در این مقاله جزئیات مربوط به نحوه موفقیت شرکت تعاونی برق Seminole Electric Cooperative، برای افزایش عمر روانکارهای مورد استفاده در سامانههای کنترل الکتروهیدرولیکی (EHC) تشریح میشود و پیامدهای ناخواسته ناشی از 30 سال کارکرد بدون تعویض روغن را بررسی میکند.
پس از 30 سال، سیال فسفاتاستری (Phosphate-Ester Fluid) موجود در تأسیسات به شرایطی رسید که مدیریت و کنترل آن عملاً دشوار شده بود. در نتیجه، یک شستوشوی شیمیایی با سرعت جریان بالا روی سامانه انجام شد و پس از آن، سیستم با یک سیال آبکشی، شسته و با سیال جدید پر شد.
نتیجه این فرآیند بسیار قابلتوجه و آموزنده بود؛ زیرا مدت کوتاهی پس از عملیات شستوشو، سیال جدید بهسرعت شروع به تیره و سیاه شدن کرد.
برخی معتقد بودند این مسئله ناشی از ایجاد ذرات و آلودگیهای جدید یا وجود مشکلاتی در داخل سامانه است. عدهای دیگر تصور میکردند که روغن جدید در حال تمیز کردن سامانه و حلکردن و خارجکردن رسوبات قدیمی است. صرفنظر از علت واقعی، سیال جدید بهسرعت در حال افت کیفیت بود و هنگامی که حجم سیال مورد استفاده در هر واحد به 2500 گالن میرسد، دیگر نمیتوان با آن مانند یک کالای مصرفی ساده رفتار کرد؛ بلکه باید آن را یک دارایی با ارزش در نظر گرفت.
مشکلات جدید
مشکلات مدت کوتاهی پس از آن آغاز شد که نخستین شستوشوی شیمیایی روی واحد دوم تکمیل و واحد مجدداً وارد سرویس شد. سیال جدید بهسرعت سیاه شد و تیرگی آن به حدی بود که حتی با تاباندن نور چراغقوه نیز امکان مشاهده نور از میان سیال موجود در بطری نمونه وجود نداشت.
المان فیلتر نهایی نیز از یک المان 3 میکرونی به یک المان 1 میکرونی از نوع حذف وارنیش (Varnish-Removal) تغییر داده شد.
امید این بود که این فیلتر بتواند به پاکسازی مشکلات ایجادشده پس از شستوشوی شیمیایی کمک کند. بااینحال، خود فیلتر به مشکل جدیدی تبدیل شد؛ زیرا المان حتی قادر نبود یک ماه کامل دوام بیاورد و پیش از آنکه به فشار تفاضلی نهایی برسد، دچار گرفتگی میشد.
یکی از المانهایی که به دلیل فشار تفاضلی بالا از مدار خارج شده بود، برای آنالیز ارسال شد تا مشخص شود ترکیب و ماهیت مواد و ذراتی که باعث گرفتگی فیلتر شدهاند چیست. پس از مشخص شدن ترکیب این مواد، امکان تدوین یک برنامه عملیاتی برای رفع مشکل فراهم میشد.
آنالیز فیلتر، پنج گروه متمایز از مواد را شناسایی کرد:
- بیش از 86 درصد از مواد شناساییشده منشأ سیال EHC داشتند و شامل فسفاتاسترها و محصولات تجزیه آنها، از جمله وارنیش بودند.
- حدود 8.63 درصد بهعنوان آلایندههای فلزی/شبهفلزی مرتبط با محیطهای اسیدزدا یا جاذب اسید گزارش شد.
- حدود 2.11 درصد شامل فلزات سایشی یا ذراتی بود که با ذرات مورد انتظار ناشی از سایش اجزای فلزی تجهیزات مطابقت داشت.
- حدود 1.85 درصد بهعنوان آلایندههای فلزی مشخص شد که معمولاً با اختلاط روانکارهای خارجی یا نامتجانس مرتبط هستند.
- حدود 1.27 درصد نیز بهعنوان آلایندههای هالوژنه طبقهبندی شد که میتوانند با تجزیه فلوروپلیمرها یا ورود آب دریا مرتبط باشند.
البته تصور نمیشد که همه این مواد ناشی از مشکلات فعلی سیال جدید پس از عملیات شستوشو باشند.
طبیعی است که حتی پس از یک شستوشوی شیمیایی با سرعت جریان بالا، مقداری از رسوبات یا مواد باقیمانده ناشی از 30 سال کارکرد سیستم همچنان در سامانه باقی بماند. این مواد قدیمی میتوانند توسط سیال جدید حل، جدا و بهتدریج از سیستم خارج شوند.
نقش میکرودیزلینگ در ایجاد ذرات کربنی
از میان محصولات تجزیهای با منشأ سیال، 58.86 درصد کربن بود.
محتملترین علت این مقدار بالای کربن، پدیدهای موسوم به میکرودیزلینگ بود که نوعی تخریب حرارتی القاشده توسط فشار محسوب میشود.
در این پدیده، یک حباب هوا از ناحیهای با فشار پایین به ناحیهای با فشار بالا منتقل میشود و در اثر تراکم آدیاباتیک، دمای آن به مقادیر بسیار بالایی افزایش مییابد.
اگرچه مقدار حرارتی که بین سیال و حباب مبادله میشود چندان زیاد نیست، دمای داخل حباب میتواند به حدود 2000 درجه فارنهایت برسد.
در چنین شرایطی، ذرات دوده (Soot) با اندازه کمتر از یک میکرون تشکیل میشوند که میتوانند موجب تیره شدن رنگ روغن شوند.
تغییرات در سامانه
همانند بسیاری از تأسیسات صنعتی، طی سالهای متمادی تغییرات، اصلاحات و بهروزرسانیهای متعددی در این سیستم انجام شده بود.
متأسفانه، مهندسان طراحی و مهندسان روانکاری ارتباط و هماهنگی کافی با یکدیگر نداشتند.
اگرچه برخی تغییرات با هدف ارتقای عملکرد یک سامانه ممکن است تأثیر محسوسی بر عملکرد عملیاتی آن نداشته باشند، میتوانند از نظر شرایط شیمیایی و عمر سیال بسیار مخرب باشند.
از جمله عوامل نگرانکننده در سامانههای دارای سیال فسفاتاستری میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- افت فشار در داخل سامانه
- جهشهای فشار
- زمان ماند ناکافی سیال در مخزن برای آزادسازی هوا
- برگشت نامناسب سیال به مخزن
- نبود لوله پایینبر (Downcomer) یا پخشکننده جریان (Diffuser) در خط برگشت.
متأسفانه شناسایی این نقاط مشکلزا در یک سامانه پیچیده کار آسانی نیست و معمولاً اصلاح آنها نیز دشوار است.
در این مورد، مخزن بهخوبی طراحی شده بود و دارای لولههای پایینبر، دیفیوزرها، بافلها و حجم کافی برای فراهمکردن زمان ماند مناسب جهت رهاسازی هوا (Air Release) بود.
سه پمپ اسکرو وجود داشت که هرکدام ظرفیت 175 گالن بر دقیقه داشتند. همچنین یک شیر تنظیم فشار ثابت و سه شیر اطمینان، یک شیر برای هر پمپ، در سیستم نصب شده بود.
در طراحی اولیه سامانه هیچ آکومولاتوری وجود نداشت؛ بنابراین دو پمپ بهطور مداوم کار میکردند تا افزایشها و نوسانات ناگهانی تقاضای سیستم را تأمین کنند.
با دبی 350 GPM حاصل از کارکرد دو پمپ، زمان ماند سیال در مخزن کمی بیش از 7 دقیقه بود.
زمان معمول آزادسازی هوا برای روغن جدید حدود 3 تا 5 دقیقه بود. پس از یک سال، زمان آزادسازی هوا به 7.4 دقیقه رسید و پیش از حذف ذرات زیرمیکرونی، این مقدار به 11 دقیقه افزایش یافته بود.
در صورت وقوع یک جهش یا افزایش ناگهانی در تقاضای سیستم، پمپ سوم بهصورت خودکار روشن میشد، اما خاموش شدن آن بهصورت خودکار انجام نمیگرفت.
شیر تنظیم فشار و افزایش تولید حرارت
شیر تنظیم فشار ثابت برای تحمل دبی 1100 GPM طراحی شده بود.
هنگامی که این شیر بهدرستی عمل نمیکرد، جریان و فشار اضافی توسط شیرهای اطمینان نصبشده روی هر پمپ تخلیه میشد.
در ابتدا این موضوع مشکل چندانی ایجاد نمیکرد؛ زیرا خروجی شیرهای اطمینان به یک هدر مشترک تخلیه میشد که از طریق یک دیفیوزر، جریان را به خط برگشت اصلی و سپس به قسمت پایین مخزن هدایت میکرد.
اما با گذشت زمان، خطوط تخلیه مجزایی برای شیرهای اطمینان نصب شد. یکی از این خطوط همچنان به هدر برگشت متصل بود، در حالی که دو خط دیگر مستقیماً از طریق فلنج به قسمت بالایی مخزن متصل شدند.
هنگامی که شیر تنظیم فشار ثابت گیر میکرد، در شیرهای اطمینان حرارت بیش از حد تولید میشد و علاوه بر آن، برگشت روغن به مخزن باعث هوادهی بیشتر سیال (Aeration) میشد.
پیش از انجام شستوشوی شیمیایی، شیر تنظیم فشار ثابت و هر سه شیر اطمینان برای بازسازی و کالیبراسیون ارسال شدند.
اکنون این شیرها در صورت نیاز، بهصورت سالانه کالیبره میشوند.
در جریان عملیات شستوشو و زمانی که مخزن تخلیه شده بود، برای دو خط تخلیه شیرهای اطمینان، لولههای پایینبر جدید مجهز به دیفیوزر نصب شد.
همچنین حدود یک سال پس از شستوشو، آکومولاتورها نیز نصب شدند. در نتیجه، اکنون تأسیسات میتواند تنها با یک پمپ و با دبی 175 GPM کار کند.
این تغییر باعث افزایش زمان ماند سیال در مخزن برای آزادسازی هوا شد.
سایر اجزای سامانه و نشتی داخلی
بخشهای دیگر سامانه شامل موارد زیر بودند:
- 10 شیر قطع و وصل
- 10 شیر کنترلی
- چندین کیلومتر لولهکشی
- تعداد زیادی اوریفیس
- سایر شیرهای محدودکننده جریان
عملگرهای شیرهای قطع و شیرهای کنترلی چند سال قبل تعویض شده بودند.
بااینحال، میزان عبور داخلی یا نشتی از شیرها در سیستم قدیمی بررسی نشده بود.
در سامانه جدید، میزان عبور داخلی حدود 50 GPM اندازهگیری شد.
کاهش این میزان جریان میتواند تنها به کاهش مشکلات حرارتی ایجادشده در سامانه کمک کند؛ مشکلاتی که برای سلامت و پایداری سیال بسیار نامطلوب هستند.
تیره شدن سیال
با وجود اصلاح موارد فوق، مشکل تیره شدن سیال همچنان برطرف نشد.
اگرچه کدهای پاکیزگی ISO در وضعیت بسیار خوبی قرار داشتند و در محدوده 15/13/10 تا 16/13/11 بودند، سیال همچنان بهتدریج تیرهتر میشد.
بااینحال، رنگ سیال خودِ مشکل اصلی نبود. آنچه تأسیسات واقعاً نیاز داشت بداند، مقدار ذرات زیرمیکرونی موجود در سیال بود.
اعتقاد بر این است که ذرات زیرمیکرونی میتوانند موجب گرفتگی یا پوششدار شدن محیطهای اسیدزدایی شوند و در نتیجه، کنترل تولید اسید و حفظ عدد اسیدی مناسب (Acid Number) را دشوار کنند.
آزمون قبلی فیلتر نوع ذرات موجود را مشخص کرده بود: 58.86 درصد کربن که در این مورد، همان دوده (Soot) بود.
اندازهگیری ذرات زیرمیکرونی
برای جمعآوری و ارزیابی ذرات زیرمیکرونی میتوان از دو روش استفاده کرد:
- رنگسنجی پچ غشایی (Membrane Patch Colorimetry – MPC)
- آنالیز گراویمتری (Gravimetric Analysis)
در هر دو روش از یک پچ نیتروسلولزی (Nitrocellulose Patch) استفاده میشود. حجم مشخصی از سیال از میان این پچ عبور داده میشود؛ سپس پچ خشک شده و وزن آن اندازهگیری میشود.
روش MPC ممکن است در صورت وجود مقدار زیادی وارنیش در سامانه، وزن بیشتری برای پچ نشان دهد؛ زیرا حلال مورد استفاده میتواند باعث رسوب ترکیبات نیمهمحلول شود و این مواد همراه با ذرات زیرمیکرونی روی پچ جمع شوند.
این روش عمدتاً از یک مقیاس رنگی برای تعیین وضعیت سیال استفاده میکند و وزن پچ را در ارزیابی خود لحاظ نمیکند.
هنگامی که دوده در سیستم وجود دارد، از ابتدا انتظار میرود پچ به رنگ سیاه درآید. بنابراین اگرچه رنگ همچنان اهمیت دارد، وزن پچ میتواند اطلاعات ارزشمندتری ارائه کند.
به همین دلیل، باید اطمینان حاصل کنید که آزمایشگاه شما امکان توزین دقیق پچها را دارد.
فیلتراسیون الکترواستاتیکی
تغییر فیلتر نهایی از المان 3 میکرونی به 1 میکرونی عملی و اقتصادی تشخیص داده نشد؛ بنابراین روش فیلتراسیون الکترواستاتیکی مورد آزمایش قرار گرفت.
این نوع فیلتراسیون پیشتر نیز با نتایج بسیار خوبی مورد استفاده قرار گرفته بود، اما برای سیال قدیمی و تخریبشده، در ابتدا از نظر اقتصادی مقرونبهصرفه تشخیص داده نشد.
یکی از نکات مهم هنگام استفاده از فیلتراسیون الکترواستاتیکی، مقدار آب موجود در سیال است؛ زیرا این فناوری زمانی که مقدار آب از 500 ppm بیشتر شود، عملکرد مناسبی ندارد.
از آنجا که سیالات فسفاتاستری آبدوست هستند، میتوانند در دمای کاری حدود 4000 تا 4500 ppm آب را در خود حل کنند و این موضوع میتواند مشکلات قابلتوجهی ایجاد کند.
کنترل رطوبت با هوای خشک
در این مورد، سالها قبل یک سیستم پرج هوای خشک برای فضای بالای مخزن نصب شده بود.
این سیستم از تجهیزی استفاده میکند که هوا را تا نقطه شبنم منفی 40 درجه فارنهایت خشک میکند.
سپس هوای خشک وارد فضای بالای مخزن میشود و از طریق وِنت موجود از مخزن خارج میگردد.
به دلیل تعادل فازی، آب از داخل سیال به سمت هوای خشک منتقل شده و سپس همراه با هوا از طریق ونت خارج میشود.
این روش عملکرد بسیار خوبی داشته و حتی در تابستانهای گرم و مرطوب فلوریدا نیز میزان آب موجود در سیال در سطحی کمتر از 500 ppm حفظ شده است.
انواع فیلتراسیون الکترواستاتیکی
برای روانکارها دو نوع اصلی فیلتراسیون الکترواستاتیکی وجود دارد:
1. تجمع ذرات با بار متعادل
Balanced Charge Agglomeration – BCA
2. نوع کلکتوری
Collector Type
در ابتدا روش BCA روی واحد دوم مورد آزمایش قرار گرفت.
این سیستم شامل یک پیشفیلتر و یک محفظه اختلاط است که در آن به ذرات بار الکتریکی داده میشود و فرآیند تجمع ذرات (Agglomeration) آغاز میگردد.
سپس ذرات بزرگتر و تجمعیافته در یک فیلتر نهایی یا پسفیلتر جدا میشوند.
اگرچه این روش موجب کاهش وزن پچ شد، اما هیچ تغییر محسوسی در رنگ سیال مشاهده نشد.
استفاده از فیلتراسیون الکترواستاتیکی نوع کلکتوری
در مرحله بعد، از فیلتراسیون الکترواستاتیکی نوع کلکتوری استفاده شد.
پس از قرار گرفتن سیستم فیلتراسیون در سرویس، چند ماه طول کشید تا رنگ روغن شروع به تغییر کند و وزن پچ نیز کاهش یابد.
سپس مشکلی در واحد فیلتراسیون ایجاد شد که به دلیل توقف واحد، رفع آن حدود چند ماه به طول انجامید.
خوشبختانه در همان زمان که واحد متوقف بود، آکومولاتورها نیز روی واحد دوم نصب شدند. این کار امکان بهرهبرداری از سیستم با تنها یک پمپ را فراهم کرد.
در نتیجه، نهتنها زمان ماند سیال در مخزن برای آزادسازی هوا افزایش یافت، بلکه تولید دوده نیز به دلیل کاهش تراکم آدیاباتیک حبابها در داخل پمپ کاهش پیدا کرد.
هنگامی که فیلتراسیون الکترواستاتیکی مجدداً روی واحد دوم وارد سرویس شد، زمان موردنیاز برای پاکسازی و شفاف شدن روغن به میزان قابلتوجهی کاهش یافت.
همچنین زمان آزادسازی هوا حدود 2 دقیقه کاهش پیدا کرد.
امید این بود که این کاهش زمان، ناشی از کاهش تولید ذرات جدید در سامانه باشد، نه صرفاً نتیجه تمیز شدن سیستم توسط روغن جدید.
نتیجهگیری
همانند بسیاری از تجهیزات مکانیکی، هنگامی که مشکلی در یک سیستم رخ میدهد، معمولاً علت فقط یک مشکل منفرد نیست؛ بلکه چندین مشکل بهصورت همزمان وجود دارند و اثرات یکدیگر را تشدید میکنند.
راهکار سریع و معمول در چنین شرایطی، اغلب فقط تعویض روغن است اما این مورد نمونه بسیار خوبی است که نشان میدهد خود روغن لزوماً منشأ مشکل نبوده است؛ بلکه این سامانه بوده که مشکل ایجاد میکرده است.
اگرچه بسیاری از اصلاحات ساده و قابلدسترسی انجام شدهاند، تنها گذشت زمان مشخص خواهد کرد که آیا این اقدامات برای حل مشکلاتی که ظاهراً گریبانگیر سامانههای EHC هستند، کافی بودهاند یا خیر.
در این سامانه، به نظر میرسد فیلتراسیون الکترواستاتیکی بهترین فناوری برای حذف ذرات زیرمیکرونی از سیال باشد.
البته داشتن سیالی که بتوان از میان آن بهوضوح عبور نور را مشاهده کرد، مطلوب است؛ اما اولویت اصلی نباید صرفاً شفاف کردن روغن باشد.
هدف اصلی باید این باشد که مشکلات موجود در خود سامانه که موجب تولید ذرات زیرمیکرونی میشوند، شناسایی، کاهش و کنترل شوند؛ زیرا وجود این ذرات میتواند تأثیر بسیار مخربی بر حفظ صحیح کیفیت و قابلیت استفاده روغن داشته باشد.
اطلاعات این مقاله برگرفته از این منبع میباشد.
