نحوه تولید روغن پایه مینرال

با درود بیکران بر تمامی مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی

موضوع این پست به نحوه تولید و پالایش روغن های پایه مینرال از نفت خام اختصاص دارد. قبلا در پستی با عنوان «انواع روغن های پایه» در همین وبلاگ، شرح مختصری بر انواع روغن های پایه و ترکیبات و دسته بندی آنها براساس استاندارد API 1509 ارائه شده است. در آن پست، روغن های پایه به پنج گروه تقسیم شده بودند که سه گروه اول آنها را روغن های مینرال تشکیل می دادند. در این پست، قصد بر آن است که فرآیند پالایش و نحوه تولید این سه گروه از روغن های پایه از نفت خام را مورد بررسی قرار دهیم.

بیش از 95 درصد روغن های موجود در بازار جهانی از روغن های پایه مینرال تشکیل شده اند. اکثر ما می دانیم که این روغن ها حاصل فرآوری و پالایش نفت خام هستند. اما، بیشتر ما از جزییات این فرآوری و پالایش ناآگاهیم. نفت خامی که از چاه بیرون کشیده می شود، پس از پالایش و تبدیل به روغن، به شکل های گوناگونی در زندگی روزمره دیده می شود: از روغن های سنگین و تیره با زنجیره های هیدروکربنی بلند گرفته تا روغن هایی به رنگ های روشن و سبک با زنجیره های هیدروکربنی کوتاه و برش خورده که براحتی جاری می شوند. نفت خام، در واقع، ملغمه ای از ترکیبات حاوی هیدروژن و کربن است. این ترکیبات، بعضا، پیچیده و بسیار متفاوت از هم که اصطلاحا هیدروکربن نامیده می شوند، از نظر پیچیدگی ساختاری می توانند از متان (متشکل از یک اتم کربن و چهار اتم هیدروژن) تا ساختار های بسیار پیچیده ای متشکل از 60 (یا بیشتر) اتم کربن در ترکیب نفت خام حضور داشته باشند (بعنوان مقایسه، ساختار بیشتر روغن های مینرال از 20 تا 40 اتم کربن تشکیل شده است). بدین ترتیب، و بمنظور استحصال سیستم شیمیایی یکنواخت تری که بعنوان روغن صنعتی مینرال شناخته می شود، نفت خام را باید به پالایشگاه فرستاد. پالایشگاه، نفت خام را بعنوان ماده اولیه ای تحویل می گیرد که در ساختار آن ترکیبات بسیار متفاوتی وجود دارد و از این رو می توان مواد بسیار متفاوتی را از آن استخراج کرد. از بنزین گرفته تا تا قیر. در این میان، ترکیبات شیمیایی که ملکول های پیچیده و سنگین تری داشته باشند، برای تولید روغن جداسازی شده و ترکیباتی که از ملکول های ساده تر و سبکتری تشکیل شده باشند، برای تولید بنزین، نفت سفید، و... بکار خواهند رفت.

کاری که پالایشگاه می کند، بزبان ساده، عبارتست از مرتب کردن این ترکیبات شیمیایی براساس اندازه، وزن ملکولی، و پیچیدگی ساختاری، و سپس فیلتر کردن ناخالصی های ذاتی و طبیعی همراه این ترکیبات.

این عمل مستلزم گذراندن مراحلی فرآیندی روی نفت خام است که شامل نمک زدایی، حرارت دهی بمنظور تبخیر موضعی، و در نهایت، ورود به برج تقطیر است. این برج در فشاری کمی بالاتر از فشار عادی اتمسفر کار کرده و هدف از آن جداسازی هیدروکربن های مختلف براساس نقطه جوش آنها (بعنوان مهمترین مشخصه فیزیکی مرتبط با پیچیدگی زنجیره ملکولی هر ترکیب شیمیایی) است. باز هم به زبان ساده، شرح کار در برج تقطیر بدین صورت است که گرما از پایین این برج به محتویات داخل آن وارد شده و موجب تبخیر هیدروکربن های درون آن می شود. با حرکت این بخارات به سمت بالای برج، به تدریج و در اثر تبرید و چگالش طبیعی این بخارات، هر یک از بخش های این مخلوط با توجه به نقطه جوش و سایر خواص فیزیکی متفاوت خود، در بخش جداگانه ای از برج به حالت مایع باز می گردند. بدین ترتیب، در هر یک از طبقات برج تقطیر، مایعی داریم که خواص متفاوتی از سایر طبقات داشته و می تواند از هر یک از بخش های برج استخراج شود. بدین صورت که هیدروکربن های سبکی مانند بنزین که از 5 تا 10 اتم کربن تشکیل شده اند در طبقات فوقانی برج ساکن شده و هیدروکربن هایی متوسطی مانند نفت سفید و بنزین هواپیما که از 11 تا 13 اتم کربن در ساختار خود برخوردارند در طبقات ماقبل فوقانی برج توقف کرده و طبقات پایینتر از آنها هیدروکربن های سنگین تری را در خود جای می دهند که بین 14 تا 25 اتم کربن را در خود جای داده و محصولاتی مانند گازوییل و مازوت از آن جمله اند. طبقات پایینتر از این مورد نظر این پست است! بمنظور قرار گیری در این طبقات از برج تقطیر به داشتن حداقل 26 تا 40 اتم کربن در زنجیره ملکولی هیدروکربنیک نیاز بوده و مایعاتی که در این طبقات جای می گیرند، به تولید انواع روغن های صنعتی اختصاص دارند. طبقات پایینتر، پیچیده ترین ساختار های شیمیایی و طویلترین زنجیره های ملکولی هیدروکربنی را با بیش از 40 اتم کربن در خود جای می دهند که از جمله بارزترین مثال این بخش از برج تقطیر می توان به انواع قیر و محصولات آسفالتیک اشاره کرد.

شکل 1: نمای شماتیکی از برج تقطیر و محتویات طبقات مختلف آن

فرآیند تقطیر پایان راه نیست (!) و بمنظور استحصال کیفیت تجاری روغن های پایه، باید آنها را پس از خروج از برج تقطیر در معرض فرآیند های تکمیلی قرار داد تا خواص تجاری مناسبی به این روغن های پایه افزوده شود؛ مانند مقاومت به پیرسازی در هوا (اکسیداسیون)، یا تمایل به حفظ ویسکوزیته دینامیک در یک بازه خاص دمایی. وصول این امر از دو طریق ممکن است:

الف) روش اول بر فرآیند جداسازی شیمیایی (Extraction Process) تاکید دارد که طی آن دو نوع محصول تولید می شود که شامل روغن پایه (مطلوب نظر) و محصولات جانبی (نامطلوب) است؛ و

ب) روش دوم که اخیرا محبوبیت و رواج بیشتری یافته است، چیزی نیست جز یک فرآیند استحاله شیمیایی (Conversion Process) که طی آن ساختار های ملکولی نامطلوبی که بالاتر اشاره شد با توسل به هیدروژن، حرارت، و فشار به ساختار های شیمیایی مطلوب تبدیل می شوند.

در ذیل به شرح این دو مجموعه فرآیندی پرداخته ایم:

1. مجموعه فرآیند های استحصال روغن پایه از طریق جداسازی شیمیایی (Extraction Process):

گفتیم که بمنظور استحصال روغن پایه از نفت خام، فرآیند تقطیر مورد استفاده قرار می گیرد. اما، تقطیر منجر به تولید یک محصول تجاری و قابل عرضه به بازار نمی شود! از این رو، بمنظور تکمیل محصول و دستیابی به سطح قابل قبولی از کیفیت، روغن پایه بعنوان محصول نیمه آماده باید فرآیند های دیگری را در روش جداسازی شیمیایی نیز بگذراند. زنجیره ای ساده شده از این فرآیند ها در شکل 2 نشان داده شده است. این زنجیره فرآیندی را اصطلاحا با عنوان مجموعه فرآیند های استحصال روغن پایه به روش جداسازی شیمیایی می شناسند.

شکل 2: نمای ساده شده ای از زنجیره فرآیندی موسوم به جداسازی شیمیایی

این مجموعه فرآیندی که بین دو ایستگاه فرآیندی تولید روغن پایه از نفت خام، یعنی تقطیر و محصول نهایی، قرار دارند عبارتند از:

1.1 آسفالت زدایی (Deasphalting): هدف از این فرآیند جداسازی بقایای آسفالت های پروپانی از ساختار شیمیایی روغن خروجی از فرآیند تقطیر است که به پایینترین طبقات برج تقطیر تعلق داشته و از بیشترین دانسیته و پیچیده ترین زنجیره های ملکولی برخوردار بوده و بیشتر بعنوان ناخالصی شیمیایی در ساختار روغن پایه شناخته می شوند. فرآیند آسفالت زدایی منجر به جداسازی دو گروه ماده از روغن پایه می شود: قطران و کامپاند هایی با ساختار شیمیایی و خواص فیزیکی بسیار شبیه به روغن پایه، اما با نقطه جوشی اغلب بالاتر از آن. تکلیف قطران که معلوم است! اما، کامپاند هایی که گفته شد دوباره با روش هایی که در بالا گفته شد پالایش شده و بعنوان محصولات روانکاری سنگینتر و برخی از ادتیو ها به بازار عرضه می شوند.

1.2 حلال زدایی (Solvent Extraction): هدف از این فرآیند تصفیه کلیه ترکیبات آروماتیک و سایر حلال های مضر از ترکیب روغن نیمه آماده با توسل به روش استخراج فاز مایع است. حلال هایی که معمولا در این مرحله از ترکیب روغن جدا می شوند حاوی فنول، فورفورال، و دی اکسید سولفور می باشند. در انتهای این فرآیند، دو محصول وجود دارد: یکی، روغن پایه ای است که در واقع چیزی جز یک رافینیت نیست و در ادبیات پالایشگاهی با عنوان آشناتر «روغن خنثی» شناخته می شود. محصول دیگر نیز شامل محلولی غلیظ از ترکیبات آروماتیک است که در تولید گازوییل و برخی دیگر از انواع ادتیو های سوخت کاربرد وسیعی دارد.

1.3 واکس زدایی (Dewaxing): روغن خنثی پس از حلال زدایی و بمنظور بهبود توانایی روانی در دما های پایین باید از وجود ترکیبات واکسی پارافینیک نیز زدوده شود. واکس زدایی، مجددا، منجر به تولید دو محصول می گردد: توده ای از واکس پارافینیک بعنوان محصول جانبی این فرآیند که کاربرد های خاص خود را در صنایع پزشکی، اسباب بازی، شمع سازی، لوازم خانگی، و صنایع غذایی داشته و روغنی بدون واکس که مخلوطی از پارافین ها، نفتِن ها، و برخی ترکیبات آروماتیک است. این روغن پایه اکنون می تواند برای تولید بسیاری از روغن های صنعتی بعنوان روغن پایه بکار رود. اما، برخی روغنساز ها، بمنظور دستیابی به کیفیت بالاتر در برخی از محصولات خود، سفارش یک فرآیند تکمیلی دیگر را نیز علاوه بر این زنجیره فرآیندی می دهند. این حلقه تکمیلی را اصطلاحا فینیشینگ یا هیدروفینیشینگ می نامند.

1.4 هیدروفینیشینگ (Hydro-finishing): هدف از این فرآیند، ایجاد تغییر و یکنواخت سازی رفتار کامپاند های قطبی حاضر در ترکیب روغن پایه با توسل به زنجیره ای از واکنش های شیمیایی با استفاده از اتم هیدروژن و البته چاشنی حرارت و فشار است. روغن پایه ای که این فرآیند را از سر می گذراند، ظاهری شفافتر و رفتار شیمیایی پایدارتری خواهد داشت. کیفیت روغنی که از این فرآیند بدست می آید به پیچیدگی هیدروفینیشینگ، سطح فناوری بکار رفته در طراحی این فرآیند، و کیفیت توزیع و اعمال حرارت و فشاری است که به روغن پایه طی این فرآیند وارد می شود.

2. مجموعه فرآیند های استحصال روغن پایه از طریق استحاله شیمیایی (Conversion Process):

این روش اخیرا مورد توجه شرکت های پیشرو در حوزه تولید روغن های پایه قرار گرفته و شامل زنجیره ای متفاوت از ایستگاه های فرآیندی نسبت به روش جداسازی شیمیایی است. نمایی ساده شده از این زنجیره در شکل 3 نشان داده شده است. این زنجیره فرآیندی را اصطلاحا با عنوان مجموعه فرآیند های استحصال روغن پایه به روش استحاله شیمیایی می شناسند.

شکل 3: نمای ساده شده ای از زنجیره فرآیندی موسوم به استحاله شیمیایی

این روش که مجموعه ای از فرآیند های بین دو ایستگاه فرآیندی تولید روغن پایه از نفت خام، یعنی تقطیر و محصول نهایی، را تشکیل می دهد عبارتست از:

2.1 شکست هیدروژنی (Hydro-Cracking): هدف از این فرآیند پالایشی، شکستن پیوند های شیمیایی حاضر در ترکیب روغن تقطیر شده از نفت خام است. برای این منظور از کاتالیسیتی با دمای 420 درجه سلسیوس و فشار 3000 پی اس آی می باشند. طی این فرآیند، حلقه های نفتن و آروماتیک شکسته شده و کامپاند های شیمیایی حاصله با استفاده از اتم های آزاد هیدروژن مجددا به یکدیگر پیوسته و تشکیل یک ساختار ایزوپارافینیک می دهند. بدین ترتیب، روغن از ساختاری یکدست برخوردار شده و در عین حال، ترکیبات نامطلوبی مانند آب، آمونیا، و سولفید هیدروژن نیز از ساختار آن زدوده می شوند.

2.2 واکس زدایی هیدروژنی (Hydro-dewaxing): مانند شکست هیدورژنی، واکس زدایی هیدروژنی نیز سعی در تبدیل کامپاند های واکسی پارافینیک به ساختار های ایزوپارافینیک با توسل به اعمال فشار و حرارت طی عبور از یک کاتالیست است. بدین ترتیب، ساختار شیمیایی روغن پایه نفتی که تا این مرحله از پالایش را از سر گذرانده است، یکنواختی بیشتری خواهد یافت. شکل 4 نمای شماتیکی از پیچیدگی ساختاری نفتن ها و آروماتیک ها را در برابر ساختار های پارافینیک و ایزوپارافین نشان می دهد.

شکل 4: نمای شماتیکی از ساختارهای شیمیایی حاضر در روغن های پایه نفتی (مینرال)

2.3 یکنواخت سازی هیدروژنی (Hydro-treating): از آنجا که طی دو ایستگاه فرآیندی قبلی، پیوند های شیمیایی بین دو اتم کربن نیز به وفور اتفاق می افتد، ملکول های اشباع نشده فراوانی در ساختار روغن حضور خواهند داشت و این منجر به ناپایداری شدیدی در رفتار شیمایی و فیزیکی روغن می گردد. از این رو، لازم است با معرفی هیدروژن، این ملکول های اشباع نشده را به کامپاند های اشباع شده، پایدار، و هیدراته تبدیل نمود تا رفتار روغن در برابر اکسیداسیون و نیتراسیون بهبود یابد.

اکنون که به تشریح این دو روش در تولید روغن های پایه از نفت خام پرداختیم، ممکن است این سوال برای خواننده این پست مطرح شود که تفاوت محصول خروجی از این دو روش در روغنسازی چیست؟ آیا کیفیت روغن پایه مینرال حاصل از روش استحاله شیمیایی از روش جداسازی بالاتر است؟ پاسخ در جدول 1 خلاصه شده است.

جدول 1: تفاوت خواص روغن حاصله از دو روش جداسازی و استحاله شیمیایی

بارزترین اختلاف در روغن پایه حاصل از نفت خام به روش استحاله شیمیایی نسبت به جداسازی را می توان در حضور کامپاند های آروماتیک در ساختار محصول رخ می نماید. استحاله شیمیایی روغنی را بدست می دهد که کمتر از 0.5 درصد کامپاند های آروماتیک داشته باشد. این در حالی است که روغن پایه حاصل از روش جداسازی میزبان معمولا بین 15 تا 20 درصد کامپاند های آروماتیک در ساختار خود است. از آنجا که دانسیته روغن ارتباط مستقیمی با میزان حضور کامپاند های آروماتیک دارد، بنابراین می توان نتیجه گرفت که روغن های پایه حاصل از روش جداسازی شیمیایی ازدانسیته بالاتری برخوردارند. این بدان معنی است که ویسکوزیته سینماتیک این روغن ها در قیاس با روغن های پایه ای که از روش استحاله شیمیایی بدست می آیند بسیار کمتر است که می تواند در خواص مکانیکی آنها از جمله قابلیت پمپاژ در دما های مختلف تاثیر شدیدی بگذارد. در عین حال، حضور کامپاند های آروماتیک در مقاومت به اکسیداسیون تاثیر منفی دارد. از این رو، روغن های پایه گروه I، II، و III که از روش استحاله شیمیایی بدست می آیند ذاتا از مقاومت بیشتری در برابر اکسیداسیون برخوردارند.

این تنها یک نمونه از اختلافات فاحشی بود که بین خواص عملکردی روغن های پایه حاصل از دو روش جداسازی و استحاله شیمیایی مشاهده شده است. از دیدگاه اقتصادی، اما، روغن های پایه مینرال حاصل از استحاله شیمیایی قیمتی بالاتر (حدود 80 درصد) از همتایان حاصل از روش جداسازی شیمیایی دارند.

روش های تشخیص آلودگی در نمونه روغن

با درود و احترام

موضوع این پست به روش های تشخیص آلودگی در نمونه روغن اختصاص دارد.

یکی از معروفترین و در دسترس ترین روش های تشخیص آلودگی در جریان روغن، استفاده از طیف نگاری به روش FTIR یا Fourier Transform Infra-Red است که در استاندارد ASTM E2412 تعریف شده و اساس آن بر تحلیل عددی اثرات آلودگی (مقیاس ملکولی) مشاهده شده در نمونه روغن است. اما، FTIR از اینجا به بعد سکوت می کند و این کارشناس آنالیز روغن است که باید تشخیص دهد که این اثرات ملکولی مربوط به چه چیزی هستند؛ آیا مربوط به حضور آلودگی در روغن هستند یا از وجود ادتیوهای مختلف در ساختار نمونه روغن خبر می دهند؟ کلید این مشکل در برخی روش های آماری مانند مقیاس تفاضلی و مقیاس های چندمعیاره و برخی روش ها و معیار های تجربی است که در قالب سطح پیشرفته دوره آموزش آنالیز روغن آموزش داده می شود.

در زمینه تشخیص آلودگی، اما، روش FTIR محدودیت هایی دارد که مهمترین آنها توانایی تشخیص دسته مشخص و استانداردی از آلودگی ها، مانند گلیکول، آب، دوده، و سوخت است. متاسفانه، روش FTIR برای تشخیص ورود گرد و غبار به جریان روغن و لجن گرفتگی مجاری عبور روغن اصلا روش مناسبی نیست و نتایج آن با خطای بالایی همراه است. البته، برای تشخیص برای هر یک از آلودگی های استاندارد و روتین در ساختار نمونه روغن نیز روش مخصوص به خود آنها وجود دارد. اما، تست FTIR می تواند بعنوان ابزاری عمومی و کلی برای تشخیص وضعیت سلامت عمومی روغن بکار گرفته شود. اما، نتایج آن در مواقع حساس و پرخطر که نیاز به تصمیم گیری در مورد شات دان کردن یک تجهیز وجود داشته باشد، قابل اتکا و کافی نیستند. اما، در حالت عادی که کارشناس آنالیز روغن احتیاج به در اختیار داشتن چندین معیار اندازه گیری با هم و با یک تست داشته باشد، FTIR با خطایی قابل پذیرش روش خوبی محسوب می شود. این یک مزیت بزرگ برای این روش از تست نمونه روغن محسوب می شود. چراکه همزمان تغییر چندین معیار را می توان با هم دید و به Single Rise شدن یکی از آنها پی برد.

براساس تجربه شخصی نویسنده این سطور، یکی از بهترین کاربرد های FTIR در شناسایی بموقع پدیده ای است که با عنوان Cross Contamination شناخته شده و یکی از شایعترین نتایج استفاده از روغن اشتباه یا نامناسب در یک تجهیز به شمار می رود.

بنابراین، می توان نتیجه گرفت که استفاده از روش FTIR می تواند برای حالت پیشبینانه آنالیز روغن بسیار کارآمد باشد، اما به شرطی که به درستی و براساس استاندارد ASTM E2412 انجام شود. پس از تفسیر صحیح نتایج حاصل از FTIR و رسیدن به نتایج شک برانگیز، می توان به سراغ روش های دیگر، مانند NAS رفت (برای اطلاعات بیشتر در مورد آزمون NAS، مراجعه به پست «آنالیز روغن گیربکس درایر: مطالعه موردی» در همین وبلاگ مهندسی توصیه می شود).

البته، نباید این حقیقت و اصل را فراموش کرد که تفسیر صحیح نتایج آنالیز روغن ممکن نیست، مگر با رعایت اصول صحیح نمونه گیری (اطلاعات بیشتر در پست «اصول نمونه گیری» در همین وبلاگ موجود است). چراکه در صورت آلوده شدن نمونه های اخذ شده طی هر یک از مراحل اخذ نمونه، حمل، و تحویل به آزمایشگاه، نتایج FTIR می توانند بسیار گمراه کننده نمایان شوند.

در بکار گیری FTIR در تشخیص آثار و علائم آلودگی در نمونه روغن باید به این نکته توجه کرد که آلودگی های استاندارد و روتینی که بالاتر به آنها اشاره شد، بیشتر مختص روغن های موتوری هستند و احتمال حضور آنها در سیستم های هیدرولیک یا توربینی کمتر است. در کاربرد های غیرموتوری، FTIR بیشتر در شناسایی تغییرات خواص مکانیکی و برخی خواص فیزیکی روغن کاربرد پیدا می کند که از آن جمله می توان به تقلیل اثر ادتیو ها و اکسیداسیون اشاره کرد (برای اطلاعات بیشتر درباره این دو مورد، مطالعه پست «تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب» در همین وبلاگ توصیه می شود). 

روغن موتور بجای روغن کمپرسور

با درود و احترام به محضر مبارک تمامی مخاطبان این وبلاگ مهندسی

در این پست، قصد داریم تا به سوال یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ در خصوص استفاده از روغن موتور در کمپرسور های پیستونی پاسخ دهیم.

شرح سوال:

آیا می توان از روغن موتور پراید SAE 20W-50 در کمپرسور های پیستونی (رفت و برگشتی) استفاده کرد. کمپرسور ما از نوع رفت و برگشتی Double Act سنگین بوده و حدود 4000 لیتر گنجایش روغن دارد. از این کمپرسور برای متراکم سازی هوا برای یک واحد فرآیندی در یک پالایشگاه در مرکز ایران (در منطقه ای کوهستانی) استفاده می شود. می خواهیم بررسی کنیم که آیا می توانیم برای کاهش هزینه ها بجای روغن مصرفی در این کمپرسور که Shell Corena S2 P100 است از روغن موتور SAE 20W-50 استفاده کنیم؟

پاسخ به این سوال از چهار بخش تشکیل شده است: آشنایی با ساختار کمپرسور های پیستونی، مقایسه دو روغن موتور و کمپرسور، اثرات استفاده از روغن موتور در کمپرسور، و نتیجه گیری

الف) آشنایی با ساختار کمپرسور های پیستونی

بطور کلی، کمپرسور ها به دو دسته جابجایی مثبت و دینامیک تقسیم بندی می شوند که در نوع اول (که در این نوشتار مد نظر ماست) گاز (در اینجا: هوا) به داخل یک محفظه کاملا بسته و آببندی شده (مانند سیلندر) کشیده شده و بوسیله یک پیستون متراکم شده و از این سیلندر خارج می شود. اساس کار کمپرسور های دینامیک (که در این مقاله بدانها نمی پردازیم) براساس افزایش سرعت گاز بوسیله حرکت تعدادی پره و سپس کاهش شدید آن است که منجر به افزایش فشار خواهد شد. شکل را ببینید.

شکل 1: نمایه ای از تقسیم بندی انواع کمپرسور ها (منبع: Wikipedia)

همانطور که از شکل 1 می توان مشاهده کرد، کمپرسور های جابجایی مثبت به دو دسته رفت و برگشتی و روتاری (دورانی) تقسیم می شوند که در گروه پیستونی ها، با سه دسته تک مرحله ای (Single Acting)، دو مرحله ای (Double Acting)، و دیافراگمی مواجه هستیم. از میان این سه دسته، کمپرسور های پیستونی تک مرحله ای، کمپرسور هایی هستند که با هر بار چرخش (دوران) میل لنگ، یکبار تخلیه گاز (در اینجا: هوا) متراکم را انجام می دهند. این تیپ کمپرسور ها، پیکربندی های متفاوتی دارند که نمونه ای از آنها در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2: نمای هالوگرافیکی از پیکربندی یک کمپرسور پیستونی تک مرحله ای (منبع:Burckhardt Compression)

کمپرسور مد نظر ما در این پست، اما، از نوع دو مرحله ای است که به معنی توانایی تخلیه هوای متراکم از دو خروجی در هر بار چرخش میل لنگ آن است. بیشتر کمپرسور های سنگین و بزرگ پیستونی از این مکانیزم در فشرده سازی هوا (یا انواع دیگر گاز به تشخیص طراح یا سفارش مشتری) استفاده می کنند. این نوع از کمپرسور نیز مانند حالت تک مرحله ای می تواند از پیکر بندی های متفاوتی استفاده کند که نمونه ای از آن در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3: نمای هالوگرافیکی از پیکربندی یک کمپرسور پیستونی دو مرحله ای (منبع:Burckhardt Compression)

هرچند تاکنون انواع مختلفی از کمپرسور های پیستونی طراحی و ساخته شده است، اما، مکانیزم کلی کار در همه آنها کم و بیش یکی است. بدین ترتیب که بمنظور متراکم سازی هوا به حرکت یک (یا چند) پیستون در درون یک (یا چند) سیلندر نیاز است که کنترل دینامیک این پیستون ها توسط اتصال به یک دسته پیستون (یا شاتون) که سوی دیگر آن به میل لنگ متصل شده است قابل انجام است. شکل 4 را ببینید.

شکل 4: نمایی از نحوه اتصال پیستون به میل لنگ و حرکت آن در سیلندر کمپرسور های پیستونی (منبع: Noria)

میل لنگ نیز می تواند از یک موتور درونسوز یا یک موتور الکتریکی نیرو گرفته و حرکت آن نیز می تواند با ابزار های مکانیکی مختلف اعم از چرخ طیار (فلایویل) و گیربکس (جعبه دنده) کنترل شود. بمنظور روانکاری حرکت و مقید سازی دینامیک پیستون و متعلقات آن، از یک سیستم روغنرسانی استفاده می شود که نمونه ای از جزییات آن در شکل 5 نشان داده شده است.

شکل 5: نمایی از قطعات مختلف بمنظور روغنرسانی و مقیدسازی حرکت پیستون در کمپرسور های پیستونی (منبع: Noria)

بدین ترتیب، با بالا رفتن پیستون، هوای درون سیلندر متراکم شده (نمودار شکل 6 را ببینید) و با حرکت از طریق دریچه خروجی، به داخل مدار پنوماتیک رانده می شود. با پایین آمدن پیستون، حجم استانانداردی از هوای تازه به داخل سیلندر کشیده می شود. هر مرحله از این فرآیند توسط شیر های داخلی و خارجی کنترل می شود.

شکل 6: نمودار ترمودینامیک عملکرد کمپرسور پیستونی (منبع: Noria)

خنک کاری چنین کمپرسوری به دو طریق قابل انجام است: یا از طریق گردش هوا در اطراف دسته پیستون (شاتون) و یا از طریق ژاکت آب اطراف سیلندر. البته در این خصوص، طراحی های مختلف و بسیار متنوعی وجود دارد، ولی هدف از همه آنها یکی است.

همانطور که تاکنون دیدیم، شباهت بسیاری مابین کمپرسور های پیستونی و موتور های درونسوز وجود دارد. در هر دو این سیستم های ترمودینامیک، سیلندر و پیستون وجود داشته و در هر دوی آنها از میل لنگ (و متعلقات کنترلی آن) بمنظور مقید سازی دینامیک پیستون استفاده می شود. اما، کمپرسور های پیستونی دارای چند تفاوت در ساختار خود با موتور های درونسوز هستند:

اول) در کمپرسور های پیستونی، سوپاپ های سر سیلندر (که ممکن است در بخش دیگری هم نصب شده باشند، بنا به پیکربندی مورد نظر طراح یا مشتری) بصورت اتوماتیک عمل می کنند. این در حالی است که در موتورهای درونسوز، عملکرد این سوپاپ ها توسط یک واحد مکانیکی (میل بادامک یا...) یا الکترونیکی (ECU، تسمه یا زنجیر تایمینگ، و...) کنترل می شود؛

دوم) در کمپرسور های پیستونی (معمولا دو مرحله ای که محفظه روغن تحت فشار باشد) دسته پیستون مستقیما به میل لنگ وصل نیست و در این میان از قطعه ای واسط بنام کراس هد استفاده می شود (شکل های 3 و 4 را ببینید) که مزایای مختص به خودش را دارد. از جمله اینکه می توان با توسل به این وسیله، در روغنرسانی به بخش سیلندر از یک روغن دیگر استفاده کرد یا اصلا آن را روانکار نکرد!

سوم) از دیدگاه روانکار و روغنرسانی، پیستون یک کمپرسور اصلا قرار نیست با دمای چند هزار درجه ای احتراق مخلوط سوخت و هوا درون سیلندر مواجه شود. از این رو، جنس تاج پیستون و رینگ های آن می تواند کاملا متفاوت با همتایان خود در موتور های درونسوز باشد. این تفاوت، بنا به تجربه شخصی نویسنده می تواند شامل گرید متریال، نوع پوشش آن، یا حتی ساختار متالورژیک و روش تولید آن باشد. با همین دیدگاه، سیستم روغن های موتوری برای تحمل دمای تا 120 درجه سلسیوس طراحی شده و از این رو، ادتیو های مصرفی در ساختار شیمیایی آنها می تواند کاملا متفاوت از روغن های مصرفی در کمپرسور های پیستونی باشند. این در حالی است که روغن های کمپرسوری اصلا قرار نیست حتی به دمای 100 درجه سلسیوس هم برسند و بیشتر در دما های صفر تا 60 درجه سلسیوس است که باید عملکرد خود را نشان دهند.

چهارم) از دیدگاه آنالیز روغن، در تست های آنالیز عناصر روغن های کمپرسوری، معمولا حد بیشینه و کمینه عناصری مانند آهن (Fe)، کروم (Cr)، آلومینیوم (Al)، مس (Cu)، و مخصوصا سیلیسیم (Si) کاملا با روغن های موتوری متفاوت است که این تفاوت شدید در نوع ادتیو های بکار رفته در ساختار شیمیایی این تیپ از روغن ها در قیاس با روغن های موتوری است. در این مورد، در بخش بعدی بیشتر صحبت خواهیم کرد.

ب) مقایسه دو روغن موتور و کمپرسور

قبل از شروع این بخش، لازم است کمی در رابطه با وظایف روغن در یک کمپرسور پیستونی بدانیم. براساس صفحه 108، کتاب Reciprocating Compressors; Operation & Maintanaince_1996، نوشته Heinz P. Bloch & John J. Hoefner، در نبود شوک های حرارتی، مهمترین وظیفه روغن های کمپرسوری به شرح زیرخلاصه می شود:

1) جداسازی قطعات ساینده از یکدیگر؛

2) تقلیل حرارت ناشی از اصطکاک از طریق خنک کاری و انتقال حرارت؛

3) زدودن گرد غبار و سایر آلاینده های جامد ورودی به سیستم؛

4) کاهش فرسایش؛

5) کاهش افت ناشی از اصطکاک؛

6) کاهش نشت گاز (در اینجا: هوا)؛

7) محافظت از قطعات در برابر خوردگی؛ و

8) کاهش رسوب آلاینده ها در جریان روغن

بدین ترتیب، ابتدا رفتار مکانیکی دو روغن موتوری SAW 20W-50 و Shell Corena S2 P100 را در برابر حرارت بصورت عددی و ریاضی تحلیل خواهیم کرد. نمودار شکل 7 را ببینید.

این نمودار بیانگر رفتار غیرخطی ویسکوزیته سینماتیک روغن کمپرسوری Shell Corena S2 P100 در برابر حرارت است.

شکل 7: نمودار غیرخطی ویسکوزیته سینماتیک  روغن Shell Corena S2 P100 در برابر حرارت (خطا: 2.68%)

همانطور که انتظار می رفت، رفتار غیرخطی ویسکوزیته سینماتیک روغن Shell Corena S2 P100 در برابر حرارت از یک روند توانی پیروی می کند. نمودار شکل 8 رفتار همین روغن را بصورت خطی و با نقاط کنترلی 40 و 100 درجه سلسیوس نشان می دهد.

شکل 8: نمودار خطی ویسکوزیته سینماتیک  روغن Shell Corena S2 P100 در برابر حرارت (خطا: صفر)

اکنون به بررسی روغن موتوری SAE 20W50 می پردازیم. نمودار های مندرج در شکل های 9 و 10، به ترتیب، رفتار غیرخطی و خطی این روغن را در برابر افزایش دما نشان می دهند.

شکل 9: نمودار غیرخطی ویسکوزیته سینماتیک  روغن SAE 20W50 در برابر حرارت (خطا: 2.00%)

شکل 10: نمودار خطی ویسکوزیته سینماتیک  روغن SAE 20W50 در برابر حرارت (خطا: صفر)

از نمودار های مندرج در شکل های 7 و 9 می توان به این نکته اولیه دست پیدا کرد که روغن کمپرسوری Shell Corena S2 P100 در بازه دمایی 20 تا 60 درجه سلسیوس، باندازه تقریبا 16 درصد با شتاب بیشتری ویسکوزیته خود را از دست می دهد که این به معنای سرعت بیشتر این روغن نسبت به روغن موتوری SAE 20W-50 برای جریان یافتن در مدار روغنرسانی در بازه دمایی فوق است. با نگاهی به نمودار های مندرج در شکل های 8 و 10 می توان به این نتیجه رسید که روغن موتوری SAE 20W50 گرچه ویسکوزیته اولیه بیشتری نسبت به روغن کمپرسوری دارد، اما به اندازه تقریبا 73 درصد آن را زودتر با افزایش حرارت از دست می دهد. این تفاوت در شکل 12 بیشتر مشهود است.

پس، اولین نتیجه ای که می توانیم از تحلیل عددی نمودار های 7 تا 10 بگیریم آن است که روغن Shell Corena S2 P100 در بازه دمایی معمول عملکردی کمپرسور مورد مطالعه ما در مدار روغنرسانی سریعتر حرکت کرده و فشار کمتری به پمپ روغن وارد می آورد. این به معنی لایه نازکتری از فیلم روغن در این بازه دمایی برای قطعات کمپرسور (بویژه در بخش سیلندر) است، اما با سرعت بیشتر جریان یافتن روغن در مدار جبران می شود.

نمودار های نشان داده شده در شکل های 11 و 12، به ترتیب، حاصل بر هم نشانی نمودار های 7 تا 10 هستند.

شکل 11: نمودار تجمعی رفتار غیرخطی ویسکوزیته سینماتیک  دو روغن SAE 20W-50 و Shell Corena S2 P100 در برابر حرارت

شکل 12: نمودار تجمعی رفتار خطی ویسکوزیته سینماتیک  روغن های SAE 20W-50 و Shell Corena S2 P100 در برابر حرارت

ج) اثرات استفاده از روغن موتور در کمپرسور

قبل از شروع بحث در این مورد، دو منبع را در خصوص استفاده از روغن موتور در کمپرسور ها بررسی می کنیم:

- مطابق صفحه 415، بند 2، پاراگراف a، از کتاب Lubrication Fundamentals، نوشته Don M. Pirro، Martin Webster، و Ekkehard Daschner، ویرایش سوم، انتشارات CRC، سال 2016، می توان در کمپرسور های پرتابل و کوچک پیستونی هوا از روغن های موتوری حاوی ادتیو های Detergent-Dispersant استفاده کرد. حتی در انواع ثابت کمپرسور های پیستونی هوا نیز که میزان رطوبت هوای تحت فشار تولیدی آنها بالا باشد نیز استفاده از روغن های موتوری بجای روغن های توربینی و ... توصیه شده است.

تا اینجا را داشته باشید! بعنوان منبع دوم،

- مطابق صفحه 112، پاراگراف آخر، از کتاب Lubrication in Practice، ویرایش دوم، ویرایش شده توسط W. S. Robertson، انتشارات MacMillan، سال 1983، برای روغنرسانی به کمپرسور های هوای پیستونی کوچک، استفاده از روغن های موتوری Detergent-Dispersant توصیه شده است. چراکه این تیپ از روغن ها مقاومت به اکسیداسیون خیلی خوبی دارند.

اگر بخواهیم این دو منبع معتبر را مورد استناد قرار دهیم، پس شما به راحتی می توانید از روغن موتور SAE 20W-50 استفاده کنید و در هزینه های خریدتان صرفه جویی بزرگی کنید! اما، به دو نکته باید دقت کرد: کمپرسور شما کوچک نیست! و از آن مهمتر، رطوبت هوای منطقه ای که در آن قرار دارید نیز بالا محسوب نمی شود! پس استناد به دو منبع فوق کاملا و مطلقا غلط است!

اما، ادتیو های Detergent-Dispersant چیستند؟ بطور خلاصه، Detergent-Dispersant ها یا ادتیو های DD گونه ای از ادتیوهای چندمنظوره هستند که بیشتر در ساختار روغن های موتوری و برخی انواع روغن های گیربکسی استفاده می شوند. ساختار شیمیایی، مکانیزم کار، و انواع این تیپ از ادتیو ها به روشنی و درستی در بند 6.4، صص 99-104، کتاب Lubricants & Lubrication، ویرایش دوم، ویرایش شده توسط Theo Mang و  Wilfried Dresel، انتشارات Wiley، سال 2007، تعریف شده است.

ساختار فیزیکی این ادتیوها میسل تایپ (Micelle Type) است که بعلت قطبی بودن آنها است. ساختار شیمیایی آنها نیز متشکل از کامپاندهای نمک فلزات یا شبه فلزاتی مانند کلسیم، منیزیم، سدیم، و باریم است. ترتیب ذکر شده براساس میزان مصرف و رواج این فلزات یا شبه فلزات در کامپاندینگ شیمیایی است. شکل 13 را ببینید.

شکل 13:ساختار میسل ادتیو های Detergent (منبع: صفحه 134، کتاب Lubricant Additives, Chemistry, & Applications، سال 2009)

وظیفه اصلی این ادتیو ها به دو دسته دیترجنتی و دیسپرسانتی تقسیم می شود. در حالت دیترجنت، این کامپاندها به ذرات آلاینده اسیدی چسبیده و آنها را از سطح فلزی قطعات جدا می کنند. از اینجا به بعد، حالت دیسپرسانتی فعال شده و از توزیع و پخش شدن ذرات جدا شده از سطح قطعات در جریان روغن جلوگیری می کند.

یکی از معروفترین این کامپاند های شیمیایی، سولفونات ها هستند که بشکل کلسیم سولفونات، سدیم سولفونات، یا باریم سولفونات به وفور در روغن های موتوری یافت می شوند. این ادتیو ها از نظر ساختار شیمیایی بازی (قلیایی) محسوب شده و هدف از آنها بالا بردن عدد بازیسیته کل (TBN) سیستم روغن بمنظور مقابله با تشکیل کامپاند های اسیدی ناشی از حضور گوگرد (سولفور) در سوخت های احتراقی (بنزین، گازوییل، یا گاز طبیعی یا LPG) است. در کمپرسور های پیستونی، اما، از حرارت های بالا (اصولا، شوک حرارتی!)، سایش های شدید، گوگرد سوخت، و... خبری نیست! به همین دلیل، عدد TBN سیستم روغن (در صورت استفاده از روغن موتور بجای روغن کمپرسور) بدون دلیل بالا می رود که این بالا بودن TBN اثرات زیر را بدنبال خواهد داشت:

- تشکیل لایه خاکستر غنی از نمک های کلسیم؛

- افت پایداری شیمیایی روغن؛ و

- افزایش مصرف روغن

تشکیل (یا به بیان بهتر: رسوب) لایه ای غنی از نمک های کلسیم (که البته می تواند نمک های باریم یا سدیم یا منیزیم را نیز در خود داشته باشد) موجب تبلور تدریجی این نمک ها شده و با توجه به سختی نسبتا بالای این بلور ها، موجبات سایش در بخش هایی مانند سیت رینگ ها، و سیت ولو ها (سوپاپ ها) را فراهم می آورند. این خوردگی و ساییدگی سطوح به مرور می تواند باعث نشتی و از دست رفتن روغن (بویژه در سیستم های روغنرسانی قطره ای) شده و بدین ترتیب، مصرف روغن را بی دلیل بالا می برد. از سوی دیگر، با افزایش بی دلیل TBN، محیط سیستم روغن فراقلیایی (Over-Base) شده و به مرور موجب کاهش مقاومت به اکسیداسیون سیستم روغن (بویژه در در محیط های کوهستانی که رطوبت هوا پایین باشد یا دمای پایینی بر محیط کاری کمپرسور حکمفرما باشد) خواهد شد. این اکسیداسیون، به همراه حضور ترکیبات شدید قلیایی، می تواند به مرور موجب تشکیل کامپاند هایی مانند NaOH ونظایر آن بویژه در بخش سیلندر و پیستون شده و موجبات خوردگی سوزنی (حفرات ریز) که با عنوان Pitting Corrosion شناخته می شود را در سطح پیشانی پیستون و پیراهن سیلندر فراهم آورد.

از این رو، اغلب سازندگان کمپرسور های هوای پیستونی سنگین، توصیه می کنند که بمنظور روغنرسانی به چنین کمپرسور هایی از روغن های Detergent-free استفاده شود. این بدان معنی است که براساس دو منبعی که در بالا بدانها اشاره شد، می توان با رعایت اصولی مانند ویسکوزیته سینماتیک و دانسیته، از روغن های موتوری معادل که حاوی ادتیو های Detergent-Dispersant نباشند، استفاده کرد.

د) نتیجه گیری

با توجه به مواردی که در بخش های «الف»، «ب» و «ج» این نوشتار بیان شد، استفاده از روغن SAE 20W-50 برای مصرف در کمپرسور شما بهیچوجه و تحت هیچ شرایطی توصیه نمی شود.

با تشکر از آقای مهندس داوود بیرانوند، کارشناس محترم مکانیک شاغل در مجتمع فولاد بوتیای کرمان و از مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی که بنده را در رفع اشکال این مقاله (جابجایی شکل های 8 تا 12) یاری نمودند.

آنالیز روغن گیربکس درایر: مطالعه موردی

با درود بیکران به تمامی مخاطبین و مراجعین محترم این وبلاگ مهندسی

هدف از این پست، ارائه پاسخ به درخواستی درباره آنالیز روغن گیربکس است که چندی پیش بدست بنده رسیده بود، اما بدلیل مشغله کاری چند وقتی معطل مانده بود.

شرح سوال: در یک کارخانه فرآوری محصولات ارگانیک، یک دستگاه درایر (خشک کن) داریم که گیربکس نسبتا پیچیده ای دارد. این گیربکس یک مخزن روغن به حجم 4000 لیتر دارد که روغن اون کف میکنه.(لایه ای کف روی سطح اون تشکیل میشه). دمای اون در حدود 40 درجه سانتیگراد است. این تجهیز در جنوب ایران و در منطقه ای گرمسیر واقع است. این سیستم بدلیل نشتی روغن بالایی که در تجهیزات وجود دارد، دایما با کاهش سطح روغن مواجه است. بنابراین، بصورت متوسط هر هفته یک بشکه روغن 220 لیتری روغن به مخزن اضافه می شود. نمونه روغن را ارسال کردم جهت آنالیز که پاسخش رو به همراه آنالیز روغن نو برای جنابعالی ارسال میکنم. آزمایشگاهی که نمونه روغن را آزمایش کرد، اعلام کرده که روغن شما بسیار آلوده است و ناس آن بالاست. حدود 12. عدد ناس چیست؟ در صورت صلاحدید بنده رو راهنمایی بفرمایید در مورد علل احتمالی کف کردن روغن. نوع روغن بهران بردبار 220 است که با برینگ ها و چرخدنده های گیربکس در ارتباط است.

پاسخ به این پرسش از دو بخش اصلی تشکیل شده است: عدد NAS و علل کف کردن روغن که در هر دو مورد نیاز به تفسیر گزارش آنالیز آزمایشگاه و مقایسه نتایج آزمون در مورد نمونه روغن نو و کارکرده می باشد. البته، بسیار شایسته و عالی می بود، اگر نتایج آنالیز در فواصل زمانی منظم پس از هر بار شارژ یا به عبارت دیگر، سر ریز روغن، انجام می شد که این خود یکی از اشتباهات مالک تجهیز است. چراکه تفسیر دو گزارش آنالیز روغن نو و کارکرده با خطای بالایی همراه است.  اما، در این مرحله، گویا چاره ای نیست! و مجبوریم به همین اطلاعات اندک و از راه دور اکتفا کنیم. نتیجه گزارش آنالیز روغن بهران 220 نو و کارکرده، به ترتیب، در شکل های 1 و 2 (الف، ب، و ج) آمده است.

شکل 1: نتیجه آنالیز روغن نو بهران 220

شکل 2 (الف): صفحه اول گزارش آنالیز روغن کارکرده روغن بهران 220

شکل 2 (ب): صفحه دوم گزارش آنالیز روغن کارکرده بهران 220

شکل 2 (ج): صفحه سوم گزارش آنالیز روغن کارکرده بهران 220

داده های حاصل از مقایسه نتایج آنالیز روغن نو و کارکرده ای که در شکل های 1 و 2 نشان داده شده بود، در جدول 1 موجود است. همانطور که در این جدول مشخص است، از دیدگاه آنالیز عنصری، میزان حضور عنصر آهن (Fe) باندازه تقریبا 400 برابر بیشتر شده است. در همین راستا، میزان حضور عنصر سیلیسیم (Si) نیز تقریبا 40 برابر بیشتر است. از همینجا می توان نتیجه گرفت که با روغنی کثیف و بشدت خورنده روبرو هستیم که بجای روانکاری، بیشتر نقش سنباده را بعهده گرفته است! در تایید این نتیجه گیری می توان به عناصری مانند کروم (Cr) و مس (Cu) اشاره کرد که در نتایج آنالیز روغن کارکرده به ترتیب 20 و 10 برابر شده اند.

جدول 1: تفسیر اولیه نتایج آنالیز روغن شکل های 1 و 2

از دیگر نتایجی که می توان از تفسیر گزارش آنالیز روغن (جدول 1) گرفت، تقلیل اثر حضور ادتیو های روغن گیربکس با توجه به افزایش شدید عناصری مانند کلسیم (Ca)، منیزیم (Mg)، و روی (Zn) است. شکل 3 حاوی نموداری برای کمک به درک بهتر رشد عناصر شیمیایی در آنالیز عنصری نمونه روغن های نو و کارکرده (شکل 1 و 2) است.

بدین ترتیب، و تا بدینجای کار، با روغن گیربکسی مواجه هستیم که بسیار کثیف و بسیار فرساینده (Erosive) محسوب می شود. همین نتیجه گیری کافیست که کارشناس آنالیز روغن یا CM توصیه اکید بر توقف کار تجهیز و تعویض روغن را بکند. با این تفاسیر، اصلا نیازی به انجام تست NAS نیست! و همه چیز گویای وضعیت روغن است. با اینحال، بخش مربوط به خواص مکانیکی روغن را نیز از شکل های 1 و 2 مطالعه و تفسیر می کنیم.

شکل 3: نمودار رشد عناصر شیمیایی در آنالیز عنصری نمونه روغن های نو و کارکرده

بخش مربوط به خواص مکانیکی روغن های نو و کارکرده در شکل های 1 و 2 بسیار ناقص است و عملا تنها دو شاخص ویسکوزیته سینماتیک در دمای 40 درجه سلسیوس و نسبت مستقیم ویسکوزیته 40 به سیلیسیم (Vis/si) را می توان از آنها استخراج کرد. جدول 2 را ببینید.

جدول 2: تفسیر ثانویه نتایج آنالیز روغن شکل های 1 و 2

در جدول 2، منظور از STD مشخصات «استاندارد» محصول (روغن بهران بردبار 220) است که از وبسایت ایرانول استخراج شده است. داده های جدول 2 نشاندهنده آن است که ویسکوزیته سینماتیک روغن مورد آنالیز ما نسبت به آنچه که مصرف شده است (نه مقدار استاندارد، براساس داده های وبسایت ایرانول!) حدود 8 درصد افزایش داشته است. نسبت گیری مستقیم برای نظارت بر تغییرات ویسکوزیته 40 بر مقدار سیلیس نیز در اینجا کارآیی ندارد و موجب گمراهی کارشناس آنالیز روغن خواهد شد. چراکه این شاخص (Vis/Si) در طول زمان و با وجود بیش از سه نمونه کارآیی دارد و اصطلاحا، Time-Trended است. بنابراین، در این Case Study با یک نمونه آموزشی دیگر روبرو می شویم که در دوره پیشرفته آنالیز روغن تدریس می شود و آن، اشتباهات رایج در آنالیز روغن، است.

خب! تا اینجای قضیه، متوجه شدیم که با روغنی مواجه هستیم که غلیظ تر شده و میل به فرسایش آن نیز بسیار بیشتر شده است. این روغن بشدت آلوده بوده و نمی توان از آن انتظار رفتار نیوتنی داشت. بنابراین، اولین نتیجه ای که پس از تفاسیر فوق می توان گرفت آن است که اصلا در مورد این روغن و این گیربکس و این تجهیز نیازی به آزمون NAS نبوده و نیست! و انجام آن تنها به معنی دور ریختن پول است! توصیه نویسنده بر آن است که برای دستیابی به جزییات بیشتر درباره سلامت روغن و تجهیز، بهتر آن است که مالک تجهیز یا شرکت مهندسی مشاور آزمون های TAN و TBN و عدد pH را نیز در طول بازه های زمانی متناوب و متعدد (بیش از سه بار در طول دوره سرویس) در نتایج آنالیز روغن بگنجاند.

از اینجا به بعد تازه می توانیم به سراغ پاسخ سوال مطرح شده برویم:

الف) عدد NAS

حروف NAS مخفف National Aerospace Standard است که در اوایل دهه 60 میلادی به تدوین استاندارد های مطالعاتی فنی درباره تجهیزات هوایی و فضایی در ایالات متحده می پرداخت. این سازمان در همان اوقات، سندی با شماره NAS 1638 را با موضوع کنترل آلودگی خارجی در سیستم های روغنرسانی هیدرولیک تدوین کرد. هدف از این استاندارد، معرفی معیار هایی برای آلودگی روغن در سیستم ها و تجهیزاتی بود که به آلودگی جریان روغن حساس هستند. مانند روغن های موتوری، روغن های هیدرولیک، و روغن های توربینی. این استاندارد بعد ها توسط انجمن مهندس خودروی ایالات متحده (SAE) مورد تجدید نظر قرار گرفت و با شماره SAE 4059 منتشر شد. هرچند، در سالیان اخیر، استفاده از استاندارد ISO 4406 به مراتب رواج بیشتری یافته است که در این پست مقایسه ای کوتاه بین NAS 1638 و ISO 4406 نیز خواهیم داشت.

بنابراین، همانطور که مشاهده می فرمایید، NAS در مورد روغن های گیربکسی کاربردی ندارد. مگر اینکه کارشناس آنالیز روغن یا CM تشخیص دهد که برای یک تجهیز خاص این تست لازم است.

بطورکلی، اساس استاندارد هایی مانند NAS 1638 و ISO 4406 بر شمارش ذرات جامد وارد شده به جریان روغن واقع است. هرچه تعداد این ذرات در یک واحد مشخص از حجم روغن (مثلا میلی لیتر) بیشتر باشد، سطح آلودگی روغن بالاتر می رود. تفاوت این دو استاندارد، تنها بر نحوه تقسیم بندی این سطوح آلودگی است. استاندارد NAS 1638 آلودگی جریان روغن به ذرات جامد را در حجم واحد 100 mL به پنج سطح تقسیم می کند:

سطح 1: حضور ذراتی با اندازه 5 تا 15 میکرون؛

سطح 2: حضور ذراتی با اندازه 15 تا 25 میکرون؛

سطح 3: حضور ذراتی با اندازه 25 تا 50 میکرون؛

سطح 4: حضور ذراتی با اندازه 50 تا 100 میکرون؛

سطح 5: حضور ذراتی با اندازه بیشتر از 100 میکرون

اما، استاندارد ISO 4406 آلودگی جریان روغن را در یک حجم 1 mL به سه گروه زیر تقسیم بندی می کند:

سطح 1: حضور ذراتی با اندازه بیشتر از 4 میکرون؛

سطح 2: حضور ذراتی با اندازه بیشتر از 6 میکرون؛

سطح 3: حضور ذراتی با اندازه بیشتر از 14 میکرون

بر این اساس، استاندارد NAS 1638 براساس حضور ذرات جامد آلاینده در یک حجم واحد 100 میلی لیتری از نمونه روغن با اندازه و سایز های مشخص، پنج سطح آلودگی را ارائه می دهد. اما، تا اینجای کار فقط از سایز ذرات صحبت شد. تعداد آنها در یک حجم واحد مشخصه دیگری است که تحت عنوان کلاس آلودگی از آن یاد شده و هرچه عدد این کلاس بالاتر باشد، نشانه آلودگی بیشتر یک حجم واحد از روغن به ذراتی با اندازه مشخص است. چهارده کلاس آلودگی در این خصوص وجود دارد که شرح آنها در جدول 3 آمده است:

جدول 3: کلاس های 14 گانه آلودگی جریان روغن (معیار NAS)

همانطور که در جدول 3 مشاهده می شود، کلاس های آلودگی روغن به روش NAS 1638 از 00 شروع شده و به 12 ختم می شوند که به ترتیب بیانگر بسیار تمیز و بسیار آلوده می باشد. در مورد این نمونه روغن که شرح آنالیز آن در شکل 2 آمده است، عدد NAS برای سنجش آلودگی روغن 12 گزارش شده است که بیانگر آلودگی شدید جریان روغن به ذرات جامد و فرساینده است.

ب) علل کف کردن روغن

قبلا طی پستی با عنوان «تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب» در همین وبلاگ، به تشریح شرایط اولیه و مکانیزم انحلال هوا در جریان روغن پرداخته بودیم. بطورکلی، تشکیل فوم یا کف روی سطح روغن بویژه در مورد سیستم های روغنرسانی که شرایط توربولانس را تحمل یا تجربه می کنند، امری طبیعی و پذیرفته شده است. مشکل از آنجایی آغاز شده و سپس تشدید می شود که این کف موجب تغییر (بخوانید: کاهش) ویسکوزیته دینامیک روغن شده و عملکرد آن را بشدت تخریب می کند. در این خصوص، مطالعه پستی در همین وبلاگ با عنوان «نقش دانسیته در خواص روغن ها» توصیه می شود. یکی از مواردی که در تشخیص تمایل به کف کردن (کف زایی) روغن به همراه افزایش فرسایندگی آن در بین کارشناسان آنالیز روغن با سطح مهارت مقدماتی و متوسط مطرح می شود، حضور عنصر سیلیسیم (Si) در نتایج آنالیز عناصر نمونه روغن است. در این خصوص، پستی با عنوان «تفسیر عنصر Si در نتایج آنالیز روغن» در وبلاگ دانش روغنکاری درج شده است که مطالعه آن خالی از لطف نیست. در این خصوص (مطالعه و تفسیر حضور عنصر سیلیس در نتایج آزمون) اکیدا توصیه می شود که حتما با مطالعه و وسواس کامل جلو بروید یا با شرکت های مهندسی مشاور با تخصص آنالیز روغن و تفسیر گزارش آزمون در این حوزه تماس بگیرید.

اما، موضوعی که به بهانه این مطالعه موردی یا Case Study قصد طرح آن را دارم، مطالعه امکان از دست رفتن ادتیو های ضد کف (Anti-Foam) در اثر فیلتراسیون نامناسب یا حتی بیش از حد جریان روغن است. ادتیو های ضد کف که در برخی از منابع مهندسی با عنوان Defoamant نیز از آنها یاد می شود، معمولا بصورت ترکیبی از دو کامپاند شیمیایی متیل سیلیکون (Methyl Silicone) و پُلی متاکریلات (Polymethacrylate) موجودند که توسط روغنساز و طی مراحل مختلف تولید روغن (بسته به فرآیند و فناوری مورد استفاده در تولید روغن) با غلظت های متفاوت (بسته به ویسکوزیته روغن پایه و برخی از خواص فیزیکی آن مانند دانسیته) با روغن مخلوط شده و به ساختار شیمیایی آن اضافه می شوند. گاهی اوقات، کاربرد روغن روی غلظت یا ترکیب شیمیایی این ادتیو ها تاثیر گذار است. بعنوان مثال، روغن های چرخدنده یا گیربکسی که از کلاس ویسکوزیته بالاتری برخوردار باشند (مانند بهران بردبار 220) تمایل بیشتری به کف زایی از خود نشان می دهند. چراکه امکان و احتمال سکون و تجمع حباب های ریز هوا در آنها بیشتر از روغن های کم ویسکوزی است که تمایل بیشتری به دفع حباب های هوا (بدلیل ویسکوزیته پایینتر و شرایط حاکم بر طراحی مدار روغنرسانی) دارند. بنابراین، در روغن های توربینی، احتمال اینکه حباب های هوا روی سطح روغن در مخرن جمع شده و خودبخود بترکند بسیار بیشتر از روغن های غلیظ گیربکسی است.

این مسئولیت روغنساز است که در ترکیب شیمیایی محصول خود تعادل لازم را بین ادتیو های ضد کف و سایر ادتیو های لازم به حضور در ساختار شیمیایی روغن خود فراهم کند. چراکه اگر غلظت ادتیو های ضد کف در سیستم روغن خیلی بالا باشد، روغن رفتاری معکوس از خود نشان داده و تمایل بیشتری به کف زایی (در اثر تغییر کشش سطحی) از خود نشان خواهد داد. توجه به این نکته لازم است که ادتیو های ضد کف، برخلاف بیشتر ادتیو های معمول در روغنسازی، نباید بصورت محلول در ساختار روغن حضور داشته باشند. در حالت عادی، افزودن مقداری از این ادتیو ها موجب انحلال بخشی از آنها در سیستم روغن خواهد شد. اما، با افزایش بیش از حد این ادتیو، حالت حضور آنها در سیستم روغن از تعلیق یا سوسپانسیون به انحلال یا Dissolved State تغییر یافته و تاثیر این ادتیوها را بشدت کم خواهد کرد. شکل 4 مکانیزم عملکرد ادتیو های ضد کف را نشان می دهد.

شکل 4: نحوه عملکرد ادتیو های ضد کف در سیستم روغن

در حالت عادی و ایده آل، با حضور ادتیو های ضد کف در سیستم روغن، هرگز نباید مشکلی برای سیستم روغن (مخصوصا در مورد روغن های گیربکسی پرویسکوزیته) پیش بیاید. اما، واقعیت این است که این ادتیو ها بمرور زمان عملکرد خود را به دلایل متعددی از دست می دهند که یکی از این دلایل، آلودگی بیش از حد روغن است. این اتفاقی است که در مورد روغن گیربکسی ما افتاده است! آلودگی بیش از حد جریان روغن موجب از کار افتادن ادتیو های ضد کف آن شده و باعث تشکیل لایه ای قطور از کف روی سطح روغن در مخزن یا کارتل شده است. مکانیزم کار نیز مشخص است: آلودگی جریان روغن باعث تغییر رفتار آن از فاز نیوتنی به غیرنیوتنی شده و کشش سطحی آن را هدف می گیرد. با تغییر کشش سطحی روغن، عملکرد ادتیو های ضد کف تحت تاثیر شدید قرار گرفته (شکل 4 را ببینید) و حباب های هوا آزادانه و بدون مزاحمت می توانند در سیستم روغن تردد کنند. از سوی دیگر، دو عامل درجه حرارت و ویسکوزیته سینماتیک روغن نیز می توانند در تمایل روغن به کف زایی تاثیر گذار باشند.

همانطور که می دانیم، حباب های هوا حاوی مقادیر معتنابهی از اکسیژن در درون خود هستند که در روغن های مینرالی مثل بهران بردبار 220 اثر میکرودیزلینگ را در پی دارد. برای اطلاعات بیشتر راجع به میکرودیزلینگ، مطالعه پست «تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب» در وبلاگ دانش روغنکاری توصیه می شود. میکرودیزلینگ به همراه اکسیداسیون و تشکیل محصولات ناشی از آن بمرور زمان موجب آلودگی شدید روغن و تقلیل اثر بسیاری از ادتیو های حاضر در ساختار شیمیایی آن می شوند. اما، در این میان، یکی از عواملی که در کنار افزایش ویسکوزیته و غلیظ شدن روغن (همانطور که در جدول 2 نشان داده شد) بر روی عملکرد ادتیو های ضد کف حاضر در سیستم روغن تاثیر گذار است، افزایش دمای جریان روغن است. جدول 4 میزان ریسک افزایش دما به همراه ویسکوزیته را برای کلاس های مختلف روغن (برحسب ویسکوزیته سینماتیک: ISO VG) نشان می دهد.

جدول 4: میزان ریسک افزایش دما و ویسکوزیته برای روغن های مختلف

همانطور که از جدول 4 قابل مشاهده است، روغن بهران بردبار 220 با دمای عملکردی 40 درجه سلسیوس از نظر تمایل به تشکیل فوم با کف زایی در منطقه بسیار پر خطر یا Very High Risk قرار دارد. بنابراین، روغن تجهیز مورد نظر ما در این مطالعه مورد هر چه سریعتر باید عوض شود.

جایگزین سازی روغن گیربکس

با درود و احترام

هدف از پست، پاسخ به سوال مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی در خصوص انتخاب و معرفی جایگزین برای یک روغن چرخدنده است.

شرح سوال: بهترین معادل برای روغن Super Syn Gear 75W90 ساخت شرکت Finke Bremen چیست؟ این روغن برای پمپ اسکرو استفاده می شود.

شکل 1: نمایی شماتیک از یک پمپ اسکرو نوعی

بمنظور پاسخ به این سوال، ابتدا لازم است روغنی که قصد جایگزینی و معادلسازی برای آن، به هر دلیلی، را داریم را بشناسیم.

این روغن از نوع کاملا سینتتیک بوده و برای سنتز آن، از روغن های پایه گروه IV یا V استفاده می شود. البته، بسیاری از روغنسازان (حتی برند های معتبر امریکایی و اروپایی) با اهدافی نظیر کاهش قیمت تمام شده، از روغن های پایه گروه III استفاده می کنند که عملا صلاحیت سیستم روغن حاصله بمنظور جایگزینی این روغن را زیر سوال می برد. برای اطلاعات بیشتر در مورد خواص روغن های پایه و گروه بندی آنها، مراجعه به پست «انواع روغن های پایه» در همین وبلاگ توصیه می شود.

بنابراین، تا اینجای کار، باید بدنبال روغنی باشیم که از روغن پایه گروه IV یا V تشکیل شده باشد.

روغنی که قصد جایگزینی آن را داریم مطابق کلاس کیفی GL4 یا GL5 (تعریف شده در استاندارد API 1560) تولید شده است. تفاوت این دو کلاس کیفی نیز در استفاده از ادتیو های EP است. بدین ترتیب که در کلاس GL4 از ادتیو EP به مراتب کمتری نسبت به کلاس GL5 استفاده شده است. در واقع، کلاس GL5 دارای بیشترین مقدار کامپاند های شیمیایی معروف تشکیل دهنده ادتیو های EP است و همین موضوع، استفاده از آنها در سیستم های مکانیکی حاوی آلیاژ های مس محدود می کند. برای اطلاعات بیشتر در این خصوص، مراجعه به پست «ادتیو های EP: انواع، کاربرد ها، و محدودیت ها» در همین وبلاگ توصیه می شود.

این روغن از نوع Multigrade بوده و با گرید ویسکوزیته SAE 75W-90 مشخص و تعریف می گردد. این گرید در سیستم ISO VG معادل ندارد. مشخصات عملکردی این روغن به ترتیب زیر است:

جدول 1: مشخصات عملکردی روغن Super Syn Gear 75W90

دانسیته در دمای 15°C (kg/m3)	873
ویسکوزیته سینماتیک در دمای 40°C (cSt)	65
ویسکوزیته سینماتیک در دمای 100°C (cSt)	10
شاخص ویسکوزیته	155
نقطه اشتعال خودبخودی (°C)	200
نقطه ریزش در سرما (°C)	-45

بدین ترتیب، با روغن دنده ای طرف هستیم که به نسبت سایر روغن های چرخدنده (گیربکسی) از شاخص ویسکوزیته متوسطی برخوردار است و ویسکوزیته سینماتیک آن در دمای 40 درجه سلسیوس نیز پایینتر از حد معمول است و به همین خاطر، می توان آن را در زمره Low-Viscosity Transmission Oils به حساب آورد. همین شاخص باعث می شود که بسیاری از گرید های روغن چرخدنده داخلی (مانند بهران سمند ویژه، پارس مدوس EPS، و ایرانول) از لیست انتخاب های ممکن خارج شوند. چراکه این تیپ روغن ها، علاوه بر ویسکوزیته سینماتیک بالاتر در دو نقطه دمایی 40 و 100 درجه سانتیگراد، رفتار حرارتی خطی متفاوتی با این روغن داشته و از همه مهمتر، از روغن پایه هیدروکربنیک متعلق به گروه III روغن های پایه بهره می برند. نمودار شکل 2، رفتار حرارتی سه روغن چرخدنده بهران سمند ویژه، پارس مدوس EPS، و Chevron Delo Syn Gear را در مقایسه با روغن چرخدنده ای نشان می دهد که قصد جایگزینی و معادلسازی آن را داریم (Finke Super Synth Gear). برای اطلاعات بیشتر، مطالعه پست «اندیس (شاخص) ویسکوزیته چیست؟» در همین وبلاگ توصیه می شود.

شکل 2: نمایه ای از رفتار خطی سه روغن چرخدنده در مقایسه با روغن اصلی آلمانی در برابر حرارت

براساس مشخصات مندرج در جدول 1 و رفتار حرارتی مدل شده در نمودار شکل 2، و البته تجربه شخصی نویسنده این متن، انتظار می رود که این روغن چرخدنده از ادتیو های زیر در ساختار خود برخوردار باشد:

- بهبود دهنده های شاخص ویسکوزیته؛

- بهبود دهنده های EP (شامل انواع استریک، ZDDP، یا دی سولفید مولیبدن)؛ و

- ادتیو های AW (شامل ZDDP یا TCP)

بر این اساس، بهترین جایگزین هایی که می توان برای این روغن پیشنهاد کرد، به ترتیب اولویت، در جدول 2 فهرست شده اند.

جدول 2: پیشنهاد روغن های جایگزین در مقایسه با روغن اصلی چرخدنده به ترتیب اولویت

اولویت	روغنساز	نام تجاری محصول	گرید	کلاس	مشخصات عملکردی
					ρ@15°C	Vis40	Vis100	VI	Flash Point	Pour Point
					kg/m3	cSt	cSt		°C	°C
-	Finke	Super Synth Gear	75W-90	GL5	873	65	10	155	200	-45
1	Eurolub	Transmission Oil Gear Axle SB	75W-90	GL5	861	69.9	15	227	150	No Data
2	Shell	Spirax S4 G	75W-90	GL4/5	868	64.2	14	228	134	-42
3	Castrol	Syntrous	75W-85	GL4/5	837	64.4	11.9	184	No Data	-45
4	Shell	Spirax GSX	75W-80	GL4/5	849	56	9.1	145	245	-45

نمایه گرافیکی از جدول 2 در نمودار شکل 3 نشان داده شده است. در این نمودار که مشخصات عملکردی روغن ها بصورت تجمعی رسم شده است، شاخص های دانسیته، ویسکوزیته سینماتیک در دو نقطه دمایی 40 و 100 درجه سلسیوس، و شاخص ویسکوزیته در نظر گرفته شده اند.

شکل 3: نمایه ای از مشخصات عملکردی روغن اصلی در برابر روغن های جایگزین، به ترتیب اولویت انتخاب

همانطور که در نمودار رسم شده در شکل 3 مشاهده می شود، بیشترین اختلاف بین روغن های پیشنهادی با روغن اصلی در معیار دانسیته نهفته است. کمترین اختلاف نیز در ویسکوزیته سینماتیک در دمای 100 درجه سلسیوس نشان داده شده است.

امیدوارم روندی که در این پست بدان اشاره شد بعنوان مرجعی برای آموزش و الگویی برای حل مشکلات مشابه قابل استفاده باشد.