وارنیش روغن چیست؟ (به روز رسانی 1403)

در خصوص پدیده وارنیش تعاریف زیادی وجود دارد اما کمیته ASTM براساس مدرک ASTM. D02C. 01 وارنیش را رسوبی براق، سخت و نازک حاصل از مواد نامحلول در روغن می‌داند که غالباً از پسماند‌های مواد آلی تشکیل‌شده و به‌وسیله شدت رنگ قابل‌ تشخیص می‌باشد. رسوب وارنیش به‌راحتی با یک دستمال خشک و بدون مواد پاک‌کننده پاک نمی‌شود و نسبت به حلال‌های اشباع (هیدروکربن‌های سبک) مقاوم است. همچنین رنگ‌های متفاوتی دارد اما معمولاً به رنگ‌های خاکستری، قهوه‌ای و کهربایی ظاهر می‌شود.

تصویر (1) –تعریف ASTM درباره وارنیش روغن

در سال‌های اخیر، نام‌های متعددی مانند لجن [Sludge]، لاک [Lacquer]، ماده لزج [Goo]، ماده چسبناک [Gunk] و لجن روغنی [Oil Slime] برای بیان وارنیش موجود در سیستم روغن‌کاری توربین استفاده شده است اما در عمل همگی آن‌ها نسبت به وارنیش ماهیت متفاوتی دارند. همان‌طور که در شکل زیر مشاهده می‌کنید لجن روی سطوح فلزی ته‌نشین نمی‌شود و معمولاً به‌صورت توده‌های سیاه نیمه جامد در روغن معلق می‌شود؛ بنابراین لجن را می‌توان از وارنیش متمایز کرد زیرا لجن یک رسوب سطحی است که در مقایسه با یک‌لایه مقاوم‌تر مانند وارنیش به‌راحتی حذف می‌شود. همچنین در نگاه اول لاک شبیه به وارنیش بوده اما از این‌ جهت متفاوت است که جداسازی فیزیکی لاک از سطح به دلیل اتصال قوی لاک به سطوح فلزی دشوار می‌باشد و به همین علت لاک در اکثر حلال‌ها نامحلول است و اغلب با اسید‌ها حذف می‌شود؛ زیرا عمدتاً حاوی کینون [Quinone] است اما وارنیش در حلالی مانند استون [Acetone] به‌راحتی حل می‌شود.

گزارش‌های قابل‌تأمل ارائه‌شده توسط تعداد زیادی از کاربران توربین نشان می‌دهد که مشکلات وارنیش روغن در نیروگاه‌ها افزایش شدیدی داشته است. به‌عنوان نمونه، شرکت Mobil Exxon تعداد 192 نیروگاه متشکل از 626 توربین گازی را به لحاظ پدیده وارنیش بررسی کرده و در 40% این توربین‌ها مشکل وارنیش روغن را گزارش نموده است.

وارنیش روغن از شروع تا رسوب

از نخستین روز‌های شروع به کار یک توربین، واکنش‌های شیمیایی برگشت ناپذبری در روغن انجام و تخریب تدریجی روغن را موجب می‌شوند. همان‌طور که در مقاله‌های قبلی توضیح داده شد، یکی از شایع‌ترین علت‌های تخریب شیمیایی روغن، اکسیداسیون روغن است. این فرآیند برگشت‌ناپذیر با تغییر مولکول‌های روغن و مصرف کردن افزودنی‌های آن، تخریب روغن را به همراه دارد. طی این واکنش‌ها محصولات جانبی اکسیداسیون [Oxidation By-Product] مانند ترکیبات اسیدی، الکل، استر، آلدئید، کتون و غیره تولید می‌شوند. ویژگی مشترک همگی این پسماند‌ها و ضایعات نرم، قطبی بودن آن‌هاست و در آغاز به‌صورت وارنیش محلول [Soluble] یا حل‌شده [Dissolved] در روغن باقی می‌مانند اما با گذشت زمان وارنیش نامحلول [Insoluble] یا معلق [Particulate] نیز در روغن غوطه‌ور می‌شود.

سوال اول: محلول چیست؟

در پاسخ باید گفت: در دانش شیمی، ترکیب همگن ماده حل‌شونده در حلال را محلول می‌نامند؛ به عنوان مثال، شکر (حل شونده) در آب (حلال) حل می‌شود و محلولی به نام شربت را تولید می‌کند. در روغن توربین آلاینده‌های نرم نقش حل شونده و روغن نقش حلال را بازی می‌کند.

سوال دوم: چه موادی تمایل دارند در روغن حل شوند؟

ساده‌ترین پاسخ به این سؤال عبارت است: «مواد قطبی در حلال‌های قطبی و مواد غیر قطبی در حلال‌های غیر قطبی بهتر حل می‌شوند.» قطبی بودن مولکول‌ها از تفاوت بار الکترونی که در طول مولکول توزیع شده است نتیجه می‌شود. پایه روغن‌های استفاده شده در توربین‌ها غیر قطبی است، به همین علت میزان انحلال‌پذیری [Solubility] آلاینده‌های قطبی در روغن توربین کم است. در آغاز، مقدار پسماند‌های حاصل از تخریب روغن ناچیز است و در حالت محلول در روغن قرارگرفته و وارنیش محلول نامیده می‌شود. تا به اینجا احتمالاً متوجه شده‌اید که وارنیش یک مولکول خاص نیست بلکه گستره وسیعی از انواع مولکول‌های ریز و درشت است که حجم قابل‌توجهی از آلاینده‌های نرم روغن را به خود اختصاص می‌دهد. یادآور می‌شویم که انحلال‌پذیری روغن عمدتاً تحت تأثیر قطبیت مولکولی، سطح آلاینده و دمای روغن می‌باشد. برای نمونه، با کاهش دما، انحلال‌پذیری روغن نزول می‌کند.

تصویر (2 ) –سرفصل مطالب

همان‌طور که توضیح داده شد، روغن توربین با آلاینده‌های نرم در ابتدا محلول غیراشباع تشکیل می‌دهد؛ از این رو روغن هنوز قادر است حل شونده یا وارنیش بیشتری را در خود حل کند؛ اما رفته‌رفته میزان وارنیش محلول به حدی می‌رسد که روغن از وارنیش اشباع‌شده و دیگر نمی‌تواند وارنیش بیشتری را در خود حل کند. از این مرحله به بعد، آلاینده‌های جدید تولیدشده در روغن، به‌صورت نامحلول در روغن معلق شده [Suspension] و آن‌ها را «وارنیش نامحلول» می‌نامیم. در این شرایط وارنیش محلول و وارنیش نامحلول در یک واکنش تعادلی قرار می‌گیرد و اصل لوشاتلیه [Le Chatelier’s Principle] میزان نسبی وارنیش محلول و وارنیش نامحلول را تعیین می‌کند.

تصویر (3) – اصل لوشاتلیه و تعادل شیمیایی وارنیش محلول و وارنیش نامحلول

ذکر این نکته اهمیت دارد که نامحلول بودن وارنیش به معنی بزرگ بودن اندازه وارنیش نیست؛ به بیان دیگر، وقتی روغن توربین از آلاینده‌ها اشباع شود، تولید حتی یک مولکول از محصولات جانبی اکسیداسیون باعث تشکیل یک مولکول وارنیش نامحلول می‌شود. البته ناگفته نماند که همین ذرات مولکولی وارنیش نامحلول به‌صورت فیزیکی و یا شیمیایی با یکدیگر ترکیب شده و توده‌هایی در اندازه کمتر از 1 μm[Submicron] را به وجود می‌آورند.

حضور وارنیش نامحلول در روغن مسئله خطرناکی است؛ زیرا وارنیش نامحلول پیش فرآیندی در تشکیل رسوب وارنیش است. به‌بیان‌دیگر، وارنیش نامحلول به‌واسطه نیروی واندروالس [Vander Waals Force] تمایل دارد به سطوح فلزی و قطبی سیستم روانکاری (مانند بابیت یاتاقان، کولر روغن و یا بدنه تانک روغن) جذب‌ شود و رسوب وارنیش ایجاد کند.

تصویر (4) – رسوب وارنیش در توربین

اگرچه وارنیش محلول و نامحلول در یک واکنشی تعادلی قرار دارند و طبق اصل لوشاتلیه قابل‌تبدیل به یکدیگر هستند و این امیدواری وجود دارد که مقدار وارنیش نامحلول با تبدیل‌شدن به محلول، کاهش یابد؛ اما خبر بد این است: هر بار که وارنیش نامحلول به سطح فلز جذب می‌شود، یک‌لایه نازک مولکولی روی فلز تشکیل داده و این لایه علاقه چندانی ندارد که در واکنش تعادلی وارنیش نامحلول و وارنیش محلول مشارکت کند. دور باطل با تداوم تشکیل آلاینده‌ها ادامه پیدا کرده و به این صورت که روغن توربین در نقاط سرد سیستم روانکاری مانند کولر روغن، مقداری وارنیش نامحلول آزاد می‌کند و همواره بخشی از این وارنیش نامحلول به سطوح مهاجرت نموده و رسوب وارنیش روزبه‌روز ضخیم‌تر و وخیم‌تر می‌شود. برای مثال در شکل زیر مشاهده نمودید، در تانک روغن این توربین بخار و در سطح تماس روغن با بدنه تانک، رسوب شدیدتری از وارنیش تشکیل‌شده است. علت شدت رسوب‌گذاری در این ناحیه به این خاطر است که، بدنه تانک سردتر می‌باشد و بنابراین طبق اصل لوشاتلیه وارنیش محول تمایل بیشتری داشته که به وارنیش نامحلول تبدیل شده و رسوب نماید. به‌طورکلی در بیشتر تانک‌های روغن توربین آلوده به وارنیش، تشکیل نوار ضخیم رسوب در ناحیه بالای تانک روغن مشاهده گردیده است.

تصویر (5)–نوار ضخیم  رسوب وارنیش در تانک روغن توربین بخار