آنالیز روغن بلوور: مطالعه موردی

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

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

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

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

شکل 1: نمونه گزارش آزمون واصله از شرکت نفت بهران

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

شکل 2: شماتیکی سه بعدی از یک بلوور

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

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

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

شکل 3: مثلث آنالیز روغن

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

اندیس (شاخص) ویسکوزیته چیست؟

با درود فراوان

این پست از وبلاگ دانش روغنکاری به معرفی مشخصه ای از یک روغن اختصاص دارد که در انتخاب یک روانکار اهمیتی فوق العاده و بسیار حساس دارد. در این پست، قصد داریم به معرفی اندیس (شاخص) ویسکوزیته یا به اختصار VI (مخفف Viscosity Index) بپردازیم.

اندیس ویسکوزیته یا VI پس از ویسکوزیته سینماتیک (معمولا در دو دمای 40 و 100 درجه سلسیوس) در جایگاه سوم پارامتر های مهم در انتخاب یک روغن قرار می گیرد. البته، گاه، بسته به نوع روغن و تجهیز، جای این اندیس با ویسکوزیته سینماتیک در دمای 100 درجه سلسیوس عوض شده و به جایگاه دوم ارتقا می یابد. اما، اشتباهی که گاهی اوقات کارشناس آنالیز روغن به آن دچار می شود، مستتر دانستن VI در گرید ویسکوزیته نامی یا کلاس ISO VG یک روغن (نو و کارکرده) است. این اشتباه، گاه به قیمت از دست رفتن فرصت تعمیر و بازگرداندن یک تجهیز به کار تمام می شود.

می دانیم که ویسکوزیته یک روغن مشخصه ای مکانیکی (و نه فیزیکی!) از یک روغن است که آیینه تمام نمایی از کیفیت استحکام زنجیره ملکول های هیدروکربنی آن به شمار رفته و با ایجاد اصطکاک بین زنجیره های ملکولی تشکیل دهنده ساختار شیمیایی روغن و میزان حرکت آنها در پاسخ به آن اندازه گیری می شود. بر این اساس، هر چه اصطکاک بین ملکولی بالاتر باشد، یا به عبارتی، هرچه زنجیره های ملکولی طویلتر باشند، روغن ویسکوزیته بالاتری را از خود نشان می دهد.  

با این تعریف، ویسکوزیته به دو نوع تقسیم می شود:

الف) ویسکوزیته دینامیک یا ویسکوزیته ظاهری: که به دو عامل رژیم جریان روغن (توربولانت یا لمینار) و دمای آن بستگی دارد. البته این وابستگی خطی نیست. بدین ترتیب، ویسکوزیته دینامیک به نوع روغن بستگی ندارد!

ب) ویسکوزیته سینماتیک: که حاصل تقسیم ویسکوزیته دینامیک در یک رژیم جریان خاص و یک بازه دمایی خاص بر دانسیته آن روغن در آن بازه دمایی است. بدین ترتیب، ویسکوزیته سینماتیک به نوع روغن بستگی دارد!

اما، آنچه که در کاتالوگ ها، بروشور ها، و برچسب های معرفی محصولات روانکار به مشتری به چشم می خورد، ویسکوزیته دینامیک روغن است. معمولا دانسیته روغن (آنهم در یک دمای خاص، معمولا 15 درجه سلسیوس) بصورت جداگانه در بروشور های معرفی روغن یا MSDS (مخفف Material Safety Data Sheet) آن داده می شود که کارشناس آنالیز روغن می تواند با تقسیم ویسکوزیته دینامیک بر دانسیته داده شده در این بروشور ها یا گزارش آنالیز واصله از آزمایشگاه، به مقدار ویسکوزیته سینماتیک یک روغن دست یابد.

ویسکوزیته دینامیک نقش بسیار مهم و تعیین کننده ای در تعیین ضخامت فیلم روغن و استحکام آن بازی می کند. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه، مطالعه پست «اهمیت استحکام فیلم روغن» در همین وبلاگ توصیه می شود. مشخصات عملکردی دیگری از روغن نیز از ویسکوزیته (سینماتیک یا دینامیک) تاثیر می پذیرند که شرح خلاصه ای از آنها در جدول 1 نشان داده شده است.

جدول 1: اثرات ویسکوزیته بر مشخصات عملکردی مختلف یک روغن

بدین ترتیب، بدون در نظر گرفتن حرارتی که جریان روغن در یک تجهیز تجربه می کند، صحبت کردن راجع به ویسکوزیته آن بی معنی خواهد بود. اما، نکته ای که در این میان اغلب از چشم کارشناسان آنالیز روغن، در مبحث انتخاب یک روغن، پنهان می ماند، این است که آنچه که در بروشور ها و سایر مدارک معرفی یک محصول روانکار بیان می شود، تنها ویسکوزیته آن محصول در یک دمای نقطه ای خاص است: 40 درجه سلسیوس؛ که اصلا برای تصمیم گیری درباره کیفیت و مناسبت آن با کاربردی که در نظر داریم، کافی نیست! آنچه که در تصمیم گیری برای انتخاب یک روغن نافذ است، دانستن واکنش یک روغن به تغییرات حرارتی محیط عملکردی آن از طریق افت ویسکوزیته دینامیک آن است. به دیگر سخن، برای انتخاب یک روغن (بویژه روغن های برینگی، توربینی، و موتوری) باید رفتار حرارتی روغن (منحنی ویسکوزیته دینامیک آن برحسب درجه حرارت) کاملا مشخص باشد. اما، این منحنی همیشه در دسترس نیست! اگر خیلی خوش شانس باشیم، ویسکوزیته دینامیک در دو نقطه دمایی 40 و 100 درجه سلسیوس را داریم! اینجاست که اندیس ویسکوزیته وارد می شود! این شاخص توسط E. Dean و C. Davis در سال 1929 ابداع شد. این شاخص، که مانند بسیاری از شاخص های مهندسی، بی بعد است در استاندارد ASTM D2270 تعریف شده و مطابق آن اندازه گیری می شود.

این شاخص، که روش پیدایش آن مانند عدد اکتان منشایی صفر و صدی (حداقل و حداکثری) داشته و براساس دو مقدار طبیعی و تجربی بدست می آید، براساس واکنش طبیعی دو روغن خام پارافینیک و نفتنیک اندازه گیری و سنجیده می شود. از مکانیک سیالات می دانیم که سیالات پارافینیک (که روغن خام حاصل از نفت پنسیلوانیا بیشترین تطابق با این تعریف را دارد) کمترین واکنش ویسکوزیته را در برابر حرارت دارند. بنابراین، عدد شاخص ویسکوزیته این روغن صد (VI = 100) فرض می شود. از سوی دیگر، سیالات نفتنیک (که روغن خام حاصل از نفت استحصالی از خلیج تگزاس بیشترین تطابق را با این تعریف دارد) نیز بیشترین واکنش ویسکوزیته را در برابر تغییرات حرارت داشته و بدین ترتیب اندیس ویسکوزیته آن صفر (VI = 0) است. بدین ترتیب، دو نقطه حداقل و حداکثر برای این شاخص تعیین شده است. بر این اساس، اگر رفتار حرارتی یک روغن بین دو دمای 40 و 100 درجه سلسیوس به روغن پنسیلواینایی نزدیک بود، شاخص ویسکوزیته آن 100 است. ولی اگر این رفتار به روغن خلیج تگزاس شبیه تر بود، شاخص ویسکوزیته آن به صفر نزدیکتر می شود.

بنابراین، هر چه شاخص ویسکوزیته یا VI یک روغن بالاتر باشد، تمایل به حفظ ویسکوزیته آن در بازه های دمایی مختلف و در اثر شوک های حرارتی بیشتر بوده و رفتار حرارتی روغن قابل پیش بینی تر است. پس می توان نتیجه گرفت که شاخص ویسکوزیته بالاتر به معنای کیفیت بهتر آن روغن است.

اما، این روش استاندارد برای اندازه گیری (یا به بیان بهتر: پیش بینی) شاخص ویسکوزیته یک روغن است. این بدان معنی است که با همین روش، می توان با دانستن ویسکوزیته دینامیک یا سینماتیک یک روغن در دو نقطه دمایی (مثلا 20 و 80 درجه سلسیوس) شاخص ویسکوزیته یک روغن را پیش بینی کرد. اما، اعداد 40 و 100 درجه سلسیوس، ایستگاه های استاندارد برای اندازه گیری شاخص ویسکوزیته هستند. روش شخصی نویسنده این پست بدین صورت است که ویسکوزیته دینامیک یک روغن در دو دمای 40 و 100 را وارد نرم افزار های محاسباتی مانند Excel یا MATLAB کرده و با اتصال این دو نقطه به یکدیگر، معادله خط را بدست می آورد. بدین ترتیب، عرض از مبدا و ضریب زاویه نمودار خطی بدست آمده نشاندهنده کیفیت رفتار حرارتی یک روغن است. هرچه عرض از مبدا این خط بیشتر و بالاتر باشد، بدان معنی است که ویسکوزیته دینامیک روغن با شتاب و شیب بیشتری در اثر شوک حرارتی کاهش می یابد. به نمودار شکل 1 نگاه کنید.

شکل 1: نمودار ویسکوزیته خطی (بین 40 و 100 درجه سلسیوس) دو روغن موتوری و کمپرسوری (خطا: صفر)

سوالی که در اینجا مطرح می شود آن است که عدد مناسب برای شاخص ویسکوزیته روغنی که می خواهیم انتخاب کنیم، چقدر باید باشد؟ آیا استاندارد و مرجعی در این باره برای تصمیم گیری هست؟

پاسخ به این سوال کمی مشکل است و بستگی به شرایط تجهیز دارد. روغن هایی تولید شده اند که شاخص ویسکوزیته ای بیش از 400 دارند. اما، اکثر روغن های صنعتی موجود در بازار شاخص ویسکوزیته ای بین 90 تا 160 دارند. مقدار شاخص ویسکوزیته مناسب برای یک عملکرد، معمولا بصورت تجربی تعیین می شود و استاندارد یا مرجع خاصی در این مورد وجود ندارد. بعنوان مثال، برای توربین های بخار، شاخص ویسکوزیته نباید از 95 پایینتر بوده و برای موتور های درونسوز خودرویی، شاخص ویسکوزیته کمتر از 100 پسندیده نیست. در مورد روغن های برینگی، معمولا شاخص ویسکوزیته بالا مناسبتر است و معمولا شاخص ویسکوزیته کمتر از 120 مناسب تشخیص داده نمی شود. بطور کلی، موارد تجربی زیر می تواند در انتخاب روغنی یا اندیس ویسکوزیته بالا یا پایین مورد توجه واقع شوند:

الف) شاخص ویسکوزیته بالا برای موارد زیر کاربرد دارد:

- مقدار بهینه ای برای ویسکوزیته روغن معلوم نباشد؛

- بارگذاری یا سرعت چرخش یکسان یا یکنواخت نباشد؛

- دمای عملکردی متفاوت و متغیر باشد؛

- قصد بر بهینه سازی انرژی در بین باشد؛

- قصد بر افزایش طول عمر روغن (افزایش بازه تعویض روغن) باشد؛ و

- قصد بر کاهش MTTR  و افزایش MTBF باشد.

ب) شاخص ویسکوزیته پایین در موارد زیر صاحب کاربرد است:

- بارگذاری و سرعت چرخش معلوم، ثابت، و یکنواخت باشد؛

-  دمای عملکردی تجهیز یکنواخت باشد؛ و

- مقدار بهینه ای برای ویسکوزیته سینماتیک در یک بازه دمایی خاص معلوم بوده و قابل دستیابی باشد.

مطالعه موردی: اکنون، به مقایسه دو روغن می پردازیم که هر دو از یک گرید هستند (ISO VG 150). یکی مینرال (بعنوان روغن A) و دیگری سینتتیک (با نام روغن B). اما، شاخص ویسکوزیته روغن مینرال 95 و روغن سینتتیک 150 است. حال، رفتار حرارتی این دو روغن را از نقطه دمایی منفی 20 تا مثبت 100 درجه سلسیوس بررسی می کنیم. این رفتار حرارتی در جدول 2 نشان داده شده است.

جدول 2: مقایسه رفتار حرارتی دو روغن مینرال و سینتتیک از یک گرید (ISO VG 150)

مقایسه داده های جدول 2 بیانگر آن است که با وجود عدم تفاوت چشمگیر دو روغن در دمای 40 درجه سلسیوس، شاهد تفاوت 236 درصدی ویسکوزیته سینماتیک در دمای منفی 20 و منفی 25 درصدی در دمای 100 درجه سلسیوس هستیم. پس از این دو روغن، با اینکه در دمای 40 درجه سلسیوس تفاوتی با هم ندارند، اما در صورت بروز شوک حرارتی تفاوت رفتاری فاحشی از خود نشان می دهند.

شکل 2: نمودار شماتیکی از شش نوع روغن با یک گرید ویسکوزیته، ولی شاخص ویسکوزیته متفاوت

بدین ترتیب، در انتخاب یک روغن یا جایگزین سازی آن نباید تنها به ویسکوزیته دینامیک یا بطور خلاصه به گرید ISO VG آن دقت کرد. بلکه، اندیس ویسکوزیته آن را نیز باید در نظر گرفت. پیشنهاد نویسنده این است که بجای مقایسه اعداد موجود در کاتالوگ روغن های مختلف برای انتخاب یک کدام، بهتر است ویسکوزیته دینامیک هر روغن را در دو نقطه دمایی 40 و 100 درجه سلسیوس رسم کرده و مانند شکل 2 نمودار خطی چند روغن را بصورت هندسی با هم مقایسه کرد.

انتخاب روغن پمپ: مطالعه موردی

با درود بیکران به محضر مبارک تمامی مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی

هدف از پست حاضر، پاسخ به اعلام نیاز یکی از مخاطبین محترم وبلاگ دانش روغنکاری در خصوص انتخاب روغن مناسب برای روانکاری یک پمپ تغذیه آب بویلر است. امید است که رهنمود ها و راهنمایی های مندرج در این پست، راهگشای مشکلات کسانی باشد که بعدها قصد حل مشکلی شبیه به این را دارند.

شرح سوال: پمپی داریم که مشخصات عملکردی آن در پلاک نشان داده شده در شکل 1 تعریف شده است. این پمپ قرار است در جنوب کشور و در زیر آفتاب نصب شده و آب با دمای 120 درجه سانتیگراد را دریافت کرده و سپس با مشخصات درج شده در پلاک به مدار تغذیه آب بویلر پمپاژ می کند. مکانیزم پمپ سانتریفیوژ چند مرحله ای (BB4، تعریف شده در استاندارد API 610) است. برینگ های این پمپ نیز از نوع NU1016 هستند. قصد بر این است که با توجه به مشخصات عملکردی و مدارک فنی پمپ که از سازنده تحویل شده است، نسبت به انتخاب روغن مینرال یا سینتتیک ایرانی اقدام کنیم.

شکل 1: تصویری از پلاک پمپ حاوی اطلاعاتی درباره مشخصات عملکردی و سازنده و مدل آن

برای پاسخ به این سوال، ابتدا باید شرایط کاری پمپ را مد نظر قرار دهیم. با توجه به اینکه دمای سیال ورودی به پمپ حدود 120 درجه سلسیوس است و در عین حال، محل نصب این پمپ زیر آفتاب جنوب ایران قرار دارد، بنابراین، دمای برینگ های پمپ نباید از 90 درجه سلسیوس کمتر شود. از سوی دیگر، با مراجعه به منوآل پمپ، جدول 4 که در شکل 2 نشان داده شده است روغن ISO VG 68 را برای این پمپ پیشنهاد می دهد. اما، جدول 5 انتخاب واقع گرایانه تری را بدست می دهد. شکل 2 را ببینید. در عین حال، با مراجعه به پستی در همین وبلاگ با عنوان «انتخاب ویسکوزیته روانکار برای ژورنال برینگ ها»، جدول 1، و با توسل به شکل 1 همین پست که سرعت چرخش (دور) پمپ را از روی پلاک آن 2974 rpm بدست می دهد، می توان گرید روغن ISO VG 100 را برای این پمپ انتخاب بهتری دانست.

شکل 2: جداول 4 و 5 منوآل پمپ که روغن مناسب برای پمپ BB4 را پیشنهاد می دهند

انتخاب ISO VG 100 بجای ISO VG 68 برای این پمپ از آن جهت است که برینگ های این پمپ در شرایط Alert Condition قرار داشته و اصطلاحا Hot Running Bearings محسوب می شوند. این شرایط در پست دیگری در همین وبلاگ با عنوان «داغ شدن برینگ ها» تعریف شده است. بنابراین و با توجه به اینکه برینگ های شما در مرز عملکردی داغ عمل کرده و دور پمپ شما نیز بالاست، لذا برینگ های پمپ شما ریسک خرابی آنها بالایی داشته و نیاز مبرم به روغنرسانی دایمی دارند. بدین ترتیب، و به منظور حفظ استحکام و ضخامت فیلم روغن در سطوح درگیر تبادل تنش برینگ های این پمپ، لازم است که ویسکوزیته سینماتیک روغن مصرفی یک گرید بالاتر گرفته شود. برای اطلاع در مورد نقض ضخامت فیلم روغن مطالعه پست «رژیم های روغنرسانی» در همین وبلاگ توصیه می شود. در صورتیکه به اطلاعاتی درباره استحکام فیلم روغن و عوامل موثر بر آن نیاز داشتید، می توانید به پست دیگری در همین وبلاگ با عنوان «اهمیت استحکام فیلم روغن» مراجعه بفرمایید.

حال که گرید ویسکوزیته روغن مصرفی مشخص شد، باید نوع روغن پایه را تعیین کنیم. روغن های مصرفی برای بازه دمایی 90 تا 130 درجه سانتیگراد، شامل هر دو دسته مینرال و سینتتیک می شوند و می توان از هر دو این دسته از روغن ها استفاده کرد (برای اطلاعات بیشتر در این خصوص، مطالعه پست «کاربرد روغن در دماهای خیلی بالا» در همین وبلاگ توصیه می شود). منتها، در صورت استفاده از روغن های مینرال، باید به سراغ گروه III روغن های پایه برویم (برای اطلاعات بیشتر در این خصوص، مراجعه به پست «انواع روغن های پایه» در همین وبلاگ توصیه می شود). چراکه گروه های I و II روغن های پایه مینرال برای این بازه دمایی مناسب نیستند. در مورد روغن های سینتتیک نیز، بهترین انتخاب روغن هایی هستند که برپایه گروه IV سنتز شده باشند. یعنی روغن های پایه PAO. روغن های سینتتیک پایه گروه V (یعنی PAG و ...) علیرغم مقاومت حرارتی خوب و عمر عملکردی بسیار بالا، چندان برای اینکار توصیه نمی شوند. چراکه مشکلات ناسازگاری شیمیایی با برخی از آلیاژ ها و پلیمر ها داشته و قیمت بسیار بالایی نیز دارند.

بدین ترتیب، و تا بدین جای کار، باید بدنبال روغنی بگردیم که گرید آن ISO VG 100 و از روغن های پایه گروه III یا IV تشکیل شده باشد.

برای انتخاب بین مینرال یا سینتتیک، مراجعه به مدارک سازنده پمپ راهگشا خواهد بود. جدول 7 منوآل این پمپ راهنمایی لازم را می دهد. شکل 3 را ببینید.

شکل 3: بخشی از منوآل سازنده پمپ (جدول 7) که زمان تعویض بین روغن های مینرال و سینتتیک را بدست می دهد

بدین ترتیب، و براساس داده های ستون آخر جدول شماره 7 منوآل سازنده پمپ، عاقلانه ترین انتخاب در مورد این پمپ و این شرایط عملکردی، روغن سینتتیک خواهد بود.

تا این مرحله، ویسکوزیته سینماتیک روغن مشخص شد (ISO VG 100)، و روغن پایه آن نیز تعیین شد (گروه IV، PAO). اکنون بعنوان مرحله یکی مانده به آخر، باید خواص شیمیایی و نوع ادتیو های آن را مشخص کنیم. باز هم بهترین راهنما در این مورد، منوآل سازنده تجهیز است. مطابق پاراگرافی از آن که در شکل 4 نشان داده شده است، این روغن نباید دارای خاصیت پاک کنندگی یا دترجنت باشد. در عین حال، این روغن نباید دارای ترکیبات قوی اسیدی، کامپاند های هیدراته (آبدار)، رسوبات سخت، کامپاندهای صابونی، انواع رزین ها، و دیگر عوامل رسوب زا باشد. در عین حال، این روغن باید دارای خاصیت ضد خوردگی و آنتی اکسیدان باشد.

شکل 4: بخشی از پاراگراف یکی از بخش های منوآل پمپ که به ترکیبات شیمیایی روغن اشاره کرده است

پاراگراف نشان داده شده در شکل 4، بخشی از الزامات و نگرانی های سازنده تجهیز را منعکس می کند. بدین ترتیب، روغنی باید انتخاب شود که خاصیت روانکاری، در عین خنک کنندگی، داشته و قابلیت انتقال حرارت خوبی داشته باشد. این روغن نمی تواند دارای کامپاندها و ادتیو های Dispersant و Detergent باشد. پس نمی توان از روغن های موتوری سینتتیک برای این تجهیز استفاده کرد. چراکه یکی از مشخصه ها و ادتیو های رایج در روغن های موتوری، ادتیو های Dispersant-Detergent هستند که اغلب از نمک های کلسیم، سدیم، یا باریم تشکیل شده اند. پس تا بدینجای کار، یک آپشن حذف می شود: روغن های موتوری.

آپشن دیگری که حذف می شود، روغن های هیدرولیک سینتتیک است. چراکه این تیپ از روغن ها اغلب دارای عدد اسیدیته کل بالای 0.5 هستند که می تواند برای این مرز دمایی خورنده باشد و احتمال حمله اسیدی را تشدید کند. برای اطلاعات بیشتر در این مورد، مراجعه به پست «عدد اسیدی، عدد قلیایی، و pH روغن» در همین وبلاگ توصیه می شود.

بدین ترتیب، بهترین انتخاب ممکن، که با شرایط و الزامات سازنده پمپ نیز جور در می آید، استفاده از روغن های برینگ یا اگر گیر نیامد، کمپرسوری، سینتتیک است. این روغن ها، علاوه بر انتقال حرارت خوبی که دارند، آنتی اکسیدان نیز بوده و بشدت نسبت به انواع مکانیزم های خوردگی مقاومند. عدد اسیدیته کل پایین (معمولا 0.01) داشته و از ادتیو های Dispersant-Detergent در آنها خبری نیست. بدین ترتیب، نوع روغنی که باید بدنبال آن باشیم تعیین می شود: روغن برینگ یا کمپرسور سینتتیک.

برای مرور، تا اینجای کار، به این روغن رسیده ایم: روغن سینتتیک صنعتی، با گرید ISO VG 100، نوع برینگی یا کمپرسور. اکنون باید برای آخرین مرحله، تامین کننده را شناسایی کنیم. ایرانی یا خارجی؟

پاسخ به این سوال نسبتا راحت است: تولید کنندگان ایرانی در زمینه روغن های سینتتیک موتوری فعالیت بیشتری دارند که یکی از انتخاب های اوت ما بود! بنابراین، تکلیف روشن است و باید بدنبال روغن خارجی بگردیم. با اندکی مطالعه در اینترنت می توان دریافت که با توجه به توضیحات فوق، اولین و بهترین انتخاب روغن برینگ Shell Morlina S4 B100 یا معادل آن است. بعنوان آپشن دوم، می توان به روغن کمپرسوری Shell Corena S4 R100 یا معادل آن نیز بعنوان انتخاب جایگزین فکر کرد.

آنالیز روغن گیربکس: مطالعه موردی

با درود فراوان

هدف از این پست، پاسخ به سوال یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ و در عین حال، یک مطالعه موردی یا Case Study از آنالیز روغن یک گیربکس (جعبه دنده) صنعتی است.

شرح مساله: گیربکس صنعتی را در نظر بگیرید که در یک سیستم کانوایر در یک منطقه کویری (نزدیک دریا) کار می کند. از آنجا که گیربکس نزدیک دریا است، Single Rise شدن عناصری مانند کلسیم و سدیم کاملا پذیرفته است. از سوی دیگر، بدلیل Hi-Rise بودن همیشگی عناصری مانند Si و Al، فرسایندگی یا Erosivity روغن گیربکس نیز بالا است. بنابراین، Single Rise شدن گاه به گاه عناصری مانند Fe نیز دور از انتظار نبوده و به امری عادی بدل شده است. شکل 1 را ببینید.

شکل 1: نمودار تغییرات غلظت عناصر آهن و سرب در طول زمان (Historical Trend)

با گرم شدن هوا (اواسط فصل بهار)، سطح عناصر Fe، Cr، Ni، و Pb ناگهان شروع به افزایش شدید کرده و توجه کارشناس نگهداری و تعمیرات را جلب می کنند. در نگاه اول، به نظر می رسد که سه عنصر اول به کارسودگی (Wear-out) قطعات فولاد آلیاژی و عنصر آخر نیز به سایش (Wear) برینگ های گیربکس مربوطند. بر این اساس، کارشناس مربوطه دستور تعویض روغن گیربکس را می دهد. پس از چند ماه کار و در اواسط تابستان، اولین نتایج آنالیز روغن حاکی از ادامه روند کارسودگی و سایش است. شکل 2 را ببینید.

براساس داده های شکل 2، کارشناس نگهداری و تعمیرات نتیجه گرفت که گیربکس وارد مرحله بروز خرابی و توقف کار شده است. اما، برای تصمیم گیری در مورد توقف کار گیربکس، این اطلاعات و ادله کافی نیست! در این مورد، کارشناس مربوطه، به درستی، به سراغ داده های آنالیز ارتعاش رفت.

شکل 2: نمودار تغییرات غلظت عناصر آهن، کروم، نیکل، و سرب در طول زمان (Historical Trend)

داده های آنالیز ارتعاش نشان دهنده رفتار ارتعاشی غیرمعمول در برینگ ورودی گیربکس بود. بنابراین، نتایج آنالیز روغن تایید شد و تصمیم بر تعویض گیربکس قرار گرفت. اما، مشکل چه بود؟

پاسخ به این سوال در ترکیبی از تست های آنالیز روغن نهفته است. ترکیبی از مشخصات عملکردی روغن که در ظاهر ارتباطی به یکدیگر ندارند! اما، با تلفیق این داده ها با یکدیگر است که کارشناس آنالیز می تواند به دید عمومی و روشنی درباره تحلیل خرابی پیش بینانه دست یافته و سپس، اقدامی پیشگیرانه انجام دهد. یکی از این مشخصه ها، ویسکوزیته سینماتیک روغن است و ارتباط دهی آن با آنالیز عناصر و تفسیر نتایج کسب شده، احتیاج به دانش و تجربه فراوان دارد.

در مورد این گیربکس، اتفاق جالبی افتاده بود! بدین شرح که روغنی که در سال قبل و با آغاز فصل پاییز، بدلیل پاره ای تصمیمات مدیریتی، گرید روغن مصرفی از ISO VG 680 به ISO VG 150 تغییر می یابد! طی این چند ماه و تا آغاز فصل تابستان و بروز برخی علائم هشدار دهنده، عدم تطابق ویسکوزیته نمونه روغن کارکرده ارسالی به آزمایشگاه با مشخصات روغن مصرفی ذکر شده در منوآل گیربکس بصورت مداوم توسط آزمایشگاه گوشزد می شده است. بالاخره در اواسط تابستان، تصمیم به بازگرداندن گرید روغن به همان ISO VG 680 گرفته و این روغن یکبار در گیربکس شارژ می شود. اما، دیگر دیر شده بود! و گیربکس فردای آن روز جام کرد! نمودار شکل 3 را ببینید.

شکل 3: نمودار تغییرات غلظت عناصر آهن، کروم، نیکل، و سرب در طول زمان (Historical Trend) از حدود یکسال قبل تا بروز خرابی

پس از باز کردن گیربکس، مشخص شد که تمامی مجرا های سیستم روغنرسانی پر از لجن بوده و تماما مسدود شده بودند. روغن ISO VG 150، بدلیل ویسکوزیته پایینتر قادر به روان شدن و باز کردن راه خود از میان این مجرا های بسته و رساندن خود به بخش های عملکردی و درگیر تبادل تنش بود. اما، همین مقدار نیز کفایت روانکاری کل گیربکس را نمی کرد! اما از هیچ هم بهتر بود!

با تغییر مجدد نوع روغن به ISO VG 680، ویسکوزیته روانکار به حالت اولیه خود برگشته و روغن دیگر قادر به عبور از مجاری نیمه بسته و پر از لجن نبود! بنابراین، همان آب باریکه هم قطع شد و عملا گیربکس بمدت یک شیفت کاری بدون روغن کار می کرد! و همین علت جام کردن آن، یک روز پس از تعویض روغن، بود!

اما، مسئولیت این خسارت با کیست؟

پاسخ به این سوال با شرح ماجرای فوق بسیار راحت است: انگشت اتهام کارشناس آنالیز روغن (نگهداری و تعمیرات) را نشان می دهد! چرا؟ چون اشتباه ایشان بوده است که باعث خرابی گیربکس شده است. اما، اشتباه کجاست؟

یکی از مواردی که در دوره آنالیز روغن پیشرفته بدان پرداخته و بر آن بشدت تاکید می شود، اشتباهات رایج در آنالیز روغن و گریس است. یکی از اشتباهات رایج، عدم توجه به روند اکسیداسیون روغن یا گریس و نتایج آن، بویژه در روغن های صنعتی است که در تجهیزات ترمودینامیک کار نمی کنند، مانند روغن های هیدرولیک و روغن های گیربکس. اشتباه مسلم کارشناس نگهداری و تعمیرات در مورد این گیربکس نیز عدم توجه به اکسیداسیون روغن گیربکس، تشکیل لجن، و مسدود شدن مجاری روغنرسانی بود. اتفاقی که با تست ساده TAN ممکن بود منجر به نجات گیربکس و عدم نیاز به تغییر ویسکوزیته روغن از ISO VG 680 به ISO VG 150 شود. اگر روند تغییر TAN روغن کارکرده در برابر رفتار ویسکوزیته سینماتیک و آنالیز عناصر با هم و بصورت همزمان دیده می شد (بحث نمودار تجمعی یا Cumulative Graph) بروز خرابی در مدارات ناشی از تشکیل لجن و اکسیداسیون روغن بسیار زودتر تشخیص داده می شد.

نقطه اشباع روغن

با درود بیکران به تمامی بازدید کنندگان و مخاطبین محترم

هدف از این پست، پاسخ به سوال مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی در زمینه مفهوم نقطه اشباع روغن است. شرح سوال:

طی یک دوره آموزشی، گفته شد که با بالا رفتن دما، نقطه اشباع روغن پایین می آید. اما، من قبلا فکر می کردم که با افزایش دمای روغن، نقطه اشباع نیز بالاتر می رود. منظورم این است که با افزایش دما، جریان روغن مقدار آب بیشتری را می تواند طی مکانیزم انحلال در خود جذب کند. رابطه درست کدام است؟

قبلا طی پستی با عنوان «خورندگی بخار روغن» مکانیزم های انحلال آب در جریان روغن تشریح شده است. احتمالا اشاره شما به آن پست است. خب! همانطور که احتمالا می دانید، وجود آب در جریان روغن، حتی در مقادیر بسیار اندک، می تواند بسیار مخرب باشد. بعنوان مثال، حضور آب با غلظت تقریبا 1,000 ppm می تواند عمر برینگ را به یک چهارم مقدار استاندارد و پیش بینی شده آن کاهش دهد. جدای از مسائل مربوط به خوردگی، وجود آب در جریان روغن می تواند تمایل آن به فرسایندگی (Erosivity) را افزایش داده و موجب کارسودگی (Wear-out) زودتر از موعد قطعات شود. اینکه مقدار مجاز آب (رطوبت) در جریان روغن یک سیستم روغنرسانی چقدر است به عوامل متعددی بستگی دارد که از آن جمله می توان به حساسیت تجهیز یا روغن جاری در سیستم روغنرسانی آن به وجود آب و راندمان حرارتی آن تجهیز اشاره کرد. در همین زمینه، مطالعاتی از طرف نویسنده این سطور، با هدف تعیین میزان تاثیر زمان باقی ماندن آثار آب های مختلف (آب چاه، آب مقطر، آب شرب شهری، و...) در جریان روغن های موتوری، در حال انجام است که نتایج آن بزودی در قالب مقاله ای منتشر خواهد شد.

نقطه اشباع یا Saturation Point، بنا به تعریف، عبارتست از حداکثر میزان آبی که یک حجم ثابت و مشخص از روغن می تواند بصورت محلول در خود داشته باشد. این نقطه، بستگی مستقیم و شدیدی به درجه حرارتی دارد که آن حجم ثابت و مشخص از روغن در آن قرار دارد. این رابطه برای بسیاری از روغن ها خطی است. نمودار شکل 1 را ببینید.

شکل 1: نمودار تغییرات نقطه اشباع (برحسب %) و حضور آب (برحسب ppm) در یک روغن در برابر درجه حرارت

همانطور که در نمودار شکل 1 مشخص است، حتی با ثابت ماندن میزان حضور آب در حجم ثابتی از روغن، با افزایش دما، میزان پذیرش آب در آن حجم از روغن بصورت خطی کاهش پیدا می کند. بدین ترتیب، آنچه که در دوره آموزشی به شما گفته شده صحیح است. مکانیزم کار نیز بدین ترتیب است که مقداری از آب (برحسب ppm) می تواند تا رسیدن روغن به نقطه اشباع بصورت ملکول های منفرد در میان زنجیره ملکولی روغن جای داده شوند. افزایش دما، موجب کاهش فضای بین زنجیره های ملکولی شده و سیستم روغن دیگر مانند قبل پذیرای ملکول های آب نخواهد بود. از این لحظه به بعد، ملکول های آب فضای بین زنجیره های ملکولی روغن را ترک کرده، به هم پیوسته، و به شکل امولسیون (شناور) در جریان روغن قرار می گیرند که خطرناک ترین حالت وجود آب در جریان یک روغن (بویژه روغن های موتوری) است. این حالت که به آب شناور معروف است، شامل قطرات آبی است که گوشه ای از حجم جریان روغن را به خود اختصاص داده و همراه با آن حرکت می کنند. زمانی که توزیع این قطرات ریز آب در سرتاسر حجم ثابتی از روغن به بیشترین میزان رسید، این قطرات به یکدیگر پیوسته، تشکیل لایه ای از آب را روی روغن می دهند که به آب آزاد معروف است. تشکیل آب آزاد و دو فازی شدن جریان روغنرسانی به تجهیز لازمه رسیدن این قطرات به نقاط سکون مدار روغنرسانی است.