مشکلات وارنیش روغن چیست؟

در این مقاله قصد داریم در خصوص مشکلات وارنیش روغن توربین تجربیات و مطالب سودمندی را با شما به اشتراک بگذاریم.

امروزه با انبوهی از مشکلات وارنیش در یاتاقان‌های ژورنال، جعبه‌دنده‌ها، سیستم‌های آب‌بندی، تانک روغن و فیلتر‌های سیستم روانکاری روغن روبرو هستیم. در این قسمت به بررسی مشکلات اصلی بواسطه وارنیش روغن پرداخته می‌شود. مشکلات وارنیش روغن توربین می‌تواند به حوادث زیر منجر شود:

جام کردن سرو ولوهای سیستم کنترل

در توربین‌هایی که سیستم روانکاری و سیستم کنترل [Governing System] آن‌ها مخزن روغن مشترکی دارند، جام کردن قرقره [Spool] سرو ولو‌های [Servo Valve] سیستم کنترل به علت تشکیل وارنیش، پدیده شایعی است. در این نوع آرایش مخزن، وارنیش تولید شده در نقاط داغ تمایل دارد در نقاط و آرام سیستم هیدرولیک مانند قرقره سرو ولو رسوب کند. از این جهت سطوح سرو ولو مقصد مشترکی برای آلاینده‌های نرم روغن محسوب می‌شود. همان‌طور که در شکل (11-9) مشاهده می‌کنید، رسوب وارنیش در قرقرۀ سرو ولو لقی شعاعی [Annular Clearance] قرقره را کاهش می‌دهد؛ اما مسئله وارنیش به همین‌جا ختم نشده و رسوب وارنیش در اوایل تشکیل، خاصیت چسبندگی زیادی دارد و به همین علت قرقرۀ سرو ولوی که درگیر با وارنیش شده، آلاینده‌های سخت و فلزات فرسایشی روغن را جذب می‌کند. این پدیده که اثر سمباده‌ای [Sand Paper Effect] ذرات شکار شده در وارنیش روغن نام‌گذاری شده است به سایش [Abrasive Wear] سطوح منجر می‌گردد.

تصویر (1) – جام کردن قرقره سرو ولوهای سیستم کنترل

هر دو پیامد ذکرشده جام کردن سرو ولو را به همراه دارد. در تأیید این پدیده شرکت موبیل طی گزارشی علت 60% خرابی قرقرۀ کنترل ولو‌های توربین را پدیدۀ وارنیش معرفی کرده است.

لازم به ذکر است، ثابت بودن وضعیت کنترل ولو در جام کردن آن نقش مهمی دارد. درصورتی‌که سرو ولو به مدت طولانی بدون حرکت باشد، فرآیند‌های ته‌نشینی [Precipitation] و انباشت [Agglomeration] وارنیش نامحلول در سرو ولو ساکن با سرعت بیشتری اتفاق می‌افتد. درنهایت رسوب وارنیش فرصت بیشتری برای چسبیدن به قرقرۀ سرو ولو را پیدا کرده و می‌تواند به توقف ناخواسته [Trip] توربین منجر شود؛ به عنوان مثال توربین بخاری را تصور کنید که برای مدتی طولانی در بار پایه [Base Load] بهره‌برداری شده و وضعیت کنترل ولو بخار ورودی به توربین چندین روز بدون تغییر است. در این چند روز وارنیش نامحلول در قرقره کنترل ولو رسوب کرده و چسبیدن قرقره کنترل ولو به بدنه ولو را به همراه دارد. جالب است بدانید، بیشترین حوادث جام کردن سرو ولو‌ها معمولاً بعد از زمان ماندگاری طولانی ولو در یک موقعیت ثابت گزارش شده است.

علاوه بر این، علاقه بهره‌برداران سیستم‌های هیدرولیکی به نشتی کمتر روغن، به ساخت سیستم‌ها با نشتی ناچیز روغن منجر می‌گردد. نشتی بیشتر به‌منزله افزایش سرریز روغن است به جوان‌سازی روغن کمک می‌کند؛ اما روغن سیستم‌های هیدرولیکی امروزی و مدرن معمولاً سرریز نشده و بیشتر مستعد کاهش ادتیو آنتی‌اکسیدان و وقوع وارنیش هستند.

افزایش دمای یاتاقان

یکی دیگر از پیامد‌های وارنیش، افزایش دمای بابیت یاتاقان ژورنال است. رسوب وارنیش، هدایت حرارت پایینی داشته و به‌صورت یک‌لایه عایق بین روغن و یاتاقان قرار می‌گیرد و اثر خنک‌کاری روغن بر روی یاتاقان را مختل می‌کند؛ بدین سبب با تشکیل رسوب وارنیش دمای یاتاقان افزایش پیدا می‌کند. این مسئله نه تنها سرعت تخریب روغن را افزایش می‌دهد، بلکه با گرم شدن بیش‌ازحد یاتاقان و ظهور هشدار [Warning]، بهره‌بردار توربین مجبور است برای رفع این مشکل، توان تولیدی توربین را کاهش دهد. به همین خاطر، نیروگاه‌ دچار محدودیت تولید می‌شود و متحمل پرداخت جریمه خواهد شد.

معمولاً در کنفراس‌ها و دوره‌های آنالیز روغن این سؤال مطرح می‌شود: آِیا یاتاقان‌ها داغ‌ترین نقاط در تماس با روغن توربین نیستند، پس چطور ممکن است وارنیش روغن در این دمای بالا به‌صورت نامحلول از روغن خارج‌شده و رسوب بدهد؟ آیا این اتفاق با اصل لوشاتلیه مغایرت ندارد؟ آیا نباید طبق این اصل با افزایش دمای روغن تعادل شیمیایی به سمت افزایش وارنیش محلول و کاهش وارنیش نامحلول پیش برود؟ در پاسخ به این سؤالات باید با وارنیش داغ [Hot Varnish] آشنا شوید.

تصویر (2) – جام کردن قرقره سرو ولوهای سیستم کنترل

وارنیش داغ چیست؟

در وارنیش داغ، نیروهای مکانیکی عامل تخریب روغن می‌باشند. به عبارت دیگر، در یاتاقان ژورنال، انرژی مکانیکی حاصل از تنش برشی ایجاد شده در فیلم روغن به انرژی حرارتی تبدیل می شود و افزایش دمای موضعی روغن را به همراه دارد. این پدیده معمولاً در یاتاقان توربوماشین‌هایی که که دور کاری بالایی دارند و تحت بار سنگین کار می‌کنند اتفاق می‌افتد. به بیان دیگر، زمانی که دور کاری ماشین دوار زیاد باشد است تنش برشی بیشتری در یاتاقان‌ها به روغن وارد می‌گردد. در این شرایط روغن زیر یاتاقان دچار شکست شده و همان‌جا به بابیت یاتاقان می‌چسبد و وارنیش داغ را ایجاد می‌کند.

تفاوت وارنیش داغ با وارنیش سرد

ساختار شیمیایی وارنیش داغ به طور قابل توجهی با وارنیش‌هایی که درنتیجه فرآیندهای اکسیداسیون به دست می‌آیند متفاوت است، زیرا وارنیش داغ دارای غلظت بالاتری از اسیدهای چرب کمتر محلول است. اصطکاک مولکولی حاصل از تنش برشی روغن در ناحیه یاتاقان به افزایش دمای روغن تا چند صد درجه سانتیگراد منجر می‌شود. در این شرایط، تخریب فوری روغن و تشکیل وارنیش داغ اتفاق می‌افتد.

پیامدهای وارنیش داغ

رسوب وارنیش داغ استحکام بالایی دارد و با کاهش لقی یاتاقان، روانکاری آن را مختل می‌نماید. علاوه بر این، به دلیل خاصیت عایقی وارنیش داغ دمای یاتاقان افزایش پیدا می‌کند. برخی موارد مشاهده شده که تجمع رسوبات وارنیش داغ در یاتاقان، موقعیت شفت را جابجا کرده است. بنابراین به کمک دستگاه آنالایزر ارتعاشات و تحلیل نمودار موقعیت تقریبی مرکز شفت می‌توان به وقوع وارنیش داغ در یاتاقان پی برد.

گزراش‌های جدید نشان می‌دهند که در تجهیزاتی که در آن‌ها وارنیش داغ ایجاد شده است میزان وارنیش اندازه‌گیری شده در نتایج آنالیز روغن قابل قبول بوده است. زیرا وارنیش داغ به یاتاقان چسبیده و در نمونه روغن مشاهده نمی‌شود؛ از این رو تنها راه تشخیص وارنیش داغ این است که دمای ترموکوبل‌های نصب‌شده در یاتاقان بررسی شود و درصورتی‌که صعودی باشد به‌احتمال‌زیاد یاتاقان دچار وارنیش داغ شده است.

تصویر (3) – رسوب وارنیش در یاتاقان ژورنال توربین

روش‌های حذف وارنیش داغ

بررسی‌ها نشان می‌دهد که رسوب وارنیش داغ در فرمولاسیون روغن پایه گروه یک، دو، سه و چهار مشاهده شده است. بنابراین تغییر روغن به یک فرمول پایه مرغوب‌تر، مشکل وارنیش داغ را برطرف نمی‌کند. راه‌حل‌های عملی برای جلوگیری از وارنیش داغ یا وارنیش تنش برشی اغلب ماهیت مکانیکی دارند. برای مثال در صورت وقوع وارنیش داغ پیشنهاد می‌شود که لقی یاتاقان افزایش داده شود. همچنین افزایش مساحت فیلم روغن و پخش‌شدن بار شفت و به‌طور‌کلی تمام روش‌هایی که به افزایش روانکاری یاتاقان منجر شود، میتواند راهگشا باشد. همچنین افزودن یک تقویت کننده حلالیت یک راه حل شیمیایی برای مشکل وارنیش است. در بعضی موارد برای فرار از مشکلات وارنیش داغ ناچار هستیم که بار توربین و یا کمپرسور را کاهش دهیم. اگرچه این کار از نظر عملیاتی امکان‌پذیر است اما توان ماشین را کاهش داده و آن را به گزینه ای پرهزینه تبدیل می‌کند.

با توجه به توضیحات داده‌شده برای سؤالات قبلی مطرح‌شده این دو جواب قابل‌ارائه است: اولاً انحلال‌پذیری وارنیش در روغن با اندازه وارنیش و همچنین فشار روغن رابطه عکس دارد. در رابطه با اندازه وارنیش می‌توان گفت: هرچه مولکول وارنیش بزرگ‌تر شود، به همان نسبت قطبی‌تر شده و حل شدن آن در روغن دشوارتر می‌شود. در یاتاقان‌ها به دلیل گرمای زیاد تخریب مولکولی روغن به شدیدترین شکل ممکن اتفاق می‌افتد؛ درنتیجه شبکه پلیمری بزرگی از آلاینده‌های نرم تشکیل می‌شود. همچنین یاتاقان توربین یکی از نقاط پرفشار روغن محسوب شده و براساس اصل لوشاتلیه، با افزایش فشار روغن در یاتاقان‌ها، وارنیش تمایل دارد به‌صورت نامحلول از روغن خارج شود. همان‌طور که روغن توربین در ناحیه فیلم روغن به شدت فشرده می‌شود، مقدار محصولات جانبی حاصل از تخریب روغن نیز غلظت بیشتری پیدا می‌کند. درنتیجه حلالیت محصولات تخریب در فیلم روغن به شدت کاهش می‌یابد و در این شرایط اتصال متقاطع مولکولی افزایش پیدا می‌کند.

درنتیجه‌ی این وقایع، وارنیش روغن قبل از اینکه فرصت محلول شدن در لابه‌لای مولکول‌های روغن را پیدا کند، به علت فشار و دمای زیاد فیلم روغن بلافاصله به سطح فلز بابیت یاتاقان چسبیده و رسوب وارنیش داغ را تشکیل می‌دهد. وقوع این پدیده هم در یاتاقان تِراست[Thrust Bearing] و هم در یاتاقان ژورنال[Journal Bearing] مشاهده شده است. لازم به ذکر است که یاتاقان تراست به لحاظ اصول روانکاری و تشکیل فیلم روغن رفتاری مشابه با یاتاقان ژورنال دارد و تشکیل رسوب وارنیش بر روی کفشک[Tilting Pad] تراست برینگ‌ها پدیده شایعی است.

پاسخ دوم به سولات مطرح‌شده، در نوسان دمای روغن در سیستم روانکاری توربین ریشه دارد. با هر بار خاموش شدن توربین، دمای روغن توربین کاهش‌ می‌یابد و حجم زیادی از وارنیش محلول به وارنیش نامحلول تغییر فاز می‌دهد. در این شرایط، سطوح فلزی براق مانند بابیت یاتاقان نقاط جذابی برای رسوب‌گذاری وارنیش است. در بعضی مراجع این نوع رسوب، وارنیش سرد[Cold Varnish] نامگذاری می‌گردد. تجارب بهره‌برداران نیروگاه از این حکایت دارد که توربین‌های گازی که در بار پیک شبکه برق مشارکت دارند و به‌صورت دوره‌ای[Cycling] بهره‌برداری می‌شوند، از تشکیل وارنیش رنج بیشتری می‌برند. در برابر این گروه، توربین‌های گازی استفاده‌شده در نیروگاه‌های سیکل ترکیبی، معمولاً به‌صورت پیوسته[Continues] بهره‌برداری می‌شوند و کمتر در معرض خطر وارنیش می‌باشند.

خرابی‌های بابیت یاتاقان توربین

علاوه بر خاصیت عایقی وارنیش و افزایش دمای یاتاقان، رسوب وارنیش خرابی بابیت یاتاقان را به همراه دارد. هزینه‌های تعمیراتی مربوط بابیت‌ریزی یاتاقان روغن توربین سرسام‌آور است. همچنین توقف توربین به‌منظور تعویض یاتاقان هزینه‌های دیگری را به نیروگاه تحمیل خواهد کرد.

خرابی بابیت آلوده‌شده به رسوب وارنیش به سه دلیل حادث می‌شود. دلیل اول به خاصیت چسبندگی وارنیش ارتباط دارد. همان‌طور که قبلاً توضیح داده شد، ذرات فلزات فرسایشی در تله رسوب وارنیش گیر می‌کنند و سطح یاتاقان مانند سمباده زبر می‌شود. علاوه بر این ادامه این شرایط سبب سایش چسبان [Adhesive Wear] می‌شود. این پدیده نه‌تنها باعث کنده شدن بابیت یاتاقان می‌شود بلکه با کاهش کلیرنس بین یاتاقان توربین و شفت توربین احتمال برخورد این دو قطعه به یکدیگر افزایش می‌یابد.

تصویر (4) – بابیت نصب شده در یاتاقان ژورنال توربین

دومین علت خرابی بابیت به کاهش لقی بین شفت توربین و یاتاقان مرتبط است؛ به بیان دیگر، ضخیم شدن رسوب وارنیش مقدار روغن ورودی به یاتاقان را کاهش می‌دهد. لازم به ذکر است، 80% خرابی یاتاقان‌ها به دلیل کاهش مقدار روغن مورد‌نیاز این تجهیزات اتفاق می‌افتد. کاهش جریان روغن در یاتاقان توربین، آسیب مکانیکی سطح بابیت یاتاقان را باعث می‌شود. شفت توربین در یاتاقان ژورنال از زمان دور گرفتن شفت توربین تا زمانی که به دور نامی میرسد مراحل مختلف روانکاری را پشت سر می گذارد. در حالت ایده‌آل، شفت توربین دوار در یاتاقان ژورنال درسرعت نامی باید در حالت روانکاری هیدرودینامیکی (جداسازی کامل دو سطح) قرار می‌گیرد. اما وجود رسوب وارنیش در این ناحیه با ایجاد ناهنجاری‌های سطحی می‌تواند روانکاری هیدرودینامیکی را مختل کند و باعث آن شده که یاتاقان یک رژیم روغنکاری مخلوط را تجربه کند. در این شرایط، احتمال تماس شفت با سطح بابیت افزایش می‌یابد که به سایش شدید بابیت منجر می‌شود.

سومین علت خرابی یاتاقانی که دچار وارنیش شده در فرار روغن از وارنیش ریشه دارد؛ علت آن است که روغن غیر قطبی بوده و تمایلی ندارد که سطوح وارنیشی قطبی را روانکاری کند. برای مثال، در یاتاقان‌های تراست دچار وارنیش، فیلم روغن از حالت یکپارچه به حالت جزیره‌ای تبدیل‌شده و تماس فلز با فلز و ایجاد خرابی و زبری بابیت به‌ویژه کفشک‌های یاتاقان تراست از پیامد‌های پرهزینه آن خواهد بود.

هزینه‌های تعمیراتی مربوط بابیت‌ریزی یاتاقان روغن توربین سرسام‌آور است. به عنوان نمونه، در سال 1400 هزینه بابیت‌ریزی یک عدد از یاتاقان‌های ژنراتور در یک توربین گازی حدود 130 میلیون تومان و قیمت نو همان یاتاقان 230 میلیون تومان اعلام شده است. از طرف دیگر توقف‌های ناخواسته توربین هزینه‌های دیگری را به نیروگاه تحمیل خواهدکرد. به عنوان مثال، اگر یاتاقان‌ها در یک توربین بزرگ صنعتی آسیب ببیند، فرایند تعمیرات یاتاقان زمانبر بوده و این توربین حداقل یک ماه واحد از مدار خارج خواهد بود.

کاهش راندمان کولر روغن

با کاهش دمای روغن توربین در کولر روغن و طبق اصل لوشاتلیه، ظرفیت نگهداری وارنیش به‌صورت محلول در روغن کاهش پیدا می‌کند. به همین علت، رسوب وارنیش در این مناطق حادث خواهد شد. تداوم این چرخه رسوب شدید وارنیش بر سطوح کولر روغن را به همراه دارد. همان‌طور که اشاره شد، رسوب وارنیش ضریب عایقی بالایی دارد و عایق حرارت محسوب می‌شود. این مسئله، کاهش راندمان کولر روغن توربین به‌ویژه در زمان پیک بار در تابستان را در پی دارد و بهره‌بردار ناگزیر است که بار واحد را کاهش دهد[Engine Derating]. از این رو پیشنهاد می‌شود با پایش کردن دما به کمک ثبت مقدار دمای قرائت‌شده از دماسنج‌های روی کولر، مشاهده هرگونه روند کاهشی راندمان کولر روغن به‌عنوان زنگ خطری برای شروع وارنیش در نظر گرفته شود. لازم به ذکر است در توربین‌های که مجهز به هیتر روغن هستند، وقوع وارنیش باعث کاهش راندمان هیتر روغن شده است.

تصویر (5)– پایش دماسنج کولر روغن

گرفتگی سریع و زودهنگام فیلتر

همان‌طور که در قسمت قبل اشاره شد، وارنیش‌های نامحلول اغلب اندازه‌ای کمتر از 1 μm دارند. ممکن است این سؤال در ذهن شما ایجاد شود که چطور ذراتی با این اندازه، گرفتگی فیلتر‌های سیستم روانکاری توربین که معمولاً بیشتر از 5 μm هستند را باعث می‌شوند؟ در پاسخ باید گفت: با کاهش سرعت روغن، ذرات وارنیش نامحلول فرصت رسوب‌گذاری بیشتری دارند و فیلتر روغن مکان مناسبی برای این رسوب‌گذاری است. از طرف دیگر و به‌خصوص در فیلتر‌های کارکرده، ذرات فلزی شکار شده در فیلتر بستر مناسبی برای مولکول‌های وارنیش هستند و مولکول‌های وارنیش تمایل زیادی دارند که به براده‌های فلزی موجود در فیلتر جذب شوند. این پدیده‌ها به گرفتگی زودهنگام فیلتر منجر می‌شود. گرفتگی فیلتر در سیستم‌های هیدرولیکی افت فشار ایجاد می‌کند و عملکرد ولو‌های هیدرولیک توربین را مختل می‌نماید. گزارش‌های متعددی وجود دارند که تشکیل لایه ترد و سیاه‌رنگ از رسوب وارنیش در فیلتر‌ها را تأیید می‌کنند.

یادآوری می‌شود که گرفتگی فیلتر سیستم روانکاری توربین در زمان راه‌اندازی توربین خاموش و سرد، بیشتر گزارش شده است و این معضل استارت‌های ناموفق توربین آماده‌به‌کار [Stand-By] را نیز به همراه دارد. این مسئله را با یک مثال خدمتتان توضیح می‌دهیم، تصور نمایید در نیروگاهی شش توربین گازی وجود داشته باشد و توربین گازی شماره شش معمولاً خاموش است و در وضعیت آماده‌به‌کار قرار دارد. واضح است که روغن این توربین دمای کمتری را نسبت به سایر توربین‌ها تجربه می‌کند؛ از طرفی روغن این توربین نسبتاً راکد است و تلاطم کمتری دارد. این عوامل دست‌به‌دست هم داده و در توربین شماره شش نه‌تنها وارنیش نامحلول بیشتری تولید می‌شود، بلکه به وارنیش نامحلول برای فرآیند‌های ته‌نشینی و انباشته شدن فرصت بیشتری نیز داده می‌شود. بنابراین وارنیش‌های نامحلول که در زمان خاموش بودن توربین در روغن تولیدشده‌اند با گذشت زمان و سردتر شدن روغن شبکه بزرگ‌تری را تشکیل داده‌اند. این حجم از وارنیش در زمان راه‌اندازی توربین با ایجاد گرفتگی در فیلتر، مانع استارت توربین می‌شود.

گزارش‌های منتشرشده در خصوص استارت‌های ناموفق توربین‌های آماده‌به‌کار گواه این ادعاست. به‌عنوان نمونه و بر اساس مطالعات انجام‌شده در شرکت زیمنس، بخش عمده‌ای از محصولات اکسیداسیون روغن توربین در محدوده دمایی C°40 تا C°65 به‌صورت محلول در روغن می‌باشند؛ اما با کاهش دما به کمتر از C°40 ، وارنیش محلول از روغن توربین خارج‌شده و به‌صورت نامحلول در روغن توربین معلق می‌شود.

لازم به تاکید بر این موضوع است که عدم توانایی استارت توربین، نیروگاه را با جرائم سنگینی از سمت شبکه ملی برق کشور مواجه خواهد کرد. جالب است بدانید، در این توربین‌ها بعد از چندین بار استارت ناموفق و گرم شدن روغن در حین این استارت‌های ناموفق و حل شدن مقداری از وارنیش نامحلول در روغن، مشکل افت فشار در فیلتر برطرف می‌شود و توربین می‌تواند استارت شود.

تصویر (6)– گرفتگی فیلتر به علت رسوب وارنیش

تخریب روغن

ویژگی مخرب کاتالیزوری وارنیش در تمام حالت‌های محلول، نامحلول و رسوب سبب افزایش سرعت اکسیداسیون روغن می‌شود. از طرف دیگر، وارنیش ازنظر شیمیایی ترکیب فعالی است و از طریق واکنش با روغن پایه و مواد افزودنی، افت پارامتر‌های کیفی و کاهش قابل‌توجه عمر مفید روغن را به همراه دارد. به همین دلیل روغن توربین‌هایی که از وارنیش رنج می‌برند، به‌سرعت سایر خواص عملکردی‌شان مثل ویسکوزیته، جدایش از هوا و RBOT را در خطر نابودی می‌بینند.

در این شرایط یکی از اشتباهات رایج در صنعت، تعویض روانکار برای ر‌هایی از وارنیش و تبعات مخرب آن است؛ اما در واقعیت با توجه به ضعیف بودن خاصیت انحلال‌پذیری روغن توربین، حجم وارنیش رسوب‌شده روی سطوح از حجم وارنیش موجود در روغن بیشتر است؛ در واقع با تعویض روغن، این رسوبات مجدداً با روغن نو که ظرفیت انحلال بالایی هم دارد، واکنش می‌دهد و تخریب سریع روغن نو را به همراه دارد.

تصویر (7)

به‌منظور درک بهتر واکنش‌پذیری رسوب وارنیش و اثر مخرب آن بر روی روغن نو یک آزمایش ساده انجام شده است. فیلتری که حاوی رسوبات وارنیشی قابل توجه بود، با اتر نفتی شسته شد تا روغن آن زدوده شود و فقط رسوب وارنیش روی آن باقی بماند. سپس فیلتر در روغن نو قرار گرفت؛ و همان‌طور که در شکل زیر مشاهده می‌نمایید، در کمتر از نیم ساعت رسوب وارنیش از فیلتر به روغن نو مهاجرت کرد و روغن را به‌شدت آلوده نمود.

تصویر (8)– حل شدن وارنیش برجای مانده بر مدیا فیلتر در روغن نو