Смазочные масла: виды, применение и характеристики

Исторический контекст

С римских времен для уменьшения трения, тепла и износа между соприкасающимися механическими деталями использовались различные жидкости, включая воду. Сегодня смазочное масло — самый распространенный вид смазки благодаря широкому спектру применения. Существует две основные категории: минеральные и синтетические масла. Минеральные получают путем переработки природной нефти, а синтетические — это полиальфаолефины, углеводородные полигликолы или эфирные масла, получаемые искусственно.

Хотя выбор масел велик, минеральные остаются наиболее востребованными: дешевая сырьевая база и обширная накопленная база данных по их свойствам делают их экономически выгодными. Ключевое преимущество — возможность производства в широком диапазоне вязкости (меры сопротивления течению). От низковязких масел (молекулярная масса ~200 а.е.м.) до высоковязких (до 1000 а.е.м.). Масла разной вязкости можно смешивать для оптимизации свойств: классическое моторное масло 10W-30 сочетает низковязкий компонент (легкий пуск зимой) и высоковязкий (защита двигателя в рабочем режиме).

Синтетические смазки впервые применили в авиакосмической отрасли. Их разрабатывают под специфические задачи, где минеральные масла неэффективны: экстремально высокие температуры, требования к огнеупорности. Дальнейшее изложение посвящено минеральным маслам.

Сырьевая база

Смазочные масла — одна из фракций, получаемых из сырой нефти. Нефть выходит из скважины в виде легковоспламеняющейся жидкой смеси тысяч углеводородов (органических соединений углерода и водорода). Залежи сформировались в результате разложения микроскопических растений и животных, живших около 400 млн лет назад. Климатические и географические изменения того времени привели к разной степени разложения организма в разных регионах, что определило вариативность углеводородного состава и, следовательно, физико-химические свойства нефти разных месторождений. Например, калифорнийская нефть имеет удельную плотность 0,92 г/мл, а более легкая пенсильванская — 0,81 г/мл. В целом удельная плотность нефтей варьируется от 0,80 до 0,97 г/мл.

В зависимости от назначения, в рафинированное масло добавляют присадки для придания нужных физических свойств. Распространенные добавки: металлы (свинец, сульфиды металлов) — повышают устойчивость к задирам и царапинам при экстремальных давлениях; высокомолекулярные полимеры — улучшают вязкость, противодействуя разжижению при нагреве; нитрозамины — работают как антиоксиданты и ингибиторы коррозии, нейтрализуя кислоты и формируя защитные пленки на металле.

Производственный процесс

Получение масла начинается с предварительной очистки нефти (отстаивания) и подачи в ректификационные колонны. Типичная высокоэффективная колонна диаметром 7,6–10,6 м и высотой до 122 м изготовлена из высококачественных сталей для устойчивости к коррозии. Внутри установлены конденсационные лотки. Разделение углеводородов происходит методом фракционной перегонки: пары поднимаются вверх, охлаждаются, конденсируются на разных уровнях в зависимости от температуры кипения (чем ниже Т кипения, тем выше поднимается фракция). Порядок отбора: природный газ, бензин, керосин, топливное масло, смазки, смолы.

Отстаивание

• Нефть доставляется на НПЗ трубопроводом или танкером. В больших резервуарах вода и масло разделяются, механические примеси (песок, камень) оседают.

Ректификация

• Нефть нагревают до ~371 °C. При этой температуре она переходит в смесь горячего пара и жидкости, подаваемую в первую колонну. При атмосферном давлении испаряется ~80% нефти.
• Оставшиеся 20% перегоняют во второй колонне под вакуумом, что понижает температуру кипения тяжелых фракций. Тяжелые соединения (смолы, неорганика) остаются для дальнейшей переработки.

Фильтрация и экстракция растворителем

• Собранное масло проходит через ультратонкие фильтры. Ароматические углеводороды (содержат бензольные кольца, влияющие на вязкость) удаляют экстракцией растворителем: ароматики лучше растворяются в растворителе, чем масляная фракция. После удаления растворителя ароматики восстанавливают из него.

Добавки, контроль качества, упаковка

• Масло смешивают с присадками для заданных свойств (например, морозостойкости). Проводят тесты на вязкость, удельную плотность, цвет, температуру вспышки и возгорания. Соответствующее стандартам масло упаковывают для продажи.

Контроль качества

Основные требования: несмолистость, светлый цвет, отсутствие запаха, окислительная стойкость. Проводят более дюжины физико-химических тестов. Ключевой параметр — вязкость (сопротивление течению при заданных Т и P). Если масло слишком вязкое — создает излишнее сопротивление движущимся частям; если недостаточно — выдавливается из-зазоров и не смазывает. Стандартный прибор — вискозиметр Сейболта. Вязкость измеряется в секундах Сейболта (время вытекания 50 мл через калиброванный отверстий при заданной температуре).

Удельная плотность зависит от метода очистки и присадок (свинец дает стойкость к давлению и холоду). Цвет указывает на однородность партии. Температуры вспышки и возгорания зависят от происхождения нефти. Температура вспышки — минимальная Т, при которой пары загораются от пламени. Температура возгорания — более высокая Т, при которой горение устойчиво.

Моторные масла классифицируют по вязкости и эксплуатационным свойствам по стандартам SAE (Society of Automotive Engineers): износостойкость, склонность к образованию нагара, устойчивость к загустению.

Перспективы

Будущее минеральных масел ограничено: запасы нефти конечны и невосполнимы. Оценки: всего добываемых легких и средних резервов ~1,6 трлн баррелей, треть уже израсходована. По мере истощения природных запасов значение синтетических масел будет расти — не только для смазок, но и для всех продуктов нефтепереработки.