آزمایش وارنیش روغن چیست؟

با شروع مشکلات وارنیش، آزمایشگاه‌های مختلف برای تشخیص وارنیش روغن دست‌به‌کار شدند. برای مثال، آزمایشگاه Exxonmobile با سانتریفیوژ کردن نمونۀ روغن [Ultra-Centrifuge Rating]، وضعیت وارنیش را به لحاظ کیفی ارزیابی می‌کند. آزمایشگاه Singnum با تلفیق روش طیف‌سنجی نوری و اندازه‌گیری دانسیته [Quantitative Spectrophotometric Analysis (QSA)]، پتانسیل تشکیل وارنیش در روغن را مشخص می‌کند. طیف‌سنجی مولکولی با استفاده از آزمون تبدیل فوریه مادون قرمز (FT-IR) نیز روند افزایش در شدت پیک روغن در طول موج cm^-1 1630 و cm^-1 1741 را به‌عنوان زنگ خطری برای وقوع وارنیش اعلام می‌نماید؛ اما متداول‌ترین روش تشخیص پتانسیل وارنیش روغن آزمایش رنگ‌سنجی پچ غشایی [Membrane Patch Colorimetric] (MPC) می‌باشد. یادآوری می‌گردد که ترکیب چند آزمایش و بررسی ترند تغییرات در چند آزمایش تشخیص وارنیش نتیجه مطلوب‌تری نسبت به تکیه فقط بر یک آزمایش دارد.

رنگ‌سنجی پچ غشایی (MPC) Membrane Patch Colorimetric 

در سال 2013 سازمان ASTM استاندارد 7843 ASTM D را منتشر کرد که پتانسیل ایجاد وارنیش در روغن را از طریق رنگ‌سنجی پچ غشایی مشخص می‌نمود. این آزمایش به آزمایش پتانسیل وارنیش[Varnish Potential Test] (VPT) نیز شهرت یافته و مراحل انجام آن به‌قرار زیر است.

1-آماده سازی نمونه روغن

آماده‌سازی نمونه روغن چهار شبانه‌روز به طول می‌انجامد. ابتدا نمونه روغن به کمک آون [ Oven] به مدت بیست‌وچهار تا بیست‌و‌پنج ساعت در دمایی بین C°60 تا C°65 گرم‌می‌شود. سپس نمونه به مدت هفتادودو ساعت در محیطی تاریک و در دمای C°15 تا C°20 (دمای اتاق [Room Temperature]) نگهداری می‌شود در طول این هفتادودو ساعت مولکول‌های وارنیش محلول در روغن فرصت می‌یابند که به یکدیگر جذب‌شوند و توده‌های وارنیش نامحلول را تشکیل دهند. اشعه UV در نور خورشید و لامپ فلوئورسنت بر نتایج آزمایش تأثیرگذار است؛ زیرا اشعه UV سبب‌ساز واکنش فوتو-کاتالیتیک در نمونه روغن است. بنابراین ضمن رعایت این نکته در آزمایشگاه لازم است از ظروف تیره برای نمونه‌گیری روغن استفاده شود.

2- عبور نمونه روغن از فیلتر 0.45 μm

پس از آماده‌سازی نمونه روغن، mL50 روغن با mL50 حلال غیرقطبی ( Non-polar solvent) رقیق می‌شود به مدت 15 دقیقه مخلوط می‌گردند. این حلال طبق استاندارد ASTM D7843-18 ماده ای به نامPetroleum spirit IP 40/60  می باشد. سپس محلول حاصل به کمک پمپ مکش با ایجاد خلا در محدوده   از فیلتری از جنس سلولز نیترات (nitro-cellulose) با مش μm0.45 عبور داده می‌شود.

تصویر (1)– فیلتر آزمایشMPC

پس از عبور کامل محلول از کاغذ فیلتر، این کاغذ در محیطی تمیز و در مدت حدود سه ساعت کاملا خشک می‌شود. در نهایت طیف رنگی لکه ایجاد شده روی کاغذ به کمک دستگاه طیف‌سنج نوری (Spectrophotometer) اندازه‌گیری می‌شود و نتیجه آن با ΔE یا عدد پتانسیل تشکیل وارنیش در مقیاس CIE LAB گزارش می‌گردد. این عدد نماینده طیف رنگ‌های قرمز، زرد و مشکی روی کاغذ فیلتر است و شاخصی از پتانسیل تشکیل وارنیش روغن می‌باشد.

تصویر (2)– اثر طیف رنگ‌های قرمز، زرد و مشکی در مقدار ΔE

سوالات رایج در خصوص مقدار ΔE در آزمایش ASTM D7843-18

رنگ روغن در مقدار ΔE چه اثری دارد؟

همانطور که در فصول قبل اشاره شد رنگ روغن توربین به مرور زمان تیره‌تر می‌شود اما این تغییر رنگ روغن در نتایج این تست تاثیری ندارد و روغن‌های تیره‌ در صورتی که حاوی وارنیش نباشند، اثری از خود روی کاغذ باقی نمی‌گذارند. زیرا فقط ذرات وارنیش نامحلول از کاغذ عبور نمی‌کنند، تغییر رنگ کاغذ فیلتر را باعث می‌شوند. به همین علت، در روغن نو مقدار ΔE معمولا عددی کمتر از دو است. اما ذکر این نکته اهمیت دارد که مطابق با نظر استاندارد ASTM D7843-18 این آزمایش برای روغن‌های توربین حاوی رنگ (Dyes) مناسب نمی‌باشد.

محدوده مجاز تغییرات ΔE چقدر است؟

قبل از سال 2020 یکی از مراجع معبر در خصوص حد مجاز نتیجه تست MPC  جدول نشان داده شده در تصویر (3) بود

تصویر (3)– Membrane patch colorimetric (MPC)- ASTM D7843

استاندارد ASTM D 4378 از سال 2020 آزمایش MPC با مقادیر ΔE بیشتر از بیست را به‌عنوان نقطه شروع نگرانی کاربران توربین در خصوص وقوع وارنیش اعلام نموده است.
همانطور که در شکل زیر مشاهده میکنید، این استاندارد مقدار بیشتر از سی را به‌عنوان شرایط نیازمند انجام اصلاحی معرفی نموده است.

البته آزمایشگاه‌های مرجع آنالیز روغن در سطح جهانی نظرات متفاوتی در خصوص حد مجاز مقدار وارنیش اعلام نموده‌اند. به عنوان مثال آزمایشگاه TestOil اعلام کرده است: بعضی از سیستم‌ها نتیجه MPC پایینی داشتند اما بازدید‌های انجام‌شده از بخش‌های داخلی سیستم روانکاری، از وقوع رسوبات شدید وارنیش حکایت می‌کرد. این آزمایشگاه کاهش مقدار ΔE را این‌طور توضیح می‌دهد: اگر نرخ رسوب وارنیش با نرخ تولید وارنیش در روغن برابر شود، نتایج ΔE ثابت می‌ماند و درصورتی‌که نرخ رسوب وارنیش از نرخ تولید وارنیش بیشتر شود نتیجه MPC روند کاهشی خواهد داشت؛ به همین دلیل کاهش مقدار ΔE به‌عنوان زنگ خطری برای افزایش نرخ رسوب وارنیش است. این سناریو در نواحی داغ مانند یاتاقان‌ها بیشتر اتفاق افتاده است؛ به بیان دیگر در یاتاقان رسوب زیادی از وارنیش مشاهده‌شده اما در بعضی موارد دیده‌شده که مقدار MPC کمتر از ده و ثابت باقی‌مانده است.

شرکت نوریا نیز اعلام می‌کند: در آزمایش پتانسیل تشکیل وارنیش ASTM D 7843، تعیین سطحی قابل‌قبول از وارنیش اندازه‌گیری‌شده که بتواند کارکرد بدون مشکل ماشین را تضمین کند، با چالش‌های واقعی روبرو می‌باشد. بنابراین باید گفت: آزمایش MPC به‌طور مستقیم سطح وارنیش سیستم روانکاری را ارزیابی نمی‌کند بلکه این آزمایش فقط نشان‌دهنده پتانسیل و ریسک وقوع وارنیش در روغن است؛ به عبارتی، پایین بودن مقدار ΔE به نبودن رسوب خطرناک وارنیش دلالت نمی‌کند ولی احتمال وقوع وارنیش را پایین ارزیابی می‌نماید.

تغییرات نوسانی در نتایج ΔE به چه علت است؟

با فرض انجام‌شدن تمامی مراحل انجام آزمایش در آزمایشگاه به‌صورت کاملاً استاندارد، نوسان مقدار ΔE در نمونه‌های متوالی ارسال‌شده به همان آزمایشگاه می‌تواند ناشی از دلایل ذیل باشد:

1- افرایش نرخ رسوب‌گذاری

همان‌طور که توضیح داده شد، با افرایش نرخ رسوب‌گذاری، مقدار وارنیش در نمونه روغن کاهش می‌یابد، درحالی‌که سطوح تجهیزات شرایط خطرناکی را به لحاظ افزایش رسوب وارنیش تجربه می‌کنند. بنابراین کاهش مقدار ΔE تنها به‌واسطه انجام عملیات وارنیش‌زدایی و یا سرریز حجم زیادی روغن نو به روغن کارکرده امکان‌پذیر می‌باشد به همین دلیل باید نسبت به کاهش‌های ناگهانی ΔE بدون انجام اقدام اصلاحی، ابراز نگرانی نمود.

2- دمای روغن در زمان نمونه‌گیری

تحقیقات میدانی صورت گرفته در این زمینه نشان می‌دهد که شدت رسوب‌گذاری وارنیش با کاهش دمای روغن توربین رابطه مستقیم دارد و به همین جهت دمای روغن در زمان نمونه‌گیری در نتایج آزمایش اثرگذار می‌باشد. به طوری که استاندارد 4378 ASTM از سال 2020، ثبت دمای روغن توربین در زمان نمونه‌گیری را به‌عنوان یکی از پارامتر‌های نوشته‌شده بر روی ظرف نمونه‌گیری، اعلام نموده است. این در حالی است که در چاپ‌های قدیمی‌تر این استاندارد، به ثبت دمای روغن تأکیدی نشده بود. گفتنی است که طبق نظر استاندارد ASTM D7843-18 در زمان نمونه‌گیری، روغن توربین باید حداقل یک ساعت در دمای کاری باشد.

3- وسایل آزمایش

طبق استاندارد ASTM D7843-18 وسایلی مانند پمپ خلأ آزمایشگاه روغن و همچنین جنس و برند فیلتر کاغذی می‌توانند اثر مهمی در نتایج آزمایش داشته باشند.

4- به‌روز شدن استاندارد 7843 ASTM  و تغییرات جزئی در روش آزمایش

بعضی تغییرات جزئی در روش آزمایش می‌تواند نتایج آزمایش را تغییر دهید. برای مثال در نسخه جدید استاندارد ASTM 7843 فیلتر سلولزی در زمان بیشتری نسبت به نسخه‌های قبلی شستشو می‌شود. همین مسئله کاهش مقدار وارنیش روغن در آزمایش‌های جدید را به همراه داشته است؛ از این رو با هر بار تغییر استاندارد ASTM 7843 نتایج قبلی را نمی‌توان با نتایج نسخه جدید آزمایش مقایسه نمود.

5- حل شدن وارنیش در حلال

حلال غیرقطبی در آزمایش MPC با هدف رقیق‌کردن روغن و افزایش سرعت عبور نمونه از فیلتر کاغذی استفاده می‌شود؛ اما این حلال می‌تواند بعضی از مولکول‌های وارنیش را در خود حل کند و درنتیجه این وارنیش‌های حل‌شده در نتایج آزمایش اثری ندارند و از فیلتر کاغذی عبور می‌کنند.

6- شکارشدن ذرات در عمق فیلتر

بعضی از مولکول‌های وارنیش از سطح فیلتر کاغذی عبور می‌کنند و در عمق فیلتر شکار می‌شوند. دستگاه طیف‌سنج نوری فقط تغییرات رنگ سطح کاغذ را اندازه‌گیری می‌کند و به همین علت، ذرات وارنیش که در عمق فیلتر نفوذ کرده‌اند، در شدت رنگ اندازه‌گیری‌شده اثری ندارند.