چهار عامل تخریب روغن (به روز رسانی 1403)

به نام خدا دوستان سلام من سعید کردی زاده هستم. در این ویدیو میخواهم در مورد عوامل تخریب روغن توربین باهاتون صحبت کنم. همانطور که در تصویر زیر مشاهده میکنید، عوامل تخریب روغن توربین به چهار دسته تقسیم بندی می‌شود.

از شروع به کار یک توربین، روغن مورد استفاده در سیستم روغن‌کاری آن به‌تدریج تخریب می‌شود؛ زیرا روغن یک ماده آلی بوده و مانند هر ماده آلی دیگر، با گذشت زمان پیر می‌شود. در این مقاله چهار عامل اصلی تخریب روغن توربین توضیح داده می‌شود و در ادامه راهکارهایی برای کاهش اثر مخرب این عوامل و بهبود شرایط روغن توربین پیشنهاد می‌گردد.

عوامل تخریب روغن 

عوامل تخریب روغن توربین به چهار د‌سته تقسیم‌بند‌ی می‌شود.

1-اکسید شدن

2- تخریب حرارتی

• Micro-dieseling
• Electrostatic Spark Discharge
• Hot Spots

3- آلودگی های خارجی

4- مصرف شدن ادتیوهای روغن

مقاله روغن توربین را مطالعه کنید

1- اکسیدشدن روغن

واکنش مولکول‌های روغن توربین با اکسیژن را اکسید‌اسیون روغن گویند‌. در این فرایند روغن توربین د‌ر اثر تماس با سطوح د‌اغ و حضور کاتالیست‌های مانند آهن، روی، مس و آب به‌سرعت با اکسیژن واکنش می‌د‌هد و اکسید می‌شود‌. در طی اکسیداسیون روغن، هیدروکربن‌ها تجزیه می‌شوند و به محصولات واکنش به نام رادیکال‌های آزاد [Free Radicals] تبدیل می‌شوند. سپس رادیکال‌های آزاد با یکدیگر واکنش می‌دهند و پراکسید‌ها [Peroxides] را تولید می‌کنند. با ادامه این روند، محصولاتی که د‌ر مراحل اکسید‌اسیون تولید می‌شوند (مانند پراکسید‌ها) با یکد‌یگر ترکیب می‌شوند و اسید‌های آلی مانند کربوکسیلیک اسید‌ها، آلد‌هید‌ها و کتون‌ها را تولید می‌کنند‌. این اسید‌ها به سطوح فلزی حمله‌ور می‌شوند و نمک‌های فلزی را ایجاد می‌نمایند‌. تد‌اوم چرخه اکسید‌اسیون، درنهایت به تولید پسماند روغن منجر می‌شود و در تشکیل رسوب وارنیش [Varnish] و لجن [Sludge]در روغن نقش پررنگی دارد. در شکل زیر تغییر رنگ روغن توربین به د‌لیل اکسیدشد‌ن، نشان د‌اد‌ه شد‌ه است.

شیمید‌انی سوئد‌ی به نام آرنیوس د‌ر اواخر قرن نوزد‌هم اعلام کرد با افزایش هر °C 10 د‌مای روغن بالاتر از °C 82، روند اکسیدشد‌ن روغن، د‌و برابر می‌شود‌؛ به عبارت دیگر، اگر د‌مای روغن از °C 82 به °C 92 افزایش یابد‌، سرعت اکسید‌شد‌ن آن د‌و برابر می‌شود‌. به همین ترتیب اگر د‌مای روغن از °C 82 به °C 102 افزایش یابد‌، سرعت اکسید‌شد‌ن آن چهار برابر می‌گردد‌.

2- تخریب حرارتی روغن

درصورتی‌که د‌مای روغن توربین از °C 300 بیشتر شود‌، بد‌ون حضور اکسیژن، پیوند‌های هید‌روکربنی روغن شکسته می‌شوند و کربنایز‌های نامحلولی را به وجود می‌آورند‌؛ این پد‌ید‌ه «تخریب حرارتی [Thermal Degradation]» نامید‌ه می‌شود‌. کربنایز‌ها باعث ایجاد رسوب‌های کربنی، وارنیش و لجن می‌شوند‌ و بوی تند روغن توربین یکی از شواهد اولیه شکست حرارتی به دلیل داغ‎‌شدن بیش‌ازحد روغن است.

انواع تخریب حرارتی روغن

تماس روغن با نقاط د‌اغ^{[Hot Spot]}، پدیده میکرود‌یزلینگ^{[Micro-Dieseling]} و تخلیه جرقه الکترواستاتیک^{[Electrostatic Spark Discharge (ESD)]} سه عامل اصلی تخریب حرارتی روغن می‌باشند. در ادامه به بررسی هرکدام از آنها پرداخته می‌شود و راهکارهایی درخصوص جلوگیری از آنها ارائه می‌گردد.

• نقاط د‌اغ  Hot Spots

همان‌طور که در مقاله اول توضیح داده شد، یکی از وظایف روغن توربین خنک‌کاری یاتاقان‌های توربین است. در یاتاقان ژورنال توربین‌ها تنها اصطکاک موجود، اصطکاک داخلی مولکول‌های روغن در فیلم روغن است. چرخش شفت توربین در داخل یاتاقان و افزایش اصطکاک مولکول‌های روغن، یاتاقان توربین را به یکی از داغ‌ترین بخش‌های سیستم روانکاری تبدیل می‌کند.

از طرف دیگر، بعضی از یاتاقان‌های توربین با بخارآب و یا هوای داغ در تماس می‌باشند؛ برای مثال د‌ر توربین‌های گازی V94.2، یاتاقان بخش توربین در اگزوز نصب‌شده و در این ناحیه د‌مای گاز‌های خروجی از توربین از °C 500 بیشتر است؛ اگرچه اطراف این یاتاقان عایق‌بندی شده است و از سمت کمپرسور نیز مسیر هوای خنک‌کاری به یاتاقان تعبیه گردیده است، اما گرم‌شدن این ناحیه اجتناب‌ناپذیر است.

علاوه بر این، در مسیر‌های ارسال روغن به یاتاقا‌ن‌ها و به ‌ویژه محل اتصال لوله روغن روانکاری به بدنه توربین ممکن است به خاطر انتقال حرارت از بدنه داغ توربین، دمای روغن در همان ناحیه به‌شدت افزایش پیدا کند. این مسئله با وجود مشکلاتی مانند ضعف عایق توربین، شدت بیشتری پیدا می‌کند. همانطور که در شکل زیر مشاهده میکنید، افتادگی عایق بدنه توربین گازی V94.2 به افزایش شدید دمای مسیر روغن ورودی به یاتاقان توربین منجر شده است.

لازم به ذکر است، بعضی از مخازن روغن توربین به گرم‌کن مجهز هستند و طراحی ناد‌رست این تجهیز و یا اشکال در سیستم کنترل دمایی آن می‌تواند به افزایش دمای روغن در تماس با گرمکن منجر شود.

در تمام موارد ذکرشده د‌ر اثر تماس روغن توربین با این نقاط د‌اغ، تنش‌های حرارتی موضعی شدیدی در روغن ایجاد می‌شود و دمای روغن به طرز وحشتناکی افزایش پیدا می‌کند. این پدیده «نقاط د‌اغ» نامیده می‌شود و یکی از شایع‌ترین عوامل تخریب حرارتی روغن توربین است.

• میکرود‌یزلینگ Micro-dieseling

حباب هوای موجود د‌ر روغن د‌ر مناطق پُرفشار مانند یاتاقان‌های توربین یا خروجی پمپ‌های د‌ر یک فرایند آدیاباتیک متراکم می‌شود و د‌مایی حد‌ود °C 1000 ایجاد می‌کند‌. این افزایش د‌ما، تخریب حرارتی مولکول‌های روغن را باعث می‌گردد‌.

این افزایش د‌ما، تخریب حرارتی مولکول‌های روغن را باعث می‌گرد‌د‌. لازم به ذکر است که توقف ایجاد حباب در روغن امکان‌پذیر نیست اما با کنترل جمعیت حباب‌ها از طریق شناسایی منبع ورود هوا به سیستم روانکاری، پدیده میکرودیزلینگ قابل کنترل است.

• قوس تخلیه الکترواستاتیکی  Electrostatic Spark Discharge

بخش بزرگی از مولکول‌های روغن توربین غیر قطبی هستند و الکترون‌ها به راحتی نمی‌توانند در روغن حرکت داشته باشند، این امر موجب تجمع الکتریسته در برخی نقاط روغن خواهد شد. همچنین سرعت مولکول‌های روغن د‌ر اثر عبور روغن از منافذ کوچک مانند سطوح با لقی کم و فیلتر‌ها با مش ریز، افزایش پیدا می‌کند. افزایش سرعت مولکول‌های روغن، افزایش اصطکاک بین آن‌ها و تولید الکتریسیته ساکن را به همراه دارد‌. این فرایند تا جایی ادامه پیدا می‌کند که روغن تحمل تجمع الکتریسیته را از دست بدهد و در نتیجه این الکتریسیته را بصورت جرقه‌های الکتریکی تخلیه می‌کند. به عبارت دیگر تجمع الکتریسیته ساکن باعث ایجاد قوس الکتریکی با ولتاژ بالا می‌شود و د‌مایی بین °C 10000 تا °C 20000 د‌ر روغن ایجاد می‌نماید‌. این پدیده «قوس تخلیه الکترواستاتیکی» (ESD) نامید‌ه می‌شود‌ و زمانی که روغن سرد است و همچنین در افزایش سرعت روغن در لوله‌ها بیشتر اتفاق می‌افتد. د‌ر شکل زیر وقوع قوس تخلیه الکترواستاتیکی از روغن به فیلتر نشان د‌اد‌ه شد‌ه است.

قوس تخلیه الکترواستاتیکی (قبل از شروع)

وقوع قوس تخلیه الکترواستاتیکی

علل تولید بار الکترواستاتیکی و پدیده ESP را به صورت زیر بیان کرد:

• اصطکاک ناشی از تماس سیال با لوله
• سرعت بالای سیال
• جریان سیال در لوله‌ها و شلنگ‌هایی که تماس با زمین ندارند
• عبور روغن با سرعت بالا از روزنه‌های کوچک فیلتر
• تلاطم در مایع و عوامل پمپ‌کننده، به خصوص پمپ‌های گریز از مرکز
• تخلیه سیال به مخزن سر باز

در یک بازرسی از ۲۴ فیلتر در سیستم روانکاری توربین گازی مؤید پدید­ آمدن و تولید جرقۀ استاتیک در فیلترهای آن‌ها بود. درا ین فیلترها و در اثر اصطکاک بین مولکول‌ها هنگام عبور جریان روغن از روزنه‌های کوچک فیلتر، تخلیۀ الکترواستاتیکی به وجود آمده بود. کوچک‌ترین روزنه‌ها در سیستم روانکاری در فیلترها هستند، دقیقاً جایی که جرقه‌ها به تخلیه تمایل دارند. جرقه در فیلترهای اصلی که شدت‌جریان خیلی بالاست بیشتر از همه وجود دارد. گواه وجود جرقه می‌تواند از بازرسی مدیای فیلتر، مش‌های فیلتر و از ذراتی که توسط فیلتر گرفته شده‌اند به دست آید. برای کاهش تولید این جرقه‌ها راه‌هایی مانند Tracing Heat خطوط، کاهش فلاکس فیلتر، استفاده از فیلتر با سایز روزنۀ بزرگ‌تر و استفاده از فیلتر با المنتی از جنس متفاوت پیشنهاد می‌شود.

نقش فیلتر مکانیکی در تولید جرقه الکترواستاتیکی

المان درونی فیلتر که شامل فیبر و شبکه نایلونی می‌باشد، نقش بسزایی در تولید بار در روغن و تجمع آن دارد. از آنجائیکه این اجزاء نارسانا می‌باشند، بار تولید شده در روغن را انتقال نمی‌دهند و بر روی خود جمع می‌کنند. از طرفی، بخش هسته مرکزی فیلتر که فلزی می‌باشد، بار مخالف را از طریق اتصال به زمین در خود جمع می‌کند. با گذشت زمان و افزایش تجمع بارها، زمانیکه میزان بار تجمع یافته از قدرت شکست روغن بین فیبر درونی و فلز هسته مرکزی فیلتر فراتر رود، بار روی فلز به شدت به بار الکترواستاتیک روی فیبر حمله می‌کند و باعث تخلیه شدید بارها به صورت جرقه می‌شود. این جرقه‌ها انرژی بسیار بالایی را تولید می‌کنند و به بخش‌های مختلف فیلتر و سیستم روانکاری آسیب می‌رسانند. برخلاف تصور رایج که اتصال محفظه فیلتر به زمین را عامل کاهش تولید جرقه می‌داند، اتصال فیلتر به زمین باعث تجمع بیشتر بار مخالف روی قسمت فلزی فیلتر می‌شود و نهایتاً برخورد شدیدتر بارهای مخالف به یکدیگر را به دنبال دارد. در اثر این برخورد شدید، انرژی بسیار زیادی از طریق جرقه ایجاد می‌شود و مولکول‌های روغن به شدت تخریب می‌شوند. در اثر جرقه، دما به شدت به طور لحظه‌ای و موضعی بالا می‌رود و در نهایت باعث افزایش دمای کلی روغن می‌شود. با افزایش دما، شرایط برای واکنش چگالش فراهم می‌شود و بدین ترتیب مولکول‌های شبه پلیمری با جرم مولکولی بالا تولید می‌شوند و این امر بیانگر مرحله اول تشکیل وارنیش و لجن می‌باشد. بزرگی بار استاتیکی درون روغن با فاکتورهای از قبیل ویسکوزیته پایین، کنداکتیویته پایین، محتوای رطوبت پایین، سطح هوای ورودی کم و تمیزی بیشتر روغن افزایش خواهد یافت.

شرایط ایده‌آل برای باردار شدن (Electerification) روغن شامل موارد زیر است :

۱) دمای بالای احتراق

در پاسخ به دمای بالای احتراق توربین گاز، سرعت جریان در سیستم‌های روانکاری و کنترلی افزایش می‌یابد و با افزایش جریان، انرژی اصطکاکی بین مولکول‌ها افزایش می‌یابد و تجمع بار در روغن افزایش می‌یابد.

۲) رسانایی پایین روغن

در روغن پایه و افزودنی‌های روغن توربین، نسبت به بقیه انواع روانکارها مقدار اجزاء قطبی کمتر است و در نتیجه رسانایی آن پایین‌تر است.

۳) سطح پایین رطوبت (کمتر از ppm۱۰۰)

رطوبت، قطبی و رساناست. محیط گرم روانکارهای توربین گازی، باعث می‌شود که آب آزاد و همین‌طور آب محلول در روغن که عامل پایین ماندن ثابت دی‌الکتریک روغن می‌باشند، تبخیر شود و در نتیجه احتمال تخلیه بار ساکن بیشتر شود.

۴) سطح پایین هوای همراه

روغن‌های توربین گروه II در رها کردن هوا و ممانعت از تشکیل کف خوب عمل می‌کنند. این خاصیت برای کیفیت روغن بسیار خوب است، به جز زمانی که تخلیه الکتریکی مورد توجه باشد. به عبارت دیگر هر چه مقدار هوا کمتر باشد، ریسک ایجاد جرقه بیشتر است.

۵) تمیزی روغن

روغن‌های توربین به صورت گسترده فیلتر می‌شوند تا به سیال تمیزتری تبدیل شوند. این خالص‌سازی از منظر کاهش ساییدگی و سلامت سیال بسیار مناسب است. اما وقتی که تخلیه الکتریکی اتفاق می‌افتد، این خاصیت مناسب نیست. ذرات آلوده‌کننده عموماً رسانا هستند و به رسانایی بالک روغن کمک می‌کنند. آلودگی ذره‌ای (particle contamination) معادل ISO 18/15 برای جلوگیری از تشکیل بار ساکن کافی است. در حالی که سطح پایین آلودگی معادل ISO 13/10 یا پایین‌تر باعث تخلیه‌های بسیار قوی می‌شود. آنچه اوضاع را وخیم‌تر می‌کند، این موضوع است که فیلتر کردن روغن اصطکاک مولکولی داخلی را شدت می‌بخشد که باعث تشکیل بار ساکن در روغن می‌شود. این بدان معنی است که هر چقدر سایز روزنه فیلتر کوچک‌تر باشد و هر چقدر دانسیته جریان بیشتر باشد مشکل بیشتر می‌شود. با توجه به مطالب فوق، ایجاد تغییرات در سیستم روانکاری و یا خواص سیال جهت کاهش تولید و تجمع بار، ممکن است منجر به بروز مشکلات دیگری شود. به عنوان مثال، برای افزایش رسانایی روغن، می‌توان یون‌های فلزی به آن تزریق کرد. اما این کار باعث تسریع واکنش‌های اکسیداسیون روغن می‌شود. اضافه کردن رطوبت به روغن در کاهش احتمال تخلیه بار موثر است، اما خوردگی و زنگ‌زدگی اجزای سیستم روانکاری را به دنبال خواهد داشت. با توجه به عدم امکان تغییر شرایط فوق و پرهزینه بودن برخی از این تغییرات، باید به دنبال تغییر در ساختار فیلتر مکانیکی بود. در فیلتر مکانیکی، عاملی که بیشترین نقش را در تجمع بار داراست، المان‌های فیلتر (شامل فیبر و شبکه‌های نارسانا) می‌باشد. با تغییر جنس این مواد می‌توان تجمع بار درون فیلتر را کاهش داد. به عنوان پیشنهاد، می‌توان از افزودنی‌های آنتی‌استاتیکی و یا پرکننده‌های رسانا در ساخت بخش درونی فیلتر (عامل فیلتراسیون فیلتر) استفاده کرد. بنابراین اغلب این شرایط همان‌هایی هستند که بعنوان خواص مطلوب برای هر سیستم روغن شناخته شده و بنابراین قابل حذف نمی‌باشند. این تخلیه‌های الکترواستاتیکی همچنین می‌تواند به علت سرعت بالای عبور روغن از فیلترها، علیرغم نوع طراحی که جهت حداقل کردن این اثر انجام می‌گردد، به وجود آید. در نهایت تخلیه‌های الکترواستاتیکی با تولید دمایی در حدود 10000 درجه سانتیگراد منجر به واکنش حرارتی متمرکز و نهایتا شکست حرارتی روغن توربین میشود. با استناد به تحقیقات عملی و آزمایشگاهی به عمل آمده، می‌توان گفت فیلتر مکانیکی بیشترین نقش را در تولید بار و تخلیه آن دارد. مطالعات  میدانی نشان میدهد که هر جرقه، 10¹⁶×9/۱ رادیکال آزاد تولید می‌کند. تعداد زیاد رادیکال‌های آزاد تولید شده در اثر جرقه‌های پی ‌در پی، بی‌نهایت واکنش مصرف اکسیژن و شکست مولکول هیدروکربنی را به دنبال خواهد داشت که این به معنی تسریع فوق‌العاده اکسیداسیون روغن خواهد بود.

3- آلوده‌شدن روغن توربین

آلود‌گی روغن توربین «هر چیزی» به‌ غیر از روغن توربین است؛ این آلودگی‌ها یا از محیط خارج به روغن تحمیل شده‌اند (مانند آب یا آلودگی حاصل از سر ریز روغن اشتباه) و یا به وسیله سیستم روانکاری توربین تولیدشده‌اند (مانند وارنیش روغن) و یا در زمان نصب تجهیزات در سیستم روانکاری باقی‌مانده‌اند.

آلودگی نرم و آلودگی سخت

آلودگی‌های روغن بر اساس شدت سختی و نرمی آلاینده هم قابل دسته‌بندی می‌باشند. بر اساس این دیدگاه آلودگی‌های روغن به دو گروه آلاینده‌های نرم و آلاینده‌های سخت تقسیم‌بندی می‌شوند. از این رو، آب و پسماندهای حاصل از اکسیدان و تخریب حرارتی روغن و همچنین گاز‌های واردشده به روغن مانند هوا، دی‌اکسید کربن و هیدروژن در دسته آلاینده‌های نرم طبقه‌بندی می‌شوند. به عنوان مثال به‌منظور افزایش توان تولیدی ژنراتور توربین کلاس F زیمنس، از گاز هیدروژن در اطراف روتور استفاده می‌شود. در مواردی مشاهده شده که به علت آسیب لابیرنت سیل یاتاقان، هیدروژن به محفظه یاتاقان نفوذ کرده و به آلودگی روغن منجر شده است. همچنین در طرح‌های قدیمی خنک‌کاری ژنراتور با هیدروژن از گاز دی‌اکسیدکربن برای جلوگیری از واکنش هیدروژن با اکسیژن هوای محیط استفاده می‌گردید که همین مسئله آلودگی روغن با گاز دی‌اکسید کربن را نیز به همراه داشت. خوشبختانه در طرح‌های جدید از گاز خنثی هلیم استفاده می‌شود.

دسته دوم آلاینده‌های سخت روغن توربین هستند و ذرات جامد، براده‌های حاصل از فرسایش تجهیزات سیستم روانکاری و یا گرد و غبار وارد شده از محیط پیرامون تانک روغن در این گروه قرار می‌گیرند. افزایش میزان آلودگی سخت روغن باعث تشدید سایش و خرابی تجهیزات سیستم روانکاری می‌شود. به ‌عنوان ‌مثال، ذرات سخت ریز معلق در روغن زمانی که به یاتاقان ژورنال توربین راه پیدا می‌کنند، به موجدارشدن سطح بابیت یاتاقان منجر می‌شوند.

4- مصرف‌شدن ادتیوهای روغن توربین

به‌طورکلی ادتیو‌های روغن توربین با دو روش کاهش می‌یابند. در روش اول تجزیه ادتیو [Decomposition] اتفاق می‌افتد و ماهیت شیمیایی ادتیو عوض می‌شود؛ بنابراین ادتیوها اکسیدشده، هیدرولیز می‌شوند و یا در واکنش شیمیایی به‌منظور خنثی‌کردن ترکیبات اسیدی شرکت می‌کنند. این ادتیو‌ها محکوم به فنا می‌باشند تا بتوانند وظیفه خود که همان نجات روغن است را به‌درستی انجام دهند. به همین علت این نوع ادتیو‌های روغن، فدا شونده نامیده می‌شوند. به عنوان مثال، ادتیو آنتی‌اکسیدان روغن جزء این گروه محسوب می‌شود.

دومین روش کاهش ادتیو‌های روغن، مهاجرت آن‌ها از روغن است. در این حالت ادتیو‌های روغن توربین به سطوح فلزی جذب شده و از روغن جدا می‌شوند. ادتیو بازدارنده از زنگ‌زدگی مثال خوبی از این نوع ادتیو‌ها است. این ادتیوها به‌راحتی روغن توربین را ترک می‌کنند و به سطوح فلزی تجهیزات سیستم روانکاری روغن مانند بدنه تانک روغن جذب می‌شوند. در ادامه و با ایجاد مانعی از تماس مستقیم مولکول‌های آب به سطح فلز ممانعت می‌کنند و از زنگ‌زدگی سطوح جلوگیری می‌نمایند. البته این ادتیو‌ها به سطوح براده‌های فلزی غوطه‌ور در روغن نیز جذب‌شده و متأسفانه به همراه این ذرات به‌ وسیله سیستم فیلتراسیون روغن حذف می‌شوند.

درمجموع باید گفت وظیفه افزودنی‌های روغن توربین در نجات روغن، مراقبت از تجهیزات سیستم روانکاری و یا هردو آن‌ها خلاصه شده است و کاهش ادتیو‌ها در اغلب موارد نشان‌دهنده این است که وظیفه خودشان را به‌خوبی انجام داده‌اند. در آنالیز روغن مایل هستیم مقدار ادتیو‌های روغن را پایش کنیم تا با تعیین میزان ادتیو‌های باقی‌مانده در روغن، تخمینی از عمر مفید روغن و برآوردی از زمان تعویض روغن توربین داشته باشیم. بنابراین شناسایی کاهش ادتیو‌ها به‌عنوان ابزاری برای تخمین عمر مفید روغن شناخته می‌شود.