آنالیز روغن توربین های بخار

با درود بیکران به کلیه بازدیدکنندگان و مخاطبین محترم که اغلب از پیام های مهرآمیز و نوازش ها و تشویق های دلگرم کننده آنان بهره مند می شوم. مقصد و مقصود از این پست، ارائه راهنمایی لازم در نظارت بر سلامت عملکرد توربین های بخار از طریق آنالیز روغن است.

الف) مقدمه

روغن های توربینی، بویژه توربین های بخار، در معرض گستره وسیعی از عوامل مخرب فیزیکی و شیمیایی هستند که از آن جمله می توان به شوک های شدید حرارتی، انحلال هوای شناور، انحلال رطوبت، آلودگی به گرد و غبار و لجن، و اختلاط ناخواسته با دیگر روغن ها اشاره کرد که هر یک به تنهایی می توانند دفعتا یا به تدریج سیستم روغن را از هم پاشیده و عملکرد آن را دچار اختلال کنند. چه برسد به اینکه با هم ترکیب هم بشوند!

از دیدگاه آنالیز روغن و تحلیل خرابی در توربین های بخار، دو مکانیزم را می توان در تخریب ساختار روغن های توربینی دخیل دانست:

- اکسیداسیون:

اکسیداسیون، در واقع، فرآیندی شیمیایی است که طی آن اکسیژن با ملکول های روغن واکنش داده و محصولات متنوعی مانند اسید کربوکسیلیک را تولید می کند. سرعت این واکنش و تنوع محصولات ناشی از آن تابع عوامل متعددی است که از آن میان می توان به دما بعنوان مهمترین عامل یاد کرد. بطوریکه با هر افزایش 10 درجه سلسیوسی، سرعت واکنش اکسیداسیون دو برابر می گردد. عوامل موثر دیگری نیز هستند که از آن میان می توان به حضور کاتالیزور هایی مانند ترکیبات هیدارته، هوا (در هر یک از مکانیزم های انحلال آن در روغن)، برخی از ترکیبات فلزی، و فشار اشاره کرد.

- تجزیه حرارتی:

تجزیه حرارتی عبارتست از تجزیه شیمیایی ساختار روغن در اثر اعمال حرارت که منجر به تولید کامپاند های انحلال ناپذیری در ترکیب جریان روغن می گردد که از جمله معروفترین آنها می توان به کامپاند های انحلال ناپذیر پنتان اشاره کرد. وقوع تجزیه حرارتی تابع عوامل متعددی است که از آن میان می توان به میکرودیزلینگ (برای اطلاعات بیشتر درباره مکانیزم این فرآیند به پست «تشخیص آلودگی روغن با آب و هوا» در همین وبلاگ توصیه می شود)، تخلیه شارژ الکترواستاتیک، و شوک حرارتی اشاره کرد. میکرودیزلینگ، بنا به تعریف، نوعی احتراق (و نه اشتعال!) است که توسط حباب های ناپایدار هوا در جریان روغن ایجاد شده و منجر به تولید درجه حرارت هایی گاه تا 1000 درجه سلسیوس می گردد.

به مرور زمان ثابت شده است که انواع مختلفی از روغن های پایه دارای رفتار متفاوتی از دیدگاه مقاومت به اکسیداسیون یا تجزیه حرارتی هستند (برای اطلاعات بیشتر در مورد انواع روغن های پایه و مشخصات هر یک، مراجعه به پست «انواع روغن های پایه» در همین وبلاگ توصیه می شود). بعنوان مثال، روغن های توربینی که از روغن پایه گروه II و III، همراه با ادتیو های آنتی اکسیدان بخصوصی از گروه فنول ها و آمین ها در ساختار خود تشکیل شده باشند، رفتار غیرخطی در طول زمان در برابر اکسیداسیون و تجزیه حرارتی از خود نشان می دهند. درمقایسه با روغن های پایه گروه I که رفتاری کاملا خطی را از خود به نمایش می گذارند. نمودار شکل 1 را ببینید.

شکل 1: نمودار نوعی رفتار روغن های پایه گروه I، II، و III در برابر تجزیه حرارتی در طول زمان

اما، این رفتار غیر خطی مضراتی نیز دارد که بزرگترین آنها ایجاد خطا در نتایج تست های معمول آنالیز روغن است. چراکه تست های معمول آنالیز روغن (که راجع بدانها بیشتر صحبت خواهیم کرد) هیچ نتیجه هشدار آمیزی در خصوص آغاز فرآیند تجزیه شیمیایی و اکسیداسیون روغن بدست نداده و شک کارشناس آنالیز روغن را بر نمی انگیزند. حال آنکه، وقتی رفتار روغن در برابر اکسیداسیون و تجزیه حرارتی خطی باشد، کارشناس آنالیز روغن براحتی و سهولت می تواند روند فساد روغن را با چند تست ساده تشخیص دهد. از این رو، روغن های توربینی جدید، بیش از آنکه خیال مالکان تجهیز از نظر عملکرد و دوام را راحت کنند، موجب نگرانی کارشناسان آنالیز روغن هستند.

از دیدگاه درجه اهمیت و آمار خرابی، دو عامل تقلیل اثر ادتیو ها و سپس، تقویت حضور کامپاند های انحلال ناپذیر بیشترین سهم را در تغییر ساختار ملکولی روغن های توربینی بعهده دارند. البته، هرچند این دو عامل تقریبا در تمامی روغن های صنعتی نقشی یکسان برعهده دارند، اما میزان اهمیت آنها بسته به کاربرد و نوع روغن تغییر می کند. بعنوان مثال، در روغن های موتوری دیزل سنگین، تقویت حضور کامپاند های انحلال ناپذیر در جریان روغن عامل اول در آغاز روند اکسیداسیون و تجزیه شیمیایی (فساد) روغن محسوب می شود. اما، فارغ از نوع و کاربرد روغن، نتیجه فرآیند اکسیداسیون و فساد شیمیایی روغن همیشه یکسان است: تشکیل لجن و وارنیش. دو پدیده ای که در توربوژنراتور ها به وفور مشاهده می شود. لجن و وارنیش، علاوه بر نقش خود بعنوان محصول جانبی دو فرآیند اکسیداسیون و تجزیه حرارتی، در تضعیف سایر قابلیت های روغن های توربینی نیز نقش دارند که از آن جمله می توان به عدم انحلال پذیری و شناوری هوا در آنها اشاره کرد. بنابراین، شکی نیست که بمنظور پایش سلامت روغن هایی که باید در توربین های بخار وظیفه روانکاری را برعهده داشته باشند، مجموعه به هم پیوسته ای از تست ها نیاز است و کارشناس آنالیز روغن و پایش وضعیت باید در مورد چنین ادواتی دقت لازم را بخرج دهد. در بخش بعدی این مقاله، به شناخت آزمون های لازم بمنظور شناخت خواص روغن های بکار رفته در توربین های بخار و سنجش بُرد کفایتی هر یک خواهیم پرداخت.

ب) آزمون های روغن در توربین های بخار:

آزمون های آنالیز نمونه روغن توربین های بخار به دو دسته آزمون های استاندارد و آزمون های سوده شناسی تقسیم بندی می شوند. مقصود از آزمون های استاندارد، سلسله ای از آزمون ها هستند که هر یک بخشی از خواص شیمیایی، فیزیکی، و مکانیکی روغن های توربینی را نشانه رفته و نتایج آنها به تنهایی معنی و مفهوم کاملی نداشته و برای کارشناس آنالیز روغن قابلیت نتیجه گیری چندانی ندارند. اما، مجموعه آنها، در کنار یکدیگر، می تواند تصویر درست و واضحی از وضعیت سلامت توربین بخار بدست دهد. روش انجام این آزمون ها، اغلب براساس یک استاندارد بخصوص (در اینجا ASTM)، می باشد. فهرست کلی این آزمون ها عبارتند از:

- ویسکوزیته سینماتیک در دمای 40 درجه سلسیوس (ASTM D445)؛

- تست آب (روش کارل-فیشر) (ASTM D6304)؛

- ذرات انحلال ناپذیر (ASTM D4898)؛

- عدد اسیدی (ASTM D664)؛

- عدد قلیایی (ASTM D974)؛

- آنالیز عناصر به روش طیف سنجی (ASTM D5185)؛

- خورندگی و تولید زنگار (ASTM D665-A)؛

- انحلال ناپذیری در آب (IP 19)؛

- تست فوم (ASTM D892)؛

- دمای اشتعال (ASTM D92)؛

- آزاد کردن حباب های هوا (DIN 51636)؛

- استاندارد تمیزی (ISO 4406)؛ و

- Linear Sweep Voltammetry یا به اختصار: LSV (ASTM D6971)

البته، فراموش نشود که فهرست فوق تنها شامل آزمون های معمول و حداقلی در مورد روغن هایی است که قرار است در توربین های بخار کار کنند و بدیهی است که آزمون (ها)یی قابل اضافه شدن به لیست فوق، بنا به درخواست یا صلاحدید کارشناس آنالیز روغن مربوطه باشند. بعنوان مثال، آزمون های فرّوگرافی و طیف سنجی به روش FTIR برای آنالیز عناصر و در عین حال، سنجش اعداد اسیدی و قلیایی (برای اطلاعات بیشتر در این زمینه، به پست «عدد اسیدی، عدد قلیایی، و PH» در همین وبلاگ مراجعه بفرمایید) بجای استفاده از روش های ذکر شده در استاندارد های ASTM معمولا به لیست فوق اضافه می شوند. فایده تست های اخیر آن است که علاوه بر نظارت بر سلامت روغن توربین، بر وضعیت فرسایشی و سلامت قطعات آن نیز می توان بدین ترتیب نظارت کرد.

شکل 2: نمونه ای از گزارش آزمون یک نمونه روغن توربین بخار 26 مگاواتی زیمنس در یک مجتمع صنایع سلولزی (ISO VG46)

شکل 3: نمونه ای از گزارش آزمون FTIR برای روغن نو (چپ) و روغن توربینی کار کرده (راست)

آزمون فرّوگرافی که به شاخه سوم آنالیز روغن تعلق داشته و قدمت آن به اوایل دهه 70 قرن بیستم و در نیروی دریایی ایالات متحده باز می گردد (برای اطلاعات بیشتر، مراجعه به پست «آنالیز روغن چیست؟» در همین وبلاگ توصیه می شود). شماتیکی از اصول این تکنیک در شکل 4 نشان داده شده است.

شکل 4: اصول تکنیک فرّوگرافی

کاربرد اصلی فرّوگرافی، نه تنها در آنالیز خرابی پیشگیرانه، که در تحلیل روند فرسایش در برخورد روغن با قطعات دریافت کننده آن است. بدین ترتیب، می توان به تصویر کاملی از مکانیزم و روند فرسایش و خوردگی درون تجهیز (در اینجا: توربین های بخار) دست پیدا کرد. در تکنیک فرّوگرافی، رسوبات جامد معلق در نمونه روغن جدا شده و روی اسلایدی شیشه ای قرار می گیرند که بین دو قطب از یک آهنربا قرار دارد. پس از شستشوی روغن باقی مانده و بدست آمدن زمینه ای شفاف با ذرات ته نشین شده روی آن که به فرّوگرام معروف است، اسلاید زیر یک میکروسکوپ بیوکروماتیک قرار گرفته و وضعیت و کیفیت ذرات روی اسلاید بصورت چشمی سنجیده می شود (شکل 5 را ببینید).

شکل 5: نمونه ای از ذرات جامد قابل مشاهده در میکروسکوپ بیوکروماتیک روی فرّوگرام (بزرگنمایی 1000 برابر)

کارشناس آزمایشگاه، با رسیدن به این مرحله اقدام به دسته بندی ذرات مشاهده شده براساس سایز، شکل، غلظت، و ساختار متالورژیک نموده و مشاهدات خود را گزارش می کند. از اینجا به بعد است که کارشناس آنالیز روغن می تواند با استناد به این گزارش آزمون، درباره مکانیزم و نحوه فرسایش در توربین بخار اظهار نظر کرده و دستور تعمیراتی صادر کند.

ج) آزمون های فیلتر در توربین های بخار:

یکی از تکنیک هایی که در سطح پیشرفته آنالیز روغن مطرح می شود، آنالیز و آزمون فیلتراسیون و المان های فیلترینگ است. در توربوژنراتور ها، وقوع قوس های ناپایدار یا تخلیه الکتریکی ناشی از جابجایی بار الکتریکی استاتیک در سیستم روغنرسانی بسیار معمول است. منشا این اتفاق، حرکت ملکول های روغن و مالش آنها به سطوح بسیار کوچک (مانند سطوح مدیای درون فیلتر ها) است که موجب تولید بار الکتریکی ساکن می گردد. اما، از آنجا که هم روغن و هم خود فیلتر عایق الکتریکی محسوب می شوند، این بار الکتریکی تولید شده درون سیستم روغنرسانی می ماند و روی هم جمع می شود تا فرصتی برای تخلیه (رسیدن به یک قطعه فلزی یا منبع هیدراته بعنوان رسانای الکتریکی) بدست دهد. با وقوع تخلیه الکتریکی، شاهد جرقه ها یا قوس الکتریکی آبی رنگ و ناپایداری هستیم که طی چند میلی ثانیه، هزاران ولت انرژی الکتریکی را بسوی زمین مدار هدایت می کند. این قوس های الکتریکی، گرچه ناپایدار و زودگذر هستند، اما موجب تمرکز حرارتی شدیدی (در حدود 20 هزار درجه سلسیوس در هر بار تخلیه) می گردند که می تواند براحتی ملکول های هیدروکربنیک را تجزیه کند. این تجزیه الکتروشیمیایی، گرچه مقطعی و موضعی است، می تواند خواص روغن را بتدریج تغییر داده و از کارآیی آن بکاهد. یکی از نتایج خطرناک این تجزیه الکتروشیمیایی، تولید لجن و وارنیش است که موجبات گرفتگی فیلتر ها را فراهم می آورد (شکل 6). بهمین دلیل، تکنیک های مشاهداتی (با توسل به میکروسکوپ) ابداع شدند تا وضعیت فیلتر های تعویضی مورد آنالیز قرار گرفته و ذرات موجود در آنها از نظر سایز، رنگ، و ساختار متالورژیک شناسایی شوند.

شکل 6: نمونه ای از فیلتر های روغن تعویض شده یک توربین بخار که تحت زیر میکروسکوپ آنالیز شده اند (بزرگنمایی 200 برابر)

آنالیز فیلتر، یکی از بهترین ابزار های تحلیل خرابی به روش ریشه یابی (Root-Cause Failure Analysis) است که اطلاعات ذیقیمتی در اختیار کارشناس آنالیز روغن قرار می دهد. منتها، انجام صحیح این تست، کالیبراسیون ابزار، و تفسیر نتایج بدست آمده به تجربه فراوان و مطالعه عمیق نیازمند است. یکی از بهترین و کارآمدترین روش ها در آنالیز فیلتر، فرّوگرافی است که مشخصات کامل ذرات به دام افتاده در لابلای مش های فیلتر را بدست می دهد. توضیح اینکه، آنالیز فیلتر روی سه بخش پوسته فیلتر، مغزی فیلتر، و مش های فیلتر انجام می شود که هر یک نتایج خود را بدنبال داشته و نتیجه گیری از این تکنیک، بدون وجود اطلاعات از سایر بخش های فیلتر ممکن و معقول نیست. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه، به پست «آنالیز فیلتر» در همین وبلاگ مراجعه بفرمایید. نمونه ای از آنالیز مغزی فیلتر زیر میکروسکوپ در شکل 7 نشان داده شده است.

شکل 7: نمونه ای آنالیز مغزی فیلتر روغن یک توربین بخار زیر میکروسکوپ که نشاندهنده سوختگی های خال مانند در اثر تخلیه الکتریکی است (سمت چپ، بزرگنمایی 200 برابر، سمت راست، بزرگنمایی 1000 برابر)

آنالیز روغن چیست؟

با درود و احترام

هدف از این پست، ارائه پاسخ به سوال مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ است.

شرح سوال: آنالیز روغن چیست؟ و آیا می توان از آن در راستای تکنیک هایی مانند آنالیز ارتعاشات یا ترموگرافی استفاده کرد؟

حقیقتش را بخواهید، این یکی از پایه ای ترین سوالاتی است که تاکنون پاسخ گفته ام. معمولا، پاسخ به این سوال در قالب سطح مقدماتی دوره آموزشی آنالیز روغن ماشین آلات صنعتی ارائه می شود.

در کتاب Machinery Failure Analysis & Troubleshooting, Vol. II (2012) ، صفحه 472، آنالیز روغن بصورت زیر تعریف شده است:

«آنالیز روغن تکنیکی آزمایشگاهی است که هدف از آن آنالیز ترکیبات حاضر در محتوای یک روغن روانکار بمنظور تعیین حضور یا عدم حضور عناصر مرتبط با مواد تشکیل دهنده برینگ ها می باشد. چراکه حضور عناصر تشکیل دهنده مواد برینگ نشاندهنده فرسایش برینگ بوده و مقدار آنها بیانگر شدت این فرسایش است.»

هرچند در درستی و صحت این تعریف شکی نیست! اما، این تعریف دامنه کاربرد آنالیز روغن را محدود و پرخطا نشان می دهد. حال آنکه اصلا اینطور نیست!

با مراجعه به وبسایت Wikipedia، شاهد تعریف دامنه دار تری هستیم:

«آنالیز روغن تکنیکی آزمایشگاهی با هدف آزمایش خواص فیزیکی یک روانکار، آلودگی های معلق در آن، و رسوبات ناشی از فرسایش قطعات در تماس با آن است که بعنوان یک تکنیک در نگهداری و تعمیرات پیشگیرانه و بمنظور ارائه تصویری دقیق و واضح از وضعیت سلامت ماشین و سیستم روغنرسانی آن انجام می شود.»

آنچه که در این میان نباید از نظر دور داشته شود، قابلیت تفسیر آماری و عددی و، در عین حال، ترسیم هندسی سوابق آنالیز یک مشخصه از روغن در طول یک بازه زمانی مشخص است که منجر به کاهش چشمگیر هزینه های تعمیراتی می گردد. آنالیز روغن، برخلاف آنچه که در دو منبع فوق بدان اشاره شد، یک تکنیک پیشگیرانه نیست! یا لااقل دیگر نیست! این تکنیک، بصورت سازمان یافته، در ابتدای دهه 50 قرن بیستم و بمنظور پیشگیری از وقوع خرابی های پرهزینه در سطح تعمیرات جاری، ابتدا در نیروی دریایی ایالات متحده و سپس در بخش های مختلف راه آهن این کشور کلید خورد. اما، از خیلی قبلتر از آن وجود داشت. بطوریکه در 1946، آزمایشگاه روغن در یکی از بخش های تعمیرات جاری لکوموتیو های راه آهن سراسری ایالات متحده قادر به شناسایی و پیشگیری از خرابی های ناشی از فرسایش قطعات در موتور های دیزلی بکار رفته در ادوات ریلی آن زمان بود.

آنالیز روغن در ابتدای کار با توسل به آزمایش های شیمیایی با تکیه بر معرف های گوناگون بمنظور شناسایی عناصری چون آهن و مس در ساختار نمونه های اخذ شده از موتور های دیزلی انجام می شد. اما، با ورود فناوری طیف سنجی، امکان تشخیص بازه وسیعی از عناصر شیمیایی با تکیه بر این فناوری برای کارشناسان آنالیز خرابی پیشگیرانه فراهم شد. این فناوری چنان تغییری در گسترش این تکنیک ایجاد کرد که در سال 1955 شاهد بکارگیری آنالیز روغن بمنظور شناسایی علل خرابی در موتور های هوایی ارتش ایالات متحده برای اولین بار در جهان هستیم. خیلی زود، استفاده از این تکنیک به بخش های دیگر صنعت نیز راه پیدا کرد. بطوریکه در 1958 برای اولین بار، یک شرکت خصوصی حمل و نقل جاده ای در ایالات متحده اقدام به راه اندازی یک آزمایشگاه خصوصی بمنظور آنالیز خرابی پیشگیرانه در ناوگان حمل و نقل جاده ای خود نمود. اما، در این بین، فقدان مرجعی بیطرف برای مطالعه و تفسیر گزارش آزمون های آنالیز روغن همچنان احساس می شد. تا اینکه در 1960، اولین شرکت خدمات تفسیر و صدور دستور تعمیراتی در زمینه آنالیز روغن در ایالات متحده آغاز به کار کرد.

از دیدگاه فرآیندی، آنالیز روغن فرآیندی است که شامل زنجیره ای از فعالیت های به هم پیوسته زیر است:

- ارزیابی وضعیت ماشین آلات، شناخت آنها، و انتخاب آنها برای نمونه گیری؛

- انتخاب ظروف نمونه گیری و جمع آوری نمونه ها (برای اطلاعات بیشتر در این زمینه، مراجعه به پست «اصول نمونه گیری» در همین وبلاگ توصیه می شود)؛

- برچسب زنی و حمل نمونه ها به آزمایشگاه؛

- درخواست آزمون برای هر نمونه از آزمایشگاه به همراه تعیین روش آزمون و دقت نتیجه در گزارش؛

- تفسیر گزارش آزمون، ثبت، و نتیجه گیری؛ و

- صدور دستور تعمیراتی براساس نتایج آنالیز روغن و آنالیز مجدد روغن پس از انجام دستور تعمیراتی

گفتنی است که مسئولیت نظارت بر حسن انجام تمامی مراحل فوق بعهده کارشناس آنالیز روغن است. بدین ترتیب، کارشناس آنالیز روغن باید علاوه بر دانش فراگیر از علم مهندسی مکانیک (شامل ساختار تجهیز، وظیفه آن، حالات خرابی آن، و جنس قطعات آن) و شیمی (شامل مشخصات شیمیایی روغن ها، سوخت ها، و واکنش های شیمیایی)، باید با تکنیک های آماری و معادلات دیفرانسیل نیز آشنایی کامل داشته و قادر به پیش بینی رفتار تجهیز با در نظر گرفتن خطای تجمعی (شامل خطای اپراتور نمونه گیری + خطای نمونه گیری + خطای آزمایشگر + خطای دستگاه + خطای اندازه گیری + خطای گرد کردن + خطای قرائت + خطای گزارش + خطای تفسیر + خطای اپراتور تعمیرات) باشد. از این رو، آموزش آنالیز روغن در سه سطح مقدماتی، متوسط، و پیشرفته برگزار می شود که هر یک حداقل شامل 20 ساعت آموزش تئوری و عملی است.

اما، با توسل به آنالیز روغن به چه اطلاعاتی در مورد تجهیز می توان دست یافت؟

پاسخ به این پرسش، بستگی به این دارد که در مورد کدام شاخه از آنالیز روغن صحبت کنیم. از دیدگاه تخصصی، تکنیک آنالیز روغن شامل سه شاخه تخصصی است که در ذیل تعریف شده اند:

1- آنالیز خواص فیزیکی، شیمیایی، و مکانیکی روغن (به همراه ادتیو های آن):

هدف از این شاخه، تعیین سلامت روغن (نو یا کارکرده) از طریق نمونه گیری صحیح و سفارش آزمون های صحیح به همراه تفسیر صحیح نتایج واصله از آزمایشگاه است. این شاخه از آنالیز روغن مجموعه ای از آزمون ها را شامل می شود که خواص فیزیکی، شیمیایی، و مکانیکی روغن نو یا کارکرده جاری در سیستم روغنرسانی تجهیز را نشانه می روند. فهرست کوتاه و عمومی این آزمون ها در جدول 1 نشان داده شده است.

جدول 1: فهرستی کوتاه و عمومی از آزمون های خواص فیزیکی، شیمیایی، و مکانیکی روغن

2- آنالیز آلاینده های روغن:

این بخش، شامل آزمون هایی است که حضور یا عدم حضور آلاینده های جریان روغن را هدف می گیرد. این آلاینده ها عبارتند از دوده، سوخت (بنزین، گازوییل، الکل یا ...)، گلیکول، آب (کامپاند های هیدراته)، هوا (کامپاند های نیتراته)، گرد و غبار، و... است که اغلب با توسل انواع روش های آزمایشگاهی استاندارد یا طیف سنجی اتمی یا فروسرخ انجام می شود.

3- آنالیز ذرات فرسایشی درون روغن:

این شاخه از آنالیز روغن که کمی از سایر بخش ها تخصصی تر محسوب می شود، شامل آزمون هایی بمنظور تشخیص کیفیت و کمیت حضور ذرات فلزی/شبه فلزی ناشی از فرسودگی قطعات دریافت کننده روغن در یک سیستم روغنرسانی است. از جمله معروفترین این آزمون ها می توان به فرّوگرافی و Particle Count اشاره کرد.

بدین ترتیب، با توسل به هر یک از شاخه های آنالیز روغن، می توان به اطلاعات زیر دست یافت:

1- وضعیت سلامت روغن نو:

آیا روغن نو و مصرف نشده (درون بشکه) ورودی به محل کارفرما از کیفیت لازم برخوردار است؟

آیا مطابق سفارش تولید/تامین شده است؟

آیا روغن تقلبی است؟

در ترکیب روغن نو از چه موادی استفاده شده است؟ و...

2- وضعیت سلامت روغن جاری درون سیستم روغنرسانی تجهیز:

آیا روغن هنوز سالم و قابل استفاده است؟

آیا سیستم روغنرسانی درست و کامل عمل می کند؟

کیفیت روغنرسانی به قطعه/قطعاتی خاص چگونه است؟

آیا حجم روغن در سیستم روغنرسانی کافی است؟ و...

3- وضعیت سلامت سیستم فیلتراسیون تجهیز:

آیا فیلتر (های) روغن درست عمل می کنند؟

آیا فیلتر (های) هوا درست عمل می کنند؟

آیا استرینر درست عمل می کند؟

آیا فیلتر سوخت درست عمل می کند؟

4- وضعیت سلامت تجهیز و قطعات آن:

قطعه/قطعاتی خاص از تجهیز خورده شده اند؟

آیا واکنش روغن در سیستم روغنرسانی با قطعات دریافت کننده روغن معمول و منطقی است؟

وضعیت فرسایش قطعات چگونه است؟

آیا قطعه/قطعاتی خاص از تجهیز دچار ترک و شکستگی شده اند؟

وضعیت زوال قطعه/قطعاتی خاص از تجهیز چگونه است؟ کی باید تعویض/تعمیر شوند؟

آیا تجهیز مجاز به ادامه کار است؟ و...

اکنون، وقت پاسخ به این سوال فرا رسیده است که آیا آنالیز روغن به تنهایی برای نظارت بر وضعیت سلامت و رفتار خرابی یک تجهیز کافی است؟ مطلقا خیر!

چراکه سه تکنیک استاندارد آنالیز روغن، آنالیز ارتعاش، و ترموگرافی، هر یک دارای خطا های منحصر به فرد خود بوده و دامنه مشخصی از مشکلات را تشخیص می دهند. از این رو، ترکیب و هم افزایی این سه روش با یکدیگر می تواند کارشناس آنالیز خرابی تجهیز را در مورد وضعیت و سلامت حال و آینده آن با خبر ساخته و امکان اخذ تصمیمات دقیقتر و کم هزینه تری را در مورد نگهداری و تعمیرات آن فراهم سازد.

در این زمینه به یک مطالعه موردی یا Case Study می پردازیم: این مطالعه موردی از مقاله ای با عنوان «مقایسه دو روش آنالیز ارتعاشات و آنالیز روغن در  شناسایی خرابی یاتاقان کمپرسورHY90» استخراج شده است که توسط آقایان «حسین غلامزاده­ ثانی» و «علیرضا ­رضایی» از شرکت «اندیشه پردازان سپهر آپادانا» و در جریان نهمین کنفرانس تخصصی پایش وضعیت و عیب‌یابی ماشین‌آلات ایران، دانشگاه صنعت نفت اهواز، اسفند 1393 ارائه شده بود.

هوای فشرده مورد نیاز خط تولید در کارخانه سیمان زاوه تربت از طریق 5 دستگاه کمپرسورScrew HY90  تامین می شود (شکل 1) که مشخصات فنی آن در جدول 2 موجود است. ارتعاشات کلیه 5 دستگاه کمپرسور در نقاط مشخص شده بر روی شکل یک اندازه گیری شد. لذا کلیه فرکانس های مورد نیاز جهت ارزیابی وضعیت کمپرسور محاسبه و در جدول 3 قابل مشاهده است.

شکل 1: کمپرسور اسکرو مدل HY90

جدول 2: مشخصات فنی کمپرسور HY90

جدول 3: مشخصات فرکانسی اجزای کمپرسور HY90

در مرحله اول مقادیر ارتعاشات بر حسب پارامتر  RMS سرعت اندازه گیری شد. مقایسه مقادیر اندازه گیری شده از کمپرسورها با یکدیگر و همچنین مقایسه با مقادیر پیشنهادی استاندارد نشان دهنده عادی بودن وضعیت هر 5 کمپرسور بود. اما، در مرحله دوم ارتعاشات کمپرسورها بر حسب پارامتر RMS  شتاب و همچنین شاخص های Crest Factor  و Bearing Condition  اندازه گیری گردید. این بار مقایسه مقادیر ارتعاشات کمپرسورها با یکدیگر نشان دهنده غیرعادی بودن وضعیت ارتعاشات کمپرسور شماره یک بود. به همین دلیل، انجام آنالیز روغن نیز در دستور کار قرار گرفت که شامل تست های عناصر فرسایشی، شاخص های فرسایشی، افزودنی ها، آلاینده ها، و آلاینده ها بود.

با توجه به نتایج آنالیز روغن و ارتعاشات در خصوص وضعیت کمپرسور شماره یک، تصمیم گیری در خصوص اقدام اصلاحی پیشنهادی بسیار مشکل بود اما از آنجا که تجربه نشان داده ­است، تکنیک آنالیز ارتعاشات در خصوص شناسایی مراحل اولیه خرابی تجهیزات دوار از قدرت و حساسیت بیشتری برخوردار است، از این رو، تصمیم بر بازرسی کمپرسور شماره یک گردید. با بازرسی صورت گرفته مشخص شد که حلقه داخلی یاتاقان این کمپرسور دچار خوردگی و آسیب دیدگی شدید شده است که نسبت به تعویض آن اقدام شد.

شکل 2: تصویر حلقه داخلی آسیب دیده یاتاقان کمپرسور

تفاوت کاویتاسیون و هواگرفتگی

با درود فراوان

در این پست قصد بر آن است که راجع به تفاوت بین دو پدیده ناشی از رفتار سیال عامل در سیستم های روغنرسانی صحبت و روشنگری لازم انجام شود. این دو پدیده، که اغلب با یکدیگر اشتباه گرفته شده و منجر به نتیجه گیری های کاملا غلطی می گردند،  «کاویتاسیون» و «هواگرفتگی» نام دارند. در واقع، میزان تشابه میان این دو پدیده را می توان با تشابه دو تعریف «تنش» و «فشار» در مکانیک کلاسیک مقایسه کرد.

از دیدگاه مکانیزم تشکیل و برخی علایم خرابی، این دو پدیده سیالاتی شباهت هایی به یکدیگر دارند. اما، با دقت به برخی جزییات در نحوه بروز خرابی در ادوات روتاری و برخی اجزایی تشکیل دهنده مدار روغنرسانی، می توان این دو پدیده را از یکدیگر تمیز داده و با نتیجه گیری درست، نظریه خرابی قابل قبول و مفیدی ارائه کرد. در این پست، پس از معرفی دو پدیده کاویتاسیون و هواگرفتگی در سیستم های روغنرسانی، به بیان تفاوت های این دو با یکدیگر خواهیم پرداخت که امیدوارم راهنمای خوبی برای مهندسان شاغل در امور پایش وضعیت و آنالیز خرابی ادوات و تجهیزات روتاری باشد.

الف) کاویتاسیون

بنا به تعریف، کاویتاسیون عبارتست از تشکیل و سپس متلاشی شدن حباب های هوا در جریان روغن. در مدار های هیدرولیک، وقتی روغن به واسطه چرخش دنده های پمپ از مخزن بیرون کشیده می شود، فشار روغن در مخزن بالاتر رفته و فشار خط مکش پمپ کاهش می یابد. همین افت فشار، در واقع، برخلاف تصور عامه، موجب مکیده شدن روغن توسط پمپ نمی شود! بلکه با توجه به اختلاف فشار اتمسفریک، روغن بیشتر به داخل پمپ هُل داده می شود. شکل 1 نموداری رنگی (به تفکیک ناحیه فشار) از یک مدار هیدرولیک نوعی را نشان می دهد.

شکل 1: شماتیکی از مناطق فشاری در یک مدار هیدرولیک نوعی

این فرآیند تا زمانیکه اختلاف فشار در حد کفایت بوده و مسیر عبور روغن نیز باز و بدون مانع باشد، بدون مشکل تداوم خواهد یافت. اما، مشکل از زمانی ایجاد می شود که پمپ به هر دلیل قادر به تامین حجم لازم از روغن نباشد. نام این مشکل «کاویتاسیون» است. شکل 2 را ببینید.

شکل 2: شماتیکی از مکانیزم تشکیل کاویتاسیون

روغن هیدرولیک معمولا و تقریبا دارای 9 درصد هوای محلول می باشد (برای اطلاعات بیشتر در مورد انواع مکانیزم های انحلال هوا در جریان روغن، مطالعه پست «تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب» در همین وبلاگ توصیه می شود). بدین ترتیب، وقتی پمپ نتواند روغن لازم را تامین کند، هوای محلول از جریان روغن جدا شده و بصورت هوای آزاد در می آید که شکل فیزیکی آن حباب های ریز و ناپیوسته هوا در لاین کم فشار پشت پمپ است. با ورود این حباب های ناپایدار از هوا به همراه جریان روغن به درون پمپ، و به تبع آن: افزایش فشار، این حباب ها متلاشی شده و موج ضربه ای ناشی از آزاد سازی انرژی تخلیه این تلاشی فیزیکی موجب تخریب سطح و صدمه دیدن بخش های داخلی پمپ می گردد که در قطعات مکانیکی چرخنده آن بیشتر مشهود است.

شکل 3: شماتیکی از مراحل تلاشی فیزیکی حباب هوا و ایجاد کاویتاسیون

ب) هواگرفتگی

هواگرفتگی در زمانی اتفاق می افتد که هوا به هر دلیل وارد جریان روغن شده و طی یکی از چهار مکانیزم هوای محلول، هوای شناور، هوای آزاد، یا فوم (کف) با آن همراه شود (تعریف هر یک از این چهار مکانیزم در پست «تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب» در همین وبلاگ موجود است). برخی از این حباب های هوا که بسته به نحوه ورود آنها به جریان روغن می توانند از پایداری متفاوتی برخوردار باشند، در برخورد با بخش های پرفشار پمپ می توانند پس از تلاشی فیزیکی موجب بروز خساراتی به بخش های چرخنده پمپ شوند. اما، این خسارت ها، در مقایسه با کاویتاسیون، حالتی پیوسته نداشته و از عمق کمتری برخوردارند. بیشترین اثر هواگرفتگی در سیستم های روغنرسانی را می توان بر عدم یکنواختی جریان روغن، کاهش دانسیته موثر، و از دست رفتن مقطعی کنترل متمرکز دانست.

شکل 4: تفاوت ساختاری هوای شناور (حباب) و فوم (کف)

حال که کاویتاسیون را با ذکر مثالی در مورد سیستم های روغنرسانی هیدرولیک تعریف کردیم و مکانیزم تشکیل آن را به اختصار بیان کردیم، این سوال پیش می آید که عوامل بروز کاویتاسیون چیست؟ آیا این عوامل با هواگرفتگی یکسان و همسنگ هستند؟

پاسخ به این سوالات با بررسی و مقایسه علل بروز دو پدیده «کاویتاسیون» و «هواگرفتگی» ممکن می گردد. در مورد کاویتاسیون، هرگونه افزایش یا کاهش ناگهانی سرعت جریان روغن می تواند عاملی در ایجاد کاویتاسیون به شمار رود. در توضیح این قضیه باید گفت که سرعت جریان روغن با سایز خط هیدرولیک نسبت عکس دارد. از سوی دیگر، بیشتر پمپ ها دارای خط مکش بزرگتری نسبت به خط فشار خود هستند. مقصود از این کار، کاهش سرعت ورودی به پمپ، و در نتیجه، تسهیل ورود روغن به آن است. بدین ترتیب، هر عامل محدود کننده یا مزاحم در این روند (اعم از انسداد جزیی یا مقطعی استرینر یا فیلتر) موجب افزایش سرعت ورود روغن به پمپ و به تبع آن، کاویتاسیون شود. علاوه بر این، در صورتیکه سرعت چرخش پمپ بیش از حد مشخص و توان تامین پمپ باشد، کاویتاسیون محرز خواهد بود. به این حالت، اصطلاحا، Over Drive گفته می شود.

از سوی دیگر، افزایش دمای جریان روغن (بهر دلیل) می تواند یکی دیگر از عوامل تشکیل کاویتاسیون باشد. چراکه افزایش دما روند تشکیل حباب های گاز ناشی از تبخیر جزیی روغن را تسهیل کرده و به ناپایداری آنها در برابر افت فشار نیز کمک می کند. از طرفی، کاهش دما نیز مخاطرات خود را دارد. چراکه سرما موجب افزایش ویسکوزیته سینماتیک روغن، و در نتیجه، ورود آن به پمپ را سخت می کند. بهمین دلیل است که بسیاری از سیستم های هیدرولیک در دمای محیطی کمتر از 5 درجه سلسیوس استارت خورده و در دمای کمتر از 20 درجه سلسیوس نباید زیر بار بروند.

سوی دیگر قضیه، اما، بسیار متفاوت است! چراکه هواگرفتگی تنها و تنها در اثر عدم کارآیی نشت بند ها و اتصالات خط مکش پمپ مدار هیدرولیک صورت می پذیرد. توجیه علمی این قضیه نیز آن است که فشار روغن در خط مکش اغلب پایینتر از فشار اتمسفریک بوده و بهمین دلیل، در صورت وجود نشتی در این خط، روغن به بیرون نشت نخواهد کرد! بلکه این هوا خواهد بود که وارد مدار می شود.

شکل 5: اتصالی که با حرف A در این شکل مشخص شده است، پس از 12 سال کار مداوم و تحمل ارتعاش، شل شده و هوا را به درون خط مکش وارد کرده است

از دلایل دیگر هواگرفتگی می توان به عدم عملکرد صحیح واشر های درزگیر شفت در پمپ ها، عدم چرخش مناسب شفت در جهت صحیح (گاه پس از بازسازی پمپ و گاه در اثر عدم نصب مناسب، جهت چرخشی که مثلا باید راستگرد باشد، چپگرد می شود که در برخی پمپ ها موجب هواگرفتگی خواهد شد)، و کاهش سطح روغن در مخزن اشاره کرد. توجه به این نکته در مورد آخرین علت هواگرفتگی لازم است که سطح روغن هرگز نباید کمتر از 5 سانتیمتر نسبت به خط مکش بالاتر بایستد.

انواع روغن های پایه

با درود و احترام

موضوع این پست، ارائه اطلاعات پایه در خصوص انواع روغن های پایه و معیار گروه بندی آنها براساس استاندارد API 1509 است. این استاندارد، در Appendix E خود، روغن های پایه را به پنج گروه تقسیم کرده است که سه گروه اول آن مستقیما حاصل پالایش برشی نفت خام بوده و عملا مینرال محسوب می شوند. اما، گروه چهارم شامل روغن های پایه سینتتیک (پلی آلفا اُلفین ها) بوده، و گروه پنجم به روغن های پایه ای اختصاص دارد که از انواع ذکر شده در گروه های یک تا چهار نباشند. کلیه سیستم های روغنی که بعنوان محصول بسته بندی شده و آماده استفاده در صنعت مصرف می شوند، قبل از اضافه شدن و تلفیق هر ادتیوی، به یکی از این پنج گروه تعلق دارند. اکنون به تعریف مشخصات هر یک از این گروه ها می پردازیم.

الف) گروه I

روغن های پایه ای که در گروه I قرار داده می شوند، از حداکثر 90 درصد اشباع و یا حداقل 0.03 درصد گوگرد در ساختار خود بهره می برند. شاخص ویسکوزیته (VI) این گروه بین 80 تا 120 قرار می گیرد. بازه حرارتی عملکرد روغن های پایه گروه I بین صفر تا 65 درجه سلسیوس است. این روغن ها حاصل ساده ترین فرآیند پالایش نفت خام هستند که به Solvent-Refining معروف است و همین دلیلی است بر ارزانی قیمت این گروه از روغن های پایه؛

ب) گروه II

ساختار شیمیایی این گروه از روغن های پایه در زمینه اشباع از 90 درصد فراتر رفته و مقدار گوگرد آنها نیز از 0.03 درصد پایینتر می رود. اما، بازه تغییرات شاخص ویسکوزیته آنها با گروه I یکی است. این تیپ از روغن ها با توسل به Hydrocracking تولید می شوند که نسبت به Solvent-Refining فرآیند پیچیده تری بوده و از آنجا که تمامی ملکول های هیدروکربن موجود در ساختار شیمیایی این گروه اشباع هستند، روغن های گروه II از مقاومت بهتری نسبت به اکسیداسیون برخوردارند. رنگ این دسته از روغن ها نیز روشن تر و شفاف تر بوده و قیمت بالاتری نسبت به گروه I دارند. البته این اختلاف قیمت چندان زیاد نیست؛

ج) گروه III

ساختار شیمیایی این دسته از روغن های پایه همانند گروه II است. با این تفاوت که شاخص ویسکوزیته آنها از 120 فراتر می رود. روغن های پایه ای که قرار است در این گروه جای داده شوند باید شرایط سختتری از فشار و دما را طی فرآیند Hydrocracking پشت سر بگذارند. هدف از طولانی و سختتر کردن شرایط پالایش، استحصال روغنی خالصتر است. هرچند روغن های گروه III همچنان محصول پالایش نفت خام محسوب می شوند، اما گاه بدلیل مشخصات عملکردی خوبی که از خود به نمایش می گذارند در برخی منابع از آنها با عنوان هیدروکربن های سینتتیک یاد می شود؛

جدول 1: مشخصات گروه های پنج گانه روغن های پایه

د) گروه IV

از گروه III به بعد، شاهد روغن های سینتتیک پایه هستیم که گروه IV آن به روغن های پایه پلی آلفا الفین یا PAO ها اختصاص داده شده است که با توسل به فرآیندی با نام Synthesizing تولید شده اند. اعضای این گروه از روغن های پایه دارای دامنه بسیار وسیعتری از دمای عملکردی بوده و برای شرایط عملکرد در برودت انتخاب بسیار مناسبی هستند. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه، مراجعه به پست «کاربرد روغن در دماهای خیلی بالا» در همین وبلاگ توصیه می شود؛

شکل 1: شماتیکی از نحوه جریان یافتن روغن های پایه سینتتیک در مقایسه با انواع مینرال

هـ) گروه V

این گروه مختص روغن های پایه ای است که فرمولاسیون آنها در قالب هیچیک از گروه های I تا IV نگنجد و شامل سیلیکون ها، فسفات استر ها، پلی آلکیلن گلیکول (PAG) ها، پلی اُل استر ها، روغن های زیستی (بایو لوب) ها، و... می گردند. این گروه از روغن های پایه، گاهی اوقات، بمنظور بهبود عملکرد برخی از سیستم های روغن مینرال به ترکیب آنها اضافه شده و تشکیل محصولاتی را می دهند که به نیمه سینتتیک معروفند. البته، در این زمینه، محدودیتی وجود ندارد و بسته به تشخیص روغنساز، می توان از ترکیب این دسته از روغن های پایه با اعضای گروه IV نیز بهره برد. مثال نغض آن نیز روغن های کمپرسوری می باشد که حاصل اضافه شدن پلی اُل استر به PAO هستند. استر ها رایجترین و پرکاربردترین روغن های پایه بدین منظور در گروه V محسوب می شوند. چراکه براحتی با دیگر روغن های پایه از سایر گروه ها ترکیب شده و خواص خوبی از جمله مقاومت به حرارت و تمیز کنندگی به سیستم روغن می دهند. چنین مشخصاتی، علاوه بر بهبود عملکرد سیستم روغن، ساعت کار و عمر آن را نیز افزایش می دهد.

ناسازگاری گریس ها

با درود بیکران

هدف از این پست، ارائه پاسخ به پرسش مطرح شده از سوی یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ است.

شرح سوال: در پست «انتخاب گریس»، جدولی را ارائه کرده اید که راجع به سازگاری شیمیایی گریس های مختلف صحبت می کند. سوالم این است که سازگاری گریس چیست؟ اگر رعایت نشود، چه اتفاقی می افتد؟ و چطور و از طریق چه تست هایی می توان فهمید که مثلا دو گریس با یکدیگر سازگار نیستند. بدون استفاده از آن جدول؟

در پاسخ به این سوال، قبل از هر چیز، باید عرض شود که جدول سازگاری شیمیایی ارائه شده در پست «انتخاب گریس» حالتی کلی داشته و تنها براساس نوع تغلیظ گر تدوین شده است. حال آنکه، از دیدگاه تخصصی، سازگاری شیمیایی گریس سه جنبه دارد که علاوه بر تغلیظ گر، شامل روغن پایه و ادتیو ها نیز می شود. پاسخ به سوال شما از دو بخش تشکیل شده است: تعریف سازگاری شیمیایی گریس، و تست های تعیین سازگاری.

در بخش دوم، یک مطالعه موردی (Case Study) را نیز بررسی خواهیم کرد تا زوایای پنهان قضیه بیشتر آشکار شود.

الف) تعریف سازگاری شیمیایی گریس

همانطور که در پست «انتخاب گریس» عنوان شده بود، ساختار گریس از سه بخش روغن پایه، تغلیظ گر، و ادتیو ها تشکیل شده است. در زمان مخلوط شدن (یا به بیان بهتر: تماس) دو گریس با NLGI یکسان با یکدیگر، آنچه که بیشترین مورد نگرانی است، به ترتیب، عبارتند از: ویسکوزیته روغن پایه هر یک از طرفین واکنش، نوع روغن (پایه)، و نوع تغلیظ گر (ها). اما، آنچه که در تدوین و استفاده از جداول سازگاری شیمیایی گریس ها مد نظر قرار می گیرد، بیشتر شامل نوع و ساختار شیمیایی تغلیظ گر است و از موارد دیگر چشم پوشی می شود. چراکه تجربه نشان داده است که بیشتر مشکلات و خرابی های ناشی از عدم سازگاری شیمیایی گریس ها در تماس با یکدیگر ناشی از عدم سازگاری تغلیظ گر ها است. اما، در این پست قصد داریم نگاه نزدیکتری به این مساله داشته باشیم.

- سازگاری شیمیایی روغن های پایه:

در تولید و فرمولاسیون گریس ها، استفاده از هر دو نوع روغن مینرال و سینتتیک رواج دارد. آنچه که توجه کارشناس آنالیز روغن را باید در جایگزینی یا مخلوط سازی گریس ها جلب کند، این نکته است که برخی روغن های سینتتیک با انواع مینرال و گروه کم جمعیتی از روغن های سینتتیک سازگاری نداشته و تماس آنها موجب از هم پاشیدگی ساختار شیمیایی مخلوط گریس و تشکیل نمک های معدنی می گردد. بنابراین، حتی در صورتیکه دو تغلیظ گر با یکدیگر سازگار بوده ولی روغن های پایه از چنین توافقی برخوردار نباشند، نتیجه کار مساله ساز خواهد شد. گذشته از این، ویسکوزیته دینامیک دو روغن پایه نیز سوی دیگر معامله است! چراکه اگر ویسکوزیته دینامیک دو روغن پایه خیلی با هم متفاوت باشند، نتیجه مخلوط شدن آنها عملکرد فیزیکی گریس را دستخوش تغییر شدیدی خواهد کرد.

- سازگاری شیمیایی تغلیظ گر:

مخلوط شدن دو یا چند گریس با تغلیظ گر های ناسازگار منجر به واکنش آنی فرمولاسیون های آنها با هم خواهد شد که نتایج مخربی برای عملکرد روانکاری آنها داشته و شوربختانه، این نتایج بلافاصله پس از مخلوط سازی گریس ها مشهود خواهند بود. میزان ناگواری این نتایج و نحوه بروز آنها بسته به زنجیره واکنشی متفاوت خواهد بود. در بعضی مواقع، این زنجیره واکنشی منجر به نرم شدن بیش از حد و ریختن مخلوط گریس، همراه با مهاجرت لایه روانکار از سطوح دریافت کننده روغن، می شود. اما، گاه پیش می آید که واکنش حاص از مخلوط سازی کامپاند های ناسازگار منجر به رها سازی روغن و پیچیدن مخلوط مومی شکلی از تغلیظ گر ها به فضای داخلی برینگ، چرخدنده، شفت، و سایر اجزای مکانیکی خواهد شد که جداسازی این موم از آنها عملا بسیار سخت و مشکل است. برخی واکنش ها هم هست که منجر به سخت شدن تدریجی (حداکثر در طول 24 ساعت پس از مخلوط سازی) مخلوط دو یا چند گریس، به همراه تولید نمک های شبه فلزی، می گردد که عملا موجب سایش سطوح فلزی درگیر شده و راه روانکاری های بعدی را نیز می بندد.

- سازگاری شیمیایی ادتیو ها:

زمانی که ادتیو های دو یا چند سیستم روانکاری (گریس یا روغن) با یکدیگر ترکیب شده و زنجیره ای از واکنش های شیمیایی تشکیل می شود، در صورت ناسازگاری دو یا چند کامپاند از ادتیو های حاضر در هر یک از ساختار های شیمیایی دو طرف واکنش، نتایج بصورت کاهش کیفیت عملکردی مخلوط روانکارها و تشکیل رسوبات جامد (و اغلب، آنقدر سخت که منجر به سایش شوند) نمود خواهند داشت. در برخی از موارد، تشکیل رسوبات حتی تا مرحله تبلور نمک ها نیز پیش می رود که ترکیبی خورنده و ساینده را بدست خواهد داد. اما، مشکل بزرگ و اصلی تشکیل این رسوبات و تبلور آنها در گریس های ناسازگار نیست! مشکل و مساله اصلی در عدم رسوب آنها در مخلوط گریس ها است (!) که عملا خورندگی، فساد، و فرسایندگی مخلوط حاصل از زنجیره واکنشی بین ادتیو ها را بیشتر و بیشتر می کند. لازم بذکر می داند که سلسله واکنش های بین ادتیو های درگیر در این ناسازگاری شیمیایی از سرعت، شدّت، و حدّت، واکنش های بین روغن های پایه و تغلیظ گر های ناسازگار برخوردار نیست، اما، نتایجی به مراتب وخیمتر از نظر فرسایندگی و تمایل به اضمحلال شیمیایی سیستم روانکاری در پی خواهد داشت.

ب) تست های تعیین سازگاری

اکنون که با مکانیزم واکنش دهی و نتایج ناگوار این مکانیزم ها در ساختار های شیمیایی ناسازگار گریس ها آشنا شدیم، برآنیم که تست های لازم برای پی بردن به میزان سازگاری این ترکیب ها را با یکدیگر معرفی کنیم. قدر مسلم، تعیین سازگاری شیمیایی دو یا چند گریس با یکدیگر از طریق مخلوط سازی آنها در مقیاس و محیط آزمایشگاهی با نسبت های مختلف و سپس قرار دادن این مخلوط در معرض سیکل های مختلف کاری و حرارتی (بمنظور شبیه سازی محیط عملکردی مخلوط) حاصل می گردد.

در این زمینه، استاندارد ASTM D6185 نسبت های 25/75، 50/50، و 75/25 از دو گریس را در مخلوط سازی استاندارد دانسته و روش تست را بیان کرده است. بدیهی است که برای حضور تعداد بیشتری از گریس در یک مخلوط (مانند آنچه که در مقاله ای از نویسنده همین سطور در مخلوط سازی چهار گریس به انتشار رسیده است)، نسبت های دیگری را باید بکار برد که مسلما روش آزمون را نیز تغییر خواهد داد. استاندارد ASTM D6185، مخلوط دو گریس را بمنظور ارزیابی نتایج تست های «دمای تشکیل قطره»، «پایداری برشی»، «پایداری در انبار» هدف قرار داده و معیار ارزیابی در مورد دو تست آخر، تغییر در میزان قوام مخلوط برحسب NLGI (براساس روش آزمون مندرج در استاندارد ASTM D217) است.

اما، تجربه نشان داده است که استناد به نتایج حاصل از تست براساس استاندارد ASTM D6185 چنان که باید و شاید با شرایط واقعی عملکرد گریس همخوان نیست. این شک و تردید از آنجا نشات می گیرد که هرچند بمنظور آماده سازی نمونه های آزمایشی در این استاندارد از چند مرحله کار مکانیکی بهره برداری می شود. اما، مخلوط گریسی که وارد فضای کاری قطعات مکانیکی پرتحرک و پرفشار می شود، شرایط مکانیکی بسیار شدیدتری را دربازه زمانی بسیار کوتاه تجربه خواهد کرد که روی مکانیزم مخلوط سازی و زنجیره واکنشی دو یا چند گریس تاثیری عمیقتر از آنچه تصور می شد خواهد گذاشت. این شرایط مکانیکی با 60 کورس رفت و برگشتی در استاندارد ASTM D6185 شبیه سازی شده است. اما، در مقام مقایسه، یک بالبرینگ معمولی با سرعت 1750 دور در دقیقه نزدیک به 30 میلیون چرخه مخلوط سازی بین دو گریس را تنها طی سه شبانه روز رقم خواهد زد! علاوه بر این، چنین مخلوطی از گریس در معرض موج مداومی از نیرو های دینامیکی قرار خواهد گرفت که مسلما روی نحوه عملکرد آن و مشخصات فیزیکی آن تاثیری بسیار شدیدتر و عمیقتر از آنچه که در میدان دید و نظر آزمون های «دمای تشکیل قطره»، و تغییرات NLGI در تست های «پایداری برشی»، و «پایداری در انبار» مورد نظر استاندارد فوق پیش بینی می شود برجای خواهد گذاشت.

به همین منظور، مطالعاتی در راستای شبیه سازی هر چه واقعی تر شرایط عملکردی و مخلوط سازی گریس های مختلف صورت گرفته که اخیرا نتایج بهتر و قابل اعتمادتری نسبت به گذشته بدست داده است. یکی از معروفترین این نتایج، دستگاه شبیه ساز برینگ یا Bearing Simulator می باشد. این دستگاه که بیشتر یک تست استند (Test Stand) به شمار می رود، در شکل 1 نشان داده شده و بیشتر در حوزه موتور های الکتریکی کاربرد دارد.

این دستگاه از یک موتور الکتریکی با توان 45 کیلووات، متصل به یک شفت ساده و یک بالبرینگ (به همراه هوزینگ آن)، تشکیل شده است. پنجره ای از پلکسی گلاس در انتهای شفت و محل چرخش بالبرینگ نصب شده است تا مشاهده وضعیت مخلوط شدن دو گریس و نحوه اثر نیرو های وارده بر این مخلوط قابل مشاهده باشد. بمنظور انجام تست، دو گریس با نسبت های استاندارد 25/75، 50/50، و 75/25 با یکدیگر مخلوط شده و بصورت دستی، تا نصف حجم هوزینگ و فضای عملکردی بالبرینگ با هر یک از این مخلوط ها پر می شود.

شکل 1: نمایی از دستگاه تست مخلوط سازی گریس ها

آزمون با روشن شدن موتور الکتریکی آغاز شده و بمدت 72 ساعت با دور 1750 rpm و رسیدن تعداد سیکل های اختلاط گریس به 30 میلیون ادامه می یابد. حین آزمون و پس از طی آن، نتایج مشاهداتی ثبت شده و پس از توقف کامل دستگاه، مخلوط گریس بمنظور انجام آنالیز های تکمیلی از هوزینگ خارج می گردد.

مخلوط گریس خارج شده از دستگاه، ابتدا تحت طیف نگاری به روش FTIR قرار داده می شود تا هرگونه آثار ناشی از اکسیداسیون و کامپاندسازی از طریق آنالیز عناصر موجود در آن مشخص گردد. در مرحله آخر، مخلوط گریس در دستگاه تست رئومتر قرار داده می شود تا تغییرات حاصله در مشخصات جاری شدن و برش فیزیکی آن در مقایسه با مقادیر اولیه هر یک از گریس ها مشخص و تعیین گردد. آنچه که در این مرحله بیش از سایرین اهمیت دارد، میزان تنش تسلیم است که عاملی کلیدی در تعیین نرم یا سفت شدگی مخلوط گریس نسبت به حالت اولیه دو گریس قبلی به حساب می آید. در کنار آن، مقادیر تنش نوسانی (بمنظور تعیین احتمال روغن زدایی)، و سازگاری بازگشت پذیر (بمنظور تعیین احتمال بروز پدیده هایی چون Channeling و Tunneling در فضای داخلی هوزینگ) نیز به بوته آزمون گذاشته می شوند.

نتایج این تست ها و مشاهدات، در کنار هم، تصویر دقیقی از نتایج احتمالی مخلوط شدن دو گریس را بدست داده و می توانند به کمک کاربران و مالکان تجهیزات در مواقع لزوم بیایند.

در این زمینه، یک مطالعه موردی (Case Study) مطرح شده است. بدین ترتیب که دو گریس با تغلیظ گر یکسان (هر دو پلی اوریا)، اما با مشخصات ناهمسان (جدول 1 را ببینید) با یکدیگر به نسبت 50/50 مخلوط شده و در استند آزمون نشان داده شده در شکل 1 قرار داده شده اند.

جدول 1: مشخصات دو گریس تحت آزمون مخلوط سازی

همانطور که در جدول 1 قابل مشاهده است، هر دو گریس از یک تغلیظ گر بهره برده و از یک کلاس NLGI بهره می برند. اما، در میزان عمق نفوذ مخروط و ویسکوزیته سینماتیک روغن پایه (نوع آن ذکر نشده) تفاوت اندکی دارند. براساس جدول سازگاری شیمیایی گریس ها (جدول 14، پست انتخاب گریس را ببینید)، مخلوط سازی این دو گریس هیچ منافات و محدودیتی ندارد. حال، قصد داریم این عدم محدودیت را آزمایش کنیم.

پس از مخلوط سازی دو گریس با نسبت 50/50 و قرار گرفتن در دستگاه تست بمدت 72 ساعت با مشخصات فوق الذکر، نمونه مخلوط در معرض آنالیز عناصر به روش FTIR قرار گرفته و نتایج در جدول 2 نشان داده شده اند.

جدول 2: نتایج آنالیز عناصر به روش FTIR مخلوط دو گریس و مقایسه آن با آنالیز همان عناصر در ترکیب هر یک

بخش هایی از جدول 2 که با رنگ زرد مشخص شده اند، بیشترین تفاوت بین حضور عناصر تحت آنالیز را در مخلوط 50/50 با میزان حضور همان عنصر در ترکیب شیمیایی هر یک از گریس ها نشان می دهند و این به معنی تفاوت فاحش در فرمولاسیون دو گریس (بیشتر در زمینه حضور ادتیو های ضد سایشی یا Anti-Wear)، علیرغم یکسان بودن NLGI و نوع تغلیظ گر است! اما، صرف مقاومت بیشتر یک گریس نسبت به دیگری در برابر سایش نمی تواند ملاک عمل قانع کننده ای برای ناسازگار دانستن ساختار شیمیایی دو گریس باشد. بنابراین، عاقلانه تر آن است که نتایج سایر تست ها نیز بررسی شود.

جدول 3 نتایج آزمون رئومتری را در خود دارد و بخش های زرد رنگ آن بیانگر اختلاف بین دو فرمولاسیون است. این نتایج، در مقایسه با آنچه که در جدول 2 دیدیم، نگران کننده تر است! چراکه تفاوت فاحش در رفتار فیزیکی دو گریس را با یکدیگر نشان می دهد.

جدول 3: نتایج آنالیز رئومتری مخلوط دو گریس و مقایسه آن با مقادیر اولیه هر یک از گریس ها

شکل 2: نمودار مقایسه ای تنش تسلیم برای هر یک از گریس ها و مخلوط حاصله

آنچه که پس از مشاهده نتایج جدول 3 مایه نگرانی است، کاهش تدریجی عملکرد مخلوط گریس در طولانی مدت است. پس، تا بدینجای کار، می توان نتیجه گرفت که مخلوط سازی این دو گریس ممانعتی ندارد. اما، برای طولانی مدت توصیه نمی شود! چراکه احتمال بروز عیوبی چون نرم شدگی،روغن زدایی، و «Channeling» در هوزینگ محل عملکرد این مخلوط در طولانی مدت بالا ارزیابی می شود (شکل 3 را ببینید).

شکل 3: نمودار مقایسه ای سازگاری بازگشت پذیر برای هر یک از گریس ها و مخلوط حاصله

بدین ترتیب، همانطور که دیدیم، با انجام آنالیز های توصیه شده در این پست می توان صحت مندرجات جدول 14 پست «انتخاب گریس» را زیر سوال برد و با توصیه به موقع و مستند به مالک تجهیز، از بروز خرابی ناشی از اشتباه در قرائت و تفسیر مدارک مهندسی در جایگزینی و مخلوط سازی گریس ها جلوگیری کرد.