علت تغییر رنگ در روغن PAG کمپرسور فرآیندی: مطالعه موردی

با اهدا سلام و تقدیم احترام به تمامی مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی

پیرو تبادل سوال و جواب روی داده بین نویسنده و یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ درباره مساله تغییر رنگ در نمونه یک روغن کمپرسوری تیپ PAG و نگرانی کادر زحمتکش و مظلوم تعمیرات روتاری از وقوع تغییر رنگ در روغن کمپرسور، تصمیم به نگارش مقاله ای در این خصوص با هدف تشحیذ اذهان خوانندگان محترم در خصوص تفسیر صحیح نتایج آنالیز روغن، بخصوص در مورد روغن های PAG، و لزوم بررسی و فرآیند نمونه گیری و صحه گذاری زنجیره آنالیز روغن (از نمونه گیری تا تفسیر و صدور دستور تعمیراتی) گرفتم.

شرح سوال: روغن یک کمپرسور اسکرو oil inject شرکت GHH RAND شامل 400 لیتر روغن گلایکول 11 و 22 از هرکدام 200 لیتر میباشد. طبق عکس ها روغن تغییر رنگ غیرعادی داشته و نتایج آزمایشگاهی نشان از افزایش غیرمجاز CU بوده است. آیا مس باعث تغییر روغن شده است؟ کمپرسور احیای نیتروژن هستش که گازهای دیگه ای همانند پروپیلن و شبیه به آن در پروسس وجود دارند، نسبت تراکم 1 به 16

P_suction= 29.4 psia

P_discharge= 235.2 psia

دو مخزن 200 لیتری گلایگول 11 و 12 وظیفه روغنرسانی به کمپرسور را بعهده دارند. بصورت مجزا  جایی مخلوط نمی شوند و درون مخزن کمپرسور تخلیه می شوند. دمای کارکرد روغن با دمای گاز نیتروژن باید یکی باشد که 80 تا 90 درجه سلسیوس است.

شکل 1: وضعیت فیلتر روغن به تغییر رنگ روغن PAG توجه کنید

شکل 2: استرینر ورودی به کمپرسور که روغن در سیستم گردش داشته

می دانیم که این نوع روغن آب دوست هستش و تمایل به جذب ترکیبات هیدراته دارد و در خرابی های پرتکرار قبلی ویسکوزیته تغییرات بسیاری داشته و در نتیجه باعث بالا رفتن ‌پیک های ارتعاشی بیرینگ ها وخرابی روتور بوده است و پس از رفع عیب و عارضه یابی در نوبت اخیر این اتفاق افتاد (تغییر رنگ).  البته با توجه به مشکلات تامین روغن، از یک شرکت جدید تامین صورت گرفت که به اصالت روغن و نوع ادتیوهای بکار رفته شک داشتیم که این تغییر رنگ اتفاق افتاده و باعث نگرانی کادر تعمیراتی شده...لازم به ذکر است در مدارک شرکت سازنده تعویض روغن در هر 2000 ساعت میباشد که زمان بسیار کوتاهی است.  این پکیج احیای نیتروژن به دلیل وجود گاز (mixed gas) در سیال، در برخی موارد انحلال گاز  در روغن داریم. پکیج مربوط به جداسازی نیتروژن و پروپیلن هستش، بحث انحلال مربوط به گازهای هیدروکربنی مانند پروپیلن میباشد، البته شرکت بورسیگ (طراح این پکیج) عنوان داشته که این نوع روغن مقاومت بسیار بالایی نسبت به انحلال گاز دارد. نتایج آنالیز روغن واصله از آزمایشگاه معتمد به شرح زیر است:

شکل 3: بخشی از منوآل سازنده کمپرسور که به به برند و گرید ویسکوزیته روغن مصرفی برای این تجهیز اشاره کرده است

شکل 4: برگ اول فرم اعلام نتایج آنالیز روغن واصله از آزمایشگاه معتمد، شامل آزمون پراکندگی عناصر، آزمون PQ، ویسکوزیته، و عدد اسیدی

شکل 5: برگ دوم فرم اعلام نتایج آنالیز روغن واصله از آزمایشگاه معتمد، شامل آزمون تمیزی روغن (PD test)

این مقاله را ابتدا با مقدمه ای بر روانکارهای کمپرسوری و بیان خواص مورد انتظار از آنها و تست ها و استاندارد های لازم برای تعیین کیفیت و عملکرد آنها آغاز کرده و در ادامه به بررسی و تفسیر نتایج آنالیز روغن واصله از آزمایشگاه معتمد (شکل های 4 و 5 را ببینید) خواهیم پرداخت و در نهایت، به نتیجه گیری و ارائه راهکار پیشنهادی خواهیم رسید.

1. مقدمه ای بر روغن های PAG کمپرسوری و انحلال پذیری آنها در گاز

انتخاب روانکار مناسب برای تجهیزی مانند یک کمپرسور به عوامل ذیل وابسته است:

- نوع و ساختار کمپرسور

- نوع گازی که قرارست متراکم شود

- نسبت تراکم

- دمای خروج گاز از کمپرسور

استاندارد ISO 4763-3 روال و دستورالعملی را برای طبقه بندی روغن های کمپرسوری براساس نوع تجهیز و شرایط عملکردی آنها ارائه داده است [1] که برای کمپرسور موضوع این مقاله، مراجعه به جدول 2، صفحه 4، این استاندارد توصیه می شود [2].

عل ایحال، رایجترین مشکلات مربوط به روغن های کمپرسوری عبارتند از:

- افزایش ویسکوزیته و عدد اسیدی کل؛

- خوردگی مس (که باعث سبزرنگ شدن روغن می شود)

- تشکیل لجن

- انحلال مقداری از روغن کمپرسور درون جریان گاز خروجی از کمپرسور

- انسداد استرینر روغن

- خرابی برینگ ها

با این اوصاف، یک روغن کمپرسور بمنظور روغنرسانی موفق به قطعات و اجزای این تجهیز باید از خواص زیر برخوردار باشد:

- مقاومت به اکسیداسیون

- بازه عملکرد دمایی بالا (شامل دمای اشتعال خودبخودی بالا، دمای ریزش پایین، و شاخص ویسکوزیته بالا)

- تبخیرپذیری پایین

- عملکرد عالی در مقاومت به سایش

- انحلال ناپذیری خوب

- مقاومت مکفی به خوردگی

- مقاومت به شوک حرارتی و اکسیداسیون ناشی از آن

- بازدارندگی در برابر خوردگی و تشکیل محصولات خوردگی

- پایداری هیدرولیتیک

- سازگاری شیمیایی با انواع مواد (اعم از مواد تشکیل دهنده گسکت ها، واشرها، و...)

- عدم تمایل به تشکیل لجن

- تمایل اندک به کم کردن روغن در تجهیز

- عدم تمایل به تشکیل کف

- عدم سمی بودن

قبلا درباره روغن های PAG در این وبلاگ معرفی های لازم انجام شده است. لذا توصیه می شود در این خصوص به مقاله «روغن های PAG از نگاه نزدیک: مطالعه موردی» مراجعه شود. اما، از دیدگاه انحلال ناپذیری، عملکرد روغن های PAG کمپرسوری در برابر انحلال گاز طبیعی و سایر هیدروکربن ها در مقایسه با انواع مینرال و سینتتیک هایی مانند PAO بسیار بهترست که البته بدلیل شباهت ساختاری ملکول های روغن های مینرال و انواع هیدروکربن ها و در عین حال، قطبیت اندک رو به صفر روغن های سینتتیک PAO، رفتاری بدور از انتظار نبود. این در حالیست که روغن هایی مانند خانوده دی اِسترها، و PAG ها، بدلیل وجود اتم اکسیژن در پیکره پلیمری (Polymer backbone) آن بویژه در مورد روغن های PAG، از ساختاری کاملا قطبی [1,3] برخوردارند. بنابراین، طبیعیست که هیدروکربن ها در PAG ها نامحلول باشند. این خصیصه، بویژه در مورد روانکاری کمپرسورهای رفت و برگشتی و اسکرو که از سیستم روغنرسانی Wet Sump برخوردار بوده و از این رو گاز متراکم شده و روانکار در تماس با یکدیگر قرار می گیرند، اهمیت زیادی پیدا می کند [1]. تماس عامل روانکاری کمپرسور با گاز تحت تراکم می تواند منجر به کاهش محسوس در ویسکوزیته روغن شود. اما، شدت و ضعف افت ویسکوزیته است که در اینجا مهم است. چراکه افت ویسکوزیته بشدت روی ضخامت فیلم روغن تاثیر منفی گذاشته و ریسک خرابی برینگ ها را بالا می برد. به شکل 6 نگاه کنید. در این نمودار، واکنش دو روغن PAG و مینرال به انحلال با گاز پروپان در دمای 60°C به نمایش درآمده است.

شکل 6: مقایسه ایی از روند افت ویسکوزیته دو روغن PAG و مینرال در برابر انحلال با گاز پروپان در دمای 60°C (شرایط دما-ثابت) [4]

همانطور که در شکل 6 هویداست، تمایل به افت ویسکوزیته در عین افزایش فشار در مورد روغن PAG بسیار با ثبات تر از روغن مینرال است.

با توجه به دمای کاری روانکار که 80 تا 90 درجه سلسیوس است و اذعان به اینکه پیشتر از این مواردی از انحلال گاز در روانکار دیده شده است، می توان نمودار مندرج در شکل 7 را بعنوان معیاری اولیه از رفتار روغن PAG در زمینه انحلال پذیری در مواجه با گاز هیدروکربنی مانند پروپان مورد توجه قرار داد:

شکل 7: انحلال پذیری گاز هیدروکربنی در PAG-220 در شرایط دما-ثابت [1]

همانطور که در شکل 7 مشهودست، در شرایط دما-ثابت و با افزایش فشار، میزان انحلال هیدروکربن در PAG افزایش یافته و شیب این افزایش انحلال پذیری با افزایش دما از 20 به 70°C باندازه 3.4 برابر رشد می کند (جدول 1 را ببینید).

جدول 1: ضوابط ریاضی حاکم بر منحنی های نشان داده شده در شکل 7

ذکر این نکته لازمست که ضوابط ریاضی استخراج شده از شکل 7 که در جدول 1 نشان داده شده اند، جملگی با تکیه بر برازش منحنی با استفاده از تکنیک Data Interception استحصال شده و همگی تا دو رقم اعشار گرد شده اند. در عین حال، سطور هایلایت شده در جدول 1 نشاندهنده استخراج اعداد و ارقام با استفاده از برازش منحنی است.

جدول 1 در کنار نمودار شکل 7 نشان می دهد که برای یک روغن PAG-220 نوعی، انحلال پذیری در برابر نفوذ گاز هیدروکربنی در دمای 80 درجه سلسیوس که موضوع این مقاله است، نسبت به دمای متعارف 20°C بیش از چهار برابر رشد می کند.

برعکس این قضیه زمانی صادق است که فشار گاز خروجی از کمپرسور ثابت فرض شود (شکل 8). در چنین شرایطی، افزایش دما با روندی خطی منجر به کاهش تمایل روغن PAG به انحلال پذیری گاز هیدروکربنیک خواهد شد [1].

شکل 8: انحلال پذیری گاز هیدروکربنی در PAG-220 در شرایط فشار-ثابت [1]

از این گذشته، با عنایت به اینکه کمپرسور موضوع این مقاله در یک پکیج جداسازی نیتروژن (N₂) از پروپیلن نصب است، بنابراین مطالعه انحلال پذیری گاز ازت در دو روغن PAO و PAG و مقایسه آنها با یکدیگر نیز خالی از لطف نیست. به نمودار مندرج در شکل 9 نگاه کنید.

شکل 9: انحلال پذیری گاز نیتروژن در دو روغن PAO و PAG [1]

بنابراین و تابدینجای کار می توان نتیجه گرفت که ادعای شرکت بورسیگ در مورد مقاومت روغن PAG در برابر انحلال گاز میکس (ترکیب نیتروژن و پروپیلن) کاملا درست است.

2. بررسی و تفسیر نتایج آنالیز روغن

نتایج تست های انجام شده بمنظور پایش سلامت روغن PAG این کمپرسور فرآیندی در شکل های 4 و 5 نشان داده شده است. در ابتدا لازمست بدانیم که برای سنجش سلامت یک روغن کمپرسوری چه تست هایی و براساس چه استانداردی لازمست؟ پاسخ به این سوال را می توان در جدول 2 یافت:

جدول 2: تست های یک روغن کمپرسوری [1]

بدین ترتیب، در مورد نتایج حاصله از تست های سفارش داده شده توسط کارفرما به آزمایشگاه معتمد می توان گفت: اظهارنظر آزمایشگاه محترم کاملا غلط است. اول اینکه این برگه نتایج آنالیز با پیش فرض آنالیز روغن موتور تدوین شده است؛ ولی، منتهای مراتب، نمونه روغن شما PAG کمپرسوری است که رفتاری کاملا متمایز با رفتار یک روغن موتور دارد.

دوم اینکه افزایش میزان سیلیسیم (Si) در نمونه روغن همیشه به معنای ورود گردوخاک به جریان روغن نیست! در مورد برخی روغن های موتوری، آنهم در برخی مواقع، بله! تازه اینهم باید در هارمونی با رفتار ریاضی شاخص های دیگری باشد و نمی توان نتیجه گیری مستقیم کرد. این نتیجه گیری و اظهارنظر آزمایشگاه محترم کاملا عجولانه است.

سوم اینکه عمر روغن کمپرسوری شما کمی کمتر از 500 روزست و نمونه گیری نیز منظم نیست. افزایش و کاهش شدید در عناصر شیمیایی نیز با توجه به اندک بودن مقدار نمونه روغن (5 سی سی) طبیعی است و نمی توان گفت که زنجیره آنالیز روغن (نمونه گیری، ارسال به آزمایشگاه، آنالیز، و گزارش دهی) غلط است! نمودار های زیر را ببینید:

شکل 10: رفتار سه وجهی سیلیسیم، آهن، و ذرات جامد درون نمونه روغن

نمودار شکل 10 نشاندهنده رفتار غیرهارمونیک Si در برابر فرسایش است. اگر فرسایش با توجه به ورود گردوخاک اتفاق می افتاد، پس رفتار Si در برابر آهن و به تبع آن، PQ باید هارمونیک می بود...که نیست!

رفتار آهن و PQ را اما می توان تحلیل کرد بصورت جداگانه که آیا هارمونیک هستند یا نه؟ البته که این نمودار نشاندهنده آنست که order نمو Si با نمو آهن و PQ کاملا متفاوت است. نمودار شکل 11 را ببینید.

شکل 11: نمو آهن و PQ

همانطور که در نمودار شکل 11 هویداست، تغییرات آهن و PQ نمونه روغن ارسالی هارمونیک است. این نشاندهنده کفایت و صحت نمونه گیری و آنالیز است. بنابراین نمی توان زنجیره آنالیز روغن را زیر سوال برد.

برداشت من از این نمودار اینست که روغن شما عملکرد فرساینده نداشته و در حال طی دوران عملکردی خود بوده است.

دومین دلیل برای رد ادعای آزمایشگاه در خصوص ورود گردوخاک و اینها را می توان در آنالیز نسبت سیلیسیم به آلومینیوم دید...شکل 12 را ببینید. رفتار شاخص Si/Al خود گویای همه چیزست و حتی نیاز به تفسیر و تاویل نیست!

شکل 12: نمو شاخص ورود گردوخاک به جریان روغن...نسبت سیلسیم به آلومینیوم (سیلیکا به آلومینا)

با این تفاسیر، اگر نظریه خرابی آزمایشگاه معتمد مبنی بر ورود آلودگی محیطی (گرد و خاک و غبار) به جریان روغن کمپرسور صحیح نیست؛ پس تغییر رنگ روغن (شکل 1 را ببینید) ناشی از چیست؟!

این سوالیست که در بخش بعدی مقاله به پاسخ آن خواهیم رسید.

3. تغییر رنگ روغن ناشی از چیست؟

عکس های ارسالی نشانه تغییر رنگ روغن است. این در حالیست که اگر روغن وارد فاز فرسایندگی شده بود (در اثر ورود گردوخاک و اینها...)، باید Si در برابر آهن و PQ نمو هارمونیک می داشت (که دیدیم ندارد!)، شاخص Si/Al باید در محدوده صحیح نمو می کرد و میزان TAN نیز نوسان شدید می داشت که ندارد!

پس این روغن فرساینده نیست. تغییر رنگ داشته است که باعث نگرانی کادر تعمیراتی شده ... اما تغییر رنگ نشانه چیست؟

در آنالیز روغن های موتوری، هیدرولیک، و توربینی، تغییر رنگ (مخصوصا تیره شدن) نشانه اکسیداسیون است که شرح مکانیزمش را در مقاله ادتیوها (بخش مربوط به آنتی اکسیدان ها) گفته ام.

پس روغن شما دچار اکسیداسیون شده که رنگش تیره شده است؟!

پاسخ منفیست! چراکه جمله فوق برای حالتی درست است که روغن مینرال باشد. حال آنکه روغن مورد مطالعه  PAG است و یکی از مقاومترین روغن ها به پدیده اکسیداسیون به شمار می رود. در عین حال، اکسیداسیون زمانی معنا دارد که انحلال هوا داشته باشیم در جریان روغن...حال آنکه این کمپرسور سیال عاملش اصلا هوا نیست و یک گاز کاملا نجیب در بحث اکسیداسیون (نیتروژن) است که اصلا در فرآیند اکسیداسیون شرکت نمی کند! پس تغییر رنگ روغن شما نباید در اثر اکسیداسیون رخ داده باشد. تغییر رنگ در اثر ورود ذرات جامد و فرسایش نیز نیست...هم نمودار شماره 2 و هم برگه نتیجه آزمون NAS (تست تکمیلی آزمایشگاه) نیز این نتیجه را تایید می کنند. روغن شما از نظر ذرات خارجی تمیز است!

از سوی دیگر، نظریه اکسیداسیون یک روغن کمپرسوری زمانی می تواند قوت بگیرد که روغن از خود رفتار اسیدی نشان دهد. این یعنی تغییرات TAN و pH (که این دومی در تست سفارش داده نشده توسط پتروشیمی رجال!) باید هارمونیک باشد. البته چون مقدار pH را اندازه نگرفته آزمایشگاه، می توان به نمو TAN نگاه کرد. این نمو عاری از نوسان شدید در مقایسه با تغییرات عناصری چون سیلیسیم، آلومینیوم، مس، و آهن است. در عین حال، باید علاوه بر این موارد، میزان ویسکوزیته روغن نیز باید دستخوش تغییرات شدید می شد...که نشده است!

خب پس تغییر رنگ در این روغن نشانه چیست؟! اگر روغن سالم است (اصطلاح راه آهنی است...!) پس چرا تغییر رنگ داشته؟!

پاسخ به این سوال را باید در ترکیبات روغن PAG مصرفی جستجو کرد. همانطور که احتمالا (!) می دانید، روغن های PAG آبدوست بوده و تمایل زیادی به جذب ترکیبات هیدراته دارند. این عامل می تواند منجر به تغییر رنگ روغن PAG در تقابل با تقلیل اثر برخی از ادتیوهای آن (همان Additive depletion) شود که بیشتر شامل ادتیو های EP و AW است. تقلیل اثر این تیپ ادتیوها که به مرور اتفاق می افتد می تواند منجر به آزاد شدن برخی ترکیبات شیمیایی در جریان روغن شود که حضور آب بعنوان یک ترکیب قطبی در جریان روغن در همراهی با این ترکیبات معمولا معدنی اثراتی چون تغییر رنگ را رقم خواهد زد که تا زمانی که روی عملکرد روغن اثر نداشته باشد، مشکلی ایجاد نمی کند.

4. نتیجه گیری و ارائه راهکار

روغن شما سالم است و در حال طی دوران عمر خود است. این روغن مشکلی برای کار در تجهیز شما ندارد. انجام تست های تکمیلی مانند RPVOT توصیه نمی شود (هدر دادن وقت و پول است و تفسیر آن نیز کار هر کسی نیست!). شاخص هایی که باید در آنالیز های بعدی سفارش دهید به شرح زیر تقدیم شده است:

- TAN vs pH

- VI (kV40 & kV100)

- PQ vs Fe

5. منابع و مآخذ

در نگارش این مقاله در رابطه با انحلال پذیری گاز فرآیندی در جریان روغن PAG کمپرسوری و تاثیر آن بر پارامترهای آنالیز روغن، علاوه بر تجربیات و مشاهدات شخصی، از منابع زیر نیز بهره برداری شده است که فهرست کوتاهی از آنها جهت مطالعه بیشتر خوانندگان محترم در این حوزه به شرح زیر تقدیم شده است:

1. G.E. Totten, R.J. Bishop, Natural Gas Compressor Maintenance and Lubricant Requirements, Web article, available at https://www.machinerylubrication.com/Read/393/natural-gas-compressors-maintenance , accessed February 19, 2023;

2. International Organization for Standardization (ISO), ISO 6743-3:2003(E), Lubricants, oils and related products (class L) — Classification — Part 3: Family D (Compressors), First edition 2003-10-15, http://www.iso.org;

3. D. Beatty, M. Greaves, Polyalkylene Glycol Synthetic PAG Oil Explained, Machinery Lubrication (9/2006), Web article, available at https://www.machinerylubrication.com/Read/930/pag-synthetic-oil, Accessed February 19, 2023;

4. FUCHS Europe Schmierstoffe GmbH, RENOLIN LPG: High-performance synthetic gas compressor lubricants based on polyalkylene glycol (PAG), Product Information, PI 4-1071; PM 4 / 08.08, http://www.fuchs-europe.de