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液压油液检测与油中水污染的控制

液压油液检测与油中水污染的控制

1 液压油中水的来源及其危害

人们日益认识到液压系统及元件的寿命与油液的清洁度有很密切的关系。近年以来,液压系统的污染控制技术得到长足的发展,许多方面已形成专门的科研、生产和应用体系。对于颗粒物污染,现在基本上都比较重视,一般采取了相应的措施进行控制。而对水、空气、微生物等其它污染,目前还没有象对颗粒物污染那样给予足够的重视。在颗粒物污染得到有效控制后,其他污染物对系统的危害会更加凸现出来。水对液压和润滑系统的危害正越来越引起人们的重视。

在实践与研究中,人们认识到液压油性能恶化的主要原因之一是水进入液压油中。水分作为油液主要的污染物之一也会引起许多问题。水与油液中金属硫化物和氯化物(来自某些添加剂,如抗磨添加剂)以及某些氧化物作用产生酸类物质,不仅会腐蚀元件,还会增加油液的酸值;水与油液中某些添加剂(如抗氧化剂)作用产生沉淀物和胶质等有害污染物,加速油液的变质劣化;水能使油液乳化,改变油液粘度,降低油液的润滑性能;在低温工作条件下,油液中的微粒水珠凝结成冰粒,堵塞控制元件的间隙或小孔,引起系统故障。

1.1 油液中水的来源

1)大气中的水蒸汽

溶解于液压油内的水和大气中的水汽之间存在着动态平衡,当液压油同潮湿空气接触之后,这种平衡的出现是很快的,在典型的运行温度下,一般吸水达0.02%0.03%。当气候温暖的时候,空气的绝对湿度很大,油液中的水含量也相应地增大。当气候变冷时,油液中的溶解水便过饱和,这些水来不及全部逸出而进入空气,便在液压油中生成微小水滴。当温度再次上升时,这些微小水滴的一部分便重新变成溶解状态,而另一部分便会聚结在一起,或成为沉淀水,仍呈游离水的状态,因此液压油还会从空气中吸收水分以达到饱和状态。这种状态重复多次,会使液压油大量地浸水。

2)保存、运输、抽注和使用过程中水分浸入

在保存、运输、抽注和使用过程中由于外部条件的种种不同,或意外事故发生,如雨水的浸入,水冷系统的渗漏或系统结构的欠缺,都易使水分浸入油内。安装在油箱中的冷却盘管或挡板由于腐蚀、破裂、摩擦、表面的松动都会产生泄漏,在这种情况下,水可直接进入液压油箱。工作环境可能以雨、雪、溶冰形式产生水的污染。气候的变化能使水、气通过油桶盖吸入存放在户外的新油中(油桶应放在室内)。在潮湿的气候中,冷却盘管或圆盘给水管发汗,凝聚物跑进或掉入油箱时,会出现更复杂的污染形式。

1.2 水在液压油中的状态

1)溶解水

 溶解于液压油中的水分与液压油一起为均匀的单相物质。水在烃内的溶解度很低。因为烃类分子比水分子大得多,偶极矩特别低,极化性很弱。水与烃分子之间没有氢键,它们之间的吸引力仅靠诱导力和分散力。芳香烃和不饱和烃例外,它们的分子能在一定限度内与水分子缔合。

水在液压油中的溶解度主要受外部因素温度、湿度以及压力等的影响。水的溶解度一般与以上参数成递增关系。

另外,液压油的厚度对水的溶解也有影响。油箱内油品的厚度增加,影响水分的扩散平衡,导致水溶解度的变化。

2)游离水

游离水在液压油中呈现第二相。游离水与油品中的溶解水呈平衡状态。水滴呈不同粒度大小,状态很不稳定,在各种力的作用下,表现为悬浮、互相缔合或逐渐沉降以及沉淀水等状态。

3)乳化水

当游离水珠被乳化膜包围时,就形成了乳化水,乳化水会相对稳定地存在。

1.3水污染对液压油的物理化学性能及系统的影响

液压油内含有水分,不仅会对油品本身的物理化学造成很大的影响,而且会影响整个液压系统的正常工作:

1)生成极难破坏的乳化液

水分在液压油中能成极难破坏的乳化液,当有表面活性物质时(添加剂及烃的氧化产物),乳化液的稳定性特别地得到加强。液压系统内存在油水乳化液能引起系统工作的各种故障。粘稠的有机物吸附在微小水滴的表面,乳化液生成油垢,堵塞滤油器、油泵和调节设备。

2)能大大地加速氧化过程和腐蚀过程

液压油中存在的水分能大大地加速氧化过程和腐蚀过程,当水分和无机污染物(金属颗粒,它们是氧化催化剂)一起作用时,工作液的烃类氧化会大大地加强。

3)使液压油对金属的腐蚀作用加剧

水的存在能使液压油对金属的腐蚀作用加剧,其中包括有色金属(铜、铅)。当水存在时,氧化作用加大,增加了油的酸性。

4)水分的蒸发

在过热的部位,水分会蒸发,这时摩擦表面的油膜断裂,加大接触面的磨损,恶化液压系统耦合零件磨动表面的润滑。

5)不溶的水解产物

水分能使液压油中生成不溶的水解产物,沉积在系统内,并因此减少了腔孔、导管等有效断面,引起工作失调。

6)污染物聚集核心

水滴具有高的表面活性,会成为污染物的聚集核心,加剧污染物的破坏作用。粘稠的污染物吸附在微小水滴的表面,乳化液生成油垢,堵塞油滤、油泵和调节设备。

7)生成稳定的泡沫

含水的液压油落有空气时,便会生成稳定的泡沫。这种现象会使液压油的润滑性能下降,导致磨损增大;液压油同空气氧的接触表面增大,金属零件的腐蚀加剧。泡沫还会使泵的供油量剧烈下降,操纵机件的有效工作期过分延长,随动系统的工作延缓,导管内产生振动,从而使液压系统的稳定性恶化。

8)溶解水对于合成液压油的使用性能有很大影响

溶解水的存在能将合成液压油的饱和蒸汽压提高数倍,石油基液压油提高较少。饱和蒸汽压的提高会恶化液压油的传输条件,在系统内产生气阻。

9)水分能促使微生物的污染

多数微生物如霉菌和细菌,它们在有水的情况下能生活在烃介质内。在脱水油液内微生物几乎是不能繁殖的,而在浸水油中它们生产的特别快。微生物在油-水界面上繁殖得极为强烈,并伴随生成大量的生命活动产物:热解物质。这就大大恶化了液压油的理化性能和使用性能。微生物的污染对金属的腐蚀加剧。因为微生物的生命活动当中生成了诸如有机酸和矿物酸、氨、硫、二氧化碳、硫化氢等具有侵蚀性的物质。微生物还可能造成电化学腐蚀。

2 油液中含水量的检测

2.1水含量测定法分类

1)取样的不同,取油样须在设备运行中取样;应在回油管口取样;如回油口无法取样,可在油箱上、中、下部分段取油混合;如在排污阀取样时,需放掉底部死油再取样;严禁在停机状况下取样。

2.2水含量测定的基本方法

水含量测定的基本原理是利用水存在时润滑油的性能变化或利用水本身的性质。目前常用的液压油含水量的测定方法主要有蒸馏法、卡尔费歇微量水分测定法。蒸馏法所需装置简单,但测定的精确度较低,可测最小水的体积分数为0.03%,用于定量分析误差较大。卡尔费歇水分测定法能测定液压油中微量水分的含量,可测最小水的体积分数为0.0001%

 另外,也可采用滤纸法测试。如果油滴扩散边缘有花边状浸润,也说明油中含水量超标。还可用观察液压油浑浊程度定性评定液压油中的含水量。

3 常见的油液脱水方法和比较

3.1 油液脱水的基本方法

油液脱水的基本方法可以区分为:化学方法、物理化学方法和物理法。

1)化学脱水法

化学脱水法是利用水与加入试剂之间所发生的化学反应。这种相互作用所发生的产物易于从油品中分离。

2)物理化学脱水法

物理化学脱水法的原理主要利用吸附现象。某些物质可以有选择地吸收油中的水分。除了纯粹的吸附现象之外,吸附过程还存在有吸附剂分子和水分子的相互吸引现象,同时会伴随有各种化学相互作用。

3)物理脱水法

物理脱水法是多种多样的,一般分为这样几组:力场作用脱水,热物理作用脱水,热物理现象和质量交换现象脱水,多孔层脱水。

I)力场脱水法

力场(重力、离心力、电力)脱水法的作用原理是利用微小水珠在场力的作用下进行聚集的现象,然后将之清除。重力和离心脱水过程是利用油水的密度不同,电脱水是利用电场内水滴极化的结果。

II)热物理现象和质量交换现象脱水法

利用热物理现象和质量交换现象脱水法是利用在这些现象下乳化水受到的物理变化。将水加热使其蒸发和将水冷却使其结晶的办法都属于这类脱水法。有时为了加强液压油内水的蒸发或迅速减小溶解水的数量,脱水过程经常在真空下进行。

质量交换过程脱水主要是利用脱水剂进行萃取。

III 多孔物质脱水法

a.滤层用斥水材料制作,多孔层只能使油液通过,而油液内的乳化水则通不过。

b.多孔层用吸水材料制作。多孔层在液压油通过过程中,强烈地吸水,直到饱和状态。

c.多孔层材料用亲水和疏水纤维配合,利用水珠同纤维的相互作用,水珠凝聚变大,进而从油液内清除掉。

3.2脱水方法的比较

1)化学脱水法

化学脱水法使用的是在烃内不溶解的金属氢化物。比如氢化钙、氢化锂、氢化铝,或是碳化物以及某些金属的氧化物。

虽然化学法除掉水分的效率很高,但在实际使用中有一定的困难。使用需有专用的设备以及复杂的配套设备,并且有效试剂的价格也相当昂贵。

2)物理化学脱水法

是根据某些用作吸附剂的物质能将水分子截留在自己的活性表面上进行脱水。

这种方法多使用具有大孔隙度的固体材料。经常使用的有天然材料,如铝土矿、天然沸石和经常使用的人工制作的吸附剂,如硅胶、铝胶、合成沸石等。

其优点是:方法十分简单;其缺点是:吸附易受到液压油内各种杂质的影响,恢复吸附剂活性需有专用设备,吸附剂易表现活性。

3)物理脱水方法

I)力场作用脱水法

a. 重力场

利用油水比重不同,靠自然沉降方法脱水。

其优点是:方法简单;其缺点是:出现沉降扩散平衡以后,脱水效果不明显,速度极为缓慢。

b. 离心力场

利用离心力将油水分离。

其优点是:较重力方法效率提高许多,设备较小;其缺点是:只能除游离水,设备昂贵,维护工作技术要求较高。

 c. 电力场

利用极化水滴在电场内的运动。

其优点是:可连续脱水,设备减小,没有运动件,参数恒定,可实现自动化;其缺点是:缺乏完善的理论,设备复杂,需一定的电能。

II)热物理脱水法

利用油-水热运动不同的性质,在一定的压力、温度下使油液中的水分蒸发。从理论上讲,可脱除各种分散体系中的水,效率较高。可处理出高质量的油液。但此种方法的设备与工艺都较为复杂,需压力容器与真空泵。

III)多孔物质脱水法

利用多孔层的亲水和吸水性质实现油水分离。

其优点是:结构简单、使用方便;其缺点是:对油水相界面张力小的油液脱水效果较低,当液压油的粘度过高,有大量胶质物质或表面活性物质时,分离水的效率会下降。另外对材料的性能也有相当要求。

4.结束语

在液压油脱水净化方面的研究和应用,远不如颗粒污染过滤即使研究开展的深入和广泛,这其中主要有两个原因:

1)对水污染的危害认识不足。当油液中水含量较低时,尚不足以引起卡死等突发事故。而事实上,水污染的存在,对油品本身的影响,以及对整个系统的影响都是超出人们的想象的。水污染引起油液性能的恶化导致元件的磨损(包括化学腐蚀,生成影响工作的物质)与颗粒污染对系统的影响并不逊色。颗粒污染严重的油可以通过过滤净化处理,回收利用,而水污染引起的油的变质,会使大批的油品报废。

2)技术上的难度。颗粒污染净化属固液分离技术,而水污染净化属液液分离技术,因此二者在技术处理上难度差异很大。另外,由于粘度、油水界面张力等因素的影响,使得从液压油中除去水分的工作十分困难。

基于以上原因,极大地限制了液压油脱水技术的理论研究和实用技术的开发。但是水对液压和润滑系统的危害正越来越引起人们的重视,尤其在航空、发电等高可靠性要求的场合对此提出了严格的要求。国际和国内污染控制的研究者和有关生产单位也不断有新的成果和产品问世,相信经过不断的努力,液压和润滑系统的水污染必将得到有效的控制。

 

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