сама эмульсия является термодинамически неустойчивой системой. Система может самопроизвольно перейти в неустойчивое состояние под действием температуры или деэмульгаторов, таким образом происходит разрушение эмульсии. На процесс разрушения эмульсии основное влияние оказывает поверхностная энергия Гиббса, которая напрямую связана с поверхностным натяжением на границе раздела двух фаз. Поверхностное натяжение – это энергия на поверхности раздела двух фаз, которая может изменяться в силу различных факторов.
Способность изменять уровень поверхностного натяжения является мерой поверхностной активности вещества (деэмульгатора) и определяется как его свойствами, так и природой веществ, которые образуют поверхность раздела двух фаз, на которой происходит адсорбция. Деэмульгаторы должны обладать высокой поверхностной активностью и низкой стабилизирующей способностью.
Основным назначением деэмульгаторов является функция разрушения устойчивых эмульсий с водой.
Поверхностное натяжение является основным фактором, влияющим на деэмульгируемость масел. Поэтому исследование факторов, влияющих на поверхностное натяжение и, соответственно, на деэмульгируемость масел, является одной из важных задач при разработке масел для подшипников жидкостного трения (ПЖТ).
Сам термин и понятие «поверхностное натяжение жидкостей» обосновал в теории капиллярности венгерский математик Янош Сегнер в 1752 году.
С тех пор практически до 1983 года, считалось, что поверхностное натяжение жидкостей является просто физическим показателем. Как правило, говорилось, что поверхностное натяжение – это энергия, необходимая на разрыв единицы поверхности. В работах по исследованию изменения поверхностного натяжения начиная с 1983 года эти изменения поверхностного натяжения уже рассматриваются как изменение энергии.
Глава 1. Исследование поверхностного натяжения 9
и оценка его влияния на деэмульгируемость масел
При измерении тепловой энергии было установлено, что показатель деэ-
мульгируемости зависит от поверхностного натяжения, это также подтверждалось
и другими исследованиями [1–4]. Поэтому было осуществлено широкое иссле-
дование, чтобы установить изменение поверхностного натяжения в зависимости
от состава масла и его компонентов. В ходе исследований был рассчитан пока-
затель ККМ, исследовалось поверхностное натяжение деэмульгаторов, эмульга-
торов, антипенных присадок, а также было изучено изменение поверхностного
натяжения в зависимости от обводнения масла.
Рассмотрим вначале стандартные методы оценки поверхностного натяже-
ния, которые получили широкое применение.
1.1. Методы определения поверхностного
натяжения
При проведение исследовательских работ и при контроле выпускаемой продук-
ции применяются различные методы, из них наиболее широкое применение по-
лучили: метод наибольшего давления в пузырьке, сталагмометрический, отрыва
кольца, уравновешивания пластинки. В промышленности чаше всего применяют
метод отрыва кольца [5–8].
1.1.1. Метод наибольшего давления в пузырьке газа
Образование газовых пузырьков (метод П. А. Ребиндера). Метод основан на из-
мерении давления, при котором происходит отрыв пузырька газа (воздуха), вы-
дуваемого в жидкость через капилляр. При медленном продавливании пузырька
из капилляра в жидкость в нем возникает избыточное внутреннее давление Δр
которое, согласно закону Лапласа, определяется поверхностным натяжением s
и кривизной поверхности пузырька.
1.1.2. Сталагмометрический метод – отрыва капли
Определяется вес капли, которая отрывается из капилляра. Считается, что
при отрыве вес капли Pk уравновешивается силой, равной поверхностному натя-
жению по длине окружности капилляра радиусом ro, тогда
Pk = 2ro s/k, (11)
k – поправочный коэффициент.
Метод широко распространен в учебных заведениях из-за простых операций
и расчетов.
1.1.3. Метод уравновешивания пластинки
Пластинка шириной h (метод Вильгельми), приведенная в контакт с жидкостью,
смачивается или не смачивается по обе стороны. Затем прикладывается сила F,
которой сопротивляется поверхностное натяжение жидкости:
s = F/2h. (12)
10 Деэмульгируемость и фильтруемость
индустриальных масел
1.1.4. Метод висящей капли
Определение поверхностного натяжения производилось в комплексе методов
оценки поверхностных свойств на приборе EasyDrop (KR SS GmbH, Германия)
с программным обеспечением DSA1, позволяющим рассчитывать краевой угол
смачивания поверхности, поверхностное натяжение жидкости и свободную энер-
гию поверхности (СЭП) посредством анализа формы оцифрованного изображе-
ния капель. Прибор включает в себя объектив с возможностью шестикратного
увеличения, видеокамеру, источник света, предметный столик, систему дозирова-
ния исследуемой жидкости. По данным краевых углов смачивания и поверхност-
ных натяжений рассчитывается величина работы адгезии по уравнению Дюпре-
Юнга. Учитывая комплексную оценку показателей жидкостей, включая адгезию,
этот метод получил широкое применение в исследовательских организациях [9].
1.1.5. Метод отрыва кольца
Измерение поверхностного натяжения производится статическим способом
отрыва кольца дю Нуи. Сущность метода вытекает из названия. Измеряют силу
F, необходимую для отрыва проволочного кольца от поверхности жидкости. От-
рыв кольца происходит в тот момент, когда сила поверхностного натяжения, удер-
живающая кольцо, и вес поднятой жидкости уравновешиваются. Максимальное
усилие отрыва кольца измеряют при помощи тензиометра дю Нуи:
F = 4prks /k, (13)
k-поправочный коэффициент, учитывающий форму столба вытягиваемой жид-
кости, или постоянная прибора для данного кольца при неизменном натяжении
нити.
Способ измерения поверхностного натяжения назван в честь автора разработ-
ки метода Пьера Леконта дю Нуи (1883–1947) – французского математика, био-
физика, философа и публициста.
Метод получил широкое распространение в промышленности. В России
60 лет выпускается прибор ВН 5504 М, который массово применяют на элек-
тростанциях при оценке ресурса трансформаторных масел. Прибор отличает-
ся простотой конструкции. Состоит из стойки, коромысла, чашки и держателя,
не содержит ни одной электронной детали.
1.2. Поверхностное натяжение как критерий оценки
ресурса масел
Коэффициент поверхностного натяжения s с давних пор использовался
для оценки качества энергетических масел. В качестве примера можно привести
цитату из работ известного ученого в области смазочных материалов Дж. Фитча:
«В конце концов, тесты для деэмульгирования (ASTM D 1401, ASTM D 2711), пе-
нообразование (ASTM D 892) и отделение воздуха (ASTM D 3427) – все они зависят
от поверхностного натяжения, и поверхностное натяжение восходит к первым дням
разработки смазочных материалов». Далее он приводит цитату из книги Уильяма
Дж. Форбса (1943) «Смазка промышленной и морской техники»: «…Многие ис-
11
следования показали, что изменения поверхностного натяжения нефти является
самым ранним признаком загрязнения или окисления. Определение межфазного
натяжения является наиболее ценным тестом, который может быть использован
для оценки турбинного масла» [10].
Первыми в России начали оценивать качество масел с использованием пока-
зателей поверхностного натяжения энергетики, они установили нормы изменения
поверхностного натяжения при эксплуатации трансформаторного масла. Изме-
нения показателей трансформаторного масла регламентируются СТО 56947007-
29.180.010.070-2011. В этом СТО даются методические указания по определению
поверхностного натяжения трансформаторных масел методом отрыва кольца
по ИСО 6295 или по ГОСТ 5985-79 [11]. Снижение поверхностного натяжения
объясняется ростом концентрации в масле растворенной воды, кислых и окис-
ленных полярных продуктов старения бумажной изоляции и масла, коллоидных
соединений металлов конструкционных материалов и других загрязнителей.
Этот стандарт также устанавливает допустимые нормы изменения поверхност-
ного натяжения в зависимости от мощности трансформатора. Так, например,
для свежего масла устанавливается
норма не менее 40 мН/м. Для транс-
форматора мощностью 150 кВт при
достижении 20 мН/м масло необхо-
димо заменить (табл. 1) [12].
Наглядное представление изме-
нения поверхностного натяжения
трансформаторного масла во время
эксплуатации представлено на диа-
грамме. Все время службы масла
делится на две зоны. Зона №1 – это
область работы масла, когда в масле
действуют антиокислительные при-
садки. После срабатывания анти-
окислительных присадок начина-
ется интенсивный рост кислотного
числа, эту зону обозначают как зона
№2. За период эксплуатации по-
верхностное натяжение масла сни-
жается от 40 до 20 мН/м (рис. 1) [13].