بازنگری در استراتژیهای نظارت بر روغنهای توربین
نظارت بر عمر سیالاتی مانند روغن توربین با استفاده از آزمایشهایی انجام میشود تا سیگنالهای هشدار اولیه را ارائه و به پرسنل تعمیر و نگهداری اجازه میدهد تا قبل از تأثیر منفی بر قابلیت عملیاتی کارخانه، اقدامات پیشگیرانه را انجام دهند. امروزه روند نگهداری روغن توربین به همین سادگی نیست. در طول چند دهه گذشته همه چیز به طرز چشمگیری تغییر کرده است. روغنهای توربین مدرن به طور متفاوتی نسبت به همنوعان خود در گذشته فرموله میشوند و با تغییر از گروه یک I به گروه دوم II (و فراتر از آن) شروع میشود و با ترکیب شدن با ترکیبات شیمیایی آنتی اکسیدانی پیچیدهتر و موثرتر عمل میکنند. تکیه بر تکنیکهای تحلیلی قدیمی بسیاری از کاربران را غافلگیر کرده است، زیرا این آزمایشها دیگر ابزار پیشبینی قابلی نیستند. بنابراین بی تردید زمان بازنگری در نحوه نظارت بر روغنهای توربین فرا رسیده است.
فناوری در فرمولاسیون جدید
قبل از بازنگری در استراتژیهای نظارت بر وضعیت روغن توربین، مهم است که بدانید چه چیزی در فرمولاسیون روغن توربین تغییر کرده است و همچنین دلیل این تغییرات چیست. اگر تا کنون آگاهی کافی در این مورد نداشتهاید باید بدانید اکثر فرمولاسیونهای موجود در بازار کاملاً متفاوت از فرمولاسیونهای گذشته هستند. روغنهای توربین امروزی برای انجام عملکردهای بیشتری در محیطهای سختتر فراوری شدهاند. در برخی از سناریوها، یک سیال به طور همزمان یاتاقانهای توربین، یاتاقانهای ژنراتور، کمپرسورهای هوای اتمیزه کننده، سیستم روغن بالابر، سیستم آببندی هیدروژن ژنراتور، چرخ دندههای بار و تعداد زیادی از سوپاپهای سروو در مدار هیدرولیک روانکاری میکند.
عوامل محرک زیادی در این تغییرات فرمول روغن نقش داشتهاند. سه عامل موثر بر فرمولاسیون روغن توربین عبارتند از افزایش تقاضا توسط OEMها، فناوری به روز شده در پالایش روانکننده و تلاش برای فرمولبندی مجدد برای تمایز و ارزش پیشنهادی بیشتر.
تاثیرات OEM
تولیدکننده اصلی تجهیزات یا همان OEM اصطلاحاً شرکتی است که یک قطعه را به عنوان محصول اصلی شرکت تولید میکند و این محصول به عنوان مواد اولیه برای تولید یک محصول دیگر در شرکتی دیگر مورد استفاده قرار میگیرد. توربینهای گاز پرتقاضاترین کاربرد برای روغنهای توربین هستند و از طرفی سریعترین بازار در حال رشد در ایالات متحده برای تولید برق به شمار میروند. در سال 1998، 15 درصد از برق ایالات متحده توسط توربینهای گاز تامین میشد و در سال 2020، توربینهای گازی 39 درصد از برق کشور را تامین میکرد. با توسعه متالورژیهای پیشرفتهتر، راندمان و دمای احتراق توربینهای گازی به طور مداوم در حال افزایش است. دمای احتراق توربینهای گازی معمولاً به دمایی اطلاق میشود که در آن احتراق سوخت در داخل محفظه احتراق توربین رخ میدهد. این دما بسیار مهم است زیرا مستقیماً بر راندمان و عملکرد توربین تأثیر میگذارد. دمای احتراق بالاتر عموماً منجر به راندمان و توان خروجی بالاتر میشود، اما چالشهایی نیز در رابطه با دوام مواد و طول عمر توربین ایجاد میکند. به طور کلی موتورهای کارآمدتر هم سبب میشود، استرس روی روغن توربین افزایش مییابد و اکثر سازنده تجهیزات اصلی یا OEMهای توربین خواهان افزایش عملکرد روغن توربین هستند. از زمانی که اولین توربین گازی تولید برق آمریکا در سال 1949 در اوکلاهاما نصب شد، یک توافق عمومی وجود داشت که افزایش دمای باعث افزایش دمای یاتاقان میشود و در نتیجه تنش روانکننده را افزایش میدهد.
سیستم “کلاس E” ممکن است در مقایسه با سیستم “کلاس F” فشار بیشتری را به روغن توربین خود وارد کند. در واقع، روغنهای توربین روانکننده کلاس F معمولاً سریعتر تخریب میشوند و چالشهای عملکردی بیشتری دارند. کلاس E یا F در نوعی طبقهبندی در ساختار توربین به شمار میرود. عوامل دیگری که باید در هنگام ارزیابی تنشهای روغن توربین در یک سیستم در نظر گرفته شوند شامل شرایط محیطی محل قرارگیری واحد، چرخه آن و شیوههای تعمیر و نگهداری نیروگاه است. در این مثال خاص، واحدهای کلاس F به دلیل پدیدهای به نام تخلیه جرقه، که در فیلترهای روغن اصلی واحد رخ میدهد، فشار بیشتری بر روغن توربین وارد میکنند. اصطلاح “تخلیه جرقه” در زمینه روغن توربین احتمالاً به پدیدهای مرتبط با تخلیه الکتریکی درون روغن اشاره دارد. در برخی موارد، تخلیه الکتریکی میتواند در یک سیستم حاوی روغن توربین به دلیل عوامل مختلفی مانند شیب ولتاژ بالا، آلودگی یا خواص تخریب شده روغن رخ دهد.
فرمولاسیون جدید روغن توربین برای افزایش ارزش پیشنهادی
تولیدکنندگان روغن ظرفیتهای بیشتری را برای تولید پایههایی با پالایش بالاتر به ارمغان آوردهاند و پایههای گروه II و III را به طور گسترده در دسترس قرار دادهاند. امروزه اکثر روغنهای توربین فرموله شده در آمریکای شمالی اکنون با پایه گروه دوم ساخته میشوند. تغییر از روغنهای گروه I به روغنهای گروه II و III نیز منجر به تغییر قابل توجهی در استراتژیهای فرمولاسیون شده است. آنتی اکسیدانهای خاص میتوانند پایداری اکسیداتیو روغنهای توربین گروه II و III را که توسط تست اکسیداسیون مخزن تحت فشار چرخشی (ASTM D2272-RPVOT) و تست پایداری اکسیداسیون توربین (ASTM D943) اندازهگیری میشود، به میزان زیادی افزایش دهند. در نتیجه، روغنهای توربین جدیدتر در مقایسه با فرمولهای قدیمیتر، ارزش پایداری اکسیداسیون بسیار بالاتری دارند.
تست اکسیداسیون مخزن تحت فشار چرخشی (RPVOT) یک روش پرکاربرد برای ارزیابی پایداری اکسیداسیون روغنهای روانکننده و روغن هیدرولیک است. این یک روش تست استاندارد است که معمولاً در صنعت نفت و گاز، صنعت خودروسازی و سایر بخشهایی که عملکرد روانکنندهها در شرایط اکسیداتیو حیاتی است، استفاده میشود. برخی از تولیدکنندگان روغن شروع به استفاده از مقادیر RPVOT به عنوان یک ویژگی کلیدی برای متمایز کردن روغنهای توربین خود خود در دنیای واقعی کردند. کاربران نهایی از مقادیر متمایزکننده در برگه های مشخصات روغن استقبال کردند زیرا تقریباً تمام مشخصات دیگر بین اغلب برندهای تولیدکننده روغن توربین بسیار مشابه هستند. بسیاری از روغنها در دهه گذشته تنها بر اساس مقادیر RPVOT انتخاب شدهاند. پیش از پرداختن به تاثیر نتایج RPVOT در فرمولاسیون روغن توربین به اساس کارکرد این تست میپردازیم.
نحوه عملکرد آزمایش RPVOT به طور معمول عبارت است از:
- آمادهسازی نمونه: نمونهای از روغن روانکننده یا مایع هیدرولیک مورد آزمایش در ظرف آزمایش قرار میگیرد. اندازه نمونه و هر گونه افزودنی اغلب با روش آزمایشی خاصی مشخص میشود.
- شرایط آزمایش: ظرف آزمایش برای جلوگیری از فرار اکسیژن آببندی شده است. سپس اکسیژن تحت فشار وارد ظرف میشود و شرایطی که روغن در حین کارکرد عادی در ماشینآلات تجربه میکند را شبیهسازی میکند. شرایط دما و فشار در طول آزمایش کنترل و حفظ میشود.
- چرخش: ظرف آزمایش با سرعت ثابت میچرخد. چرخش به اطمینان از توزیع یکنواخت اکسیژن در سراسر نمونه روغن کمک میکند و باعث اکسیداسیون میشود.
- مانیتورینگ: در طول آزمایش، پارامترهای مختلفی از جمله دما، فشار و زمان مورد بررسی قرار میگیرد. افت فشار درون ظرف در طول زمان نشانگر میزان اکسیداسیون روغن است. هر چه میزان افت فشار بیشتر باشد، روغن در معرض اکسیداسیون بیشتر است.
- تجزیه و تحلیل نتایج: نتایج آزمایش RPVOT معمولاً به عنوان زمان صرف شده برای وقوع یک افت فشار مشخص در ظرف گزارش میشود که اغلب بر حسب دقیقه بیان میگردد. زمانهای طولانیتر نشاندهنده پایداری اکسیداسیون بیشتر است، در حالی که زمانهای کوتاهتر نشان میدهد که روغن بیشتر مستعد اکسید شدن و تخریب است.
تست RPVOT برای ارزیابی عملکرد روانکننده و سیالات هیدرولیک بسیار مهم است و به سازندگان کمک میکند تا مناسبترین محصولات را برای کاربردهای خاص انتخاب کنند و اطمینان حاصل کنند که ماشینآلات به طور قابل اعتماد و کارآمد در طول زمان کار میکنند.
در حالی که آزمایش RPVOT برای ارزیابی پایداری اکسیداسیون این سیالات ارزشمند است، محدودیتهایی برای قابلیتهای پیشبینی آن وجود دارد. دلایل چنین ادعایی عبارت است از:
- برخی از آنتیاکسیدانهایی که مقادیر RPVOT بسیار بالایی تولید میکنند، پس از تخلیه، سطوح بالایی از مواد نامحلول تولید میکنند و ارتباط مستقیمی با تشکیل لجن و لاک در مدار روانکاری نشان میدهند. برای این منظور، استفاده از برخی ترکیبات شیمیایی آنتیاکسیدان که به مقادیر بسیار بالای RPVOT کمک میکنند، یکی از دلایل افزایش مشکلات لاک در توربینهای گاز و بخار بوده است.
- مقادیر RPVOT را میتوان به شدت تحت تأثیر افزودن برخی بازدارندههای خوردگی قرار داد. این گونههای افزودنی میتوانند اثرات کاتالیزور اولیه در آزمایش RPVOT را خنثی کنند، نتایج آزمایش را به غلط بهبود بخشند و نشانهای نادرست از خواص آنتیاکسیدانی سیال ارائه دهند. بازدارندههای خوردگی معمولاً پس از استفاده از روغنهای توربین به سرعت تخلیه میشوند، زیرا قطبی هستند و برای ایجاد یک لایه محافظ برای سطوح فلزی طراحی شدهاند. در برخی از فرمولاسیونها، مشاهده افت شدید مقادیر RPVOT در طول سال اول سرویس در نتیجه کاهش بازدارنده خوردگی، غیر عادی نیست.
- تست RPVOT تکرارپذیری بسیار کمی برای روغن های بالای 1000 دقیقه دارد و تست توصیه شده ASTM برای این فرمولها مناسب نیست. اکثر روغنهای توربین تجاری موجود در حال حاضر دارای مقادیر اولیه RPVOT بالاتر و در برخی موارد بسیار بالاتر از 1000 دقیقه هستند.
- اولین نشانه فیزیکی تجزیه سیال حاصل از این آزمایش، ایجاد محصولات تجزیه محلولی است که به تولید لاک یا وارنیش معروف هستند. اینها معمولاً به عنوان آلایندههای نرم نامیده میشوند. غلظت آنها به طور مستقیم اندازهگیری شده و با استفاده از روش رنگسنجی پچ غشایی (MPC) تحلیل میشوند. لاک یا وارنیش همچنان یک مشکل رو به رشد در سیستم های روانکاری، هیدرولیک امروزی است.
- اولین نشانه شیمیایی تخریب سیال با روند تخلیه آنتیاکسیدان اصلی یعنی آمین آروماتیک و فنلهای بازدارنده مشاهده میشود. در این مورد ولتامتری معمولاً روش انتخابی برای اندازهگیری آنتیاکسیدانها است.
آزمایش RPVOT به همان اندازه در فرمولهای قدیمیتر روغنهای توربین که هنوز در کاربردهای تولید بخار و آب به کار گرفته می شود، ارزش دارد. اگر مخزنی با برندها و فرمولاسیون مختلف روغنهای توربین دارید، انجام تست RPVOT به عنوان بخشی از یک آزمایشی کامل برای کمک به ارزیابی وضعیت سیال توصیه میشود.
روغنهای توربین نسل جدید به طور متفاوتی نسبت به روانکنندههای فرمول سنتی تجزیه میشوند. تخریب غیرخطی بیشتر روغنهای مدرن را میتوان به آنتیاکسیدان(های) خاص بکار گرفته شده و همچنین ویژگیهای مقاومت اکسیداتیو طبیعی کم پایههای گروه II و گروه III نسبت داد. در نتیجه، اکثر آزمایشهای استاندارد آنالیز روغن، هشدار کمی در مورد زمانی که روانکار شروع به تخریب و ایجاد رسوبات سیستم میکند، ارائه میدهد.
"استراتژیهایی برای نظارت موفق بر میزان تشکیل وارنیش" در مورد روش رنگسنجی اطلاعات بیشتری را میدهد.
ASTM D7843 برای ایجاد یک تست استاندارد با عنوان روش رنگسنجی غشایی ایجاد شد. این تست MPC نیز نامیده میشود.
"چگونه دادههای حاصل از آنالیز روغن را تفسیر کنیم؟" به توضیح روشهای پراهمیت در آنالیز روغن میپردازد.
طیفسنجی عنصری آزمایشی است برای تعیین غلظت فلزات سایش،آلاینده و افزودنی که در ساختار روانکننده استفاده میشود. غلظت فلزات سایش میتواند نشاندهنده سایش غیر طبیعی باشد.
استراتژیهای نظارت بر شرایط
تجزیه و تحلیل روغن ابزار اصلی برای تشخیص خرابی روانکننده اولیه در نیم قرن گذشته بوده است. اولین گام در تعیین خرابی روغن توربین، درک نحوه خرابی آن است. روشهای آزمایش سنتی برای نظارت بر سلامت اکسیداتیو روغنهای توربین مورد استفاده عبارتند از ویسکوزیته، عدد اسید و RPVOT. این آزمایشها برای آشکار کردن تخریب اولیه روغن توربین مهم است اما در مورد شناسایی تمایلات تشکیل رسوب در سیال کار چندانی انجام نمیدهند. اولین نشانه فیزیکی تجزیه سیال از این آزمایش، ایجاد محصولاتی است که به تولید لاک معروف هستند. اینها معمولاً به عنوان آلایندههای نرم نامیده میشوند. غلظت آنها به طور مستقیم و با استفاده از روش رنگسنجی پچ غشایی یا membrane patch colorimetry که به اختصار MPC نامیده میشود، قابل اندازهگیری است.باز هم تاکید میکنیم آزمایش RPVOT به همان اندازه که در فرمولهای قدیمیتر روغنهای توربین مورد توجه است میتواند در مورد روغن های جدید هم موثر واقع شود.
اهمیت RPVOT در نظارت بر روغن توربین
تست RPVOT در اواسط دهه 1960 به یک استاندارد ASTM تبدیل شد و چندین دهه برای کمک به کاربران نهایی در تعیین عمر مفید باقیمانده روغنهای توربین به کار رفته است. نگرانی فزایندهای در صنعت آنالیز روغن وجود دارد و این نگرانی در مورد استفاده از RPVOT در فرمولهای روانکننده مدرن که از سیستمهای آنتی اکسیدانی پیچیده استفاده میکنند نیز صادق است. دقت آزمون در عمل به طور قابل توجهی در مقایسه با دقت ثبت شده در استاندارد ASTM متفاوت است. ASTM D2272 تکرار پذیری 12 درصد و تکرارپذیری 22 درصد را برای روغن هایی با مقادیر کمتر از 1000 دقیقه میطلبد. از نظر عملی، تکرارپذیری آزمون به طور کلی بین 30 تا 50 درصد پذیرفته شده است. تکرارپذیری ضعیف آزمون RPVOT تفسیر آن را برای تحلیلگران داده بسیار دشوارتر کرده است.
اگر مخزنی با مارکها یا فرمولاسیون مختلف روغنهای توربین دارید، انجام تست RPVOT به عنوان بخشی از یک صفحه آزمایشی کامل برای کمک به ارزیابی وضعیت سیال توصیه میشود.
منبع
Livingstone, G. (2010) Rethinking condition monitoring strategies for today’s turbine oils. https://www.machinerylubrication.com/Read/24987/rethinking-condition-monitoring-strategies-turbine-oils.
سوالات متداول
آلایندههای رایج عبارتند از آب، ذرات معلق، محصولات جانبی اکسیداسیون، سوخت و نشت مایع خنککننده.
علائم شامل افزایش غیرعادی ویسکوزیته، اسیدیته یا محتوای آب، آلودگی بیش از حد ذرات، سطوح غیرطبیعی فلز سایش، و تغییر در رنگ یا بو روغن است.
هر دو گزینه بسته به منابع، تخصص و در دسترس بودن تجهیزات قابل اجرا هستند. نظارت داخلی کنترل و انعطاف بیشتری را فراهم میکند اما ممکن است نیاز به سرمایهگذاری در تجهیزات و آموزشهای تخصصی داشته باشد. برونسپاری به آزمایشگاههای معتبر، تخصص و روشهای تست استاندارد را ارائه میدهد، اما هزینههای اضافی در بر دارد.
