نقش دانسیته در خواص روغن ها

با درود و احترام

هدف از این پست، پاسخ به سوال مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ و یکی از شرکت کنندگان محترم در دوره آنالیز روغن ماشین آلات صنعتی در اراک است.

شرح سوال: نقش دانسیته در عملکرد عمومی یک لوبریکانت چیست؟

پاسخ به این سوال، بیشتر به حوزه لوبریکانت های حامل بار، خاصه روغن های هیدرولیک و چرخدنده، مربوط است. از دیدگاه عمومی، دانسیته نه تنها یکی از مهمترین شاخص های عملکردی روغن ها و لوبرینکانت ها، که همه سیالات محسوب می شود. چراکه شاخصی از میزان جرم آنها در یک فضای واحد بوده و تصمیم گیری در مورد عملکرد مورد انتظار از یک سیال در یک سیستم مکانیکی را تسهیل می کند. بعنوان مثال، دانسیته آب 62.4 پاند در فوت مکعب است. البته در دمای اتاق! چراکه این مشخصه فیزیکی نیز مانند بسیاری از مشخصات فیزیکی مواد مهندسی، تابعی از دما است.

اما، از دیدگاه خصوصی، که بیشتر به موضوع این وبلاگ نزدیک است، لوبریکانت ها دانسیته به مراتب کمتری نسبت به آب دارند و این بدان معنی است که انواع لوبریکانت روی آب شناور خواهند شد. درست به همین دلیل است که وقتی آب (یا رطوبت) به هر دلیلی وارد مدار روغن هیدرولیک و... می شود، در محل آرامش سیستم (معمولا مخزن روغن) جمع شده و در بخش تحتانی مخزن، زیر توده روغن، جای گرفته و با باز کردن شیر یا پلاگ تخلیه، قبل از روغن خارج می شود.

از آیتم دانسیته، معمولا بعنوان جایگاه دوم (پس از ویسکوزیته دینامیک) در محاسبات مربوط به مدار های هیدرولیک استفاده می شود. چراکه محاسبات هیدرولیک براساس ویسکوزیته سینماتیک (حاصل تقسیم ویسکوزیته دینامیک بر دانسیته) انجام پذیرفته و عملکرد سیستم در حالات مختلف فشاری و دمایی (شرایط متعارف ترمودینامیک) محاسبه و پیش بینی می شود. بنابراین، واضح است که حداقل در مورد انواع روغن هیدرولیک و چرخدنده، معلوم بودن دانسیته روغن، بمنظور در اختیار گرفتن تصویری واضح از عملکرد سیستم در شرایط مختلف ترمودینامیک لازم و ضروری است. این ضرورت وقتی پررنگتر می شود که بدانیم هر دو آیتم حیاتی در محاسبات هیدرودینامیک یک سیستم روغنرسانی (یعنی ویسکوزیته و دانسیته) با دما تغییر می کنند.

یکی از عوامل اصلی در تعیین و مقایسه دانسیته مواد مختلف (در اینجا: سیالات تراکم ناپذیر)، وزن مخصوص آنها است که نسبتی از دانسیته آن ماده به دانسیته آب است. وزن مخصوص آب برابر یا یک است. بنابراین، هر سیال تراکم ناپذیری که از آب سنگینتر باشد، باید وزن مخصوصی بیشتر از یک داشته باشد و برعکس.

این مشخصه فیزیکی یکی از عوامل حیاتی در تعیین خواص یک سیال تراکم ناپذیر (بخصوص انواع روغن) می باشد. بعنوان مثال، افزایش دانسیته یک روغن به معنی سفتتر شدن آن است. این بدان معنی است که چنین روغنی به زمان بیشتری برای ته نشین کردن ذرات معلق درون جریان خود در مخزن (محفظه آرامش) دارد. وزن مخصوص این ذرات معلق و جامد چیزی بین 2.44 تا 3.6 است که با سفتتر شدن روغن، با مقاومت بیشتری از طرف سیال برای ته نشین شدن در کف مخزن روبرو شده و عملا زمان طولانی تری به همراه جریان روغن در حرکت خواهند بود. این عامل، به المان های فیلتراژ فرصت جمع آوری موثرتر این ذرات را می دهد. از سوی دیگر، طولانی تر شدن زمان ته نشست ذرات جامد معلق، فرصت تشکیل لجن را از آنها خواهد گرفت. چیزی که در سیستم های هیدرولیک پتانسیلی برای بروز خرابی است! چراکه مدار های هیدرولیک نسبت به ورود و رسوب ذرات آلاینده در جریان روغن بسیار حساسند و بدین ترتیب، خطر بروز مشکلاتی مانند گرفتگی (انسداد) مقطعی مدار، کاویتاسیون (در هر دو بخش مکش پمپ و جریان پایین دست پمپ به اوریفیس ها)، و خوردگی (در هر دو مکانیزم فرسایشی و گالوانیک) افزایش خواهد یافت. از موارد منفی افزایش دانسیته روغن های حامل بار می توان به افزایش مصرف پمپ (نیاز به توان پمپاژ بیشتر)، افزایش تنش روی قطعات پمپ، پمپاژ ضعیف ناشی از اینرسی روغن.

بسیاری از روغن های چرخدنده دانسیته ای بیشتر از آب دارند. بویژه انواع فسفات-استر ها که دارای وزن مخصوصی بالاتر از یک بوده و در این سیستم ها، آب اغلب روی روغن خواهد ایستاد. اما، افزایش دانسیته روغن های چرخدنده می تواند عامل مخربی در جهت سایش قطعات در تماس با آنها باشد.

از سوی دیگر، نه تنها ذرات معلق آلاینده جریان روغن موجب افزایش دانسیته روغن خواهند شد، بلکه آلاینده هایی مانند آب و هوا نیز (بویژه در حالت معلق) می توانند عامل موثری در تغییر دانسیته یک روغن محسوب شوند. اکسیداسیون نیز عامل موثر دیگری در جهت افزایش دانسیته روغن به شمار می رود.

بعنوان نتیجه گیری، در سیستم های روغنرسانی که پمپاژ مساله مهمی در برآورد کارآیی یک سیستم بشمار می رود (بویژه در سیستم های هیدرولیک و برخی چرخدنده ها)، تغییر دانسیته روغن می تواند تاثیر مستقیمی بر راندمان پمپاژ داشته باشد.

عدد قلیایی (Base Number) مناسب برای روغن موتور

با درود و احترام

هدف از این پست، پاسخ به پرسش مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ در خصوص شاخصی برای عدد قلیایی یا Base Number  (BN) انواع روغن است.

شرح سوال: عدد قلیایی (BN) یک روغن چقدر باید باشد؟

پاسخ به این سوال (که بسیار کلی طرح شده است) مستلزم شناخت این شاخص کیفی است. عدد قلیایی یا BN که بیشتر در مورد کیفیت روغن های موتوری (یا ژنراتور ها) مطرح است تا دیگر روغن های صنعتی، بصورت قابلیت یا توانایی یک سیستم روغن در خنثی سازی ترکیبات اسیدی تعریف می شود که حین عملکرد روغن، طی یک مدت زمان محدود، تولید و به سیستم روغن معرفی می شوند. بدین ترتیب، هرچه میزان عدد BN بزرگتر باشد، سیستم روغن قادر به خنثی سازی ترکیبات اسیدی قوی تری خواهد بود، و برعکس.

روغن های موتوری نو معمولا از عدد قلیایی بین 5 تا 15 (BN 5~15) برخوردارند که با کارکرد آن در طول زمان و ورود ترکیبات اسیدی به جریان روغن، این عدد افت خواهد کرد. نظارت بر روند این افت، از طریق آنالیز شیمیایی روغن ممکن است و بدین ترتیب، کارشناس نگهداری و تعمیرات قادر به پیش بینی روند کاهش عدد قلیایی روغن درون موتور یا ژنراتور خواهد بود. با رسیدن عدد قلیایی روغن موتور به 3 یا کمتر از آن، زمان تعویض روغن فرا رسیده و روغن ژنراتور یا موتور باید پس از توقف عملکرد بایستی تعویض شود. البته، روند این افت در عدد قلیایی در مورد موتور ها یا ژنراتور های دیزلی که از سیستم احتراق دو زمانه استفاده می کنند، کندتر و آهسته تر است که بیشتر به علت سرریز بیشتر در فواصل زمانی معین است که موجب استحکام بخشی مجدد جریان روغن یا Engine Oil Refortification خواهد شد. در این صورت، زمان تعویض را نمی توان تنها براساس عدد قلیایی یا BN تعیین کرد و باید از آنالیز عنصری نیز بهره برد.

اما، عدد قلیایی چرا در طول زمان افت می کند؟ این روند دلایل متعددی دارد که از مهمترین آنها می توان به کیفیت پایین سوخت (معمولا گوگرد بالا در سوخت های دیزلی یا اکتان پایین در بنزین ها) و اکسیداسیون تدریجی روغن اشاره کرد. طی فرآیند احتراق در موتور های درونسوز، سوختی که از کیفیت احتراق پایینی برخوردار باشد، موجب تولید ترکیبات سولفوردار و نیتروژن دار در محصولات احتراقی خواهد شد که در نهایت، تلفیق شیمیایی این محصولات با ترکیبات هیدراته (آب دار) و اکسیژنه (در حضور حرارت و فشار)، موجب تولید کامپاند های اسیدی قوی مانند اسید سولفوریک و اسید نیتریک خواهد شد که توسط جریان روغن جمع آوری شده و موجب اسیدی و خورنده شدن آن می گردند. به همین دلیل، ادتیو های حاوی کامپاند های قلیایی قوی به ساختار شیمیایی این تیپ از روغن ها معرفی می شوند تا حمله این کامپاند های اسیدی را خنثی کنند. اما، از آنجا که حضور این ترکیبات اسیدی همیشگی و گاه با شدت و ضعف همراه است، مقدار عدد قلیایی روغن به مرور زمان دچار افت خواهد شد. از سوی دیگر، واکنش دهی کامپاند های اسیدی و قلیایی موجب تشکیل نمک های معدنی خواهد شد که بمرور و در ترکیب با اسید های چرب روغن منجر به تشکیل لجن و وارنیش خواهد شد (شکل زیر را ببینید).

بنابراین، یکی از راه های میدانی پی بردن به میزان عمر باقی مانده روغن می تواند مشاهده میزان تشکیل لجن و وارنیش در مدار روغنرسانی موتور یا ژنراتور باشد.

در خصوص ارتباط بین عدد BN یک روغن موتوری نو و میزان عناصری چون سولفور (گوگرد) و ازت (نیتروژن) حاضر در ترکیب شیمیایی یک سوخت دیزلی و، در عین حال، عدد اکتان یک سوخت بنزینی یا عدد ستان یک سوخت دیزلی توسط نویسنده این پست تحقیقات مفصلی انجام شده است که در قالب مقاله ای در نشریه Tribology in Industry کشور صربستان بزودی انتشار خواهد یافت. هدف از این مقاله، پیشنهاد فرمولی ریاضی برای محاسبه TBN یک روغن نو موتوری با توجه به میزان غلظت گوگرد و نیتروژن، یا عدد اکتان یا ستان سوخت مصرفی در یک موتور درونسوز است.

تغییر رنگ روغن هیدرولیک و راهکاری برای آنالیز آن

با درود و احترام

هدف از این پست، پاسخ به پرسش مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ در خصوص کیفیت روغن های هیدرولیک است.

شرح سوال: چه عواملی باعث تغییر رنگ تدریجی روغن های هیدرولیک می گردد؟ آیا این تغییر رنگ خطرناک است؟

بسیاری از کارشناسان و تکنسین های تعمیرات و نگهداری در بخش های مختلف صنایع، اغلب وضعیت سلامت روغن های صنعتی تجهیزات خود را با وضعیت روغن موتور خودروی خود مقایسه می کنند! نتیجه چنین مقایسه ای این است که اگر مثلا روغن هیدرولیک یک تجهیز (مانند یک کمپرسور یا توربین) تیره شد، نشانه کثیف شدن جریان روغن و تغییر ویسکوزیته آن بوده و باید هرچه زودتر (فارغ از زمان کارکرد آن) تعویض شود.

خب! شاید لازم به توضیح نباشد که شرایط عملکردی و محیطی روغن هیدرولیک صنعتی کاملا با موتور های درونسوز متفاوت است. در همین راستا، تغییر رنگ روغن هیدرولیک نشانه بروز خطر هست، اما به معنی فرارسیدن تعویض آن نیست! آنچه که بیش از همه در این میان برای یک کارشناس آنالیز روغن اهمیت دارد، پی بردن به علت تغییر رنگ است.

از جمله شایعترین دلایل تغییر رنگ (یا به بیان بهتر: تیرگی) در روغن های هیدرولیک، اکسیداسیون و شوک حرارتی است که هیچ یک از این دو دلیل کافی برای تعویض روغن مدار هیدرولیک نیستند.

اولین گام در این راستا، اخذ نمونه از روغن مدار هیدرولیک و ارسال به آزمایشگاه بمنظور آنالیز خواص مکانیکی، فیزیکی، و شیمیایی است. تست هایی که در این مرحله باید از آزمایشگاه درخواست شود، به ترتیب، عبارتند از: ویسکوزیته دینامیک در حداقل چهار نقطه دمایی (مثلا 0، 20، 40، و 60 درجه سلسیوس)، عدد pH، عدد اسیدی یا AN، زمان آزاد سازی حباب های هوا، تمایل به تشکیل/پایداری فوم، آنالیز عناصر نیتروژن، اکسیژن، مس، آهن، آلومینیوم، سیلیسیم، سدیم، بور، کلسیم، و منیزیم.

با دریافت گزارش آزمون از آزمایشگاه معتمد، در صورتیکه سه آزمون عدد pH، عدد AN، و ویسکوزیته دینامیک کمتر از 10 درصد نسبت به مقادیر استاندارد (روغن نو) یا آزمون قبلی بدون تغییر مانده بودند، آنگاه فرضیه اکسیداسیون روغن هیدرولیک (مانند نفوذ هوا و میکرودیزلینگ) رنگ می بازد. آنالیز عناصر نیز نباید منجر به بروز رفتار هایی مانند Single Rise شدن نیتروژن و اکسیژن شده باشد. شکل 1 تاثیر هر یک از عوامل آنالیز را بر اکسیداسیون و تغییر رنگ روغن هیدرولیک نشان می دهد.

شکل 1: نمودار علت و معلول تاثیر عوامل مختلف بر تغییر رنگ و خواص روغن هیدرولیک

در عین حال، توصیه بر آن است که همزمان با آنالیز روغن هیدرولیک، طول مدار نیز با توسل به دوربین های ترموگرافی بازرسی شود تا نقاط تمرکز تنش حرارتی یا Hot Spots (در صورت وجود) شناسایی و نسبت به رفع عیب اقدام شود.

در کنار این اقدام، می توان بخش هایی از مدار را که تحت فشار شدید نبوده و سرعت روغن در آنها کم است (اعم از مخزن روغن هیدرولیک یا مخزن رزرو یا فیلتر و استرینر مدار) را بازرسی کرد. وجود لجن و آثار وارنیش در این بخش ها دلیل محکمی برای شوک حرارتی است.

اما، تعریف شوک حرارتی برای روغن های هیدرولیک مختلف، متفاوت است. بعنوان یک قاعده کلی و عمومی، احتمال وقوع واکنش های شیمیایی (که اکسیداسیون نیز زیرمجموعه آن است) بازای هر 10 درجه سلسیوس (یا 18 درجه فارنهایت) افزایش دما، دو برابر می شود. برای بیشتر روغن های هیدرولیک مینرال، کارکرد روغن در دما های بیش از 60 درجه سلسیوس توصیه نمی شود و بازای هر 5 درجه سلسیوس (یا 15 درجه فارنهایت) بالاتر از این نقطه دمایی، عمر روغن 50 درصد کمتر خواهد شد.

از سوی دیگر، می توان با اندازه گیری فشار مدار هیدرولیک نیز به نشانه های خطر پی برد. چراکه افزایش ویسکوزیته دینامیک روغن هیدرولیک مستقیما منجر به افزایش فشار در سیستم خواهد شد که نتیجه مستقیم آن افزایش اصطکاک و به تبع آن گرم شدن مدار هیدرولیک (بویژه در بخش های پرسرعت و پرفشار) خواهد شد. در همین راستا، افزایش فشار مدار، منجر به افزایش احتمال حضور حباب های هوای شناور در جریان روغن هیدرولیک خواهد شد که از یک سو پتانسیل اکسیداسیون (بیشتر از طریق مکانیزم میکرودیزلینگ) در جریان روغن را تقویت خواهد کرد و از سوی دیگر موجب مشکلاتی مانند قفل بخار در سیستم هیدرولیک خواهد شد.

نفوذ آلودگی های محیطی به مدار هیدرولیک نیز مزید بر علت تغییر رنگ روغن است. چرا که وجود ذرات جامد در ترکیب با روغن و (احتمالا) رطوبت، منجر به تشکیل لجن (هرچند در مقادیر اندک) در لاینینگ مدار خواهد شد. آنالیز عناصر موجود در نمونه روغن، شامل مس، سدیم، کلسیم، و منیزیم نشانه خوبی برای عوامل تشکیل لجن در مدار روغن است. عناصری مانند آهن، آلومینیوم، سیلیسیم، و بور نیز می تواند راهنمای خوبی برای اطلاع از حضور یا عدم حضور ذرات گرد و غبار و آلودگی های محیطی در جریان روغن هیدرولیک باشد.

در این خصوص، بهترین مکان ها برای نمونه گیری از روغن هیدرولیک در وهله اول، پس از پمپ و در وهله دوم، وسط مخزن اصلی یا رزرو هیدرولیک (و نه کف یا روی آن) است.

جایگزینی روغن هیدرولیک با روغن موتور. درست یا غلط؟

با درود و احترام

هدف از این پست، پاسخ به پرسش مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ و شرکت کننده در دوره سطح مقدماتی و متوسط آنالیز روغن ماشین آلات صنعتی در اراک است.

شرح سوال: آیا روغن های موتوری قابل استفاده بعنوان روغن هیدرولیک نیز هستند؟

همانگونه که قبلا طی پست های مختلفی در این وبلاگ بیان شده بود، استاندارد و طبقه بندی روغن هایی که عملکرد موتوری دارند براساس دو شاخص SAE (مانند SAE 10, SAE 20, SAE30 و...) یا API (مانند API SL, API CF، و...) است. اما، روغن هایی که از آنها عملکرد هیدرولیکی انتظار می رود، معمولا براساس استاندارد ISO تقسیم بندی و معرفی می شوند. مانند ISO VG 32, 46, 68، و... . از سوی دیگر، می توان براساس خواص شیمیایی و برخی مشخصات مکانیکی/فیزیکی (اعم از ویسکوزیته سینماتیک و دانسیته) می توان برخی گرید های روغن هیدرولیک را با انواع موتوری مقایسه کرد.

بعنوان مثال، در استاندارد DIN 51524، روغن های هیدرولیکی را می توان پیدا کرد که از نظر ساختار شیمیایی، حاوی ادتیو های بهبود دهنده عملکرد مکانیکی و برخی دیترجنت ها (با تاثیر مستقیم روی عدم تمایل روغن به تشکیل وارنیش و لجن) هستند که از این نظر با انواع موتوری کاملا قابل مقایسه محسوب می شوند.

اما، مشکل اینجاست که ساختار شیمیایی روغن های موتوری بشکلی است که آب را در خود حل کرده (مکانیزم آب محلول) و بعنوان حاملی برای ذرات آب (تا 600ppm) عمل کنند. اما، این مشخصه در مورد روغن های هیدرولیک بهیچوجه قابل پذیرش و تحمل نیست. چراکه حضور آب، هرچند در مقادیر اندک در جریان روغن های هیدرولیک موجب بروز مشکلاتی در لاین هیدرولیک، اعم از خوردگی و انسداد مسیر فیلتراسیون، یا کاویتاسیون پمپ (بسته به مکانیزم پمپ)، خواهد شد. البته، بسته به حساسیت تجهیز، می توان از روغن های چهارفصل موتوری (موسوم به Multi-grade) بجای روغن هیدرولیک استفاده کرد. به شرط آنکه حضور آب (که در آنالیز های مختلف نمونه روغن آشکار می شود) از 0.1 درصد حجمی کل جریان روغن حاضر در تجهیز فراتر نرود.

نکته آخر اینکه، روغن های موتوری بازه مشخصی از کیلومتراژ یا زمان تعویض را دارند. بهمین دلیل، گاه، در ساختار آنها از ادتیو های بهبود دهنده شاخص ویسکوزیته یا VI improvers استفاده می شود که از عمر کوتاه و مشخص (معمولا کمی بیشتر از بازه زمانی یا مسافتی تعویض) برخوردار بوده و بمرور زمان و با گذشت از موعد تعویض روغن دچار پدیده ای بنام Shear down شده و موجب تغییر ویسکوزیته سینماتیک اسمی و استاندارد در نقاط دمایی آزمون (check points) مانند 40 و 100 درجه سلسیوس خواهند شد. بدین ترتیب، از آنجا که روغن های هیدرولیک معمولا زمان تعویض بسیار بلندتری نسبت به روغن های موتوری دارند، در صورت استفاده از روغن موتوری بجای هیدرولیک، ویسکوزیته سینماتیک بمرور زمان دچار تغییر خواهد شد که این می تواند عملکرد تجهیز را بشدت تحت تاثیر قرار دهد.

عدد اسیدی، عدد قلیایی، و pH روغن

با درود و احترام

هدف از این پست، پاسخ به سوال مطرح شده از سوی یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ است. امید است که پاسخ حاضر که بسیار فراتر از دامنه سوال ارائه شده است، مورد توجه و استفاده آتی دیگران نیز قرار گیرد. چراکه مبحث بسیار گسترده بوده و در این پست که سعی بر آن است که اصول کار با تکیه بر دو اصل خلاصه سازی و گزیده گویی بیان شود.

شرح سوال: عدد اسیدی یا Acid Number که برای روانکار های صنعتی (Industrial Lubricants) معرفی می شود، چیست؟ و چطور اندازه گیری می شود؟

پاسخ به این سوال در قالب معرفی AN، pH، و در نهایت BN ارائه می شود.

معرفی شاخص های عددی اسیدی و بازی روغن (Acid & Base Numbers) به همراه عدد pH:

در بسیاری از منابع مهندسی، از میان شاخص های مختلفی که برای کیفیت رفتار روغن و آنالیز پیش بینانه آن در سیستم های روغنرسانی اهمیت بیشتری دارد، دو شاخص عدد اسیدی (یا به اختصار: AN) و pH روغن (و در بعضی موارد: عدد قلیایی یا به اختصار: BN) است. این دو شاخص در کنار یکدیگر، رفتار شیمیایی روغن در سراسر یک سیستم روغنرسانی را از حالت وصفی (Qualitative) به حالت کمّی (Quantitative) تبدیل می کنند. اما، گاه آنالیزور های کم تجربه یا کم اطلاع، دو موضوع pH و AN را (که خود زیر شاخه های مختلفی داشته و در ادامه تعریف خواهند شد) را با یکدیگر مقایسه کرده و اغلب دست به نتیجه گیری هایی می زنند که از واقعیت بسیار دور است.

آنالیز روغن در نگهداری و تعمیرات (سطح پیش بینانه)، سه عامل ادتیوزدایی، آلودگی، و اکسیداسیون را از جمله نشانه های تخریب ساختار شیمیایی روغن و تنزل کیفیت آن می داند. در این زمینه، تست تعیین شاخص عدد اسیدی یا AN یکی از راه های رایج در تعیین سطح ادتیوزدایی، و اکسیداسیون نمونه روغن از طریق تعیین میزان اسیدی شدن محیط آن است. هرچند، تست AN مستقیما روی تعیین شاخص اکسیداسیون روغن تاثیر ندارد و تنها به تشخیص آن کمک می کند. چرا که از طریق افزایش یا کاهش نقطه به نقطه محصولات جانبی اکسیداسیون در آنالیز روغن می توان به پیشرفت روند اکسیداسیون یا توقف آن پی برد. افزایش یا کاهش نقطه به نقطه، یکی از روش های آماری برای تعیین وضعیت تغییر شاخص های کیفی روغن است که مستلزم انجام آنالیز در فواصل زمانی منظم بوده و بدین ترتیب انجام می شود که مقدار جدید شاخص مورد اندازه گیری تقسیم بر مقدار قدیم آن (یک گزارش قبل) شده و حاصل تقسیم در عدد 100 ضرب می گردد. سپس، با تفریق (کم کردن) عدد حاصله (که برحسب درصد است و می توان در نرم افزار هایی مانند Microsoft Excel® فرمت آن Cell را بصورت درصدی یا Percentage درآورده و بدین ترتیب از ضرب 100 در عدد شاخص اجتناب کرد) از یک (1) می توان به درصد رشد یا کاهش آن شاخص رسید.

بعنوان مثال، یکی از شاخص های اندازه گیری شده در گزارش قبلی برابر 100 و همان شاخص در گزارش جدید برابر با 120 اندازه گیری و گزارش شده است. با تقسیم عدد جدید بر عدد قدیم و ضرب آن در 100 و کم کردن آن از 1 می توان دریافت که آن شاخص 20 درصد بصورت نقطه به نقطه رشد داشته است. برعکس، اگر شاخص جدید 100 بوده و شاخص قدیم 120 باشد، با همین روش می توان فهمید که رشد نقطه به نقطه آن -16.7% است.

بدین ترتیب، با توسل به تکنیک نمو نقطه به نقطه، می توان وضعیت تغییر شاخصی مانند AN را در طول زمان بدست آورده و تصویر نسبتا واضحی از وضعیت حضور ادتیو ها در ترکیب شیمیایی روغن بدست آورد (شکل 1 را ببینید). لازم به یادآوری مجدد است که روش نقطه به نقطه زمانی مفید است که اندازه گیری و آنالیز شاخص های کیفی روغن در فواصل زمانی منظم انجام شود.

شکل 1: نمونه ای از تفسیر گزارش آنالیز آزمایشگاه که به نمودار تجمعی (Cumulative Graph) معروف است. به رشد AN در برابر کاهش ادتیو ها توجه کنید

با به هم پیوستن شاخص های نقطه به نقطه (Point-to-Point)، می توان نموداری رسم کرد که هر رفتار ریاضی آن شاخص را نشان می دهد. این نمودار به نمودار نمو یا Graph of Development معروف بوده و نمونه از آن در شکل 1 نشان داده شده است. فایده این نمودار آن است که با توسل به تکنیک هایی مانند Curve Fitting می توان تابع یا ضابطه ریاضی که این نمودار براساس آن نمو می کند را بدست آورده و به تصویری روشن از رفتار آن شاخص گزارش های بعدی دست یافت که در آنالیز خرابی پیش بینانه (Proactive Failure Analysis) کاربرد وسیعی دارد.

هدف از اندازه گیری AN چیست؟

عدد اسیدی یا AN شاخصی از غلظت اسید در یک محلول غیرهیدراته است. از آنجا که روغن یک محیط غیر هیدارته (بدون حضور آب یا ترکیبات آبدار) به شمار می رود، بنابراین، توسعه حضور ترکیبات اسیددار نمی تواند علامت خوبی باشد. معیار تعیین مقدار AN نیز حضور هیدروکسید پتاسیم (KOH) در ترکیب نمونه روغن است. چراکه این باز (قلیا) عامل بازدارنده خوبی برای خنثی سازی حضور ترکیبات اسیدی در یک گرم از محلول روغن است. بدین ترتیب، واحد اندازه گیری AN بصورت میلی گرم از هیدروکسید پتاسیم در یک گرم از روغن یا mg KOH/g در خواهد آمد. توجه به این نکته لازم است که شاخص AN نباید با غلظت مطلق اسید در محلول (همان نمونه روغن) اشتباه شود. چراکه AN نشان دهنده حضور همه ترکیبات اسیدی غیر ارگانیک، هم ضعیف و هم قوی، در ترکیب شیمیایی نمونه روغن است. بدین ترتیب، و از آنجا که تغییر (افزایش یا کاهش) غلظت حضور ترکیبات اسیدی غیر ارگانیک در یک محلول دلایل متعدد و بسیار متنوعی دارد، نمی توان تغییرات AN را به غلظت مطلق اسید ارتباط داد. این اشتباهی است که بسیار از تفسیرگران گزارش های آنالیز روغن مرتکب می شوند.

اما، بطور کلی، می توان این نتیجه را گرفت که افزایش یا کاهش AN نشان دهنده خورنده بودن نمونه روغن و مضر بودن آن برای برخی قطعات و آلیاژ ها است. از جمله دلایل عمومی افزایش AN (مواردی که تاثیر مستقیم بر مقدار آن دارند)، می توان به تغییر در حضور ترکیبات اسیدی، نمونه روغن اشتباه، انحلال تدریجی ادتیو های قلیایی، و تقویت حضور محصولات جانبی اکسیداسیون اشاره کرد. با انجام آزمون تعیین AN می توان تقریبا حدس زد که چه نوع اسید ها یا ترکیبات اسیدی در نمونه روغن حضور دارند. جدول 1 را ببینید.

جدول 1: انواع اسید های قابل شناسایی با آزمون های تعیین AN

افزایش AN، اما، همیشه به معنای اسیدی شدن و تمایل به خورندگی جریان روغن نیست! چراکه برخی از ادتیو ها طبیعت اسیدی ضعیف داشته و موجبات افزایشی اندک (یا گاه قابل توجه) در AN روغن نو را باعث می شوند. چنین رفتاری در آنالیز، اما، بیشتر پس از سرریز روغن دیده می شود و ممکن است آنالیزور را به اشتباه بیاندازد. در چنین مواردی، خیز AN می تواند شک برانگیز باشد و برای روشن شدن قضیه باید منتظر نمونه برداری های بعدی در دوره های آتی آنالیز بود. چراکه با این تیپ از ادتیو ها با گذشت زمان و کارکرد روغن از ترکیب شیمیایی روغن کنار رفته و شاخص AN را پایینتر خواهند آورد. در تجهیزاتی که عمل سرریز بصورت متناوب و در دوره های زمانی یا مسافتی مشخص انجام شود، می توان با انجام Numerical Trending، رفتار منظم AN بصورت تابعی از زمان یا مسافت را بدست آورده و در آنالیز های بعدی، این تابع را سرمشق رفتار اسیدی روغن قرار داد.

در همین راستا، و به جهت معرفی اهمیت نقش عدد اسیدی در تخمین عمر روغن و تعیین سرویس های لازم، محدودیات تغییر عدد اسیدی روغن های توربینی را بررسی می کنیم:

محدوده تغییرات عدد اسیدی برای روغن های روانکار توربینی مانند Shell Aeroshell 500 در تعیین سرویس های لازم برای توربین هایی که از این تیپ روغن استفاده می کنند، بسیار مهم است. از این رو، افزایش 0.1~0.2 mg KOH/g برای روغن توربینی که بیش از 3000 ساعت در سرویس بوده است، به معنای هشدار جدی بوده و لزوم تعویض روغن توربین را مشخص می کند. در همین راستا، افزایش 0.3~0.4 mg KOH/g در مقدار AN به معنای رسیدن روغن توربین به پایان دوره کار خود بوده و لازم است روغن توربین بلافاصله عوض شود. در عین حال، می توان برای سایر مشخصات کیفی روغن های توربینی به استاندارد ASTM D4378 مراجعه کرد.

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

انواع عدد اسیدی یا AN

شاخص عدد اسیدی، بطور کلی، به سه حالت تقسیم می گردد که هر یک کاربرد های خود را بسته به نوع روغن، نوع تجهیز، و نوع آنالیز دارد. این سه دسته عبارتند از

-TAN (Total Acid Number): عدد اسیدی کل که شاخصی از رشد تمایل اسیدی عمومی در نمونه روغن بوده و بیشتر در مورد روغن های چرخدنده، روغن های توربینی، و روغن کمپرسور کاربرد دارد. این شاخص عمومی ترین حالت از شاخص عددی رفتار اسیدی روغن بوده و تصویری بسیار کلی از تمایل روغن به خورندگی اسیدی را نشان می دهد. به همین دلیل، حداقل در مورد امریکای شمالی و ژاپن، اخیرا از این شاخص استفاده کمتری می شود. چراکه TAN رفتار اسیدی روغن بصورت تجمعی را نشان می دهد و تجمع یا غلظت اسید های ضعیف یا قوی در ساختار شیمیایی نمونه روغن را مشخص نمی کند. بطور خلاصه، TAN بیانگر غلظت اسیدی نمونه روغن است و قدرت اسید را مشخص نمی کند.

-AN (Acid Number): عدد اسیدی که شاخصی برای غلظت اسید های ضعیف در نمونه روغن بوده و در برخی از منابع مهندسی با عنوان WAN (Weak Acid Number) نیز معرفی شده است. این شاخص می تواند معیاری قابل اعتماد برای حضور ترکیبات اسیدی ارگانیک و ضعیف در ساختار نمونه روغن، اعم از اسید کربنیک، اسید بنزوییک، اسید لاکتیک، اسید فورمیک، اسید استیک، و...، باشد.

-SAN (Strong Acid Number): عدد اسیدی که شاخصی برای حضور ترکیبات اسیدی قوی مینرال (معدنی) در نمونه روغن بوده و با توسل به آن می توان به حضور اسید هایی مانند اسید سولفوریک، اسید نیتریک، اسید فسفریک، اسید کلریدریک، اسید بوریک، اسید هیدروبرومیک، و... در سیستم روغنرسانی شک کرد.

تفاوت AN و pH:

گاه، کاربرد دو شاخص عدد اسیدی و pH با یکدیگر اشتباه گرفته شده و برخی آنالیزور ها هستند که صرف وجود pH یا AN را در گزارش آنالیز روغن را کافی می دانند. اما، نکته اینجا است که این دو شاخص، گرچه هر دو یک هدف دارند، ولی هر یک از منظری متفاوت را در اختیار آنالیزور قرار داده و به نوعی، لازم و ملزوم یکدیگرند. آزمون pH، در واقع، عدد pH ظاهری یک محلول شیمیایی (در اینجا: روغن) را نشان می دهد که خود مقیاسی برای پتانسیل خورندگی یک محلول (روغن) است. اما، با آزمون pH، چیزی درباره غلظت و نوع اسید ها یا باز های حاضر در ترکیب شیمیایی نمونه روغن دستگیر آنالیزور نمی شود. در حقیقت، این آزمون در مواقعی مناسب و کارآمد است که حساسیت ادوات در تماس با جریان روغن به خورندگی آن بالا بوده و در عین حال، احتمال آلودگی جریان روغن به ترکیبات اسیددار نیز بالا باشد.

با این اوصاف، آزمون pH مقدمه و پیش زمینه ای مناسب برای انواع آزمون های AN (یا BN) است.

از دیگر سو، شاخص های AN و BN، به ترتیب، بیانگر شدت و ضعف حضور ترکیبات اسیدی یا قلیایی در ترکیب شیمیایی نمونه روغن هستند. توجه به این نکته لازم است که ترکیبات اسیدی و قلیایی می توانند همزمان در ساختار شیمیایی روغن وجود داشته باشند که این بدلیل رفتار شیمیایی برخی از ادتیو های آمفوتریک است و این بدان معنا است که این دسته از ادتیو ها می توانند، بنا به اقتضا، رفتاری اسیدی یا قلیایی از خود نشان دهند.

پس، تا اینجای کار، آنالیزور می تواند با استناد به گزارش آنالیز نمونه روغن، حاوی pH و AN (یا BN)، به پتانسیل خورندگی نمونه روغن پی ببرد. اما، اشکالی که در اینجا پیش می آید آن است که نه pH و نه شاخص های AN یا BN نوع و قدرت اسید ها یا باز های حاضر در روغن را مشخص نمی کنند. اما، نکته مثبت قضیه اینجا است که شاخص AN معیار بهتری برای نظارت بر حضور ترکیبات اسیدی ضعیف نسبت به pH است. چراکه این دسته از اسید ها معمولا در آب نامحلولند.

روش های استاندارد اندازه گیری AN

جدول 2 فهرستی از استاندارد های ASTM مربوط به روش آزمون اندازه گیری شاخص عدد اسیدی AN را نشان می دهد. در استفاده از این جدول باید دقت شود که هر آزمون با هدف خاصی طراحی شده و کاربرد خود را دارد. اما، در میان روش های تست استاندارد معرفی شده در جدول 2، استاندارد های ASTM D664 و ASTM D974 بیشترین کاربرد و رواج را در بین آنالیزور های انواع روغن دارند. روش های تست ASTM D1534 و ASTM D3339، به نوعی مشابه ASTM D974 به شمار می روند، اما اهداف و دامنه کاربرد آنها محدودتر و خاص است.

جدول 2: انواع روش های آزمون شاخص AN

همانگونه که در جدول 2 نیز مشخص شده است، آزمون AN به روش تیتراسیون انجام می شود که خود به دو حالت پتانسیومتریک و کالوریمتریک قابل تقسیم است. روش پتانسیومتری مستلزم استفاده از یک پتانسیومتر بمنظور تشخیص شدت حضور ترکیبات اسیدی و تبدیل آنها به یک سیگنال الکتریکی است.

روش کالوریمتریک، در عوض، از ترکیب پارانافتول-بنزن استفاده می کند که نسبت به تغییرات pH حساس است. بطوریکه با خنثی نشدن اثر ترکیبات اسیدی توسط هیدروکسید پتاسیم، رنگ معرف از نارنجی به سبز-آبی تغییر می یابد که این خود نشانه ای رنگی برای شدت حضور اسید ها است.

روش آزمون تعریف شده در استاندارد ASTM D664 از پتانسیومتر بمنظور اندازه گیری AN و SAN استفاده می شود. آماده سازی نمونه بمنظور انجام این آزمون با انحلال مخلوطی از تولوئن، ایزوپروپیل الکل، و آب در نمونه روغن انجام شده و با تیتر کردن هیدروکسید پتاسیوم در این محلول با استفاده از یک بورت ادامه می یابد. در همین حال، خروجی پتانسیومتر حین تیتراسیون مانیتور می شود. در صورتیکه در بین دو نقطه اندازه گیری منحنی پتانسیومتر تغییر شدید (شامل عطف، انحنا، و...) مشاهده نشود، پتانسیل خوانده شده از ظرف حاوی محلول بعنوان عدد AN شناخته می شود و در غیر اینصورت، تفاضل دو نقطه انتهایی محدوده اندازه گیری بیانگر AN خواهد بود. نمونه هایی از این نمودار ها و نقاط انحنای آنها در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2: نمونه ای از منحنی های تیتراسیون (منبع: ASTM D664-2011a)

در نمودار شکل 2، چهار منحنی دیده می شود: منحنی A، B، C، و منحنی D.

منحنی A خروجی پتانسیومتر ناشی از تیتراسیون حجمی 125 میلی لیتری از حلال های فوق الذکر (بدون روغن) را نشان می دهد.

منحنی B حاصل تیتراسیون 10 گرم از روغن موتور با محلول 125 میلی لیتری بوده و از آنجا که هیچ نقطه عطفی (یا به بیان بهتر: هیچ تغییر شکل شدیدی) در منحنی دیده نمی شود، مقدار AN شامل تفاضل دو نقطه ابتدا و انتهای منحنی خواهد بود.

منحنی C حاصل از تیتراسیون 10 گرم از روغن حاوی اسید های ضعیف با محلول استاندارد 125 میلی لیتری بوده و نقطه انتهایی منحنی بعنوان AN انتخاب شده است. چراکه انتهای منحنی دچار تغییر مسیر شدید شده و تقریبا عمودی شده است.

منحنی D، در آخر، حاصل از تیتراسیون 10 گرم از روغن حاوی اسید های قوی با محلول استاندارد 125 میلی لیتری بوده و دو نقطه (یکی در ابتدا و یکی در انتهای منحنی) بعنوان نقاط اندازه گیری انتخاب شده اند. چراکه در این نقاط، مسیر منحنی بشدت تغییر کرده و تقریبا عمودی شده است.

در سوی دیگر، استاندارد ASTM D974 روش دیگری بمنظور اندازه گیری AN را مشخص و تعریف می کند که شامل استفاده از تغییرات رنگی بجای پتانسیل الکتریکی بمنظور نشان دادن نقطه شاخص برای AN است. در این روش، روغن در محلولی مرکب از تولوئن، پی-نفتول بنزن، ایزوپروپیل الکل، و آب حل شده و با KOH تیتر می شود. حین این تیتراسیون، تغییرات رنگ محلول تیتره مانیتور می شود. این تست بیشتر روی روغن نو و روغن هایی که زیاد تیره نباشند، کاربرد دارد.

روش تست دیگر، استاندارد ASTM D1534 قرار دارد که از نظر استفاده از شاخص رنگی با ASTM D974 مشابه است. اما، این آزمون بیشتر در مورد روغن های عایق الکتریکی (روغن ترانسفورماتور) که ویسکوزیته سینماتیک آنها در 40°C از 24 سانتی استوک فراتر نمی رود، معتبر است. در همین راستا، محدوده اندازه گیری AN با این روش به 0.05~0.5 mgKOH/g محدود می شود.

آخرین روش تستی که در این پست مورد بررسی قرار می گیرد، روش تست تعریف شده در استاندارد ASTM D3339 است که از نظر روال کار با ASTM D974 مشابهت دارد. اما، با این تفاوت که این روش تست به نمونه بسیار کمتری احتیاج دارد. بطوریکه روش های تست قبلی به نمونه ای حداقل 20 گرمی نیاز دارند. حال آنکه آزمون AN به روش ASTM D3339 به بیش از 2 گرم نمونه نیاز ندارد.

روش های ترکیبی و اصلاح شده اندازه گیری AN

روش های اندازه گیری AN که در فوق معرفی شدند (در اینجا، بیشتر روی سخن با ASTM D664 و ASTM D974 است) از جمله رایجترین روش های تست و گزارش AN در اغلب صنایع هستند. اما، این دو روش که بر اساس تیتراسیون بنا شده و اغلب از محدوده تکرار پذیری (Repeatability) و تجدید پذیری (Reproducibility) وسیعی برخوردارند (جداول 3 و 4 را ببینید)، به نقل و انتقال حجم بالایی از نمونه نیاز داشته و این اغلب موجب اشتباهاتی در گزارش دهی (اغلب در اثر اشتباه در فرآیند نقل و انتقال نمونه) می شوند. از دیگر سو، این تست ها گران بوده و اغلب بسیار کند هستند. بطوریکه گاه تا رسیدن جواب آزمایش قبلی، به آزمون جدیدی (با توجه به شرایط و وضعیت تجهیز) نیاز است! همین محدوده باز تکرار پذیری تجدید پذیری این آزمون ها است که موجب آن می شود که نتایج اندازه گیری AN از یک آزمایشگاه تا لابراتوار دیگر متفاوت باشد!

جدول 3: حد تکرار پذیری استاندارد ASTM D974

جدول 4: حد تجدید پذیری استاندارد ASTM D974

به دلایل فوق، استفاده از روش های استاندارد اندازه گیری AN (و BN) توسط بسیاری از آنالیزور های روغن محدود شده و نمی تواند بعنوان یک تست روتین در برنامه CM گنجانده شود. به منظور رفع این مشکل، روش های تست AN براساس ترکیبی از دو روش PLS-FTIR (مخفف: Partial Least Square & Fourier Transform Infra-Red) یا Stoichiometric-FTIR توسعه یافته اند که دقت بهتری نسبت به روش های استاندارد دارند. چراکه در این روش ها، مقدار AN یا BN با توسل به اندازه گیری مستقیم طیف روغن رقیق نشده با حلال تخمین زده می شود. جدول 5 مقایسه ای از چند روش را ارائه می دهد.

جدول 5: مقایسه ای از روش های اندازه گیری AN

بطور کلی، روش FTIR روشی مبتنی بر طیف نگاری کمّی (Quantitative) است که براساس استاندارد ASTM D7418 انجام شده و یکی از مناسبترین، سریعترین، و ارزانترین راه ها بمنظور ثبت و پیگیری تغییرات حاصله در بسیاری از پارامتر های عملکردی روغن، اعم از رطوبت، گلیکول، دوده، اکسیداسیون، ادتیو های آنتی اکسیدان، و ضد سایش (Anti-Wear) به شمار می رود. این روش دارای آپشن های مختلفی برای کالیبراسیون است که در جدول 6 خلاصه ای از آنها را می بینید.

جدول 6: انواع روش های کالیبراسیون آزمون AN و BN با توسل به FTIR

شکل 3: نمونه ای از تجهیزات آزمایشگاهی اندازه گیری AN و BN براساس روش FTIR

جداول 7 و 8، به ترتیب، مقایسه ای از برخی پارامتر های عملکردی آزمون تعیین AN نمونه روغن را براساس دو روش استاندارد ASTM و FTIR، و شاخص تجدید پذیری این دو روش آزمون را برای عدد اسیدی (AN) نشان می دهند.

جدول 7: مقایسه ای از برخی پارامتر های عملکردی آزمون AN روغن در دو روش ASTM و FTIR

جدول 8: مقایسه ای از تجدید پذیری آزمون AN به دو روش ASTM و FTIR

همین داستان، در مورد عدد قلیایی یا BN (Base Number) نمونه روغن نیز تکرار می شود. البته، باید دانست که عدد قلیایی روغن بیشتر در مورد روغن های موتور کاربرد دارد. چراکه وجود سولفور (گوگرد) در سوخت های بنزین، گازوییل، و... و جذب آن به جریان روغن (پس از احتراق) می تواند منجر به اسیدی شدن جریان روغن شود. اما، در این خصوص، انواع ادتیو های ضد اسیدی در ساختار این تیپ از روغن ها وجود دارد. لذا، در مورد روغن های موتوری بیشتر مهم است که عدد قلیایی روغن (BN) اندازه گیری شود تا عدد اسیدی (AN). روش های اندازه گیری عدد قلیایی روغن در جدول 9 فهرست شده است. جدول 10 نیز شامل

جدول 9: جدول 5: مقایسه ای از روش های اندازه گیری BN

جداول 10 و 11 نیز، به ترتیب، مقایسه ای از برخی پارامتر های عملکردی آزمون تعیین BN نمونه روغن را براساس دو روش استاندارد ASTM و FTIR، و شاخص تجدید پذیری این دو روش آزمون را برای عدد قلیایی (BN) نشان می دهند.

جدول 10: مقایسه ای از برخی پارامتر های عملکردی آزمون BN روغن در دو روش ASTM و FTIR

جدول 11: مقایسه ای از تجدید پذیری آزمون BN به دو روش ASTM و FTIR