Эксперт Ойл
Введите название продукта:



Эксперт-ойл / Статьи / Анализ смазки в паровых турбинах
Главная страницаКарта сайтаe-mail

10.02.2012
Анализ смазки в паровых турбинах

Турбинные масла подвергаются широкому диапазону неблагоприятных факторов – высокая температура, вовлеченный воздух, влажность, загрязнение обломками и мусором, и т.д. – которые ухудшают качество первоначального масла и истощают химические добавки, вызывая необратимые молекулярные изменения. В турбинных установках существует два основных вида деградации сырья – это окисление и термодеструкция.

Окисление – это химический процесс, где кислород вступает в реакцию с молекулами масла, чтобы сформировать целый ряд различных химических продуктов, типа карбоновых кислот. Скорость, с которой это все происходит, зависит от множества факторов. Возможно, температура является самой главной из них, так как, при ее каждом десятиградусном увеличении, степень окисления удваивается. Такое увеличение температуры зависит от окислительной стойкости масла, присутствия катализаторов и от условий, которые способствуют окислению, типа воды, воздуха, определенных металлов, опасных жидкостей и давления.

Термодеструкция – это распад молекул масла под влиянием тепла (высокой температуры), и формирование нерастворимых соединений, которые чаще всего упоминаются как слабые загрязнители. Как правило, термодеструкция происходит в результате эффекта кавитации, а также, электростатического разряда искры и горячих точек. Микро- дизельный эффект (эффект кавитации) – это процесс сгорания воздушных пузырьков, в результате которого создается сжатое адиабатическое тело (где температура превышает 1000 градусов Цельсия). Электростатический разряд искры - это результат внутреннего молекулярного трения, которое генерирует высоковольтные электрические заряды, типа того, когда масло, при высоких скоростях потока, проходит через очень плотные зазоры, создавая температуру свыше 1000 градусов Цельсия.

Со временем, стало понятно, что окислительные процессы разнообразных классов базового сырья существенно отличаются. Высокое окислительное сопротивление второй группы турбинных масел, объединенных с антиоксидантами (которые обычно находятся в феноле и в составах амина), обеспечивает нелинейное поведение в условиях распада их молекул. В результате, большинство стандартных анализов масла  не позволяют выявить момент, когда масло начинает деградировать и разлагаться. Вместо деградации, которая происходит в предсказуемой линейной форме, многие современные турбинные масларазлагаются нелинейным образом .

Изменения в молекулярной структуре масла, которые произошли вследствие уменьшения добавок и увеличения нерастворимых частиц, являются одним из первых условий ее деградации, влияющее на производительность оборудования. Следующим условием деградации будет процесс формирования осадка и нагара, который выступает в виде общего явления в турбо- генераторе. Кроме этого, окисление и термодеструкция побочных продуктов оказывает особенное влияние на увеличение осадка и нагара в турбинах, - они (побочные продукты) смешиваются с другими важными элементами в смазанных паровых турбинах и способствуют деэмульгированию (отделению воды) и выделению воздуха. Поэтому, жизненно важно, чтобы соответствующий диагностический анализ проводился с целью выявления этих осадков в критически важных системах оборудования.



Феррографический анализ

Феррография – это технология, позволяющая получить ценную информацию об эволюции износа определенного оборудования, на основе анализа образца репрезентативной смазки. Этот метод был разработан в 1970-ом году Вероном Уэскоттом в ВМС США, для того чтобы осуществлять контроль над состоянием техники. Сотни людей по всему миру применяли феррографию для большинства систем смазки.

Феррография не ограничивается стратегией прогнозированного обслуживания (ремонта). Эта технология делает важный вклад в изучение трибологии, заключающийся в более глубоком понимании механизмов износа и воздействия смазки на контактные поверхности. Вклад, который превращает универсальную технологию в один из самых мощных способов диагностики, чтобы оценить техническое состояние оборудования и обеспечить ценной информацией о прошлом, настоящем и будущем состоянии смазываемых узлов оборудования.

Сам процесс тестирования является долгим и требует навыков хорошо обученного аналитика. Таким образом, при выполнении аналитической феррографии, могут появиться значительные затраты, которых нет в других аналитических тестах. Но если выделить больше времени на изучение сути феррографии, то большинство согласится с тем, что выгоды будут значительно превышать издержки и, когда случится сильный износ оборудования, автоматически выберут именно этот метод для проведения анализа.

В аналитической феррографии, сухие остатки отделяются и тщательно наносятся на стекло, во время прохождения через биполярное магнитное поле. Когда их движение завершается, растворитель «wash» (который обычно используют в стирке) полностью удаляет оставшуюся смазку на подложке, создавая «феррограмму», где все частицы расположены по размерам и прочно прикреплены к слайду для оптического анализа, с применением биохроматического микроскопа. Затем эти частицы рассматриваются и классифицируются по размерам, форме и концентрации. Информация, относящаяся к изношенным частицам, считается ценной и применяется для выяснения режима износа и его механизма.

Мониторинг паровой турбины

На этом этапе изучения, речь пойдет о мониторинге состояния смазки в паровом турбо- генераторе на заводе локальной целлюлозной промышленности. Турбина Siemens G 800-2 с мощностью в 26 мегаватт непрерывно работала в течение 22- ух лет. В нем был резервуар, который вмещал 8500 литров масла (марки ISO VG 46) для смазки и охлаждения подшипников, зубчатых передач и сальников вала, а также использовался в качестве гидравлической среды необходимой для работы регулятора и парорегулирующих клапанов.

С 1988 года эта турбина эксплуатируется для селективной очистки запасов масла (первой группы). Однако в связи с производственным обновлением в 2002 году, эти запасы масла (нефти) заменили стандартным гидрокрекинговым сырьем (второй группы). В то же время, было добавлено еще около 6000 литров жидкости и с того времени, нефтяные резервуары заполнялись с переменным успехом, создавая смешанную циркулирующую жидкость из двух базовых видов сырья.

Турбо- генератор работал и управлялся нормально, и нарушений связанных со смазочными компонентами не было зарегистрировано. Тем не менее, тщательный контроль за состоянием турбинного масла всегда осуществлялся, в виде его периодического анализа.

Анализ турбинного масла

Программа, анализирующая смазку, использовалась ежеквартально и заключалась в следующем, - брали два образца из масляного резервуара и отправляли их в независимую лабораторию. В одной из таких лабораторий использовали стандартные способы оценки состояния турбинного масла :
- кинематическая вязкость при 40 градусах Цельсия (ASTM D 445);
- вода по методу Карла Фишера (ASTM D 6304);
- нерастворимые частицы (ASTM D 4898);
- кислотное число (ASTM D 664);
- щелочное число (ASTM D 974);
- элементарная спектроскопия (ASTM D 5185);
- коррозия (ASTM D 665-A);
- деэмульгируемость (IP 19);
- пена (ASTM D 892);
- температура вспышки (ASTM D 92);
- выпуск воздуха (DIN 51636);
- класс чистоты  (ISO 4406);
- электропроводность (LSV) (ASTM D 6971).

В другой лаборатории проводили анализ феррографии и ИК-Фурье, вместе с остальными методами. Эти исследования позволили дополнить информацию не только о состоянии масла, но и о состоянии износа турбин.

На этом этапе изучения, из всех полученных тестовых результатов, следует выделить такие, в которых проявилось несколько признаков деградации жидкости, а именно, это деэмульгируемость, выпуск воздуха, количество частиц и LSV. Как видно из таблицы, кислотное число и вязкость масла находятся в пределах диапазона, по определенному периоду времени. Тенденции загрязнения воды и пены остаются низкими. Тем не менее, для всего оцененного периода частичное загрязнение остается высоким, а в некоторых образцах фенольное содержание становится ниже критического уровня и демульгиризация существенно влияет на это.

Последовательные события в процессе деградации масла приводят к возможному истощению анти- окислительных добавок. Антиоксидант, амино/фенольной смеси, действует как сложная система. Аминный ингибитор используют, чтобы нейтрализовать, свободные радикалы, которые вызывают окисление масла. Затем он (аминная смесь) регенерируется фенольной смесью, которая, в свою очередь, является хорошей ловушкой для свободных радикалов. Если уровень фенольной смеси становиться ниже критического, то масло  в генераторе находится под угрозой быстрой деградации, что приводит к образованию легких загрязнений и нагара. Легкие загрязнения (как правило, менее 2 мкм) не могут быть удалены через стандартный механизм фильтрации. По своей природе они являются полярными и нерастворимыми, и это объясняет их неустойчивость в неполярной масляной среде, что также характерно для базового гидрокренингового масла второй группы.
 

 

Главным образом, благодаря мелким частицам (менее 4 мкм) получаются высокие классы чистоты, которые непосредственно связаны с процессом деградации масла в турбине. Деэмульгируемость со своими полярными примесями также поставлена под угрозу.

При смазке подшипников турбогенератора, уровень частоты, по отношению к частицам в масле, имеет первостепенное значение. Таким образом, профилактические действия осуществляются через периодические очистки масла (фильтрация в течение 24 часов), которые необходимы для достижения чистоты системы, в соответствии с рекомендациями OEM (ISO 18/16/12). Тем не менее, быстрое увеличение класса чистоты последовательно проверено, в ходе работы этой турбины.

Феррографический анализ завершен за тот же период и выявлена ценная информация о тяжелом загрязнении масла. Во всех феррограмах возможно наличие легких загрязнений в результате термодеструкции масла и совокупного истощения. Данная информация необходима для выяснения причин, по которым сохраняется высокий класс чистоты, полученный в результате подсчета частиц. Мягкие частицы слабо влияют на износ оборудования, но, несмотря на это, они хорошо способствуют генерации поверхностных отложений, которые обнаруживаются через феррографию.

На рисунке 1 показаны две микрофотографии, осевших на феррограм, частиц и продемонстрированы они в виде белого и зеленого цвета, и поляризованного освещения. Поляризованное освещение позволяет идентифицировать неметаллические частицы (например, кристаллические и аморфные материалы), по яркости отраженного света. Обратите внимание на коричневый узор, который наглядно создают некоторые из этих частиц.

 Рисунок 1. Эти две микрофотографии показывают турбинное масло
с кристаллическим загрязнителем (1000-кратное увеличение).

 

Частицы, в феррограме на рисунке 2, очень малы по размеру, и за счет полярности, они легко выстраиваются вдоль магнитного поля феррографа. У этих частиц прослеживается тенденция к образованию агломератов, которые потом перегружаются вместе с маслом и образуют большую целостную структуру на основе молекулярной полимеризации.



Рисунок 2. На феррограмме частицы выравниваются по магнитному полю.

Увеличение нагара, кажется, является следствием этого физико-химического процесса, и отражено это на микрофотографиях рисунка 3, которые были получены из различных образцов масла. Все эти виды частиц имеют высокий молекулярный вес и полярное сходство, а также существует тенденция быть адсорбированными на биполярных металлических поверхностях как приклеенные вещества, которые в свою очередь отражают тяжелые загрязнения. Они могут парализовать турбину или нанести серьезный ущерб, который часто связан с поломками подшипников и сервомеханизмов.


Рисунок 3. Феррограмма микрофотографий частиц турбинного масла в различных образцах
(1000-кратное увеличение).


Другим методом контроля за состоянием масла стал ИК, который используется для определения органических молекулярных компонентов, проверки увеличения истощения (антиоксиданты) и для определения побочных продуктов разложения (окисления). Мониторинг конкретных антиоксидантных истощений в использованных смазочных материалах по-прежнему рассматривается относительно новой области исследования. Тем не менее, некоторые исследования показывают, что темпы антиоксидантного истощения связаны с деградацией смазки или с влиянием смешанного антиоксиданта, или же с использованием его базового типа для производства смазочных материалов.

Использованные образцы масла представляют из себя сложные смеси различных химических веществ, включая соединения, полученные из сочетания базовых масел и присадок, а также из деградированных масляных продуктов и загрязнений. В результате, использованный спектр масла является сложным, и, по сути, чистая сумма спектров всех индивидуальных соединений создает исходный образец. На самом деле, из-за этой сложности, использованный спектр масла имеет только ограниченную ценность и поэтому его нужно сравнить со спектром неиспользованного масла, где будет значительная аналитическая ценность.

Рисунок 4 показывает спектральный коэффициент пропускания снимков нового и использованного турбинного масла. Черный спектр, это новое масло (новое базовое сырье – группа 2), в то время как красный спектр, это смесь использованного масла, который все еще содержит небольшой процент базового масла группы 1. Тем не менее, спектр показывает идентичные функциональные группы.


Рисунок 4. ИК-спектры пропускания новых и использованных турбинных масел.

При анализе спектра наложений, можно ясно увидеть относительные молекулярные изменения в окислении пиков, а также термодеструкцию масла  по признакам нитрования. Другие молекулярные изменения наблюдаются там, где охарактеризованы фенольные антиоксиданты. Тип разложения, обнаруженный в отработанном спектре масла, обычно наблюдается в ИК- анализе жидкостей, где есть тепловой пробой.

Анализ фильтра

Статически сгенерированные искры являются достаточно распространенными в системах фильтра турбо- генератора. Тут имеется в виду молекулярное трение, которое возникает в масляных потоках через небольшие зазоры, например, в среде фильтра. Так как масло и фильтр непроводники (диэлектрики), эта электрическая энергия накапливается до тех пор, пока не достигнет предела, и потом выпускается искра в направлении земли. Эти электрические дуги могут быть очень высокой и локализованной температуры (около 20 000 градусов Цельсия), и могут мгновенно раскалывать молекулы углеводорода.


Рисунок 5. Подключенный фильтр турбогенератора и сетчатый фильтр с черными и коричневыми блестящими отходами (200х увеличение)

Искровые разряды, образованные на фильтрах и в других местах, выступают основной причиной появления нагара, а некоторые из предыдущих результатов анализа масла подтвердили, что один из двухсторонних фильтров был демонтирован и проанализирован с помощью оптического микроскопа.

Наглядность электрического разряда можно легко увидеть через микроскопический осмотр, который осуществляется с помощью фильтров ядра, фильтров сетки и фильтра для мусора.

На рисунке 5 показаны изменения одного из подключенных фильтров, которые произошли в результате периодического обслуживания. Также продемонстрированы микроскопические модели сетчатого фильтра. Как видно, блестящие черные и коричневые отходы (грязь и нагар) присутствуют в высокой концентрации, тем самым засоряют сетчатый фильтр.

Сетчатый фильтр был собран и использовался для подготовки феррограм, и содержал большое количество истощенных сферических частиц черного цвета (рис. 6 и 7).

 

Рисунок 6. Микрофотография показывает высокую концентрацию черных сфер (1000-кратное увеличение) в магнитном поле.

Одним из источников появления этого черного мусора выступает эрозионное истощение, которое активируется электрическими разрядами. Высокие температуры достигаются с помощью искр на поверхности стали, термического разжижения твердого мусора, который приобретает сферическую форму из-за быстрого охлаждения, под действием поверхностного натяжения.

Микроскопический анализ поверхности фильтра показал несколько круглых сгоревших отверстий, которые появились в результате высокотемпературных электрических разрядов на металлической поверхности.


Рисунок 7. Микрофотография малых прожженных отверстий на поверхности ядра фильтра (200x и 1000-кратное увеличение)

В заключении следует сказать, что турбинные масла нужно хорошо хранить и контролировать, чтобы продлить срок их службы и одновременно обеспечить максимальную производительность турбины. Тем не менее, последние обновления в спецификациях турбинного масла вызвали некоторые споры.

Появление легких загрязнений и их генерирование является основным последствием деградации масла в турбине. Также выделяют четыре вероятные причины деградации:
- В отличие от старого поколения базовых масел (группа 1), тип базового масла, используемый в настоящее время (группа 2), не выделяет нагар в виде суспензии. Такие нерастворимые частицы могут образовывать различные отложения.
- Группа 1 и группа 2 турбинных масел имеют существенные отличия в антиокислительных свойствах и механизмах разрушения.
- Антиоксиданты создают нерастворимые частицы.
- Новая генерация антипенных добавок имеет менее эффективные характеристики выпуска воздуха, тут маленькие пузырьки воздуха адиабатически сжимаются, вызывая появление нагара.

На этом этапе исследования, следует признать, что только следующие методы, используемые для мониторинга состояния турбинного масла, являются эффективными и предотвращают проблемы, связанные с генерацией нагара и грязи:

- Подсчет частиц (класс чистоты) был эффективен в контроле загрязнений. И это несмотря на то, что большинство счетчиков, не чувствительны к небольшим размерам полярных частиц (менее 2 мкм). Причина их эффективности заключается в том, что частицы имеют тенденцию к образованию агломератов.
- Деэмульгиризация масла является одним из важнейших способов оценки, поскольку она зависит от присутствия полярных частиц. Изменение этого свойства может быть сигналом крайнего загрязнения частиц.
- LSV технологии и ИК - оба уже признаны в качестве важных методов контроля за состоянием современного масла турбины. Они эффективно контролируют состояние пакета антиоксидантов и создание легких загрязнений.
- Аналитическая феррография была эффективной в обнаружении легких загрязнений и в определении их характера. В руках опытного аналитика, эта феррография является мощным средством для идентификации турбинного масла.

Р. Р. Маслов

Адрес: г. Москва, дер. Старосырово, Симферопольское шоссе д.20 стр. 1 (Щербинская нефтебаза 11 км. от МКАД)
Телефон: (495)77-11-093, E-mail: info@expert-oil.com