تفسیر آزمون RBOT روغن توربین: مطالعه موردی

با درود و کمال احترام

هدف از این پست پاسخ به پرسش مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی است که بدلیل ترافیک کاری بنده حدود یکسالی معطل مانده بود.

شرح سوال: در یک توربین بخار نیروگاهی به توان 250MW از روغن هیدرولیک با گرید ISO VG 32 بمنظور روغنرسانی به تروبین استفاده می شود. سن روغن حدود 22 سال است. در اندازه گیری هایی که اخیرا توسط واحد CM نیروگاه انجام شده برای آزمون RBOT نتایج کمی عجیب به نظر می رسد و تفسیر آنها مشکل است. سایر مقادیر پایش وضعیت روغن تغییر محسوسی نداشته و به شرح زیر است:

-        عدد ناس 8؛

-        ویسکوزیته دینامیک در دمای 40 درجه سلسیوس تقریبا ثابت و بین 31 و 32 در نوسان است؛

-        اندازه گیری دمای متال برینگ ها بصورت آنلاین انجام می شود که بدون مشکل نشان داده است. اما، برای روغن درون برینگ ها اندازه گیری دمایی نداشته ایم؛

-        در مورد شاخص اسیدیته (TAN) عدد خاصی پیدا نکردم؛

-        شاخص RBOT در تاریخ 15/04/94 معادل 126، در تاریخ 10/05/95 معادل 354 (پس از سرریز)، و در تاریخ 22/12/95 معادل 160 گزارش شده است.

سوال من اینست که افت شاخص RBOT چگونه تفسیر می شود؟

هرچند قبلا طی دو پست «آنالیز روغن بلوور: مطالعه موردی» و «استفاده از روغن هیدرولیک برای پمپ سانتریفیوژ: درست یا غلط؟» درباره استفاده از روغن هیدرولیک در کاربرد های توربینی پرداخته شده است، اما، با توجه به موضوع جدیدی که در این سوال مطرح شده است و بمنظور ارائه هرچه بهتر پاسخ، ابتدا باید آزمون RBOT تعریف شود. سپس، تغییرات شاخص RBOT روی نمودار مدل می شود تا شیب افت بدست آید. بعنوان مرحله ماقبل آخر، شاخص های کیفی دیگری که در شرح سوال ذکر شده است را به نتایج RBOT ربط می دهیم. و در انتها، و بعنوان نتیجه گیری، افت شاخصRBOT را تفسیر خواهیم کرد. در ابتدای امر، اما، لازم است شیب افت شاخص RBOT را بدست بیاوریم. شکل 1 را ببینید.

شکل 1: نموداری از نحوه تغییرات (افزایش و کاهش) شاخص RBOT روغن توربین مورد سوال

بدین ترتیب، از نمودار مندرج در شکل 1 درمی یابیم که شاخص RBOT پس از سرریز روغن در توربین بخار موضوع این پست با شیب مثبت افزایش بیش از سه برابری داشته، اما به تدریج و با گذشت چیزی کمتر از 8 ماه، همین شاخص بیش از دویست درصد افت داشته است.

حال که وخامت اوضاع را دانستیم، باید ببینیم اصلا شاخص RBOT چی هست؟

1- آزمون RBOT چیست؟

حروف RBOT مخفف عبارات Rotating Bomb Oxidation Test بوده و تقریبا از 2002 به بعد به RPVOT تغییر نام داده است. مخفف: Rotating Pressure Vessel Oxidation. این آزمون که در استاندارد ASTM D2270 تعریف شده است، افت مقاومت به اکسیداسیون انواع روغن (بیشتر توربینی) را هدف می گیرد. نمونه ای از دستگاه انجام این آزمون در شکل 2  نشان داده شده است.

اما، این آزمون چگونه انجام می شود و شاخص RPVOT چگونه محاسبه می شود؟ برای پاسخ به این سوال لازم است ابتدا نگاهی به تصویر 3  بیاندازیم. همانگونه که از شکل 3 پیداست، این آزمون با قرار دادن نمونه ای از روغن در یک محفظه تحت فشار آغاز می شود. درون این مخزن، علاوه بر نمونه روغن، فیلمی از آب به همراه یک سیم پیچ مسی وجود دارد. فشار مخزن با اکسیژن به 90psi (معادل 6bar) رسانده شده و مخزن درون حوض گرمایشی با دمای 150°C قرار داده می شود. همزمان، مخزن با سرعت 100rpm شروع به چرخش می کند. طبیعتا، با افزایش دمای مایعات درون مخزن فشار داخلی آن نیز افزایش یابد. اما، این افزایش تا یک نقطه دمایی مشخص ادامه یافته و سپس به پایداری می رسد. این دمای پایدار را T₀ می نامند و فشار درونی مخزن را در آن اندازه می گیرند. با ادامه تست، و به مرور زمان، روغن توانایی مقاومت در برابر نفوذ آب و اکسیژن را از دست داده و شروع به آزاد کردن برخی ترکیبات حاصل از اکسیداسیون می کند. بدین ترتیب، با جذب اکسیژن در نمونه روغن، فشار درون مخرن شروع به کاهش خواهد کرد. پایان تست زمانی اتفاق می افتد که فشار درون مخرن به اندازه 25psi از فشار مخزن در دمای T₀ کمتر شود. دمایی که در آن این افت فشار 25psi اتفاق می افتد را ثبت کرده و T₁ می نامند. شاخص RPVOT بصورت زمان مورد نیازی تعریف می شود که نمونه روغن صرف می کند تا از دمای T₀ به دمای T₁ برسد.

شکل 2: نمونه ای از دستگاه انجام تست RPVOT یا RBOT (منبع: Noria)

شکل 3: نحوه انجام تست RPVOT (منبع: Noria)

روغن های توربینی که در توربین های بخار مورد استفاده قرار می گیرند، معمولا حدود 10 تا 20 سال (بسته به کیفیت روغن) عمر می کنند. بدین ترتیب، برای درک هر چه بهتر وضعیت توربین های بخار، توصیه بر آن است که از راهنمایی های مندرج در استاندارد ASTM D4378 با عنوان «Standard Practice for In-Service Monitoring of Mineral Turbine Oils for Steam and Gas Turbines» استفاده شود. آزمون RPVOT نیز یکی از معیار های اصلی و ارکان تشخیص سلامت روغن موجود در سیستم روغنرسانی توربین های بخار در استاندارد فوق دانسته شده است.

همانطور که چند سطر بالاتر نیز گفته شد، هدف از آزمون RPVOT تشخیص زودهنگام بروز پدیده اکسیداسیون در سیستم روغنی است که در توربین ریخته شده است. حال این روغن می خواهد هیدورلیک باشد یا کلاس توربینی یا حتی موتوری!

اما، منشا اکسیداسیون کجاست؟ در سیستم های روغنرسانی توربین بخار، اکسیداسیون بیشتر بدلیل شوک حرارتی و ورود ترکیبات هیدراته (آبدار)، هوای شناور (اطلاعات بیشتر در این زمینه را می توانید در پست «تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب» بیابید)، و ذرات کاتالیک با منشا فلزی بدرون ساختار روغن بوجود می آید.

اطلاعات بیشتر در این زمینه را می توان در پست «آنالیز روغن توربین های بخار» در همین وبلاگ کسب کرد.

با شیوع پدیده اکسیداسیون، روغن توربین بخار شروع به تشکیل ترکیبات اسیدی ضعیف (که با معیار WAN قابل تشخیص هستند و این معیار و سایر معیار ها در پست «عدد اسیدی، عدد قلیایی، و pH روغن» در همین وبلاگ تعریف شده اند) و محصولات اکسیداسیون نامحلول در جریان روغن می کند. این ذرات نامحلول در روغن (که در اینجا آنها را آلودگی می نامیم) که منشا کربنی دارند، همراه جریان روغن حرکت کرده و به سطح قطعات پذیرنده روغن، مانند قطعات گاورنر، سطح برینگ ها، و اویل کولر ها، می چسبند. این آلودگی ها، با گذر زمان تشکیل سطحی نسبتا سخت و جامد را روی سطوح قطعات فوق داده و تلرانس های عملکردی و Clearance بین قطعات دوار را به هم می ریزند. از سوی دیگر، می دانیم که هر ماده ای دارای ضریب انتقال حرارت هدایتی (Conduction Heat Transfer Coefficient) است که در برخی متون انتقال حرارت با k و در برخی دیگر با حرف یونانی لاندا (λ) نشان داده می شود. این سطوح آلاینده که حال دیگر کاملا سفت و جامد شده و روی بخش هایی از قطعات را گرفته اند، موجب اختلال در فرآیند خنک کاری برینگ ها و مبدل های حرارتی مانند اویل کولر ها شده و به تدریج منجر به شوک حرارتی و فرسودگی این قطعات می شوند. از دیگر سو، عدم انتقال حرارت مناسب نیز می تواند منجر به افزایش دمای عمومی جریان روغن در یک توربین شود که خود بعنوان یک تسریع کننده در امر اکسیداسیون هرچه بیشتر روغن عمل می کند.

گاهی اوقات، و بسته به وخامت اوضاع، سرریز کردن روغن می تواند این فرآیند را آهسته کند. اما، این به معنی توقف روند زوال روغن نیست! حتی نصب فیلتر های ریز (مانند 1 میکرون یا حتی پایینتر) نیز چاره کار نیست! چراکه این فیلتر ها فقط ذراتی را جذب می کنند که در جریان روغن شناورند و همراه آن حرکت می کنند و روی سطوح آلودگی جامد شده و رسوب کرده قبلی تاثیری ندارند.

در این زمینه، استاندارد ASTM D4378 بهترین راهکار را توسل به آزمون RPVOT می داند. مطابق این استاندارد، در صورتیکه شاخص RPVOT (یا همان RBOT) یک روغن توربینی در حال کار بیش از 25 درصد نسبت به شاخص RPVOT روغن نو افت کرده باشد، نشانه فساد روغن از طریق Additive Depletion بوده و باید روغن آن توربین تعویض گردد. البته توصیه اکید این استاندارد بر آن است که افت شاخص RPVOT در تناسب با افزایش شاخص AN (عدد اسیدی) سنجیده شود.

با این وجود، بسیاری از کارشناسان آنالیز روغن در این مورد استفاده از شاخص AN را ضروری ندانسته و بجای آن آزمون RPVOT صد دقیقه ای (100-minute RPVOT) را بیشتر به صلاح می دانند.

البته، نظر و تجربه شخصی نویسنده این پست بر آن است که دو شاخص RPVOT و WAN بهتر است با یکدیگر مقایسه شده و نمو این دو شاخص در طول حداقل سه بار اندازه گیری مورد سنجش قرار گیرد. این نظر از آن جهت است که تغییرات AN رابطه مستقیمی با پدیده Antioxidant Additive Depletion در بخصوص روغن های توربینی دارد. شکل 4 را ببنید. بدین ترتیب، خطای تفسیر کمتر شده و تصمیم درست تری بمنظور ادامه کار روغن یا توقف توربین و تعویض روغن قابل اتخاذ خواهد بود.

شکل 4: نحوه تغییر شاخص AN در اثر اضمحلال ادتیو آنتی اکسیدان (منبع: Noria)

آنچه که در تفسیر شاخص RPVOT باید مورد تاکید قرار گیرد آن است که بسیاری از کارشناسان اغلب کم تجربه یا کم اطلاع آنالیز روغن از این آزمون برای سنجش و مقایسه سطح کیفیت روغن های مختلف استفاده می کنند. این عمل مطلقا اشتباه بوده و منجر به نتایج کاملا غلطی خواهد شد! بروز این اشتباه از آن جهت است که RPVOT به عوامل متعددی بستگی دارد و مانند آزمون شاخص ویسکوزیته، TAN، یا دیگر آزمون ها به یک یا چند عامل مشخص وابسته نیست. بنابراین، در صورتیکه قصد بر مقایسه نتایج آزمون RPVOT بین دو یا چند نمونه روغن در بین باشد، الزاما شاخص RPVOT باید در طول یک بازه زمانی مشخص و برای تعداد مساوی از نمونه ها و تحت شرایط نمونه گیری کنترل شده و یکسان (برای اطلاعات بیشتر به پست «اصول نمونه گیری» در همین وبلاگ مهندسی مراجعه فرمایید) انجام شود.

2- نتیجه گیری و پیشنهاد

اکنون با توجه به مندرجات بند 1 این پست، متوجه می شویم که سرریز روغن تنها موجب بهبود وضعیت نسبی و البته ناپایدار روغن شده است. این در حالیست که اگر فواصل اندازه گیری RPVOT نزدیک و منظم بود، با تعویض بموقع روغن می شد از روند اکسیداسیون هرچه بیشتر و صدمه رساندن به اجزای توربین جلوگیری کرد.

البته، به زعم نویسنده این پست، استفاده از روغن هیدرولیک بجای روغن کلاس توربینی نیز مزید بر علت اکسیداسیون بوده است. چراکه روغن های هیدرولیک طبیعتا نسبت به روغن های توربینی از ادتیو های آنتی اکسیدان کمتری در ساختار خود برخوردار بوده و در عین حال، رفتار اسیدی تری را در صورت بروز شوک حرارتی از خود نشان می دهند.

در این خصوص، پیشنهاد بنده بر آن است که روغن توربین هرچه سریعتر تعویض شده و بجای استفاده از روغن هیدرولیک از روغن توربینی مانند بهران توربین 32 استفاده شود. رفتار اکسیداسیونی روغن نیز با نمونه گیری صحیح و آزمون منظم RPVOT و WAN مانیتور شود.