تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب

هدف از این پست، تشخیص روند آلودگی روغن روانکار طی فرآیند آنالیز روغن است. در طی فرآیند آنالیز روغن های روانکار، اعم از موتور، هیدرولیک، توربینی، کمپرسور، و... آلودگی های متنوع و گوناگونی در جریان عملکرد روغن در مدار وارد شده و گاه قادر به تغییر مشخصات سینماتیک و دینامیک روغن خواهند بود. برخی از این آلودگی ها، با توسل به روش های معمول آنالیز روغن قابل تشخیص هستند. اما، برخی از آنها که در این پست بدانها پرداخته می شود (و شامل دو مورد آلودگی جریان روغن به هوا و آب می شود)، با روش های معمول و رایج آنالیز روغن قابل تشخیص نبوده و گاه از چشمان تکنسین های آزمایشگاه یا مفسر گزارش آنالیز پنهان می مانند.

الف) آلودگی جریان روغن با هوا

یکی از آلودگی های رایج در جریان انواع روغن های روانکار، آلودگی ناشی از ترکیب با هوا می باشد. بسیاری از کارشناسان و مفسرین گزارش های آنالیز روغن بیشتر توجه خود را معطوف آزمون های شمارش ذرات ناشی از فرسایش (سوده شماری) و اندازه گیری رطوبت حاضر در نمونه روغن می کنند. حال آنکه آلودگی های ناشی از تشکیل محصولات حاصل از ورود هوا به جریان روغن می تواند اهمیتی بیش از این موارد در تخریب ساختار شیمیایی روغن داشته باشد. آلودگی ناشی از ورود هوا به جریان روغن بیش از آنکه مشخصه ای کمّی باشد، مشخصه ای کیفی بوده و به چهار حالت ممکن در جریان روغن بروز می کند: محلول، شناور، آزاد، و فوم که در ذیل به هر یک پرداخته می شود:

• هوای محلول: در مورد روغن های مینرال یا معدنی، انحلال هوا باندازه 10 درصد وزنی روغن قابل تحمل و معمول در نظر گرفته می شود. انحلال هوا بیش از این مقدار، بویژه در مدار های تحت فشار روغن، می تواند منجر به اکسیداسیون زودهنگام و تقلیل اثر ادتیو های حاضر در ترکیب شیمیایی روغن خواهد شد.

• هوای شناور: این حالت از آلودگی با ورود حباب های میکروسکوپیک و ناپایداری از هوا به جریان روغن شناخته می شود که در نهایت منجر به حالتی با عنوان «ابری شدن» یا Clouding در جریان روغن خواهد شد. شناوری هوا در جریان روغن می تواند تاثیر مستقیمی بر خواص مکانیکی آن، اعم از تراکم پذیری، انتقال حرارت، استحکام فیلم، مقاومت به اکسیداسیون، کاویتاسیون، و تشکیل وارنیش (میکرودیزلینگ) داشته باشد. وقتی نمونه روغنی با این مشخصات روی دستگاه کانتر قرار داده می شود، حباب های شناور هوا به سطح آن می آیند. همین حالت نیز برای روغنی که در مخزن جمع شده است نیز اتفاق می افتد. در واقع، با سکون روغن در هر بخش از مدار، بخشی از حباب های ناپایدار هوا روی سطح آن قرار خواهند گرفت.

• هوای آزاد: این مرحله پس از شناوری هوا محسوب می شود که ناشی از تجمع هوا در اثر بالا آمدن حباب های کوچک و ناپایدار هوا در یک گوشه ساکن از مدار و به هم پیوستن آنها می باشد. هوای آزاد می تواند منجر به عیوبی چون خوردگی، کاهش تراکم پذیری هیدرولیک، قفل بخار (تاخیر در تامین فشار روغن)، و از دست رفتن مقطعی کنترل فشار هیدرولیک شود.

• فوم (کف): این حالت از آلودگی جریان روغن به هوا زمانی رخ می دهد که حداقل 30 درصد حجم موثر روغن در مدار با هوا پر شده باشد. تشکیل فوم بیشتر در مناطقی مانند سطح جریان آزاد در مخزن روغن رخ می دهد. اولین و مهمترین اثر فوم یا کف کردن روغن را می توان در تخریب تراکم پذیری آن دانست. البته، بنا به نوع روغن و طراحی مدار، عیوبی چون خوردگی، قفل بخار (تاخیر در تامین فشار روغن)، و از دست رفتن مقطعی کنترل فشار هیدرولیک را نیز می توان به مورد فوق اضافه کرد.

هرچند تمامی حالات چهارگانه ورود هوا به جریان روغن خطرناک و مضر محسوب می شود، اما، در این میان، به عقیده قاطبه کارشناسان، شناوری هوا خطرناک ترین پتانسیل خرابی ناشی از ورود هوا به جریان روغن قلمداد می شود. چراکه تشکیل میکرو حباب های هوا و شناور شدن آن در جریان روغن می تواند نقطه شروعی برای عیوبی چون تشکیل فوم، اکسیداسیون، کاویتاسیون پمپ روغن، تشکیل وارنیش، رفتار های غیرقابل پیش بینی و نامنظم هیدرولیک، و حتی اوورهیتینگ (فرا گرمایش) باشد. اما، برای اندازه گیری میزان ورود هوا و آلوده شدن جریان روغن به هوا چه ابزار/ابزار هایی موجود است؟ بمنظور اندازه گیری میزان ورود هوا و آلاینده های همراه آن به جریان روغن، روش های متعدد و متنوعی موجود است. یکی از این روش های مرسوم، استفاده از ادوات آزمایشگاهی بمنظور پی بردن به وجود توده ای از هوا در خطوط هیدرولیک است. در این روش، در حجم مشخص و تحت کنترلی از روغن، خلا وارد می شود تا حباب های ریز هوای شناور در روغن و آن میزان از هوای محلول به تدریج از روغن جدا شود. سپس، حجم روغن باقی مانده پس از جداسازی هوا با میزان حجم اولیه مقایسه می گردد. از جمله سایر روش های مرسوم در این زمینه، اندازه گیری آنلاین ورود هوا به مجاری و خطوط هیدرولیک (یا بطور کلی: عبور روغن) بوده و به Online Monitoring معروف است. اساس این روش بر بکارگیری اشعه X استوار است. بدین ترتیب که جریان روغن عبوری از خطوط هیدرولیک در ایستگاه هایی وارد یک محفظه یا دهلیز شده و با توجه به شکل هندسی دهلیز و ورودی و خروجی آن، جریان سیرکوله ای از روغن (معمولا با فشار یک بار و دمای 20°C) تشکیل می شود. همزمان، این دهلیز تحت تابش اشعه X است و اندازه گیری های لازم با توسل به نرم افزار های آنالیز و تفسیر عددی انجام پذیرفته و بصورت آنلاین گزارش می شود. سومین روش مرسوم که بیشتر در محیط های صنعتی و کارگاهی کاربرد دارد. استفاده از پیستون بمنظور سنجش میزان هوا گیری روغن تحت فشار است. اساس این روش که شماتیکی از آن در شکل 1 نشان داده شده است، بر تغییرات فشار پاسخ دریافتی از سوی جریان تراکم ناپذیر روغن استوار است.

شکل 1: نمایی شماتیک از نحوه عملکرد پیستون تراکم سنجی روغن

علاوه بر روش های مبتنی بر ابزار های اندازه گیری، روش های استانداردی نیز بمنظور اطمینان از صحت و سلامت نمونه روغن از دیدگاه آلودگی به هوا تدوین شده است که جزییات هر یک در جدول 1 نشان داده شده است.

جدول 1: روش های آزمون استاندارد برای اطمینان از عدم آلودگی روغن به هوا

همانطور که در جدول 1 نیز مشاهده می شود، راهکار های تشخیص نفوذ هوا به جریان روغن اغلب مستلزم تست های پیچیده و زمانبر است. سوالی که اکنون ممکن است ذهن خواننده را به خود مشغول کند آن است که چطور می توان از طریق آنالیز روغن، به نفوذ هوا در مدار روغن و آلودگی ناشی از آن پی برد ؟

پاسخ در جدول 2 خلاصه شده است. بدین ترتیب که با توسل به دو تست زمان آزاد سازی حباب های هوا و تمایل به تشکیل یا پایداری فوم براساس استاندارد های نشان داده شده در جدول 2 می توان به نتایج ملموسی رسید.

جدول 2: نحوه تشخیص نفوذ هوا و مخلوط شدن آن با روغن از طریق آنالیز روغن

بر این اساس، کارشناس آنالیز می تواند با ارسال نمونه روغن مشکوک (با توجه به نوع مشکل در جدول 2) به آزمایشگاه ذیصلاح، تست های مندرج در جدول 2 را درخواست نموده و نتایج واصله را با نتایج حاصل از همین تست ها روی روغن نو مقایسه نماید. از دیگر راه های تشخیص مشکل نفوذ و اختلاط هوا با جریان روغن می توان به افزایش سطح نیتروژن (ازت) به تنهایی در نتایج آنالیز اشاره کرد. بطور کلی، در آنالیز عناصر شیمیایی که به Elemental Analysis معروف بوده و سطوح متفاوتی دارد، گاهی اوقات، افزایش ناگهانی یک عنصر خاص که در برخی از متون مرجع مهندسی از آن با عنوان تخصصی Single Rise یاد می شود، می تواند معانی زیادی برای مفسر گزارش آنالیز داشته باشد. گفتیم که یکی از اثرات ورود هوا به جریان روغن و انحلال هوا در روغن، تشکیل وارنیش یا میکرودیزلینگ است. شماتیکی از میکرودیزلینگ در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2: شماتیکی از فرآیند تشکیل وارنیش (میکرودیزلینگ)

عبارت میکرودیزلینگ از آنجا ناشی می شود که حباب های تحت فشار و داغ هوا در جریان روغن وارد شده و سطح داغ آنها با محیط روغن اطراف واکنش شیمیایی می دهد که در نهایت منجر به تشکیل لایه های نازکی (فیلم) غنی از کربن خواهد شد که با تجمع روی هم به تدریج تشکیل وارنیش سیاه رنگ (بسته به ترکیب شیمیایی روغن و نوع آن، گاه به رنگ زیتونی و گاه به رنگ بنفش انگوری نیز ممکن است ظاهر گردد) می دهد.

راه تشخیصی که در آنالیز عناصر روغن خود را بصورت Single Rise نشان می دهد، افزایش ناگهانی عنصر نیتروژن است. علت این Single Rise شدن عنصر نیتروژن نیز آن است که حدود 80 درصد هوا از این گاز تشکیل شده است.

از سوی دیگر، عمر عملکرد بدون نقص روغن (برحسب ساعت) تحت اثر گرما نیز با ورود هوا و انحلال آن در جریان روغن کاهش می یابد. به نمودار نوعی شکل 3 توجه کنید.

شکل 3: نمودار نوعی کاهش عمر عملکرد روغن تحت اثر حرارت بدلیل میکرودیزلینگ

البته، برخی منابع افزایش عدد اسیدیته کل یا TAN نمونه روغن را نیز دلیلی بر ورود هوا به جریان روغن تعبیر می کنند. اما، به عقیده نویسنده و با تکیه بر تجربه شخصی، افزایش سطح TAN، به تنهایی دلیل محکمی برای این نتیجه گیری نیست! چراکه کاهش یا افزایش سطح TAN (بویژه در مورد روغن های توربینی، Gear Oil ها، و روغن های هیدرولیک) تابع عوامل متعددی است و تنها نمی توان افزایش یا کاهش TAN را نشانه ای از انحلال هوا در جریان روغن دانست.

ب) آلودگی جریان روغن به آب

یکی از رایجترین راه های آلوده شدن جریان روغن و تغییر خواص آن (اعم از شیمیایی و فیزیکی)، ورود آب به جریان روغن است. اختلاط آب با جریان روغن شامل سه حالت است که جزییات آن در پستی با عنوان «خورندگی بخار روغن» شرح داده شده است. لذا، به جهت اجتناب از اطاله کلام، مراجعه به پست فوق توصیه می شود.

اما بعد، در سازه ها و سیستم های مهندسی آب با انواع متفاوت و اهداف متنوعی مورد استفاده قرار می گیرد که از آن جمله می توان به آب کولینگ، آب مقطر، آب دیونیزه، آب شهری، آب چاه، و... اشاره کرد که هریک از دیدگاه آنالیز عناصر شیمیایی اثرات خود را روی برنامه آنالیز روغن یا بطور عمومی تر: برنامه پایش وضعیت (CM) می گذارند. بعنوان مثال، استفاده از آب چاه بمنظور خنک کاری یک دیزل ژنراتور یا لکوموتیو (در صورت ورود آن به مدار روغن) موجب Single Rise شدن عناصری چون منیزیم یا کلسیم در نتایج آنالیز روغن خواهد شد. همین مثال را می توان در مورد عناصر سدیم و بور، درصورت ورود جریان آب کولینگ به مدار روغن، ارائه کرد.

ولی، بصورت عمومی و در حالت عادی، اختلاط دو فازی (از دیدگاه دانسیته) ناشی از ورود آب به روغن را براحتی می توان با تست های روتینی مانند Crackle Test، تیتراسیون کلسیم-هیبرید یا Karl-Fischer تشخیص داد. از دیدگاه مکانیک سیالات، ورود آب به روغن با افزایش فشار خروج روغن از فیلتر ارتباط مستقیم داشته و گاه می توان با مشاهده افزایش یا کاهش ناگهانی ویسکوزیته دینامیک به وجود آب (حتی در مقادیر اندک) در روغن پی برد.

اما، آنچه که گاه از دید مفسر گزارش آنالیز روغن دور می ماند، حالتی است که با عنوان «پریدن آب» از آن یاد می شود. این حالت زمانی رخ می دهد که دمای عملکردی روغن بیش از 60°C بوده و در سیستمی بسته و تحت فشار کار کند. مثالی که در مدار روغن موتور های درونسوز و مدار روانکاری توربین ها بسیار رایج است. روند کار نیز بدین ترتیب است که آب (یا حتی بخار آن) به میزانی کمتر از 10 درصد حجمی وارد جریان روغن شده و در اثر اعمال فشار درون سیستم و حرارت آن، به تدریج صورت فیزیکی خود را از دست می دهد. اما، مشکل از جایی شروع می شود که این حجم از آب (یا رطوبت) قبل از ترک سیستم روغنرسانی اثرات مخرب خود را برجای می گذارد که در تست های معمول آنالیز روغن قابل مشاهده نبوده و گاه تا چندین ماه در سیستم باقی می مانند.

روش های تشخیص ورود و سپس پریدن آب از سیستم روغنرسانی، آنالیز عناصر شیمیایی است که بسته به نوع آب بکار رفته بمنظور خنک سازی ماشین حرارتی، می تواند بشدت متنوع باشد. اما، بعنوان یک قانون کلی، رفتار هارمونیک چهار عنصر کلسیم، منیزیم، بور، و سدیم به معنای مستقیم ورود آب کولینگ یا آب چاه به جریان روغن است.

#روغن #آنالیز #آلودگی #هوا #آب #احمدرضا_امینیان