تشخیص میدانی روغن سینتتیک از مینرال

با درود و احترام به کلیه مخاطبین عزیز این وبلاگ مهندسی

هدف از این پست، ارائه پاسخ به سوالی است که از طرف یکی از مخاطبین محترم و معزز این وبلاگ در زمینه راه (های) تشخیص روغن های سینتتیک از مینرال مطرح شده بود. شرح سوال: آیا راهی هست که بتوان روغن سینتتیک از مینرال را در محل سایت تشخیص داد؟ تجهیزات ما کمپرسور های سانتیفیوژ و گیربکس های سنگین است که باید از روغن سینتتیک برای آنها استفاده شود. وگرنه صدمه می بینند. می خواهم سرم کلاه نرود. به من گفته اند که روغن های مینرال رنگ تیره تر و انواع سینتتیک روشنترند. می خواستم ببینم این حرف درست است؟

پاسخ به این سوال در حیطه بازرسی و کلیم روغن قرار می گیرد. مسلما از وضعیت ظاهری و رنگ یک روغن نمی توان به ترکیبات و ساختار شیمیایی آن پی برد. رنگ محصولات روغنی مصرفی در شرکت شما نیز صرفا رنگ است و معرف هیچ مشخصه شیمیایی یا فیزیکی نیست. در زمینه رنگ روانکار ها نیز هیچ استاندارد ناظری وجود ندارد و روغنسازان نیز می توانند در هر بچ، رنگ محصول خود را تغییر دهند. این موضوع در دنیای روغنسازی چیز عجیبی نیست و پذیرفته شده است. متاسفانه باید صراحتا عرض کنم که برای تشخیص روغن پایه یک روانکار و تعیین سینتتیک یا مینرال بودن آن هیچ راهکار عملیاتی و سایتی وجود ندارد.  با این وجود، ادعای مطرح شده برای شما در خصوص تشخیص روغن با توسل به رنگ آن نیز پر بیراه نیست! این نظریه احتمالا بر این باور استوار است که روغن های پایه سینتتیک طبیعتا سفید یا بی رنگ بوده و روغن های مینرال (بدلیل وجود ترکیبات سولفوردار، کامپاند های آروماتیک، و برخی ناخالصی های طبیعی) کمی تیره هستند. اما، این راهکار بسیار نامطمئن است! چراکه با ورود ادتیو های مختلف و متنوع به ساختار روانکار (بعنوان سیستم روغن و محصول نهایی که بدست شما می رسد) رنگ سیستم روغن دستخوش تغییرات شدیدی خواهد شد. این تغییرات آنچنان شدید است که روغن سینتتیک نهایی می تواند از روغن مینرال حتی تیره تر هم باشد!

بنظر نویسنده، بهترین راهکار در این خصوص انجام تست های آزمایشگاهی از طریق دستگاه های آنالیز پرتابل روغن است. برخی از این دستگاه های پرتابل، نوع روغن را از طریق ویسکوزیته دینامیک تشخیص می دهند. اما برخی، براساس دانسیته کار می کنند. در این خصوص، و با توجه به نیاز شما، توصیه می شود دستگاه آنالیز روغن پرتابلی را تهیه کنید و یک قطره از محصول وارده به انبار را در آن وارد نمایید. این دستگاه میزان دانسیته روغن را به شما می دهد. علاوه بر این، و در جایگاه دوم، می توانید از شاخص ویسکوزیته (VI) نیز برای تصمیم گیری استفاده کنید.

البته، در کنار موارد فوق، ترکیبی از مشخصات فیزیکی روغن، شامل سه نقطه دمایی اشتعال، ریزش، و آنیلین نیز می توانند برای تشخیص یک نمونه روغن سینتتیک از مینرال مفید باشند.

نویسنده در برخی موارد از تبادل نظرات و بازدید های خود، شاهد نظریاتی مبنی بر توسل به آنالیز عناصر تشکیل دهنده نمونه روغن نو برای تشخیص روغن سینتتیک از مینرال بوده است که با توجه به خطای بالای این روش، و در عین حال، احتمال شدید تغییر در ادتیو های مورد استفاده روغنسازان در سنتز محصولات، بهیچوجه توصیه نمی شود.

در صورتیکه نگران میکس شدن روغن های مینرال با روغن سینتتیک هستید، در صورتیکه گیربکس شما در نواحی معتدل و گرم کشور عمل می کند، ترکیب این دو روغن (البته در صورت یکی بودن طبقه بندی API روغن های پایه) مشکل چندانی ایجاد نمی کند. اما، در صورتیکه گیربکس یا کمپرسور های شما در شرایط محیطی سرد کار می کنند، ترکیب دو روغن مینرال و سینتتیک مشکل ساز خواهد بود.

روغن های سینتتیکی که در گیربکس ها و کمپرسور ها استفاده می شوند، معمولا از روغن پایه PAO یا PAG تشکیل شده اند. روغن های PAO حساسیت کمتری به مخلوط شدن با روغن های مینرال دارند (البته در شرایط عدم کارکرد در سرما). اما روغن های PAG حساسیت شدیدی نسب به ترکیب با سایر روغن ها (نه فقط مینرال، که حتی PAO) از خود نشان داده و مشکلات شدیدی، اعم از Clogging (لخته شدگی)، Gelling (تشکیل ژله)، و Churning (ماسیدگی) در مدار روغنرسانی پدید می آورند.

اهمیت استحکام فیلم روغن

با درود و احترام

هدف از این پست، ارائه اطلاعاتی در سطح مقدماتی در رابطه با استحکام فیلم روغن است. قبلا، طی چندین پست جداگانه راجع به نحوه تعامل فیلم روغن با قطعات درگیر در تبادل تنش صحبت شده بود. در پست های قبلی صحبت از این شده بود که ضخامت فیلم روغن چه تاثیری روی توزیع حرارت، و میراگری تنش های مبادله شده بین دو سطح درگیر دارد. در عین حال، قبلا راجع به نقش ضخامت فیلم روغن در رژیم های مختلف روغنرسانی نیز به تفصیل صحبت شده است.

حال که با اهمیت ضخامت فیلم روغن در یک رژیم روغنرسانی خاص آشنا شده ایم، به اهمیت استحکام فیلم روغن در یک رژیم روغنرسانی می پردازیم. با این پست کوتاه، مقدمات آشنایی با رژیم های روغنرسانی و فیلم روغن به پایان می رسد.

شکل 1: نمایی از فیلم روغن تشکیل شده (در مقیاس ماکروسکوپیک) روی یک برینگ

استحکام فیلم روغن یکی از حیاتی ترین و مهمترین خواص مکانیکی روغن مصرفی در ماشین آلات صنعتی به شمار می رود که تاثیر پذیری شدیدی از خواص مکانیکی روغن پایه و ادتیو های فعال در ساختار آن دارد. همانطور که قبلا در رابطه با ضخامت فیلم روغن گفته بودیم، وظیفه فیلم روغن ایجاد فاصله مناسب بین دو سطح فلزی درگیر تبادل تنش و جلوگیری از برخورد این دو سطح به یکدیگر است. بدین ترتیب، روغن باید از ساختار شیمیایی مناسب برای ایجاد این فاصله، حفظ آن در دما های مختلف، و تحمل تنش های متمرکز و گسترده متنوع باشد. بمنظور حفظ ضخامت لازم برای فیلم روغن، سه عام تاثیر گذار است:

-سرعت نسبی: که عبارتست از حاصل تاثیر سرعت دو سطح درگیر تبادل تنش؛

-ویسکوزیته دینامیک روغن پایه: که از دو عامل رژیم جریان روغن و دمای آن تاثیر می گیرد؛ و

-مقدار بار وارده: که در اینجا هر دو نوع بار متمرکز و بار گسترده مد نظر است

البته، باید این نکته را نیز در نظر گرفت که ویسکوزیته سینماتیک روغن پایه تنها مبنایی برای برآورد ویسکوزیته سینماتیک فیلم روغن است. چراکه ویسکوزیته سینماتیک فیلم روغن تابع عواملی چون نوع ادتیو های حاضر در ساختار روغن و در عین حال، حضور کامپاند های آلاینده در ترکیب روغن کارکرده (مانند انواع سیلیکات، آلومینات، و دوده، یا ...) است.

بنابراین، از آنجا که ضخامت فیلم روغن و به تبع آن، کیفیت روغنرسانی نتیجه تعادل سه عامل هیدرودینامیکی فوق در یک مجموعه (همان فیلم روغن) محسوب می شود، به این سبک از روانکاری، روغنرسانی هیدرودینامیک یا Hydrodynamic Lubrication اطلاق می شود.

در مواقعی که با تماس غلتشی یا Rolling Contact سروکار داریم، حرکت لغزشی (Sliding Motion) نزدیک به صفر است. در این تیپ از کاربرد ها، هرچند میزان بار های فشاری متمرکز بیش از همیشه است، اما، بدلیل صفر شدن سرعت نسبی، فیلم روغن همچنان شانس زیادی برای حفظ ضخامت خود دارد (اشاره به همان تعادلی که در بالا ذکر شد). از نگاه نزدیک، این نقاط تمرکز فشار حتی برای تشکیل فیلم روغن با ضخامت مناسب مفید نیز هستند که علت آن را باید در نسبت بین ویسکوزیته دینامیک روغن پایه و فشار جستجو کرد. این نسبت که به شکل نمودار در بیشتر منابع مهندسی سیالات موجود است، اجازه می دهد که ویسکوزیته روغن بصورت مقطعی و با افزایش فشار، بالا رود. بدین ترتیب، فیلم روغن با افزایش مقطعی فشار حالتی الاستیک بخود گرفته و ضخامت خود را حفظ می کند. به این حالت از روانکاری، روغنرسانی الاستوهیدرودینامیک گفته می شود.

اما، در عمل، حفظ این تعادل همیشه ممکن نیست. برخی مواقع در عملکرد یک ماشین (مانند مواقع استارت یا توقف ناگهانی، آلودگی جریان روغن به ذرات فرسایشی، ورود گرد و خاک به جریان روغن، یا ...) هستند که تعادل فوق به هم می خورد. مثلا، ویسکوزیته بیش از حد زیاد می شود، بار وارده ناگهان کم شده یا بشدت بالا می رود، یا حتی سرعت نسبی بشدت زیاد شده یا اصلا به صفر می رسد. تازه اثر مقطعی یا ماندگار تنش های حرارتی را نیز باید به لیست فوق اضافه کرد. در چنین مواردی، که حین عملکرد یک ماشین کم هم نیستند، الزامات تشکیل مکانیزم های روغنرسانی هیدرودینامیک و الاستوهیدرودینامیک برآورده نمی شوند، روغنرسانی مرزی یا Boundary Lubrication اتفاق می افتد. در فرمولاسیون اغلب روغن های روانکار وقوع چنین شرایطی پیش بینی می شود و از این رو ادتیو های متنوع و مختلفی به ساختار شیمیایی روغن اضافه می شوند تا به تشکیل فیلم روغن و حفظ ضخامت آن کمک کنند.

شکل 1: روغنرسانی مرزی

بدین ترتیب، و با افزودن ادتیو های کنترل کننده سایش و اصطکاک به روغن پایه، ترکیب شیمیایی از لوبریکانت (بشکل روغن یا گریس) حاصل می شود که در مواردی مانند روغنرسانی مرزی نیز قادر به حفظ ضخامت فیلم روغن بوده و از آن گذشته، فیلم روغن حاصل از آن نیز از استحکام کافی برخوردار خواهد بود.

اما، استحکام فیلم روغن چیست؟ استحکام فیلم روغن مشخصه ای کیفی از یک روغن یا گریس است که به شکل توانایی فیلم حاصل از یک سیستم روغن در تخفیف اثرات اصطکاک بین دو سطح درگیر تبادل تنش و کنترل روند فرسایش با توسل به عواملی غیر از ضخامت فیلم روغن تعریف می شود. همانطور که در مقدمه این پست و متن سایر پست های مرتبط با موضوع مکانیزم های مختلف روغنرسانی و تشکیل فیلم روغن ذکر شد، اصلی ترین عامل کمک به حفظ ضخامت فیلم یک سیستم روغن طی مکانیزم های روغنرسانی هیدرودینامیک و الاستوهیدرودینامیک، ویسکوزیته سینماتیک (و در برخی سیستم های روغنرسانی و برخی فرمولاسیون ها: ویسکوزیته دینامیک) است. اما، وقتی ویسکوزیته سینماتیک یک روغن پایه برای تشکیل فاصله بین دو سطح فلزی درگیر تبادل تنش کافی نباشد، راه حل در ترکیب شیمیایی روغن پایه و کامپاند هایی خاص از ادتیو ها است تا به تشکیل فیلم روغن کمک کند. برخی فرمولاسیون ها، حتی، پا را از این هم فراتر گذاشته و سعی در برقرار چنان ترکیبی در ساختار روغن پایه با ادتیو ها دارند که با افزایش دما و تمرکز فشار بین دو سطح تبادل تنش، استحکام فیلم روغن بیشتر و بیشتر شود.

مکانیزم کار نیز بدین صورت است که ادتیو های کنترل کننده سایش و اصطکاک در ترکیب با روغن پایه به آن خاصیتی قطبی می دهند تا در شرایط اعمال بار های فشاری سنگین یا دما های بالا قدرت جاذبه سطحی دو سطح فلزی درگیر تبادل تنش را افزایش داده و از طریق واکنش های شیمیایی با این دو سطح فلزی و تشکیل لایه های بسیار نازکی در مقیاس ملکولی و فدا شونده روی این دو سطح اثر اصطکاکی فلز-به-فلز را کاهش دهند. فراموش نشود که لازمه عملکرد صحیح این لایه های نازک ملکولی، چکش خواری بیشتری آنها در مقایسه با دو سطح فلزی درگیر است. اولین و مهمترین اثر تشکیل این لایه های فداشونده چکش خوار کاهش استحکام برشی در نقاط تماس دو سطح فوق است که از طریق شکسته شدن پیوند های شیمیایی ضعیف بین ملکولی روغن (در مقایسه با پیوند فلزی دو سطح جامد) که به نیروی کمتری در قیاس با پیوند فلزی نیاز دارد تامین می شود. البته در این میان، عواملی چون خواص شیمیایی روغن پایه و متالورژی آلیاژ های تشکیل دهنده دو سطح جامد را نیز نباید از نظر دور داشت.

بطور کلی، سه نوع ادتیو وجود دارند که به فرآیند کاهش اصطکاک و کنترل روند تشکیل محصولات سایشی کمک می کنند:

- بهبود دهنده های اصطکاک (Friction Modifiers):

بیشتر شامل ادتیو هایی هستند که لوبریسیته (Oiliness) یک سیستم روغنی را بهبود می بخشند. این ادتیو ها کامپاند های قطبی متشکل از اسید های چرب هستند که به روغن پایه اضافه شده و در سرعت های لغزش پایین، باعث کاهش اصطکاک از طریق تشکیل یک فیلم صابونی می شوند. از این ترکیبات بیشتر در مجموعه هایی استفاده می شود که در مدیریت مصرف سوخت تاثیرگذار بوده و عواملی چون ضریب اصطکاک بین قطعات و چسبندگی-لغزش در سرعت های تبادل تنش پایین روی عملکرد آنها تاثیر شدیدی دارد. بارزترین مثال در مورد چنین مجموعه هایی موتور های خودرویی، ژنراتور ها، و جعبه دنده ها هستند. عملکرد این ادتیو ها همانند ادتیو های ضد سایش است، با این تفاوت که بهبود دهنده های اصطکاک در بار گذاری های سبک نیز عملکرد خود را حفظ کرده و در دما های پایین نیز همچنان فعال می مانند. با افزایش دمای عملکردی، فیلم صابونی تشکیل شده در اثر عملکرد این ادتیو ها تجزیه شده و اثر خود را از دست می دهد. اما، با این حال، مرز دمایی تجزیه این فیلم صابونی با توجه به حساسیت بیشتر سطح فلزی به واکنش با اسید های چرب از دیگر ادتیو ها بالاتر است.

- ضد سایش ها (Anti-wears):

این دسته از ادتیو ها بیشتر شامل کامپاند های قطبی روی (Zn) یا فسفر دار بوده و از معروفترین آنها می توان به ZDDP (زینک دی آلکیل دی تیو فسفات) اشاره کرد. هدف از این دسته از ادتیو ها، واکنش دهی با سطح فلزی قطعات در شرایط روغنرسانی مرزی است. ادتیو های ضد سایشی یا AW در دما های بالا و بارگذاری های آهسته و سنگین بیشترین کارآیی را دارند. چراکه با افزایش دما و کاهش ویسکوزیته سینماتیک روغن (قانون آرنیوس)، سطح فعالیت شیمیایی این ادتیو ها بیشتر شده و منجر به تشکیل فیلم حائل (Barrier Film) مستحکم تری می شود.

نکته: برای اطلاعات بیشتر درباره قانون آرنیوس، مراجعه به پست «ادتیو های EP: انواع، کاربرد ها، و محدودیت ها» در همین وبلاگ توصیه می شود.

بطور کلی، ادتیو هایی مانند ZDDP بیشتر بمنظور ایجاد مقاومت در سیستم روغن نسبت به سایش (Wear) و کارسودگی (Wear-out) به آن اضافه می شوند. هرچند کاربرد آنها با محدودیت هایی روبرو است. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه، مطالعه پست «جایگزین سازی روغن هیدرولیک بدون روی (Zinc free)» در همین وبلاگ توصیه می شود.

نکته: در رابطه با ارتباط حضور ادتیو ZDDP در روغن های موتوری با افزایش/کاهش عدد اسیدی کل (TAN)، مراجعه به پست «آنالیز روغن موتور» در همین وبلاگ توصیه می شود.

- ادتیو های EP (Extreme Pressure):

این دسته از ادتیو ها، که در بعضی منابع با عنوان ادتیو های ضد خراشیدگی (Anti-Scuff Additives) نام برده شده اند، همان عملی را انجام می دهند که از ادتیو های بهبود دهنده اصطکاک و ضد سایشی انتظار می رود. با این تفاوت که مرز تجزیه دمایی این ادتیو ها از دو دسته قبلی بسیار بالاتر است. ترکیب شیمیایی ادتیو های EP نیز از کامپاند های قطبی فسفر و سولفور دار تشکیل شده است.

نکته: برای اطلاعات بیشتر در مورد این ادتیو ها و انواع آنها، مراجعه به پست « ادتیو های EP: انواع، کاربرد ها، و محدودیت ها» در همین وبلاگ توصیه می شود.

عملکرد ادتیو های EP در دما های سطحی بسیار بالا به بیشترین حد خود رسیده و با تشکیل فیلم شبه صابونی با استحکام برشی اندک حاصل واکنش دهی شیمیایی با سطح فلزی قطعات مقاومت خوبی در برابر دما های بالا (در عین بارگذاری آهسته و سنگین) ایجاد می کند (شکل 2 را ببینید).

شکل 2: نمای شماتیکی از عملکرد ادتیو های EP در برابر بار و گرما

هرچند ادامه (یا حتی تشدید) زنجیره واکنش های شیمیایی سیستم روغن دارای ادتیو های EP با سطح فلزی قطعات به روند تشکیل و استحکام فیلم حائل کمک می کند، اما، ادامه این روند می تواند برای برخی از آلیاژ ها خطرناک و خورنده باشد.

آنالیز روغن موتور

با درود و احترام

مقصود و منظور از این پست، ارائه اطلاعاتی در سطح مقدماتی و متوسط درباره آنالیز روغن های موتوری است. روغن های موتوری یا Motor Oils عنوانی عمومی برای روغن هایی است که بمنظور روانکاری و روغنرسانی به موتور های درونسوز مصرف می شوند. این موتور ها در صورتیکه حالت اینجین داشته باشند، یعنی نیروبخش و پیشران یک سیستم خودرویی و سیار باشند، Engine Oil نامیده می شوند. اما، اگر موتور مزبور صرفا یک مولد قدرت ثابت باشد، همان عنوان Motor Oil برای آن بکار می رود. البته، این تنها یک نامگذاری و طبقه بندی عام است و روی ترکیبات و مشخصات عملکردی روغن تاثیری ندارد.

یکی از مواردی که کارشناسان آنالیز روغن موتور های سنگین را دچار سردرگمی می کند، تفسیر نتایج آنالیز عناصر شیمیایی است که اصطلاحا با عنوان Elemental Analysis شناخته می شود. این آزمون به روش FTIR (مخفف Fourier Transform Infra-Red) انجام شده و یکی از بهترین و در دسترس ترین روش ها بمنظور آنالیز روغن موتور است. در کنار آن، روش هایی مانند ICP (Inductively Coupled Plasma) با توانایی کشف 30 عنصر به همراه AES (Atomic Emission Spectroscopy) بمنظور تعیین غلظت هر یک از این عناصر می توانند راهگشای کارشناس آنالیز روغن باشند. اما، تفسیر نتایج، بویژه در حالت تقارن و همپوشانی نتایج، کار دشواری است.

آزمایشگاه ها معمولا و بصورت روتین عناصر زیر به همراه مقدار حضور آنها در نمونه روغن را به همراه دیگر نتایج خواسته شده از آنها گزارش می دهند: آهن (Fe)، کروم (Cr)، قلع (Sn)، آلومینیوم (Al)، نیکل (Ni)، مس (Cu)، سرب (Pb)، کلسیم (Ca)، منیزیم (Mg)، بور (B)، روی (Zn)، فسفر (P)، باریم (Ba)، مولیبدن (Mo)، گوگرد (S)، سیلیس (Si)، سدیم (Na)، و پتاسیم (K). شکل 1 را ببینید.

شکل 1: نمونه ای تیپیک از یک گزارش آزمون آنالیز عناصر نمونه روغن

برخی از آزمایشگاه ها نیز باد توجه به امکانات خود، عناصری مانند نقره (Ag)، وانادیوم (V)، تنگستن (W)، یا حتی برخی عناصر سرامیکی مانند سریم (Ce) و بریلیوم (Be) را نیز کشف و اندازه گیری می کنند. البته، عناصر اخیر معمولا در ترکیب روغن های موتوری حضور نداشته یا حضور آنها غیرمحتمل است. اما، با توجه به امکانات اندازه گیری و آنالیز موجود در برخی آزمایشگاه ها، حضور این عناصر نیز بصورت روتین در گزارش آزمون مشتری ذکر می شود. شکل 2 حضور برخی از عناصر معمول و محتمل در آنالیز روغن های موتوری را نشان می دهد.

شکل 2: شماتیکی از عناصر معمول و محتمل در آنالیز روغن های موتوری به همراه منشا آنها

عناصر شیمیایی موجود در یک گزارش آنالیز روغن موتوری به سه دسته زیر تقسیم می شوند:

الف) عناصر فرسایشی (Wear elements):

این دسته بندی به عناصر شیمیایی اشاره دارد که حضور آنها در یک گزارش نتیجه آزمون آنالیز روغن نشاندهنده شدت و ضعف فرسودگی (Erosion) و کارسودگی (Wear-out) قطعات مختلف موتور است. شرح این عناصر به همراه منشا احتمالی آنها در جدول 1 آمده است.

جدول 1: عناصر فرسایشی

بدین ترتیب، با ترکیب افزایش تک بعدی (Single Rise) یک یا چند عنصر از جدول 1 می توان به وضعیت موتور پی برد. جدول 2 را ببینید.

جدول 2: ترکیب افزایش یک یا چند عنصر فرسایشی و منشا احتمالی آن

ب) آلاینده ها (Contaminants):

این بخش از گزارش آنالیز عناصر آزمایشگاه به عناصر شیمیایی اختصاص دارد که بخشی از آلیاژ های تشکیل دهنده یک موتور درونسوز محسوب نمی شوند یا حداقل (با توجه به پیشرفت های امروزین در استفاده از متریال های نوین) احتمال مصرف آنها در موتور کم است. وجود این عناصر در گزارش آزمایشگاه نشاندهنده ورود آلاینده های محیطی یا شیمیایی به جریان روغن موتور است. جدول 3 را ببینید.

جدول 3: عناصر آلاینده

ج) ادتیو ها (Additives):

عناصری که در این بخش جای می گیرند، به ادتیو هایی اختصاص دارند که در ساختار روغن های مختلف موتوری مورد استفاده قرار می گیرند. در جدول 4 که به معرفی این عناصر اختصاص دارد، سعی در اشاره به عناصری شده است که بیشتر روغنسازان برای سنتز محصولات متنوع خود در رسته روغن های موتوری مورد استفاده قرار می دهند. جدول 4 منشا احتمالی حضور این عناصر را نشان داده است.

جدول 4: عناصر ادتیو ها

در کنار آنالیز عناصر شیمیایی موجود در یک نمونه روغن، کارشناس آنالیز روغن هرگز نمی تواند و نباید به آنالیز عناصر شیمیایی بسنده کند. یکی از ابزار های مناسب بمنظور کمک به کسب یک تصویر بهتر و واضح تر از وضعیت و سلامت روغن، نظارت بر ویسکوزیته سینماتیک روغن و تعداد ذرات فرسایشی مشاهده شده در آن است. نمودار های شکل 3 در این زمینه راهنمای خوبی هستند.

شکل 3: راهنمایی برای وضعیت های مختلف ویسکوزیته سینماتیک روغن موتور در برابر تعداد ذرات جامد شمارش شده

از سوی دیگر، همانطور که قبلا در همین وبلاگ اشاره شد، عدد اسیدی یا AN (Acid Number) نیز می تواند بعنوان یکی از شاخص های کارآمد در آنالیز روغن مطرح شود. این شاخص در روغن های موتوری بهتر است همراه با وضعیت ادتیو ZDDP مورد مطالعه قرار گیرد. در مورد ZDDP قبلا در همین وبلاگ پستی درج شده است. به نمودار شکل 4 نگاه کنید.

شکل 4: راهنمایی برای تصمیم گیری درباره وضعیت سلامت روغن براساس دو شاخص عدد اسیدی و حضور ادتیو ZDDP

بطورکلی، در روغن های موتوری نو، هر 0.1 از عدد اسیدی (AN) برابر با حضور 600ppm ادتیو ZDDP است. جدول 5 محدوده ادتیو های مورد استفاده در روغن های موتوری را نشان می دهد.

جدول 5: راهنمایی برای مقدار مجاز از ادتیو های روغن موتور

در کنار این روش، اما، بیشتر آزمایشگاه ها و همچنین کارشناسان آنالیز روغن، عدد قلیایی (BN) را شاخص اصلی سنجش وضعیت سلامت روغن های موتوری می دانند. در صورت مواجهه با گزارشاتی که عدد AN را در خود نداشتند، می توان از برهان خلف نیز استفاده کرد. نمودار شکل 5 راهنمایی عمومی را در این مورد ارائه می دهد.

شکل 5: راهنمایی در مورد تغییرات عدد قلیایی (BN) روغن های موتوری

بطورکلی، برای موتور های دیزلی، عدد BN معمولا از 9~10 شروع شده و با کاهش تدریجی به 5~5.5 می رسد. منطقه هشدار زمانی شروع می شود که عدد BN به 3~3.5 رسیده و عدد AN نیز باندازه 1~1.5 افزایش داشته باشد.

نقش سدیم و پتاسیم در آنالیز روغن موتور

با درود فراوان به محضر مبارک تمامی مخاطبین محترم و معزز این وبلاگ مهندسی

هدف از این پست، ارائه پاسخ به سوال مطرح شده توسط یکی از مخاطبین و خوانندگان محترم در خصوص آنالیز روغن (سطح پیشرفته) و تفسیر وجود سدیم و کلسیم بیش از حد در نتایج آنالیز عناصر شیمیایی می باشد.

شرح سوال: نتایج آنالیز عناصر واصله از آزمایشگاه برای یک دیزل ژنراتور 16 سیلندر نشان دهنده افزایش غیرعادی سدیم در روغن است. ژنراتور ما در کنار دریا یا حتی نزدیکی آن نیست! اخیرا، با اندازه گیری درون سایت (آنالیزور پرتابل) متوجه افزایش پتاسیم هم شده ایم. همچنین، ویسکوزیته روغن نیز افزایش داشته (روغن سفتتر شده). این نتایج برای من کمی گیج کننده است. این افزایش مقادیر را چطور می توان تفسیر کرد؟

پاسخ: در منابع مطالعاتی مختلف، علل متعدد و متنوعی برای حضور سدیم یا ترکیبات سدیم دار در روغن های موتوری ذکر شده است: از ضدیخ/ضد جوش گرفته تا نمک دریا، نمک های کویری، ادتیو ها، تغلیظ گر گریس، برخی روغن های پایه، نفوذ گرد و خاک، آب چاه، و... . اینکه کدامیک از این منابع باعث و بانی افزایش سدیم در نمونه روغن موتوری شما شده اند، بیشتر بستگی به محیط استقرار و عملکرد دیزل ژنراتور و نحوه تعمیر، نگهداری، و سرویس آن دارد.

از طرفی، پتاسیم یک منشا ویژه و مشخص دارد که آنهم ضدیخ/ضد جوش است. اما، به این سادگی نمی توان نتیجه گرفت که بله! چون سدیم و پتاسیم در آنالیز روغن زیاد شده، پس حتما کسی ضد یخ/ضد جوش داخل مدار روغن ریخته یا نشتی ضد یخ دارم!

موضوع کمی پیچیده تر است! چراکه بنا به تجربه شخصی نویسنده، این نتیجه گیری با خطای بسیار همراه است و بمنظور کاهش این خطا باید روند تغییرات (افزایشی یا کاهشی) عناصری چون بور (B)، کروم (Cr)، فسفر (P)، و سیلیس (Si) را نیز در نظر گرفت و با رسم یک نمودار مقایسه ای-تجمعی چند معیاره به تصویر دقیقی از وضعیت روغن موتور دست یافت. در صورتیکه تمامی عناصر فوق روندی هارمونیک داشته باشند، می توانید نتیجه بگیرید که جایی از مدار روغنرسانی موتور شما نشتی ضد یخ/ضد جوش وجود دارد. این بدان معناست که باید جایی در مدار روغنرسانی دیزل ژنراتور خود بدنبال یک یا چند مورد از موارد زیر باشید:

-واشر آببند/درزگیر خراب؛

-هرگونه فرسایش الکتروشیمیایی؛

-هرگونه فرسایش ناشی از کاویتاسیون؛

-خوردگی لاینر ها؛

-هرگونه آسیب دیدگی رادیاتور یا مدار خنک کاری موتور؛

-آسیب دیدگی واشر سرسیلندر؛

-هرگونه ترک خوردگی یا آسیب دیدگی بلوک موتور یا سرسیلندر ها

همانگونه که به درستی تشخیص داده اید، نفوذ و انحلال ضد یخ/ضد جوش می تواند منجر به افزایش ویسکوزیته سینماتیک شود. اما این افزایش در دمای 40 درجه سلسیوس چندان محسوس نیست. بدین ترتیب، توصیه می شود که از نمونه روغن خود تست دانسیته گرفته و نتایج تغییر در ویسکوزیته دینامیک را در دو نقطه دمایی 40 و 100 درجه سلسیوس دنبال کنید. بدین ترتیب به نتایج واضح تری خواهید رسید. در عین حال، می توانید جهت دستیابی به یک تصویر واضح تر، نمودار مقایسه ای-تجمعی از دو معیار ویسکوزیته دینامیک و عدد اسیدیته کل (TAN) یا عدد قلیایی کل (TBN) را رسم کرده و نتایج را عینا ببینید و تفسیر کنید. افزایش TAN در هارمونی با ویسکوزیته دینامیک می تواند موید رفتار خورنده و غیرمعمول روغن موتور شما در اثر آلودگی جریان روغن به ضد یخ/ضد جوش باشد. نفوذ ضد یخ/ضد جوش در مقادیر اندک (زیر 5 درصد حجمی) به روغن موتور می تواند موجب تشکیل ژله های بنفش رنگ شود. این ژله ها را می توانید در لابلای کاغذ فیلتر روغن ببینید. در صورتیکه میزان انحلال ضد یخ/ضد جوش در روغن از 5 درصد فراتر رفته و به 10 درصد و بیش از آن (کمتر از 20 درصد حجمی) برسد، تشکیل ژله ها آنقدر زیاد می شود که فیلتر را مسدود کرده و مسیر بای پس باز (By Pass) خواهد شد. بنابراین، در صورتیکه هنوز فیلتر های روغن موتور خود را باز بینی نکرده اید، ولی شاهد گرفتگی پیش از موعد فیلتر و باز شدن مکرر مسیر روغنرسانی بای پس (By Pass) هستید، می توانید نتیجه بگیرید که در مدار روغنرسانی تجهیز نشت ضد یخ/ضد جوش وجود دارد.

نفوذ و انحلال ضد یخ/ضد جوش در روغن موتور می تواند باعث اشکالاتی اعم از افزایش ویسکوزیته (بیشتر دینامیک)، گرفتگی فیلتر های روغن در اثر تشکیل کامپاند های امولسیونی (بیشتر به شکل ژله)، تشکیل ترکیبات اسیدی و بروز خوردگی ناشی از آن در مدار روغنرسانی، و در نهایت گرفتگی مدار روغن و عدم روغنرسانی صحیح شود. اما، چیزی که بنا به تجربه شخصی نویسنده این سطور بیش از موارد فوق اهمیت داشته و می تواند موجب توقف کامل دیزل ژنراتور شود، پدیده ای با عنوان «ساچمه های روغن» می باشد که حاصل واکنش شیمیایی (مکانیزم هیدرولیز) بین کلسیم سولفونات (بعنوان یکی از کامپاند های دیترجنت همیشه حاضر در ساختار روغن موتور) و اتیلن گلیکول (ماده اصلی تشکیل دهنده ضد یخ/ضد جوش)  است. جزییات این زنجیره واکنشی در جدول 1 نشان داده شده است.

جدول 1: خلاصه ای از زنجیره واکنشی (هیدرولیز) بین ترکیبات کلسیم دار و اتیلن گلیکول تا تشکیل ساچمه های روغن

شکل 1: تصویری از ساچمه های روغنی با بزرگنمایی 1000 برابر از ساچمه های روغن فرورفته در لایه محافظ بابیتی یک برینگ که با میکروسکوپ الکترونی گرفته شده است

این ساچمه ها قطری 5 تا 40 میکرونی داشته و از سختی قابل توجه 48 HRC برخوردارند. لذا، با توجه به این سایز و این میزان از سختی براحتی قادر به تخریب و فرسودن بابیت برینگ ها و سطح میل لنگ خواهد بود. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه، مطالعه مقاله ای در این خصوص از طرف انجمن مهندسی خودروی ایالات متحده امریکا با عنوان

Influence of Oil Balls on Premature Overlay Removal of Diesel Engine Connecting Rod Bearings

نوشته M. Patel، چاپ شده در نشریه مهندسی خودروی همین انجمن با شماره مقاله SAE Paper 810501 توصیه می شود. روند تشکیل و توزیع این ساچمه های روغنی در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2: شماتیکی از روند تشکیل ساچمه های روغنی در روغن موتور

بمنظور تشخیص روند تشکیل این ساچمه ها در جریان روغن، بهترین گزینه، مطالعه روند تغییرات سدیم به کلسیم (Na/Ca) می باشد. سیر صعودی گرفتن این نسبت، می تواند دال بر آلودگی شدید جریان روغن بوده و بهانه ای برای هشدار و مطالعه عمیقتر وضعیت موتور باشد.

تفسیر عنصر Si در نتایج آنالیز روغن

با درود بیکران به تمامی مخاطبان محترم

موضوعی که در این پست بدان پرداخته می شود، یکی از اشتباهات رایج در آنالیز روغن بوده و در قالب سطح پیشرفته دوره آموزشی آنالیز روغن و با سرفصل «اشتباهات رایج در آنالیز روغن» بصورت مفصل توضیح داده می شود. اما، در اینجا، هدف آشنایی بیشتر مخاطبین با یکی از بزرگترین و رایجترین اشتباهات رایج در تفسیر گزارش آنالیز عناصر نمونه های روغن نو و کارکرده واصله از آزمایشگاه است. فراوانترین اشتباهات در تفسیر حضور عنصر سیلیسیم (Si) پیش می آید و اگر کارشناس آنالیز روغن از تجربه و دانش کافی برخوردار نباشد، می تواند در تفسیر حضور این عنصر دچار اشتباه شده و با همین لغزش، هزینه های هنگفتی را به مالک تجهیز تحمیل کند.

در دوره های سطح مقدماتی و گاه متوسط آنالیز روغن معمولا با این مثال روبرو هستیم که گزارش آزمون آنالیز عناصر یک نمونه روغن کارکرده بدست شما می رسد، در این گزارش، عنصر Si نسبت به ادوار قبل اصطلاحا Single Rise شده است. بنظر شما چرا سیلیس در روغن بالا رفته و منشا آن چیست؟

بسیاری از منوآل های تعمیر و نگهداری و در عین حال، منابع مطالعاتی در زمینه آنالیز روغن و پایش رفتار مقطعی (Condition Monitoring) در این زمینه نظر قاطعی دارند: آلودگی محیطی، ورود گرد و خاک به جریان روغن! و متعاقب آن توصیه به تعویض فیلتر های هوا و گاهی تعویض زودهنگام روغن!

خب! صد البته که راهنمایی و توصیه منوآل تعمیر و نگهداری و در عین حال، نظر منابع مطالعاتی و مراجع دانش پایش رفتار مقطعی ماشین آلات صنعتی رد خور ندارد! و تخطی از آنها به صلاح نیست! اما، باید توجه داشت که تجربه شخصی و پس از آن، مطالعات میدانی انجام گرفته توسط نویسنده این سطور نشاندهنده آن است که Single Rise شدن عنصر سیلیسیم همیشه به معنای آلودگی محیطی نبوده و گاه فیلتر های هوا تازه تعویض شده و وظیفه خود را به خوبی انجام می دهند، اما همچنان شاهد Si-Hi (سای-های: روند کلی افزایش سیلیس در نمونه های روغن) شدن نتایج آزمون های عنصری روغن هستیم. چیزی که قصد داریم در این پست اشاره کنیم، بخشی از مطالبی است که در سطح پیشرفته آنالیز روغن ارائه می شود. چراکه دوره پیشرفته آنالیز روغن بیشتر جای انتقال تجارب است و خیلی کمتر از قبل راجع به روش های استاندارد و آکادمیک در آن صحبت می شود.

عنصر سیلیسیم، از نظر فراوانی در کره زمین، پس از اکسیژن قرار می گیرد. بنابراین، یکی از عناصری است که همیشه در گزارش آزمون آنالیز عناصر یک روغن (چه کارکرده و چه نو) باید مشاهده شود، این عنصر است. وجود این عنصر (بسته به میزان حضور گزارش شده در نتایج آزمون برحسب ppm)، می تواند نشاندهنده تمایل جریان روغن به رفتار فرساینده بویژه در برابر قطعات ساخته شده از آلیاژ های نرمی مانند انواع آلیاژ های مس و آلومینیوم تعبیر شود. اما، از سوی دیگر، باید توجه داشت که سیلیس ماده اصلی تشکیل دهنده ادتیو های ضد کف (Anti-Foam) به شمار می رود که در ساختار بسیاری از روغن ها به فراوانی مورد استفاده روغنسازان قرار می گیرد. مصرف این ادتیو بویژه در روغن های بازیافتی و تصفیه شده بیشتر از قبل هم هست. نمودار شکل 1 مقایسه ای از میزان مصرف ادتیو های ضد کف در انواع مختلف روغن را برحسب ppm نشان می دهد.

شکل 1: میزان حضور سیلیسیم در انواع مختلف روغن نو

البته، نباید این نکته را از نظر دور داشت که مقدار حضور سیلیسیم در یک کلاس خاص از روغن (مانند روغن موتور مینرال) نیز از یک برند روغنساز تا برند دیگر می تواند متفاوت باشد که بدلیل اعمال روش های مختلف و متفاوت در شیرین سازی محصول، و در عین حال، فرآیند امتزاج ادتیو های فعال و غیرفعال، کاملا طبیعی و نرمال است.

بر این اساس، بسیاری از آزمایشگاه های آنالیز روغن، حد تجربی 20ppm را برای عنصر سیلیسیم بعنوان خط قرمز و محدوده هشدار در نظر گرفته اند که پایه ای آماری داشته و پس از این محدوده، ارائه هشدار به مالک تجهیز یا خریدار محموله روغن لازم و ضروری تلقی می شود.

از دیگر سو، آنالیز نمونه ای از محموله روغن نو وارد شده به یک مجتمع صنعتی یا تعمیرگاه نیز خود معیاری برای بسیاری از کارشناسان تعمیر و نگهداری تجهیزات و ماشین آلات صنعتی محسوب شده و برای بسیاری از کارشناسان آنالیز روغن، به نوعی، پایه کار برای پیش بینی رفتار ماشین فرض می شود.

تشخیص و تعیین منبع ورود سیلیس به نمونه روغن باید با دقت و وسواس صورت گیرد. چراکه منابع این عنصر متنوع بوده و باید بمنظور تشخیص صحیح منبع از تکنیک های مقایسه ای استفاده کرد. بدین ترتیب که کارشناس آنالیز روغن نباید تنها Single Rise شدن سیلیس را معیار قرار دهد. البته، تکیه بر Single Rise شدن هر عنصر می تواند نقطه اتکای خوبی برای هشدار و توجه بیشتر به نتایج آنالیز های بعدی تلقی شود. اما دلیل کافی برای تصمیم گیری نیست. جدول 1 منابع بالقوه با توجه به افزایش سطح برخی از عناصر را نشان می دهد و می تواند بعنوان راهنما مورد استفاده کارشناسان آنالیز روغن قرار گیرد.

جدول 1: راهنمایی برای تشخیص منابع آلودگی جریان روغن با توجه به مقایسه ای از آنالیز عناصر

اما، نویسنده، براساس تجارب و مطالعات خود، معیار های ارائه شده در جدول 1 را کافی نمی داند. چراکه آنالیز عناصر شیمیایی هیچگاه کفایت لازم بمنظور تصمیم گیری درباره وضعیت یک روغن را ندارد! این آزمون گرچه لازم است، اما بهیچوجه کافی نیست! یکی از روش هایی که توسط نویسنده این سطور آزمایش شده است، تقسیم ویسکوزیته سینماتیک در دمای 40 درجه سلسیوس بر مقدار سیلسیم گزارش شده است. این شاخص که بصورت Vis/Si بیان می شود، در صورت افزایش غیر خطی (توانی یا چند جمله ای درجه دوم) می تواند نگران کننده باشد. راهکار دیگری که در زمینه مقایسه چند معیاره (بویژه در مورد فرسایندگی بابیت ها) مناسب است، مقایسه همزمان سه شاخص عنصر سیلیسیم، آنتیموان (یا سرب)، و عدد اسیدیته کل (در مورد برخی روغن ها، عدد قلیاییت کل) است که باید بصورت تجمعی و روی یک نمودار دیده و تفسیر شوند. شکل 2 را ببینید.

شکل 2: نمونه ای از یک نمودار تجمعی مقایسه ای چند معیاره

در نمودار شکل 2، تفسیر اولیه حاکی از رفتار فرساینده روغن است.

البته، در کنار معیار های اندازه گیری آنالیز روغن، می توان بر داده های میدانی (اعم از مصرف روغن، افزایش سرریز، افزایش مصرف سوخت، و...) نیز تکیه کرده و آنها با به نتایج آنالیز برخی از عناصر نشان داده شده در جدول 1 مرتبط کرد. نمودار شکل 3 را ببینید.

شکل 3: مثالی از یک نمودار تجمعی نتایج آنالیز عناصر و داده های میدانی

یکی دیگر از معیار های تصمیم گیری برای ورود گرد و خاک به جریان روغن، نسبت مستقیم سیلیسیم به آلومینیوم است. همانطور که می دانیم، بیشتر خاک از سیلیکا یا SiO2 تشکیل شده است. اما، آلومینا یا Al2O3 نیز یکی دیگر از اجزای تشکیل دهنده خاک است که در تمامی مکان های کره زمین ترکیب دوم پس از سیلیکا در تشکیل خاک است. بنابراین، می توان با تقسیم سیلیس بر آلومینیوم به شاخصی برای آلودگی جریان روغن به گرد و غبار بدست آورد. میزان این شاخص، بصورت تجربی، اگر بیش از 3 باشد، نشاندهنده آلودگی جریان روغن به گرد و غبار است. اما، نکته ای که نباید از یاد برد، ترکیب شیمیایی خاک است. مطابق مطالعات صورت گرفته توسط نویسنده، در برخی از مناطق میهن عزیزمان ایران، خاک با ترکیبات نمکی حاوی سدیم، کلسیم، و پتاسیم همراه است. بنابراین، حاصل تقسیم سیلیسیم بر حاصل جمع آلومینیوم، سدیم، کلسیم، و پتاسیم یعنی Si/(Al+xNa+yCa+zK) می تواند بعنوان شاخص دیگری مد نظر قرار گیرد. حروف x، y، و z ضرایب تصحیحی هستند که توسط نویسنده در حال تحقیق بوده و بزودی طی مقاله ای در نشریه Tribology in Industry، چاپ صربستان، مقدار هر یک از آنها پیشنهاد داده خواهد شد.

اما، تا قبل از آن، می توان از نمودار مقایسه ای تجمعی پنج معیاره ای که روند افزایشی/کاهشی هر یک از عناصر Si، Al، Na، Ca، و K را نشان می دهند (مانند نمودار شکل 2) بعنوان ابزاری برای تصمیم گیری استفاده کرد. استفاده از این نمودار، بویژه برای تجهیزاتی که در مناطق دریایی/کوهستانی/صحرایی قرار داشته باشند (مانند عسلویه و بند دیر) کاربرد بیشتری داشته و توسط نویسنده امتحان شده است.