Способ оценки гигроскопичности авиационных синтетических масел

Способ оценки гигроскопичности авиационных синтетических масел

Реферат

Изобретение относится к области испытаний нефтепродуктов, преимущественно к оценке гидролитической стабильности авиационных синтетических масел, и может быть использовано в организациях, занимающихся разработкой и применением масел для авиационной техники, и для оценки изменения качественного состояния авиационных синтетических масел по склонности к обводнению в условиях применения.

Обводнение авиационных синтетических масел является одним из факторов, влияющих на состояние и износ двигателей в процессе эксплуатации и на качество масла в процессе хранения и применения.

Авиационные синтетические масла представляют собой многокомпонентные системы. Наличие присадок, механических загрязнений и воды изменяет механизм и интенсивность гидролиза сложных эфиров, входящих в их состав. При попадании воды в маслосистемы двигателей или в резервуары масла на основе сложных эфиров, обладающие высокой гигроскопичностью, интенсивно поглощают воду, подвергаясь при этом обратной реакции гидролиза, что приводит к значительному понижению термостабильности и защитных свойств масел. Следствием этого является значительное уменьшение периода эксплуатации эфирных масел в маслосистемах авиационных двигателей и сроков их хранения.

В России для применения в авиации разработаны и допущены к применению синтетические масла на основе [Чулков П.В., Чулков И.П. Смазочные масла для транспортной техники. М.: Воениздат, 2001 г. - 383 с.]:

- диэфиров: ВНИИ НП 50-1-4ф, ВНИИ НП 50-1-4у;

- пентаэритритовых эфиров: Б-3В;

- смешанных сложных эфиров: 36/1 КУ-А.

Для определения гигроскопичности синтетических масел известен способ, включающий взятие и выдерживание 350 г навески масла в условиях 100% относительной влажности при комнатной температуре в течение 150 ч. Содержание воды определяется гидридкальциевым методом по ГОСТ 1822 [Чернова К.С., Шивина Р.К., Козлова Н.Н., Каверина Н.И. Исследование водопоглощения и гидролитической устойчивости авиационных масел для ГТД. - Химия и технология топлив и масел, 1969, №10, с.50-53].

В известном методе следует отметить отсутствие учета воды, содержащейся первоначально в исходном образце масла, значительную продолжительность испытания, а также низкую чувствительность метода в количественной оценке поглощенной воды от изменения температурного диапазона.

Из зарубежных методов оценки гигроскопичности масел наиболее широко используется федеральный метод США FTMS 3457 [Method FTMS 3457. Hydrolytic stability. Federal Test Method Standard №791B. Lubricants, Liquid Fuels and Related Products; Method of Testing, January, 1969].

Сущность метода заключается в количественной оценке изменения качества масла в присутствии воды после выдерживания в термостате в течение 48 ч при температуре 93°С и постоянном перемешивании в присутствии медной пластины.

В качестве недостатка следует отметить длительность испытания, недостаточную объективность воспроизводимых результатов в условиях каталитического влияния медной пластинки, отсутствие учета растворенной воды в исходной навеске масла.

Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является метод оценки гигроскопичности масел по количеству растворенной воды [Ечин А.И., Новосартов Г.Т., Попова Е.А. Гигроскопичность синтетических масел. - Химия и технология топлив и масел, 1981, №4, с.26-28]. Сущность метода заключается в гравиметрическом определении количества влаги, поглощенной маслом в среде дистиллированной воды и хлористого кальция.

В прототипе предварительно пробу масла выдерживают при температуре 20±3°С не менее 1 часа. После чего отбирают шесть навесок масла по 40 мл каждую и выдерживают в течение 72 часов при атмосферном давлении, относительной влажности 100% и температуре 20°С в эксикаторах. При этом три навески масла выдерживают в эксикаторе с дистиллированной водой до насыщения влагой и три подвергают осушке в эксикаторе с хлористым кальцием, предварительно прокаленным не менее 3-х часов при температуре 250-300°С, с целью исключения влияния влаги, содержащейся в исходном масле, на его гигроскопичность. До внесения навесок в эксикаторы последние выдерживают с закрытой крышкой не менее 12 ч при температуре 20±3°С.

Гигроскопичность испытуемого масла оценивают по сумме изменения массы образцов осушенных и насыщенных влагой навесок и рассчитывают по формуле:

где Г - гигроскопичность испытуемого масла, %;

m, m^' - масса испытуемого масла, выдерживаемого в эксикаторе с водой и хлористым кальцием, соответственно, г;

m₁, - масса с бюксом до испытания в эксикаторе с водой и с хлористым кальцием, соответственно, г;

m₂, - масса с бюксом после испытания в эксикаторе с водой и с хлористым кальцием, соответственно, г.

За результат испытания принимают среднее арифметическое из двух повторных испытаний, каждое из которых принимается равным среднему арифметическому из трех определений.

В качестве недостатков прототипа отметим:

длительность проведения испытания;

выдерживание навески масла в среде прокаленного хлористого кальция;

полученные результаты зависят от условий использования максимально осушенной навески масла;

высокие требования к обезвоживанию используемого испытательного оборудования, что в условиях изменения давления и температуры снижает объективность воспроизводимых результатов;

для повышения чувствительности испытания с учетом обеспечения воспроизводимости полученных результатов используют значительное количество навесок масла (12 навесок).

Технический результат изобретения - сокращение времени определения, снижение трудоемкости испытания, повышение чувствительности метода в оценке склонности к обводнению авиационных синтетических масел в условиях применения без снижения требований к точности и достоверности метода.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе оценки гигроскопичности авиационных синтетических масел по количеству поглощенной воды, включающий взятие навески масла, ее выдерживание при заданной относительной влажности и температуре в присутствии дистиллированной воды и последующий расчет количества поглощенной воды по зависимости, согласно изобретения, дополнительно определяют содержание воды в исходной навеске масла, задают время выдерживания навески при заданной относительной влажности и температуре, а количество поглощенной воды рассчитывают по следующей зависимости:

С_t=С_max-[(С_max-С₀)ехр(к_at)],

где C_t - количество поглощенной воды в навеске масла, %;

С₀ - содержание воды в исходной навеске масла, %;

С_max - экспериментальная максимальная постоянная растворимости воды в конкретном масле, %:

С_max=0,1030 (для ВНИИ НП 50-1-4ф),

С_max=0,0983 (для ВНИИ НП 50-1-4у),

С_max=0,3670 (для Б-3В),

С_max=0,4850 (для 36/1 КУ-А),

t - заданное время выдерживания навески масла при заданной относительной влажности и температуре, ч;

к_a - экспериментальный постоянный коэффициент для конкретных масел:

к_a=-0,163 (для ВНИИ НП 50-1-4ф),

к_а=-0,133 (для ВНИИ НП 50-1-4у),

к_а=-0,159 (для Б-3В),

к_а=-0,11 (для 36/1 КУ-А).

На чертеже представлена зависимость изменения концентрации воды в конкретных марках авиационных синтетических маслах от времени выдерживания. Кривая 1 характерна - для 36/1 КУ-А, кривая 2 для Б-3В, кривая 3 - для ВНИИ НП 50-1-4ф, кривая 4 - для ВНИИ НП 50-1-4у.

При проведении экспериментальных исследований по оценке обводненности конкретных марок авиационных синтетических масел были получены расчетные значения максимальной постоянной (С_max) растворимости воды в авиационных синтетических маслах и постоянного коэффициента (к_а) для конкретных марок, что создало возможность определить количество поглощенной воды в авиационных синтетических маслах за заданный интервал времени при атмосферном давлении, заданных относительной влажности и температуре. Заявленный способ за счет учета содержания воды в исходной навеске (С₀) масла исключает длительный процесс осушки исходной навески масла и испытательного оборудования, снижает время определения.

Способ осуществляется следующим образом. Отбирают навеску масла 50 г и определяют исходное содержание воды в навеске (С₀) кулонометрическим титрованием по методу Фишера [ГОСТ 14870. Продукты химические. Методы определения воды], который является чувствительным в определении гигроскопичной, кристаллизационной, сорбированной и окклюдированной воды.

Затем навеску масла, налитую в емкость, помещают в замкнутую герметичную нагреваемую камеру с водой при атмосферном давлении. Создают в камере относительную влажность 100% и задают температуру 20°С.

Выдерживают навеску масла в течение заданного времени (t) при заданной относительной влажности и температуре, по истечении которого, определяют содержание поглощенной воды в навеске масла (С_t) по расчетной зависимости:

C_t=C_max-[(C_max-C₀)exp(к_аt)],

где С_t - количество поглощенной воды в навеске масла, %;

С₀ - содержание воды в исходной навеске масла, %;

C_max - экспериментальная максимальная постоянная растворимости воды в конкретном масле, %:

С_max=0,1030 (для ВНИИ НП 50-1-4ф),

С_max=0,0983 (для ВНИИ НП 50-1-4у),

С_max=0,3670 (для Б-3В),

С_max=0,4850 (для 36/1 КУ-А),

t - заданное время выдерживания навески масла при заданной относительной влажности и температуре, ч;

к_а - экспериментальный постоянный коэффициент для конкретных масел:

к_а=-0,163 (для ВНИИ НП 50-1-4ф), к_а=-0,133 (для ВНИИ НП 50-1-4у),

к_а=-0,159 (для Б-3В), к_а=-0,11 (для 36/1 КУ-А).

Температурный режим в замкнутой герметичной нагреваемой камере обеспечивают блоком нагрева и контролируют блоком автоматики. Давление в герметичной полости контролируют манометром давления.

Заявляемым способом были исследованы авиационные синтетические масла ВНИИ НП 50-1-4у, ВНИИ НП 50-1-4Ф, Б-3В, 36/1-КУА.

Результаты испытаний, представленные в таблице 1, авиационных синтетических масел заявленным способом показали:

что максимальный предел растворимости воды в углеводородных соединениях эфирного основания составляет 30 ч (см. чертеж, кривая 3, кривая 4) для диэфиров (ВНИИ НП 50-1-4ф, ВНИИ НП 50-1-4у) и 48 ч (см. чертеж, кривая 1, кривая 2) для пентаэритритовых (Б-3В) и смешанных сложных эфиров (36/1 КУ-А);

при дальнейшем выдерживании массы навески по времени в условиях испытания склонность поглощать влагу из воздуха не изменяется и остается постоянной;

предельная концентрация растворенной воды в авиационных синтетических маслах при 20°С составляет соответственно: для ВНИИ НП 50-1-4у - 0,0983%, ВНИИ НП-50-1-4ф - 0,1030%, Б-3В - 0,3670%, 36/1КУ-А - 0,4850%;

масла на основе пентаэритритовых и смешанных сложных эфиров при прочих равных условиях (атмосферном давлении, относительной влажности 100%, температуре 20°С) обладают низкой гидролитической стабильностью (см. чертеж, кривая 1, кривая 2);

по склонности поглощать влагу масла из воздуха располагаются в ряду ВНИИ НП 50-1-4у, ВНИИ НП-50-1-4ф, Б-3В, 36/1 КУ-А.

Таблица 1Склонность к изменению гигроскопичности по количеству поглощенной влаги авиационных синтетических масел за определенный отрезок выдерживания
Марка масла	Исходное* содержание воды, С0, %	Время эксперимента, ч
28	30	48	50	60
Б-3В	0,0094	0,2790	0,3100	0,3670	0,3670	0,3670
36/1 КУ-А	0,0034	0,3190	0,3700	0,4850	0,4850	0,4850
ВНИИ НП 50-1-4ф	0,0019	0,1031	0,1034	0,1034	0,1034	0,1034
ВНИИ НП 50-1-4у	0,0021	0,0981	0,0983	0,0983	0,0983	0,0983
Примечание - *при атмосферном давлении, относительной влажности 100% и температуре 20°С

Для определения чувствительности заявленного способа в отображении объективности полученных результатов определения количества поглощенной воды синтетическими авиационными маслами за определенный отрезок времени по расчетной зависимости в образцах навесок масла дополнительно определялось количество поглощенной воды кулонометрическим титрованием по методу Фишера.

Результаты испытаний по оценке гигроскопичности авиационных синтетических масел заявленного способа и прототипа представлены в таблицах 2, 3.

Таблица 2Результаты испытаний по оценке гигроскопичности авиационных синтетических масел заявленного способа и прототипа
Наименование образца масла	Содержание воды в исходном масле, С0, %	Задаваемые параметры*	Расчетное количество воды, % масс.	Количество воды, % масс.
Сmax, %	кa	t, ч	заявленный способ	прототип
Б-3В	0,0094	0,3670	-0,159	0,18	0,0463	0,0418	0,0500
36/1 КУ-А	0,0034	0,4850	-0,11	0,18	0,0531	0,0519	0,0560
ВНИИ НП 50-1-4у	0,0019	0,1030	-0,133	0,18	0,0061	0,0048	0,0063
ВНИИ НП 50-1-4ф	0,0021	0,0983	-0,163	0,18	0,0029	0,0027	0,0039

Таблица 3Оценка гигроскопичности авиационных синтетических масел по количеству поглощенной воды
Показатели	Заявляемый способ	Прототип
Показатель оценки	Содержание воды, %	Содержание воды, %
Условия проведения испытания:
продолжительность определения, ч	0,18	176*
масса навески, г	50	480*
количество навесок, шт.	1	12*
относительная влажность, %	100	100
температура при испытании,°С	20	20
Чувствительность метода:
Предварительная подготовка навески масла	не требуется	Выдерживание при температуре 20±3°С не менее 1 ч
Требования к обводненности испытательного оборудования	не требуется	Выдерживание эксикаторов не менее 12 ч при температуре 20±3°С
Выдерживание навески масла в среде хлористого кальция	не требуется	72 ч для одного определения
Определение содержания воды в исходной навеске масла	+	не определяется
Возможность изменения параметров процесса обводнения	Температура, время, масса навески, относительная влажность, давление	условия постоянные
Варьируемые факторы	Температура, время, масса навески, относительная влажность, давление	условия постоянные
Примечание - *с учетом параллельных определений

Таким образом, заявленный способ позволит повысить чувствительность метода в оценке склонности к обводнению авиационных синтетических масел без снижения требований к точности и достоверности метода, сократить время определения, снизить трудоемкость испытания.

Способ оценки гигроскопичности авиационных синтетических масел по количеству поглощенной воды, включающий взятие навески масла, ее выдерживание при 100%-ной относительной влажности и заданной температуре в присутствии дистиллированной воды и последующий расчет количества поглощенной воды по зависимости, отличающийся тем, что дополнительно определяют содержание воды в исходной навеске масла, задают время выдерживания навески при заданной 100%-ной относительной влажности и температуре, а количество поглощенной воды рассчитывают по следующей зависимости:

C_t=C_max-[(C_max-C₀)exp(k_at)],

где С_t - количество поглощенной воды в навеске масла, %;

С₀ - содержание воды в исходной навеске масла, %;

C_max - экспериментальная максимальная постоянная растворимости воды в конкретном масле, %:

С_max=0,1030 для ВНИИ НП 50-1-4ф на основе диэфиров,

С_max=0,0983 для ВНИИ НП 50-1-4у на основе диэфиров,

C_max=0,3670 для Б-3В на основе пентаэритритовых эфиров,

С_max=0,4850 для 36/1 КУ-А на основе смешанных сложных эфиров;

t - заданное время выдерживания навески масла при заданной относительной влажности и температуре, ч;

k_a - экспериментальный постоянный коэффициент для конкретных масел:

k_a=-0,163 для ВНИИ НП 50-1-4ф, k_a=-0,133 для ВНИИ НП 50-1-4у,

k_a=-0,159 для Б-3В, k_a=-0,11 для 36/1 КУ-А.