کشش سطحی روغن

با درود و مزید احترام

هدف از این پست، ارائه پاسخ به سوال مطرح شده در بخش نظرات پستی با عنوان «آنالیز روغن گیربکس درایر: مطالعه موردی» در همین وبلاگ می باشد که شرح آن در ذیل آمده است:

«لطفا در این خصوص توضیح بیشتری بفرمایید:

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.

لطفا بفرمایید دقیقا چگونه الودگی موجب اخلال در عملکرد ادتیوهای ضد کف روغن میگردد؟»

از آنجا که این سوال کاملا پایه ای بوده و پاسخ بدان در حوصله سوال و جواب های کوتاه در بخش نظرات هر پست نبود، تصمیم گرفتم که خارج از نوبت پاسخ این سوال را در قالب پستی جداگانه در وبلاگ بفرستم. امیدوارم توضیحات ارائه شده در این پست، راهگشای مشکلات و مسائل بعدی دیگر مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی باشد.

در پست یاد شده فوق، در شکل شماره 4، نمایه ای از مکانیزم عمکلرد ادتیو های ضد کف در روغن نشان داده شده بود که در شرح و توضیح آن به تاثیر کشش سطحی روغن روی عملکرد این دسته از ادتیو ها اشاره شده بود. لذا، قبل از هر چیز، لازم است که کشش سطحی روغن معرفی شده و نحوه اندازه گیری آن توضیح داده شود. بنابراین، در این پست، ابتدا کشش سطحی روغن معرفی شده و سپس عوامل موثر بر آن، با تمرکز بر آلودگی محیطی (ذرات جامد و...) مورد بحث قرار خواهند گرفت.

الف) کشش سطحی چیست؟

بمنظور درک بهتر موضوع، مساله را به زبان ساده و مثالی مطرح می کنیم. لایه ای از ملکول های سطح روغن را در نظر بگیرید که در تماس با ملکول های هوا هستند (شکل 1). این ملکول ها از دو طرف تحت نیروی جاذبه قرار دارند: ملکول های روغن لایه های زیرین خود که در تماس با هوا نیستند و ملکول های هوا که در تماس با آنها هستند. اگر میزان قدرت این نیروی جاذبه را در نسبت عکس با فاصله منبع جاذبه (ملکول های اطراف) فرض کنیم، قدرت جاذبه وارده به ملکول های سطح روغن از طرف ملکول های هوا به مراتب کمتر از نیروی جاذبه ای است که از طرف ملکول های روغن زیر لایه سطحی به ملکول های تشکیل دهنده این لایه وارد می شود. این کش و قوس نامتعادل نیروهای جاذبه بین ملکولی در مرز بین روغن و هوا که آن را Interface می نامیم منجر به تشکیل لایه ای غشا مانند در سطح روغن می شود که تمایل شدیدی به اشغال کمترین مساحت را دارد. همین تمایل باعث می شود که این غشا از الگوی رفتار کششی تبعیت کند. درست به همین دلیل است که قطرات آب و باران درحال سقوط به شکل کروی درمی آیند. چراکه کره کمترین نسبت سطح به حجم را در میان سایر اشکال هندسی دارد.

شکل 1: نمای شماتیکی از تبادل نیروی جاذبه به لایه سطحی روغن در تماس با هوا

حتی اگر این کش و قوس را بین دو سیال غیرممزوج مانند روغن و آب در نظر بگیریم، همین داستان دوباره اتفاق افتاده و شاهد ناهمترازی نیرو های جاذبه وارده به ملکول های روغن خواهیم بود. منتهای مراتب، در این حالت کشش سطحی (Surface Tension) جای خود را به پدیده کشش بین سطحی یا Interfacial Tension می دهد که در این پست مد نظر ما نیست.

کشش سطحی چه نقشی در تعیین کیفیت روغن و آزمون های آنالیز روغن دارد؟

این سوال ممکن است از آن جهت مطرح شود که در بسیاری از گزارش های روتین آزمایشگاه برای آنالیز روغن و آزمون های تعیین کیفیت نمونه روغن نو یا کارکرده، اثری از آزمون کشش سطحی به چشم نمی خورد و تنها در تعیین کیفیت روغن های ترانسفورماتور است که آزمون کشش سطحی را آزمونی معمول می دانند. اما، علت این عدم رواج چیست؟ اشکال کار در کجاست؟

البته، شاید برای خوانندگان این پست بسیار جالب باشد که بدانند در بسیاری از منابع آنالیز روغن، تغییر در مشخصات کشش سطحی روغن بعنوان نشانه ای مستقیم و پیش آگهی از آلودگی نمونه روغن، تمایل آن به لجن زایی، و اکسیداسیون محسوبب می شوند. به استناد کتاب «روغنرسانی به ماشین آلات صنعتی و دریایی»، نوشته ویلیام جی. فوربس (1943)، «آزمون IFT یا Interfacial Tension Test ارزشمندترین آزمونی است که می تواند بمنظور سنجش سلامت روغن های توربینی مورد استفاده قرار گیرد. این اصل پذیرفته شده است که وقتی کشش بین سطحی در بازه 15~20 dyne/cm باشد، تمایل به رسوب ذرات جامد در جریان روغن افزایش یافته و تعویض روغن می تواند تنها راهکار نجات تجهیز در این بازه از کشش بین سطحی باشد».

کشش سطحی چگونه اندازه گیری می شود؟

یکی از رایجترین روش های اندازه گیری کشش سطحی (ST) یا کشش بین سطحی دو سیال مانند آب و روغن (IFT) استفاده از تانسیومتر (کشش سنج) دونوا (DuNouy Tensiometer) است که براساس اصل ساده تراز نیرو های جاذبه بین ملکولی کار می کند که بالاتر بیان شد (شکل 2 را ببینید). این روش در استاندارد های ASTM D971 و ASTM D1331 تعریف شده است.

شکل 2: شماتیکی از اساس کار تانسیومتر دونوا

در این آزمون، نیروی لازم بمنظور بالا کشیدن یک رینگ ساخته شده از مفتول پلاتینی از سطح روغن اندازه گیری شده و بعنوان کشش سطحی (ST) روغن نمایش داده می شود. این آزمون برای اندازه گیری نیروی کشش بین سطحی (IFT) در محل غشا بین روغن و آب نیز کاربرد دارد (شکل 3). واحد اندازه گیری نیروی کشش سطحی دین (dyne) بر سانتیمتر است که برابر با mN/m می باشد.

شکل 3: شماتیکی از نحوه انجام آزمون کشش بین سطحی غشای بین روغن و آب

روش دیگری هم برای اندازه گیری کشش بین سطحی روغن (IFT) نیز وجود دارد. این روش که در استاندارد ASTM D2285 تعریف شده، کاهش قدرت عایقی روغن در برابر جریان الکتریکی را هدف می گیرد که اغلب در اثر اکسیداسیون یا آلودگی محیطی (اغلب گرد و غبار) رخ می دهد. این آزمون که بیشتر در مورد روغن های ترانسفورماتور کاربرد دارد، با استفاده از یک وزنه (بجای رینگ در روش فوق) انجام می شود.

اما، فارغ از اینکه آزمون تعیین کشش سطحی یا بین سطحی روغن با توسل به کدامیک از روش های فوق انجام شود، دقت نتایج حاصله از چند عامل تاثیر می پذیرد که از جمله مهمترین این عوامل می توان به نظافت و پاکیزگی دستگاه تست، میزان و نحوه تحریک روغن (بمنظور معلق سازی ذرات جامد)، تغییرات دمایی، و آلودگی سهوی نمونه روغن (اغلب ناشی از ظروف حمل یا نگهداری آن در آزمایشگاه یا هر یک از مراحل نمونه گیری و حمل) اشاره کرد. در حالت کلی، و بنا به تجربه شخصی نویسنده این پست، تجدید پذیری نتایج آزمون در هر یک از سه روش فوق دور از انتظار است و این مهمترین دلیل عدم رواج تست کشش سطحی در مورد انواع روغن های صنعتی (بغیر از روغن ترانسفورماتور) است.

پس، علت عدم رواج این تست در بسیاری از گزارش های آزمون انواع روغن مشخص شد: عدم امکان تجدید پذیری، و تاثیر پذیری نتایج از آزمون از پارامتر های متعدد و مختلف.

ب) عوامل موثر بر کشش سطحی چیست؟

اکنون نگاه نزدیکتری به این عوامل و پارامتر ها خواهیم انداخت:

آلاینده ها: در مورد روغن های پایه، بجز برخی از سینتتیک ها، اغلب روغن های پایه مینرال و PAO (گروه های I تا IV) آبگریز محسوب می شوند (برای اطلاعات بیشتر در مورد گروه بندی روغن های پایه، مراجعه به پست «انواع روغن های پایه» در همین وبلاگ توصیه می شود). ساختار این روغن های پایه غیرقطبی است (برخلاف آب و سایر اجزای بکار رفته در ساختار ماشین آلات و تجهیزات) و همین باعث می شود که جذب یکدیگر نشده و تمایلی به هم نداشته باشند. آب خالص (یا مقطر) بدلیل قطبیت بالای آن کشش سطحی خوبی دارد و در مقابل، روغن پایه مینرال عاری از ناخالصی نیز بدلیل خاصیت غیرقطبی اش از کشش سطحی بالایی برخوردار است. تقابل این دو مشخصه متضاد را می توان با چکاندن یک قطره از روغن توربین در ظرفی از آب مقطر مشاهده کرد: قطره روغن به سطح آب آمده و شکلی عدسی (شبه کروی) به خود می گیرد تا از کمترین سطح تماس با آب برخوردار باشد. حال، اگر قطره ای از روغن کارکرده و آلوده را در همان ظرف از آب مقطر بچکانیم، شاهد سطح تماس بیشتری از قطره روغن با آب خواهیم بود. در واقع، قطره روغن کارکرده و آلوده سطح تماس بیشتری با آب ساخته و روی سطح آب پهن می شود. این رفتار بدلیل وجود ذرات جامد و آلاینده هایی در سیستم روغن است که برخلاف روغن، از خاصیتی آبدوست برخوردار بوده و با تمرکز در غشای مشترک بین دو سیال (روغن و آب) موجب تغییر خاصیت آبگریزی ذاتی روغن می شوند. وجود این ناخالصی ها و آلاینده ها، وقتی به حد اشباع برسد، عملا رفتار روغن را دستخوش تغییر می کنند. اما، از آنجا که رسیدن این آلاینده ها به مرز غشایی بین دو سیال مستلزم گذشت زمان است، لذا هر چه آب و روغن بیشتر در تماس با یکدیگر بمانند، میزان IFT کمتر و کمتر خواهد شد. به همین دلیل، زمان تماس دو سیال روغن و آب در آزمون اندازه گیری IFT نباید از 30 ثانیه بیشتر شود.

یکی از راه های تشخیص میزان خلوص روغن پایکه بیشتر در بازرسی و کلیم محموله های روغن پیش می آید، تعیین میزان کشش بین سطحی آن با آب مقطر (آزمون IFT) است. این ایده از آنجا می آید که مقدار IFT با غلظت و استحکام ناخالصی های قطبی و فعال در سطح روغن (اعم از کامپاند های اکسیژن و گوگرد دار، اسید های چرب، و الکل ها) متناسب است. بدین ترتیب، روغن های پایه مینرال گروه III نسبت به گروه II، و روغن های مینرال پایه گروه II نسبت به گروه I از IFT بالاتری برخوردارند. از سوی دیگر، با آلوده شدن روغن (به ویژه با ذرات جامدی مانند گرد و غبار، و...) ویسکوزیته دینامیک روغن بالا می رود که این به معنی کاهش حساسیت روغن به تغییرات دمایی است. این کاهش حساسیت را می توان در افزایش IFT مشاهده کرد.

ادیتیو ها:

بسیاری از ادتیو ها، ذاتا، در لایه سطحی روغن فعال بوده و موجب کاهش IFT می شوند. مکانیزم عملکرد این ادتیو ها نیز گرچه متنوع است، اما، بصورت کلی می توان آنها را به دو دسته زیر تقسیم بندی کرد:

1) Metal Wetting Additives: که بیشتر شامل ادیتیو های ضدسایش (AW: Anti-Wear)، EP یا Extreme Pressure (جهت اطلاع از خواص و محدودیت های کاربری این تیپ از ادتیو ها، مطالعه پست «ادتیو های  EP: انواع، کاربرد ها، و محدودیت ها» در همین وبلاگ توصیه می شود)، و انواع ضد خوردگی (Rust Inhibitors) شده و بیشتر در روغن های موتور، برخی کمپرسور ها، برخی توربین ها، و روغن های چرخدنده مصرف می شوند؛

2) Particle Enveloping Additives: که ادیتیو های Dispersant، Detergent، (برای اطلاعات بیشتر راجع به این دسته از ادیتیو ها، مطالعه بند «ج» از پست «روغن موتور بجای روغن کمپرسور» در همین وبلاگ مهندسی توصیه می شود)، و انواع Metal Deactivator در این دسته قرار گرفته و استفاده از آنها بیشتر در روغن های موتوری، برخی انواع کمپرسوری (بصورت محدود)، روغن های توربینی (بصورت محدود)، و روغن های چرخدنده رواج دارد؛ و در آخر

3) ادیتیو های امولسیفایر: این تیپ از ادیتیو ها بیشتر در روغن های هیدرولیک و برخی از روغن های شکل دهی به فلزات (معروف به روغن های پرس) بکار رفته و هدف از آنها کاهش IFT بمنظور تشکیل امولسیون آب و روغن است (علت این رفتار روغن های هیدرولیک را می توان در پست «جایگزینی روغن هیدرولیک با روغن موتور. درست یا غلط؟» پیدا نمود).

بدین ترتیب، روغن هایی که ادیتیو های فعال در سطح بیشتری در ساختار خود داشته باشند (مانند انواعی که در بالا شرح داده شد) تمایل بیشتری به انحلال آب در جریان خود و حمل آن بصورت امولسیون به همراه خود در مدار روغنرسانی تا زمان تعویض دارند. توضیح بیشتر در اینباره را می توان در پست «تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب» در همین وبلاگ پیدا کرد. در واقع، هر چه غلظت و دُز این ادیتیو ها در ساختار روغن بیشتر باشد، ظرفیت جریان روغن برای پذیرش حجم بیشتری از آب و حمل آن بصورت امولسیون بالاتر می رود.

از سوی دیگر، در صورت آلودگی جریان روغن با آب، هرچه سایز و اندازه قطرات آب کمتر باشد، سطح موثر بیشتری از روغن در معرض تماس با ادیتیو های امولسیفایر فعال در سطح (روکنشگر) قرار گرفته و بدین ترتیب مصرف چنین ادیتیو های آبدوستی بالا می رود. بنابراین، در صورتیکه دُز این دسته از ادیتیو های قطبی در حجم واحدی از روغن پایین یا محدود باشد، قطرات آب تمایل بیشتری به ماندن در آن حجم واحد از روغن داشته و علاوه بر این، به تدریج به یکدیگر پیوسته و تشکیل حجم بزرگتری از آب در حجم واحدی از روغن را می دهند. این پدیده ها، همه و همه، به تدریج موجب کاهش پایداری امولسیون شده و موجب کاهش کشش سطحی بین فازی (IFT) خواهند شد. بعنوان نمونه، در امولسیون پایداری از آب و روغن، اندازه ذرات (یا به عبارتی: قطرات) آب بین 1 تا 6 میکرون است.

در مورد هوا، اما، داستان تا حدودی متفاوت است. همانطور که قبلا در پست «تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب» گفتیم، فوم یا کف در روغن چیزی نیست جز توده ای دو فازی از حباب های هوا (یا گاز) و فیلمی نازک از روغن که می تواند از 0.01 میکرون تا 1 میلیمتر ضخامت داشته باشد. از مکانیک سیالات می دانیم که سیالات تراکم ناپذیر بسیار خالصی مانند روغن های پایه و آب قادر به تشکیل فوم نیستند. اما، طی فرآیند تولید انواع روغن های صنعتی، با اضافه (یا در واقع، معرفی شدن) انواع ادیتیو های بهبود دهنده رفتار روغن که اغلب از مکانیزم روکنشگری تبعیت می کنند، کم کم تمایل سیستم روغن به پذیرش هوا (مکانیزم شناوری) افزایش می یابد. کف یا فوم نیز، در مکانیزم شناوری هوا، با رسیدن حباب های هوا به سطح آزاد روغن کلید می خورد. بدین ترتیب، میزان کشش سطحی روغن به ترتیبی که درشکل 1 عنوان شد، کاهش می یابد. مکانیزم دیگری که در خصوص آلودگی روغن با هوا مطرح است، مکانیزم انحلال است. در این مکانیزم، هرچه غلظت انحلال هوا (یا گاز) در جریان روغن افزایش یابد، میزان IFT و ST کاهش می یابد. این نسبت مستقیم نیست! و از عواملی چون دما و دیفرانسیل فشار روغن نیز تاثیر می پذیرد.

حال که عوامل موثر بر کشش سطحی روغن (ST) و کشش بین سطحی (IFT) روغن را شناختیم، به تاثیر این مشخصه و آزمون مرتبط با آن در سنجش سلامت و رفتار فیزیکی-مکانیکی روغن می پردازیم.

ج) نقش کشش سطحی در سلامت رفتار روغن

همانطورقبلا گفتیم، آزمون کشش سطحی، بویژه در ادبیات فنی و منابع امریکایی و ژاپنی، چندان مورد اقبال نیست که علت اصلی آن در عدم امکان تجدید پذیری (Reproducibility) نتایج این تست است. من باب اطلاع برخی از مخاطبین محترم این وبلاگ، منابع ژاپنی، بویژه، روی مشخصه تجدید پذیری در آنالیز روغن تاکید بسیاری دارند و با این استدلال، کشش سطحی هرگز نمی تواند از نظر منابع ژاپنی مورد پذیرش باشد.

اما، از نظر دیگر منابع مهندسی، بویژه در حوزه بازرسی محموله های روغن،کشش سطحی هنوز هم ابزاری مناسب و کارآمد در تعیین سلامت محموله های روغن (در مبحث بازرسی کالا) محسوب می شود. فرمول کار نیز بسیار ساده است: اگر IFT کاهش پیدا کند به معنی آن است که روغن آلوده شده یا ادیتیو (های) حاضر در آن در حال جدایی از روغن پایه هستند. پدیده ای که با عنوان فساد روغن شناخته می شود. بدین ترتیب، محموله روغنی که از IFT مشابه یا قابل مقایسه با روغن نو (یا روغن شاخص) برخوردار باشد، سالم و قابل استفاده خواهد بود. با این وجود، تست IFT تنها معلول را بیان می کند و از علت چیزی نمی گوید! بنابراین، تنها به درد مباحث بازرسی می خورد و بس! این تست در آنالیز روغن جایگاه مناسب و محکمه پسندی ندارد. اما، می توان با بکارگیری ابزار ها و تست های زیر از نتیجه تست IFT بعنوان ابزاری مناسب برای تشخیص سلامت یک نمونه روغن کارکرده استفاده کرد:

پایداری در برابر اکسیداسیون:

وقتی روغن ها اکسیده می شوند، شروع به تشکیل کامپاند های محلول یا نامحلول آبدوست در ساختار خود می کنند. بسیاری از این کامپاند ها قادر به تغییر در IFT روغن مدتها قبل از بروز هر گونه تغییر قابل توجه در ویسکوزیته یا عدد اسیدی روغن هستند. شکل 4 را ببینید.

شکل 4: نمودار شماتیکی از مقایسه حساسیت یک روغن به اکسیداسیون با توسل به کشش بین سطحی و عدد اسیدی

این نتیجه گیری درست همان رفتاری است که روغن اکسیده در مجموعه تست هایی بسیار پیچیده تر از این، اعم از RPVOT یا Rotating Pressure Vessel Oxidation Test، رنگ سنجی به روش Differential Scanning Calorimetry، و آزمون حجم سنجی سیملیک یا Cyclic Voltammetry از خود نشان می دهد. بنابراین، می توان با یک تست ساده، عملا با یک تیر چند نشان زد و از آزمون های پیچیده و گران دوری کرد.

مثال: روغن توربینی داریم که کشش سطحی آن به اندازه 15~20 dyne/cm افت کرده است. براحتی می توان نتیجه گرفت که امکان تشکیل لجن و رسوبات جامد در روغن توربین به دلیل اکسیداسیون وجود دارد. این نتیجه ای است که تجربه شخصی نویسنده این پست پشتیبان آن است. در یک مجتمع نفتی در جنوب کشور، نمونه روغن توربین، بنا به دلایل اداری، چند ساعتی پشت پنجره آزمایشگاه توسط اپراتور نمونه گیری قرار داده می شد و معطل می ماند. همین موجب واکنش فوتو-کاتالیتیک در نمونه روغن توربین شده و خطای بزرگی در نتایج آزمون RPVOT و رنگ سنجی ایجاد می کرد. در تماسی که با نویسنده این سطور گرفته شد، توصیه بر انجام تست IFT شد که با انجام آن، و مقایسه با مقادیر IFT روغن توربینی نو (و البته کمی تفکر و تحلیل!) ، مقصر پیدا شد!

آلودگی:

همانطور که بالاتر شرح دادیم، انواع متعدد و متنوعی از آلودگی های محیطی هستند که می توانند موجبات کاهش یا افزایش IFT را فراهم آورند و از آن جمله می توان به انواع دیترجنت ها، کامپاند های صابونی، گرد و غبار، کامپاند های شیمیایی وارده به جریان روغن حین عملکرد آن در سیستم روغنرسانی، ضدیخ، چربی زدا ها، روکنشگر ها، و... اشاره کرد. نکته جالب توجه اینجاست که بسیاری از این آلاینده ها توسط آزمون های مرسوم در آنالیز روغن، اعم از انواع شمارنده های ذرات (Particle Counters) یا طیف سنج ها (Spectrometers)، قابل شناسایی نیستند.

اما، منابع آلودگی همیشه عوامل محیطی نیستند! گاه، اختلاط دو یا چند نوع روغن که بیشتر ناشی از عیوب ساختاری در مدار روغنرسانی یا خطای اپراتوری در شارژ روغن است، می تواند بشدت روی IFT تاثیر گذار باشد. مثال بارز آن، تجربه شخصی نویسنده این سطور در یکی از تاسیسات فرآوری محصولات گازی است که روغن موتور بجای روغن چرخدنده در یک گیربکس شارژ شده بود. در تجربه دیگری نیز، بجای روغن توربین از روغن هیدرولیک بهران 32H استفاده شده بود که تست IFT به سادگی مشکل را مشخص کرد. حال آنکه مشاور به تست FTIR متوسل شده بود!

نویسنده مواردی نیز شاهد بوده است که بیشتر به دلایل اپراتوری، گریس با روغن مخلوط شده بود که تست IFT و پس از آن FTIR موجب پدیدار شدن مشکل شد.

تقلیل اثر (زوال) ادیتیو ها:

آزمون IFT می تواند تقلیل اثر یا زوال ادیتیو هایی در سیستم روغن را مشخص کند که از طبیعتی روکنشگر برخوردار باشند. مانند انواع ادیتیو های دیترجنت، AW، ضد زنگ، و... . همانطور که بالاتر شرح داده شد، زوال تاثیر ادیتیو های فوق می تواند منجر به افزایش IFT شود. اما، در حالت کلی، آزمون IFT در مورد زوال تاثیر ادیتیو در روغن هایی کاربرد دارد که دو شرط در آنها برقرار باشد: اول، استفاده از ادیتیو های قطبی در ساختار روغن؛ و دوم، IFT بالا در روغن نو.

بیشتر روغن های توربینی، روغن های هیدرولیک، و برخی از روغن های برینگ (موسوم به R&O) این دو شرط را دارا هستند.

نشتی:

شاید برای بسیاری از خوانندگان این مطلب جالب باشد! اما، حقیقت دارد! نشتی روغن از مدار روغنرسانی می تواند منجر به کاهش کشش بین سطحی روغن یا IFT شود. بعنوان یک شاخص تجربی، در صورتیکه IFT با ضابطه خطی در برابر افزایش دما (درجه حرارت) کاهش یابد، حال آنکه در برابر افزایش دما، ویسکوزیته سینماتیک با تابع نمایی کاهش یابد، نشانه ای از نشتی در مدار روغنرسانی و به بیان علمی تر: انتقال جرم است.