روش حذف وارنیش روغن چیست؟

با توجه به ماهیت پرهزینه خرابی‌های مربوط به وارنیش، استراتژی‌های متعددی برای کاهش وارنیش تدوین شده است. همانطور که در ابتدای این فصل اشاره‌شد، تغییر فاز بین وارنیش محلول و وارنیش نامحلول دستخوش یک تعادل شیمیایی برگشت‌پذیر می‌باشد؛ در نتیجه، حتی پس از تشکیل رسوب وارنیش، می‌توان شرایط را به گونه‌ای تغییرداد که موقعیت تعادل در جهت بازگشت رسوبات به حالت وارنیش محلول جابجاشده و رسوب وارنیش رفته‌رفته حذف‌گردد. طبق اصل لوشاتلیه، در واکنش‌های برگشت‌پذیر با تغییر غلظت یکی از واکنشگرها می‌توان جهت واکنش را تغییر داد. بنابراین روش‌های حذف وارنیش در دو مرحله انجام می‌شود:

مرحله اول، حذف وارنیش محلول و نامحلول از روغن توربین است. در این مرحله با تمیزشدن روغن، ظرفیت انحلال پذیری نیز افزایش پیدا می‌کند. مرحله دوم، تلاش برای حذف رسوب وارنیش از سطوح سیستم روانکاری است. در این مرحله رسوب وارنیش در روغن حل‌شده و با گذشت زمان سطوح از شر رسوب وارنیش خلاص می‌شود. لازم به ذکر است، اگر زمان زیادی از تشکیل رسوب وارنیش گذشته باشد، عملیات وارنیش‌زدایی سخت‌تر و مستلزم صرف وقت و هزینه بیشتری خواهد بود. تصور کنید می‌خواهید ظرفی را که مدام دچار سوختگی‌شده و کلیکسیونی از غذاهای سوخته را با خود دارد تمیز نمایید. بی‌شک تمیزکاری این ظرف به مراتب نسبت به ظرف مشابهی که فقط یکبار دچار سوختگی شده، دشوارتر است. بنابراین فرآیند پاک‌سازی سطوح از رسوب سرسخت وارنیش، بسته به شدت و ماهیت شیمیایی وارنیش، محل تشکیل، عمر رسوبات، حجم روانکار و راندمان سیستم وارنیش‌زدایی می‌تواند تا چندین ماه به طول انجامد.

حذف وارنیش روغن به کمک فیلترهای بستر عمیق سلولزی (Cellulose-Based Depth Filter)

در این روش ابتدا روغن آلوده به کولر دستگاه وارد شده و سرد می‌شود. با کاهش دما ظرفیت انحلال‌پذیری روغن Solubility کاهش یافته و بخش زیادی از وارنیش محلول به وارنیش نامحلول تبدیل می‌شود. در ادامه روغن سرد به کمک پمپ و با فشار به صورت شعاعی وارد فیلتر بستر عمیق سلولزی می‌شود و از گذرگاه‌های تنگ و پرپیچ و تاب بین فیبرهای سلولزی عبور می‌کند.

تصویر (1)– فیلترهای بستر عمیق سلولزی

وارنیش نامحلول معمولا اندازه‌ای کمتر از μm1 دارد و می‌تواند از این گذرگاه‌ها عبور کند، اما به علت نیروی چسبندگی بین مولکولی واندروالس (Van der Vaals force) به سطح فیبرهای سلولزی جذب‌شده و اصطلاحاً جذب‌سطحی(Surface attraction) می‌شود. از آنجایی که وارنیش‌ها به سطحِ فیبر سلولزی جذب می‌شوند این پدیده ادسورپشن(adsorption) نامیده می‌شود. به عبارت دیگر، به پیوند شیمیایی / فیزیکی اتم‌ها، مولکول‌ها یا ذرات( particles) به یک سطح ادسورپشن می‌گویند.

تصویر (2)– فیلترهای بستر عمیق سلولزی

در ادامه وارنیش به داخل فیبر سلولزی نیز وارد شده و بخشی از آن بازهم به طریق ادسورپشن در آنجا متوقف و حذف می‌شود. لازم به ذکر است، هرچه سطح تماس فیلتر با روغن بیشتر باشد جذب سطحی بیشتر اتفاق می‌افتد.

بقیه ذرات فرسایشی (آلاینده‌های سخت) و وارنیش‌های نامحلول (آلاینده‌های نرم) که سایزهای بزرگتری دارند، نمی‌توانند از گذرگاه‌های تنگ و پر پیچ و تاب فیبرهای سلولزی عبور کنند و در داخل و عمق فیلتر شکار می‌شوند. این پدیده ابـــسورپشن (absorption) نامیده می‌شود. در پایان و همانطور که در تصویر (1-3) نشان داده است، روغن عاری از وارنیش بصورت محوری از مرکز فیلتر خارج‌شده و به تانک روغن توربین بازگردانده می‌شود. این فرایند مدام تکرارشده و حذف وارنیش از روغن توربین، حذف رسوب وارنیش از سطوح سیستم روانکاری را به همراه دارد. همانطور که گفته شد، پاکسازی سطوح از وارنیش بصورت مستقیم نمی‌گیرد، بلکه از طریق واکنش تعادلی بین دو فاز وارنیش محلول و وارنیش نامحلول و بواسطه روغن انجام خواهد شد. هنگامی که مواد مختلف از یک بستر عمیق عبور می کنند، اجزای مختلف آن بر اثر برهمکنش‌های مختلف سطحی و فضایی و سایزی با بستر با سرعت‌های متفاوتی طول بستر را می‌پیمایند. این برهمکنش‌ها شامل برهمکنش‌های مغناطیسی، قطبی-غیرقطبی، سایز مولکولی و ممانعت فضایی بستر، آبدوستی-آبگریزی و برهمکنش‌های نیروهای واندروالس-داتیو می‌باشند. هنگامی که روغن آلوده از بستر فیلتر عمیق عبور می‌کند مولکول‌های روغن برهمکنشی با بستر ندارند و با سرعت بیشتری طول بستر را می‌پیمایند. اما ترکیباتی که ساختار قطبی یا بار الکتریکی یا گروه‌های عاملی قابل قطبیده‌شدن داشته باشند به دلیل این برهمکنش‌ها و درگیری با بستر، با سرعتی بسیار آهسته‌تر طول بستر را می‌پیمایند. مولکولهای وارنیش به دلیل همین برهمکنش‌ها دیرتر از مولکولهای روغن این مسیر بستر فیلتر عمیق را طی می‌کنند. به همین علت فیلتر‌های عمیق اگر به موقع تعویض نشوند به دلیل مکانیزم اثر شبه کروماتوگرافی، زمان لازم را برای عبور وارنیش و آلودگی مجدد روغن پیدا می‌کنند.

حذف وارنیش به کمک فیلترهای نانو با ساختار لوله مویین (Nano Capillary Tubes)

در این روش فرآیند حذف آلودگی‌ها از طریق میلیون‌ها لوله مویین انجام می‌شود. فرایند کار به این صورت است: ابتدا روغن آلوده به کمک پمپ و با فشار و به صورت محوری از لوله‌های مویین در داخل مدیای فیلتر عبور می‌کند. این لوله‌های مویین از جنس نانو سلولز و هموپلیمر بوده و هر کدام از آنها مانند یک فیلتر مجزا عمل می‌کند. براساس الگوی سرعت سیالات نیوتنی، سرعت جریان روغن در وسط مقطع لوله بیشترین مقدار و در دیواره‌‌ به کمترین حد خود می‌رسد. به همین علت، ذرات آلاینده نرم و سخت که وزن و اصطکاک بیشتری نسبت به مولکول‌های روغن دارند، به سمت دیواره‌ لوله مویین جابجا می‌شوند. بنابراین جریان روغن توربین بصورت محوری از بالا تا پایین مدیای فیلتر در کنار تعداد زیاد و ابعاد و اندازه‌های نانومتری لوله‌های مویین، سطح تماس روغن با فیلتر را به بیشترین مقدار ممکن رسانده و در نهایت این ذرات در حفره‌های موجود در دیواره لوله مویین به دام می افتند و از روغن حذف می‌شوند.

این نوع فیلتر برای حذف هر دو نوع وارنیش محلول و نامحلول در دمای کمتر از C30° مناسب است اما باتوجه به ماهیت وارنیش و انحلال بخشی از آن در روغن در دمای بهره‌بردای  توربین، برای حذف وارنیش محلول دمای روغن قبل از ورود به این فیلتر بصورت تدریجی توسط سیستم خنک کننده خاصی تا حد مشخصی کاهش پیدا می‌کند. در نهایت با حذف وارنیش روغن و افزایش ظرفیت انحلال پذیری روغن مطابق با اصل تعادل لوشاتلیه، رسوبات انباشته شده بر روی سطوح داخلی سیستم روانکاری نیز حذف می‌شوند.

تصویر (3)– فیلترهای نانو با ساختار لوله مویین

حذف وارنیش روغن با فیلتر الکترواستاتیک صفحه ای (Electrostatic separator)

نحوه عملکرد فیلتر الکترواستاتیک بر اساس اصل نیروی کولن (columb force) استوار است. ابتدا برق DC با ولتاژ بالا از المان‌های فیلتر عبور می‌کند و میدان الکترواستاتیکی قدرتمندی در المان‌های فیلتر ایجاد می‌نماید. با ورود روغن توربین به این المان‌ها، آن دسته از ذرات و آلاینده‌های روغن که بار الکتریکی منفی دارند به سمت الکترود مثبت و بقیه آلاینده‌ها مثل وارنیش نامحلول که بار مثبت دارند توسط الکترود منفی جذب می‌شود. به بیان دیگر در این روش ذرات باردار نمی‌شوند بلکه ذرات خود دارای بار هستند و به سمت صفحات با بار مخالف متمایل می‌شوند.‌‌‌‌‌ درنتیجه ورانیش نامحلول به صفحات باردار جذب شده و از روغن زدوده می‌شود. شایان ذکر است آب موجود در روغن توربین بر عملکرد این فیلتر اثر منفی دارد.

تصویر (4)– حذف وارنیش روغن با فیلتر الکترواستاتیک (Electrostatic separator)

فیلتر الکترواستاتیک در دو نوع صفحه‌ای و استوانه‌ای کاربرد دارد. ساختار فیلتر الکترواستاتیک صفحه‌ای به گونه‌ای می‌باشد که تعدادی صفحه مستطیلی به موازات هم در یک مخزن قرار دارند و این صفحات به صورت یکی در میان به ولتاژ مثبت و منفی متصل می‌باشند. روغن با عبور پایین به بالا از بین این صفحات از میان میدان الکترواستاتیک 8 تا 20 کیلو ولت DC عبور می‌کند. به ذرات دارای بارq نیروی F معادل  F=E*q وارد می‌شود و این ذرات را به سمت صفحات فلزی رسوب می‌دهد. از آنجایی که طبق قوانین فیزیک همواره تجمع بار در نقاط نوک تیز بیشتر می‌باشد در گوشه‌های نوک تیز این صفحات مستطیلی احتمال آرک‌زدن در صورت وجود پلیسه یا ذرات ریز فلزی رسانا یا رطوبت درون روغن زیاد می‌باشد. در این صورت بخشی از ادتیو های روغن نیز در اثر این تخلیه بار آسیب می‌بینند.

فیلتر های الکترواستاتیک استوانه ای با هدف کاهش احتمال و ریسک تخلیه بار در گوشه‌های نوک تیز فیلترهای صفحه ای توسعه یافتند. این فیلتر ها از صفحات استوانه ای تو در تو که به صورت یکی در میان به ولتاژ مثبت و منفی متصل هستند تشکیل شده است. در حالت استوانه تو در تو احتمال رویارویی نقاط نوک تیز فقط در قسمت تحتانی و فوقانی استوانه است و به میزان بسیار زیادی از طول لبه های نوک تیز با قابلیت تخلیه بار کاسته شده است. همچنین با هدف افزایش کارایی فیلتر و عدم بازگشت وارنیش رسوب کرده بر روی صفحات، بین هر دو صفحه از تعدادی لایه سلولوز پلیسه شده پر شده است. در این روش روغن به صورت محوری از پایین استوانه وارد می‌شود و از بالا خارج می‌گردد، وجود میدان یکنواخت باعث رسوب دادن ذرات و مولکولهای وارنیش به سمت دیواره های می‌شود. هنگامی که وارنیش‌ها به سمت دیواره‌ها منحرف می‌شوند با دیواره سلولوزی برخورد کرده و در میان بافت سلولوز به دام می‌افتند و احتمال بازگشت مجدد آنها به درون جریان روغن به حداقل ممکن می‌رسد.

حذف وارنیش به کمک روش (BCA) Balance Charge Agglomeration

در روش BCA همانگونه که در تصویر (5) مشاهده می‌کنید، جریان روغن به دو قسمت مجزا تبدیل شده و هر قسمت با بار الکتریکی مخالف قسمت دیگر شارژ می‌شود. در این فرایند وارنیش نامحلول روغن باردار می‌شود. یک گروه از ذرات وارنیش نامحلول بار مثبت و گروه دوم بار منفی پیدا می‌کنند. در پایان هر دو گروه تحت شرایط مغشوش با هم ترکیب می‌شوند. دراثر این اختلاط، ذرات وارنیش نامحلول باردار مثبت و منفی همدیگر را جذب کرده و لخته های بزرگی از ذرات وارنیش نامحلول را تشکیل می‌دهند بدین ترتیب ذرات سابمیکرونی وارنیش به ذراتی با سایز بالای یک میکرون تبدیل می‌شوند و به راحتی در فیلترهای فایبرگلاس معمولی شکار می‌شوند. شایان ذکر است که یکی از مهمترین معایب این روش یونیزاسیون روغن و ادتیو های آن می‌باشد.

تصویر (5)– مراحل حذف وارنیش روغن توربین با فیلتر الکترواستاتیک

حذف وارنیش با استفاده از بستر یونی ICB) Ion Charged Bonding)

یکی از روش‌های حذف وارنیش محلول استفاده از (ICB) Ionic Charged Bonding است. در این تکنولوژی از رزین‌های مبادله‌کننده یونی مانند ذغال فعال، سلولز فشرده، الیاف کتان، شالی برنج برای حذف وارنیش محلول استفاده می‌شود. با عبور روغن آلوده از روی بستر، سطح رزین با وارنیش محلول روغن توربین پیوند مولکولی ضعیفی مانند پیوند واندوالسی و یا حتی پیوند هیدروزنی تشکیل داده به روش جذب سطحی (adsorption)، وارنیش روغن را حذف می‌کند. برای اینکه تصور ساده از نیروی واندورالس داشته باشید، حتما دیده‌اید که شیشه عینک هرچقدر هم که تمیز باشد، باز هم ذرات ریزی به آن چسبیده‌اند. چسبندگی این ذرات به شیشه عینک به نیروی جذب الکترواستاتیکی بین ذرات و شیشه یا همان نیروی واندوالسی مرتبط است. بنابراین حین عبور روغن توربین از رزین، جذب سطحی (Surface attraction) وارنیش محلول به رزین، جداشدن وارنیش از روغن را باعث می‌شود. این روش در رنج وسیعی از شرایط دمایی قادر است وارنیش روغن را حذف‌کند.

تصویر (6)–حذف وارنیش با استفاده از بستر یونی براساس پیوند واندروالس

با توجه به حاکم بودن بارداری یون‌ها در روش ICB این روش برای روغن های غیرمعدنی (مانند برخی روغن‌های ضدحریق که در پایه آنها ترکیبات محلول در آب مانند پلی اتیلن گلایکول یا فسفات استر) کارایی بهتری دارند.

حذف وارنیش با استفاده از تصفیه شیمیایی

در این روش روغن توربین ابتدا از مجموعه‌ای متشکل از فیلترهای μm3 تا μm50 عبور می‌کند و سطح تمیزی روغن به میزان استاندارد بهبود میابد. پس از آن با عبور از تانک خلا رطوبت محلول در روغن نیز گرفته می‌شود. سپس روغن از راکتورهای کاتالیستی مخصوصی عبور می‌کند. در راکتورهای پلاگ فلو آلودگی‌های شیمیایی روغن شامل اسیدهای کربوکسیل، آلدهیدها، کتون‌ها، الکل‌ها، رادیکال‌های آزاد و پراکسیدها و سایر مواد پیش‌ساز وارنیش بر روی سطح کاتالیست واکنش می‌دهند و از جریان توده روغن حذف می‌شوند. در نهایت پکیج ادتیو استاندارد روغن در شرایط استاندارد دمایی و اختلاط در میکسرهای دور بالا درون روغن حل می‌شود و توسط پمپ دوزینگ به جریان روغن در حال گردش تزریق می‌گردد.

در این روش به دلیل پاکسازی روغن از وارنیش محلول و نامحلول، رادیکال‌های آزاد و مواد پیش‌ساز تشکیل وارنیش و همچنین تمیزکاری داخل سیستم روانکار توربین توسط روغن عاری از وارنیش، احتمال بازگشت و افزایش وارنیش پس از عملیات به حداقل ممکن کاهش می‌یابد و همچنین میزان پایداری در برابر اکسیداسیون روغن (RBOT) نیز با توجه به نوع پایه روغن اولیه از 800 دقیقه تا 2000 دقیقه افزایش می‌یابد.

در روش حذف وارنیش با تصفیه شیمیایی به دلیل ماهیت فرآیند تصفیه شیمیایی تمامی خواص شیمیایی و فیزیکی روغن نیز بهبود می‌یابند. به دلیل سرعت بالای این روش توربین‌ها با حجم بالای روغن در کمترین زمان ممکن وارنیش زدایی می‌شوند.

پاکسازی سطوح از وارنیش

هنگامی که وارنیش محلول به طور مداوم حذف شود، سطح وارنیش محلول موجود در روغن زیر نقطه اشباع قرار میگیرد. بنابراین ظرفیت روغن توربین برای نگهداری وارنیش محلول افزایش یافته و حلالیت روانکار بهبود میابد. با ادامه روند کاهش وارنیش محلول، طبق اصل لوشاتلیه واکنش برای رسیدن به تعادل جدید در جهت کاهش وارنیش نامحلول و افزایش وارنیش محلول پیش خواهد رفت. در نتیجه وارنیش نامحلول و رسوب وارنیش به تدریج در روغن با حلالیت بالا حل شده و تبدیل به وارنیش محلول می شوند که این گونه‌های وارنیش که دوباره به حالت محلول در آمده است ) (re-dissolve، بطور مداوم توسط فیلتراسیون بستر یونی از روغن توربین خارج شده و در نهایت سطوح تجهیزات عاری از رسوب وارنیش خواهد بود.

در نهایت ولی مهم باید گفت درصورتی که شاهد رسوب وارنیش در سیستم روانکاری باشیم مقدار ΔE در شروع عملیات وارنیش زدایی روند کاهشی داشته اما پس از حذف وارنیش محلول و افزایش حلالیت روغن توربین، رسوب وارنیش از سطوح تجهزات به روغن مهاجرت کرده و باعث افزایش مقدار ΔE می‌شود. با ادامه فعالیت دستگاه وارنیش‌زدا، این وارنیش‌ها نیز حذف شده و انتهای کار شاخص ΔE در محدوده قابل قبول قرار خواهد گرفت.

تصویر (7)– روند متداول تغییر ΔE در یک عملیات وارنیش‌زدایی موفق

آیا فیلتراسون روغن به منظور حذف وارنیش برای روغن توربین خطر آفرین است؟

معمولا در عملیات وارنیش‌زدایی این نگرانی وجود دارد که برخی از دستگاه‌های حذف وارنيش می‌توانند افزودني‌هاي موجود در روغن توربین را حذف کنند. به عنوان مثال ادعا می‌شود که این دستگاه‌ها قادر هستند ادتیو آنتي فوم روغن توربین را حذف کنند. همچنین یکی از مواردی که در کاربرد فیلترها برای حذف وارنیش حتما باید در نظر گرفته شود احتمال حذف دسته‌ای از مواد افزودنی قطبی روغن توربین به دلیل به دام افتادن در بستر یه علت اثر شبه کروماتوگرافی می‌باشد. لذا همواره باید قبل و در هنگام استفاده از این فیلتر ها برای حذف وارنیش روغن توربین میزان پایداری در برابر اکسیداسیون روغن (RBOT) اندازه گیری شود تا در صورت مشاهده کاهش RBOT عملیات را متوقف گردد.

در پاسخ به این ابهام استاندارد ASTM D 6439 در خصوص تمیزکاری، فلاشینگ و تصفیه روغن‌های توربین گازی، بخار و سیستم‌های هیدرولیکی می‌تواند راهگشا باشد. همانطور که در مقدمه این استاندارد آورده شده، به لزوم حذف آلودگی‌هایی که در حین کارکرد توربین در داخل روغن تشکیل می‌شود، تاکید شده است. همچنین در بند X1.2.1 همین استاندارد آمده است که تجهیزات رایج کنترل آلودگی‌های سیستم روانکاری نمی‌توانند آلودگی‌های محلول در روغن را حذف کنند.

در ادامه این استاندارد و در بند X3.1.10 و پس از معرفی روش‌های حذف ذرات به این نکته اشاره شده است که در حذف ذرات به روش جذب سطحی، سطوح بسیار فعال این فیلترها ممکن است ادتیوهای روغن را حذف نمایند و این روش تصفیه روغن باید با توافق و مشورت انجام‌گرفته بین بهره‌بردار توربین و تامین کننده روغن انجام شود. شایان ذکر است، استاندارد ASTM D 6439 به حذف‌شدن ادتیوهای روغن در سایر روش‌های فیلتراسیون، اشاره‌ای نکرده‌است.