آنالیز روغن بلوور: مطالعه موردی

با درود فراوان و خالصانه به تمامی بازدیدکنندگان محترم از این وبلاگ مهندسی

هدف از این پست، پاسخ به سوال مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ درباره تعیین تست های روغن برینگ های بلوور است. این سوال، از آنجا که Case Study خوبی بنظر بنده رسید، می تواند سوال مشابه برای بسیاری از متخصصین نگهداری و تعمیرات در سراسر ایران باشد. از این رو، پاسخ آن با کمی مقدمه و شرح و تفصیل در وبلاگ قرار داده می شود تا راهنمایی برای مشکلات مشابه و آتی باشد.

شرح سوال: برای روغنکاری یک دستگاه بلوور، مطابق نظر شرکت مهندسی مشاور، از روغن هیدرولیک بهران 32H استفاده می شود. مطابق برنامه نت (نگهداری و تعمیرات) کارخانه، هر شش ماه یکبار روی نمونه روغن کارکرده آنالیز انجام شده و نمونه روغن کارکرده به آزمایشگاه شرکت بهران ارسال می شود که نمونه ای از آن در شکل 1 موجود است. در زمان خرید روغن نیز آنالیز انجام می شود. آزمون های رایج در شکل 1 نشان داده شده است. آیا این آزمون ها کافی است؟ چه آزمون هایی برای تکمیل و افزایش دقت آنالیز خرابی پیش بینانه و پیشگیرانه پیشنهاد می دهید؟

توضیح اینکه، روغن در باک دستگاه بلوور ذخیره شده و جهت روانکاری برینگ ها و همچنین خنک کاری کولر های دستگاه استفاده می شود. انتخاب روغن نیز با نظر سازنده و مشاور بوده است.

شکل 1: نمونه گزارش آزمون واصله از شرکت نفت بهران

بمنظور پاسخ به این سوال، ابتدا لازم است بلوور یا (Blower) را بیشتر بشناسیم. شکل 2 را ببینید. در این شکل، نمای شماتیک و سه بعدی از یک بلوور نشان داده شده است.

شکل 2: شماتیکی سه بعدی از یک بلوور

هدف از بلوور، ایجاد جریان نسبتا پرفشار و حجیمی از هوا بمنظور استفاده در خنک کاری یا بهبود فرآیند های احتراقی و نظیر آن است. تفاوت این تجهیز یا توربوشارژ یا توربواکسپندر یا سوپرشارژ در دور پایینتر و جریان نسبتا آرامتر و بازه فشار هوای نسبتا کمتر است. بنابراین، برینگ های بکار رفته در ساختار بلوور ها می توانند از همان مواد، همان پوشش، همان ساختار، و همان مقتضیات طراحی برخوردار باشند. این نکته از آن جهت مطرح می شود که اغلب برینگ هایی که در توربو ها استفاده می شوند، در خود از بابیت های نقره یا مس دار بهره می برند. استفاده از این عناصر آلیاژی با هدف انتقال حرارت بهتر و انعطاف پذیری بیشتر در تطابق شکلی صورت پذیرفته و می پذیرد.

با فرض اینکه انتخاب روغن توسط سازنده دستگاه و مشاور درست و سیستماتیک بوده است، در خصوص تست های مندرج در شکل 1، موارد زیر قابل طرح است:

1. هیچگاه نباید آزمایشگاه و تامین کننده روغن یک شرکت باشند! این اشتباهی بسیار بزرگ از سوی مالک تجهیز و خریدار روغن است. در دوره های آموزشی آنالیز روغن (در هر سه سطح مقدماتی، متوسط، و حتی پیشرفته) بار ها و بار ها تاکید می شود که آزمایشگاه و شرکت مشاور در زمینه تفسیر گزارش آزمون های روغن باید دو شرکت و سازمان کاملا مجزا باشند. بدین ترتیب، یک مثلث باید تشکیل شود که مالک تجهیز یا خریدار روغن، آزمایشگاه روغن، و شرکت تفسیر کننده گزارش آنالیز آزمایشگاه سه راس آن را تشکیل می دهند. شکل 3 را ببینید.

شکل 3: مثلث آنالیز روغن

2. در فهرست تست های درخواستی از آزمایشگاه، تست آنالیز عناصر (Elemental Analysis) دیده نمی شود. حال آنکه، این تست در جهت تعیین کیفیت روغن نو و رفتار خوردگی آن (با تست روغن کارکرده) بسیار اساسی است. این موضوع از آن جهت حائز اهمیت است که بسیاری از روغن های هیدرولیک، موتوری، و گیربکسی دارای ادتیو های روی (Zn) داری مانند ZDDP (مخفف عبارت Zinc DialkylDithioPhospahte) در ساختار خود هستند.

عنصر روی (Zn) از دیرباز بعنوان یکی از عوامل موثر در ایجاد قابلیت ضد سایشی و ضد اکسیداسیون به سیستم انواع روغن های صنعتی (چه روانکار و چه هیدرولیک) اضافه می شده و مکانیزم این اضافه سازی نیز از طریق انحلال افزودنی های شیمیایی حاوی این عنصر است. عنصر روی (Zn) در سیستم روغن بصورت فداشوندگی عمل می کند. بدین معنی که پس از آنکه وظیفه خود در راستای ضد سایش و اکسیداسیون را انجام داد، به مرور از ترکیب روغن حذف خواهد شد. اما، برخلاف این حالت، اضافه کردن روی (Zn) به سیستم روغن بهیچوجه کار ساده ای نیست. یکی از رایجترین طرق حضور عنصر روی به سیستم روغن، انجام واکنش شیمیایی بین اکسید های روی و اسید تیوفسفریک (بعنوان یکی از اسید های ارگانیک) است که حاصل آن ماده ای خواهد شد که با عنوان ZDDP شناخته شده و در نقش یک افزودنی بسیار رایج در روغنسازی مورد مصرف دارد.

استفاده از روی (Zn) در ترکیب روغن های هیدرولیک بیشتر با هدف تشکیل لایه ای محافظ غنی از روی (Zn) روی سطوح تحمل کننده بار انجام می شده و می شود. این لایه محافظ ضد سایشی بصورت فداشونده عمل کرده و با جریان مداوم روغن هیدورلیک، دوباره بازسازی می شود. این تیپ از ادتیو های روغنی بیشتر در بارگذاری های متوسط تا سنگین کاربرد دارند. حال آنکه در بارگذاری های سنگین، استفاده از ادتیو های EP=Extreme Pressure ترجیح داده می شود. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه، مطالعه پست «ادتیو های EP: انواع، کاربرد ها، و محدودیت ها» در همین وبلاگ توصیه می شود.

علاوه بر محافظت از سطوح اجزای زیر بار در برابر سایش و خوردگی ناشی از آن، ادتیو ZDDP نقش ضد اکسیداسیونی نیز دارد. بدین ترتیب که این ادتیو با توسل به کامپاند های فنولیک و آمینیک از تشکیل رادیکال های آزاد در سطح قطعات جلوگیری کرده و بدین ترتیب زنجیره واکنش های منجر به اکسیداسیون را قطع می کند. در همین راستا، و البته بعنوان یک اثر جانبی، حضور ZDDP در ترکیب روغن هیدرولیک باعث جلوگیری از تشکیل محصولات اسیدی در سیستم روغن شده و خواص شیمیایی روغن(از جمله عدد اسیدیته کل آن یا TAN: Total Acid Number) را ثابت نگاه می دارد. برای اطلاعات بیشتر در مورد عدد اسیدیته کل یا TAN روغن، مراجعه به پست «عدد اسیدی، عدد قلیایی، و pH روغن» در همین وبلاگ توصیه می شود.

بنابراین، حذف ZDDP منجر به استفاده از چندین ادتیو خواهد شد که هر یک فقط توان اجرای بخشی از وظایف آن را دارند و بدین ترتیب، قیمت روغن بالا خواهد رفت، در عین اینکه همان کارآیی را خواهد داشت.

اما، با پیشرفت های فناوری در برخی تجهیزات و ارتقای سطح عملکرد آنها (مثلا بیشتر شدن سرعت چرخش در برخی تجهیزات از مثلا 8000 دور به 22000 دور در دقیقه و حتی بالاتر)، نیاز به استفاده از آلیاژ های جدید برپایه مس، تیتانیوم، پلاتین، نقره، و... در برینگ های این تجهیزات (بمنظور انجام وظایفی چون انتقال بهتر حرارت، جلوگیری از تمرکز تنش، کاهش نرخ ساییدگی، و...) احساس شد. این ارتقای عملکرد، اما، موجب بروز یک اشکال بزرگ شد! چراکه براساس چارت پتانسیل گالوانیک، عنصر روی فاصله بسیاری از چنین فلزاتی داشته و عملا یک عنصر آندیک فعال محسوب می شود. حال آنکه فلزاتی مانند نقره، تیتانیوم، و... بیشتر رفتاری کاتدیک و نجیب از خود نشان می دهند. بنابراین، تماس این دو عنصر می توانست موجب خوردگی گالوانیک شود! از این رو، متخصصین، اقدام به سنتز سیستم های روغن نوینی نمودند که عنصر روی (Zn) را از ساختار این سیستم حذف می کرد و وظیفه ضد سایشی و ضد اکسیداسیونی روغن را به دوش ادتیو های دیگری می گذاشت که البته گرانتر و پرتعدادتر بودند و همین موضوع موجب پیچیدگی هایی در فرآیند سنتز سیستم روغن می شد که در نهایت روغن هیدرولیکی را به ارمغان می آورد که عاری از روی (Zn) بود، اما در عین گرانتر و حساس بودن نسبت به شرایط حمل و نگهداری، سمی نیز بود.

روغن بهران هیدرولیک 32H یک روغن هیدرولیک معمولی است که از روی (Zn) در ساختار خود بهره می برد. بنابراین، ریسک خوردگی گالوانیک آن در برابر عناصری مانند نقره و مس بیشتر است. در همین راستا، توصیه می شود که آنالیز عناصر (Elemental Analysis) را سرلوحه تست های خود، چه برای روغن نو و چه برای کارکرده، قرار دهید. اگر مقدار عنصر روی از 10ppm در نمونه روغن نو بیشتر شد، در استفاده از این روغن در بلوور خود تردید کنید. در این خصوص، محاسبه نسبت بین دو عنصر نقره (Ag) و روی (Zn) و رسم نمودار تغییرات آن در برهه های زمانی مختلف (Historical Trend) می تواند بسیار راهگشا باشد. اما، بعنوان یک معیار تجربی، نسبت نقره به روی (Ag/Zn) بیشتر از 0.1 به معنای بروز خطر برای برینگ های بلوور است.

از دیگر سو، درصورتیکه روغن هیدرولیک شما (در حالت نو) بیش از 12ppm غلظت برای عنصر Si را نشان داد، آن را خورنده و برای برینگ های بلوور بسیار مضر فرض کنید. برای اطلاعات بیشتر در خصوص نقش عنصر Si در تفسیر یک گزارش آزمون روغن کارکرده یا نو، مراجعه به پست «تفسیر عنصر Si در نتایج آنالیز روغن» در همین وبلاگ مهندسی توصیه می شود.

عنایت بفرمایید که تفسیر گزارش آزمون آنالیز عناصر کار سخت و پیچیده ای است که تنها از عهده کارشناس زبده و آموزش دیده آنالیز روغن برمی آید و عملا یک مهارت تخصصی است.

3. مورد دیگری که در گزارش آنالیز دیده می شود و شاید توجه کارشناسان آنالیز روغن کم یا بی تجربه را بخود جلب نکند، عدد درج شده بعنوان عدد اسیدیته کل (TAN) است. این عدد در بسیاری از متون فنی و مهندسی مربوط به روغن و روغنرسانی برای روغن های هیدرولیک زیر 1 (یک) خطری محسوب نشده و کاملا نرمال است. اما، درست است که این روغن (بهران 32H) زیر مجموعه کلاس هیدرولیک ها قرار می گیرد، اما بعنوان یک روغن برینگی و با کاربردی شبه توربینی (بدلیل مشابهت ساختاری بلوور و توربین) در حال استفاده می باشد. بنابراین، مقدار TAN آن نباید از 0.4 فراتر رود.

بطور کلی، افزایش 0.1 تا 0.2 (mg KOH/g) برای روغن توربینی که بیش از 3000 ساعت در سرویس بوده است، به معنای هشدار جدی بوده و لزوم تعویض روغن توربین را مشخص می کند. در همین راستا، رسیدن عدد اسیدیته روغن به بازه 0.3 تا 0.4 (mg KOH/g) به معنای رسیدن روغن توربین به پایان دوره کار خود بوده و لازم است روغن توربین بلافاصله عوض شود. در مورد گزارش آزمونی که در شکل 1 نشان داده شده است، تعداد ساعت کارکرد روغن معلوم نیست (این خود یک مشکل است). از سوی دیگر، عدد TAN خوانده شده به 0.42 (mg KOH/g) رسیده است که به معنای اسیدی شدن محیط جریان روغنی است که قرار است از برینگ ها محافظت کند!

عموما، می توان افزایش مقادیر بسیار اندکی در AN را علامتی ناخوشایند دانست. بعنوان مثال، افزایش عدد AN باندازه 0.15 تا 0.25 (mg KOH/g) می تواند منجر به درخواست تست های بیشتر روی نمونه روغن شود. در چنین مواقعی، در صورتیکه میزان خیز عدد AN به 0.3 mg KOH/g یا حتی بعد از آن برسد، لزوم کوتاه کردن فواصل نمونه گیری، دقت بر اعداد نشان داده شده توسط نشاندهنده های (indicators) بلوور، اعم از Sight Glass ها، نشاندهنده های دما، گیج های فشار دیفرانسیلی (تفاضلی) دو سر فیلتر ها، و...کاملا واجب و الزامی است.

4. بعنوان آخرین مورد، اندیس ویسکوزیته برای روغن کارکرده ای که در شکل 1 گزارش آزمون آن درج شده است، برابر 102 گزارش شده است. البته، این مقدار، بالاتر از حد تجربی 95 برای اندیس ویسکوزیته روغن های توربینی است. اما، باید توجه داشت که از این روغن برای روغنرسانی و خنک کردن برینگ ها نیز استفاده می شود. لذا، اگر بخواهیم مطابق روال روغن های برینگی مانند Shell Morlina با این روغن برخورد کنیم، مقدار VI کمتر از 120 برای این روغن پسندیده و قابل پذیرش نخواهد بود. برای اطلاعات بیشتر در این مورد، مراجعه به پست «اندیس (شاخص) ویسکوزیته چیست؟» در همین وبلاگ توصیه می شود.

امیدوارم مواردی که در بالا بیان شد، راهگشای دیگر دوستان با مشکلاتی نظیر این باشد.