نقش آنالیز سوخت در ارتقا کیفیت پایش وضعیت روغن های موتوری

الف) مقدمه

آنالیز سوخت یکی از تکنیک های رایج در ارزیابی سلامت سوخت مصرفی در انواع موتورهای درونسوز ثابت و متحرک به شمار رفته و شامل آزمون های اجباری و اختیاری گوناگون و متنوعی است که الزام یا عدم التزام هریک براساس نیازهای مشتری یا کارفرما یا حتی تجربیات متخصصین پایش وضعیت تغییر می کند. یکی از مواردی که همواره مورد تاکید کارشناسان مختلف در حوزه پایش وضعیت موتورهای درونسوز از طریق آنالیز روغن موتور از دیرباز قرار گرفته است، تطبیق سلامت سوخت با وضعیت روغن مصرفی در یک موتور است. اما، مگر مدارهای سوخترسانی و روغنرسانی در موتورهای درونسوز از یکدیگر مجزا نیستند؟ پس چطور ممکنست پایش وضعیت سوخت مصرفی در یک موتور (که می تواند لزوما از یک نوع نبوده و بنا به اقتضای طراحی یا الزامات کاربری از دو یا چند سوخت در یک موتور استفاده شود) روی پایش وضعیت روغن همان موتور تاثیرگذار باشد؟ تجربه نگارنده این مقاله و مطالعات انجام شده توسط کارشناسان مختلف در اقصی نقاط دنیا به دو سوال فوق این پاسخ را می دهند: علیرغم جدایی مسیر مدارات سوخت، روغن، و آب در موتورهای درونسوز از دیدگاه نظری، این سه سیال در عمل بدلایل مختلف با یکدیگر مخلوط شده و منجر به خرابی و توقف (سرد شدن) موتور یا ژنراتور می شوند. بنابراین، صرف تکیه بر نتایج آنالیز روغن بدون توجه به نتایج حاصل از آنالیز سوخت مصرفی در موتورهای درونسوز می تواند منجر به بروز خطا و تشدید حالت خرابی در این ماشین های حرارتی گردد. هرچند اختلاط و انحلال سوخت های هیدروکربنی در جریان روغن های مینرال یا حتی سینتتیک روغن های موتوری با تکیه و تاکید بر ویسکوزیته سینماتیک نمونه روغن موتور تعقیب پذیر است، اما انحلال مقادیر اندکی از سوخت در جریان روغن (بطوریکه محدوده هشدار تعیین شده برای نرم افزار پایش وضعیت روغن یا کارشناس مربوطه در حوزه ویسکوزیته و آزمون های مرتبط با آن را نقض نکند) می تواند با تکیه بر آزمون های دیگری و دقت به تغییر نتایج آنها نسبت به حالت معمول و حدود مجاز پذیرفته شده پیش از موعد بروز خرابی کشف شده و منجر به صدور دستور تعمیراتی بهنگام و نجات تجهیز مولدی مانند یک مولد نیروی نصب شده در یک نیروگاه شود.

اما، روغن چطور ممکنست با سوخت مخلوط شود؟ روغن های موتوری باید فیلمی پایدار از روغن را روی پیراهن سیلندر ایجاد کنند تا به تسهیل حرکت روان پیستون درون سیلندر کمک کنند. همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است، وظیفه جارو کردن و جمع آوری این فیلم از روی پیراهن سیلندر با رینگ روغن است. اما، عملکرد هرچقدر صحیح این رینگ نمی تواند ضامن عدم باقیماندن مقداری از این فیلم روی پیراهن سیلندر و احتراق و از دست رفتن آن در دهلیز احتراق پس از عملکرد رینگ آتش باشد . این عمل با کاهش ناگهانی سرعت موتور نیز تشدید می‌شود. بطوریکه با کاهش سرعت موتور، حجم بیشتری از روغن بواسطه فشار منفی شدید ایجاد شده به درون دهلیز احتراق مکیده شده و پس از سیرکولاسیون در محیط پیرامونی دو رینگ تراکم  و آتش به همراه مخلوط سوخت و هوا محترق و سپس از طریق مانیفولد دود از سیستم خارج می شود. این عمل می تواند با فرسودگی یا عدم نصب صحیح هریک از رینگ های نشان داده شده در شکل 1 و یا عدم هونینگ مناسب دیواره سیلندر تشدید شود. از آنجا که رینگ های پیستون در محیطی داغ کار می کنند (بازه دمایی 340~195°C  [1] و 700°C برای سطح تاج پیستون [2]) امکان از دست رفتن روغن موتور از طریق تبخیر روی دیواره پیراهن سیلندر در ابتدای عمر روغن بیشتر است که به تدریج و با افزایش کارکرد روغن از میزان این تبخیر کاسته خواهد شد [1].

شکل 1: شماتیکی از ساختار پیستون و رینگ های آن در برابر پیراهن سیلندر یک موتور درونسوز  [1,3-4,7-8]

همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است، ذراتی از روغن موتور که به واسطه عدم توانایی رینگ روغن در جاروب صددرصدی آن وارد محدوده عملکرد دو رینگ فوقانی (شامل رینگ تراکم و رینگ آتش) گردیده، دو مسیر متفاوت پیش رو دارند:

- بخشی از آنها پس از سیرکوله شدن در اطراف رینگ تراکم و عبور از آن وارد دهلیز احتراق شده و به همراه مخلوط سوخت و هوا محترق و از طریق مانیفولد دود از سیستم خارج می شوند. این بخش منجر به آلودگی اندکی در اجزای دهلیز احتراق شده و به تدریج منجر به تشکیل جرم روی سطوح آنها خواهند شد. این جرم اگرچه آلاینده جریان روغن می تواند باشد، ولی موضوع این مقاله نیست.

- بخش دیگری از ذرات روغن حین سیرکولاسیون پیرامون رینگ تراکم (یا در برخی طرح های پکینگ پیستونی: رینگ های تراکم) در فضاهای بسیار کوچک اطراف رینگ (مابین بدنه رینگ و بدنه پیستون) گیر افتاده و پس از تحمل شوک حرارتی یا انحلال ذرات سوخت ناشی از احتراق ناقص (ناشی از روشن و خاموش شدن بسیار کوتاه موتور یا هرزگردی طولانی مدت آن در دورهای پایین [1] بویژه در هوای سرد [5]) به کارتر روغن بازخواهند گشت [1,5].

این مسیر دوم است که شانس اختلاط جریان روغن موتور به ذرات سوخت را دارد. چراکه رینگ های پیستون علاوه بر آببندی فضای پرفشار دهلیز احتراق و جلوگیری از افت فشار منجر به کاهش راندمان موتور، حرارت را نیز به از پیستون به دیواره سیلندر منتقل می کنند و از آنجا که سطح تماس بین رینگ و پیراهن سیلندر معمولا آغشته به روغن موتور بمنظور تقلیل نیروهای اصطکاکی است، این حرارت می تواند منجر به تبخیر این لایه نازک به ضخامت 5µm [4] از روغن و تسهیل انحلال آن در ذرات سوخت محترق نشده و خام ناشی از عملکرد EGR روی پیراهن سیلندر شود [3]. انحلال ذرات جامد، مایع، یا گازی سوخت در روغن موتور در فضایی پرفشار و داغ انجام شده است. بنابراین، نمی توان انتظار داشت که این انحلال، هرچند اندک و ناچیز، به تدریج خواص روغن موتور را دستخوش تغییر نکند. این تغییر به تدریج و با افزایش عمر رینگ های پکینگ پیستون تسریع خواهد شد و به دو شکل نیاز زودتر به تعویض روغن (ناشی از اکسیداسیون و افزایش یا کاهش ویسکوزیته) و افزایش مصرف روغن موتور (تبخیر روی پیراهن سیلندر) خود را عیان خواهد کرد.

هرچند مسیر دوم برای ورود ذرات سوخت به جریان روغن موتور محتمل تر به نظر می رسد، اما امکان ورود سوخت در موتورهای دیزل مجهز به DPF و EGR [3] به کارتر روغن موتور از دو طریق زیر نیز ممکن است:

- ورود سوخت دیزل به کارتر روغن در اثر تایمینگ نامناسب احتراق [5] و نقص عملکرد اجزای سیستم سوخترسانی [6]؛ یا

- عمل Post-injection سوخت در سیستم DPF [6]

مطالعات انجام شده بمنظور تعیین رابطه ایی ریاضی با هدف محاسبه و تعریف مقدار روغن موتور و سوختی که امکان اختلاط با یکدیگر را دارند با تعریف هندسه ایی بمنظور شبیه سازی حجم کنترلی و تعریف دامنه ایی برای استمداد از تکنیک CFD برای کمک به حل مساله آغاز شد. تعریف هندسه مساله در شکل 2 قابل مشاهده است.

شکل 2: تعریف هندسه دو بعدی از سیلندر و مجموعه پیستون برای حل مساله با توسل به CFD [4]

با توجه به مندرجات شکل 2، سرعت و شتاب پیستون بعنوان عامل محرک در حجم کنترلی مساله بصورت زیر قابل بیان است:

که در رابطه (1):

-  : سرعت پیستون بعنوان تابعی از زاویه میل لنگ (φ) برحسب m/s؛

-  : شتاب پیستون بعنوان تابعی از زاویه میل لنگ (φ) برحسب m²/s؛

- r: شعاع میل لنگ برحسب mm؛

- ω: سرعت زاویه ایی موتور برحسب rpm؛

- l: طول شاتون برحسب mm؛

- e: آفست محوری سوراخ گژن پین برحسب mm؛ و

- t: زمان برحسب s

از دیگر سو، می دانیم که بدنه رینگ های پیستون طی تحمل سیکل منظمی از فشار و دما، صلبیت خود را از دست داده و دراثر انعطاف پذیری حاصله طی زوایای مختلف میل لنگ، مجرایی هرچند کوچک برای عبور مقادیری از ذرات سوخت و هوا مابین بدنه رینگ ها و شیار تعبیه شده برای هریک از آنها روی بدنه پیستون فراهم می شود. بمنظور تعیین میزان نشتی سوخت و قابلیت اختلاط آن با روغن موتور در هریک از رینگ‌های آتش، تراکم، و روغن، ناگزیر از تعیین ممان پیچشی  وارده بر هریک از آنها هستیم تا میزان تغییرشکل حاصل از ایراد ممان پیچشی مذکور به هریک از رینگ ها تعیین شده و عملا سطح مقطع کانالی ناهمگن از جریان گاز فروصوتی [4] عبوری از میان فضای ایجاد شده ناشی از تغییرشکل مقطعی رینگ و بدنه پیستون تعیین گردد.

بدین ترتیب، با فرض کوچک بودن تغییرشکل های شعاعی رینگ و کوتاه بودن فواصل زمانی گسسته می توان بالانس نیروهای وارده به هریک از رینگ ها را مطابق آنچه که در شکل 1 نشان داده شده بصورت زیر نوشت:

 

که در معادله (3):

- m_r: جرم رینگ برحسب gr؛

- v: سرعت برحسب m/s؛

- F_p: نیروی ناشی از فشار کل برحسب نیوتن که خود از رابطه زیر قابل محاسبه است:

 

که در رابطه (4)، p_tot فشار کل وارده بر رینگ است که خود حاصلجمع فشار گاز، فشار هیدرودینامیک، و فشار جسم جامد بوده و برحسب GPa بیان می شود:

 

حرف A در معادله (4) نیز بیانگر سطح مقطع است که برحسب mm² بیان می شود.

- F_f: نیروی ناشی از اصطکاک برحسب نیوتن که از رابطه زیر محاسبه می شود:

 

در معادله (6)، متغیر  نیروی اصطکاکی هیدرودینامیک است که بصورت زیر محاسبه می گردد:

متغیر  در رابطه شماره (7) بیانگر تنش برشی دیواره وارده بر رینگ است که از رابطه زیر قابل حصول است:

که در رابطه شماره (8)،  بیانگر گرادیان سرعت نرمال بوده و  نیز متوسط ویسکوزیته دینامیک مخلوط گاز و روغن است که در مورد سیالات عامل دوفازی مطرح شده و از رابطه زیر حساب می شود:

در رابطه شماره (9)، α بیانگر کسر حجمی از هر فاز تشکیل دهنده سیال عامل است. از مقدار متوسط ویسکوزیته دینامیک با کاهش کسر حجمی روغن در این سیستم دو فازی از سیال عامل کاسته می شود و ازین رو، شگفت آور نخواهد بود اگر تنش برشی و نیروی اصطکاک هیدرودینامیک (به ترتیب، معادله های 7 و 8) نیز با کاهش سهم روغن در این سیستم سیال عامل دوفازی کاهش یابند.  در رابطه شماره (6) نیز بیانگر نیروی اصطکاک مرزی است که از رابطه زیر محاسبه می شود:

که در رابطه شماره (10)، fc ضریب اصطکاک مرزی برابر با 0.1، pc فشار متوسط روی ناهمواری های سطح تماس، و Ac مساحت محل تماس رینگ و پیستون تعریف شده و بصورت تابعی از ارتفاع گپ و برابر با مقطع وجه تماس رینگ با بدنه پیستون یا به عبارت دیگر: مساحت جانبی رینگ فراتر از ارتفاع بحرانی گپ یا h_cr (شکل 1 را ببینید) شده و با رابطه زیر قابل بیان است:

- F_m: نیروی اینرسی برحسب نیوتن که بصورت حاصلجمع نیروهای جرم و اینرسی ناشی از شتاب گرانشی g و شتاب پیستون  تعبیر شده و از رابطه زیر قابل استحصال است:

- F_r: نیروی کششی شعاعی برحسب نیوتن که تابعی از نیروی مماسی رینگ پیستون یا F_t بوده و از رابطه زیر محاسبه می گردد:

- K_d: سختی خمشی برحسب mN؛ و

- s: لقی/کلیرنس گپ انتهایی برحسب mm

در صورتیکه تغییرشکل های شعاعی رینگ در حد میکرومتر باقی بمانند، می توان از تغییرات حاصله در نیروی کششی  ناشی از سختی خمشی نشان داده شده در معادله (3) صرفنظر کرد.

نیروهای خارجی می توانند موجب پیچش رینگ ها در شیار تعبیه شده برای آنها در بدنه پیستون نیز شوند. پیچش رینگ بر دینامیک آن تاثیرگذار بوده و نحوه عبور ذرات روغن و گاز (مخلوط هوا و ذرات معلق سوخت) نیز تابعی از آن می باشد. این پیچش که با زاویه پیچش یا θ قابل بیان است، از مولفه ایی بنام زاویه پیچش استاتیک یا θs (شکل 1 را ببینید) تاثیر می پذیرد که این تاثیر می تواند شامل بهبود یا تضعیف خواص روغنرسانی، بالانس روغن، اصطکاک، و ثبات دینامیکی هریک از رینگ های پیستون شود. پیچش رینگ با توسل به رابطه زیر قابل محاسبه است:

که در رابطه (15):

- I_r: ممان اینرسی وارده بر رینگ؛

- θ: زاویه پیچش برحسب min؛

- M_t: ممان پیچشی کل که خود حاصلجمع سه ممان زیر است:

که در رابطه شماره (16)، M_p ممان حاصل از فشار، M_f ممان ناشی از نیروی اصطکاک، و M_c ممان حاصل از فشار تماس است. در واقع، M_t حاصلجمع ممان های M_i است که بر نقاط گسسته C_i تاثیرگذار بوده و با ضرب بردارهای مکانی r_i در بردار نیروی F_i محاسبه می‌شوند:

بردار مکانی r_i مندرج در رابطه (17) بعنوان تفاضل بردار مکانی نقطه تاثیر نیرو C_i و نقطه مرکزثقل یا CG رینگ تعریف می شود:

و بردار F_i نیز بعنوان حاصلجمع تمامی نیروهای موثر بر نقطه گسسته C_i قابل بیان است.

- K_t: سختی پیچشی رینگ که برای یک رینگ کامل و با سطح مقطعی مستطیلی [7] بصورت زیر محاسبه می شود:

که در رابطه شماره (19)، E مدول الاستیسیته رینگ پیستون (GPa)، b ارتفاع محوری مقطع رینگ پیستون (mm)، d قطر داخلی رینگ (mm)، و D قطر خارجی رینگ (mm) هستند.

بدین ترتیب، و با معلوم بودن خواص دینامیکی هریک از رینگ های تشکیل دهنده پکینگ مجموعه پیستون و سیلندر می توان با توسل به تکنیک CFD و تمسک به یکی از منطق های گسسته سازی حل مساله FEM [3] یا FVM [4] استخراج رابطه‌ایی ریاضی و محاسبه دبی جرمی مخلوط هوا و سوخت (با عنوان کلی «گاز») عبوری از گپ هریک از رینگ ها امکانپذیر خواهد بود. در این راستا، ابتدا لازمست مطابق شکل 3، هندسه مساله به هفت حجم کنترلی تقسیم شده و ضمن تعریف اُریفیس هایی بمنظور تحلیل و محاسبه دبی جرمی سیال عبوری از هریک، رابطه‌ایی تعمیمی در جهت محاسبه دبی جرمی روغن در تناسب با دبی جرمی گاز حاصل شود:

شکل 3: گسسته سازی هندسه مساله، تعریف اُریفیس ها، و محاسبه دبی های جرمی CFD و تحلیلی [3-4,7]

بدین ترتیب، دبی جرمی روغن عبوری از گپ هریک از رینگ های نشان داده شده در شکل 3 را بصورت تعمیمی از رابطه زیر بدست آورد:

که در معادله شماره (20):

-  : دبی جرمی روغن موتور عبوری از حجم کنترلی i به حجم کنترلی j برحسب L/min [4] یا gr/hr [7]؛

-  دبی جرمی گاز (مخلوط سوخت و هوا) عبوری از حجم کنترلی i به حجم کنترلی j برحسب lit/min [4] یا gr/hr [7]؛

-  : دانسیته روغن موتور در حجم کنترلی i برحسب gr/mL؛

-  : ویسکوزیته دینامیک روغن موتور در حجم کنترلی i برحسب Pa.s؛

-  : ضخامت متوسط فیلم روغن موتور در حجم کنترلی i برحسب µm؛ و

-  : کلیرنس/لقی پیستون در حجم کنترلی i برحسب mm

نمونه ایی از تقریب سرعت جریان سیال دوفازی در هندسه مساله با توسل به CFD-FEM در شکل 4 نشان داده شده است:

شکل 4: کانتور سرعت جریان سیال عامل دوفازی (بدون واحد و تعمیمی) در بخش های مختلف هندسه مساله [3]

همانگونه که در کانتور شکل 4 مشهود است، کمترین سرعت جریان سیال دوفازی عامل قبل از رینگ آتش و در اطراف رینگ تراکم رخ داده و این جریان دوفازی با رسیدن به رینگ روغن و با عبور از آن به بیشترین مقدار خود می رسد. از دیدگاه دینامیک سیالات محاسباتی، ذرات سوخت می توانند از میان فضای بین رینگ روغن و شیار پیستون بیرون کشیده شده و به پیراهن سیلندر برخورد می کنند (شکل 5b را ببینید) و بمحض اینکه ذره ایی از سوخت پخ شیار رینگ روغن (شکل 3) را به اندازه ایی ترک کند که قادر به ایجاد مسیری برای عبور گاز به سمت خروج از حجم کنترلی باشد، سرعت گاز به سرعت افزایش یافته و آن ذره از سوخت را به سوی پیراهن سیلندر می کشد (شکل 5c).

شکل 5: شبیه سازی CFD-FEM از مراحل مختلف نحوه نشت ذرات سوخت (قهوه ای در زمینه آبی رنگ به نشانه هوا) از گپ مابین رینگ روغن (مشکی) و پخ شیار پیستون (خاکستری) و برخورد آن به پیراهن سیلندر (طوسی)؛ جهت حرکت هندسه با فلش سبزرنگ نشان داده شده است [3]

همانطور که در شکل 5d مشخص است، ذرات کوچکتر سوخت به رینگ روغن و پخ شیار آن می چسبند؛ اما باقی کسر حجمی سوخت به محض برخورد با پیراهن سیلندر (علیرغم دمای 400°K مفروض برای آن [3]) به سطح آن چسبیده و به آرامی به سمت خروج از هندسه مساله (کارتر روغن) حرکت می کنند (شکل 5h) [3].

با این تفاسیر، تماس بین دو سیال سوخت و روغن در موتورهای درونسوز به دو صورت مستقیم و غیرمستقیم قابل تصور است:

الف) تماس مستقیم: که شامل ورود مستقیم و مداوم کسری از حجم مدار سوخترسانی به مدار روغن بوده و وقوع چنین سناریویی از خرابی مستلزم تیز شدگی/خوردگی هر یک از رینگ های پیستون (شکل های 1 و 6)، عدم تنظیم پمپ و سوزن انژکتور، یا حتی ورود روغن روانکار پمپ به جریان سوخت ناشی از خرابی اورینگ های آن بعنوان رایجترین دلایل است. در چنین حالتی، وقوع آلودگی روغن موتور به سوخت محرز بوده و با علائم بارزی چون کاهش نقطه اشتعال خودبخودی، شاخص TBN، و افت شدید ویسکوزیته سینماتیک در نقطه دمایی 40°C مشخص و تعریف می گردد؛

نمونه ایی از نتایج آنالیز روغن در حالت تماس مستقیم سوخت و روغن موتور، صرفا با تکیه بر افت شدید نقطه اشتعال و ویسکوزیته سینماتیک و بدون کاهش محسوس در آنالیز عناصر، در شکل 7 نشان داده شده است.

شکل 6: مسیرهای محتمل بمنظور تقابل ذرات سوخت و روغن [3]

ب) تماس غیرمستقیم: که شامل تماس لحظه ایی و نامنظم کسری از حجم تزریقی سوخت به محفظه احتراق بدلیل خروج از تنظیم سوزن انژکتور است. در این حالت از خرابی، سوخت بجای پودر شدن بصورت و شکل قطرات ریز مایع روی سطح داغ پیستون پاشیده شده و منجر به پدیده سوختگی تاج پیستون می گردد (شکل 6 را ببینید). این حالت از تماس سوخت و روغن موتور با علائم خفیفی چون کاهش نامحسوس نقطه اشتعال و نه لزوما ویسکوزیته سینماتیک همراه است [2]. لذا طبیعی است که وقوع آلودگی روغن موتور به سوخت در این حالت از طریق آزمون‌های روتین برای کارشناس پایش وضعیت مسجل نباشد. اما می توان با توسل به برخی تکنیک های تجربی و از طریق دقت در الگوی نوسان و نمو عناصر گزارش شده از نمونه روغن به وقوع چنین سناریویی از آلودگی پی برد.

نمونه آنالیز روغن در حالت تماس غیرمستقیم سوخت و روغن موتور، صرفا با مشاهده تغییر الگوی نمو عناصر، در شکل 8 مشهود است.

شکل 7: نمونه ایی از نتیجه آنالیز روغن موتور کامیون کمپرسی حاکی از وقوع تماس مستقیم سوخت و روغن [2]

نکته بارز در شکل 3، اشتباه در تفسیر حضور عنصر سیلیسیم (Si) در نتیجه آزمون آنالیز موتور قایقی است. این آزمون که براساس روش مندرج در استاندارد ASTM D6595 انجام شده و به RDE موسوم است، خیز بالایی را در الگوی نمو سیلسیم (Si) را گزارش کرده است که آزمایشگاه محترم طی تفسیری نادرست، آثار مشاهده شده از عناصر آهن (Fe)، مس (Cu)، و سرب (Pb) را به وقوع فرسایش و ورود گردوخاک به جریان روغن موتور این قایق نسبت داده است. حال آنکه خیز مشاهده شده در نمو عناصر فوق به جدا شدن بخشی از لایه سیلیکون کاربید بکار رفته در ساختار تاج پیستون موتور [2] بوده و با ورود گردوخاک در یک موتور دریایی بی ارتباط است.

بنابراین، می توان به این نتیجه رسید که خصوصیات شیمیایی، فیزیکی، و مکانیکی سوخت مصرفی در یک موتور درونسوز می تواند بر نتایج حاصله از آزمون های متناظر در روغن همان موتور تاثیرگذار باشد. هرچند، میزان این تاثیرگذاری بسته به نوع آزمونی که برای پایش وضعیت روغن در نظر گرفته می شود می تواند متغیر باشد و حتی بسته به نوع سوخت مصرفی در موتور درونسوز مورد مطالعه تغییراتی را نسبت به حالت های معرفی شده در این مقاله (بخصوص در بخش حدود مجاز برای هر آزمون) شامل خواهد شد.

بر این اساس، اختلاط سوخت با روغن موتور در سه حالت قابل طبقه بندی است:

- حالت مجاز: که شامل انحلال حداکثر 2% سوخت [9] در حجم استانداردی از نمونه روغن موتور (مثلا 100cc) بوده و اثر آلودگی سوخت بر رفتار روغن موتور از طریق مطالعه تاثیر خواص قهری سوخت (که در ادامه تعریف شده اند) بر مشخصات نظیر به نظیر آن در روغن موتور خلال یک برهه زمانی خاص و تعریف شده (معروف به پنجره زمانی) قابل کشف بوده و هشدار تعمیراتی در حد الزام به تنظیم سوخت و سوپاپ مکفی خواهد بود؛

شکل 8: نمونه ایی از نتایج آنالیز روغن موتور قایق حاکی از وقوع تماس غیرمستقیم سوخت و روغن موتور [2]

- حالت مرزی: که شامل انحلال 2~5% از سوخت [9] در حجم استاندارد نمونه روغن موتور بوده و معمولا به سطح بالاتری از هشدار تعمیراتی مبنی بر بازدید از نقاط بالقوه نشت سوخت و معاینه صحت عملکرد ادوات آببندی مدار سوخت و محفظه احتراق ختم می گردد. در حالت مرزی، عمدتا نیازی به سرد کردن موتور نیست و اختلاط مرزی سوخت و روغن موتور با توسل به آزمون های معلوم کننده خواص تحمیلی سوخت قابل کشف و حل و فصل به شمار می رود؛

- حالت آسیب: که شامل اختلاط بیش از 5% درصد [9] از حجم نمونه روغن موتور به سوخت مصرفی بوده و با تغییرات شدید در خواص فیزیکی و مکانیکی روغن موتور (به ترتیب، مانند دانسیته و ویسکوزیته سینماتیک) عیان می گردد. در چنین مرحله ایی، موتور باید سرد شده و سلامت هر یک از برینگ های میل لنگ، پیراهن سیلندر، و سایر ادوات حساس به ضخامت فیلم روغن اعم از برینگ های توربوشارژر و... از نظر آسیب دیدگی ناشی از افت ویسکوزیته روغن مورد بررسی قرار گیرند.

این مقاله با هدف مروری بر این آزمون های آنالیز سوخت موثر بر نتایج آنالیز روغن های موتوری و پیشنهادهایی برای ارتقا کیفیت پایش وضعیت آنها نگاشته شده است. در ادامه به معرفی رایجترین آزمون های آنالیز سوخت پرداخته و تاثیر یا عدم تاثیر هریک بر نتایج آنالیز روغن موتوری پرداخته شده است.

ب) تاثیر متقابل آنالیز سوخت و آنالیز روغن موتور

آنالیز سوخت شامل مجموعه ایی از آزمون ها است که به روشن شدن خواصی از سوخت منجر می شوند که تاثیر نتایج حاصل از آنها بر پایش وضعیت یک روغن موتوری در قالب دو مفهوم قابل بیان است:

- خواص قهری: که با آزمون هایی در آنالیز سوخت آشکار می شوند که بعنوان خواص ذاتی سوخت و به همراه آن به مالک تجهیز تحویل شده و کنترل یا بهبود آنها در بضاعت پایش وضعیت تجهیز نیست. این دسته از خواص سوخت بیشتر شامل حضور برخی از آلاینده های محیطی مانند شن و ماسه و گردوغبار، ترکیبات آبدار، یا عناصری مانند آلومینیوم (Al) و سیلیس (Si) ناشی از زنجیره تولید، انتقال، و نگهداری آن بوده و بر کیفیت سوخت مستقیما موثرند. خواص قهری منجر به تخریب زودهنگام موتور گشته و از طریق تکنیک های پایش وضعیت قابل مشاهده و تشخیص هستند، اما قابل کنترل نیستند.

- خواص تحمیلی: که با آزمون هایی در آنالیز سوخت و سپس مقایسه آنها با تغییرات حاصله در خواص روغن موتور قابل تشخیصند که با توسل به تکنیک های پایش وضعیت هم قابل تشخیص و هم قابل بهبود محسوب می شوند. چنین خواصی معمولا با اختلاط سوخت و روغن (حتی در مقیاس میکروسکوپیک) به نتایج آنالیز روغن موتور تحمیل می شوند.

بنابراین، در زمان مطالعه و تفسیر نتایج آنالیز سوخت و مقایسه آنها بر آنالیز روغن باید توجه کرد که با کدام مفهوم روبرو هستیم؟ جدول 1 نمایه‌ایی از آزمون های رایج در آنالیز سوخت را ارائه می دهد که در حالت عادی و معمول برای یک نمونه سوخت از آزمایشگاه معتمد درخواست شده و حاوی تقسیم بندی آزمون ها به دو مفهوم قهری یا تحمیلی بر نتایج آنالیز روغن موتوری است. البته تعیین نوع آزمون و استاندارد ناظر بر روش انجام آن بنا به تشخیص و صلاحدید کارشناس پایش وضعیت تجهیز درونسوز متغیر است و ممکن است همه یا بخشی از آزمون های مندرج در جدول 1 را شامل شود. قدر مسلم، آن قسمتی از آزمون های مورد اشاره در جدول 1 در این مقاله مورد بررسی بیشتر قرار گرفته و به جزییات آنها پرداخته خواهد شد که بر نتایج آنالیز روغن (براساس شانس اختلاط نشان داده شده در مقدمه این مقاله) تاثیرگذار محسوب شوند. این بخش از آزمون های تاثیرگذار بر نتایج حاصل از پایش وضعیت روغن در جدول 1 مشخص شده اند.

جدول 1: آزمون های آنالیز سوخت

ب-1) آزمون ICP

سبقه بکارگیری آنالیز عناصر حاضر در یک نمونه هیدروکربنی (اعم از سوخت، روغن، و...) به سال های دهه 40 و 50 قرن بیستم [10,11] و در صنایع ریلی بمنظور تعیین میزان حضور عناصر فلزی حاصل از فرسایش در روغن های موتور دیزلی بازمی گردد. از آنزمان تاکنون، تکنیک های آنالیز عناصر قادر به تعیین غلظت حضور بیش از 30 عنصر مختلف جدول تناوبی در نمونه سوخت/روغن هستند [10].

بطورکلی، سه تکنیک طیف سنجی نشر اتمی در آنالیز عناصر رایج است که شامل:

- آزمون ICP که مخفف Inductively Coupled Plasma [10-12,15] بوده و گاه با عنوان ICPE نیز شناخته شده و در دو استاندارد ASTM D5185 و ASTM D4951 [11] تعریف شده است. با این حال، از آنجا که استاندارد ASTM D4951 در تشخیص انواع ادتیوهای حاضر در ساختار شیمیایی انواع روانکار از طریق آنالیز عناصر تشکیل دهنده آنها کاربرد دارد، از چشم انداز این مقاله خارج شده و در مقاله پیش رو تنها به ASTM D5185 بعنوان روش آزمون ICP اشاره خواهد شد؛

- آزمون RDE یا Rotating Disc Electrode [10-11,15] که براساس استاندارد ASTM D6595 [2] انجام می شود؛ و

- آزمون RFS یا Rotrode Filter Spectroscopy [2,11,15]

تقریبا تمامی آزمایشگاه های غیرنظامی آنالیز روغن دو تکنیک ICP و RDE را در سبد خدمات خود دارند [10] و تنها اختلاف عمده این دو تکنیک در روش تبخیر نمونه و برانگیزش اتمی آن با تکیه بر یک منبع پرانرژی است [10,15]. هرچند ICP و RDE هردو تکنیک هایی هم‌خانواده در تعیین ترکیب عناصر حاضر در یک نمونه هیدروکربنی محسوب می شوند، اما کاربرد این دو تکنیک در عمل بسیار متفاوت است. چراکه تکنیک ICP مستلزم آماده سازی نمونه دریافتی، بکارگیری تجهیزات بسیار پیشرفته آزمایشگاهی، و پرسنل زبده و آموزش دیده است؛ اما RDE بی‌نیاز از آماده سازی نمونه بوده و تنها باید شرایط دمایی پایداری برای تست برقرار باشد. این بدان معنیست که نه تنها می توان از RDE در محیط های صنعتی بهره برد، بلکه حتی در سایت های دورافتاده یا حتی کفِ کارگاه نیز می توان از این تکنیک در آنالیز روغن یا سوخت استفاده کرد. از آنسو، تکنیک ICP می تواند حضور عناصر شیمیایی در یک نمونه هیدروکربنیک را با غلظت کوچکتر از مقیاس ppm تشخیص داده و عنصر گوگرد (S) را بعنوان یک تست روتین گزارش دهد [10]. هرچند، آزمایشگاه های غیرنظامی حضور تا 20 عنصر شیمیایی را در گزارش آنالیز خود اظهار می کنند [11]، اما تکنیک RDE ذاتا قادر به تشخیص 32 عنصر شیمیایی بوده [10] و تکنیک ICP نیز قادر به کشف 40 عنصر شیمیایی [16] در نمونه سوخت یا روغن صنعتی است.

با این وجود، مهمترین موضوع در آنالیز روانکار یا سوخت و در عین حال، آنالیز خرابی ماشین آلات و تجهیزات صنعتی، نارسایی ذاتی دو تکنیک ICP و RDE در تشخیص ذرات معلق در نمونه با اندازه های بزرگ است. این محدودیت در صورت بهره گیری از تکنیک RDE به کشف ذراتی در نمونه روانکار/سوخت با قطر کمتر از 8µm [17] تا 10µm [2,10-11,15] منجر شده و در صورت توسل به تکنیک ICP، ذراتی با قطر کمتر از 3µm [17] تا 5µm [2,10,15] نیز قابل تشخیص و گزارش خواهند بود. بدین ترتیب، در صورت شکستگی تکه ایی از یک قطعه در مقیاس میلیمتری یا آلودگی جریان سوخت یا روغن موتور به ذرات جامد معلق درشتتر از 10µm، عملا تشخیص وجود چنین ذراتی با توسل به تکنیکی مانند RDE یا ICP امکانپذیر نیست.

طی موردکاوی که در 2002 و توسط آزمایشگاه آنالیز روغن ESKOM (افریقای جنوبی) بمنظور مقایسه عملکرد دو تکنیک ICP و RDE در آنالیز عنصر آهن (Fe) در یک نمونه روغن واحد از یک تجهیز با نتایج تست PQ انجام شد، نمودار زیر حاصل شده است:

شکل 9: نمودار مقایسه نتایج سه آزمون ICP (قرمز)، RDE (آبی)، و PQ (مشکی) از عنصر آهن (Fe) در یک نمونه روغن کارکرده [18]

همانگونه که در شکل 9 مشهود است، هرچه مقدار شاخص PQ (برحسب mg/L Fe) برای نمونه روغن بالاتر می رفته، اختلاف بین نتایج حاصله از دو تکنیک RDE و ICP (برحسب ppm) بیشتر می‌شده است [18]. برای حل این مشکل، تکنیک RFS در سال 1992 پیشنهاد شد که با توسل بدان امکان تشخیص ذراتی با قطر بزرگتر از 25µm [2,11] فراهم می گردد. هرچند، RFS با 12 عنصر دامنه کشف عناصر کمتری در قیاس با RDE و ICP دارد، اما هزینه پایینتری نسبت به RDE و مخصوصا ICP داشته و در کشف رفتار سایشی روغن در کنار آزمون های فرّوگرافی می تواند مفید باشد [2]. بنابراین، می توان نتیجه گرفت که تکنیک RDE برای آنالیز روغن نو یا کارکرده ابزاری مناسبتر و برای آنالیز سوخت، تکنیک ICP ابزاری قابل اعتمادتر است.

این نتیجه گیری براین حقیقت استوار است که در تکنیک ICP عدم تشخیص ذرات خیلی زودتر از RDE فرا می‌رسد؛ بنابراین، استفاده از ICP بمنظور آنالیز ذرات فرسایشی حاضر در نمونه روغن تجهیزاتی که فاقد فیلتراسیون داخلی در مدار روغنرسانی خود باشند (مانند برخی گیربکس ها و کمپرسورها) توصیه نمی شود [18]. اما در مورد موتورها که در مدار روغنرسانی خود فیلتر دارند استفاده از تکنیک ICP بلامانع است. هرچند، توصیه بر اینست که آنالیز سوخت و آنالیز روغن (نو و کارکرده) هر دو براساس یک تکنیک واحد (یعنی ICP) انجام شود تا تاثیر خواص تحمیلی سوخت بر عملکرد روغن موتور مشاهده پذیری بیشتری برای کارشناس پایش وضعیت داشته باشد.

بنا به تعریف، آزمون ICP عبارتست از تخلیه پلاسمایی پرحرارت از یک گاز یونیزه شده جاری در تعدادی لوله که مسیر آنها از میان میدان مغناطیسی بگذرد که توسط یک سیم پیچ باردار القا شده باشد [12]. با توسل به این آزمون می توان سه گروه از عناصر حاضر در یک نمونه سوخت یا روغن موتور را تعیین کرد:

- عناصر فلزی حاصل فرسایش [12]: این عناصر شامل عناصر حاضر در آلیاژ قطعات تشکیل دهنده موتور، اعم از سیلندر، پیستون، چرخدنده ها، شفت ها، رینگ ها، برینگ ها، و انواع ولو بوده و از طریق فرسایش (بعنوان پدیده ای اجتناب ناپذیر حین کارکرد موتور) وارد جریان روغن موتور می شوند. افزایش غلظت این عناصر همراه با افزایش عمر روغن موتور همواره مورد انتظار است. اما، افزایش ناگهانی هریک از آنها پیش از اتمام دوره مصرف روغن و فرارسیدن زمان تعویض یا تعمیرات اساسی می تواند مایه نگرانی و زنگ خطر باشد [19]. از میان عناصر فلزی حاصل فرسایش، چهار عنصر فلزی آهن (Fe)، سرب (Pb)، نیکل (Ni)، و وانادیوم (V) در آنالیز سوخت نیازمند بررسی بیشتر هستند. جدول 2 جزییات بیشتری را ارائه کرده است.

جدول 2: عناصر فلزی حاضر در آنالیز سوخت موثر بر آنالیز روغن که با عنوان عناصر فلزی حاصل فرسایش شناخته می شوند

نکته مهم در استناد به جدول 2 آن است که مقادیر نشان داده شده بعنوان محدوده پذیرش (ستون آخر از سمت راست) شامل مقادیری است که در نتایج آنالیز روغن قابل مشاهده است. بنابراین، در تطبیق نتایج آنالیز سوخت با آنالیز روغن موتور، خروج مقادیر این عناصر فلزی در نتایج آنالیز روغن موتور از این محدوده باید مورد توجه قرار گیرد.

- عناصر فلزی آلاینده [12]: عناصر آلاینده آن بخشی از عناصر فلزی حاضر در ترکیب شیمیایی انواع سوخت هستند که بدلایلی چون نقص عملکرد آببندهای موجود در ساختار موتورهای درونسوز به جریان روغن موتور راه می یابند [19]. این عناصر آلاینده فلزی شامل نیکل (Ni)، وانادیوم (V) [20,22]، آلومینیوم (Al)، منیزیم (Mg)، و سیلیسیم (Si) [9] هستند. عناصر نیکل و وانادیوم در ترکیب شیمیایی برخی از سوخت ها مانند مازوت  به فراوانی یافت شده [20-21,23] و در صورتیکه در تولید گازوییل و بنزین از فرآیند کراکینگ کاتالیزوری استفاده شده باشد، احتمال وجود مقادیر معتنابهی از آلومینیوم، منیزیم، و سیلیسیم در نتایج آنالیز عناصر آن بالا می رود [9]. بنابراین، هرگونه خروج از محدوده قابل پذیرش برای این پنج عنصر اغلب فلزی (نیکل، وانادیوم، آلومینیوم، منیزیم، و سیلیسیم) در نتایج آنالیز روغن موتور می تواند به معنی آلودگی جریان روغن به سوخت تلقی شود.

- عناصر تشکیل دهنده ادتیوها [12]: این عناصر عامدانه و بمنظور بهبود خواص عملکردی روغن های موتوری در ترکیب شیمیایی آنها قرار داده شده [19] و مهمترین آنها که باید در فرآیند تطابق نتایج آنالیز سوخت موثر بر آنالیز روغن موتور بدان توجه شود عنصر گوگرد (S) است. گوگرد یکی از عناصر تشکیل دهنده روغن های پایه مینرال بوده و تقریبا در تمامی روغن های موتوری مینرال یافت می شود. در عین حال، استفاده از گوگرد در ساختار شیمیایی ادتیوهای AW و ضد خوردگی کاملا رواج دارد. حد قابل پذیرش برای عنصر گوگرد (S) در نتایج آنالیز روغن های موتوری در بازه 500 ~ 6000ppm قرار داشته و تغییر آن باید بصورت هارمونیک با عناصری چون کلسیم (Ca) و روی (Zn) باشد [20]. از آنجا که گوگرد یکی از عناصر شاکله انواع سوخت های مینرال محسوب شده و در ساختار آنها به فراوانی یافت می شود، هرگونه خروج این عنصر از بازه فوق و عدم رفتار هارمونیک گوگرد در تناسب با کلسیم و روی می‌تواند فرضیه آلودگی جریان روغن به سوخت را قوت بخشد.

ب-2) آزمون عدد گوگرد

همانطور که بالاتر بیان شد، گوگرد بخش جدایی ناپذیر انواع سوخت ها و روغن های هیدروکربنی محسوب شده و در طول موج های 180.73، 182.04، و 182.62 نانومتر قابل شناسایی در آزمون ICP است [20]. ورود گوگرد سوخت به جریان روغن منجر به پدیده ایی بنام سولفاسیون می شود که ناشی از آلودگی جریان روغن و تمرکز بیش از حد گوگرد در آن بدلیل انحلال سوخت غنی از گوگرد در روغن موتور بوده [19] و پدیده ایی خسارت بار است که منجر به مشکلات خوردگی در ساختار موتور می شود که بیشتر ناشی از تشکیل اسیدهای گوگرددار است [9,2]. حد پذیرش گوگرد در آنالیز روغن های موتوری در بازه 500 ~ 6000ppm قرار می گیرد که نحوه محاسبه آن در بند های 13.2 و 13.3 منبع شماره [24] درج شده است. افزایش عدد گوگرد در آنالیز روغن عمدتا به دو دلیل است: آلودگی سوخت و اکسیداسیون روغن. طی فرآیند احتراق در موتورهای درونسوز، کیفیت احتراق پایین سوخت موجب تولید ترکیبات سولفوردار و نیتروژن دار در محصولات احتراقی خواهد شد که در نهایت، تلفیق شیمیایی این محصولات با ترکیبات هیدراته (آبدار) و اکسیژنه (در حضور حرارت و فشار)، موجب تولید کامپاندهای اسیدی قوی مانند اسید سولفوریک و اسید نیتریک خواهد شد که توسط جریان روغن جمع آوری شده و منجر به اسیدی و خورنده شدن آن می گردند [25,9]. به همین دلیل، مجموعه ایی از ادتیوهای حاوی کامپاندهای قلیایی قوی به ساختار شیمیایی روغن های موتوری اضافه می شوند تا حمله این کامپاند های اسیدی را خنثی کنند. اما، از آنجا که حضور این ترکیبات اسیدی همیشگی و گاه با شدت و ضعف همراه است، مقدار عدد قلیایی روغن (BN) به مرور زمان دچار افت خواهد شد. از سوی دیگر، واکنش دهی کامپاندهای اسیدی و قلیایی موجب تشکیل نمک های معدنی خواهد شد که به مرور و در ترکیب با اسیدهای چرب روغن منجر به تشکیل لجن و وارنیش خواهد شد که به محصولات اکسیداسیون روغن معروف هستند [25]. از آنجا که عدد گوگرد در سوخت تحویلی به تجهیز موجب تحمیل برخی خواص در روغن موتور می گردد، برای مقابله با چنین شرایطی، راهکارهایی از طرف واحد های پایش وضعیت قابل ارائه است. از جمله اینکه در موتورهای ریلی (دیزلی سنگین) به جهت اجتناب از تحمیل خسارت ناشی از گوگرد بالای سوخت، درجه حرارت آب در جدار سیلندر باید بالاتر از 79.5°C نگه داشته شود. این موضوع بدان معنیست که هرگز نباید چنین لکوموتیوهایی را بدون ترموستات (یا با ترموستات معیوب) گرم کرده و راهی سیر کرد. در عین حال، در صورت بالا بودن عدد گوگرد در سوخت تحویلی، باید از کارکرد درجا یا شانتینگ طولانی مدت لکوموتیوها نیز اجتناب کرد [9]. عدد قلیایی (BN) یا عدد قلیایی کل (TBN) یکی از شاخص های بسیار مهم در پایش وضعیت روغن های موتوری محسوب شده [18] و حد پذیرش آن در بازه 5 ~ 15 قرار می گیرد [25]. بدین ترتیب، عدد گوگرد حاصل از آنالیز سوخت باید در تناسب با کاهش مقدار عدد قلیایی روغن موتور (بعنوان یک رفتار تحمیل شده از طرف سوخت) پایش شود.

ب-3) آزمون شمارش ذرات

هدف از این آزمون اندازه گیری سایز و تعداد ذرات جامد معلق در نمونه سوخت و گزارش دهی حضور آنها براساس فرمت ارائه اطلاعات در استاندارد ISO 4406 است [19,26]. هرچند بازه اندازه گیری سایز ذرات از 4 ~ 200µm است [26]، اما گزارش دهی براساس استاندارد ISO 4406 براساس سه سایز 4، 6، و 14µm می باشد که با دو اسلش از یکدیگر جدا شده باشد [19]. در موتورهای دیزل خودرویی، عدم تکمیل چرخه بازتولید سوخت در فیلترها موجب ورود مقدار معتنابهی از سوخت خام به جریان روغن موتور می گردد. ورود سوخت به جریان روغن در موتورهای دریایی، اما، بیشتر ناشی از عدم عملکرد صحیح انژکتورهای سوخترسانی (عمدتا بدلیل نشتی یا اتمیزاسیون نامناسب) است. بدین ترتیب و با ورود حجم مشخصی از سوخت خام و مصرف نشده به جریان روغن، ذرات جامد همراه سوخت که اغلب از جنس گرد و غبار، آلاینده های محیطی، فلزات ساینده، آب، و مایع خنک کننده (ضد یخ، ضد جوش، نالکو، و...) هستند [27]. بنابراین، اطلاع از سایز و تعداد ذرات جامد معلق در سوخت مصرفی موتور از طریق آزمون شمارش ذرات می تواند در تناسب و مقایسه با نتایج گزارش آزمون شمارش ذرات روغن موتور کارکرده تصویر واضحتری از پایش وضعیت روغن موتور بدست دهد.

ب-4) آزمون آب و رسوبات

هرچند تبیین حضور رطوبت و ترکیبات هیدارته در نمونه روغن های موتوری با توسل به آزمون کارل-فیشر معمول است [19]، اما میزان آبدار بودن و به تبع آن رسوبات ناشی از حضور آب در انواع سوخت با استفاده از سانتریفیوژ رواج دارد که برای سوخت های رقیق (مانند بایودیزل) براساس استاندارد ASTM D2719 [28] و برای سوخت های غلیظ (مانند انواع گازوییل) براساس استاندارد ASTM D1796 [29] انجام می‌پذیرد. با وجود تفاوت در روش آزمون، ورود آب و رسوبات همراه سوخت به جریان روغن تغییر مسلمی در رفتار رئولوژیک آن ایجاد می‌کند: تغییر ویسکوزیته. تغییر ویسکوزیته روغن موتور در اثر اختلاط سوخت آنقدر مهم است که بعنوان مثال در موتورهای توربوشارژ بنزینی، ورود سوخت به جریان روغن موتور می تواند تا 30 درصد در افت ویسکوزیته آن موثر باشد [27]. هرچند روش هایی مانند پایش تغییر عناصری چون سدیم (Na) و منیزیم (Mg) در آنالیز عناصر تشکیل دهنده نمونه روغن موتور برای تشخیص بروز آلودگی آب و رسوبات ناشی از آن در جریان روغن های موتوری پیشنهاد شده است [27]، اما، بهترین شاخص برای دستیابی به درک صحیحی از ریسک ورود آب حاضر در نمونه سوخت به جریان روغن های موتوری تغییر ویسکوزیته سینماتیک آن است. بدین ترتیب، در کنار تطبیق نتایج آنالیز سوخت در زمینه میزان حضور آب و رسوبات در سوخت مصرفی، هرگونه تغییر در ویسکوزیته روغن موتور می تواند بعنوان هشداری بر تغییر خواص رئولوژیک آن در نظر گرفته شود. در جدول 3 دو محدوده بحرانی و هشدار برای ویسکوزیته روغن های موتوری ارائه شده است:

جدول 3: محدوده بحرانی و هشداری برای تغییر ویسکوزیته سینماتیک روغن موتور [30]

ج) نتیجه گیری

با توجه به ریسک ترکیب و اختلاط دو سیال عامل جاری در دو مدار سوخترسانی و روغنرسانی موتورهای درونسوز، توجه به خواص برگزیده از ترکیب شیمیایی و آلاینده های محیطی همراه سوخت طی چند آزمون استاندارد می تواند کمک شایانی به ارتقا کیفیت پایش وضعیت روغن های موتوری کند. از میان 10 ردیف آزمونی که برای تعیین سلامت انواع سوخت های موتوری لازم است، 4 آزمون آنالیز عناصر (به تفکیک عناصر درج شده در جدول 2)، عدد گوگرد، شمارش ذرات، و آب و رسوبات حاصل از آن می توانند روی نتایج آنالیز روغن موتور تاثیری بیشتر از سایر آزمون ها داشته باشند. بنابراین، تطبیق نتایج حاصل از این چهار آزمون می تواند در دستیابی به تصویری واضحتر از سلامت روغن موتور با توسل به تکنیک های آنالیز روغن بسیار مفید باشد.

د) منابع و مآخذ:

جهت اطلاع از جزییات منابع استفاده شده در این مقاله، مراجعه به نسخه چاپی این مقاله، چاپ شده در نشریه نگهداری و تعمیرات در صنایع نفت، گاز، و پتروشیمی به آدرس http://www.netsanews.ir توصیه می شود.

مروری بر خطاهای بالقوه آزمون MPC در تشخیص بهنگام اکسیداسیون روغن توربین و بررسی راهکارهای احتراز از آنها

1. مقدمه

 برای اکسیداسیون تعاریف متفاوتی در مهندسی مکانیک ارائه شده است که همگی کم و بیش به یک موضوع و پدیده اشاره دارند. در مباحث آنالیز روغن، اما، اکسیداسیون عبارتست از مورد حمله قرار گرفتن ضعیفترین اجزای حاضر در ساختار شیمیایی سیستم روغن توسط اکسیژن یا هوا. براساس این تعریف، اکسیداسیون در آنالیز روغن بصورت تاثیر پذیری هوا یا اکسیژن روی ضعیفترین بخش از زنجیره شیمیایی سیستم روغن تعریف می شود که هیچ محدودیت زمانی و حرارتی ندارد. در برخی دماهای بالا، حرارت بعنوان یک عامل معین و تسریع کننده فرآیند اکسیداسیون ظاهر می شود (شکل 1). بطوریکه با افزایش دما (مطابق قانون آرنیوس) و در عین حال با حضور عواملی چون آب (ترکیبات هیدراته)، ذرات فلزی جدا شده در اثر فرسایش قطعات و شناور در جریان روغن، و گرد و غبار ناشی از آلودگی های محیطی، شاهد تسریع چند برابری اکسیداسیون در روغن خواهیم بود. اکسیداسیون، در نهایت، موجب تشکیل ترکیبات اسیدی (با اثر تخریبی ناشی از خوردگی روی قطعات فلزی و کهنه کنندگی برخی نافلزات) و وارنیش (بعنوان عاملی برای رسوبات سطحی و افزایش ویسکوزیته جریان روغن) خواهد شد.

وارنیش (با تعریف سنتی آن به عنوان توده ای از رسوبات نامحلول در روغن)، یکی از محصولات شکست زنجیره های هیدروکربنیک روغن بوده و تاثیر مخرب آن بر عملکرد تجهیزات (اعم از فرسایش، انسداد فیلتر، کاهش دبی روغن، تضعیف کارآیی هیتر/کولر روغن و گرفتگی شیرآلات) و اطمینان پذیری آنها به خوبی مطالعه شده است. یکی از راهکار های صنعتی به منظور ارزیابی تمایل بالقوه انواع روغن (به ویژه موتوری و توربینی) به تشکیل وارنیش آزمون MPC  (Membrane Patch Colorimetry ) است [2]. این آزمون که در استاندارد ASTM D7843 تعریف شده است ]2،3،5،7،9[، در ادبیات مهندسی با عناوینی چون VPT  (Varnish Potential Test) و VPA  (Varnish Potential Analysis) نیز شناخته شده [2] و هدف از آن اندازه گیری و نمایش میزان حضور ذرات نامحلول درون نمونه روغن عبوری از فیلتر با توسل به یک پچ رنگی است.

شکل 1: مراحل مختلف فرآیند اکسیداسیون در یک سیستم روغن [1]

رنگ پچ هرچه تیره تر باشد، مقدار شاخص MPC بالاتری را نشان داده و که بمعنی آلایندگی بیشتر نمونه روغن به ذرات نامحلول است. شاخص MPC در چهار رده قابل بیان است: کمتر از 15 (خوب)، بین 15 تا 25 (هشدار)، 25 تا 35 (غیرعادی)، و بالاتر از 35 (بحرانی) [3].

شکل 2: رده بندی رنگ های مختلف پچ در آزمون MPC [2]

آزمون MPC یکی از شش آزمون اصلی تشخیص اکسیداسیون در روغن های توربینی بشمار رفته و معمولا مقدار شاخص بالاتر از 20 آن نیازمند اقدام اصلاحی یا بازرسی توربین است [4]. از دیدگاه کلی، افزایش شاخص MPC که گاه با ΔE نشان داده می شود (شکل 3) بدان معنیست که روغن مورد تست پتانسیل بالاتری برای تشکیل وارنیش داشته و تاثیر بیشتری از اکسیداسیون گرفته است [2,3]. اما، همیشه این طور نیست.

شکل 3: نموداری از نتایج MPC نمونه های مختلف از مخزن روغن یک توربین گاز برحسب تاریخ نمونه گیری [2]

در حالت کلی، دو نوع رسوب در برینگ های توربینی قابل تشکیل است: رسوبات ناشی از فرآیند اکسیداسیون که به وارنیش سرد معروفند و رسوبات ناشی از اعمال تنش برشی به روغن توربین که به وارنیش داغ موسومند. آزمون MPC در حالت سنتی آن قادر به تشخیص وارنیش های داغ نیست و در این زمینه نمی توان از آن انتظار هشدار داشت. بهترین راه برای تشخیص تشکیل وارنیش داغ در برینگ های توربینی کنترل منظم دمای پوسته برینگ ها و رفتار ارتعاشی آنهاست [5]. چراکه هر عیبی که در قطعات دوار رخ دهد به دو صورت نمایان می گردد:

- افزایش دمای برینگ ها؛ و

- ارتعاش [6]

2. خطاهای آزمون MPC

امروزه، این واقعیت به امری کاملا پذیرفته شده در میان متخصصین آنالیز روغن بدل شده است که حتی تجهیزات و سیستم هایی که مقادیر MPC اندکی از خود نشان می دهند، می توانند طی یک بازرسی چشمی ساده، رسوبات شدیدی در مدار روغنرسانی خود داشته باشند. بنابراین، عنوان Varnish Potential نمی تواند اطلاق صحیحی برای این آزمون باشد. این سناریو وقتی خطرآفرین می شود که تنش های حرارتی شدید و موضعی در کار باشد. مثل یک برینگ که در شرایط کاری داغ کار می کند. در چنین حالتی، وارنیش حاصل از تنش برشی روغن توربین (موسوم به وارنیش داغ [5]) تمامی هندسه برینگ را احاطه کرده و داخل جریان روغن نمی شود. بنابراین، آزمون MPC ذاتا نمی تواند آن را تشخیص دهد. چراکه این آزمون برای تشخیص وارنیش حاصل از فرآیند اکسیداسیون روغن (موسوم به وارنیش سرد [5]) طراحی شده است.

حالت دیگری که رواج زیادی نیز دارد، وقتی است که سرعت رسوب ذرات نامحلول در جریان روغن تقریبا برابر با سرعت تشکیل فیلم وارنیش باشد. در چنین حالتی، آزمون MPC نتایجی کاملا پایدار و بدون تغییرات شدید را از خود به نمایش می گذارد. مثلا اگر نتایج آزمون MPC کمتر از 10 باشد (همانطور که در شکل 3 مشهود است)، تغییر شدیدی در طول زمان حاصل نخواهد شد و مسلما این به معنی عدم تشکیل وارنیش در سیستم روغن نیست. از این رو، تکیه تنها و صرف به شاخص های عددی MPC می تواند گمراه کننده بوده و منجر به اخذ تصمیمات هزینه زا، غیردقیق، و ناموثر در نگهداری و تعمیرات تجهیز شود [2].

3. راهکار های احتراز از خطا در تفسیر نتایج آزمون

بمنظور احتراز از بروز خطا در تفسیر اطلاعات حاصل از آزمون MPC راهکارهایی پیشنهاد شده است که ذیلا به اختصار معرفی شده اند:

-  روش CPA یا Calorimetric Patch Analyzer: این روش که در سال 2018 پیشنهاد شد، مبتنی بر آنالیز رنگ سنجی پچ های حاصل از آزمون MPC با تاکید بر عملکرد سیستم روغن تحت حرارت است. چراکه برخی ترکیبات نامحلول در روغن توربین می توانند در اثر حرارت به حالت محلول درآمده و نتایج آزمون MPC را دستخوش خطا کنند. در این روش، رنگ آلاینده های روغن با توسل به فضای رنگی RGB آنالیز و تفسیر شده و شامل اندازه گیری رنگ موجود در طیف نور بازتابیده از سطح پچ MPC و مقایسه این طیف رنگی نور با رنگ مقیاس نشان دهنده هر یک از آلاینده های حاضر در روغن های توربینی (اعم از ذرات جامد نرم یا سخت، وارنیش، لجن، و...) است [3,8]. مطالعات اخیر نشان داده است که روش CPA در ترکیب با TOST  خشک یا dry Turbine Oxidation Stability Test می تواند منجر به تشخیص زودهنگام فرآیند اکسیداسیون روغن های توربینی از طریق شناسایی تغییرات حاصله در شاخص RPVOT یا Rotating Pressure Vessel Oxidation Test شود [8].

- آزمون شمارش ذرات یا Particle Counting: این آزمون بویژه برای روغن های توربینی مناسب است. امروزه، بیشتر آزمایشگاه ها برای شمارش ذرات معلق در نمونه های روغن از شمارشگرهای لیزری براساس استاندارد ISO 4406 استفاده می کنند. در این استاندارد، تنها ذراتی شایسته شمارش قرار داده می شوند که اندازه ای بزرگتر از 4 میکرون داشته باشند [2,7]. مطالعات میدانی حاکی از آن است که آلودگی شدید به ذرات معلق در نمونه های روغن توربین می تواند خطاهای شدیدی را در نتایج MPC ایجاد کند. واضح است که محاسبه شاخص R و جداسازی ذرات آلاینده نامحلول در روغن از نتایج MPC می تواند کمک بزرگی برای افزایش دقت نتایج حاصل از آزمون MPC باشد. شاخص R بصورت زیر محاسبه می شود:

که در رابطه فوق، X شاخص وارنیش نامحلول در روغن است. در صورتیکه R کمتر از 15 باشد، شرایط روغن توربین قابل قبول است. در صورتیکه مقدار R در بازه 15 تا 30 قرار گیرد، روغن توربین باید تحت نظارت دایمی قرار گیرد. مقدار R بزرگتر از 30 نیز به معنی آن است که روغن توربین در شرایط بحرانی بوده و هر چه سریعتر باید اقدام اصلاحی در مورد آن صورت پذیرد. بعنوان مقایسه و مثال، دو شکل 4 و 5 را ببینید. این دو شکل، نتایج حاصل از آزمون MPC و محاسبه شاخص X را برای دو نمونه از روغن های توربین گازی، یکی واقع در یک مجتمع پتروشیمی (شکل 4) و یکی دیگر واقع در یک نیروگاه (شکل 5) را نشان می دهند.

شکل 4: نتایج آزمون MPC و شاخص X روغن توربین گازی پتروشیمیایی [2]

شکل 5: نتایج آزمون MPC و شاخص X روغن توربین گازی نیروگاهی [2]

هرچند نتایج آزمون MPC بیانگر آنست که هر دو روغن توربین گازی شکل های 4 و 5 در شرایط خوبی قرار ندارند، اما، محاسبه شاخص R نشاندهنده این حقیقت است که روغن توربین نیروگاهی شایسته توجه بیشتر و اقدام اصلاحی فوری است. حال آنکه برای روغن توربین گازی نصب شده در پتروشیمی هنوز وقت هست.

-  آزمون UC یا Ultra-Centrifuge: در این آزمون (که برای تشخیص وارنیش سرد مناسب است [5]) ، مقدار اندکی از روغن در یک لوله تست قرار داده شده و بمدت 30 دقیقه در یک سانتریفیوژ با سرعت 18,000rpm چرخانده می شود. پس از آزمون و قرار گرفتن نمونه روغن در معرض شتاب گرانش عادی، ذرات نامحلول روغن که قبلا برای تشخیص داده شدن بوسیله آزمون شمارش ذرات خیلی ریز و کوچک بودند، ته نشین شده و از طریق یک فیلتر ساده قابل جمع آوری و مشاهده زیر میکروسکوپ خواهند بود. از اینجا به بعد، می توان دانسیته این ذرات جمع و کلوخه شده را با یک مقیاس مناسب اندازه گیری و مقایسه کرد و در یک سیستم درجه بندی برای مقدار UC از 1 تا 8 جای داد. اگر مقدار UC از 4 فراتر رفت، روغن وارد مرز هشدار شده است.

- شمارش ذرات زیر میکروسکوپ یا Microscopic Particle Count: از آنجایی که اندازه ذرات نرم تشکیل دهنده وارنیش زیر یک میکرون است، بنابراین، می توان با توسل به تکنیک هایی چون شمارش ذرات زیر میکروسکوپ، اندازه های غیرعادی و بزرگ شدن ذرات کشف شده زیر میکروسکوپ را بعنوان عاملی برای هشدار به مالک تجهیز تلقی کرد [2].

4. نتیجه‌گیری

اکسیداسیون روغن های توربینی بعنوان یکی از مهمترین عوامل خرابی در توربین های نیروگاهی و پتروشیمیایی تلقی می شود. چراکه محصولات این فرآیند می توانند از طریق رسوب در اجزای متحرکی مانند برینگ ها موجبات ایراد خسارت متنوعی بر مالک تجهیز را فراهم آورند. رسوبات قابل تشکیل در برینگ های توربینی بر دو دسته قابل تقسیمند که شامل وارنیش داغ (حاصل از تحمل تنش برشی در روغن توربین) و وارنیش سرد (حاصل اکسیداسیون روغن توربین) شده و از آن میان با توسل به آزمون هایی مانند MPC و UC تنها می توان به خطر بروز تشکیل یک نوع از آنها (وارنیش سرد) پی برد. آزمون MPC دارای خطاهای ذاتی در نحوه اندازه گیری و هشدار رسوب محصولات اکسیداسیون در فیلم روغن یک توربین است و صرف اتکا به نتایج آن می تواند خسارت بار باشد. از این رو، شایسته است در کنار این آزمون کارآمد، از روش هایی مانند CPA، شمارش ذرات، و UC نیز استفاده کرد تا به دید روشنتری از وضعیت توربین دست یافت.

5. منابع و مآخذ

جهت اطلاع از جزییات منابع استفاده شده در این مقاله، مراجعه به نسخه چاپی این مقاله، چاپ شده در نشریه نگهداری و تعمیرات در صنایع نفت، گاز، و پتروشیمی به آدرس http://www.netsanews.ir توصیه می شود.

مقدمه ای بر ادتیوهای روغن و گریس: بخش سوم؛ بهبودبخش های شاخص ویسکوزیته

در بخش های اول و دوم این سلسله مقالات که به ترتیب به معرفی ادتیوهای آنتی اکسیدان و سپس به ادتیوهای بازدارنده خوردگی اختصاص داشت، به معرفی انواع ادتیوهای آنتی اکسیدان و بازدارنده های خوردگی مصرفی در روغن ها و گریس های صنعتی به همراه انواع آزمون ها و استاندارد های ناظر بر آنها پرداختیم. در بخش سوم این سلسله از مقالات در رابطه با ادتیوها، به معرفی انواع ادتیوهای بهبودبخش های شاخص ویسکوزیته در انواع روغن ها و گریس های صنعتی خواهیم پرداخت.

جهت دسترسی به بخش های اول و دوم این سلسله مقالات روی لینک های زیر کلیک کنید:

-  بخش آنتی اکسیدان ها (بخش اول)

- بخش بازدارندگی های خوردگی (بخش دوم)

2.3 بهبودبخش های شاخص ویسکوزیته[1]:

هرچند قبلا در مورد شاخص ویسکوزیته روغن در مقاله «اندیس (شاخص) ویسکوزیته چیست؟» و واکنش یک سیستم روغن به حرارت در مقاله «اثر دما بر ویسکوزیته روغن» در وبلاگ دانش روغنکاری (لوبریکا) صحبت شده است، اما در مورد شاخص ویسکوزیته یک روغن و مکانیزم بهبود آن در این مقاله نیز توضیحات مختصری تقدیم خواهد شد.

یکی از خصیصه های خوب روغن های مینرال را می توان عملکرد خوب آنها در سرما دانست. اما، همین روغن ها اثربخشی خود را در گرما بدلیل ضعف در تشکیل فیلم روغنرسانی در اثر افت ویسکوزیته (مشخصا در رژیم روغنرسانی EHL) از دست می دهند [5,58]. این موضوع در مورد روغن های موتوری (مخصوصا روغن های موتوری چهارفصلی مانند SAE 5W30 و SAE 15W40 [2]) اهمیت زیادی پیدا می کند. چراکه روغن موتور نیازمند حفظ سطح مشخص و با ثباتی از ویسکوزیته خود بمنظور ایجاد حائل بین قطعات فلزی موتور در دمای بالا و، در عین حال، کاهش تاخیر در روغنرسانی[2] در سرما (با هدف کاهش فرسایش و صرفه جویی در مصرف سوخت در دماهای پایین [2]) است. روغن های مصرفی در موتورهای دیزل سنگین بازه دمای کاری وسیعی دارند که می تواند از چند درجه زیر صفر تا چندین درجه بالاتر از 100°C را شامل شود [20]. گذشته از روغن موتور، بهبودبخش های شاخص ویسکوزیته در روغن های هیدرولیک با کیفیت و روغن های گیربکسی نیز بمنظور بهبود روغنرسانی در دماهای پایین یا Cold Start تجهیز صاحب کاربرد هستند [2,12]. بطورکلی، در روغن های موتوری مهندسین نفت و شیمیدان ها بدنبال برآورده سازی دو هدف هستند:

الف) تامین غلظت کافی بمنظور حفظ ضخامت فیلم روغن در دماهای بالا؛ و

ب) تامین روانی لازم بمنظور حرکت سریع روغن از کارتل بسمت موتور و بازگشت بدان در دماهای پایین

دو مشخصه فوق با توسل به بهبودبخش های شاخص ویسکوزیته حاصل می شود. در این میان، اما، حساب روغن های سینتتیک از مینرال ها جداست. چراکه این تیپ از روغن های موتوری کمتر نیازمند چنین ادتیوهایی هستند، چون شاخص ویسکوزیته سینتتیک ها ذاتا بالاست [62].

با توجه به اهمیت موارد فوق، وجود شاخصی محاسباتی که تغییرات ویسکوزیته یک روغن را بصورت تابعی از دما نشان دهند لازم و ضروری است [58]. شاخص ویسکوزیته (VI) یکی از بهترین معیارها برای تعیین شدت تغییرات ویسکوزیته یک سیال در واکنش به تغییرات دما محسوب می شود. به دیگر سخن، هرچه VI آن سیال بالاتر باشد، شدت واکنش آن روغن در برابر تغییرات دما کمتر خواهد شد [4,43,57,58,62]. اما، عددی که بعنوان شاخص ویسکوزیته یک روغن مطرح می شود بستگی تام به کیفیت نفتی دارد که آن روغن از آن استحصال شده است. بعنوان مثال، شاخص ویسکوزیته روغن های پایه مینرال معمول بین 80 تا 120 می ایستد. حال آنکه این عدد در مورد برش حلال های پارافینیک اروپای مرکزی حول و حوش 100 خواهد بود [4]. اینجاست که «بهبودبخش های شاخص ویسکوزیته یا VI Improvers» [2,20,30,43,56,57,58,59,60,62] که با عنوان «تعدیلگرهای ویسکوزیته یا Viscosity Modifiers» [3,4,5,12,57,66] نیز شناخته می شوند وارد داستان می شوند. هدف از این دسته از ادتیوها افزایش ویسکوزیته یک سیستم روغن در سراسر بازه دمای کاری آن [57] یا به نوعی، کاهش وابستگی ویسکوزیته یک سیستم روغن به افزایش یا کاهش دماست [60].

2.3.1 بهبودبخش های شاخص ویسکوزیته چیستند؟

بالاتر گفتیم که بهبودبخش های شاخص ویسکوزیته به دسته ای از ادتیوهای روغن و گریس تعلق دارند که روی خواص رئولوژیک (مشخصا ویسکوزیته) تاثیرگذارند؛ بدون اینکه سایر خواص آن، اعم از پمپ پذیری، جاری شدن در سرما، و پایداری حرارتی و شیمیایی، را دگرگون کنند [12]. در عین حال، به این نتیجه رسیدیم که تغییر ویسکوزیته نسبت به دما در روغن های با VI بالا نسبت به روغن هایی با VI پایین از شدت کمتری برخوردار است. چراکه روغن های با VI بالا پلیمرهایی ارگانیک در ترکیب شیمیایی خود دارند که عموما کوپلیمرهایی با ساختار خطی، غیربلوری، یا نامنظم (آتاکسی) و محلول در روغن [12] بوده و از خانواده پلی آلکیل اکریلات ها[3]، پلی اُلفین ها[4]، یا پلی استایرن ها[5] هستند [59]. بهبودبخش های شاخص ویسکوزیته به گروهی از ترکیبات شیمیایی در حوزه روانکاری تعلق دارند که با عنوان «ادتیوهای کنترل ویسکوزیته» شناخته شده و شامل بهبودبخش های شاخص ویسکوزیته (موضوع همین بخش از مقاله) و کاهنده های نقطه ریزش (PPD[6]ها که در بخش بعدی این مقاله بدان پرداخته خواهد شد) هستند [3]. درباره وزن ملکولی این دسته از پلیمرها، با توجه به گستردگی و تنوع ساختاری آنها، روایت های بشدت متفاوتی در منابع مختلف درج شده است که از آن جمله می توان به 2,000~250,000 gr/mol [4]، 10,000~150,000 gr/mol [5]، 5,000~2,000,000 gr/mol [12]، 10,000~20,000 gr/mol [20]، 5,000~850,000 gr/mol [58]، و 83,000~159,000 gr/mol [59] اشاره کرد. لذا، در این مقاله، گسترده ترین بازه که شامل 2,000~2,000,000 gr/mol است، بعنوان بازه تغییرات وزن ملکولی پلیمرهای مصرفی در نقش بهبودبخش شاخص ویسکوزیته در نظر گرفته می شود.

2.3.2 وزن ملکولی پلیمر

روغن های موتوری، طی مسیر خود در مدار روغنرسانی و بمنظور روانکاری اجزای مختلف موتور، در معرض نیروهای برشی قرار می گیرند که از توانایی لازم برای شکستن برخی از پیوندهای شیمیایی این پلیمرها برخوردارند. در صورت بروز چنین اتفاقی، وزن ملکولی پلیمر تشکیل دهنده بهبودبخش های VI کاهش خواهد یافت و از اثربخشی این گروه از ادتیوها کاسته خواهد شد [59] و این به معنی آنست که روغن موتور کمتر قادر به حفظ ویسکوزیته خود در دماهای بالا خواهد بود [57].

شکل 30: نحوه اعمال نیروهای برشی به ذرات پلیمر روغن در فضای بین دو قطعه مکانیکی [58]

مطالعات انجام شده در این زمینه نشان می دهند که وزن ملکولی بالاتر در پلیمرها منجر به توانایی بیشتر آنها در حفظ ویسکوزیته روغن می شود. اما، این توانایی بیشتر به کاهش مقاومت آنها در برابر نیروهای برشی می انجامد. از آنسو، پلیمرهایی که وزن ملکولی کمتری داشته باشند مقاومت بیشتری در برابر نیروهای برشی از خود نشان داده، اما در حفظ ویسکوزیته روغن در دماهای بالا چندان موثر عمل نمی کنند [57].

بعنوان مثال، روغن هایی که حاوی پلیمرهای PMA (پلی آلکیل متاکریلات) و PIB (پلی ایزوبوتیلن) با وزن ملکولی کمتر از 20,000 gr/mol باشند، کمترین مقاومت به برش را از خود طی تست KRL نشان دادند [58]. مقایسه ای از میزان تاثیر وزن ملکولی بر زمان برش در تقابل با افت ویسکوزیته روغن را می توان در نمودار شکل 31 مشاهده کرد.

شکل 31: تاثیر وزن ملکولی پلیمر تشکیل دهنده ادتیوهای بهبودبخش VI بر مقاومت آن به برش در قبال افت ویسکوزیته سیستم روغن [5]

از این رو، بازدهی غلظت بخشی[7] و پایداری برشی[8] را می توان بعنوان دو عامل مهم در انتخاب یک پلیمر بعنوان عنصر اصلی تشکیل دهنده یک تعدیلگر ویسکوزیته معرفی کرد. بازدهی یک پلیمر در غلظت بخشی به سیستم روغن تابع مستقیم وزن ملکولی آن پلیمر (یا به بیان دقیقتر: طول زنجیره اصلی پلیمر) است. بدین ترتیب، هرچه زنجیره اصلی[9] بلندتر باشد، بازدهی غلظت بخشی نیز بالاتر خواهد بود [5]. اما، این رابطه خطی نیست و همانطور که در شکل 32 نشان داده شده است، از یک مقداری به بعد، دیگر افزایش وزن ملکولی به معنای افزایش غلظت بخشی پلیمر نخواهد بود.

شکل 32: تاثیر وزن ملکولی پلیمر بر غلظت بخشی ادتیو حاصل از آن در سیستم روغن [5]

پایداری برشی عامل مهم دیگریست که در افت ویسکوزیته یک سیستم روغن تاثیرگذار است. افت ویسکوزیته در یک سیستم روغن با ویسکوزیته اصلاح شده می تواند در اثر عوامل مخرب مکانیکی، حرارتی، و اکسیداسیون پلیمرهای تشکیل دهنده ادتیو های بهبودبخش VI آن به وقوع بپیوندد. برخلاف روغن های مینرال که اغلب رفتاری نیوتنی در رئولوژی خود دارند، روغن هایی که غلظت آنها با توسل به انواع پلیمر بهبود یافته باشد، در رئولوژی خود رفتاری ویسکوالاستیک نشان می دهند. این بدان معنیست که ویسکوزیته آنها تنها به درجه حرارت وابسته نیست و با تغییر میزان تنش مکانیکی (یا به بیان بهتر: برش) تغییر می کند. بدین ترتیب، وقتی روغن هایی که در ساختار شیمیایی خود از بهبودبخش های VI بهره می برند تحت مقدار کافی از تنش برشی قرار گیرند، ویسکوزیته آنها آنقدر کاهش می یابد تا با ویسکوزیته روغن عاری از آن پلیمر همسنگ شود [5].

2.3.3 تنش برشی

عموما، تنش برشی در تجهیزاتی به جریان عبوری روغن تحمیل می شود که از اجزای مکانیکی تداخل و تودرتو تشکیل شده باشند که از آن جمله می توان به ژورنال برینگ ها، پمپ های تیغه ای (پره ای) و دنده ای اشاره کرد. سرعت حرکت نسبی سطوح جامد نیز عامل دیگریست که روی نرخ برش تحمیلی به جریان روغن، و لذا، ویسکوزیته آن تاثیرگذار است [5]. شکل 33 این رابطه را در مورد روغن موتور بخوبی نشان می دهد.

 

شکل 33: اثر نرخ برش بر ویسکوزیته روغن در بخش های مختلف موتور [5]

همانطور که در شکل 33 نشان داده شده است، هرچه نرخ برش بالاتر رود، افت ویسکوزیته نیز بیشتر خواهد بود. رینگ های پیستون نرخ برش پایینی دارند؛ از این رو، روغنرسانی به این قطعات از موتور افت ویسکوزیته اندکی را در بر خواهد داشت. درست برعکس، برینگ های میله ای که از نرخ برشی بالایی برخوردارند افت ویسکوزیته شدیدی را به روغن عبوری تحمیل می کنند.

افت ویسکوزیته می تواند موقت یا دائمی باشد [5,66]؛ بدین ترتیب که: اگر کاهش ویسکوزیته به مجرد رفع تنش خنثی شود و ویسکوزیته روغن به مقدار معمول بازگردد، شاهد افت ویسکوزیته موقت در سیستم روغن هستیم که ناشی از تغییر شکل بازگشت پذیر ذرات پلیمر تحت اثر نیروهای برشی است. افت ویسکوزیته موقت (که بدلیل جهت گیری جریان روغن رخ می دهد [66]) پدیده ای مطلوب است؛ چراکه موجب کاهش اتلاف ناشی از سفتی روغن در دماهای پایین شده و به صرفه جویی سوخت کمک می کند. اما، اگر پس از رفع نیروهای برشی از جریان روغن، مقدار ویسکوزیته به حالت قبل بازگشت، شاهد افت ویسکوزیته دائمی هستیم. شرط وقوع این پدیده (که بیشتر در روغن های با ویسکوزیته بهبود یافته رخ می دهد) آنست که پلیمر تشکیل دهنده ادتیو بهبودبخش VI در اثر اعمال برش شکسته [5,66] و به زنجیره های ملکولی سبکتر تقسیم شود. وقوع این پدیده نشانه مطلوبی نیست؛ چراکه نشاندهنده آن است که سیستم روغن قابلیت حفظ ویسکوزیته خود را از دست داده است.

با این تفاسیر، افت ویسکوزیته یک سیستم روغن (چه دائم و چه موقت) به پایداری برشی بهبودبخش ویسکوزیته پلیمری آن وابسته است که خود تابعیست از وزن ملکولی یا به بیان دقیقتر: طول زنجیره اصلی پلیمر. خلاصه ای از این روابط در شکل 34 نشان داده شده است [5]:

 

شکل 34: تاثیر وزن ملکولی پلیمر بر پایداری برشی ادتیو حاصل از آن در سیستم روغن [5]

پلیمرهای با وزن ملکولی بیشتر نسبت به انواع سبک وزن در برابر اعمال نیروهای برشی حساس بوده و ویسکوزیته خود را زود و آسان از دست می دهند. لذا، عجیب نیست که روانکارهایی با ویسکوزیته اصلاح شده با توسل به پلیمرهای سبک وزن تمایل بیشتری به حفظ ویسکوزیته خود در بازه مطلوب داشته باشند. مشکل افت ویسکوزیته در اثر اعمال نیروهای برشی، البته، به دو طریق قابل حل است: قرار دادن پلیمر با وزن ملکولی بالا در حالت پیش-برش  قبل از بلندینگ؛ یا رفتن به سراغ پلیمری با استحکام برشی بیشتر.

اینجاست که موضوع پایداری برشی در یک سیستم روغن مطرح می شود که، بنا به تعریف، عبارتست از قابلیت یک روانکار در حفظ ویسکوزیته تحت اثر برش؛ با تاکید بر مقاومت به افت ویسکوزیته دائم [3,5]. پایداری برشی یک پلیمر با وزن ملکولی آن رابطه عکس دارد؛ یعنی: هرچه وزن ملکولی پلیمر پایینتر باشد، پایداری برشی آن بالاتر خواهد بود [5]. پایداری برشی بصورت شاخصی قابل محاسبه از درصد افت ویسکوزیته روغنی که با یک پلیمر خاص غلظت بخشی شده باشد، قابل بیان است:

در معادله 1:

- SSI: شاخص پایداری برشی (بدون واحد)؛

- Vi: ویسکوزیته اولیه روانکار دارای ادتیو بهبودبخش ویسکوزیته، برحسب cSt؛

- Vf: ویسکوزیته نهایی (ویسکوزیته پس از برش) روانکار دارای ادتیو بهبودبخش ویسکوزیته، برحسب cSt؛

- Vo: ویسکوزیته روانکار عاری از ادتیو بهبودبخش ویسکوزیته، برحسب cSt؛ و

- T: دمایی که در آن ویسکوزیته های Vi، Vf، و Vo اندازه گیری شده اند، برحسب °C

محدوده مجاز برای SSI با توجه به ساختار شیمیایی و شرایط محیط روانکاری متفاوت است. بعنوان مثال، روغن های موتوری بیشتر در رژیم هیدرودینامیک به اجزای موتور روغنرسانی می کنند؛ بنابراین، لزومی به پایداری برشی بالا ندارند. از آنسو، روغن های گیربکسی عموما در رژیم روغنرسانی مرزی عمل می کنند و از این رو نیازمند پایداری برشی بالایی هستند [5]. شکل 35 را ببینید.

ارتباط بین وزن ملکولی پلیمر و کارآیی آن در بهبود ویسکوزیته سیستم روغن، و در عین حال، رابطه مابین وزن ملکولی پلیمر و پایداری برشی آن در شکل 35 نمایش داده شده است. در این نمودار، «نسبت ویسکوزیته ویژه» یا ، بعنوان معیاری از وزن ملکولی پلیمر ظاهر می شود. چراکه ویسکوزیته سیستم روغن تغلیظ شده با پلیمر مستقیما به وزن ملکولی آن پلیمر وابسته است. همانگونه که در شکل 35 هویداست، هر دو معیار «حساسیت برشی» و «کارآیی ادتیو در بهبود ویسکوزیته» با وزن ملکولی پلیمر (یا «نسبت ویسکوزیته ویژه») نسبت مستقیم دارند. بدین ترتیب، هرچه حساسیت برشی بالاتر رود، پایداری برشی کاهش خواهد یافت [5].

شکل 35: شاخص پایداری برشی در انواع مختلف روغن [5]

 

شکل 36: نمایه ای از تاثیر «ویسکوزیته ویژه» بر ویسکوزیته سیستم روغن و پایداری برشی آن [5]

می دانیم که با افزایش دما، ویسکوزیته روغن کاهش می یابد. اما، در صورتیکه نیازمند آن باشیم که ویسکوزیته روغن بعنوان یک سیستم شیمیایی حلال در یک نقطه دمایی خاص کاهش نیافته و حتی افزایش یابد، ناچار از انحلال پلیمرهایی در آن هستیم تا ضمن افزایش ویسکوزیته، تنش برشی آن سیستم روغن نیز افزایش یابد. این بهبود ویسکوزیته به همراه تنش برشی یک سیستم روغن در اثر انحلال یک پلیمر خاص با ویسکوزیته ویژه یا Specific Viscosity بیان می شود [12]. ویسکوزیته ویژه که با  نشان داده می شود، بنا به تعریف، عبارتست از ویسکوزیته مطلق یک مایع (در اینجا: روغن) در تناسب با ویسکوزیته مطلق آب در همان نقطه دمایی [5] که در حالت عادی بدون بعد بوده و از معادله زیر قابل محاسبه است:

که در معادله (2):

- : ویسکوزیته محلول (روغن/پلیمر) [3,64,69]

- : ویسکوزیته حلال (در اینجا: روغن) [3,64]

- : ویسکوزیته نسبی که بصورت  تعریف می شود [3, 64,68,69]

نسبت ویسکوزیته یا  از رابطه زیر موسوم به معادله هاگینز (Huggins) قابل محاسبه است:

که در معادله (3):

- : نسبت ویسکوزیته ویژه که در بازه ایی از غلظت پلیمر محلول در روغن (C) اندازه گیری شده و با واحد اندازه گیری cm³/gr بیان می شود [5]؛

- : ویسکوزیته ذاتی یا Intrinsic Viscosity با واحد اندازه گیری dL/gr [68]؛

- k: ثابت هاگینز که بصورت عددی ثابت برای یک سری از پلیمرها با اوزان ملکولی متفاوت در یک حلال مفروض (روغن) تعریف می شود [69]. مقدار k بستگی به قدرت و کیفیت حلال داشته و از تقریبا 0.3 برای حلال های خوب قوی تا 1.0 برای حلال های ضعیف متغیر است [70]

با اینحال، برخی منابع ویسکوزیته ذاتی یا  را معیار دقیقتر و بهتری برای تعیین میزان بهبود ویسکوزیته و تنش برشی یک محلول روغن/پلیمر در یک نقطه دمایی خاص می دانند [12]. این دیدگاه از معادله (3) برمی آید؛ چراکه برای یک سیستم مشخص از روغن، C و  اعداد ثابتی بوده و نحوه تغییر ویسکوزیته محلول یا  مستقیما براساس  ویسکوزیته ذاتی تعیین می شود [3]. در واقع، پلیمر محلول در روغن بعنوان یک تغلیظ کننده محلول عمل کرده و قدرت غلظت بخشی آن با ماهیت برهمکنش روغن/پلیمر ارتباط مستقیم داشته و به نوع پلیمر و ترکیب شیمیایی روغن پایه وابسته است. طی برهمکنش روغن/پلیمر، با فرض قدرت کافی و کیفیت وافی روغن در انحلال آن پلیمر، زنجیره های تشکیل دهنده پلیمر با ورغن واکنش داده و در اثر انحلال صاف و مستقیم می شوند. بدین ترتیب، خوشه های پلیمر از هم باز شده، از دانسیته آنها کاسته شده، و در نتیجه ویسکوزیته ذاتی سیستم روغن (بعنوان معیاری از سهم پلیمر در تعیین ویسکوزیته محلول [68]) افزایش می یابد [12]. شکل 37 را ببنید.

 

شکل 37: شماتیکی از ارتباط کیفیت حلال، دما، و گستردگی خوشه های پلیمر در اثر برهمکنش این دو متغیر [5,20,56,64,68,73,76]

این افزایش ویسکوزیته ذاتی با معادله زیر قابل بیان است:

در معادله (4) که صورتی از معادله انیشیتن بمنظور تعیین ویسکوزیته نسبی است،  دانسیته معادل خوشه پلیمر تحت شرایط محدود است. بدیگر سخن،  بیانگر دانسیته شکل کروی ذرات پلیمر محلول در روغن است [12]. چراکه فرض انیشتین در سال 1905 بر کروی بودن شکل این ذرات بود. حال آنکه تحقیقات بعدی تصحیحاتی بر این فرض انیشتین اعمال کرد [71]. البته رابطه تجربی دیگری موسوم به رابطه اشتادینگر (Staudinger) بمنظور محاسبه ویسکوزیته ذاتی پیشنهاد شده است:

که در معادله اشتادینگر (شماره 5)، K و a اعداد ثابتی هستند که از رسم نمودار لگاریتم مضاعف ویسکوزیته ذاتی برحسب وزن ملکولی (M) برای هر پلیمر تعریف می شوند [69]. جدول 8 اطلاعات بیشتری ارائه می کند:

جدول 8: تاثیر پلیمرهای مختلف و برایت استاک بر کیفیت حفظ ویسکوزیته یک روغن پایه [12]

همانگونه که در جدول 8 نیز هویداست، هم توانایی بهبود ویسکوزیته یک پلیمر محلول در روغن و هم حساسیت آن محلول به برش با افزایش وزن ملکولی آن پلیمر بالا رفته و منجر به افزایش ویسکوزیته ویژه  می شوند. چراکه حساسیت برشی بالاتر موجب پایداری برشی کمتر می شود [5].

2.3.4 انواع بهبودبخش های شاخص ویسکوزیته

بهبودبخش های شاخص ویسکوزیته به دو گروه اصلی بخش پذیرند:

الف) پلیمرهای الفین-پایه؛ شامل کوپلیمرهای الفینی (OCPها [3,4,5,30,64])، پلی ایزوبوتیلن ها (PIBها [4,64])، و کوپلیمرهای استایرن-دیِن هیدروژنه، که این مورد اخیر با عبارات گوناگونی چون SBR [4]، STD [5]، و HSD [30,64]، مشخص شده و شامل گروه استایرن-ایزوپرن ها (SIPها [4,5,30]) نیز می شوند.

ب) پلیمرهای استر-دار؛ شامل خانواده پلی متاکریلات ها (PMAها)، و پلیمرهای استایرن-استر (SEها [5] یا SPEها [30])

شکل 38 نمایه ایی از این بخش پذیری را به نمایش گذاشته است:

شکل 38: گروه های اصلی تشکیل دهنده ادتیوهای بهبودبخش شاخص ویسکوزیته روغن [5]

تابدینجای کار، می توان گروه های اصلی بهبودبخش های ویسکوزیته روغن های صنعتی را به شرح زیر بیان کرد:

- اُلِفین کوپلیمرها (OCP) [3]؛

- پُلی مِتاکریلات ها (موسوم به PMA [3] یا PAMA [4,64]) [3]؛

- پُلی ایزوبوتِن ها (PIB) [4,5,64]؛

- کوپلیمرهای استایرن-ایزوپرن هیدروژنه (SIP) [4,30]؛ و

- استایرن-بوتادین های هیدروژنه (موسوم به SBR [4] یا HSD [5,30,64]) [76]

علاوه بر جدول 9 که خلاصه ایی از خواص و کاربردهای هریک را نشان داده، معرفی و جزییات عملکرد هریک به شرح زیر و براساس ترتیب نشان داده شده در جدول 9 ارائه شده است:

جدول 9: بهبودبخش های شاخص ویسکوزیته در یک نگاه [4]

2.3.4.1 اُلِفین کوپلیمرها (OCPs):

الفین کوپلیمرها، به اختصار: OCPs یا Olefin Copolymers، دسته ای از کوپلیمرهای متشکل از اتیلن و پروپیلن (و گاه دارای یک رشته دیِن یا Diene غیرمزدوج بعنوان مونومر سوم) [3,64] هستند که در روغن محلول بوده و در اواخر دهه 1960 توسط Exxon به بازار معرفی شدند. از جمله خواص مهندسی مهم OCPها می توان به راندمان مناسب آنها در غلظت بخشی (بویژه در حوزه رئولوژی سرد)، حمل پذیری عالی، و قیمت مناسب اشاره کرد [3].

شکل 39: ساختار شیمیایی OCPها [64]

 الفین کوپلیمرها به دو صورت جامد یا کنسانتره مایع در دسترسند که شکل و خواص فیزیکی آنها در حالت جامد بستگی تام به نسبت اتیلن به پروپیلن یا E/P در آنها دارد. بدین ترتیب که در بازه EP 45/55 ~ 55/45 ذرات جامد به شکل آمورف (بی شکل) بوده و در دمای اتاق شارش سرد (Cold Flow) دارند. شکل فیزیکی این دسته از OCPهای جامد بصورت عدل های آمورف است که اغلب در جعبه یا کیسه های پلاستیکی شفاف عرضه می شوند. با بالاتر رفتن نسبت E/P و رسیدن به آن به 60/40، کوپلیمر به شکل نیمه بلوری درآمده و تمایل خود به شارش سرد در دمای محیط را از دست می دهد. در چنین حالتی، OCP به هر دو شکل عدل یا قرص در دسترس است. کنسانتره های مایع OCP نیز بشکل مایع زلال عرضه می شوند که با انحلال در روغن مینرال قادر به افزایش ویسکوزیته سینماتیک آن تا محدوده 50 ~ 1500cSt در نقطه دمایی 100°C هستند [3]. بطورکلی، نسبت E/P نقش تعیین کننده ای در فرمولاسیون OCPها دارد. چراکه با افزایش سهم اتیلن، راندمان غلظت بخشی بالا رفته؛ ولی در عوض، شانس تبلور در دماهای پایین افزایش می یابد که معنی آن کاهش انحلال پذیری پلیمر در روغن است. از طرفی، اتیلن ذاتا تمایل به واکنش دهی با واکس روغن های مینرال در سرما دارد که این عمل نتیجه ای جز کاهش روانپذیری و قابلیت پمپ شدن سیستم روغن در سرما ندارد. در سوی دیگر قضیه، با افزایش سهم پروپیلن پایداری سیستم روغن در برابر اکسیداسیون کاهش خواهد یافت [64,77]. کوپلیمرهای OCP به دو روش پلیمریزاسیون سیگلر-ناتا (Ziegler-Natta Polymerization) و پلیمریزاسیون متالوسِن (Metallocene Polymerization) قابل تولید هستند [3,64]. خواص فیزیکی تیپیکال برای OCPها در جدول 10 قابل مشاهده است [3]:

جدول 10: خواص فیزیکی عمومی برای کوپلیمرهای اتیلن-پروپیلن [3]

مطالعات نشان داده است که ویسکوزیته ذاتی یا  معیار خوبی برای سنجش عملکرد OCPها در بهبود ویسکوزیته سیستم روغن در برابر حرارت است. در مورد کوپلیمرهای غیربلوری،  از حرارت تاثیر نمی پذیرد. این در حالیست که همین شاخص در کوپلیمرهای نیمه بلوری و در محدوده دمایی کمتر از ~10°C بشدت در برابر حرارت حساسیت نشان داده و افت می کند. نمودار شکل 40 اطلاعات بیشتری بدست می دهد. در این نمودار می توان عملکرد هر دسته از کوپلیمرهای غیربلوری یا نیمه بلوری (ناشی از شاخص E/P) و براساس شدت حساسیت  به حرارت مشاهده کرد.

شکل 40: ویسکوزیته ذاتی حاصل انحلال کوپلیمرهای مختلف در روغن مینرال SNO-100 در دماهای مختلف [3]

توانایی حفظ ویسکوزیته در سرما شاخص رئولوژیک مهمی در روانکارهای خودرویی به شمار می رود. چراکه روغن موتور یک خودرو (بویژه انواع چهار فصل) پس از استارت موتور در شرایط سرد باید قادر به روان شدن مانند دمای اتاق بوده و خود را هرچه سریعتر به برینگ ها برساند (توانایی که با آزمون هایی چون CCS و MRV سنجیده می شود). بمنظور دستیابی به چنین ویژگی، پلیمر باید در محدوده دمایی زیر 10°C قادر به تبلور بوده و شروع به برقراری پیوندهای بین ملکولی کند که در نهایت منجر به انقباض خودبخودی آن شده و در عین حال، انحلال پذیری آن در روغن را نیز کاهش ندهد. چنین رفتاری مستلزم افزایش سهم اتیلن در نسبت E/P بمنظور بهبود رفتار روغن های موتوری چهارفصل در سرما است (نمودار شکل 39 را ببینید). به همین دلیل، کوپلیمرهایی که نسبت E/P آنها از ~60%wt بیشتر باشد اغلب با عنوان OCPهای مناسب برای سرما یا LTOCP خوانده می شوند. با اینحال، ترکیب ساختاری OCPها در رئولوژی گرم روغن به اندازه تاثیر آنها در سرما نیست. چراکه نقطه ذوب OCPهای نیمه بلوری اغلب زیر 100°C است. از این رو، مطالعات مختلف نشان داده است که افزایش سهم اتیلن در نسبت E/P منجر به افزایش راندمان غلظت بخشی OCPها و در نتیجه عملکرد بهتر سیستم روغن/پلیمر در برابر حرارت می گردد. از آنجاییکه روغن در ژورنال برینگ های خودرویی مطابق یکی از رژیم های هیدرودینامیک یا EHL به اجزای مکانیکی آنها می رسد، ضخامت فیلم روغن نقش بسزایی در اجتناب از فرسایش آنها ایفا می کند. بهمین دلیل در استاندارد SAE J300 شاخص ویسکوزیته HTHS یا High-Temperature, High-Shear rate Viscosity برای روغن های موتوری تعیین شده است [3,66] که در نرخ برش و دمای کاری بسیار بالا (به ترتیب: 10⁶ s^-1 و 150°C) اندازه گیری می شود تا شرایط کاری ژورنال برینگ های اطراف میل لنگ را شبیه سازی کند. ناگفته پیداست که حفظ ویسکوزیته در چنین شرایط عملکردی حادی بکارگیری پلیمرهایی با وزن ملکولی بالا را می طلبد [3]. اما این همه ماجرا نیست! چراکه علاوه بر حفظ ویسکوزیته، جلوگیری از افت آن در اثر تخریب روغن ناشی از اعمال حرارت و سیکل های بی پایان اعمال تنش برشی به روغن موتور نیز در فرمولاسیون آن خودنمایی می کند.

از آنجا که تنها عامل مسئول در افت ویسکوزیته روغن حین برش، پلیمر با وزن ملکولی بالاست [3] (زیرا زنجیره ملکولی پلیمرهای سنگین در اثر اعمال تنش های برشی شدید پاره شده و علاوه بر تبدیل به زنجیره های کوتاه، موجب کاهش دائمی ویسکوزیته سینماتیک می گردد [65])، و در عین حال، مطالعات انجام شده نیز بیانگر مقاومت بیشتر پلیمرهای سبک در برابر کاهش ویسکوزیته ناشی از تخریب روغن است [3]، بنابراین در طراحی ساختار شیمیایی یک سیستم روغن موتوری بمنظور عرضه در بازار باید به توزیع وزن ملکولی [3,65] پلیمرهای محلول در روغن توجه ویژه داشت [3]. مقایسه دو نمودار مندرج در شکل 41 اطلاعات بیشتری ارائه می کند.

شکل 41: مقایسه ای از نمودار توزیع وزن ملکولی پلیمرهای محلول در روغن پایه پیش و پس از تخریب [65]

بنابراین، می توان نتیجه گرفت که پایداری برشی ادتیوهای بهبودبخش شاخص ویسکوزیته با وزن ملکولی پلیمر تشکیل دهنده آنها رابطه عکس دارد. چراکه پلیمرهای سنگین با طول زنجیره بلند به اعمال تنش برشی حساستر از پلیمرهای سبک و با زنجیره پلیمری کوتاه بوده و همین عامل باعث محدود شدن غلظت پلیمرهای سنگین در ساختار شیمیایی ادتیوهای بهبودبخش شاخص ویسکوزیته می شود. چراکه علیرغم کارآیی پلیمرهای سنگین در دستیابی به شاخص ویسکوزیته بالاتر، مقاومت به تخریب روغن در اثر اعمال تنش برشی و شوک حرارتی با پلیمرهای سبک و با زنجیره پلیمری کوتاه بدست می آید. از سوی دیگر، کاهش غلظت پلیمرهای سنگین در ترکیب این دسته از ادتیوها در کاهش قیمت ادتیو نیز اثر مثبت دارد [67]. در مقام نتیجه گیری، کوپلیمرهای OCP انتخاب خوبی برای بهبود شاخص ویسکوزیته در انواع روغن های موتوری بنزینی و گازوییلی هستند که قیمت ارزانی هم دارند. اما، بدلیل انحلال پذیری ضعیف در سرما و پایداری برشی اندک، استفاده از آنها در سایر انواع روغن های صنعتی محدود است [64].

2.3.4.2 پلی متاکریلات ها (PMAs):

نخستین سنتز شیمیایی پلی متاکریلات بمنظور بکارگیری در نقش ادتیو با هدف تولید یک سیستم روغن صنعتی به اواسط دهه 1930 و در آزمایشگاه های پژوهشی کمپانی Rohm & Haas واقع در فیلادلفیا باز می گردد. طی این تحقیقات بود که پلی لوریل متاکریلات (Poly Lauryl Methacrylate) بعنوان یک تغلیظ کننده احتمالی یا به بیان بهتر: یک بهبودبخش شاخص ویسکوزیته مناسب برای روغن های مینرال پیشنهاد شد. طی آزمون های اولیه مشخص شد که پلی لوریل متاکریلات در تغلیظ روغن های مینرال در دماهای بالا موفقتر عمل می کند تا در سرما و همین ویژگی بود که به عامل موفقیت این ادتیو تازه وارد در برابر رقبای قدیمی و شناخته شده ای مانند پلی ایزوبوتیلن و پلی استایرن آلکیل شده تبدیل گشت. چراکه PMA تنها روغن مینرال را بمانند رقبای خود تغلیظ نمی کرد. بلکه شاخص ویسکوزیته آن را نیز بالا می برد. مشخصه ایی که به فرمولاتورهای روغن اجازه می داد روغن های موتوری چهارفصلی را تولید کنند که در بازه حرارتی وسیعتری به عملکرد خود ادامه می دادند [3]. دلیل این پدیده آن بود که ویسکوزیته ویژه روغن هایی که با OCPها تغلیظ شده باشند معمولا در نقطه ایی پایینتر از روغن هایی می ایستد که با PMA تغلیظ شده باشند. این بیشتر بدلیل تاثیرپذیری بیشتر OCPها از برش مکانیکی است [12] (شکل 42 اطلاعات بیشتری ارائه می دهد).

شکل 42: مقایسه ایی از عملکرد تغلیظ بخشی دو پلیمر بعنوان تابعی از دما: (الف) کوپلیمر OCP، و (ب) کوپلیمر PMA [75]

با اینحال، پیشرفت PMA در بازار همچنان کند بود تا اینکه هیات دولت ایالات متحده با آغاز جنگ جهانی دوم بودجه ای بمنظور پیشبرد تحقیقات و اختراعات مفید در کمک به دوام و بهبود عملکرد هرچه بیشتر تجهیزات نظامی ایالات متحده تصویب کرد. این بودجه و سایر حمایت های دولتی در آن برهه خون تازه ای به روند تحقیقات بمنظور بهینه سازی عملکرد شیمیایی این ادتیو تزریق کرد. زیرا تصور براین بود که PMA رفتار ویسکوزیته ای یکنواخت تر طی بازه گسترده تری از دما را در اختیار کاربر قرار می دهد که خصوصا برای روغن های هیدرولیک انواع هواپیما بسیار مفید بود. قضیه ازین قرار بود که روغن های هیدرولیکی که در هواپیما های نظامی آنزمان کاربرد داشتند در تحمل سیکل های دما/زمان عملکرد ضعیفی داشتند. بدین ترتیب که روی زمین، روغن هیدرولیک تحت اثر دمای محیطی بالا و اتلاف حرارتی موتور قرار داشت که با اوجگیری سریع هواپیما و رسیدن به ارتفاعات بالا که مستلزم فشار هوا و دمای محیطی بسیار کمتری نسبت به سطح زمین بود، روغن هیدرولیک مذکور باید در عین تحمل سرمای -40°C همچنان عملکرد در روانپذیری و روغنرسانی را حفظ می کرد. در این راستا و بمنظور رفع این مشکل، کمپانی Rohm & Haas طی همکاری مشترک با کمیته ملی تحقیقات صنایع دفاعی ایالات متحده امریکا اولین بهبودبخش شاخص ویسکوزیته PMA را با نام تجاری Acryloid HF بمنظور تولید روغن هیدرولیک مولتی گرید مناسب برای انواع هواپیماهای نظامی در مقیاس تجاری ارائه کرد. روغن هیدرولیک مولتی گرید تولیدی با استقبال نیروی هوایی ارتش ایالات متحده مواجه و بسرعت در باقی واحد های زمینی و دریایی ارتش ایالات متحده نیز توزیع شد. با اتمام جنگ جهانی دوم و تسلیم دُوَل متحد، Rohm & Haas دست به معرفی بهبودبخش های شاخص ویسکوزیته برپایه PMA بمنظور کاربردهای خودرویی و صنایع عمومی زد. نخستین بهبودبخش های شاخص ویسکوزیته روغن های موتوری خودروهای سبک در 1946 به بازار امریکا عرضه شده و طی همین سالها بود که اصطلاح «چهار فصل» بمنظور بازاریابی هرچه بهتر روغن های موتوری خودروهای سواری با اضافه کردن حرف W (به نشانه حفظ عملکرد در «زمستان») به کد ویسکوزیته آن (مانند SAE 10W-30) ابداع شد. در اوایل دهه 1950، همزمان با سیر صعودی مصرف روغن های موتوری مولتی گرید در بازار خودروهای سواری، متاکریلات ها نقشی اساسی در فرمولاسیون روغن های موتوری آنزمان ایفا می کردند. از این رو، بکارگیری بهبودبخش های شاخص ویسکوزیته PMA در تولید روغن های گیربکسی و هیدرولیک نیز آغاز گشت [3].

از نظر ساختار شیمیایی، بهبودبخش های شاخص ویسکوزیته متاکریلاتی گونه ای از پلیمرهای خطی به شمار می روند که از سه زنجیره هیدروکربنی کوتاه، متوسط، و بلند تشکیل شده باشند. زنجیره کوتاه آلکیل متاکریلات از یک تا 7 اتم کربن در طول هر زنجیره برخوردارست [3,64] که میزان تداخل مواد تشکیل دهنده این زنجیره کوتاه بر سایز کلاف پلیمر (بویژه در سرما) تاثیر شدیدی می گذارد و از آن رو می تواند بر شاخص ویسکوزیته سیستم روغن از طریق تاثیر بر انحلال پذیری آن پلیمر در روغن تاثیرگذار باشد [3]. مهمترین چالش این زنجیره های کوتاه آلکیل متاکریلاتی، انحلال پذیری ضعیف آنها در روغن است [64]. زنجیره های متوسط بین 8 تا 13 اتم کربن در خود داشته و لذا در روغن انحلال پذیرتر محسوب می شوند. زنجیره های بلند نیز حداقل حاوی 14 اتم کربن درون خود هستند و بدین جهت تمایل به برهمکنش با واکس روغن در زمان تبلور در آنها بیشتر است [3,64].

بمنظور حصول خواص عملکردی متفاوت از PMA در یک سیستم روغن، این سه نوع زنجیره مونومری باید با نسبتی خاص با یکدیگر ترکیب شده و تشکیل یک ساختار کوپلیمری دهند که در آن R نماینده گروه های آلکیلی مختلف و x نشاندهنده درجات مختلف پلیمریزاسیون است (شکل 43 را ببینید) [3].

شکل 43: ساختار شیمیایی کوپلیمرهای متاکریلاتی: (الف) ساختار کلی [3,64]، (ب) مونومر آلکیل متاکریلات [3,6]

از دیدگاه عملکردی، PMAها ترکیبات شیمیایی بسیار پایداری محسوب شده که تحت شرایط نسبتا سختی تن به واکنش های شیمیایی می دهند. بنابراین، در حالت کلی نمی توان PMAها را ادتیوهایی دانست که تحت شرایط کاری سختی که روغن های صنعتی در آن عمل می کنند (اعم از فشار و دما) دست به واکنش شیمیایی با محیط اطراف خود بزنند. بلکه انتظار از این کوپلیمرها آنست که تنها خواص فیزیکی سیستم روغن، اعم از ویسکوزیته و تمایل به تبلور واکس، را تغییر (یا به بیان بهتر: اصلاح) کنند. بعنوان مثال، PMAها کوچکترین حساسیتی به هیدرولیز از خود نشان نداده و به پیرولیز ناشی از حضور ترکیبات استریک در روغن تا حدودی واکنش نشان می دهند، آنهم در صورت اعمال انرژی گرمایی بسیار شدید که مستلزم رساندن دمای سیستم روغن به محدوده حرارتی 235~250°C است که خیلی پایینتر از دمای عملکرد معمول برای روغن های صنعتی مینرال است. اکسیداسیون، اما، فرآیند شیمیایی است که تقریبا تمامی مواد مهندسی درگیر آنند و بدان واکنش نشان می دهند. PMAها در برابر اکسیداسیون رفتاری از خود نشان می دهند که به گسستگی اکسایشی (Oxidative Scissioning) معروف است؛ مکانیزمی کلاسیک از تخریب ساختارهای پلیمری که شامل انشعاب دو زنجیره با وزن ملکولی سبکتر از زنجیره پلیمری اصلی، و در نتیجه، افت توان حفظ ویسکوزیته سیستم روغن است. شدت و ضعف وقوع این مکانیزم به حضور عواملی چون هیدروژن های آلیلی (Allylic Hydrogens)، بنزیلیک (Benzylic Hydrogens)، یا نوع سوم (Tertiary Hydrogens) وابسته است که متاکریلات ها ذاتا فاقد این نوع المان های شیمیایی در ساختار خود هستند. بنابراین، PMAها نسبت به واکنش های حرارتی و اکسایشی معمول در سیستم های روغن تحت شرایط متعارف کاری مقاوم محسوب می شوند و تنها عامل تخریب در آنها را می توان واکنش های برش مکانیکی و تولید رادیکال های آزاد در نظر گرفت. همانطور که بالاتر اشاره شد، برش مکانیکی موجب پارگی زنجیره های ملکولی پلیمرها می گردد. رادیکال های آزاد کربن-دار حاصل این گسست زنجیره پلیمری سنگین به سرعت و با جذب هیدروژن از سیستم روغن محیط بر آنها در ساختار شیمیایی روغن اطفا می شوند (البته نمی توان عمل ادتیوهای آنتی اکسیدان را نیز در این بین بی تاثیر دانست). اما، از دیگر سو، گسست زنجیره پلیمری سنگین به زنجیره های مونومری سبک منجر به کاهش توان سیستم روغن در صیانت از ویسکوزیته خود در برابر تغییرات حرارت می گردد [3].

بهبودبخش های شاخص ویسکوزیته متاکریلاتی با ساختار شیمیایی و اوزان ملکولی مختلف و متفاوتی در بازار موجودند که از آن میان، PMAهای سنگینتر عملکرد بهتری در بهبود شاخص ویسکوزیته روغن دارند. هرچند، همانطور که بیان شد، PMA سنگین علیرغم سهم بیشتر در حفظ ویسکوزیته، از پایداری ضعیفی در برابر برش های مکانیکی برخوردارست. در مقام نتیجه گیری، PMAها را می توان دارای رفتار رئولوژیک استثنایی در سرما، استحکام ساختاری مناسب در گرما، پایداری شیمیایی، و انحلال پذیری خوب در روغن های مینرال و سینتتیک دانست؛ با این وجود، کوپلیمرهای متاکریلاتی نیز مانند سایر پلیمرها در برابر برش مکانیکی ضعیف و حساس محسوب می شوند. در قیاس با OCPها، کوپلیمرهای PMA عملکرد بهتری در سرما داشته [12,64] و از این رو رواج نسبتا بیشتری در تولید روغن های موتوری، گیربکسی (دستی و اتوماتیک)، هیدرولیک ها، و برخی دیگر از روغن های صنعتی یافته اند [64]. بعنوان یک قاعده عمومی، توان غلظت بخشی PMA در سرما افزایش می یابد که این ناشی از افزایش استحکام برشی آن در این محدوده دمایی است. این رفتار در مورد OCPها درست عکس این قضیه است [12].

2.3.4.3 پلی ایزوبوتیلن ها (PIBs):

پلیمرهای PIB مخلوطی از ایزومرهای بوتِنی (Butene Isomers) محسوب می شوند که اساسا از ایزوبوتیلن (Isobutylene) تشکیل شده و با توسل به فرآیند پلیمریزاسیونی سنتز می گردند که به پلیمریزاسیون کاتیونی کاتالیزه-با-اسید لوییس (Lewis Acid-Catalyzed Cationic Polymerization) معروف است [64]. بطوریکه می توان PIBها و لاستیک های بوتیلی را از یک خانواده دانست [5]. در ابتدا و در سال های دور، PIBها بیشتر بعنوان یک سوخت سینتتیک با خواص احتراقی تمیز و بدون دود و دوده و ترکیبات سمی خواهان داشتند. اما، استفاده از آنها در نقش تغلیظ کننده کم کم در روغن های موتوری دوزمانه، روغن های کمپرسوری، روغن های گیربکسی، روغن های فلزکاری، و گریس ها آغاز شد [64]. علت این گستردگی بازار مصرف را می توان در پایداری برشی بالا در عین قیمت مناسب دانست [76]. با این وجود، و علیرغم وزن ملکولی بالاتر PIBها در قیاس با OCPها و PMAها که منجر به غلظت بخشی قویتر در سیستم روغن می شد (شکل 44 را ببینید) [30,60]، بدلیل ضعف این دسته از پلیمرهای الفین-دار در برابر اکسیداسیون [30,64] و الزام به مصرف دُز بالایی از PIB بمنظور غلظت بخشی به سیستم روغن که منجر به کاهش انحلال پذیری آن در روغن پایه و افت خواص رئولوژیک سیستم روغن در سرما می شد [76]، به تدریج از محبوبیت آنها کاسته و با OCPها جایگزین شدند [64,76]. هرچند، امروزه در سنتز روغن های موتوری دوزمانه، برخی گیربکسی ها، و روغن های هیدرولیک همچنان از PIBهایی با وزن ملکولی 2000~3000 gr/mol [5] استفاده می شود [64] (جدول 11 را ببینید).

 

شکل 44: نمایه ای از تاثیر حضور پلیمر در زنجیره اصلی (سنگینی وزن ملکولی برحسب درصد) بر توان غلظت بخشی آن به یک سیستم روغن [60]

جدول 11: حوزه های اصلی کاربرد گرید های مختلف PIB [74]

روغن های کمپرسوری مینرال را نمی توان در برخی کمپرسورها که گازهای نجیب [61]، اتیلن، هیدروژن، نیتروژن، و دی اکسید کربن [74] را فشرده می کنند بکار بست. بعنوان مثال، در برخی فرآیندهای شیمیایی وجود آثاری هرچند اندک از هیدروکربن ها در گاز فرآیندی پذیرفتنی نیست. چراکه حضور حتی چند ذره کوچک از روانکار مینرال کمپرسوری می تواند منجر به تخریب کاتالیست های موجود در بخش های پس از کمپرسور آن فرآیند شود. بمنظور حل این مشکل دو راه پیش روی طراحان پکیج های فرآیندی است: استفاده از مجموعه ای از فیلتراژها بمنظور تصفیه گاز فرآیندی از ذرات هیدروکربن یا توسل به روغن های PIB-پایه یا سینتتیک غنی از PIB (مانند PAO+10wt% PIB [73]) بمنظور تطابق با الزامات روانکاری و سازگاری با آب بندها است [61].

2.3.4.4 کوپلیمرهای استایرن-ایزوپرن هیدروژنه (SIPها):

خاستگاه SIPها را می توان در پلیمریزاسیون آنیونی استایرن و ایزوپرن جستجو کرد [5,12,30]. این نوع از پلیمریزاسیون منجر به تولید پلیمرهایی می شود که از الگوی توزیع وزن ملکولی باریکی در قیاس با کاتالیست های زیگلر-ناتا و فریدل-کرافتس (Friedel-Crafts) یا آغازگرهای رادیکال آزاد برخوردارند و این یعنی نسبت  در آنها با در نظر گرفتن بازه 50,000 ~ 100,000 gr/mol برای وزن ملکولی [77] بیشتر به عدد یک نزدیک است و به همین دلیل این دسته از پلیمرها از قدرت غلظت بخشی بسیار خوبی به انواع سیستم روغن برخوردارند. هرچند، وجود حلقه های آروماتیک و پیوندهای دوگانه در ساختار شیمیایی این تیپ از پلیمرها موجب حساسیت و ضعف آنها در برابر اکسیداسیون بشکل شکاف در ساختار پلیمر و آزادسازی فرمالدهید و بنزالدهید در بدنه روغن [30] می گردد (شکل 45 را ببینید).

شکل 45: شماتیکی از تخریب حرارتی کوپلیمرهای استایرن-دین [5]

یکی از روش های تقویت این دسته از پلیمرها در برابر عوامل محیطی مانند اکسیداسیون اضافه کردن هیدروژن به پیوندهای دوگانه آنها بصورت کاتالیتیک است. در این میان، کوپلیمرهای SIP با داشتن 50~70% استایرن در ساختار خود [12] نسبت به HSDهای هم خانواده خود از پایداری برشی بهتر در عین حفظ توان غلظت بخشی برخوردارند که این رفتار بهینه در «ستاره ای بودن» [5,64,66,76] شکل ساختار شیمیایی آنها نهفته است [5]. این پایداری برشی بالا موجب دستیابی به خواص رئولوژیک (پمپ پذیری) بسیار خوبی در هر دو محدوده دمایی گرم و سرد می گردد که کوپلیمرهای SIP را برای کاربرد هایی که مستلزم مقاومت برشی بالایی باشند (مانند انواع روغن های موتوری خودرو، روغن های گیربکسی تراکتور، و روغن های موتور پیستونی هواپیما) به انتخاب مناسبی تبدیل می کند [77].

از نظر ساختار شیمیایی، پلی ایزوپرن های هیدروژنه معادل کوپلیمرهای OCP متشکل از اتیلن و پروپیلن به حساب آمده و از این رو انتظار می رود که رفتاری بسیار شبیه به OCPها در غلظت بخشی به سیستم روغن داشته باشند. این تشابه رفتاری در محدوده دمایی 10~160°C در مقایسه توان غلظت بخشی SIP با سایر پلیمرهای بهبودبخش شاخص ویسکوزیته اعم از OCP و PMA در شکل 46 نشان داده شده است:

 

شکل 46: مقایسه ایی از توان غلظت بخشی سه پلیمر SIP، OCP، و PMA برحسب ویسکوزیته ذاتی [η] در یک محدوده دمایی مشخص [12]

همانگونه که در نمودار شکل 46 هویداست، در بازه دمایی موصوف توان غلظت بخشی PMA با افزایش دما تقویت شده، حال آنکه SIP و OCP با آهنگی تقریبا هارمونیک توان غلظت بخشی خود را از کف می دهند [12]. این بدان معنیست که بهبودبخش های شاخص ویسکوزیته ایی که بر مبنای کوپلیمرهای SIP تولید شده باشند برای فرمولاسیون روغن های موتوری جدید مناسب نیستند [77].

2.3.4.5 کوپلیمرهای استایرن-بوتادین هیدروژنه (SBRها):

همانند SIPها، کوپلیمرهای SBR نیز حاصل پلیمریزاسیون آنیونی استایرن [5,30,64] هستند، منتها با بوتادین [5,64]. SBRها مشابهت کاملی از نظر پایداری برشی و توان غلظت بخشی با SIPها داشته و از همان ضعف در برابر اکسیداسیون و تخریف حرارتی برخوردارند (شکل 45) [5]. مطالعات نشان داده است که پلیمرهای SBR قادر به تشکیل پیچه های کوچک و بهم فشرده ای در سرما و از هم باز کردن همان پیچه ها در گرما بوده (شکل 37 را ببینید) و با تکیه بر همین قابلیت قادر به کنترل واکنش سیستم روغن به تغییرات دمایی از طریق بهبود ویسکوزیته آن هستند [73]. کوپلیمرهای SBR از ترکیب ساختاری 50~60wt% استایرن و 40~50wt% بوتادین برخوردار بهره برده و از الگوی توزیع وزن تقریبا باریکی برخوردارند ( ) [30]. در ساختار SBRها، مونومرهای استایرن مسئول بهبود پایداری در برابر گرما، اکسیداسیون، و برش مکانیکی بوده و در عین حال در روغن نیز انحلال پذیر هستند. از طرفی، انحلال پذیری SBRها بشدت از بلوک های دیِن موجود در ساختار شیمیایی آنها تاثیر گرفته و از این رو، نسبت ترکیب مونومرهای دیِن در ساختار SBRها باید بالا باشد تا حداکثر انحلال پذیری و غلظت بخشی به سیستم روغن حاصل گردد. با این وجود، زنجیره های بوتادین در سرما تمایل به تبلور داشته و همان مشکلاتی را ایجاد می کنند که در مورد اتیلن های حاضر در ساختار OCPها شرح دادیم. برای حل این مشکل، ترکیب بندی بوتادین در ساختار SBRها نباید فقط یک نسبت واحد باشد [64,66]. در مجموع، SBRها همچنان کاربرد خود را در سنتز روغن های موتوری حفظ کرده اند [64].

در مقام مقایسه، کوپلیمرهای SBR از توان غلظت بخشی پایینتری در مقایسه با OCPها بویژه در سرما برخوردارند. در بازه دمایی 20~120°C، موسوم به محدوده دمایی گرم، توان غلظت بخشی OCPها بیش از PMA ها است؛ هرچند، با افزایش حرارت به تدریج توان خود را از دست می دهند (شکل های 42 و 46) که بشکل افت ویسکوزیته کاهیده (Reduced Viscosity) خود را نشان می دهد. کوپلیمرهای OCP و SBR دارای توان غلظت بخشی بهتری در دمای 40°C نسبت به 100°C هستند. این در حالیست که توان غلظت بخشی PMA در محدوده دمایی گرم همواره رو به افزایش است (شکل 46) [75]. در محدوده دمایی گرم، ترتیب توان غلظت بخشی پلیمرهای مختلف را می توان بصورت زیر تعریف کرد:

به دیگر سخن، می توان اینطور بیان کرد که کوپلیمرهای OCP و SBR در دمای 20°C عملکرد بهتری در غلظت بخشی به سیستم روغن در قیاس با 100°C دارند؛ حال آنکه PMAها در 40°C توان غلظت بخشی کمتری نسبت به 100°C از خود ابراز می کنند [75,76].

در محدوده دمایی سرد (یعنی -10~20°C) توان غلظت بخشی PMAها و SBRها زیر 10°C دچار کاهش مقطعی می گردد [75]. از این رو، ترتیبی که در رابطه شماره 6 بیان شد بصورت زیر در محدوده دمایی سرد تغییر می کند:

2.3.4.6 کوپلیمرهای استایرن-استر (SPEها):

برخی از ادتیوها در صنعت روانکاری بیش از یک نقش را در سیستم روغن برعهده دارند. یکی از این ادتیوهای چندکاره پلیمرهای استایرن-استر است که می تواند همزمان علاوه بر بهبود شاخص ویسکوزیته، بعنوان دیسپرسانت [5,30,72] و PPD [5,66] هم عمل کرده و این چند منظوره بودن خود را مدیون حضور نیتروژن پایه در ترکیب شیمیایی خود است [5]. پلیمرهای استایرن استر به خانواده ای از کوپلیمرهای فومارات-استایرن تعلق دارند که از طریق کوپلیمریزاسیون استایرن و انیدرید مالئیک (Maleic Anhydride) و سپس ترکیب با استر [5,30] با نسبت تقریبا یک به یک تولید شده از الگوی توزیع وزن ملکولی چندان باریکی برخوردار نیستند ( ) و از این رو، اطلاق نام استایرن-پلی استر یا SPE از نظر شیمیایی برای آنها صحیح نبوده و شایسته است با نام پلی استایرن-کُ-مالئیک آنیدرید استر-دار از آنها یاد شود [30]. کاربرد استایرن-استرها علیرغم بهبود موثرتر شاخص ویسکوزیته در کنار PMAها در مقایسه با پلیمرهای هیدروکربنی مانند OCP، PIB، SIP [72]، و SBR که بیشتر از راندمان غلظت بخشی بالاتری برخوردارند [64]، به روغن های گیربکس خودرویی و روانکارهای چند منظوره تراکتوری [30,60] محدود می شود که همین سهم محدود نیز به مرور در حال واگذاری به PMAها است [30].

2.3.5 آزمون های عملکرد ادتیوهای بهبودبخش شاخص ویسکوزیته

بمنظور اعتباردهی به سنتز انواع پلیمرهای بهبودبخش شاخص ویسکوزیته انواع سیستم های روغن صنعتی، آزمون های متعدد و متنوعی تاکنون طراحی، اجرا، و سپس استانداردسازی شده اند. ذیلا، طی جدول 12 فهرستی از آزمون های مرتبط با سنجش عملکرد ادتیوهای بهبودبخش شاخص ویسکوزیته ارائه شده است:

جدول 12: آزمون های سنجش عملکرد بهبودبخش های شاخص ویسکوزیته در انواع روانکار

3. منابع و مآخذ:

جهت اطلاع از جزییات منابع استفاده شده در این مقاله، مراجعه به نسخه چاپی این مقاله، چاپ شده در نشریه نگهدرای و تعمیرات در صنایع نفت، گاز، و پتروشیمی به آدرس http://www.netsanews.ir توصیه می شود.

علت تغییر رنگ در روغن PAG کمپرسور فرآیندی: مطالعه موردی

با اهدا سلام و تقدیم احترام به تمامی مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی

پیرو تبادل سوال و جواب روی داده بین نویسنده و یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ درباره مساله تغییر رنگ در نمونه یک روغن کمپرسوری تیپ PAG و نگرانی کادر زحمتکش و مظلوم تعمیرات روتاری از وقوع تغییر رنگ در روغن کمپرسور، تصمیم به نگارش مقاله ای در این خصوص با هدف تشحیذ اذهان خوانندگان محترم در خصوص تفسیر صحیح نتایج آنالیز روغن، بخصوص در مورد روغن های PAG، و لزوم بررسی و فرآیند نمونه گیری و صحه گذاری زنجیره آنالیز روغن (از نمونه گیری تا تفسیر و صدور دستور تعمیراتی) گرفتم.

شرح سوال: روغن یک کمپرسور اسکرو oil inject شرکت GHH RAND شامل 400 لیتر روغن گلایکول 11 و 22 از هرکدام 200 لیتر میباشد. طبق عکس ها روغن تغییر رنگ غیرعادی داشته و نتایج آزمایشگاهی نشان از افزایش غیرمجاز CU بوده است. آیا مس باعث تغییر روغن شده است؟ کمپرسور احیای نیتروژن هستش که گازهای دیگه ای همانند پروپیلن و شبیه به آن در پروسس وجود دارند، نسبت تراکم 1 به 16

P_suction= 29.4 psia

P_discharge= 235.2 psia

دو مخزن 200 لیتری گلایگول 11 و 12 وظیفه روغنرسانی به کمپرسور را بعهده دارند. بصورت مجزا  جایی مخلوط نمی شوند و درون مخزن کمپرسور تخلیه می شوند. دمای کارکرد روغن با دمای گاز نیتروژن باید یکی باشد که 80 تا 90 درجه سلسیوس است.

شکل 1: وضعیت فیلتر روغن به تغییر رنگ روغن PAG توجه کنید

شکل 2: استرینر ورودی به کمپرسور که روغن در سیستم گردش داشته

می دانیم که این نوع روغن آب دوست هستش و تمایل به جذب ترکیبات هیدراته دارد و در خرابی های پرتکرار قبلی ویسکوزیته تغییرات بسیاری داشته و در نتیجه باعث بالا رفتن ‌پیک های ارتعاشی بیرینگ ها وخرابی روتور بوده است و پس از رفع عیب و عارضه یابی در نوبت اخیر این اتفاق افتاد (تغییر رنگ).  البته با توجه به مشکلات تامین روغن، از یک شرکت جدید تامین صورت گرفت که به اصالت روغن و نوع ادتیوهای بکار رفته شک داشتیم که این تغییر رنگ اتفاق افتاده و باعث نگرانی کادر تعمیراتی شده...لازم به ذکر است در مدارک شرکت سازنده تعویض روغن در هر 2000 ساعت میباشد که زمان بسیار کوتاهی است.  این پکیج احیای نیتروژن به دلیل وجود گاز (mixed gas) در سیال، در برخی موارد انحلال گاز  در روغن داریم. پکیج مربوط به جداسازی نیتروژن و پروپیلن هستش، بحث انحلال مربوط به گازهای هیدروکربنی مانند پروپیلن میباشد، البته شرکت بورسیگ (طراح این پکیج) عنوان داشته که این نوع روغن مقاومت بسیار بالایی نسبت به انحلال گاز دارد. نتایج آنالیز روغن واصله از آزمایشگاه معتمد به شرح زیر است:

شکل 3: بخشی از منوآل سازنده کمپرسور که به به برند و گرید ویسکوزیته روغن مصرفی برای این تجهیز اشاره کرده است

شکل 4: برگ اول فرم اعلام نتایج آنالیز روغن واصله از آزمایشگاه معتمد، شامل آزمون پراکندگی عناصر، آزمون PQ، ویسکوزیته، و عدد اسیدی

شکل 5: برگ دوم فرم اعلام نتایج آنالیز روغن واصله از آزمایشگاه معتمد، شامل آزمون تمیزی روغن (PD test)

این مقاله را ابتدا با مقدمه ای بر روانکارهای کمپرسوری و بیان خواص مورد انتظار از آنها و تست ها و استاندارد های لازم برای تعیین کیفیت و عملکرد آنها آغاز کرده و در ادامه به بررسی و تفسیر نتایج آنالیز روغن واصله از آزمایشگاه معتمد (شکل های 4 و 5 را ببینید) خواهیم پرداخت و در نهایت، به نتیجه گیری و ارائه راهکار پیشنهادی خواهیم رسید.

1. مقدمه ای بر روغن های PAG کمپرسوری و انحلال پذیری آنها در گاز

انتخاب روانکار مناسب برای تجهیزی مانند یک کمپرسور به عوامل ذیل وابسته است:

- نوع و ساختار کمپرسور

- نوع گازی که قرارست متراکم شود

- نسبت تراکم

- دمای خروج گاز از کمپرسور

استاندارد ISO 4763-3 روال و دستورالعملی را برای طبقه بندی روغن های کمپرسوری براساس نوع تجهیز و شرایط عملکردی آنها ارائه داده است [1] که برای کمپرسور موضوع این مقاله، مراجعه به جدول 2، صفحه 4، این استاندارد توصیه می شود [2].

عل ایحال، رایجترین مشکلات مربوط به روغن های کمپرسوری عبارتند از:

- افزایش ویسکوزیته و عدد اسیدی کل؛

- خوردگی مس (که باعث سبزرنگ شدن روغن می شود)

- تشکیل لجن

- انحلال مقداری از روغن کمپرسور درون جریان گاز خروجی از کمپرسور

- انسداد استرینر روغن

- خرابی برینگ ها

با این اوصاف، یک روغن کمپرسور بمنظور روغنرسانی موفق به قطعات و اجزای این تجهیز باید از خواص زیر برخوردار باشد:

- مقاومت به اکسیداسیون

- بازه عملکرد دمایی بالا (شامل دمای اشتعال خودبخودی بالا، دمای ریزش پایین، و شاخص ویسکوزیته بالا)

- تبخیرپذیری پایین

- عملکرد عالی در مقاومت به سایش

- انحلال ناپذیری خوب

- مقاومت مکفی به خوردگی

- مقاومت به شوک حرارتی و اکسیداسیون ناشی از آن

- بازدارندگی در برابر خوردگی و تشکیل محصولات خوردگی

- پایداری هیدرولیتیک

- سازگاری شیمیایی با انواع مواد (اعم از مواد تشکیل دهنده گسکت ها، واشرها، و...)

- عدم تمایل به تشکیل لجن

- تمایل اندک به کم کردن روغن در تجهیز

- عدم تمایل به تشکیل کف

- عدم سمی بودن

قبلا درباره روغن های PAG در این وبلاگ معرفی های لازم انجام شده است. لذا توصیه می شود در این خصوص به مقاله «روغن های PAG از نگاه نزدیک: مطالعه موردی» مراجعه شود. اما، از دیدگاه انحلال ناپذیری، عملکرد روغن های PAG کمپرسوری در برابر انحلال گاز طبیعی و سایر هیدروکربن ها در مقایسه با انواع مینرال و سینتتیک هایی مانند PAO بسیار بهترست که البته بدلیل شباهت ساختاری ملکول های روغن های مینرال و انواع هیدروکربن ها و در عین حال، قطبیت اندک رو به صفر روغن های سینتتیک PAO، رفتاری بدور از انتظار نبود. این در حالیست که روغن هایی مانند خانوده دی اِسترها، و PAG ها، بدلیل وجود اتم اکسیژن در پیکره پلیمری (Polymer backbone) آن بویژه در مورد روغن های PAG، از ساختاری کاملا قطبی [1,3] برخوردارند. بنابراین، طبیعیست که هیدروکربن ها در PAG ها نامحلول باشند. این خصیصه، بویژه در مورد روانکاری کمپرسورهای رفت و برگشتی و اسکرو که از سیستم روغنرسانی Wet Sump برخوردار بوده و از این رو گاز متراکم شده و روانکار در تماس با یکدیگر قرار می گیرند، اهمیت زیادی پیدا می کند [1]. تماس عامل روانکاری کمپرسور با گاز تحت تراکم می تواند منجر به کاهش محسوس در ویسکوزیته روغن شود. اما، شدت و ضعف افت ویسکوزیته است که در اینجا مهم است. چراکه افت ویسکوزیته بشدت روی ضخامت فیلم روغن تاثیر منفی گذاشته و ریسک خرابی برینگ ها را بالا می برد. به شکل 6 نگاه کنید. در این نمودار، واکنش دو روغن PAG و مینرال به انحلال با گاز پروپان در دمای 60°C به نمایش درآمده است.

شکل 6: مقایسه ایی از روند افت ویسکوزیته دو روغن PAG و مینرال در برابر انحلال با گاز پروپان در دمای 60°C (شرایط دما-ثابت) [4]

همانطور که در شکل 6 هویداست، تمایل به افت ویسکوزیته در عین افزایش فشار در مورد روغن PAG بسیار با ثبات تر از روغن مینرال است.

با توجه به دمای کاری روانکار که 80 تا 90 درجه سلسیوس است و اذعان به اینکه پیشتر از این مواردی از انحلال گاز در روانکار دیده شده است، می توان نمودار مندرج در شکل 7 را بعنوان معیاری اولیه از رفتار روغن PAG در زمینه انحلال پذیری در مواجه با گاز هیدروکربنی مانند پروپان مورد توجه قرار داد:

شکل 7: انحلال پذیری گاز هیدروکربنی در PAG-220 در شرایط دما-ثابت [1]

همانطور که در شکل 7 مشهودست، در شرایط دما-ثابت و با افزایش فشار، میزان انحلال هیدروکربن در PAG افزایش یافته و شیب این افزایش انحلال پذیری با افزایش دما از 20 به 70°C باندازه 3.4 برابر رشد می کند (جدول 1 را ببینید).

جدول 1: ضوابط ریاضی حاکم بر منحنی های نشان داده شده در شکل 7

ذکر این نکته لازمست که ضوابط ریاضی استخراج شده از شکل 7 که در جدول 1 نشان داده شده اند، جملگی با تکیه بر برازش منحنی با استفاده از تکنیک Data Interception استحصال شده و همگی تا دو رقم اعشار گرد شده اند. در عین حال، سطور هایلایت شده در جدول 1 نشاندهنده استخراج اعداد و ارقام با استفاده از برازش منحنی است.

جدول 1 در کنار نمودار شکل 7 نشان می دهد که برای یک روغن PAG-220 نوعی، انحلال پذیری در برابر نفوذ گاز هیدروکربنی در دمای 80 درجه سلسیوس که موضوع این مقاله است، نسبت به دمای متعارف 20°C بیش از چهار برابر رشد می کند.

برعکس این قضیه زمانی صادق است که فشار گاز خروجی از کمپرسور ثابت فرض شود (شکل 8). در چنین شرایطی، افزایش دما با روندی خطی منجر به کاهش تمایل روغن PAG به انحلال پذیری گاز هیدروکربنیک خواهد شد [1].

شکل 8: انحلال پذیری گاز هیدروکربنی در PAG-220 در شرایط فشار-ثابت [1]

از این گذشته، با عنایت به اینکه کمپرسور موضوع این مقاله در یک پکیج جداسازی نیتروژن (N₂) از پروپیلن نصب است، بنابراین مطالعه انحلال پذیری گاز ازت در دو روغن PAO و PAG و مقایسه آنها با یکدیگر نیز خالی از لطف نیست. به نمودار مندرج در شکل 9 نگاه کنید.

شکل 9: انحلال پذیری گاز نیتروژن در دو روغن PAO و PAG [1]

بنابراین و تابدینجای کار می توان نتیجه گرفت که ادعای شرکت بورسیگ در مورد مقاومت روغن PAG در برابر انحلال گاز میکس (ترکیب نیتروژن و پروپیلن) کاملا درست است.

2. بررسی و تفسیر نتایج آنالیز روغن

نتایج تست های انجام شده بمنظور پایش سلامت روغن PAG این کمپرسور فرآیندی در شکل های 4 و 5 نشان داده شده است. در ابتدا لازمست بدانیم که برای سنجش سلامت یک روغن کمپرسوری چه تست هایی و براساس چه استانداردی لازمست؟ پاسخ به این سوال را می توان در جدول 2 یافت:

جدول 2: تست های یک روغن کمپرسوری [1]

بدین ترتیب، در مورد نتایج حاصله از تست های سفارش داده شده توسط کارفرما به آزمایشگاه معتمد می توان گفت: اظهارنظر آزمایشگاه محترم کاملا غلط است. اول اینکه این برگه نتایج آنالیز با پیش فرض آنالیز روغن موتور تدوین شده است؛ ولی، منتهای مراتب، نمونه روغن شما PAG کمپرسوری است که رفتاری کاملا متمایز با رفتار یک روغن موتور دارد.

دوم اینکه افزایش میزان سیلیسیم (Si) در نمونه روغن همیشه به معنای ورود گردوخاک به جریان روغن نیست! در مورد برخی روغن های موتوری، آنهم در برخی مواقع، بله! تازه اینهم باید در هارمونی با رفتار ریاضی شاخص های دیگری باشد و نمی توان نتیجه گیری مستقیم کرد. این نتیجه گیری و اظهارنظر آزمایشگاه محترم کاملا عجولانه است.

سوم اینکه عمر روغن کمپرسوری شما کمی کمتر از 500 روزست و نمونه گیری نیز منظم نیست. افزایش و کاهش شدید در عناصر شیمیایی نیز با توجه به اندک بودن مقدار نمونه روغن (5 سی سی) طبیعی است و نمی توان گفت که زنجیره آنالیز روغن (نمونه گیری، ارسال به آزمایشگاه، آنالیز، و گزارش دهی) غلط است! نمودار های زیر را ببینید:

شکل 10: رفتار سه وجهی سیلیسیم، آهن، و ذرات جامد درون نمونه روغن

نمودار شکل 10 نشاندهنده رفتار غیرهارمونیک Si در برابر فرسایش است. اگر فرسایش با توجه به ورود گردوخاک اتفاق می افتاد، پس رفتار Si در برابر آهن و به تبع آن، PQ باید هارمونیک می بود...که نیست!

رفتار آهن و PQ را اما می توان تحلیل کرد بصورت جداگانه که آیا هارمونیک هستند یا نه؟ البته که این نمودار نشاندهنده آنست که order نمو Si با نمو آهن و PQ کاملا متفاوت است. نمودار شکل 11 را ببینید.

شکل 11: نمو آهن و PQ

همانطور که در نمودار شکل 11 هویداست، تغییرات آهن و PQ نمونه روغن ارسالی هارمونیک است. این نشاندهنده کفایت و صحت نمونه گیری و آنالیز است. بنابراین نمی توان زنجیره آنالیز روغن را زیر سوال برد.

برداشت من از این نمودار اینست که روغن شما عملکرد فرساینده نداشته و در حال طی دوران عملکردی خود بوده است.

دومین دلیل برای رد ادعای آزمایشگاه در خصوص ورود گردوخاک و اینها را می توان در آنالیز نسبت سیلیسیم به آلومینیوم دید...شکل 12 را ببینید. رفتار شاخص Si/Al خود گویای همه چیزست و حتی نیاز به تفسیر و تاویل نیست!

شکل 12: نمو شاخص ورود گردوخاک به جریان روغن...نسبت سیلسیم به آلومینیوم (سیلیکا به آلومینا)

با این تفاسیر، اگر نظریه خرابی آزمایشگاه معتمد مبنی بر ورود آلودگی محیطی (گرد و خاک و غبار) به جریان روغن کمپرسور صحیح نیست؛ پس تغییر رنگ روغن (شکل 1 را ببینید) ناشی از چیست؟!

این سوالیست که در بخش بعدی مقاله به پاسخ آن خواهیم رسید.

3. تغییر رنگ روغن ناشی از چیست؟

عکس های ارسالی نشانه تغییر رنگ روغن است. این در حالیست که اگر روغن وارد فاز فرسایندگی شده بود (در اثر ورود گردوخاک و اینها...)، باید Si در برابر آهن و PQ نمو هارمونیک می داشت (که دیدیم ندارد!)، شاخص Si/Al باید در محدوده صحیح نمو می کرد و میزان TAN نیز نوسان شدید می داشت که ندارد!

پس این روغن فرساینده نیست. تغییر رنگ داشته است که باعث نگرانی کادر تعمیراتی شده ... اما تغییر رنگ نشانه چیست؟

در آنالیز روغن های موتوری، هیدرولیک، و توربینی، تغییر رنگ (مخصوصا تیره شدن) نشانه اکسیداسیون است که شرح مکانیزمش را در مقاله ادتیوها (بخش مربوط به آنتی اکسیدان ها) گفته ام.

پس روغن شما دچار اکسیداسیون شده که رنگش تیره شده است؟!

پاسخ منفیست! چراکه جمله فوق برای حالتی درست است که روغن مینرال باشد. حال آنکه روغن مورد مطالعه  PAG است و یکی از مقاومترین روغن ها به پدیده اکسیداسیون به شمار می رود. در عین حال، اکسیداسیون زمانی معنا دارد که انحلال هوا داشته باشیم در جریان روغن...حال آنکه این کمپرسور سیال عاملش اصلا هوا نیست و یک گاز کاملا نجیب در بحث اکسیداسیون (نیتروژن) است که اصلا در فرآیند اکسیداسیون شرکت نمی کند! پس تغییر رنگ روغن شما نباید در اثر اکسیداسیون رخ داده باشد. تغییر رنگ در اثر ورود ذرات جامد و فرسایش نیز نیست...هم نمودار شماره 2 و هم برگه نتیجه آزمون NAS (تست تکمیلی آزمایشگاه) نیز این نتیجه را تایید می کنند. روغن شما از نظر ذرات خارجی تمیز است!

از سوی دیگر، نظریه اکسیداسیون یک روغن کمپرسوری زمانی می تواند قوت بگیرد که روغن از خود رفتار اسیدی نشان دهد. این یعنی تغییرات TAN و pH (که این دومی در تست سفارش داده نشده توسط پتروشیمی رجال!) باید هارمونیک باشد. البته چون مقدار pH را اندازه نگرفته آزمایشگاه، می توان به نمو TAN نگاه کرد. این نمو عاری از نوسان شدید در مقایسه با تغییرات عناصری چون سیلیسیم، آلومینیوم، مس، و آهن است. در عین حال، باید علاوه بر این موارد، میزان ویسکوزیته روغن نیز باید دستخوش تغییرات شدید می شد...که نشده است!

خب پس تغییر رنگ در این روغن نشانه چیست؟! اگر روغن سالم است (اصطلاح راه آهنی است...!) پس چرا تغییر رنگ داشته؟!

پاسخ به این سوال را باید در ترکیبات روغن PAG مصرفی جستجو کرد. همانطور که احتمالا (!) می دانید، روغن های PAG آبدوست بوده و تمایل زیادی به جذب ترکیبات هیدراته دارند. این عامل می تواند منجر به تغییر رنگ روغن PAG در تقابل با تقلیل اثر برخی از ادتیوهای آن (همان Additive depletion) شود که بیشتر شامل ادتیو های EP و AW است. تقلیل اثر این تیپ ادتیوها که به مرور اتفاق می افتد می تواند منجر به آزاد شدن برخی ترکیبات شیمیایی در جریان روغن شود که حضور آب بعنوان یک ترکیب قطبی در جریان روغن در همراهی با این ترکیبات معمولا معدنی اثراتی چون تغییر رنگ را رقم خواهد زد که تا زمانی که روی عملکرد روغن اثر نداشته باشد، مشکلی ایجاد نمی کند.

4. نتیجه گیری و ارائه راهکار

روغن شما سالم است و در حال طی دوران عمر خود است. این روغن مشکلی برای کار در تجهیز شما ندارد. انجام تست های تکمیلی مانند RPVOT توصیه نمی شود (هدر دادن وقت و پول است و تفسیر آن نیز کار هر کسی نیست!). شاخص هایی که باید در آنالیز های بعدی سفارش دهید به شرح زیر تقدیم شده است:

- TAN vs pH

- VI (kV40 & kV100)

- PQ vs Fe

5. منابع و مآخذ

در نگارش این مقاله در رابطه با انحلال پذیری گاز فرآیندی در جریان روغن PAG کمپرسوری و تاثیر آن بر پارامترهای آنالیز روغن، علاوه بر تجربیات و مشاهدات شخصی، از منابع زیر نیز بهره برداری شده است که فهرست کوتاهی از آنها جهت مطالعه بیشتر خوانندگان محترم در این حوزه به شرح زیر تقدیم شده است:

1. G.E. Totten, R.J. Bishop, Natural Gas Compressor Maintenance and Lubricant Requirements, Web article, available at https://www.machinerylubrication.com/Read/393/natural-gas-compressors-maintenance , accessed February 19, 2023;

2. International Organization for Standardization (ISO), ISO 6743-3:2003(E), Lubricants, oils and related products (class L) — Classification — Part 3: Family D (Compressors), First edition 2003-10-15, http://www.iso.org;

3. D. Beatty, M. Greaves, Polyalkylene Glycol Synthetic PAG Oil Explained, Machinery Lubrication (9/2006), Web article, available at https://www.machinerylubrication.com/Read/930/pag-synthetic-oil, Accessed February 19, 2023;

4. FUCHS Europe Schmierstoffe GmbH, RENOLIN LPG: High-performance synthetic gas compressor lubricants based on polyalkylene glycol (PAG), Product Information, PI 4-1071; PM 4 / 08.08, http://www.fuchs-europe.de

رسانایی الکتریکی روغن و تخلیه الکترواستاتیک: مطالعه موردی

درود فراوان به تمامی مخاطبان محترم این وبلاگ مهندسی

موضوع این مقاله در رابطه با پاسخ به سوال واصله از سوی یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ در رابطه به رسانایی الکتریکی یک روغن کمپرسور است که مستمسکی شد برای نگارش یک مقاله نسبتا مفصل درباره این مشکل و راه های مناسب برای غلبه بر آن

شرح سوال: برای کم کردن یا خنثی سازی اثرات مخرب پدیده ESD (ElectroStatic Discharge) روی روغن کمپرسور Screw مخازن آمونیاک که باعث تخریب روغن و جدا شدن ادتیوهای آن می شود، چه راهکاری پیشنهاد می کنید؟

تا چند سال پیش از روغن Shell Clavus 68 استفاده می‌کردیم تا اینکه خرابی برینگ و آسیب به کمپرسور زیاد شد؛ بررسی کردیم و متوجه شدیم این روغن چند سال است که از تولیدات شل خارج شده و در واقع، روغن های تقلبی خریداری میشده تابحال! با تجربه ای که در مورد مشابه داشتیم، از روغن بهران سرد ویژه 68 استفاده می کنیم (در حال حاضر). راستش در مورد اینکه رسانایی الکتریکی روغن ما چقدر است؟ هیچ اطلاعی ندارم!

و در پایان اینکه:  با اطمینان نمی تونم بگم ولی اثرات جرقه های بسیار کوچک در قسمت پوسته خارجی فیلتر، نشست جرم بشکل منظم رو فیلتر، مرتب با افزایش دلتا پی مواجهه و بنظر می رسد ادتیوهای روغن جدا شده باعث گرفتگی فیلتر روغن می شود و در نتیجه خرابی تجهیز، ضمن اینکه با سانتریفیوژ و پیوری فایر روغن را تمیز میکنیم.

برای پاسخ به این سوال و با توجه به شرحی که داده شد، و البته از آنجا که فکر می کنم این مشکل شاید مشکل واحد های صنعتی دیگری نیز در ایران باشد، ابتدا با مقدمه ای بر اینکه اصلا رسانایی الکتریکی روغن چی هست؟! شروع می کنم. سپس به بررسی تاثیر تخلیه الکترواستاتیک یا ESD روی کیفیت روانکار و فیلتر خواهیم پرداخت. طی مرحله بعد، دو روغن معرفی شده در شرح سوال مورد بررسی از منظر رسانایی الکتریکی قرار گرفته و در نهایت، به نتیجه گیری و ارائه راهکار پیشنهادی می رسیم. منابع و مآخذ مورد استفاده در تدوین این مقاله نیز در انتهای مقاله مورد اشاره قرار گرفته اند برای مطالعه بیشتر علاقمندان

1. مقدمه ای بر رسانایی الکتریکی روغن

اولین تلاش ها برای اندازه گیری رسانایی الکتریکی فیلمی از جریان روغن به 1940 و حین تلاش برای تعیین الگوی رفتاری فیلم روغن در گذار از رژیم روغنرسانی هیدرودینامیک به روغنرسانی مرزی بازمی گردد که شامل اعمال ولتاژی اندک (حداکثر 0.1V) به فیلم روغن تشکیل شده در یک ماشین چهار ساچمه ای (Four-ball Machine) در حال چرخش تا زمان رسیدن سکون جریان روغن و اندازه گیری مقاومت الکتریکی فیلم روغن ایستا بود. نتایج چنین روش آزمونی حاکی از آن بود که رژیم روغنرسانی هیدرودینامیک مستلزم مقاومت بسیار بالای فیلم روغن (بیش از 10⁴Ω) است. همزمان، تلاش برای مطالعه رفتار فیلم روغن در زمینه رسانایی الکتریکی از طریق ویسکومترهای دیسکی، و بعدها در 1946، با تعیین روشی بمنظور اندازه گیری مقاومت فیلم روغن بین رینگ پیستون و پیراهن سیلندر یک موتور درونسوز ادامه یافت [9].

بنا به تعریف، رسانایی الکتریکی عبارتست از مقدار الکتریسیته ای که در هر واحد از مساحت توسط توده ای از یک جسم (در اینجا: مایع) در حضور مقدار معلومی از ولتاژ (بعنوان اختلاف پتانسیل بین دو نقطه از آن توده مایع) منتقل می شود [1]. از آنجا که این دو نقطه از توده مایع بالاخره یک فاصله ای از هم باید داشته باشند، ناگزیر از دخیل کردن طول در بیان واحد اندازه گیری رسانایی الکتریکی روغن هستیم. پس، واحد اندازه گیری رسانایی الکتریکی با عکسِ واحد مقاومت الکتریکی (1/ohm که بصورت mho نوشته می شود جهت سهولت نمایش) در واحدی از طول بیان می شود؛ مثلا mho/cm. در خصوص واحد اندازه گیری، Siemens/cm [1]، pSiemens/m یا به اختصار: pS/m [2,3,4,5,6,7,15,16,17,18,23,25]، S/m [8]، C.U (مخفف Conductivity Unit) [15,17,18]، و µS/cm [10] از جمله واحد های رایج هستند که در این مقاله، از واحد اندازه گیری pS/m (پیکوزیمنس بر متر) استفاده خواهد شد. برای درک بهتر، یک پیکوزیمنس بر متر برابر است با 10~12 ohm [6] و رابطه کلی آن برای عبارتست از [15,16,17,18]:

 

1.1 مقدار معمول برای رسانایی الکتریکی توده ای از روغن صنعتی چقدر است؟

روغن پایه صنعتی، در شرایطی که عاری از هرگونه آلودگی و رطوبت باشد، رسانایی الکتریکی در بازه 1e-9~1.4e-8 pS/m را از خود نشان می دهد. [1]. بنابراین، میزان رسانایی الکتریکی در یک روغن صنعتی خالص و تمیز آنقدر کم و اندک است که نمی توان آن را رسانای الکتریسیته دانست [2,4]. پس شاید درست باشد این نتیجه گیری که می توان از روغن های صنعتی، در شرایط عادی و متعارف، بعنوان عایق الکتریکی استفاده کرد. مانند چیزی که در روغن های ترانسفورماتور شاهد هستیم. البته باید به این نکته نیز توجه کرد که هدف از روغن های ترانسفورماتور روغنرسانی نیست [2]. اما، حقیقت اینست که رسانایی الکتریکی روغن در اثر عوامل متعددی همواره در معرض افزایش است که ذیلا به این عوامل و تاثیر هر یک خواهیم پرداخت:

1.2 عوامل موثر بر افزایش رسانایی الکتریکی روغن:

الف) روغن پایه: روغن های پایه تشکیل دهنده سیستم روانکارهای صنعتی براساس استاندارد API 1509، پیوست E، به پنج گروه تقسیم می شوند. جدول 1 را ببینید:

جدول 1: روغن های پایه و رسانایی الکتریکی آنها [2,3,14]

 

ب) ادتیوها: هرچند رسانایی الکتریکی روغن پایه اندک و ناچیز شمرده می شود، اما حضور انواع ادتیو (بویژه گروه AW) می تواند منجر به افزایش شدید رسانایی الکتریکی روغن شود [7]. بطورکلی، حضور ادتیوهای فلزی در سیستم روغن (بویژه ZDDP) منجر به افزایش (به گفته برخی منابع: چندبرابری [7,10]) رسانایی الکتریکی آن می شود (جدول 2 را ببینید). از این رو، روغن های هیدرولیک، توربین، و موتوری که غنی از این تیپ ادتیو هستند، اغلب دارای رسانایی بالایی هستند [2,3,5,7,23] (جدول 3 را ببینید).

نمونه ای از این تاثیر را می توان در یک نمونه گریس لیتیوم کمپلکس با NLGI 2 و روغن پایه PAO دید که رسانایی الکتریکی آن در سه نمونه مطالعه شده است:

- گریس بدون ادتیو

- گریس با ادتیو فلزی مس (Cu)

- گریس با ادتیو نافلزی گرافیت

نتیجه این مطالعه در نمودار شکل 1 مشهود است [10].

شکل 1: رسانایی الکتریکی سه نمونه از گریس لیتیوم کمپلکس با روغن پایه PAO بعنوان تابعی از دما در دو حالت افزایش و کاهش دما [10]

نمودار شکل 1 نشاندهنده این حقیقت است که بکارگیری ادتیو فلزی مس (Cu) در گریس موجب افزایش شدیدی در رسانایی الکتریکی گریس می شود. این در حالیست که رفتار گریس در زمینه رسانایی الکتریکی در حالت ورود ادتیو گرافیت (که البته نافلز ولی همچنان رسانای الکتریسته است) کاملا نسبت به حالت عدم وجود ادتیو تغییر می کند.

جدول 2: رسانایی الکتریکی روغن توربین براساس روش تست ASTM D4308 (pS/m) [7]

 

جدول 3: رسانایی الکتریکی انواع روغن های صنعتی (pS/m) [3,7]

 

با توجه به جدول 3، براساس محدودیت های زیست محیطی که اخیرا برای استفاده از ادتیوهای حاوی روی (Zinc) در سنتز انواع روغن (بویژه روغن های موتوری و هیدرولیک) اعمال شده است، شاهد رواج تولید انواع روغن های هیدرولیک، توربینی، و موتوری بدون خاکستر (Zinc free) هستیم که پایه آن بر عدم استفاده از ادتیو ZDDP است. حذف ZDDP که ادتیوی چند منظوره (ضد خوردگی، ضد سایش، و آنتی اکسیدان [2,3]) است موجب کاهش شدید رسانایی الکتریکی می شود [2,3,31] (جدول 3 را ببینید) و همین می تواند روغن های بدون خاکستر را در معرض تخلیه نابهنگام بار الکترواستاتیک یا ESD (ElectroStatic Discharge) قرار دهد [2,3]. بدین منظور، روغن های صنعتی براساس تمایل آنها به رسانایی الکتریسیته به سه دسته تقسیم می شوند [7,15]:

- روغن های با رسانایی الکتریکی بالا: شامل روغن های صنعتی که رسانایی الکتریکی آنها بیش از 50pS/m باشد؛

- روغن های با رسانایی الکتریکی پایین: شامل روغن های صنعتی که رسانایی الکتریکی آنها کمتر از 50pS/m باشد؛ و

- روغن های با رسانایی الکتریکی خیلی پایین: شامل روغن های صنعتی که رسانایی الکتریکی آنها 2pS/m باشد [15].

ج) اختلاف دما: پس از روغن پایه و ادتیو ها، دمای جریان روغن سومین عامل تاثیرگذار روی رسانایی الکتریکی آن است. در حالت کلی و در مورد روغن های مینرال، افزایش دما موجب بالا رفتن رسانایی الکتریکی روغن می شود. چراکه افزایش دما موجب تشدید فعالیت الکترون ها شده و بدین ترتیب، بار الکتریکی با سرعت و راحتی بیشتری منتقل می شود [1,2,3,23] و برعکس. اما، باید توجه کرد که رابطه دما و رسانایی الکتریکی روغن خطی نیست [2,3,8,23,26] و در سیستم های متفاوت روغن، رفتار رسانایی الکتریکی می تواند متفاوت باشد [2,3]. این بدان معنیست که با افزایش دمای جریان روغن، قطعا رسانایی الکتریکی افزایش خواهد یافت (و برعکس). اما، نحوه این افزایش یا کاهش می تواند خطی نباشد (شکل 2 را ببینید).

شکل 2: رابطه دما و رسانایی الکتریکی یک روغن [3]

علاوه بر خطی نبودن و عدم هماهنگی و یکسانی رفتار انواع روغن در زمینه رسانایی الکتریکی در واکنش به حرارت، باید به این نکته نیز توجه کرد که با فرض دمای ثابت، رسانایی الکتریکی جریان روغن همچنان عدد ثابتی نیست و این عدم ثبات از تاثیرپذیری آن از واکنش شیمیایی انواع ادتیو، ذرات فلزی محصول سایش، واکنش روغن با سطوح فلزی، حضور ترکیبات آبدار، و در نهایت، حضور محصولات فرآیندهایی چون اکسیداسیون و پیرسازی روغن نشات می گیرد [3,4]. از این رو، شایسته می داند که بجای دخیل دانستن دما در مقدار رسانایی الکتریکی روغن، از اختلاف دما (یعنی اختلاف بین دمای کاری اسمی روغن و دمای لحظه ای جریان آن [4]) بعنوان شاخصی برای تاثیر بر رسانایی الکتریکی یک روانکار بهره برد. اختلاف دما بصورت زیر تعریف می شود:

در رابطه 1، ΔT بیانگر اختلاف دما، T_R نماینده دمای مرجع یا نزدیکترین دما به دمای کاری اسمی روغن، و T_C نشاندهنده دمای لحظه ای جریان روغن است [4]. مکانیزم تاثیر اختلاف دما ΔT بر رسانایی الکتریکی روانکار κ (کاپا) در نمودار شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3: نمو رسانایی الکتریکی روغن برحسب اختلاف دما [4]، خطای برازش منحنی: 0.07 درصد

براساس نمودار شکل 3، بازای حدود 3 درصد اختلاف دما، رسانایی الکتریکی باندازه 25 درصد تغییر می کند [4]. بنابراین، آیتم اختلاف دما (با تعریفی که بالاتر برای آن بیان شد) را می توان دارای سهم بزرگی در کنار انواع ادتیو حاضر در ترکیب شیمیایی روغن روی رفتار رسانایی الکتریکی آن دانست. اما این تمام ماجرا نیست و عامل مهم دیگری نیز روی رسانایی الکتریکی روغن تاثیرگذارست که در ادامه بدان می پردازیم.

د) ناخالصی ها: همانطور که در جدول 1 دیدیم، روغن خالص از رسانایی الکتریکی اندکی برخوردارست. بنابراین می توان روغن خالص را در دمای اتاق عایق الکتریکی فرض کرد. اما، روانکارهای صنعتی طی فرآیند تولید خود با ادتیوهای مختلفی ترکیب می شوند که هریک بنا به طبیعت خود از مقادیر معتنابهی از یون های فلزی برخوردارند و همین عامل موجب تفاوت رفتار روانکارهای مختلف در زمینه رسانایی الکتریکی می شود [2]. ناگفته پیداست که روانکارهای صنعتی طی فرآیندهایی که پس از تولید تجربه می کنند؛ اعم از بسته بندی، حمل، انبارش، و گردش در تجهیز، اصطلاحا تمیز نمی مانند و شاهد ورود ناخواسته یا ناگزیر ناخالصی هایی بدرون آنها هستیم. اما ناخالصی های روغن دقیقا چیستند؟

ناخالصی های وارده به جریان روغن می توانند شامل انواع ذرات خارجی یا حتی توده هایی از ملکول های خودِ روغن باشند [9]. همین موضوع، تعیین دقیق طبیعت ناخالصی های حاضر در ترکیب یک نمونه روغن (نو یا کارکرده) را عملا غیرممکن می کند؛ چراکه این تعریف طیف بسیار وسیعی از مواد آلی و معدنی را در خود جای می دهد: از ذرات فلزی و نافلز (انواع نمک) گرفته تا انواع اسید و باز و حتی توده های ژله ای وارنیش خودِ روغن [1,2,3,4,9]. بنابراین، از آنجا که میزان وابستگی ناخالصی های درون نمونه روغن به حرارت در زمینه رسانایی الکتریکی آنها قابل شناسایی نیست [4]، توسل به الگوریتم های تصحیحی (Correction Algorithms) بمنظور دستیابی به یک تقریب بهتر از ارتباط بین رسانایی الکتریکی یک نمونه روغن کارکرده و اختلاف دمای حاکم بر مسیر جریان روغن الزامی بنظر می رسد. پایه این الگوریتم قاعدتا باید بر ضابطه معمولا چند جمله ای (Polynomial Curve Fit) قرار داشته باشد که از رفتار رسانایی الکتریکی یک روغن در یک نقطه دمایی (بعنوان دمای لحظه ای) خوانده می شود. درست مانند ضابطه ای که در شکل 3 نشان داده شد. صورت کلی الگوریتم تصحیحی فوق به شرح زیر است:

متغیرهای نشان داده شده در معادله 2 به ترتیب و از چپ به راست عبارتند از:

- _Rκ: رسانایی الکتریکی تصحیح شده نمونه روغن کارکرده در نقطه دمایی کاری اسمی روغن

- _R,0κ: رسانایی الکتریکی اندازه گیری شده نمونه روغن کارکرده در دمای کاری اسمی روغن

- ΔT: اختلاف دما به شرح تعریف شده در معادله 1

- a و b و c: ضرایب تابع چندجمله ای منحنی برازش شده روی نمودار نمو رسانایی الکتریکی روغن نسبت به اختلاف دما (شکل 3 را ببینید)

- _Mκ: رسانایی الکتریکی اندازه گیری شده نمونه روغن کارکرده در دمای لحظه ای جریان روغن [4]

از آنسو، ثابت دی الکتریک یک روغن بصورت توانایی آن روغن بمنظور انتقال انرژی پتانسیل الکتریکی تعریف می شود. بدین ترتیب، یک روغن دی الکتریکی از رسانایی الکتریکی ضعیفی برخوردارست، اما از سوی دیگر، می تواند بار الکتریکی دریافتی از میدان الکتریکی اطراف خود را در خود نگه دارد. بنا به تعریف، دی الکتریک بودن یک روغن با یک عدد ثابت قابل بیانست که خود بیانگر نسبت سرعت یک میدان الکتریکی محیط بر مدار روغن به سرعت همان میدان الکتریکی در محیط خلاء است [32].

اگر سیستم روغن را مخلوطی همگن از چندین ماده فرض کنیم، رابطه لیشتِنِکر (Lichtenecker) را می توان برای محاسبه ثابت دی الکتریک بکار بست:

که در رابطه شماره 3:

- _rε: ثابت دی الکتریک

- _r,addε: گذردهی الکتریکی (Permitivity) ادتیوها

- _r,oilε: گذردهی الکتریکی روغن پایه

- f: کسر حجمی ادتیوها

- 1-f: کسر حجمی روغن پایه [4]

وقتی ثابت دی الکتریک یک روغن کارکرده اندازه گیری می شود، توجه به تغییرات آن نسبت به روغن نو می تواند نشاندهنده حضور ترکیبات جدیدی (اعم از آلودگی های محیطی مانند ذرات آب یا گرد و غبار) در سیستم روغن بعنوان یک مخلوط همگن یا تغییر در خواص شیمیایی روغن (اعم از اضمحلال ادتیوها یا اکسیداسیون) باشد [32]. شاهد این مدعا را می توان در نمودار شکل 4 مشاهده کرد:

شکل 4: رفتار گذردهی الکتریکی روغن ε_r بصورت تابعی خطی از میزان حضور آب در ترکیب روغن [4]

مطابق نمودار شکل 4 که براساس معادله شماره 3 (معروف به معادله لیشتِنِکر) ترسیم شده است، با افزایش کسر حجمی آب در مخلوط همگن روغن بعنوان یک آلودگی محیطی، میزان ثابت دی الکتریک این سیستم از روغن بدون ادتیو بصورت خطی بالا رفته و به تبع آن، رسانایی الکتریکی روغن کاهش می یابد. این بدان معنیست که نمونه روغن آبدار و بدون ادتیو نشان داده شده در شکل 4 تمایل بیشتری نسبت به حفظ بار الکتریکی القا شده بدان نسبت به حالت عدم آلودگی به آب دارد. این پدیده، بعنوان مثال، در روغن های توربینی و هیدرولیک کلاس H که از کمترین میزان ادتیو در ترکیب خود برخوردارند، در صورت آلودگی به آب می تواند موجب افزایش ثابت دی الکتریک در یک الگوی خطی شده تمایل روغن به حفظ بار الکتریکی القایی بدان و آزاد کردن ناگهانی آن بشکل جرقه یا حتی قوس را در بخش دیگری از مدار روغن (مثلا روی فیلترها یا...) افزایش دهد.

درست مانند رسانایی الکتریکی که بالاتر بحث شد، ثابت دی الکتریک نیز از اختلاف دما تاثیر می پذیرد. بدین شکل که افزایش دما موجب کاهش ثابت دی الکتریک (حداقل در روغن های هیدروکربنیک) می شود. هرچند، این کاهش اندک و خطی بوده و در بازه 0.0013~0.05 درصد بازای هر درجه سلسیوس تغییرات دمایی قرار می گیرد. شکل 5 نمونه ایی از رفتار خطی ثابت دی الکتریک نسبت به تغییرات دما برای سه هیدروکربن پارافینیک ساده را نشان می دهد [32].

شکل 5: نمو ثابت دی الکتریک بصورت تابعی خطی از دما برای سه هیدروکربن پارافینیک [32]

بعنوان یک رابطه سه جانبه، دانسیته روغن نیز بر رفتار دی الکتریک آن در تناسب با تغییرات حرارتی تاثیر گذارست. چراکه افزایش حرارت موجب کاهش دانسیته روغن شده و کاهش دانسیته نیز خود به معنی حضور تعداد کمتری از ملکول های روغن در حجم ثابت است که این خود بمعنی وجود برهمکنش کمتر با میدان الکتریکی محیط بر همان حجم ثابت از روغن است که نتیجه ای جز کاهش ثابت دی الکتریک نخواهد داشت (در همین راستا، همانطور که در شکل 5 مشهودست، با افزایش عدد کربن در هیدروکربن های پارافینیک نشان داده شده در این نمودار از 8 به 16، ثابت دی الکتریک در اثر پلاریزاسیون بیشتر ناشی از افزایش سایز ملکول ها، بیشتر خواهد شد). بنابراین، می توان نتیجه گرفت که افزایش حرارت موجب کاهش دانسیته و به تبع آن، کاهش ثابت دی الکتریک خواهد شد [32]. شکل 6 رفتار سه هیدروکربن پارافینیک ساده را به نمایش می گذارد. حال آنکه روغن های مینرال معمول اغلب ساختاری پیچیده داشته و مخلوط ناهمگنی از پارافین های ساده و شاخه دار، زنجیره های ملکولی نفتنیک، و ترکیبات آروماتیک بوده و اغلب بین 20 تا 30 اتم کربن در خود دارند. بازه معمول از ثابت دی الکتریک در روغن های صنعتی مینرال و سینتتیک در جدول 4 نشان داده شده است:

جدول 4: ثابت دی الکتریک برای انواع روغن های روانکار [32]

 

اطلاعات جدول 4 از آن جهت مهم است که بدون توسل به آزمون های پیچیده و نسبتا گرانی مانند FTIR و صرفا با انجام تست ساده ایی مانند ثابت دی الکتریک می توان به وضعیت سلامت یک روغن پی برد. بعنوان مثال، آب در دمای اتاق از ثابت دی الکتریکی در حدود 70 برخوردارست. بنابراین، شناسایی وجود آب بعنوان عامل آلودگی محیطی در نمونه روغن مینرالی که در حالت خالص، ثابت دی الکتریکی باندازه حداکثر 2.4 را ابراز می کند، عملی سهل می نماید. از دیگر سو، هرگونه افزایش ناگهانی در مقدار ثابت دی الکتریک یک نمونه روغن (بطور خاص و مشخص: بیش از 0.01) می تواند نشاندهنده وجود آلودگی، اضمحلال شیمیایی، یا اکسیداسیون در آن باشد [32]. نمایه ایی از چنین رفتاری را می توان در شکل 6 مشاهده کرد.

شکل 6: افزایش ثابت دی الکتریک یک روغن آلوده به مقدار مشخصی از آب در طول زمان [32]

این نمودار رفتار دی الکتریک روغنی را نشان می دهد که تعمدا به مقدار تعریف شده و مشخصی از آب آلوده شده باشد. البته باید تاکید کرد که ادتیوها نقش بازدارنده ویژه ای روی رفتار دی الکتریک روغن در صورت آلودگی به آب بازی می کنند. بدین ترتیب، هرچه تنوع و تعداد ادتیو بیشتری در ترکیب شیمیایی روغن حضور داشته باشد، شیب افزایش ثابت دی الکتریک در طول زمان سرویس دهی روغن کمتر خواهد شد. هرچند، این ادع همیشه صحیح نیست و نمونه ناقض آن، گروه امولسیفایرها هستند که موجب پراکنده شدن حجم آب وارده به جریان روغن بصورت قطرات بسیار ریز می شوند. این قطرات آنقدر کوچکند که روی خواص دی الکتریک روغن تاثیر محسوسی نمی گذارند. مثل نغز چنین حالتی مقایسه بین یک روغن موتور (Mobil Super 1300) و یک روغن کمپرسور اسکرو (Gardener Denver) است که در نمودار شکل 7 نشان داده شده است [32].

شکل 7: مقایسه ایی از رفتار دی الکتریک بین دو روغن موتوری (قرمز) و کمپرسوری (آبی) [32]

همانگونه که در شکل 7 مشهودست، از آنجا که روغن کمپرسوری امولسیفایر اندکی در خود دارد با شیب بیشتری در تناسب با روغن موتوری که سرشار از ادتیوهای گروه امولسیفایر محسوب می شود، ثابت دی الکتریک خود را با توجه به گسترش آلودگی آب افزایش می دهد [32].

پس از شناخت عوامل موثر بر رسانایی الکتریکی یک روغن، می توان به تاثیر این پارامتر فیزیکی بر خواص سیستم روغنرسانی پرداخت.

1.3 نحوه اندازه گیری رسانایی الکتریکی روغن:

رسانایی الکتریکی یک روغن را می توان با توسل به الکترومتر، باتری، و یک سلول رسانایی الکتریکی اندازه گیری کرد [15] که شماتیکی از دستگاه اندازه گیری و اجزای مختلف آن به همراه نحوه اتصال مدار حاوی سلول رسانایی الکتریکی به زمین، به ترتیب، در شکل های 8 و 9 نشان داده شده است. روش کار بر این اصل استوار است که رسانایی الکتریکی روغن بعنوان مقاومت بین دو الکترود غرق شده در نمونه روغن و با فاصله ثابت و معین از یکدیگر متصل به یک آمپرمتر اندازه گیری می شود [1].

شکل 8: شماتیکی از تجهیزات لازم برای اندازه گیری رسانایی الکتریکی یک روغن صنعتی [18,19]

 

شکل 9: شماتیکی از نحوه اتصال مدار سلول رسانایی الکتریکی به زمین و آمپرمتر [19]

نحوه اندازه گیری رسانایی الکتریکی روغن های صنعتی به دو بخش روش های آزمایشگاهی و میدانی تقسیم می شود که روش آزمایشگاهی در استاندارد های ASTM D2624 [2,3,6,10,15] و DIN 51412-2 و روش میدانی در استاندارد های ASTM D4308 و DIN 51412-1 تشریح شده است [15,16,17,18,19]. هرچند، ذکر این نکته را لازم می داند که روش مندرج در استاندارد ASTM D4308 هم برای آزمایشگاه کاربرد دارد و هم برای موارد میدانی [18].

2. تخلیه الکترواستاتیک (ESD)

رسانایی الکتریکی جریان روغن موجب پدیده ای بنام تخلیه بارِ الکترواستاتیک (Electrostatic Discharge یا به اختصار: ESD) می شود که از دیدگاه فنی، همیشه بشکل جرقه بوده و هیچگاه در هیات و هیبت قوس خود را نشان نمی دهد [15]. اما، مکانیزم ارتباط بین رسانایی الکتریکی یک روانکار و تخلیه الکترواستاتیک به چه صورت است؟

گفتیم که رسانایی الکتریکی روغن با اعمال ولتاژ به دو الکترود آلومینیومی که در فاصله ای معین و ثابت از یکدیگر قرار داشته و در نمونه روغن غرق هستند اندازه گیری می شود. این ولتاژ (اختلاف پتانسیل) موجب شدت جریانی مشخص با توجه به مقاومت ذاتی روغن (بعنوان رسانا یا نارسانای الکتریسیته) می شود که بوسیله آمپرمتر نشان داده خواهد شد [1] (شکل 9 را ببینید). این ولتاژ، قطعا از ولتاژ شکست دی الکتریک پایینتر است. اما ولتاژ شکست دی الکتریک چیست؟

ولتاژ شکست دی الکتریک یا Dielectric breakdown voltage عبارتست از ولتاژی که در آن یک جسم عایق یا دی الکتریک تخریب شده یا شروع به انتقال جرقه در اثر اعمال بار میدان (های) الکتریکی اطرافش می کند. این مشخصه که با kV (کیلوولت) بیان می شود، یکی از مهمترین مشخصات روغن های عایق است. اما در مورد روغن های روانکار و انواع گریس که لزوما عایق الکتریسیته بودن از آنها انتظار نمی رود، دو مشخصه رسانایی الکتریکی و ولتاژ دی الکتریک به همراه یکدیگر در کاربردهایی مهم می شوند که تجهیز تحت روانکاری تحت القای جریان الکتریکی یا در معرض میدان الکتریکی قوی قرار داشته باشد. بدین ترتیب، اگر روانکار از رسانایی الکتریکی کافی برخوردار باشد، جریان الکتریسیته جذب روانکار شده یا بدون ایراد خطر برای تجهیز (مثلا سطح برینگ) به زمین متصل می شود [1]. بدین ترتیب، اگر مقاومت الکتریکی روغن خیلی بالا باشد (یعنی رسانایی الکتریکی اش خیلی پایین باشد)، و ولتاژ بالایی تولید شود، فیلم روغن شروع به جرقه زدن خواهد کرد که منجر به ایجاد سوراخ های بسیار ریز در جای جایِ سطح بخش های مختلف برینگ خواهد شد. اسکن الکترونیکی این سوراخ های ریز نشان از ایجاد آنها توسط قطعات مذاب فلزی دارد. بنابراین، در تجهیزات و ماشین آلاتی که مگنت های بزرگ یا قوی در ساختار آنها بکار رفته باشد و تشکیل بارهای الکتریکی خیلی قوی یک ریسک همیشگی و کاملا رایج است، امکان جرقه زدن جریان روانکار (علیرغم اتصال به زمین بودن تجهیز) همیشه وجود دارد [1]. بنابراین، و بعنوان یک قانون کلی برای تمامی روغن ها (چه مینرال و چه سینتتیک)، در دمای ثابت 20°C روغن هایی که دارای رسانایی الکتریکی بیش از 400pS/m باشند کمتر از معرض خطر ESD قرار داشته و برعکس: روغن های صنعتی که رسانایی الکتریکی آنها کمتر از 400pS/m باشد، راحتتر در معرض ESD قرار خواهند گرفت [2,3,25]. بعنوان مثال، فرمولاسیون روغن های توربینی نوین رسانایی الکتریکی کمتر از 10pS/m را از خود ابراز می کند که نشاندهنده حساسیت زیاد این تیپ از روغن های توربینی به ESD است [25].

در همین راستا، و با توجه ویژه به روغن های مینرال، می توان گفت که با افزایش درجه پالایش روغن، میزان قطبیت و به همان ترتیب: رسانایی الکتریکی آن روغن کاهش می یابد (جدول 1 را ببینید). این بدان معنیست که روغن های پایه زیرمجموعه گروه II و III نسبت به روغن های پایه گروه I از قطبیت کمتر و رسانایی الکتریکی بالاتری برخوردار بوده و از این رو، نسبت به ESD یا تخلیه بار استاتیکی حساسیت بیشتری دارند [2]. از این رو، در مورد روغن های توربینی و هیدرولیک های مدرن که از روغن های پایه گروه II و III در سنتز آنها استفاده شده باشد، حد رسانایی الکتریکی قابل پذیرش برای اجتناب از خطر ESD روی حداقل 1000pS/m قرار داده شده است [3].  

اما، بارِ الکترواستاتیک از کجا می آید؟

شرط اصلی تولد بار الکترواستاتیک اصطکاک بین دو سطح است که نسبت به یکدیگر در حال حرکت باشند [5,30]. در مورد مدارهایی که روغن را بعنوان سیال عامل درون خود دارند، تولید بار الکترواستاتیک در سطح ملکولی و بین دو ماده ناهمگون رخ می دهد. با این تعریف، هر روغن جاری در لوله های مدار روغنرسانی (از هر جنسی!) مستعد تولید بار الکترواستاتیکی است؛ با این تفاوت که جریان روغن می تواند در یک بخش از مدار منفی و در بخشی دیگر مثبت باشد (شکل 10 را ببینید). وقتی روغن از میان یک لوله یا ساختاری با خلل و فرج ریز (مانند فیلتر) عبور می کند، بارِ الکترواستاتیک را همراه خود به پایین دست مدار منتقل می کند (البته رفتار روغن های مینرال و سینتتیک در این زمینه متفاوت است. بطوریکه روغن های مینرال بار مثبت را به المان فیلترینگ و بار منفی را به پایین دست منتقل می کنند. حال آنکه روغن های سینتتیک برعکس عمل می کنند [28]). به این بار الکتریکی، برق ناشی از جریان روغن یا Streaming Current گفته می شود که بوسیله یک آمپرمتر ساده قابل اندازه گیری است [5,29].

شکل 10: نحوه تشکیل برق ناشی از جریان روغن و نحوه اندازه گیری آن در یک لوله روغن [5,29,31]

بار الکترواستاتیک تشکیل شده در روغن های جاری در لوله های یک مدار روغنرسانی به سمت جداره لوله ها، بدنه مخزن روغن، یا سطح قطعات در تماس با فیلم روغن (مانند فیلترهای روغن که از بخش های پلاستیکی و لاستیکی متعددی بعنوان عایق الکتریسیته در تماس با روغن باردار الکتریکی هستند [2]) تخلیه شده و نرخ تخلیه نیز وابسته به مشخصات الکتروشیمیایی روغن و ادتیو های تشکیل دهنده آن بوده و از طریق رابطه زیر قابل محاسبه است [5]:

که در رابطه شماره 4:

- Q_t: بار الکتریکی در زمان t

- Q₀: بار اولیه

-t : ثابت زمانی تخلیه بار الکتریکی (شاخصی برای 37 درصد از تخلیه بار الکتریکی)

- τ: شاخص دی الکتریک که از رابطه (5) حساب می شود:

که در رابطه شماره 4:

- ε_r: ثابت دی الکتریک روغن که از رابطه (3) حساب می شود

- ε_r,0: ثابت دی الکتریک مطلق (برابر با ثابت دی الکتریک خلا 8.854×10^-12 F/m)

- _Rκ: رسانایی الکتریکی روغن برحسب pS/m که از رابطه (2) حساب می شود [5]

در صورتیکه جداره لوله های حاوی روغن از جنس رسانا (لوله های فلزی و ...) باشند، بار الکتریکی که از قطبیتی مخالف با پلاریته روغن برخوردارست (شکل 10 را ببینید) به آنها القا شده و در حالتیکه سطح خارجی مدار روغن متصل به زمین باشد (گراند شده باشد)، مقدار بار الکتریکی خالص برابر با صفر خواهد بود. در غیر اینصورت، بار الکتریکی به تدریج روی هم انباشته خواهد شد تا اینکه به یکباره فرصت تخلیه بیابد [5]. این تخلیه بیشتر در بخش هایی مانند مخزن روغن یا فیلترها رخ داده [2] و همیشه از سطحی با ولتاژ بالاتر به سطوحی با ولتاژ پایینتر (معمولا زمین) روی می دهد که صورت شکلی و فیزیکی آن جرقه های پرانرژی و معمولا پرصدایی است (شبیه صدای کلیک پرتکرار موس [5,29,30]) که فرکانس بین کلیک ها را نرخ تخلیه بار تعیین می کند [5]. مثال بارز چنین پدیده ای، اختلاف ولتاژ (AC یا DC) بین شفت و پوسته برینگ در روتور توربین بخار جنرال الکتریک است [21]. بدیهیست اختلاف پتانسیل هایی از این دست اگر در محیطی اشتعال پذیر رخ دهد، می تواند عواقب ناگواری (اعم از حریق یا انفجار [2]) در پی داشته باشد (بویژه در مورد هواپیما ها و تانکرهای سوخت [29]). هرچند، ریسک بروز حریق ناشی از چنین رفتاری اغلب بسیار پایین است. چراکه این جرقه ها دوام چندانی نداشته و اغلب توسط توده روان روغن در نطفه خفه می شوند. اما، جدای از ریسک حریق، بروز حجم ممتدی از جرقه می تواند منجر به عیوبی در سطوح فلزی اطراف جریان روغن، اعم از سوراخ های ریز در مقیاس میکروسکوپیک، بویژه در سطوح چرخدنده ها و برینگ ها (شکل 11 را ببینید) و تشکیل لایه ای از لجن چرب و پرکربن (وارنیش) گردد [5].

شکل 11: سطح آبله گون و پر از سوراخ ها و پستی و بلندی های ریز (قطر 0.025~0.075 میکرون) بابیت یک تراست برینگ ناشی از تخلیه بار الکترواستاتیک نصب شده در روتور یک توربین بخار- منبع: جنرال الکتریک [21]

هرچند در مورد روغن های توربینی این قاعده صدق نمی کند [25]، اما یکی از عوامل مهم تشکیل وارنیش در روغن های موتوری و کمپرسوری تخلیه الکترواستاتیک یا ESD است [20,22]. از دیدگاه ذاتی، وارنیش توده ای لجنی است که از محصولات اصلی اکسیداسیون محلول در جریان روغن (اعم از انواع اسید، آب، و الکل ها) تشکیل شده است. این محصولات از آنجا که قطبی هستند موجب القای توانایی جذب ذرات فلزی به توده لجن می شوند که خود تدریجا موجب انباشت جرم این توده و افزایش غلظت آن است. این تغلیظ تدریجی وارنیش تنها به قطبی بودن اجزای آن وابسته نیست، بلکه به انباشت ناشی از رسیدن این اجزا به مرزهای انحلال پذیری آنها نیز وابسته است که از افزایش دما تاثیرپذیری شدیدی دارد. از قانون آرنیوس می دانیم که در محدوده دمایی بالاتر از 100°C، بازای هر 10°C افزایش دما، سرعت اکسیداسیون دوبرابر می شود که اثر مستقیمی بر تمایل روغن به تشکیل لجن وارنیش، بویژه در نقاط القای شوک حرارتی به مسیر عبور روغن، دارد. بعنوان مثال، در مدار روغنرسانی موتور های درونسوز، دمای روغن در رینگ های پیستون به بیش از 250°C می رسد [20]. اما وقتی موتور سرد باشد، روغن درون آن از ویسکوزیته بالا و رسانایی الکتریکی پایینی برخوردارست. با روشن شدن موتور و آغاز احتراق، جریان روغن به سرعتی که بلوک موتور گرم می شود، افزایش حرارت را تجربه نمی کند و این به معنی ریسک تشکیل بار الکترواستاتیک در جریان روغنیست که در حال حرکت در مسیر روغنرسانی به موتور بوده، اما، بدلیل رسانایی الکتریکی پایین همچنان در حال انباشت بار الکتریکی است. با افزایش دمای موتور و به تبع آن: جریان روغن، رسانایی الکتریکی روغن موتور افزایش یافته و از حجم بار الکتریکی انباشته همراه آن کاسته می شود. ولی باید توجه داشت که ریسک تخلیه نابهنگام بار الکترواستاتیک انباشته شده در جریان روغن سرد لحظاتی پس از روشن شدن موتور همیشه وجود دارد [26]. شکل 12 اطلاعات بیشتری را در این خصوص ارائه می کند.

شکل 12: نمودار رفتار الکترواستاتیک روغن موتور در طول مدار روغنرسانی از لحظه استارت تا گرم شدن موتور [26]

 

شکل 13: آثار ناشی از تخلیه بار الکترواستاتیک یا ESD روی بخش های مختلف یک فیلتر روغن [24]

روغن های کمپرسور هوا نیز علیرغم عدم وجود احتراق در تجهیز حتی از چنین محدوده ایی هم عبور می کنند. چراکه هوای شناور (برای اطلاعات بیشتر در مورد هوای شناور و سایر مکانیزم های انحلال هوا در جریان روغن، مراجعه به مقاله تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب در همین وبلاگ توصیه می شود) درون جریان روغن های کمپرسوری در اثر تراکم سریع روغن (و به تبع آن: فرآیند میکرودیزلینگ [27,31]) می تواند دمای روغن را به بیش از 500°C رسانده و تخلیه الکترواستاتیک نیز می تواند بصورت موضعی دمای بخش هایی از توده روغن جاری در مدار روغنرسانی را بصورت لحظه ای به بیش از 10,000°C رسانده (متغیر T_c در معادله 1) برساند. شوک حرارتی که قطعا نطفه ایست برای تشکیل لجن وارنیش [20].

شکل 14: تشکیل وارنیش روی سطوح متحمل بارِ یک تراست پد برینگ کمپرسوری [27]

شکل 15: تخلیه بار الکترواستاتیک یا ESD در مخزن روغن [29]

3. مقایسه دو روغن Shell Clavus 68 و بهران سرد ویژه 68

روغن Shell Clavus 68 روغنی مینرال و نفتنیک است (جدول 5) که تحت پالایش هیدروژنی (Hydrotreating) قرار گرفته و عملا حاوی ادتیو خاصی نیست و برای روغنرسانی به کمپرسورهای گاز آمونیاک (R717) مناسب بوده و مشخصات عملکردی آن در استاندارد DIN 51503، کلاس KAA، جدول 1، صفحه 6 [34]، تعریف شده است [33]. این توضیح لازمست که پالایش هیدروژنی عملیست که برای هیدروکربن های سبکی مانند نفتا (Naphtha) رایج بوده و برای روغن های سنگین و ارزانی مانند ایزوپارافین ها از فرآیند هیدروکراکینگ استفاده می شود. بدین ترتیب، روغن Shell Clavus یک روغن شدیدا پالایش شده است و عملا به گروه II و III روغن های پایه تعلق دارد (جدول 1 را ببینید).

جدول 5: مشخصات فنی و عملکردی روغن Shell Clavus 68 [33]

 

از دیدگاه کلی، روغن های نفتنیک از شاخص ویسکوزیته بالایی برخوردار نیستند (در مورد Shell Clavus 68 این عدد روی 34 می ایستد). اما، همین شاخص ویسکوزیته پایین در عین ضریب انتقال حرارت بالا در قیاس با انواع پارافینیک موجب چرخش بهتر آنها در مدار روغنرسانی کمپرسور گاز آمونیاک شده و به روانکاری بهتر آن در بازه های دمایی مختلف کمک می کند. در عین حال، روغن های نفتنیک در مقایسه با انواع پارافینیک به مراتب از رسانایی الکتریکی پایینتری برخوردار بوده و به تبع آن تمایل بیشتری به انباشت بار الکترواستاتیک از خود نشان می دهند [35].

روغن بهران سرد ویژه 68 نیز از خواص تقریبا مشابهی با روغن Shell Clavus 68 برخوردارست و علیرغم اینکه در وبسایت شرکت نفت بهران مستقیما اشاره نشده است، اما می توان بهران سرد ویژه را نیز یک روغن شدیدا پالایش شده و عضوی از گروه II یا III روغن های پایه بحساب آورد:

شکل 16: مشخصات فنی و عملکردی روغن بهران سرد ویژه 68 (منبع: وبسایت شرکت نفت بهران)

بدین ترتیب، هر دو روغن به گروه II یا III روغن های پایه مینرال تعلق داشته و از این رو نسبت به تخلیه الکترواستاتیک حساسیت بیشتری دارند. این بدان معنیست که هر دو روغن بهران سرد ویژه و Shell Clavus 68 بدلیل رسانایی الکتریکی پایین، تمایل زیادی به انباشت بار الکترواستاتیک دارند. بدین ترتیب و تا بدینجای کار، اینکه در مدار روغنرسانی کمپرسورهای موضوع این مقاله مدام تخلیه الکترواستاتیک یا ESD را شاهد باشیم، چیز عجیبی نیست!

4. نتیجه گیری و ارائه راهکار پیشنهادی

با عنایت به مواردی که تابحال شرح داده شد، روغن قدیم (Shell Clavus 68، تقلبی یا اصلی) و روغن جدید (بهران سرد ویژه 68) هر دو از حساسیت ویژه ای به ESD برخوردار بوده و باید در این زمینه مراقبت های لازم انجام شود.

در مجموع، علل بروز تخلیه الکترواستاتیک را می توان به شرح زیر خلاصه کرد:

- استفاده از روغن های پایه گروه II و III مینرال [3]

- اصطکاک ناشی از حرکت روغن درون لوله های مدار

- فقدان ادتیوهای قطبی مانند ZDDP در فرمولاسیون روغن [2,3]

- سرعت بالای روغن [5,3] یا دبی بالا در عبور از لوله های نازک و باریک [2,3]

- جریان ممتد روغن درون لوله ها و شیلنگ های گراند نشده (عدم اتصال به زمین) [5,3]

- رسانایی روغن کمتر از 400pS/m باشد [2,3]

- عبور روغن از میان المان های فیلترینگ یا سایر قطعات مهندسی پر خلل و فرج [5,28]

- توربولانس (اغتشاش) در الگوی جریان روغن ناشی از اعمال فشار توسط اجزای مدار روغن (مانند پمپ های سانتریفیوژ) [5]. بدلیل تحمیل حباب های هوا به جریان روغن [2,3]

- تخلیه روغن روی یک سطح آزاد یا یک منبع بزرگ [5,29] (شکل 15 را ببینید)

- قرار گرفتن روغن در معرض هوای آزاد (بعنوان مثال، در خطوط برگشت روغن ماشین آلات کاغذسازی)

- برخورد با سطح آزاد روغن، وقتی که دو سطح فلزی در حال حرکت نسبت به یکدیگر باشند. [5]

از این رو، جهت بهبود اوضاع تجهیز شما و تصمین حفظ سلامت روغن و کمپرسورهای آمونیاک، توسل به راهکارهای زیر توصیه می شود:

- اطلاع از وضعیت فعلی روغن: در تماس با آزمایشگاه معتمد آنالیز روغن، درخواست بفرمایید میزان رسانایی الکتریکی روغن بهران سرد ویژه 68 مصرفی در تجهیز را مطابق روال آزمایشگاهی اندازه گیری کرده (توضیحات ذیل شکل 9 را ببینید) و از آنسو، رفتار رسانایی روغن را بصورت میدانی نیز اندازه گیری نمایید. هرچند، توصیه نویسنده این مقاله بر درخواست از آزمایشگاه معتمد برای اندازه گیری رسانایی روغن بهران براساس استاندارد ASTM D4308 است که هم آزمایشگاهیست و هم میدانی؛

- توافق فنی با فروشنده: در تماس با بهران یا نماینده فروش معتمد از هر برندی، بعنوان خریدار درخواست شود که محموله بعدی روغن را به شرط ارائه گواهی آزمایشگاه معتبر آنالیز روغن مبنی بر بالاتر بودن رسانایی الکتریکی روغن مصرفی از 400pS/m ارسال نماید؛

- اتصال تجهیز یا مدار روغنرسانی به زمین [2,3,7]: عنایت شود که گراند کردن سیستم همیشه پاسخگی نیاز شما نیست (مخصوصا اگر روغن مصرفی از حساسیت به ESD بالایی برخوردار باشد. چراکه ولتاژ تولیدی در سیستم روغنرسانی از طریق سیم گراندینگ قابل انتقال به زمین نیست [3]) و در صورت تداوم مشکل، توسل به روش های زیر کارگشا خواهد بود [2,3]:

- استفاده از فیلترهای آنتی استاتیک روغن [2,3,7]

- نصب یک مش با رسانایی بالا پس از فیلتر روغن (پایین دست فیلتر) بمنظور تخلیه بخشی از بار الکتریکی تولید شده در ساختار فیلتر [5]

- افزایش سایز فیلتر [5] بمنظور کاهش تماس روغن باردار با متریال عایق تشکیل دهنده فیلتر و آرامتر شدن الگوی جریان عبوری از فیلتر (هرچند این راهکار آنقدرها هم موثر نیست [5])

- استفاده از قطعاتی در تجهیز که از مواد با تمایل کمتر به انباشت بار الکترواستاتیک تشکیل شده باشند

- بازنگری در دبی روغن درون لوله های روغنرسانی و سایز مخزن روغن بمنظور کاهش اصطکاک بین روغن و جداره های فلزی اطراف آن [2,3] و در عین حال، بهبود سرعت و دبی روغن گردشی در مدار روغنرسانی (افزودن مسیر روغنرسانی با پایپینگ بیشتر و استفاده دو یا چند مخزن روغن موجب افزایش زمان لازم برای تخلیه بار الکترواستاتیک شده و یکی از راه های موثر در کاهش شدت و تعدد ESD است [5,7]).

5. منابع و مآخذ

در نگارش این مقاله در رابطه با رسانایی الکتریکی و نقش تخلیه بار الکترواستاتیک بر خواص روغن های صنعتی، علاوه بر تجربیات و مشاهدات شخصی، از منابع زیر نیز بهره برداری شده است که فهرست کوتاهی از آنها جهت مطالعه بیشتر خوانندگان محترم در این حوزه به شرح زیر تقدیم شده است:

1. Panther Lubes, Electrical Conductivity/Dielectric Strength, Web Article, available at http://www.pantherlubes.com/tl_13.html, accessed: January 26, 2023;

2. Shanghai Yadu Lubricants Material Co. Ltd., Is the Lubricant Conductive? , Web Article, available at http://en.shyadu.cn/article-item-2.html, accessed: January 26, 2023;

3. M. Lindner, Oil Condition Monitoring Using Electrical Conductivity, Web Article, available at https://www.machinerylubrication.com/Read/29407/oil-condition-monitoring, accessed: January 25, 2023;

4. M. R. Mauntz, J. Gegner, J. Gegner, U. Kuipers, and S. Klingau, Tribology - Fundamentals and Advancements, Chapter 11: A Sensor System for Online Oil Condition Monitoring of Operating Components., INTECH Open, DOI: http://dx.doi.org/10.5772/55737, 2013, pp1-3,15;

5. M. Day, L. Bensch, Electrostatic Charge Generation - In Hydraulic and Lubrication Systems, Practicing Oil Analysis, 11/2005;

6. Noria Corporation, How to Detect Electrostatic Discharges in Oil, Web Article, available at https://www.machinerylubrication.com/Read/30242/detecting-electrostatic-discharges, accessed: January 26, 2023;

7. Exxon Mobil, Electro-Static Discharge (ESD) in Turbine Oils, EXTERNAL Category 2 05/08/15: JBH;

8. A. Gonda, R. Capan, D. Bechev, and B. Sauer, The Influence of Lubricant Conductivity on Bearing Currents in the Case of Rolling Bearing Greases, Lubricants 2019, 7, 108; doi:10.3390/lubricants7120108, www.mdpi.com/journal/lubricants;

9. W. G. Twisleton-Wykeham-Fiennes, A Study of the Electrical Conductivity of Lubricating Oil Films, A Thesis submitted for the degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY of the University of London and also for the DIPLOMA OF MEMBERSHIP of the IMPERIAL COLLEGE, August 1971, pp29-34, 50-57;

10. A. B. Ruddy, Faiz Ullah Shah, J. Leckner, M. W. Rutland, and S. Glavatskih, On electric conductivity of greases, DOI: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-1296562/v1, February 3rd, 2022;

11. B. Zhmud, M. Roegiers, New base oils pose a challenge for solubility and lubricity, Lube Tech, Published by Lube: The European Lubricants Industry Magazine, No. 89, February 2009, pp21-24;

12. B. Zhmud, M. Roegiers, New base oils pose a challenge for solubility and lubricity, Tribology & Lubrication Technology, July 2009, pp34-39, http://www.stle.org;

13. M. R. Greaves, Oil Soluble Polyalkylene Glycols, Lube-Tech, Published by Lube: The European Lubricants Industry Magazine, No. 118, December 2013, pp22-27;

14. Noria Corporation, Base Oil Groups Explained, Machinery Lubrication, 10/2012;

15. API RP2003−2020, Protection Against Ignitions Arising Out of Static, Lightning, and Stray Currents, American Petroleum Institute, Recommended Practice, 8^th edition, September 2015, reaffirmed March 2020, http://www.api.org;

16. DIN 51412-2:2013-01, Prüfung von Mineralölerzeugnissen - Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit - Teil 2: Feldverfahren, Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6, 1000 Berlin 30, Deutschland;

17. ASTM D2624 − 22, Standard Test Methods for Electrical Conductivity of Aviation and Distillate Fuels, ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA 19428-2959. United States;

18. ASTM D4308 − 21, Standard Test Method for Electrical Conductivity of Liquid Hydrocarbons by Precision Meter, ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA 19428-2959. United States;

19. DIN 51412-1:2005-06, Prüfung von Mineralölerzeugnissen - Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit - Teil 1: Laborverfahren, Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6, 1000 Berlin 30, Deutschland;

20. D. Johnson, E. Dominguez, E. Montalvo, Z. Zhou, & A. Martini, Quantifying Varnish Removal Using Chemical Flushes, Tribology & Lubrication Technology, August 2018, pp44-54,  http://www.stle.org;

21. M. M. Khonsari, E. R. Booser, Applied Tribology: Bearing Design & Lubrication, 3^rd ed., Wiley, ISBN 9781118700259, 2017, pp636-637;

22. E. A. Hepley, Varnish Analysis: Introducing New Testing Techniques, Lube-Tech, Published by Lube: The European Lubricants Industry Magazine, No. 169, June 2022, pp26-31;

23. J. Leyers, How to Avoid Electrostatic Discharges in Hydraulic Oils, 18 June 2018, Web Article, available at https://www.q8oils.com/general-industry/electrostatic-discharges-hydraulic-oils/, accessed: January 26, 2023;

24. R&T Reliability Technologies PL, Electrostatic Discharge Damage, Web Article, available at https://rttech.com.au/?page_id=1312 , accessed: January 25, 2023;

25. G. Livingstone, Do you have sparks in your turbine oil?, April 27, 2014, Web Article, available at https://www.turbomachinerymag.com/view/do-you-have-sparks-in-your-turbine-oil-2, accessed: January 24, 2023;

26. B. Abedian, Dangers of Electrostatic Discharge in Engine Oil, Machinery Lubrication, 4/2015;

27. Fluitech, Best Practices for Monitoring Industrial Compressor Lubricants, July 14, 2021, Web Article, available at https://www.fluitec.com/best-practices-for-monitoring-industrial-compressor-lubricants/, accessed: January 24, 2023;

28. Pall Scientific & Laboratory Services, Overcoming Electrostatic Charge Generation -Incorporating a Novel Filter Media, May 2017, Technical White Paper, Pall Corporation, http://www.pall.com;

29. B. Phair, L. Bensch, J. Duchowski, M. Khazan, & V. Tsalyuk, Overcoming the Electrostatic Discharge in Hydraulic, Lubricating and Fuel-Filtration Applications by Incorporating Novel Synthetic Filter Media, Tribology Transactions, ISSN: 0569-8197 print / 1547-397X online, 48:3, 343-351, DOI: 10.1080/05698190591002195, Society of Tribologists and Lubrication Engineers, 2005;

30. K. Farooq, Varnish Removal & Control in Turbine Lubrication Systems, Proceedings of the ASME 2009 Power Conference POWER2009 July 21-23, 2009, Albuquerque, New Mexico, USA, POWER2009-81173;

31. W. D. Phillips, & J. W. G. Staniewski, The origin, measurement and control of fine particles in non-aqueous hydraulic fluids and their effect on fluid and system performance, Lubrication Science 2016; 28:43–64, Published online 22 May 2015 in Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com). DOI: 10.1002/ls.1300;

32. A.A. Carey & A.J. Hayzen, Dielectric Constant and Oil Analysis, Practicing Oil Analysis, 9/2001;

33. Shell Co., Shell Clavus Refrigerator Compressor Lubricant Technical Data Sheet, SEOP OECP/TU, 31.01.2003;

34. DIN 51503-1:2011-01, Schmierstoffe – Kältemaschinenöle - Teil 1: Mindestanforderungen, Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6, 1000 Berlin 30, Deutschland;

35. BENZOIL, Naphthenic versus Paraffinic, Web Article, available at https://benzoil.com.au/naphthenic-versus-paraffinic/, accessed: January 26, 2023.