آنالیز روغن توربین های بخار

با درود بیکران به کلیه بازدیدکنندگان و مخاطبین محترم که اغلب از پیام های مهرآمیز و نوازش ها و تشویق های دلگرم کننده آنان بهره مند می شوم. مقصد و مقصود از این پست، ارائه راهنمایی لازم در نظارت بر سلامت عملکرد توربین های بخار از طریق آنالیز روغن است.

الف) مقدمه

روغن های توربینی، بویژه توربین های بخار، در معرض گستره وسیعی از عوامل مخرب فیزیکی و شیمیایی هستند که از آن جمله می توان به شوک های شدید حرارتی، انحلال هوای شناور، انحلال رطوبت، آلودگی به گرد و غبار و لجن، و اختلاط ناخواسته با دیگر روغن ها اشاره کرد که هر یک به تنهایی می توانند دفعتا یا به تدریج سیستم روغن را از هم پاشیده و عملکرد آن را دچار اختلال کنند. چه برسد به اینکه با هم ترکیب هم بشوند!

از دیدگاه آنالیز روغن و تحلیل خرابی در توربین های بخار، دو مکانیزم را می توان در تخریب ساختار روغن های توربینی دخیل دانست:

- اکسیداسیون:

اکسیداسیون، در واقع، فرآیندی شیمیایی است که طی آن اکسیژن با ملکول های روغن واکنش داده و محصولات متنوعی مانند اسید کربوکسیلیک را تولید می کند. سرعت این واکنش و تنوع محصولات ناشی از آن تابع عوامل متعددی است که از آن میان می توان به دما بعنوان مهمترین عامل یاد کرد. بطوریکه با هر افزایش 10 درجه سلسیوسی، سرعت واکنش اکسیداسیون دو برابر می گردد. عوامل موثر دیگری نیز هستند که از آن میان می توان به حضور کاتالیزور هایی مانند ترکیبات هیدارته، هوا (در هر یک از مکانیزم های انحلال آن در روغن)، برخی از ترکیبات فلزی، و فشار اشاره کرد.

- تجزیه حرارتی:

تجزیه حرارتی عبارتست از تجزیه شیمیایی ساختار روغن در اثر اعمال حرارت که منجر به تولید کامپاند های انحلال ناپذیری در ترکیب جریان روغن می گردد که از جمله معروفترین آنها می توان به کامپاند های انحلال ناپذیر پنتان اشاره کرد. وقوع تجزیه حرارتی تابع عوامل متعددی است که از آن میان می توان به میکرودیزلینگ (برای اطلاعات بیشتر درباره مکانیزم این فرآیند به پست «تشخیص آلودگی روغن با آب و هوا» در همین وبلاگ توصیه می شود)، تخلیه شارژ الکترواستاتیک، و شوک حرارتی اشاره کرد. میکرودیزلینگ، بنا به تعریف، نوعی احتراق (و نه اشتعال!) است که توسط حباب های ناپایدار هوا در جریان روغن ایجاد شده و منجر به تولید درجه حرارت هایی گاه تا 1000 درجه سلسیوس می گردد.

به مرور زمان ثابت شده است که انواع مختلفی از روغن های پایه دارای رفتار متفاوتی از دیدگاه مقاومت به اکسیداسیون یا تجزیه حرارتی هستند (برای اطلاعات بیشتر در مورد انواع روغن های پایه و مشخصات هر یک، مراجعه به پست «انواع روغن های پایه» در همین وبلاگ توصیه می شود). بعنوان مثال، روغن های توربینی که از روغن پایه گروه II و III، همراه با ادتیو های آنتی اکسیدان بخصوصی از گروه فنول ها و آمین ها در ساختار خود تشکیل شده باشند، رفتار غیرخطی در طول زمان در برابر اکسیداسیون و تجزیه حرارتی از خود نشان می دهند. درمقایسه با روغن های پایه گروه I که رفتاری کاملا خطی را از خود به نمایش می گذارند. نمودار شکل 1 را ببینید.

شکل 1: نمودار نوعی رفتار روغن های پایه گروه I، II، و III در برابر تجزیه حرارتی در طول زمان

اما، این رفتار غیر خطی مضراتی نیز دارد که بزرگترین آنها ایجاد خطا در نتایج تست های معمول آنالیز روغن است. چراکه تست های معمول آنالیز روغن (که راجع بدانها بیشتر صحبت خواهیم کرد) هیچ نتیجه هشدار آمیزی در خصوص آغاز فرآیند تجزیه شیمیایی و اکسیداسیون روغن بدست نداده و شک کارشناس آنالیز روغن را بر نمی انگیزند. حال آنکه، وقتی رفتار روغن در برابر اکسیداسیون و تجزیه حرارتی خطی باشد، کارشناس آنالیز روغن براحتی و سهولت می تواند روند فساد روغن را با چند تست ساده تشخیص دهد. از این رو، روغن های توربینی جدید، بیش از آنکه خیال مالکان تجهیز از نظر عملکرد و دوام را راحت کنند، موجب نگرانی کارشناسان آنالیز روغن هستند.

از دیدگاه درجه اهمیت و آمار خرابی، دو عامل تقلیل اثر ادتیو ها و سپس، تقویت حضور کامپاند های انحلال ناپذیر بیشترین سهم را در تغییر ساختار ملکولی روغن های توربینی بعهده دارند. البته، هرچند این دو عامل تقریبا در تمامی روغن های صنعتی نقشی یکسان برعهده دارند، اما میزان اهمیت آنها بسته به کاربرد و نوع روغن تغییر می کند. بعنوان مثال، در روغن های موتوری دیزل سنگین، تقویت حضور کامپاند های انحلال ناپذیر در جریان روغن عامل اول در آغاز روند اکسیداسیون و تجزیه شیمیایی (فساد) روغن محسوب می شود. اما، فارغ از نوع و کاربرد روغن، نتیجه فرآیند اکسیداسیون و فساد شیمیایی روغن همیشه یکسان است: تشکیل لجن و وارنیش. دو پدیده ای که در توربوژنراتور ها به وفور مشاهده می شود. لجن و وارنیش، علاوه بر نقش خود بعنوان محصول جانبی دو فرآیند اکسیداسیون و تجزیه حرارتی، در تضعیف سایر قابلیت های روغن های توربینی نیز نقش دارند که از آن جمله می توان به عدم انحلال پذیری و شناوری هوا در آنها اشاره کرد. بنابراین، شکی نیست که بمنظور پایش سلامت روغن هایی که باید در توربین های بخار وظیفه روانکاری را برعهده داشته باشند، مجموعه به هم پیوسته ای از تست ها نیاز است و کارشناس آنالیز روغن و پایش وضعیت باید در مورد چنین ادواتی دقت لازم را بخرج دهد. در بخش بعدی این مقاله، به شناخت آزمون های لازم بمنظور شناخت خواص روغن های بکار رفته در توربین های بخار و سنجش بُرد کفایتی هر یک خواهیم پرداخت.

ب) آزمون های روغن در توربین های بخار:

آزمون های آنالیز نمونه روغن توربین های بخار به دو دسته آزمون های استاندارد و آزمون های سوده شناسی تقسیم بندی می شوند. مقصود از آزمون های استاندارد، سلسله ای از آزمون ها هستند که هر یک بخشی از خواص شیمیایی، فیزیکی، و مکانیکی روغن های توربینی را نشانه رفته و نتایج آنها به تنهایی معنی و مفهوم کاملی نداشته و برای کارشناس آنالیز روغن قابلیت نتیجه گیری چندانی ندارند. اما، مجموعه آنها، در کنار یکدیگر، می تواند تصویر درست و واضحی از وضعیت سلامت توربین بخار بدست دهد. روش انجام این آزمون ها، اغلب براساس یک استاندارد بخصوص (در اینجا ASTM)، می باشد. فهرست کلی این آزمون ها عبارتند از:

- ویسکوزیته سینماتیک در دمای 40 درجه سلسیوس (ASTM D445)؛

- تست آب (روش کارل-فیشر) (ASTM D6304)؛

- ذرات انحلال ناپذیر (ASTM D4898)؛

- عدد اسیدی (ASTM D664)؛

- عدد قلیایی (ASTM D974)؛

- آنالیز عناصر به روش طیف سنجی (ASTM D5185)؛

- خورندگی و تولید زنگار (ASTM D665-A)؛

- انحلال ناپذیری در آب (IP 19)؛

- تست فوم (ASTM D892)؛

- دمای اشتعال (ASTM D92)؛

- آزاد کردن حباب های هوا (DIN 51636)؛

- استاندارد تمیزی (ISO 4406)؛ و

- Linear Sweep Voltammetry یا به اختصار: LSV (ASTM D6971)

البته، فراموش نشود که فهرست فوق تنها شامل آزمون های معمول و حداقلی در مورد روغن هایی است که قرار است در توربین های بخار کار کنند و بدیهی است که آزمون (ها)یی قابل اضافه شدن به لیست فوق، بنا به درخواست یا صلاحدید کارشناس آنالیز روغن مربوطه باشند. بعنوان مثال، آزمون های فرّوگرافی و طیف سنجی به روش FTIR برای آنالیز عناصر و در عین حال، سنجش اعداد اسیدی و قلیایی (برای اطلاعات بیشتر در این زمینه، به پست «عدد اسیدی، عدد قلیایی، و PH» در همین وبلاگ مراجعه بفرمایید) بجای استفاده از روش های ذکر شده در استاندارد های ASTM معمولا به لیست فوق اضافه می شوند. فایده تست های اخیر آن است که علاوه بر نظارت بر سلامت روغن توربین، بر وضعیت فرسایشی و سلامت قطعات آن نیز می توان بدین ترتیب نظارت کرد.

شکل 2: نمونه ای از گزارش آزمون یک نمونه روغن توربین بخار 26 مگاواتی زیمنس در یک مجتمع صنایع سلولزی (ISO VG46)

شکل 3: نمونه ای از گزارش آزمون FTIR برای روغن نو (چپ) و روغن توربینی کار کرده (راست)

آزمون فرّوگرافی که به شاخه سوم آنالیز روغن تعلق داشته و قدمت آن به اوایل دهه 70 قرن بیستم و در نیروی دریایی ایالات متحده باز می گردد (برای اطلاعات بیشتر، مراجعه به پست «آنالیز روغن چیست؟» در همین وبلاگ توصیه می شود). شماتیکی از اصول این تکنیک در شکل 4 نشان داده شده است.

شکل 4: اصول تکنیک فرّوگرافی

کاربرد اصلی فرّوگرافی، نه تنها در آنالیز خرابی پیشگیرانه، که در تحلیل روند فرسایش در برخورد روغن با قطعات دریافت کننده آن است. بدین ترتیب، می توان به تصویر کاملی از مکانیزم و روند فرسایش و خوردگی درون تجهیز (در اینجا: توربین های بخار) دست پیدا کرد. در تکنیک فرّوگرافی، رسوبات جامد معلق در نمونه روغن جدا شده و روی اسلایدی شیشه ای قرار می گیرند که بین دو قطب از یک آهنربا قرار دارد. پس از شستشوی روغن باقی مانده و بدست آمدن زمینه ای شفاف با ذرات ته نشین شده روی آن که به فرّوگرام معروف است، اسلاید زیر یک میکروسکوپ بیوکروماتیک قرار گرفته و وضعیت و کیفیت ذرات روی اسلاید بصورت چشمی سنجیده می شود (شکل 5 را ببینید).

شکل 5: نمونه ای از ذرات جامد قابل مشاهده در میکروسکوپ بیوکروماتیک روی فرّوگرام (بزرگنمایی 1000 برابر)

کارشناس آزمایشگاه، با رسیدن به این مرحله اقدام به دسته بندی ذرات مشاهده شده براساس سایز، شکل، غلظت، و ساختار متالورژیک نموده و مشاهدات خود را گزارش می کند. از اینجا به بعد است که کارشناس آنالیز روغن می تواند با استناد به این گزارش آزمون، درباره مکانیزم و نحوه فرسایش در توربین بخار اظهار نظر کرده و دستور تعمیراتی صادر کند.

ج) آزمون های فیلتر در توربین های بخار:

یکی از تکنیک هایی که در سطح پیشرفته آنالیز روغن مطرح می شود، آنالیز و آزمون فیلتراسیون و المان های فیلترینگ است. در توربوژنراتور ها، وقوع قوس های ناپایدار یا تخلیه الکتریکی ناشی از جابجایی بار الکتریکی استاتیک در سیستم روغنرسانی بسیار معمول است. منشا این اتفاق، حرکت ملکول های روغن و مالش آنها به سطوح بسیار کوچک (مانند سطوح مدیای درون فیلتر ها) است که موجب تولید بار الکتریکی ساکن می گردد. اما، از آنجا که هم روغن و هم خود فیلتر عایق الکتریکی محسوب می شوند، این بار الکتریکی تولید شده درون سیستم روغنرسانی می ماند و روی هم جمع می شود تا فرصتی برای تخلیه (رسیدن به یک قطعه فلزی یا منبع هیدراته بعنوان رسانای الکتریکی) بدست دهد. با وقوع تخلیه الکتریکی، شاهد جرقه ها یا قوس الکتریکی آبی رنگ و ناپایداری هستیم که طی چند میلی ثانیه، هزاران ولت انرژی الکتریکی را بسوی زمین مدار هدایت می کند. این قوس های الکتریکی، گرچه ناپایدار و زودگذر هستند، اما موجب تمرکز حرارتی شدیدی (در حدود 20 هزار درجه سلسیوس در هر بار تخلیه) می گردند که می تواند براحتی ملکول های هیدروکربنیک را تجزیه کند. این تجزیه الکتروشیمیایی، گرچه مقطعی و موضعی است، می تواند خواص روغن را بتدریج تغییر داده و از کارآیی آن بکاهد. یکی از نتایج خطرناک این تجزیه الکتروشیمیایی، تولید لجن و وارنیش است که موجبات گرفتگی فیلتر ها را فراهم می آورد (شکل 6). بهمین دلیل، تکنیک های مشاهداتی (با توسل به میکروسکوپ) ابداع شدند تا وضعیت فیلتر های تعویضی مورد آنالیز قرار گرفته و ذرات موجود در آنها از نظر سایز، رنگ، و ساختار متالورژیک شناسایی شوند.

شکل 6: نمونه ای از فیلتر های روغن تعویض شده یک توربین بخار که تحت زیر میکروسکوپ آنالیز شده اند (بزرگنمایی 200 برابر)

آنالیز فیلتر، یکی از بهترین ابزار های تحلیل خرابی به روش ریشه یابی (Root-Cause Failure Analysis) است که اطلاعات ذیقیمتی در اختیار کارشناس آنالیز روغن قرار می دهد. منتها، انجام صحیح این تست، کالیبراسیون ابزار، و تفسیر نتایج بدست آمده به تجربه فراوان و مطالعه عمیق نیازمند است. یکی از بهترین و کارآمدترین روش ها در آنالیز فیلتر، فرّوگرافی است که مشخصات کامل ذرات به دام افتاده در لابلای مش های فیلتر را بدست می دهد. توضیح اینکه، آنالیز فیلتر روی سه بخش پوسته فیلتر، مغزی فیلتر، و مش های فیلتر انجام می شود که هر یک نتایج خود را بدنبال داشته و نتیجه گیری از این تکنیک، بدون وجود اطلاعات از سایر بخش های فیلتر ممکن و معقول نیست. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه، به پست «آنالیز فیلتر» در همین وبلاگ مراجعه بفرمایید. نمونه ای از آنالیز مغزی فیلتر زیر میکروسکوپ در شکل 7 نشان داده شده است.

شکل 7: نمونه ای آنالیز مغزی فیلتر روغن یک توربین بخار زیر میکروسکوپ که نشاندهنده سوختگی های خال مانند در اثر تخلیه الکتریکی است (سمت چپ، بزرگنمایی 200 برابر، سمت راست، بزرگنمایی 1000 برابر)