مشکل روغن سیاه

در این پست، قصد بر آن است که به علل مشکل سیاهی روغن روانکار در برینگ های پمپ های نفت، گاز، و پتروشیمی پرداخته شود. این پست شامل سه بخش است: بخش اول شرح مساله، بخش دوم آنالیز خرابی، و بخش سوم نتیجه گیری

مقدمه

رولربرینگ ها و بالبرینگ ها از اجزای اصلی دوار در پمپ ها به شمار رفته و روغنرسانی بدانها یکی از چالش هایی است که از دیرباز در زمینه نگهداری، تعمیر، و پایش وضعیت آنها مطرح بوده است. آلوده شدن جریان روغن عبوری از المان های غلتنده این برینگها، علاوه بر مخاطراتی که ممکن است برای عملکرد صحیح پمپ در بر داشته باشد، می تواند عامل بالقوه ای در زمینه از دست رفتن یک واحد فرآیندی نیز به حساب آید. از این رو، کمپانی سالتزر پامپس یا Sulzer Pumps در بازه زمانی 1997 تا 2001 اقدام به سلسله تحقیقاتی در زمینه مُد های مختلف آلودگی روغن رولربرینگ های نصب شده در پمپ های سنتریفیوگال خود کرده است که نتایج این تحقیقات در قالب مقاله با عنوان «روغن سیاه» یا  Black Oil در هفدهمین همایش بین المللی کاربران پمپ در دانشگاه تگزاس ارایه شد و این پست شامل خلاصه ای از روند تحلیل این مشکل و راهکار های پیشنهادی برای حل آن است. از دیدگاه سالتزر پامپس، مشکل سیاهی روغن جز مشکلات ناشی از آلودگی کوتاه مدت رولر برینگ ها بشمار می رود

بخش اول: شرح مساله

سالتزر در طراحی پمپ های خود از یک طرح استاندارد برای جایگذاری برینگ ها استفاده می کند که شامل آرایشی از دو بالبرینگ با زاویه تماس 40 درجه ای (شکل 1 را ببینید)، یکی در نقش تراست و دیگری در نقش رادیال برینگ، و یک بالبرینگ شیار عمیق (در نقش برینگ شعاعی یا رادیال) است. هر دو طرف این آرایش نیز از رینگ های روغنرسان برنزی نیمه غوطه ور در یک کارتل روغنی برای روغنرسانی استفاده می کنند. در طرح استاندارد دیگر که در برخی دیگر از محصولات سالتزر بکار می رود، از همان مجموعه دوتایی بالبرینگ با زاویه تماس 40 درجه ای (یکی در نقش تراست و دیگری در جایگاه رادیال برینگ) و یک بالبرینگ شیار عمیق یا یک رولربرینگ استوانه ای، در نقش رادیال برینگ، استفاده می شود (شکل 2) که هر سه برینگ بمنظور روغنکاری از یک هوزینگ مشترک شامل رینگ های روغنرسان برنزی نیمه غوطه ور در کارتل مشترک برای هر مجموعه برینگ استفاده می کنند. در یک بازه زمانی کوتاه که گاه از چند ساعت پس از استارت پمپ تا چند هفته طول می کشید، گزارش های متعددی از تیرگی شدید یا سیاهی روغن، به همراه مشاهده آثاری از تکه های برنز در نمونه روغن، واصل شد. آنالیز نمونه روغن اخذ شده از پمپ های مختلف حاکی از وجود ذرات جامد فلزی با سایز 3 تا 5 میکرومتر به همراه تغییر رنگ روغن از زیتونی به قهوه ای سوخته و حتی سیاه (در موارد متعدد) بود (نمونه ای از گزارش آنالیز روغن در شکل 3 نشان داده شده است). این در حالی بود که هیچ گزارشی مبنی بر فساد روغن یا نارضایتی از کیفیت روانکار دریافت نشده بود

شکل 1: آرایش استاندارد اول Sulzer برای طراحی تراست و رادیال برینگ ها

شکل 2: آرایش استاندارد دوم Sulzer برای طراحی تراست و رادیال برینگ ها

شکل 3: نمونه ای از گزارش های آنالیز روغن

بخش دوم: آنالیز خرابی

بمنظور تحلیل خرابی منجر به نارضایتی مشتری، چند کارگروه در سالتزر تشکیل و هر یک مطابق چک لیستی که در شکل 4 نشان داده شده، نسبت به اولویت بندی علل محتمل خرابی اقدام نمودند. نتیجه تکمیل فرم شکل 4 و تشکیل جلسات تحلیل خرابی، تقسیم بندی علل خرابی به شرح زیر بود که باید روی آنها تحقیق انجام می پذیرفت

1.      موارد مرتبط با مباحث شیمیایی که در انتخاب روغن یا ادتیو های آن قابل رفع بود

2.      موارد مرتبط با آلودگی های بالقوه، طی هر یک از مراحل تولید، مونتاژ، نصب، و راه اندازی که با تفحص در هر یک از این مراحل قابل شناسایی و رفع بود

3.      موارد مرتبط با مکانیزم های سایش که در طراحی قابل رفع بود

1.       موارد مرتبط با مباحث شیمی روغن

این احتمال از آنجایی مطرح شد که امکان داشت سیستم روغن با عناصر و کامپاند های شیمیایی حاضر در هوزینگ واکنش داده و عامل آلودگی روغن شده باشند. از جمله کامپاند هایی که خیلی احتمال حضور آنها می رفت، می توان به ترکیبات هیدراته ناشی از نفوذ آب (یا رطوبت)، محصولات ناشی از واکنش بازدارنده های خوردگی برینگ ها با ادتیو های حاضر در سیستم روغن، محصولات ناشی از واکنش سیستم روغن با رنگ درزگیر های برینگ، و کامپاند های ناشی از فساد تدریجی روغن اشاره کرد. اما، نتایج تست های صورت گرفته در تمامی این موارد منفی بود

شکل 4: ماتریس آنالیز خرابی

2.       موارد مرتبط با آلودگی های بالقوه

تمیزی جریان روغن و عاری بودن آن از ذرات فرساینده ای چون گرد و غبار، کامپاندهایی هیدراته و نیتراته، انواع نمک های فلزی و شبه فلزی، و... موضوع بسیار مهمی در کلیه مراحل مونتاژ، نصب، و راه اندازی است. این ذرات جامد (و اغلب غیرفلزی یا شبه فلزی) از سختی بالایی برخوردار بوده و می توانند همراه با چرخش جریان روغن در اطراف المان های غلتنده، خسارات جبران ناپذیری به ساختار برینگ، اعم از سایش، خوردگی، و...، وارد سازند. اما، با تحقیقات بعمل آمده مشخص شد که درزگیری برینگ ها بسیار خوب انجام شده و ذرات برنزی حاضر در نمونه روغن های سیاه نیز حاصل فرسایش بین ذرات شبه فلزی یا نافلزی و سطوح پرداخت شده فلزی نیستند

3.       موارد مرتبط با مکانیزم های سایش

در ماتریس خرابی نشان داده شده در شکل 4، پنج موضوع بعنوان موارد محتمل در خرابی ناشی از مکانیزم های سایشی مطرح شده بود: پایداری رینگ و عمق غوطه وری آن در کارتل، تنظیم مونتاژی (فیت) برینگ ها، نوع برینگ ها، روغنرسانی اندک به برینگ ها، و ویسکوزیته روغن (به همراه نوع ادتیوها). طی تستی که در آزمایشگاه سالتزر انجام شد (شکل 5)، انواع بارهای محوری و شعاعی، طی یک برنامه تست 13، 2، 7، و 8 ساعت کارکرد مداوم، به چند نمونه پمپ وارد شد. طی آزمون، پنجره های کوچکی از پلکسی گلاس و سنسور های حرارتی و ارتعاشی در هوزینگ پمپ تعبیه شد تا متخصصین رفتار برینگ ها را زیر نظر بگیرند.

شکل 5: نمونه ای از دستگاه تست پمپ در آزمایشگاه Sulzer

بمنظور انجام هر تست نیز از روغن  ISO VG Turbo 32 تمیز و نو استفاده شد. پس از انجام هر تست نیز نمونه روغن تخلیه شده و آنالیز شد. پس از اتمام تمامی تست ها نیز، کل مجموعه تراست و رادیال برینگ ها دمونتاژ و کلیه اجزا زیر میکروسکوپ برده شد. آنالیز روغن نشان از تغییر رنگ روغن به تیرگی داشت و نمونه روغن نیز پر بود از ذرات جامد با سایز های 3 تا 5 میکرون! جداسازی مغناطیسی انجام گرفته روی این ذرات نشان دهنده مخلوطی از ذرات فلزی آهنی و غیرآهنی بود و این یعنی اینکه ذرات غیرفلزی در روغن وجود نداشت و این به خودی خود خبری خوب است! چراکه منشا مشکل را داخلی نشان می داد! بنابراین، به تحلیل تفصیلی پنج مورد فوق تمرکز شد.

3.1.   پایداری رینگ و عمق غوطه وری آن در کارتل

نتایج تست ها حاکی از آن بود که پایداری رینگ (شکل 6 را ببینید) بشدت به ویسکوزیته روغن و عمق غوطه وری رینگ در آن وابسته است. عموما، رفتار دینامیک رینگ های روغن، پس از رسیدن به بازه دمای عملکردی، از یک الگوی منظم پیروی نمی کند و این به دلایل زیر است

-          حرکت پاندولی ناشی از دوران حول نقطه مرگ بالا (نقطه تماس رینگ با شفت) که منجر به حرکت نوسانی در صفحه ای با زاویه 90 درجه نسبت به محور شفت می گردد

-          حرکت انتقالی رینگ به عقب و جلو در طول کارتل روغن

شکل 6: نحوه رفتار نوسانی رینگ روغن در هوزینگ

پس ذرات برنزی حاضر در نمونه روغن می تواند ناشی از برخوردها و سایش های شکل گرفته ناشی از همین حرکت رینگ باشد. با تغییر سطح روغن (کم یا زیاد کردن حجم روغن حاضر در کارتل) هیچ تغییری در نوع این رفتار حاصل نشد. تنها تفاوت در نقطه شروع این رفتار نامنظم بود که آنهم بدلیل تغییر دمای عملکردی بود. در یک تحقیق، متریال رینگ روغن به فولاد نرم و سپس به آلیاژ زنگ نزن تغییر داده شد که نتیجه تنها شامل تغییر در نوع ذرات فلزی از برنز به فولاد نرم یا آلیاژ زنگ نزن بود! اما، در حرکتی دیگر، متریال رینگ روغن از فلزی به غیرفلزی تغییر داده شد که به تمامی مشکل را حل نمود. بدین ترتیب که دیگر از رفتار پاندولی و نامنظم خبری نبود و حتی روغن کارتل نیز خود به میرایی نوسان حرکتی رینگ کمک می کرد. بدین ترتیب، مشکل حضور ذرات برنزی در کارتل روغن که خود موجب تماس های بین فلزی با اجزای برینگ می شدند و به تغییر خواص روغن کمک می کردند، حل شد

3.2.   تنظیم مونتاژی (فیت) برینگ ها

بمنظور فیت شدن بهتر برینگ های تراست و افزایش لقی بین آنها، از یک شیم با ضخامت 0.002 اینچ استفاده شده بود (شکل 7). این افزایش لقی با هدف کاهش بازه دمای عملکردی بین دو برینگ و کاستن از اصطکاک بین آنها به طرح اضافه شده و بخشی از طرح استاندارد سالتزر بود. اما، تست ها نشان دادند که سایش دو طرفه بین این شیم با کیج برینگ ها (بویژه در حالت بی باری) موجب سُرخوردن برینگ ها و تشکیل کربن ناشی از دوده روغن شده و جریان روغن را کثیف و سیاه می نماید. در تست های باقیمانده، این شیم برداشته شد و برای تراست برینگ ها از آرایش لقی متوسط یا  Medium Clearance استفاده شد. تست های انجام شده در این حالت نشان از این موضوع داشتند که کثیفی روغن بسیار کمتر شده، ولی دمای عملکردی برینگ ها بالاتر رفته است که البته این موضوع با تغییر زاویه تماس و نحوه مونتاژ برینگ ها قابل حل بود

شکل 7: استفاده از شیم فاصله انداز بین تراست برینگ ها

3.3.   نوع برینگ ها

گزارش های بازرسی رسیده از سایت های نصب پمپ ها حاکی از آن بود که مشکل سیاهی روغن در بخش تراست برینگ ها خیلی شدیدتر از بخش رادیال برینگ ها بود. حتی برخی سایت ها گزارش کرده بودند که سیاهی روغن را تنها در تراست برینگ ها دیده اند. بمنظور بررسی این گزارش ها، دو نمونه روغن در هر تست بصورت جداگانه از تراست برینگ ها و رادیال برینگ ها تهیه و آنالیز شد. نتایج آنالیز روغن نشان داد که آرایش دو بالبرینگ در تراست خیلی بیشتر از یک برینگ به تشکیل روغن سیاه و آلوده حساس است و این بیشتر می توانست بدلیل فاکتور های هندسی و عملکردی دو برینگ با زاویه تماس مشخص باشد. برخی از این فاکتورها عبارتند از: کنترل کمتر روی لقی داخلی بین دو برینگ، بارگذاری تراست که منجر به شرایط بی باری برای یکی از برینگ ها می شد، سُر خوردن دو برینگ، دمای عملکردی بالاتر (تا 12 درجه سلسیوس) در فضای بین دو برینگ که موجب کاهش ویسکوزیته روغن و کاستن از ضخامت فیلم روغن در نقطه تماس بین بال های برینگ ها می شد. از آنجا که امکان تغییر برینگ ها و آرایش طرح، بدلیل مسائلی چون اسپک مشتری، هزینه طراحی بسیار سنگین، و برآورده سازی الزامات استانداردی API 610 وجود نداشت، لذا سعی بر این شد که با تغییر در لقی بین برینگ های تراست، از شدت این مشکل کاسته شود.

3.4.   روغنرسانی اندک به برینگ ها

حین تست ها، دبی روغنرسانی به برینگ ها از طریق پنجره های پلکسی گلاس وارسی شد و طی یکسری آزمایشات، میزان این دبی افزایش داده شد. اما، نتیجه حاصله هیچ تغییری در رنگ روغن را نشان نداد و تنها تغییر حاصله، افزایش دمای برینگ ها در اثر ماسیدگی روغن در آنها بود که ضریب اصطکاک را بالا برده بود. بنابراین، نتیجه بر آن شد که میزان دبی روغنرسانی به برینگ ها که در حد چند قطره در دقیقه بود، برای برینگ ها کافی بود و نمی توان دبی روغنرسانی را عامل تشکیل روغن سیاه دانست.

3.5.   ویسکوزیته روغن (به همراه نوع ادتیوها)

از دیدگاه تئوری و روی کاغذ، هرچه ویسکوزیته یک روغن بیشتر باشد، ضخامت فیلم آن در نقطه تماس بال های برینگ نیز بیشتر خواهد شد. از این رو، دو نمونه روغن توربینی ISO VG Turbo 46 & 68 بجای گرید 32 مورد استفاده آزمایشی قرار گرفتند که نتایج حاصله نشان از بهبود خواص سایشی در گرید 46 بود و استفاده از گرید 68 تغییر چندانی در نتایج آزمایش نداشت. حتی استفاده از ادتیو های ضدسایشی نیز تغییر محسوسی در روند تشکیل روغن سیاه بدست نداد. از این رو، می توان نتیجه گرفت که با تغییر روغن از گرید 32 توربینی به 46، می توان از احتمال تشکیل روغن سیاه جلوگیری کرد

بخش سوم: نتیجه گیری

با توجه به موارد مندرج در بخش دوم این پست، دو راهکار ضرب الاجلی زیر بمنظور حل مشکل پیشنهاد شد

اول) تعویض روغن به گرید 46، تغییر رینگ روغن به غیرفلزی (لاستیکی)، و استفاده از برینگ های پیش بار با لقی متوسط (بدون شیم) در بخش تراست برینگ ها

دوم) تعویض روغن به گرید 46، تغییر رینگ روغن به غیرفلزی (لاستیکی)، و استفاده از برینگ های با لقی متوسط (بدون شیم و پیش بار) که با تکنیک های مونتاژ دقیق نصب شده باشند

در موردی مشابه که برای یک پمپ ساز ژاپنی پیش آمده بود، آنالیز خرابی منجر به تغییر درزگیر های برینگ ها و نوع روغن شد! چرا که مشکل طرف ژاپنی در نحوه مونتاژ و جنس درزگیر، به همراه نوع روغن بود (ناگفته نماند که پمپ ساز ژاپنی، قبلا، از رینگ های روغن پلاستیکی استفاده می کرد)