PHÂN TÍCH CHẤT BÔI TRƠN TRONG TUABIN HƠI

Dầu tuabin phải chịu một loạt các điều kiện - nhiệt độ cực cao, không khí bị bám dính, độ ẩm, ô nhiễm bởi bụi bẩn và các mảnh vụn, vô tình trộn với dầu khác nhau, ... làm giảm tính toàn vẹn của kho gốc hydrocarbon và làm cạn kiệt các hóa chất phụ gia, gây ra những thay đổi phân tử không thể đảo ngược. Có hai cơ chế suy thoái chính trong các ứng dụng tuabin - quá trình oxy hóa và suy thoái nhiệt.

Quá trình oxy hóa là một quá trình hóa học trong đó oxy phản ứng với các phân tử dầu để tạo thành một số sản phẩm hóa học khác nhau, chẳng hạn như axit cacboxylic. Tốc độ xảy ra phụ thuộc vào một số yếu tố. Nhiệt độ có lẽ là quan trọng nhất, vì tốc độ oxy hóa tăng gấp đôi cho mỗi tăng 10 độ C. Nhiệt độ trên mà điều này xảy ra bị ảnh hưởng bởi sự ổn định oxy hóa của dầu và sự hiện diện của các chất xúc tác và các điều kiện oxy hóa như nước , không khí, một số kim loại, kích động và áp lực.

Suy thoái nhiệt là sự phân hủy của các phân tử dầu bằng nhiệt (nhiệt độ cao), tạo thành các hợp chất không tan mà thường được gọi là chất gây ô nhiễm mềm. Thông thường, sự suy thoái nhiệt xảy ra do vi động cơ diesel, phóng tia lửa điện và các điểm nóng. Micro-dieseling là sự đốt cháy của các bong bóng khí nổ tạo ra nhiệt độ nén nhiệt (thường vượt quá nhiệt độ trên 1000 độ C).

Kết quả phóng tia lửa điện từ ma sát phân tử bên trong tạo ra các điện tích cao áp như dầu đi qua các khe hở rất chặt ở tốc độ dòng chảy cao, tạo ra nhiệt độ trên 10.000 độ C.

Theo thời gian, nó đã trở nên rõ ràng rằng các hoạt động oxy hóa của các lớp cơ sở khác nhau là khá khác nhau. Khả năng chống oxy hóa tự nhiên cao của dầu tuabin nhóm II kết hợp với các chất chống oxy hóa cụ thể được sử dụng (thường là phenol và hợp chất amin) cung cấp một hành vi phi tuyến tính về sự phân hủy phân tử theo thời gian.

Kết quả là, phần lớn các thử nghiệm phân tích dầu tiêu chuẩn cung cấp ít hoặc không có cảnh báo khi chất bôi trơn bắt đầu làm suy giảm và tạo ra tiền gửi hệ thống. Thay vì suy thoái xảy ra trong một thời trang tuyến tính và dự đoán được, nhiều loại dầu tuabin hiện đại thất bại nhanh chóng.

Những thay đổi trong cấu trúc phân tử của dầu do sự suy giảm phụ gia và sự phát triển của các hạt không hòa tan là một trong những điều kiện suy thoái dầu đầu tiên ảnh hưởng đến hiệu suất thiết bị. Quá trình tuần tự sẽ là sự hình thành bùn và vecni, đó là sự xuất hiện phổ biến trong các máy phát điện turbo.

Bên cạnh đó các sản phẩm phụ bị ôxi hóa và thoái hóa nhiệt là những đóng góp chính cho sự phát triển của vecni và các vấn đề tiền gửi trong tuabin, chúng gây trở ngại cho các tính chất quan trọng khác trong dầu tuabin hơi, chẳng hạn như khử nhũ tương và không khí. Do đó, điều quan trọng là phân tích chẩn đoán thích hợp được thực hiện để phát hiện các điều kiện này trong các hệ thống bôi trơn quan trọng và nhạy cảm.

Xu hướng suy thoái của các loại dầu gốc khác nhau

Phân tích Ferrography

Ferrography là một kỹ thuật cung cấp thông tin có giá trị về sự tiến hóa mặc trong máy móc thông qua phân tích mẫu dầu bôi trơn đại diện. Được phát triển bởi Vernon Westcott tại Hải quân Hoa Kỳ vào những năm 1970 như một kỹ thuật giám sát tình trạng, nó đã được hàng trăm người dùng trên toàn thế giới áp dụng cho tất cả các loại hệ thống bôi trơn.

Tiềm năng của ferrography không chỉ giới hạn trong các chiến lược bảo trì tiên đoán. Đóng góp quan trọng của nó vào nghiên cứu tribology, bằng cách giúp hiểu rõ hơn về cơ chế mòn và hiệu ứng dầu nhờn trên bề mặt tiếp xúc, biến công nghệ đa năng này trở thành một trong những công cụ chẩn đoán mạnh mẽ nhất để đánh giá sức khỏe của máy, cung cấp thông tin giá trị về quá khứ , tình trạng hiện tại và tương lai của các thành phần được bôi trơn của máy.

Thủ tục kiểm tra là dài và đòi hỏi kỹ năng của một nhà phân tích được đào tạo tốt. Như vậy, có những chi phí đáng kể trong việc thực hiện ferrography phân tích không có mặt trong các bài kiểm tra phân tích dầu khác. Tuy nhiên, nếu thời gian được thực hiện để hiểu đầy đủ những gì ferrography phân tích phát hiện, hầu hết đồng ý rằng những lợi ích đáng kể lớn hơn chi phí và chọn để tự động kết hợp nó khi mặc bất thường gặp phải.

Trong quá trình ferrography phân tích, các mảnh vỡ rắn lơ lửng trong một mẫu chất bôi trơn được tách ra và được lắng đọng hoàn toàn vào một slide thủy tinh trong khi đi qua một từ trường lưỡng cực.

Khi dòng mẫu được hoàn thành, chu trình “rửa” dung môi loại bỏ bất kỳ chất bôi trơn nào còn sót lại trên đế, dẫn đến “ferrogram”, nơi tất cả các hạt được sắp xếp theo kích thước và gắn liền với slide để phân tích quang học bằng kính hiển vi sinh học. Các hạt sau đó được kiểm tra và phân loại theo kích thước, hình dạng, nồng độ và luyện kim. Thông tin này được mang bởi các hạt mài mòn có giá trị cho việc xác định chế độ và cơ chế hao mòn.

Giám sát tua bin hơi nước

Nghiên cứu điển hình này là về việc theo dõi tình trạng của chất bôi trơn trong một máy phát điện tuabin hơi tại một nhà máy công nghiệp cellulose cục bộ. Tuabin này là một chiếc Siemens G 800-2 có công suất 26 MW. Nó đã được phục vụ trong 22 năm, hoạt động liên tục, với một hồ chứa dầu bôi trơn chứa 8.500 lít dầu ISO VG 46 để bôi trơn và mát mẻ vòng bi, bánh răng và con dấu trục dầu và hoạt động như một phương tiện thủy lực cho hoạt động của thống đốc và hơi nước van điều khiển.

Kể từ khi hoạt động ban đầu vào năm 1988, tuabin này đã làm việc với dầu gốc gốc tinh luyện dung môi (Nhóm I). Tuy nhiên, do nâng cấp của nhà sản xuất, loại dầu này đã được thay thế bằng một kho chứa gốc hydrocracked (nhóm II) vào năm 2002. Trong khi đó, khoảng 6.000 lít nước trang điểm đã được bổ sung, cùng với một vài bể chứa dầu định kỳ, làm cho lưu thông chất lỏng một sự pha trộn của hai cổ phiếu cơ sở.

Các máy phát điện turbo hoạt động và hoạt động bình thường, và không có sự xuất hiện của các chức năng bất thường của các thành phần bôi trơn đã được ghi lại. Tuy nhiên, việc giám sát chặt chẽ tình trạng dầu được đảm bảo bằng cách phân tích dầu tuabin định kỳ.

 

Máy phát điện tuabin hơi tại nhà máy công nghiệp cellulose

 

Phân tích dầu Turbine

Một chương trình phân tích chất bôi trơn được áp dụng hàng quý, lấy hai mẫu từ hồ chứa dầu và gửi nó đến các phòng thí nghiệm độc lập. Các phương pháp tiêu chuẩn được sử dụng tại một trong các phòng thí nghiệm để đánh giá tình trạng của dầu tuabin là:

• Độ nhớt động học ở 40 độ C (ASTM D445)
• Nước của Karl Fisher (ASTM D6304)
• Các hạt không hòa tan (ASTM D4898)
• Số lượng axit (ASTM D664)
• Số trung hòa (ASTM D974)
• Quang phổ nguyên tố (ASTM D5185)
• Gỉ (ASTM D665-A)
• Nhạy cảm (IP 19)
• Bọt (ASTM D892)
• Điểm chớp cháy (ASTM D92)
• Máy phát hành (DIN 51636)
• Mã sạch (ISO 4406)
• Vôn kế quét tuyến tính (LSV), (ASTM D6971)

Đồng thời, tại một phòng thí nghiệm khác, phân tích ferrography và Fourier transform hồng ngoại (FTIR) được thực hiện cùng với các kỹ thuật khác. Những phân tích này cho phép chẩn đoán bổ sung không chỉ về tình trạng của dầu mà còn cả điều kiện tốc độ hao mòn tuabin.

In this case study, among all the standard test results obtained, those that showed some indications of fluid degradation were the demulsibility, air release, particle count and LSV. As can be seen in the table above, the oil viscosity and acid number are within the range over the time period. Water contamination and foam tendency are maintained low. However, the particle contamination is high for all the evaluated period, the phenolic content falls below critical in some samples and the demulsibility is also affected significantly.

Các sự kiện tuần tự trong sự suy thoái dầu tạo ra sự suy giảm dần các chất phụ gia chống oxy hóa. Hỗn hợp chất chống oxy hóa aminic / phenolic hoạt động như một hệ thống phức tạp. Các chất ức chế aminic hoạt động để trung hòa các gốc tự do gây ra quá trình oxy hóa dầu, nhưng sau đó nó được tái sinh bằng phenolic, một loại bẫy tự do tốt.

Khi mức phenol giảm xuống dưới mức quan trọng, dầu có nguy cơ thoái hóa nhanh chóng, dẫn đến sự hình thành các chất ô nhiễm và vecni mềm. Chất gây ô nhiễm mềm thường có kích thước nhỏ hơn 2 micron và không thể loại bỏ thông qua quá trình lọc cơ học tiêu chuẩn. Chúng không hòa tan và phân cực trong tự nhiên, và không ổn định trong môi trường dầu không phân cực, chẳng hạn như dầu gốc hydrocracked (nhóm II).

Kết quả phân tích từ các thử nghiệm dầu tiêu chuẩn cho thấy độ nhớt của dầu và số lượng axit nằm trong phạm vi trong khoảng thời gian.

 

Các mã ISO cao thu được, chủ yếu là về các hạt nhỏ (nhỏ hơn 4 micron), có thể liên quan đến quá trình suy thoái dầu tuabin này. Khả năng khử nhũ tương cũng bị tổn hại bởi sự hiện diện của các chất gây ô nhiễm cực.

Đối với việc bôi trơn vòng bi-máy phát điện turbo, mức độ sạch đối với các hạt trong dầu là điều quan trọng nhất. Do đó, một hành động chủ động được thực hiện thông qua lọc dầu trực tuyến định kỳ (lọc trong 24 giờ) để đạt được sự sạch sẽ của hệ thống theo các khuyến cáo của OEM (ISO 18/16/12). Tuy nhiên, một sự gia tăng nhanh chóng của các mã ISO được xác minh một cách nhất quán trong quá trình hoạt động của tuabin này.

Phân tích ferrography hoàn thành cho cùng kỳ tiết lộ thông tin có giá trị về ô nhiễm rắn của dầu. Trong tất cả các ferrograms, sự hiện diện của các chất gây ô nhiễm mềm dẫn đến suy thoái nhiệt dầu và suy giảm phụ gia đã được quan sát thấy.

Thông tin này là cần thiết để xác định lý do cho các mã ISO cao liên tục thu được trong đếm hạt. Mặc dù các hạt mềm không có hại về mặt mặc, chúng góp phần vào việc tạo ra các trầm tích bề mặt, như được phát hiện qua quá trình ferrography.

Hình 1 cho thấy hai quang phổ của các hạt này lắng đọng trên một ferrogram như quan sát dưới ánh sáng trắng / xanh và chiếu sáng phân cực. Ánh sáng phân cực cho phép xác định các hạt phi kim loại (ví dụ như tinh thể và vật liệu vô định hình) bởi độ sáng của ánh sáng phản xạ. Lưu ý các mẫu màu nâu được chứng minh bởi một số các hạt này.

Hình 1. Hai quang phổ này cho thấy các chất ô nhiễm tinh thể dầu tuabin (độ phóng đại 1000x).

Các hạt trong ferrogram của Hình 2 có kích thước rất nhỏ, và do phân cực, chúng dễ dàng liên kết dọc theo từ trường của máy đo ferrograph. Những hạt này có khuynh hướng hình thành các khối kết tụ, khi bị nén quá mức với dầu, tạo nên một cấu trúc mạch lạc lớn nhờ sự trùng hợp phân tử.

Sự tích tụ véc-ni dường như là kết quả của quá trình hóa lý này, như có thể được nhận ra bởi các máy quang phổ trong Hình 3, thu được trong các mẫu dầu khác nhau.

Tất cả các loại hạt này đều có ái lực cực và trọng lượng phân tử cao và có xu hướng hấp thụ trên bề mặt kim loại lưỡng cực như một vật chất bám dính, do đó nó thu giữ các chất gây ô nhiễm cứng khi chúng chảy trong hệ thống. Họ có khả năng tắt một tuabin hoặc gây ra thiệt hại nghiêm trọng, thường liên quan đến vòng bi và các ứng dụng servo.

Một kỹ thuật khác được sử dụng để theo dõi tình trạng dầu là FTIR, được sử dụng để đo các thành phần phân tử hữu cơ, giám sát sự suy giảm phụ gia (chất chống oxy hóa) và xác định các sản phẩm phụ suy thoái hữu cơ (quá trình oxy hóa).

Việc giám sát sự suy giảm chất chống oxy hóa cụ thể trong các chất bôi trơn đã qua sử dụng vẫn được coi là một khu vực nghiên cứu tương đối mới. Tuy nhiên, một số nghiên cứu cho thấy tỷ lệ suy giảm chất chống oxy hóa có liên quan đến sự suy giảm chất bôi trơn hoặc bị ảnh hưởng bởi hỗn hợp chất chống oxy hóa hoặc loại gốc cơ sở được sử dụng để sản xuất chất bôi trơn.

Các mẫu dầu đã qua sử dụng là hỗn hợp phức tạp của các hóa chất khác nhau, bao gồm các hợp chất có nguồn gốc từ việc xây dựng dầu gốc và các chất phụ gia của nó, và từ các sản phẩm phân hủy dầu và các chất gây ô nhiễm. Kết quả là, phổ dầu được sử dụng là phức tạp và về cơ bản là tổng hợp của quang phổ của tất cả các hợp chất riêng rẽ tạo thành mẫu.

Trong thực tế, vì sự phức tạp này, phổ dầu được sử dụng một mình có giá trị giới hạn và phải được so sánh với phổ của dầu chưa sử dụng có giá trị phân tích đáng kể.

Hình 4 cho thấy ảnh chụp quang phổ truyền qua của dầu tuabin mới và được sử dụng. Quang phổ màu đen là dầu mới (kho gốc mới - Nhóm II), trong khi phổ đỏ là từ dầu pha trộn đang phục vụ, mà vẫn chứa một tỷ lệ nhỏ dầu gốc cơ sở nhóm I. Tuy nhiên, quang phổ cho thấy các nhóm chức năng giống hệt nhau.

Trong phân tích lớp phủ phổ, bạn có thể thấy rõ sự thay đổi tương đối của phân tử ở các đỉnh oxy hóa, cũng như sự suy thoái nhiệt của dầu thông qua các dấu hiệu của quá trình nitrat hóa. Một sự thay đổi phân tử được quan sát thấy nơi các chất chống oxy hóa phenolic được đặc trưng. Loại phân hủy được phát hiện trong phổ dầu được sử dụng thường được quan sát thấy trong phân tích FTIR của chất lỏng, nơi xảy ra sự cố nhiệt.

 

Hình 3. Hình ảnh quang học của các hạt dầu tuabin trong các mẫu khác nhau (độ phóng đại 1000x)

 

Hình 4. Phổ FTIR trong truyền / wavenumber (cm-1) của các loại dầu tuabin mới và đã qua sử dụng

Phân tích bộ lọc

Các tia lửa tạo ra tĩnh là những sự cố rất phổ biến trong các hệ thống lọc của máy phát điện. Đây là hiện tượng ma sát phân tử xảy ra khi dầu chảy qua các khe hở nhỏ, chẳng hạn như phương tiện lọc.

Vì dầu và phương tiện lọc đều là điện môi, nên năng lượng điện này được xây dựng cho đến khi đạt tới giới hạn, và sau đó tia lửa được giải phóng trong hệ thống bôi trơn theo hướng của mặt đất. Các vòng cung điện này có thể có nhiệt độ cục bộ cực cao (khoảng 20.000 độ C), ngay lập tức làm nứt phân tử hydrocacbon.

Vì các phát xạ tia lửa được tạo ra trên các bộ lọc và các vị trí khác là nguyên nhân chính của vecni và một số kết quả phân tích dầu trước đó đã xác nhận rằng (thông qua sự suy giảm phụ gia và số lượng hạt cao), một trong các bộ lọc loại hai mặt đã được tháo dỡ và phân tích thông qua kính hiển vi quang học.

Bằng chứng về phóng điện có thể dễ dàng nhìn thấy thông qua việc kiểm tra bằng kính hiển vi của các phương tiện lọc, lõi lọc, lưới lọc và từ các mảnh vụn mang ra khỏi bộ lọc.

Hình 5 cho thấy một trong các bộ lọc được cắm thay đổi trong một hành động bảo trì định kỳ do báo động bộ lọc được cắm, với một cái nhìn hiển vi của lưới lọc. Như có thể thấy, tiền gửi sáng bóng màu đen và màu nâu (bùn và vecni) có mặt ở nồng độ cao, làm tắc nghẽn lưới lọc.

Các dung môi được sử dụng để làm sạch lưới lọc đã được thu thập và sử dụng để chuẩn bị một ferrogram, nơi đáng kể số lượng các hạt mặc hình cầu màu đã được xác định (Hình 6 và 7). Một nguồn gốc của các mảnh vụn màu hình cầu là sự xói mòn mòn được kích hoạt bởi sự phóng điện.

Nhiệt độ cao đạt được bởi các tia lửa trên bề mặt thép nhiệt hóa lỏng các mảnh vụn thép, mà mua lại một hình dạng hình cầu do làm mát nhanh chóng dưới tác động của sức căng bề mặt.

Phân tích bằng kính hiển vi bề mặt lõi lọc cho thấy một số lỗ nhỏ, hình tròn được đốt cháy bên trái bởi tia phóng xạ nhiệt độ cao trên bề mặt kim loại.

Tóm lại, dầu tuabin phải được duy trì tốt để kéo dài tuổi thọ và đồng thời cung cấp hiệu suất tuabin tối đa. Tuy nhiên, việc nâng cấp gần đây trong công thức dầu tuabin đã gây ra một số tranh cãi. Các kỹ thuật phân tích cũ không còn là công cụ tiên đoán có thể theo dõi tình trạng thực tế mà chúng đã từng có.

Hình 6. Photomicrograph cho thấy nồng độ cao của các lĩnh vực màu (độ phóng đại 1000x) đến từ trường

 

Hình 7. Photomicrographs của các lỗ nhỏ bị đốt cháy trên lõi lọc bề mặt (độ phóng đại 200x và 1000x)

 

Thế hệ và sự hiện diện của các chất ô nhiễm mềm là một trong những hậu quả chính của quá trình suy thoái dầu tuabin thực tế. Có bốn lý do có thể cho điều này:

• Không giống như các loại dầu gốc thế hệ cũ (nhóm I), loại dầu gốc hiện đang được sử dụng (nhóm II) không giữ các tiền chất vecni trong huyền phù. Những hạt không hòa tan này có thể tạo thành tiền gửi.
• Dầu tuabin nhóm I và nhóm II có các đặc tính oxy hóa và cơ chế hư hỏng khác nhau đáng kể.
• Các chất chống oxy hóa kết tủa vì chúng là các ôxít ưu tiên tạo ra các hạt không hòa tan.
• Thế hệ mới của các chất phụ gia chống bọt có các đặc tính giải phóng không khí hiệu quả hơn, và các bong bóng khí nhỏ này được nén bằng nhiệt, khiến cho vecni xuất hiện.

Trong nghiên cứu trường hợp này, nó đã được công nhận rằng chỉ có các kỹ thuật sau đây được sử dụng để theo dõi tình trạng của dầu tuabin là hiệu quả trong việc dự đoán các vấn đề nổi bật liên quan đến việc tạo vecni và bùn:

• Việc đếm hạt (ISO Code) có hiệu quả trong việc giám sát sự nhiễm bẩn của hạt. Điều này mặc dù thực tế là hầu hết các quầy hạt không nhạy cảm với kích thước nhỏ của các hạt cực (dưới 2 micron). Lý do cho hiệu quả của chúng là các hạt có xu hướng hình thành các khối kết tụ, tăng kích thước của các hạt và do đó cho phép đếm hạt để phát hiện chúng.
• Độ nhũ tương của dầu là một đặc điểm quan trọng để đánh giá vì nó bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các hạt cực. Sự thay đổi của tài sản này có thể là một tín hiệu của sự nhiễm bẩn hạt cực.
• Công nghệ LSV và FTIR đều được công nhận là các kỹ thuật quan trọng để theo dõi tình trạng của các loại dầu tuabin hiện đại. Họ theo dõi hiệu quả tình trạng của gói chống oxy hóa và tạo ra các chất ô nhiễm mềm.
• Phân tích ferrography đã được hiệu quả trong việc phát hiện các chất gây ô nhiễm mềm và trong việc xác định bản chất của họ. Trong tay của một nhà phân tích lành nghề, ferrography phân tích là một kỹ thuật mạnh mẽ để xác định các vấn đề liên quan đến dầu tuabin, cung cấp nguyên nhân gốc rễ dựa trên hình thái và đặc điểm của các hạt không hòa tan, cũng như theo dõi cơ chế tiến hóa của sự hình thành vecni.