مشکلات وارنیش روغن توربین چیست؟

در این مقاله قصد دارم در خصوص مشکلات وارنیش روغن توربین تجربیات و مطالب سودمندی را با شما به اشتراک بگذارم. مشکلات وارنیش روغن توربین می‌تواند به حوادث زیر منجر شود:

جام کردن ولوهای سیستم کنترل

در توربین‌هایی که سیستم روانکاری و کنترل آنها مخزن روغن مشترکی دارند، جام کردن قرقره (spool) سرو ولوهای سیستم کنترل پدیده شایعی است. در این نوع آرایش مخزن، وارنیش روغن تولید شده در نقاط داغ توربین به رسوب دادن در نقاط سرد و آرام سیستم هیدرولیک مانند قرقره (Spool) سرو ولو تمایل زیادی دارد و سطوح سرو ولو مقصد مشترکی برای آلاینده‌های نرم روغن محسوب می‌شود. همانطور که در تصویر (1) مشاهده میکنید رسوب وارنیش در قرقرۀ سرو ولو لقی شعاعی (Annular Clearance) قرقره را کاهش میدهد.‌‌‌‌‌

اما مسئله وارنیش به همین جا ختم نمی‌شود. رسوب وارنیش در اوایل تشکیل خاصیت چسبندگی دارد و به همین علت قرقرۀ سرو ولوی که درگیر با وارنیش شده، آلاینده‌های سخت و فلزات فرسایشی روغن را جذب میکند.

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

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

ثابت بودن وضعیت کنترل ولو در جام کردن آن نقش مهمی دارد. در صورتی که سرو ولو به مدت طولانی بدون حرکت باشد، فرآیندهای ته ‌نشینی (Precipitation) و انباشت (Agglomeration) وارنیش نامحلول در سرو ولو ساکن با سرعت بیشتری اتفاق افتاده و در نهایت رسوب وارنیش فرصت چسبیدن به قرقرۀ سرو ولو را پیدا میکند.‌‌‌‌‌ یکی از دلایل توقف‌های ناخواسته توربین‌ها (trip) همین مسئله است؛ 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 چند روز بدون تغییر بوده است. در این چند روز وارنیش نامحلول در قرقره کنترل ولو رسوب کرده و باعث چسبیدن قرقر کنترل ولو به بدنه ولو می‌شود. جالب است بدانید، بیشترین جام کردن سرو ولوها معمولا بعد از زمان ماندگاری طولانی گزارش شده است.

افزایش دمای یاتاقان

یکی دیگر از پیامدهای وارنیش افزایش دمای بابیت یاتاقان توربین و ژنراتور است. رسوب وارنیش، هدایت حرارت پایینی دارد و به صورت یک لایه عایق بین روغن و یاتاقان قرارگرفته و خنک کاری روغن را مختل میکند. بنابراین با تشکیل رسوب وارنیش دمای یاتاقان توربین و یا ژنراتور افزایش میابد. این مسئله نه تنها سرعت تخریب روغن را افزایش میدهد بلکه با گرم شدن بیش از حد یاتاقان و ظهور هشدار) (warning بهره بردار توربین مجبور است برای رفع این مشکل، توان تولیدی توربین را کاهش دهد. به همین خاطر نیروگاه دچار محدودیت تولید شده و متحمل پرداخت جریمه خواهدشد.

معمولاً در کنفراس‌ها و دوره‌های آنالیز روغن این سوال مطرح می‌شود: مگر یاتاقان‌ها یکی از داغ‌ترین نقاط در تماس با روغن نیستند پس چطور ممکن است وارنیش روغن دراین دمای بالا به صورت نامحلول از روغن خارج شود و رسوب بدهد؟ آیا این اتفاق با اصل لوشاتلیه مغایرت ندارد؟ مگر قرار نبود طبق این اصل با افزایش دمای روغن تعادل شیمیایی به سمت افزایش وارنیش محلول و کاهش وارنیش نامحلول پیش برود؟

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

در پاسخ به این سوالات هوشمندانه دو جواب قابل ارائه است:

اولاً انحلال‌پذیری وارنیش در روغن با سایز وارنیش رابطه عکس دارد. به عبارت دیگر هرچه مولکول وارنیش بزرگتر شود غیرقطبی‌تر شده و حل شدن آن در روغن دشوارتر خواهد بود. در یاتاقان‌ها به دلیل گرمای زیاد تخریب مولکولی روغن به شدیدترین شکل ممکن اتفاق می‌افتد. ماحصل این اتفاق تشکیل و رشد شبکه پلیمری بزرگی از آلاینده های نرم است. بنابراین وارنیش روغن قبل از اینکه فرصت کند به حالت محلول لابه‌لای مولکول های روغن حل شود به علت فشار زیاد فیلم روغن بلافاصله به سطح فلز بابیت یاتاقان چسبیده و رسوب میدهد. این مسئله هم در یاتاقان تراست (Thrust Bearing) و هم در یاتاقان ژورنال (Journal Bearing) مشاهده شده است. شایان ذکر است یاتاقان تراست به لحاظ اصول روانکاری و تشکیل فیلم روغن رفتاری مشابه با یاتاقان ژورنال دارد و داغ شدن Tilting Pad تراست برینگ ها به دلیل وارنیش پدیده شایعی است.

تصویر (3) – رسوب وارنیش در یاتاقان ژورنال توربین

دومین پاسخ در نوسان دمای روغن در سیستم روانکاری توربین ریشه دارد. با هربار خاموش شدن توربین، دمای روغن آن کاهش یافته 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. تجارب میدانی نشان داده است که توربین‌های گازی که در بار پیک شبکه برق مشارکت دارند و به صورت دوره‌ای (Cycling) بهره‌برداری می‌شوند، از تشکیل وارنیش رنج بیشتری میبرند. در برابر این گروه، توربین های گازی استفاده شده در نیروگاه‌های سیکل ترکیبی معمولا به صورت پیوسته (continues) بهره‌برداری شده و کمتر در خطر وارنیش هستند.

خرابی های بابیت یاتاقان توربین

روی دیگر سکه، اثر وارنیش در لقی یاتاقان است. این مسئله علاوه بر تغییر موقعیت شفت توربین و افزایش ارتعاشات آن، استارت‌های ناموفق توربین‌ آماده به کار (Stand-by) را نیز به همراه دارد.

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

اجازه دهید این مسئله را با یک مثال خدمتتان توضیح دهیم، تصور کنید در نیروگاهی شش توربین گازی وجود دارد و توربین گازی شماره شش معمولاً خاموش و در حالت آماده به کار قرار دارد. واضح است که روغن این توربین دمای کمتری را نسبت به سایر توربین‌ها تجربه میکند. از طرفی این روغن نسبتاً راکد است و تلاطم کمتری دارد. این عوامل دست به دست هم داده و در توربین شماره شش نه تنها وارنیش نامحلول بیشتری تولید می‌شود بلکه وارنیش نامحلول برای فرآیندهای ته نشینی و انباشته شدن نیز فرصت بیشتری دارد. همه این مسائل، تشکیل هرچه بیشتر رسوب وارنیش در این توربین را مضاعف کرده و در دراز مدت مشکلات لقی در یاتاقان این توربین را به همراه خواهد داشت. جالب است بدانید، گزارش‌های متعدد منتشر شده در خصوص استارت ناموفق توربین‌های آماده به کار گواه این ادعاست. لازم به ذکر است عدم توانایی استارت توربین، نیروگاه را با جرایم سنگینی از سمت شبکه ملی برق کشور مواجه خواهد کرد.

علاوه بر این، به دلیل وقوع وارنیش در یاتاقان ممکن است رژیم روانکاری هیدرودینامیکی به رژیم روانکاری مرزی یا ترکیبی از این دو تبدیل شود و در هر دو این حالات، خطر تماس شفت و بابیت یاتاقان افزایش میابد.

سومین علت خرابی یاتاقان در فرار روغن از وارنیش ریشه دارد. چون روغن قطبی بوده و تمایلی ندارد که سطوح وارنیشی غیر قطبی را روانکاری کند. به همین علت در یاتاقان‌های تراست وارنیشی، فیلم روغن از حالت یکپارچه به حالت جزیره‌ای تبدیل شده و تماس فلز با فلز و ایجاد خرابی و زبری کفشک‌های یاتاقان تراست از پیامدهای پرهزینه آن خواهد بود.

چهارمین علت آسیب رسان بود وارنیش به یاتاقان به خاصیت چسبندگی وارنیش ارتباط دارد. در این پدیده ذرات فلزات فرسایشی در تله رسوب وارنیش وارنیش گیرکرده و سطح یاتاقان مانند سمباده زبر می‌شود. ادامه این شرایط در کنده شدن بابیت و سایش شدید آن نقش مهمی بازی می‌کند.

هزینه‌های تعمیراتی مربوط بابیت ریزی یاتاقان روغن توربین سرسام‌آور است. به عنوان نمونه در سال 1400 هزینه بابیت ریزی یکی از یاتاقان‌های ژنراتور در یک توربین گازی حدود 130 میلیون تومان و قیمت نو همان یاتاقان 230 میلیون تومان می باشد. لازم به ذکر است توقف های ناخواسته توربین هزینه‌های دیگری را به نیروگاه تحمیل خواهدکرد.

انتقال حرارت ضعیف در کولر روغن

در توربین‌ها از کولر روغن برای کاهش دمای روغن استفاده می‌شود. با کاهش دمای روغن در کولر، طبق اصل لوشاتلیه، ظرفیت نگهداری وارنیش به صورت محلول در روغن کاهش میابد. 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 به لحاظ انتقال حرارت از ضریب عایقی بالایی برخورد بوده و عایق حرارت محسوب می‌شود. این مسئله، کاهش راندمان کولر روغن توربین بویژه در زمان پیک بار در تابستان را در پی دارد.

پیشنهاد می‌شود با پایش دما به کمک ثبت مقدار دمای قرائت شده از دماسنج های نصب شده روی کولر، مشاهده هرگونه روند کاهشی راندمان کولر روغن را به عنوان زنگ خطری برای شروع وارنیش درنظر بگیرید.

تصویر (5)– پایش دماسنج کولر روغن

گرفتگی سریع و زودهنگام فیلتر

همانطور که تا اینجا اشاره شد، وارنیش‌های نامحلول زمانی که به همدیگر جذب شوند اغلب اندازه‌ای کمتر از 1 μm دارند. ممکن است این سوال در ذهن شما شکل گرفته باشد که چطور ذراتی با این اندازه گرفتگی فیلترهای سیستم روانکاری توربین که معمولا 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 رخداد است. وقوع این اتفاق به گرفتگی زود هنگام فیلتر منجر میشود. گرفتگی فیلتر در سیستم‌های هیدرولیکی افت فشار ایجاد کرده و عملکرد ولوهای هیدرولیک توربین را مختل میکند. گزارش های متعددی وجود دارد که تشکیل لایه ترد و سیاه رنگ از رسوب وارنیش در فیلترها را تایید میکنند.

تصویر (6)– گرفتگی فیلتر به علت رسوب وارنیش

شایان ذکر است، گرفتگی فیلتر سیستم روانکاری توربین در زمان راه اندازی توربین خاموش و سرد بیشتر گزارش شده است در این حالت وارنیش‌های نامحلول در زمان خاموش بودن توربین در روغن تولید شده اند با گذشت زمان و سردتر شدن روغن شبکه بزرگتری را تشکیل داده اند. این حجم از وارنیش در زمان راه اندازی توربین با ایجاد گرفتگی در فیلتر فیلتر، مانع استارت توربین میشود. جالب است که 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.

تخریب روغن

ویژگی مخرب کاتالیزوری وارنیش در تمام حالت‌های محلول، نامحلول و رسوب سبب افزایش سرعت اکسیداسیون روغن می‌شود. از سوی دیگر وارنیش از نظر شیمیایی ترکیب فعالی بوده و از طریق واکنش با روغن پایه و مواد افزودنی، افت پارامترهای کیفی روغن و کاهش قابل توجه عمر مفید آن را به همراه دارد. به همین خاطر توربین‌هایی که از وارنیش رنج میبرند به سرعت سایر خواص عملکردی‌شان مثل ویسکوزیته، air release، 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. این تصمیم مشابه این است که شما با در دست داشتن جواب آزمایش خون (مشابه نتایج آنالیز روغن توربین) به نزد پزشک (کارشناس پایش وضعیت) مراجعه کنید و او به شما بگوید برای رفع کلسترول خون (مشابه وارنیش روغن) باید خونتان را (روغن توربین) با یک خون بدون کلسترول (روغن توربین نو) تعویض کنیم. اما در واقعیت رسوب‌های وارنیش جمع شده در تانک روغن، لوله‌ها و سایر سطوح فلزی به لحاظ شیمیایی فعال هستند؛ بنابراین درصورت تعویض روغن، این رسوبات مجددا با روغن نو ،که ظرفیت انحلال بالایی هم دارد، واکنش داده و تخریب سریع روغن نو را باعث می‌شوند.‌‌‌‌‌

تصویر (7)– حل شدن وارنیش برجای مانده بر مدیا فیلتر در روغن نو

به منظور درک بهتر واکنش‌پذیری رسوب وارنیش و اثر مخرب آن بر روغن نو یک آزمایش ساده انجام شده است. فیلتری که حاوی رسوبات وارنیشی قابل توجه بود، توسط اتر نفتی شستشو یافت تا روغن آن زدوده شود و فقط رسوب وارنیش روی آن باقی بماند. سپس فیلتر در روغن نو قرار گرفت. همانطور که در تصویر (8) مشاهده می‌کنید، در کمتر از نیم ساعت رسوب وارنیش از فیلتر به روغن نو مهاجرت کرده و روغن را آلوده کرده است.

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