ناسازگاری گریس ها

با درود بیکران

هدف از این پست، ارائه پاسخ به پرسش مطرح شده از سوی یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ است.

شرح سوال: در پست «انتخاب گریس»، جدولی را ارائه کرده اید که راجع به سازگاری شیمیایی گریس های مختلف صحبت می کند. سوالم این است که سازگاری گریس چیست؟ اگر رعایت نشود، چه اتفاقی می افتد؟ و چطور و از طریق چه تست هایی می توان فهمید که مثلا دو گریس با یکدیگر سازگار نیستند. بدون استفاده از آن جدول؟

در پاسخ به این سوال، قبل از هر چیز، باید عرض شود که جدول سازگاری شیمیایی ارائه شده در پست «انتخاب گریس» حالتی کلی داشته و تنها براساس نوع تغلیظ گر تدوین شده است. حال آنکه، از دیدگاه تخصصی، سازگاری شیمیایی گریس سه جنبه دارد که علاوه بر تغلیظ گر، شامل روغن پایه و ادتیو ها نیز می شود. پاسخ به سوال شما از دو بخش تشکیل شده است: تعریف سازگاری شیمیایی گریس، و تست های تعیین سازگاری.

در بخش دوم، یک مطالعه موردی (Case Study) را نیز بررسی خواهیم کرد تا زوایای پنهان قضیه بیشتر آشکار شود.

الف) تعریف سازگاری شیمیایی گریس

همانطور که در پست «انتخاب گریس» عنوان شده بود، ساختار گریس از سه بخش روغن پایه، تغلیظ گر، و ادتیو ها تشکیل شده است. در زمان مخلوط شدن (یا به بیان بهتر: تماس) دو گریس با NLGI یکسان با یکدیگر، آنچه که بیشترین مورد نگرانی است، به ترتیب، عبارتند از: ویسکوزیته روغن پایه هر یک از طرفین واکنش، نوع روغن (پایه)، و نوع تغلیظ گر (ها). اما، آنچه که در تدوین و استفاده از جداول سازگاری شیمیایی گریس ها مد نظر قرار می گیرد، بیشتر شامل نوع و ساختار شیمیایی تغلیظ گر است و از موارد دیگر چشم پوشی می شود. چراکه تجربه نشان داده است که بیشتر مشکلات و خرابی های ناشی از عدم سازگاری شیمیایی گریس ها در تماس با یکدیگر ناشی از عدم سازگاری تغلیظ گر ها است. اما، در این پست قصد داریم نگاه نزدیکتری به این مساله داشته باشیم.

- سازگاری شیمیایی روغن های پایه:

در تولید و فرمولاسیون گریس ها، استفاده از هر دو نوع روغن مینرال و سینتتیک رواج دارد. آنچه که توجه کارشناس آنالیز روغن را باید در جایگزینی یا مخلوط سازی گریس ها جلب کند، این نکته است که برخی روغن های سینتتیک با انواع مینرال و گروه کم جمعیتی از روغن های سینتتیک سازگاری نداشته و تماس آنها موجب از هم پاشیدگی ساختار شیمیایی مخلوط گریس و تشکیل نمک های معدنی می گردد. بنابراین، حتی در صورتیکه دو تغلیظ گر با یکدیگر سازگار بوده ولی روغن های پایه از چنین توافقی برخوردار نباشند، نتیجه کار مساله ساز خواهد شد. گذشته از این، ویسکوزیته دینامیک دو روغن پایه نیز سوی دیگر معامله است! چراکه اگر ویسکوزیته دینامیک دو روغن پایه خیلی با هم متفاوت باشند، نتیجه مخلوط شدن آنها عملکرد فیزیکی گریس را دستخوش تغییر شدیدی خواهد کرد.

- سازگاری شیمیایی تغلیظ گر:

مخلوط شدن دو یا چند گریس با تغلیظ گر های ناسازگار منجر به واکنش آنی فرمولاسیون های آنها با هم خواهد شد که نتایج مخربی برای عملکرد روانکاری آنها داشته و شوربختانه، این نتایج بلافاصله پس از مخلوط سازی گریس ها مشهود خواهند بود. میزان ناگواری این نتایج و نحوه بروز آنها بسته به زنجیره واکنشی متفاوت خواهد بود. در بعضی مواقع، این زنجیره واکنشی منجر به نرم شدن بیش از حد و ریختن مخلوط گریس، همراه با مهاجرت لایه روانکار از سطوح دریافت کننده روغن، می شود. اما، گاه پیش می آید که واکنش حاص از مخلوط سازی کامپاند های ناسازگار منجر به رها سازی روغن و پیچیدن مخلوط مومی شکلی از تغلیظ گر ها به فضای داخلی برینگ، چرخدنده، شفت، و سایر اجزای مکانیکی خواهد شد که جداسازی این موم از آنها عملا بسیار سخت و مشکل است. برخی واکنش ها هم هست که منجر به سخت شدن تدریجی (حداکثر در طول 24 ساعت پس از مخلوط سازی) مخلوط دو یا چند گریس، به همراه تولید نمک های شبه فلزی، می گردد که عملا موجب سایش سطوح فلزی درگیر شده و راه روانکاری های بعدی را نیز می بندد.

- سازگاری شیمیایی ادتیو ها:

زمانی که ادتیو های دو یا چند سیستم روانکاری (گریس یا روغن) با یکدیگر ترکیب شده و زنجیره ای از واکنش های شیمیایی تشکیل می شود، در صورت ناسازگاری دو یا چند کامپاند از ادتیو های حاضر در هر یک از ساختار های شیمیایی دو طرف واکنش، نتایج بصورت کاهش کیفیت عملکردی مخلوط روانکارها و تشکیل رسوبات جامد (و اغلب، آنقدر سخت که منجر به سایش شوند) نمود خواهند داشت. در برخی از موارد، تشکیل رسوبات حتی تا مرحله تبلور نمک ها نیز پیش می رود که ترکیبی خورنده و ساینده را بدست خواهد داد. اما، مشکل بزرگ و اصلی تشکیل این رسوبات و تبلور آنها در گریس های ناسازگار نیست! مشکل و مساله اصلی در عدم رسوب آنها در مخلوط گریس ها است (!) که عملا خورندگی، فساد، و فرسایندگی مخلوط حاصل از زنجیره واکنشی بین ادتیو ها را بیشتر و بیشتر می کند. لازم بذکر می داند که سلسله واکنش های بین ادتیو های درگیر در این ناسازگاری شیمیایی از سرعت، شدّت، و حدّت، واکنش های بین روغن های پایه و تغلیظ گر های ناسازگار برخوردار نیست، اما، نتایجی به مراتب وخیمتر از نظر فرسایندگی و تمایل به اضمحلال شیمیایی سیستم روانکاری در پی خواهد داشت.

ب) تست های تعیین سازگاری

اکنون که با مکانیزم واکنش دهی و نتایج ناگوار این مکانیزم ها در ساختار های شیمیایی ناسازگار گریس ها آشنا شدیم، برآنیم که تست های لازم برای پی بردن به میزان سازگاری این ترکیب ها را با یکدیگر معرفی کنیم. قدر مسلم، تعیین سازگاری شیمیایی دو یا چند گریس با یکدیگر از طریق مخلوط سازی آنها در مقیاس و محیط آزمایشگاهی با نسبت های مختلف و سپس قرار دادن این مخلوط در معرض سیکل های مختلف کاری و حرارتی (بمنظور شبیه سازی محیط عملکردی مخلوط) حاصل می گردد.

در این زمینه، استاندارد ASTM D6185 نسبت های 25/75، 50/50، و 75/25 از دو گریس را در مخلوط سازی استاندارد دانسته و روش تست را بیان کرده است. بدیهی است که برای حضور تعداد بیشتری از گریس در یک مخلوط (مانند آنچه که در مقاله ای از نویسنده همین سطور در مخلوط سازی چهار گریس به انتشار رسیده است)، نسبت های دیگری را باید بکار برد که مسلما روش آزمون را نیز تغییر خواهد داد. استاندارد ASTM D6185، مخلوط دو گریس را بمنظور ارزیابی نتایج تست های «دمای تشکیل قطره»، «پایداری برشی»، «پایداری در انبار» هدف قرار داده و معیار ارزیابی در مورد دو تست آخر، تغییر در میزان قوام مخلوط برحسب NLGI (براساس روش آزمون مندرج در استاندارد ASTM D217) است.

اما، تجربه نشان داده است که استناد به نتایج حاصل از تست براساس استاندارد ASTM D6185 چنان که باید و شاید با شرایط واقعی عملکرد گریس همخوان نیست. این شک و تردید از آنجا نشات می گیرد که هرچند بمنظور آماده سازی نمونه های آزمایشی در این استاندارد از چند مرحله کار مکانیکی بهره برداری می شود. اما، مخلوط گریسی که وارد فضای کاری قطعات مکانیکی پرتحرک و پرفشار می شود، شرایط مکانیکی بسیار شدیدتری را دربازه زمانی بسیار کوتاه تجربه خواهد کرد که روی مکانیزم مخلوط سازی و زنجیره واکنشی دو یا چند گریس تاثیری عمیقتر از آنچه تصور می شد خواهد گذاشت. این شرایط مکانیکی با 60 کورس رفت و برگشتی در استاندارد ASTM D6185 شبیه سازی شده است. اما، در مقام مقایسه، یک بالبرینگ معمولی با سرعت 1750 دور در دقیقه نزدیک به 30 میلیون چرخه مخلوط سازی بین دو گریس را تنها طی سه شبانه روز رقم خواهد زد! علاوه بر این، چنین مخلوطی از گریس در معرض موج مداومی از نیرو های دینامیکی قرار خواهد گرفت که مسلما روی نحوه عملکرد آن و مشخصات فیزیکی آن تاثیری بسیار شدیدتر و عمیقتر از آنچه که در میدان دید و نظر آزمون های «دمای تشکیل قطره»، و تغییرات NLGI در تست های «پایداری برشی»، و «پایداری در انبار» مورد نظر استاندارد فوق پیش بینی می شود برجای خواهد گذاشت.

به همین منظور، مطالعاتی در راستای شبیه سازی هر چه واقعی تر شرایط عملکردی و مخلوط سازی گریس های مختلف صورت گرفته که اخیرا نتایج بهتر و قابل اعتمادتری نسبت به گذشته بدست داده است. یکی از معروفترین این نتایج، دستگاه شبیه ساز برینگ یا Bearing Simulator می باشد. این دستگاه که بیشتر یک تست استند (Test Stand) به شمار می رود، در شکل 1 نشان داده شده و بیشتر در حوزه موتور های الکتریکی کاربرد دارد.

این دستگاه از یک موتور الکتریکی با توان 45 کیلووات، متصل به یک شفت ساده و یک بالبرینگ (به همراه هوزینگ آن)، تشکیل شده است. پنجره ای از پلکسی گلاس در انتهای شفت و محل چرخش بالبرینگ نصب شده است تا مشاهده وضعیت مخلوط شدن دو گریس و نحوه اثر نیرو های وارده بر این مخلوط قابل مشاهده باشد. بمنظور انجام تست، دو گریس با نسبت های استاندارد 25/75، 50/50، و 75/25 با یکدیگر مخلوط شده و بصورت دستی، تا نصف حجم هوزینگ و فضای عملکردی بالبرینگ با هر یک از این مخلوط ها پر می شود.

شکل 1: نمایی از دستگاه تست مخلوط سازی گریس ها

آزمون با روشن شدن موتور الکتریکی آغاز شده و بمدت 72 ساعت با دور 1750 rpm و رسیدن تعداد سیکل های اختلاط گریس به 30 میلیون ادامه می یابد. حین آزمون و پس از طی آن، نتایج مشاهداتی ثبت شده و پس از توقف کامل دستگاه، مخلوط گریس بمنظور انجام آنالیز های تکمیلی از هوزینگ خارج می گردد.

مخلوط گریس خارج شده از دستگاه، ابتدا تحت طیف نگاری به روش FTIR قرار داده می شود تا هرگونه آثار ناشی از اکسیداسیون و کامپاندسازی از طریق آنالیز عناصر موجود در آن مشخص گردد. در مرحله آخر، مخلوط گریس در دستگاه تست رئومتر قرار داده می شود تا تغییرات حاصله در مشخصات جاری شدن و برش فیزیکی آن در مقایسه با مقادیر اولیه هر یک از گریس ها مشخص و تعیین گردد. آنچه که در این مرحله بیش از سایرین اهمیت دارد، میزان تنش تسلیم است که عاملی کلیدی در تعیین نرم یا سفت شدگی مخلوط گریس نسبت به حالت اولیه دو گریس قبلی به حساب می آید. در کنار آن، مقادیر تنش نوسانی (بمنظور تعیین احتمال روغن زدایی)، و سازگاری بازگشت پذیر (بمنظور تعیین احتمال بروز پدیده هایی چون Channeling و Tunneling در فضای داخلی هوزینگ) نیز به بوته آزمون گذاشته می شوند.

نتایج این تست ها و مشاهدات، در کنار هم، تصویر دقیقی از نتایج احتمالی مخلوط شدن دو گریس را بدست داده و می توانند به کمک کاربران و مالکان تجهیزات در مواقع لزوم بیایند.

در این زمینه، یک مطالعه موردی (Case Study) مطرح شده است. بدین ترتیب که دو گریس با تغلیظ گر یکسان (هر دو پلی اوریا)، اما با مشخصات ناهمسان (جدول 1 را ببینید) با یکدیگر به نسبت 50/50 مخلوط شده و در استند آزمون نشان داده شده در شکل 1 قرار داده شده اند.

جدول 1: مشخصات دو گریس تحت آزمون مخلوط سازی

همانطور که در جدول 1 قابل مشاهده است، هر دو گریس از یک تغلیظ گر بهره برده و از یک کلاس NLGI بهره می برند. اما، در میزان عمق نفوذ مخروط و ویسکوزیته سینماتیک روغن پایه (نوع آن ذکر نشده) تفاوت اندکی دارند. براساس جدول سازگاری شیمیایی گریس ها (جدول 14، پست انتخاب گریس را ببینید)، مخلوط سازی این دو گریس هیچ منافات و محدودیتی ندارد. حال، قصد داریم این عدم محدودیت را آزمایش کنیم.

پس از مخلوط سازی دو گریس با نسبت 50/50 و قرار گرفتن در دستگاه تست بمدت 72 ساعت با مشخصات فوق الذکر، نمونه مخلوط در معرض آنالیز عناصر به روش FTIR قرار گرفته و نتایج در جدول 2 نشان داده شده اند.

جدول 2: نتایج آنالیز عناصر به روش FTIR مخلوط دو گریس و مقایسه آن با آنالیز همان عناصر در ترکیب هر یک

بخش هایی از جدول 2 که با رنگ زرد مشخص شده اند، بیشترین تفاوت بین حضور عناصر تحت آنالیز را در مخلوط 50/50 با میزان حضور همان عنصر در ترکیب شیمیایی هر یک از گریس ها نشان می دهند و این به معنی تفاوت فاحش در فرمولاسیون دو گریس (بیشتر در زمینه حضور ادتیو های ضد سایشی یا Anti-Wear)، علیرغم یکسان بودن NLGI و نوع تغلیظ گر است! اما، صرف مقاومت بیشتر یک گریس نسبت به دیگری در برابر سایش نمی تواند ملاک عمل قانع کننده ای برای ناسازگار دانستن ساختار شیمیایی دو گریس باشد. بنابراین، عاقلانه تر آن است که نتایج سایر تست ها نیز بررسی شود.

جدول 3 نتایج آزمون رئومتری را در خود دارد و بخش های زرد رنگ آن بیانگر اختلاف بین دو فرمولاسیون است. این نتایج، در مقایسه با آنچه که در جدول 2 دیدیم، نگران کننده تر است! چراکه تفاوت فاحش در رفتار فیزیکی دو گریس را با یکدیگر نشان می دهد.

جدول 3: نتایج آنالیز رئومتری مخلوط دو گریس و مقایسه آن با مقادیر اولیه هر یک از گریس ها

شکل 2: نمودار مقایسه ای تنش تسلیم برای هر یک از گریس ها و مخلوط حاصله

آنچه که پس از مشاهده نتایج جدول 3 مایه نگرانی است، کاهش تدریجی عملکرد مخلوط گریس در طولانی مدت است. پس، تا بدینجای کار، می توان نتیجه گرفت که مخلوط سازی این دو گریس ممانعتی ندارد. اما، برای طولانی مدت توصیه نمی شود! چراکه احتمال بروز عیوبی چون نرم شدگی،روغن زدایی، و «Channeling» در هوزینگ محل عملکرد این مخلوط در طولانی مدت بالا ارزیابی می شود (شکل 3 را ببینید).

شکل 3: نمودار مقایسه ای سازگاری بازگشت پذیر برای هر یک از گریس ها و مخلوط حاصله

بدین ترتیب، همانطور که دیدیم، با انجام آنالیز های توصیه شده در این پست می توان صحت مندرجات جدول 14 پست «انتخاب گریس» را زیر سوال برد و با توصیه به موقع و مستند به مالک تجهیز، از بروز خرابی ناشی از اشتباه در قرائت و تفسیر مدارک مهندسی در جایگزینی و مخلوط سازی گریس ها جلوگیری کرد.