ادتیو های EP: انواع، کاربرد ها، و محدودیت ها

با درود و احترام به کلیه مخاطبین محترم این وبلاگ، هدف از این پست ارائه مرجع و راهنمایی در خصوص ادتیو EP (Extreme Pressure) در روغن های چرخدنده است. این پست، بعنوان یک پیش درآمد بر پست مفصلی تلقی می گردد که با عنوان «انتخاب روغن های چرخدنده و گیربکسی» بزودی در همین وبلاگ انتشار خواهد یافت. یکی از مشکلاتی که طراحان و سازندگان گیربکس با آن مواجهند، انتخاب مواد مناسب برای چرخدنده های درگیر و پوسته ای است که قرار است این مجموعه از چرخدنده ها را درون خود نگه دارد. از سوی دیگر، روغن های چرخدنده نیز بعنوان سیستمی پایدار از انواع متفاوتی از ترکیبات شیمیایی فعال، اغلب دارای انواع و اقسام ادتیو های شیمیایی در ساختار خود هستند که برای حفظ عملکرد آن لازم و حیاتی محسوب می شوند، اما، در برخی شرایط، حضور بعضی از این ادتیو ها می تواند برای سیستم مکانیکی حاوی آنها خطرناک و مضر باشد.

در این پست، قصد داریم راجع به ادتیوی صحبت کنیم که با نام عمومی EP، مخفف Extreme Pressure، شناخته شده و در روغن های چرخدنده به وفور یافت می شود. حضور این ادتیو، مطابق آمار جمع آوری شده در ایالات متحده در خلال سال های 2012 تا 2015 در بیش از 62 درصد روغن های چرخدنده ای مصرفی در این کشور مشاهده شده است.

بطورکلی، ادتیو های کلاس EP از دیدگاه ساختار شیمیایی به سه دسته تقسیم می شوند:

• کلرین دار؛

• سولفور-فسفر دار؛ و

• پتاسیم بورات

مکانیزم عملکردی این تیپ از ادتیو ها، تشکیل لایه تبدیلی ناشی از واکنش شیمیایی بین ترکیب پایه ادتیو و سطح فلز و تشدید فعالیت بر اثر گرما است. در برخی مکانیزم ها، این لایه تبدیلی می تواند فدا شونده نیز باشد. مشکل، اما، از همین جا شروع می شود! بدین ترتیب که تشکیل این لایه تبدیلی گاه در برخی آلیاژ های مس دار (مانند برنز که به وفور در ساخت قطعات چرخدنده و گیربکس استفاده می شود) موجبات خوردگی شدید سطح قطعه و بروز خرابی مکانیکی را فراهم می آورد.

شکل 1: شماتیکی از نحوه عملکرد ادتیو های EP

این مورد در گیربکس های دنده مارپیچ نمود بیشتری دارد. چراکه در این تیپ از گیربکس ها استفاده از آلیاژ های برنزی رایج تر است. بطورکلی، یک گیربکس دنده مارپیچ یا Worm Gear از دو قسمت اصلی تشکیل شده است: ماردان (Worm Rod) و چرخ مارپیچ (Worm Wheel). شکل 2 را ببینید.

شکل 2: شماتیکی از گیربکس دنده مارپیچ

ماردان معمولا از گرید های پرکربن و مقاوم به حرارت فولادی ساخته می شود. اما، چرخ مارپیچ جنسش از آلیاژ های نرم مس داری مانند انواع برنج یا برنز است. البته در برخی طرح ها، هر دو قطعه از آلیاژ مس ساخته می شوند. علت استفاده وسیع از آلیاژ های مس را می توان در دو جنبه خواص بی نظیر ساخت و تولید (اعم از ماشینکاری و شکل پذیری عالی، و در عین حال، قیمت تمام شده کمتر، در عین فراوانی و دسترسی بهتر نسبت به فولاد های آلیاژی) و انعطاف پذیری متالورژیک آنها در آلیاژ پذیری با انواع مختلفی از عناصر شیمیایی، مانند سرب، و...، دانست.

از میان انواع فوق الذکر برای ادتیو های EP، آنهایی که برپایه ترکیبات سولفور دار تولید شده باشند، بیشترین رفتار تخریبی را در مورد آلیاژ های مس از خود نشان می دهند. در این دسته، دو تیپ از سولفور می تواند مورد استفاده کامپاندساز قرار گرفته باشد:

• سولفور فعال:

کامپاند های حاوی سولفور فعال پس از واکنش دهی با سطح فلز تشکیل لایه ای نرم و چکش خوار از صابون فلزی داده و این شرایط را فراهم می آوردند که دو سطح متقابل بدون صدمه رساندن و زخمی کردن یکدیگر به تبادل نیرو بپردازند. این لایه تبدیلی، با توجه به شرایطی که گفته شد، فدا شونده محسوب می شود. بدین ترتیب که پس از تحمل تنش های وارده، بدلیل نرم و چکش خوار بودن ساییده شده و بصورت تکه های بسیار ریز وارد جریان روغنی می شود که وظیفه شستشو و تمیزکاری فضای بین سطوح درگیر را نیز دارد. سولفور در حالت فعال خود از نظر شیمیایی رفتاری خورنده در برابر فلزاتی مانند فولاد و آلیاژ های مس دارد. از این رو، می تواند خواص مکانیکی سطوح تشکیل شده از آلیاژ های مس یا برخی فولاد ها را دچار عوارض ناشی از خوردگی مانند سوراخ های ریز (Pitting Corrosion) یا تورق (Spalling) کند. از دیگر سو، افزایش حرارت نیز می تواند واکنش بین سولفور فعال و سطح فلز را تشدید و تسریع کند. این تشدید و تسریع از قانون آرِنیوس (Arrhenius rule) پیروی می کند که شامل دو برابر شدن سرعت واکنش شیمیایی بازای هر 10 درجه سلسیوس افزایش دمای روغن است؛

• سولفور غیرفعال:

کامپاند های سولفور غیر فعال تمایل کمتری به چسبیدن به سطوح و واکنش دهی شیمیایی از خود نشان داده و از این رو، روغن های حاوی ادتیو های EP سنتز شده با این کلاس از کامپاند ها، رفتار خوردگی مناسبتری در برابر آلیاژ های فولاد، و بویژه مس، از خود نشان می دهند.

ادتیو های EP کامپاند شده با سولفور فعال در مواجه با آلیاژ های مس (اعم از برنج یا برنز) اقدام به برقرار زنجیره ای از واکنش های شیمیایی می کنند که حاصل آنها سولفید مس یا دی سولفید مس است. گرما نیز، با توجه به قانون آرِنیوس، شدت و دوام این زنجیره واکنشی را تضمین می کند. هر دو ترکیب سولفید و دی سولفید مس از سختی بالاتری نسبت به آلیاژ مس برخوردار بوده و می توانند موجب خراشیدگی و فرسایش شدید سطوح قطعات تشکیل شده از این آلیاژ های مس و برخی فولاد ها را فراهم آورند.

شکل 3: نمونه ای از تخریب سطح قطعه برنجی یک گیربکس دنده مارپیچ

با این تفاسیر، سوال اینست که مالک تجهیز چگونه می تواند تشخیص بدهد که روغن گیربکسی که قصد خرید دارد برای تجهیز مناسب است یا خیر؟ آیا بجای افزایش کارآیی، از عمر آن نمی کاهد؟

پاسخ به این سوال در تست تطابق با مس روغن گیربکس نهفته است که مطابق با استاندارد ASTM D130 و براساس جدول نشان داده شده در شکل 4 انجام می شود. این آزمون، بویژه، برای گیربکس های مناسب است که مطمئن هستیم در ساختار آن از آلیاژ های مس استفاده شده است. البته، گفتنی است که برخی از آلیاژ های فولاد خوشتراش نیز مقادیر معتنابهی از مس در ساختار خود دارند. لذا، استفاده از آنها نیز ریسک بالایی خواهد داشت. این آزمون که نام کامل آن «Copper Strip Corrosion Test» یا «آزمون خوردگی تسمه مسی» است، ابزاری بی نظیر در پیش بینی رفتار خوردگی روغن گیربکس حاوی ادتیو های EP در زمان عملکرد در گیربکس تجهیز به شمار می رود. بوسیله این آزمون می توان تشخیص داد که کدام کلاس از ادتیو EP سولفور دار در سنتز روغن گیربکس بکار رفته است.

شکل 4: چارت استاندارد آزمون خوردگی تسمه مسی (ASTM D130)

روش انجام این آزمون بدین ترتیب است که یک تسمه مسی در دو نقطه دمایی 40 و 100 درجه سلسیوس درون نمونه روغن فروبرده شده و پس از مدت زمان معینی و پس از بیرون کشیده شدن از نمونه روغن، وضعیت ظاهری و تغییر رنگ سطحی آن مطابق چارت شکل 4 بررسی می شود. نتیجه آزمون به چهار کلاس تقسیم می شود که از حداقل تغییر رنگ (کلاس 1a) تا سیاه شدگی کامل (کلاس 4c) متغیر است. در صورتیکه نتیجه آزمون بین کلاس های 1a و 2b قرار گیرد، ریسک واکنش دهی شیمیایی بین روغن و قطعات مسی بالاست.

بدین ترتیب و براساس مقدمات بالا، می توان موارد احتیاطی زیر را برای روغن های چرخدنده حاوی ادتیو های EP لازم دانست:

الف) برای گیربکس های با سرعت چرخش کمتر از 10FPM، استفاده از روغن های حاوی ادتیو های EP می تواند موجب بروز فرسایش سطحی با مکانیزم Polishing شوند که در درازمدت برای قطعات مسی و فولادی خطرناک است و موجب از دست رفتن مقطعی راندمان انتقال قدرت خواهد شد. برای روغنرسانی به این دسته از گیربکس ها، استفاده از روغن های چرخدنده حاوی ادتیو EP توصیه نمی شود؛

ب) ادتیو های EP حاوی کامپاند های سولفور-فسفر دار از نظر شیمیایی بسیار فعال محسوب شده و در اثر گرما و فشار مقطعی، موجب بروز فرسودگی سطحی قطعات گیربکس با مکانیزم Polishing خواهند شد. این مکانیزم، از آنجا که موجب ساییدگی لبه های نوک دندانه ها خواهد شد، علت اصلی عدم کنترل و دقت گیربکس در انتقال قدرت خواهد بود. در مواردی از این دست، ادتیو های EP نوع پتاسیم بورات جایگزین مناسبی خواهند بود؛

ج) فعالیت شیمیایی ادتیو های EP (بویژه انواع سولفور دار) در زمان عملکرد نوک دندانه چرخدنده ها در پیک دمایی به اوج خود می رسد. بنابراین، در برخی از کاربرد ها، که دمای عملکرد گیربکس به میزان لازم برای فعالسازی شیمیایی ادتیو های EP نمی رسد، ویسکوزیته سینماتیک روغن گیربکس اهمیت پیدا می کند. چراکه هرچه ویسکوزیته سینماتیک روغن بالاتر باشد، ضخامت فیلم روغن بین دو سطح چرخدنده بیشتر از حد معمول شده و انتقال حرارت بیشتری انجام خواهد شد. در نتیجه نوک دندانه چرخدنده ها نیز دمای کمتری را تجربه خواهند کرد. بدین ترتیب، و با عدم فعالسازی ادتیو های EP درون روغن، شاهد افزایش سرعت و شدت فرسایش دو سطح درگیر خواهیم بود. بنابراین، در گیربکس هایی که از سرعت چرخش پایین، تبادل بار اندک، و دمای عملکردی پایین برخوردار باشند، در صورت استفاده از روغن حاوی ادتیو EP، بهتر است ویسکوزیته سینماتیک پایینتری انتخاب شود تا محدوده دمای فعالسازی این ادتیو حفظ گردد؛

د) در برخی کاربرد ها یا طراحی ها، که دمای گیربکس بسیار بالا یا بسیار پایین باشد، جایگزین کردن روغن های حاوی ادتیو های EP با لوبریکانت های پودری (جامد) حاوی دی سولفید مولیبدن، گرافیت، یا دی سولفید تنگستن راهکار بسیار مناسبی خواهد بود. البته باید توجه داشت که این تیپ از لوبریکانت ها توانایی تحمل بار به مراتب کمتری نسبت به روغن ها دارند؛

هـ) ادتیو های EP حاوی کامپاند های سولفور-فسفر نباید در دما های عملکردی بیش از 95 درجه سلسیوس مورد استفاده قرار گیرند. البته، بطور کلی، این کلاس از ادتیو های EP برای محدوده دمایی گرمتر از 60 درجه سلسیوس مناسب نیستند و خورندگی شدیدی نسبت به آلیاژ های مس از خود نشان می دهند؛

و) بسته به مقدار استفاده، ادتیو های EP حاوی کامپاند های سولفور-فسفر با روغن های حاوی ادتیو ضد سایش (AW) حاوی زینک (Zn) سازگار نبوده و واکنش شیمیایی بین این دو ادتیو منجر به تولید نمک های فلزی فرساینده در سطوح درگیر بین چرخدنده ها می شود که نتایج اصلی آن افزایش شدید دما و فرسودگی موضعی خواهد بود. بنابراین، باید در زمان تعویض روغن های گیربکسی با انواع جدید دقت نمود که روغن قبلی و جدید از این دو ادتیو برخوردار نباشند؛

ز) در کاربرد هایی که احتمال نفوذ آب یا ترکیبا آبدار (هیدراته) به فضای درونی گیربکس بالاست، استفاده از روغن های گیربکسی حاوی ادتیو های EP کلاس بورات و کلرین، بدلیل تشکیل ترکیبات اسیدی قوی بهیچوجه توصیه نمی شود.

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.