روغنهای روانکار از دو جزء اصلی تشکیل شدهاند: روغن پایه (Base Oil) و مواد افزودنی (Additives). در اغلب موارد، افزودنیها ماهیتی فداشونده دارند؛ به این معنا که پیش از آنکه روغن پایه دچار تخریب شود، خود آنها مصرف یا تجزیه میشوند. بنابراین، با پایش و روندنگاری مقدار این افزودنیها در طول زمان، میتوان اطلاعات ارزشمندی درباره شرایط کاری روغن و تنشهایی که در حین بهرهبرداری به آن وارد شده است، به دست آورد.
تفسیر روند تغییرات و الگوهای مصرف افزودنیها این امکان را فراهم میکند که وضعیت سلامت تجهیزات بهتر ارزیابی شود و بر اساس آن، برنامههای نگهداری و تعمیرات و تعویض روغن بهصورت هدفمند و پیشگیرانه تدوین شوند.
چرا افزودنیها اهمیت دارند؟
افزودنیهای روغن در نسبتهای مختلف و با ترکیبات شیمیایی متنوع تولید میشوند، اما از دیدگاه عملکردی، تقریباً همگی در یکی از سه گروه اصلی زیر قرار میگیرند:
۱- تقویت ویژگیهای ذاتی روغن پایه
در این حالت، افزودنیها خواص طبیعی روغن پایه را بهبود داده و عملکرد آن را ارتقا میبخشند.
۲- کاهش یا کنترل ویژگیهای نامطلوب روغن پایه
برخی از خصوصیات ذاتی روغن پایه ممکن است در شرایط کاری خاص نامطلوب باشند. این دسته از افزودنیها برای کاهش یا حذف این اثرات منفی به روغن افزوده میشوند.
۳- ایجاد خواص جدید در روغن پایه
برخی افزودنیها قابلیتهایی را به روغن میبخشند که روغن پایه بهتنهایی فاقد آنها است؛ مانند مقاومت در برابر فشارهای بسیار بالا یا خاصیت پاک کنندگی.
بهتنهایی، افزودنیها قادر به انجام عملکرد مؤثری نیستند؛ اما هنگامی که با روغن پایه ترکیب میشوند، مجموعهای را تشکیل میدهند که نقش بسیار مهمی در حفاظت و عملکرد تجهیزات ایفا میکند.
از سوی دیگر، روغن پایه نیز دارای ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی مشخصی است و تنها زمانی که بهطور مناسب با افزودنیها ترکیب شود، میتواند حداکثر کارایی و قابلیت اطمینان را برای تجهیزات فراهم کند.
در واقع، عملکرد واقعی یک روانکار، حاصل همافزایی بین روغن پایه و بسته افزودنیها است، نه عملکرد مستقل هر یک از آنها.
افزودنیها بر اساس عملکرد خود در سه گروه اصلی طبقهبندی میشوند.
افزودنیهای تقویتکننده خواص روغن پایه
- آنتیاکسیدانها (Antioxidants)
- بازدارندههای خوردگی (Corrosion Inhibitors)
- افزودنیهای ضدکف (Anti-Foam Agents)
- افزودنیهای آبزدا یا دمولسیفایرها (Demulsifying Agents)
افزودنیهای کنترلکننده خواص نامطلوب روغن پایه
- کاهشدهنده نقطه ریزش (Pour Point Depressants)
- بهبوددهندههای شاخص ویسکوزیته (Viscosity Improvers)
افزودنیهای ایجادکننده خواص جدید
- افزودنیهای فشارپذیر (Extreme Pressure Additives)
- پاک کنندهها(Detergents)
- غیرفعالکنندههای فلزی (Metal Deactivators)
- افزودنیهای افزایشدهنده چسبندگی سطحی (Tackiness Agents)
معرفی و عملکرد مهمترین افزودنیهای روغن
برای درک بهتر نحوه عملکرد افزودنیها در روانکارها، لازم است با وظیفه و ترکیب شیمیایی مهمترین آنها آشنا شویم. این شناخت به ما کمک میکند هنگام مشاهده نتایج آنالیز روغن، علت کاهش یا تغییر غلظت هر افزودنی را بهتر تفسیر کرده و وضعیت واقعی روغن و تجهیزات را ارزیابی کنیم.
۱- آنتیاکسیدانها (Antioxidants)
آنتیاکسیدانها یکی از مهمترین افزودنیهای روغن هستند که وظیفه اصلی آنها جلوگیری از اکسیداسیون روغن است. این افزودنیها بهویژه در روغنهای توربین نقش بسیار حیاتی دارند، اگرچه در بسیاری از روانکارهای صنعتی دیگر نیز استفاده میشوند.
آنتیاکسیدانها نخستین خط دفاعی روغن در برابر فرآیند اکسیداسیون محسوب میشوند. هنگامی که در اثر عواملی مانند دمای بالا، حضور اکسیژن، فلزات کاتالیزور یا آلودگیها، رادیکالهای آزاد در روغن تشکیل میشوند، آنتیاکسیدانها با این مولکولهای بسیار واکنشپذیر وارد واکنش شده و آنها را خنثی میکنند، پیش از آنکه بتوانند به مولکولهای روغن پایه حمله کنند.
در واقع، آنتیاکسیدانها با فدا کردن خود، از تخریب روغن پایه جلوگیری میکنند؛ به همین دلیل جزء افزودنیهای فداشونده محسوب میشوند.
۲- بازدارندههای خوردگی (Corrosion Inhibitors)
بازدارندههای خوردگی با جذب شدن روی سطوح فلزی (Adsorption)، یک لایه محافظ بسیار نازک تشکیل میدهند که مانع تماس مستقیم فلز با رطوبت، اکسیژن و سایر عوامل خورنده میشود.
این افزودنیها معمولاً از ترکیبات زیر ساخته میشوند:
- سولفوناتهای سدیم
- آلکیلبنزن سولفوناتها
- استرهای جزئی آلکیلفسفریک اسید
وجود این افزودنیها باعث افزایش مقاومت تجهیزات در برابر زنگزدگی و خوردگی شیمیایی میشود.
۳- افزودنیهای ضدکف (Anti-Foam Agents)
تشکیل کف در روغن یکی از مشکلات مهم سیستمهای روانکاری است، زیرا موجب ورود هوا به روغن، کاهش کیفیت فیلم روانکار، افزایش اکسیداسیون و ایجاد کاویتاسیون در پمپها میشود.
افزودنیهای ضدکف با کاهش کشش سطحی (Surface Tension) حبابهای هوا را ناپایدار کرده و باعث ترکیدن آنها میشوند؛ در نتیجه کف تشکیلشده به سرعت از بین میرود.
بیشتر این افزودنیها بر پایه سیلیکون هستند، اگرچه امروزه انواع بدون سیلیکون نیز برای کاربردهای خاص توسعه یافتهاند.
۴- افزودنیهای دمولسیفایر (Demulsifying Agents)
وجود آب در روغن میتواند مشکلات متعددی از جمله خوردگی، کاهش روانکاری، اکسیداسیون و تشکیل لجن ایجاد کند.
دمولسیفایرها باعث میشوند آب و روغن بهراحتی از یکدیگر جدا شوند و روغن بتواند خاصیت جداپذیری از آب مناسبی داشته باشد.
در گذشته این افزودنیها عمدتاً بر پایه ترکیبات باریم و کلسیم بودند، اما امروزه بیشتر از پلیاتیلن گلیکولهای ویژه استفاده میشود که عملکرد بهتر و سازگاری زیستمحیطی بیشتری دارند.
۵- کاهشدهنده نقطه ریزش (Pour Point Depressants)
در دماهای پایین، پارافینهای موجود در روغن پایه بهصورت بلورهای مومی متبلور میشوند. این بلورها میتوانند حرکت روغن را محدود کرده و حتی باعث از کار افتادن سیستم روانکاری شوند.
افزودنیهای کاهشدهنده نقطه ریزش با تغییر نحوه رشد این بلورها، مانع تشکیل شبکههای بزرگ کریستالی شده و اجازه میدهند روغن در دماهای پایینتر همچنان قابلیت جریان یافتن داشته باشد.
بنابراین این افزودنیها تأثیر مستقیمی بر بهبود قابلیت پمپاژ روغن در شرایط سرد دارند.
۶- بهبوددهندههای ویسکوزیته (Viscosity Improvers)
ویسکوزیته یکی از مهمترین ویژگیهای هر روانکار است و تغییرات شدید دما میتواند باعث کاهش یا افزایش بیش از حد آن شود.
بهبوددهندههای ویسکوزیته پلیمرهایی هستند که بهگونهای طراحی شدهاند تا تغییرات ویسکوزیته روغن در برابر تغییرات دما و همچنین نیروهای برشی را کاهش دهند.
به بیان دیگر، این افزودنیها موجب افزایش شاخص ویسکوزیته (Viscosity Index – VI) شده و باعث میشوند روغن در محدوده وسیعتری از دما، ویسکوزیته مناسبی حفظ کند.
۷- افزودنیهای فشارپذیر (Extreme Pressure Additives – EP)
در شرایطی که فشار و بار اعمالشده بر سطوح فلزی بسیار زیاد باشد، فیلم روغن ممکن است شکسته شود و تماس مستقیم فلز با فلز رخ دهد.
افزودنیهای EP در چنین شرایطی فعال شده و با انجام واکنشهای شیمیایی کنترلشده روی سطح فلز، یک لایه محافظ مقاوم تشکیل میدهند که از جوشخوردگی (Welding) و خراشیدگی شدید (Scuffing) سطوح جلوگیری میکند.
این افزودنیها معمولاً بر پایه ترکیبات فسفر یا گوگرد-فسفر هستند و در روغنهای دنده صنعتی، گیربکسها و تجهیزات تحت بار سنگین کاربرد گستردهای دارند.
۸- افزودنیهای ضدسایش (Antiwear Additives)
وظیفه اصلی افزودنیهای ضدسایش، کاهش میزان سایش قطعات در شرایط تنش متوسط است.
مشهورترین ترکیب این گروه، ZDDP (Zinc Dialkyl Dithiophosphate) است که سالهاست بهعنوان یکی از مؤثرترین افزودنیهای ضدسایش در انواع روغنهای موتور و صنعتی استفاده میشود.
این افزودنی هنگام افزایش فشار و دما، روی سطح فلز یک فیلم محافظ شیمیایی تشکیل میدهد که از تماس مستقیم فلز با فلز جلوگیری کرده و میزان سایش را بهطور قابلتوجهی کاهش میدهد.
۹- پاک کنندهها (Detergents)
پاک کنندهها عمدتاً در روغنهای موتور استفاده میشوند.
در هنگام احتراق، محصولات جانبی مختلفی تولید میشود که اگر در روغن تهنشین شوند، موجب تشکیل رسوبات و لجن خواهند شد.
وظیفه پاک کنندهها این است که این محصولات احتراق را بهصورت معلق در روغن نگه دارند و از تجمع و بههمچسبیدن آنها جلوگیری کنند تا بتوانند هنگام تعویض روغن از سیستم خارج شوند.
این افزودنیها معمولاً حاوی فلزاتی مانند کلسیم و منیزیم هستند.
افزودنیها چگونه مصرف میشوند؟
یکی از مهمترین موضوعات در آنالیز روغن، شناخت مکانیزمهای کاهش یا تخلیه افزودنیها است. کاهش غلظت افزودنیها الزاماً به معنای وجود مشکل در روانکار یا تجهیز نیست؛ زیرا بسیاری از افزودنیها از ابتدا به گونهای طراحی شدهاند که در حین انجام وظیفه خود بهتدریج مصرف شوند.
با این حال، الگوی مصرف این افزودنیها اطلاعات بسیار ارزشمندی درباره وضعیت داخلی تجهیزات و شرایط عملکرد روانکار در اختیار متخصصان پایش وضعیت (Condition Monitoring) قرار میدهد.
به طور کلی، افزودنیها ممکن است از طریق چندین مکانیزم مختلف مصرف شوند که مهمترین آنها عبارتاند از:
- مصرف طبیعی در حین عملکرد عادی روانکار
- مصرف آنتیاکسیدانها در اثر اکسیداسیون روغن
- مصرف افزودنیهای ضدسایش در نتیجه افزایش نرخ سایش تجهیزات
- مصرف یا حذف افزودنیها در اثر واکنش با آلایندهها و ایجاد پدیده رنگبری
مصرف طبیعی افزودنیها
همانطور که پیشتر اشاره شد، بیشتر افزودنیهای روغن ماهیتی فداشونده دارند؛ یعنی بهگونهای طراحی شدهاند که پیش از آسیب دیدن روغن پایه، خود وارد واکنش شده و مصرف شوند.
بنابراین، مشاهده کاهش تدریجی غلظت این افزودنیها در طول زمان کاملاً طبیعی است و معمولاً نشاندهنده عملکرد صحیح آنها است.
در مقابل، اگر در طول دوره بهرهبرداری مشاهده شود که مقدار برخی افزودنیها کاهش نیافته یا حتی افزایش پیدا کرده است، این وضعیت میتواند زنگ خطری برای تحلیلگر باشد.
چنین شرایطی معمولاً یکی از دلایل زیر را نشان میدهد:
- روغن به دفعات به سیستم اضافه شده است (Top-up Oil)
- از روانکاری با بسته افزودنی متفاوت استفاده شده است.
- روغن اشتباه وارد سیستم شده است.
- نمونهبرداری از روغن بهدرستی انجام نشده است.
اهمیت داشتن نمونه مرجع
با توجه به اینکه تولیدکنندگان مختلف از بستههای افزودنی متفاوتی استفاده میکنند، بهترین روش برای ارزیابی میزان کاهش افزودنیها، مقایسه نتایج روغن کارکرده با نمونه روغن نو همان محصول است.
در این روش، آنالیز روغن نو بهعنوان مرجع اولیه ثبت میشود و تمامی تغییرات بعدی نسبت به همین مقدار اولیه بررسی خواهند شد.
آزمایشگاههای آنالیز روغن نیز معمولاً بر اساس همین اطلاعات تعیین میکنند که آیا میزان باقیمانده هر افزودنی هنوز در محدوده ایمن قرار دارد یا به ناحیه هشدار و خطر نزدیک شده است.
کاهش آنتیاکسیدانها در فرآیند اکسیداسیون
یکی از مهمترین دلایل مصرف افزودنیها، اکسیداسیون روغن است.
فرآیند اکسیداسیون معمولاً تحت تأثیر عواملی مانند:
- دمای بالا
- حضور اکسیژن
- آب
- ذرات فلزی
- فلزات کاتالیزور
- سایش تجهیزات
آغاز میشود.
در این شرایط، رادیکالهای آزاد تشکیل میشوند. این مولکولها بسیار ناپایدار بوده و تمایل زیادی به واکنش با مولکولهای روغن پایه دارند. در این مرحله، آنتیاکسیدانها وارد عمل شده و این رادیکالهای آزاد را خنثی میکنند.
اما این واکنش یک هزینه دارد:
هر بار که یک رادیکال آزاد خنثی میشود، بخشی از آنتیاکسیدان مصرف میشود.
بنابراین، هرچه شدت اکسیداسیون بیشتر باشد، سرعت مصرف آنتیاکسیدانها نیز بیشتر خواهد بود. اگر شرایط ایجاد رادیکالهای آزاد همچنان ادامه داشته باشد، آنتیاکسیدانها بهتدریج کاهش یافته و در نهایت به پایان میرسند.
آغاز تخریب روغن پایه
تا زمانی که آنتیاکسیدانها در روغن حضور دارند، از روغن پایه محافظت میکنند.
اما زمانی که ذخیره آنتیاکسیدانها به پایان برسد، دیگر هیچ مانعی در برابر حمله رادیکالهای آزاد به مولکولهای روغن پایه وجود نخواهد داشت. از این لحظه به بعد، روغن وارد مرحله تخریب شیمیایی (Oil Degradation) میشود.
در نتیجه، پدیدههایی مانند:
- افزایش عدد اسیدی (TAN)
- افزایش ویسکوزیته
- تشکیل لجن (Sludge)
- تشکیل وارنیش (Varnish)
- افزایش دمای کاری تجهیزات
- کاهش راندمان سیستم روانکاری
بهتدریج ظاهر میشوند.
به بیان ساده:
تا زمانی که آنتیاکسیدان وجود دارد، روغن از خود دفاع میکند؛ اما پس از پایان یافتن آن، فرآیند تخریب روغن پایه آغاز میشود.
مصرف افزودنیهای ضدسایش
دلیل مهم دیگر کاهش افزودنیها، افزایش سایش داخلی تجهیزات است.
اگر تجهیز در شرایطی مانند موارد زیر کار کند:
- ویسکوزیته روغن کمتر از مقدار موردنیاز باشد.
- فیلم روغن بهاندازه کافی ضخیم نباشد.
- کیفیت ماشینکاری سطوح فلزی مناسب نباشد.
- بارگذاری بیش از حد باشد.
- شرایط روانکاری مرزی (Boundary Lubrication) ایجاد شود.
در این حالت، افزودنیهای ضدسایش فعال میشوند.
این افزودنیها با انجام واکنش شیمیایی روی سطح فلز، یک لایه محافظ تریبوشیمیایی تشکیل میدهند که از تماس مستقیم فلز با فلز جلوگیری کرده و میزان سایش را کاهش میدهد.
نکته بسیار مهم این است که:
پس از تشکیل این لایه محافظ، افزودنی ضدسایش دیگر در روغن وجود ندارد، بلکه به سطح فلز منتقل شده است.
به همین دلیل، غلظت آن در نتایج آنالیز روغن کاهش پیدا میکند.
تجدید مداوم لایه محافظ
فیلم محافظ ایجادشده دائمی نیست.
در اثر اصطکاک و سایش، این لایه نیز بهتدریج از بین میرود.
پس از تخریب این لایه، مقدار دیگری از افزودنی ضدسایش دوباره روی سطح فلز واکنش داده و لایه جدیدی تشکیل میدهد.
این چرخه بارها تکرار میشود تا زمانی که ذخیره افزودنی ضدسایش در روغن به پایان برسد.
در آن زمان دیگر امکان تشکیل فیلم محافظ وجود نخواهد داشت و نرخ سایش قطعات بهطور قابل توجهی افزایش پیدا خواهد کرد.
تأثیر آلودگیها بر مصرف افزودنیها
علاوه بر مصرف طبیعی افزودنیها در حین انجام وظایف خود، آلودگیها نیز میتوانند باعث کاهش یا حذف برخی افزودنیها از روغن شوند.
آلایندهها ممکن است با افزودنیهای موجود در روغن واکنش شیمیایی انجام دهند و باعث تشکیل ترکیبات جدید یا رسوباتی شوند که دیگر در فاز روغن باقی نمیمانند. در نتیجه، این افزودنیها دیگر توسط آزمونهای معمول آنالیز روغن قابل تشخیص نخواهند بود.
به عبارت دیگر، ممکن است یک افزودنی هنوز در سیستم وجود داشته باشد، اما به دلیل واکنش با آلایندهها و تشکیل محصولات جانبی، از حالت محلول خارج شده و مقدار اندازهگیریشده آن در نمونه روغن کاهش یابد.
آلایندههای مؤثر بر مصرف افزودنیها
برخی از مهمترین آلایندههایی که میتوانند موجب تخریب یا مصرف افزودنیها شوند عبارتاند از:
۱- آب
وجود آب یکی از مخربترین عوامل برای روانکارها محسوب میشود.
آب میتواند:
- واکنشهای شیمیایی ناخواسته با افزودنیها ایجاد کند.
- فرآیند اکسیداسیون را تسریع نماید.
- باعث هیدرولیز برخی ترکیبات افزودنی شود.
- خوردگی سطوح فلزی را افزایش دهد.
در سیستمهایی مانند توربینهای بخار، هیدرولیک و تجهیزات گردشی، کنترل میزان آب یکی از پارامترهای کلیدی در افزایش عمر روغن است.
۲- سوخت (Fuel)
ورود سوخت به روغن، بهویژه در روغنهای موتور، میتواند باعث:
- کاهش ویسکوزیته روغن
- رقیق شدن فیلم روانکار
- کاهش عملکرد افزودنیها
- افزایش نرخ اکسیداسیون
شود.
ترکیبات موجود در سوخت همچنین میتوانند با برخی افزودنیها واکنش داده و موجب کاهش اثربخشی آنها شوند.
۳- مایع خنککننده (Coolant)
نفوذ مایع خنککننده به روغن یکی از شرایط بحرانی در تجهیزات احتراقی است.
مواد موجود در خنککنندهها مانند:
- گلیکولها (Glycols)
- نمکها
- ترکیبات ضدخوردگی
میتوانند واکنشهای پیچیدهای با افزودنیهای روغن ایجاد کرده و باعث تشکیل رسوبات، لجن و محصولات تخریب شوند.
۴- اسیدها (Acids)
اسیدها میتوانند مستقیماً با برخی افزودنیهای قلیایی واکنش داده و آنها را مصرف کنند.
این موضوع بهویژه در روغنهای موتور اهمیت دارد، زیرا افزودنیهای پاک کننده و معلق کننده (Detergent & Dispersant Additives) برای خنثیسازی محصولات اسیدی احتراق طراحی شدهاند.
نقش ذرات جامد و فلزات در تخریب افزودنیها
ذرات جامد و آلودگیهای فلزی نیز میتوانند باعث افزایش سرعت تخلیه افزودنیها شوند.
برخی ذرات مانند:
- آهن (Fe)
- مس (Cu)
- ذرات حاصل از سایش
- گردوغبار محیطی
میتوانند بهعنوان کاتالیزور عمل کرده و واکنشهای تخریبی مانند اکسیداسیون را سرعت بخشند.
برای مثال، یونهای فلزی حاصل از سایش قطعات میتوانند تجزیه پراکسیدها را تسریع کرده و باعث تشکیل رادیکالهای آزاد بیشتری شوند. افزایش رادیکالهای آزاد نیز به معنی مصرف سریعتر آنتیاکسیدانها خواهد بود.
بنابراین، کنترل آلودگی جامدات تنها برای کاهش سایش اهمیت ندارد، بلکه برای افزایش عمر شیمیایی روغن نیز ضروری است.
نتیجه گیری
از دیدگاه تریبولوژی و پایش وضعیت، کاهش تدریجی برخی افزودنیها بهتنهایی نشانه خرابی نیست؛ بلکه بخشی از رفتار طبیعی یک روانکار در حال کار است. آنچه اهمیت دارد، نرخ کاهش است. اگر این نرخ بیش از مقدار مورد انتظار باشد، میتواند نشاندهنده شرایطی مانند دمای کاری بالا، اکسیداسیون شدید، روانکاری مرزی، بارگذاری بیش از حد، یا وجود مشکلات طراحی و بهرهبرداری در تجهیز باشد. ازاینرو، تحلیل روند مصرف افزودنیها باید همواره در کنار سایر شاخصهای آنالیز روغن، مانند فلزات سایشی، عدد اسیدی (TAN)، ویسکوزیته و میزان آلودگی، انجام شود.
منابع
https://testoil.com/services/turbine-oil-analysis/annual-turbine-analysis/
https://www.fluitec.com/2022/09/29/why-is-lsv-used-for-ruler-analysis/
