Моніторинг стану турбінної оливи: навчальний посібник

Деградація турбінної оливи

Існує чотири основні причини, через які турбінні оливи деградують під час експлуатації.

Перша — окиснення. Усі оливи окиснюються в експлуатації при контакті з киснем атмосфери. І окиснення не обмежується резервуаром, оскільки повітря розчинене в оливі. Зі зростанням температур у турбінах, збільшенням витрат потоку та скороченням часу перебування оливи в резервуарі кисень і олива отримують більше можливостей для взаємодії.

Друга — термічна деградація. У турбіні олива може зазнавати дії температур, які спричиняють хімічну зміну молекул базової оливи та присадок. Результатом цієї реакції є утворення речовин, що погано розчиняються в оливі. Згодом ці речовини відкладаються в масляній системі, спричиняючи відкладення, а в деяких випадках — і відмови обладнання.

Третя — забруднення. Турбінні оливи піддаються дії різноманітних забруднювачів, таких як вода (особливо в парових турбінах), пил та інші сторонні речовини, мийні хімікати, а також забруднення внутрішнього походження, як-от метали зношування. Хоча жоден із цих чинників не є прямим наслідком деградації оливи, вони часто сприяють іншим проблемам деградації. Метали зношування, такі як мідь, залізо та свинець, каталізують реакцію окиснення. Вода (особливо хімічно оброблена) може дуже несприятливо впливати на здатність оливи гасити піну та відокремлюватися від води. Надмірне піноутворення може призвести до млявої реакції гідравлічних систем керування, кавітації в насосах і підшипниках, а також до проблем безпеки, якщо піна переповнює резервуар і виливається на підлогу.

Четверта — виснаження присадок. Певне виснаження присадок є нормальним та очікуваним. Антиоксидантні присадки споживаються в міру виконання своєї функції. Деемульгатори допомагають оливі відокремлювати воду, але при контакті з великими обсягами водного забруднення деемульгатори можуть вимиватися. Антипінні присадки можуть видалятися ультратонкою фільтрацією або агломеруватися, коли олива тривалий час не циркулює.

Усі ці чинники слід послідовно контролювати протягом усього строку служби турбінної оливи. Нижче описано тести, які найчастіше застосовуються для моніторингу відпрацьованої турбінної оливи. Їх можна поділити на три категорії: фізико-хімічні властивості, вимірювання забруднення та експлуатаційні (робочі) властивості.

Фізико-хімічні властивості

В'язкість (ASTM D445). В'язкість — найважливіша властивість будь-якого мастильного матеріалу. В'язкість визначається як опір оливи течінню за заданої температури та вимірюється за протоколом ASTM D445. Стосовно турбінних олив, значні зміни в'язкості зазвичай свідчать про те, що олива забруднилася іншою оливою. У дуже важких випадках в'язкість зростає внаслідок надмірного окиснення. Термічний крекінг (від надмірного нагріву) базової оливи може спричинити зниження в'язкості. Результати цього тесту наводяться в сантистоксах при 40 °C. Типовий діапазон результатів має бути в межах +/- 5 відсотків від в'язкості нової оливи.

Загальне кислотне число (ASTM D974). Загальне кислотне число (TAN) — це міра кислотності оливи; воно вимірюється титруванням оливи лужною речовиною (KOH) та визначенням кількості лугу, потрібної для нейтралізації кислот в оливі. Результати наводяться як мг KOH/г досліджуваної оливи. TAN вимірює кислі побічні продукти, що утворюються під час окиснення.

Стандарт ASTM D4378 (Моніторинг мінеральних турбінних олив для парових і газових турбін в експлуатації) рекомендує як межу попередження приріст на 0,3–0,4 мг KOH/г понад значення нової оливи. Будь-яку значну зміну TAN слід розслідувати, оскільки кислоти в оливі можуть спричинити корозію поверхонь підшипників, що призводить до невиправного пошкодження. Однак слід обережно реагувати на одиничний високий результат TAN. Тест TAN не є точним методом (+/- 40 відсотків за стандартом ASTM) і залежить від мінливості, спричиненої операторами. Погане обслуговування буферного розчину чи електродів, що використовуються при титруванні, також може давати хибні результати.

Стабільність до окиснення за обертовою бомбою (ASTM D2272). Тест окиснення в обертовій бомбі під тиском (RPVOT, раніше відомий як RBOT) — це міра залишкового ресурсу окиснення порівняно з новою оливою. Тест не призначений для порівняння двох різних нових олив або олив різної хімії. Фактично, оливи з дуже високими значеннями RPVOT для нової оливи демонстрували найкоротший строк служби в лабораторних стендових випробуваннях.

ASTM D4378 визначає нижньою межею 25 відсотків від значення RPVOT нової оливи. Коли олива наближається до 25 відсотків від значення нової оливи разом зі зростанням TAN, ASTM D4378 рекомендує планувати заміну заправки оливи.

Вимірювання забруднення

Вміст води (візуально та ASTM D1744). Турбінні оливи піддаються водному забрудненню з кількох джерел. Парові турбіни можуть мати протікання ущільнень валу або парових з'єднань. Усі турбіни можуть забруднюватися водою від атмосферної конденсації в резервуарі або через протікання теплообмінників.

Турбінну оливу слід щодня перевіряти на наявність води. При огляді проба має бути прозорою та світлою. Каламутний або туманний вигляд свідчить про можливу присутність води. Можна виконати тест на воду на місці, наприклад тест на «потріскування» на гарячій плиті, коли досліджувану оливу крапають на нагріту металеву поверхню. Бульбашки та потріскування свідчать про присутність води.

У лабораторії воду зазвичай вимірюють титруванням за Карлом Фішером (ASTM D1744) і наводять як відсоток або в частинах на мільйон. ASTM D4378 визначає 1 000 ppm або 0,1 відсотка води як межу попередження. Однак деякі виробники обладнання (OEM) визначили 500 ppm як межу попередження. Слід пам'ятати, що метод Карла Фішера не вимірює вільну воду, тому рекомендується щоденний візуальний огляд турбінної оливи.

Метали методом мас-спектрометрії з індуктивно зв'язаною плазмою (ICP). Концентрація металів у турбінній оливі може дати раннє попередження про умови зношування, зміни в роботі обладнання чи потенційні проблеми забруднення. Втім, слід пам'ятати, що розмір металевих частинок, які виявляє цей метод, обмежений дуже дрібними частинками, зазвичай менш як 8 мікронів. Це означає, що можуть статися катастрофічні відмови, за яких утворюються великі шматки металу зношування, що не виявляються цим тестом. Конкретної межі за вмістом металів для турбінних олив немає. Найважливішим аспектом цього тесту часто є тренд концентрації металів.

Оцінка на ультрацентрифузі. Тест на ультрацентрифузі виявляє тонко дисперговані або зважені частинки в оливі. Досліджувану пробу оливи центрифугують зі швидкістю 17 500 об/хв протягом 30 хвилин. Наприкінці цього періоду пробірку зливають, а залишковий осад оцінюють за стандартом, як показано на Рисунку 1. Основне призначення цього тесту — дати ранню вказівку на попередники відкладень в оливі. Результати тесту наводяться за шкалою від 1 до 8, де 8 означає найбільшу кількість залишкового осаду. Результат від 4 до 6 є приводом для занепокоєння, що олива в експлуатації має потенціал утворювати відкладення, які погіршують робочі властивості системи.

Підрахунок частинок (ISO 4406). Підрахунок частинок та рейтинги чистоти ISO визначають концентрацію частинок в оливі та співвідносять її зі шкалою чистоти ISO. Результати наводяться як кількість частинок розміром понад 4 мікрони / 6 мікронів / 14 мікронів на мл рідини. Код чистоти ISO співвідносить кількість частинок на мл з логарифмічною шкалою з кодовим числом для кожного діапазону. Типовий результат виглядає як 18/16/13, де 18 означає, що є 1 300–2 500 частинок на мл розміром понад 4 мікрони, 320–640 — розміром понад або дорівнює 6 мікронам, і 40–80 — понад 14 мікронів. Див. Таблицю 1.

Підрахунок частинок піддається широкому діапазону мінливості через підготовку проби, рецептури оливи, забруднення контейнера проби, а також місце та метод відбору. Існують також відмінності в обладнанні для вимірювання кількості частинок між методами розсіювання світла та методами блокування пор фільтра. Слід подбати, щоб проби, що використовуються для підрахунку частинок, були репрезентативними та послідовними. Результати підрахунку частинок придатні лише як відносна міра забруднення, і жодного стандарту ASTM для цього тесту не існує. Зрештою підрахунок частинок дає добру вказівку на загальну чистоту системи. OEM пропонують деякі настанови для нових і відпрацьованих олив, але загалом прийнятним результатом є код чистоти ISO 18/15/13 або нижчий.

Колориметричний аналіз

Колориметричний аналіз призначений для вимірювання нерозчинних речовин у турбінній оливі, які часто призводять до лакових відкладень (varnish). Процес включає обробку проби мастила спеціальною хімічною сумішшю, розробленою для ізоляції та агломерації нерозчинного побічного продукту, а також його збирання на фільтрувальній мембрані (патчі). Потім оцінюють спектр кольору зібраного матеріалу, і залежно від інтенсивності певних кольорів чи діапазонів кольорів можна вивести рейтинг потенціалу лакоутворення. Фільтрувальну мембрану також можна зважити як спосіб визначення концентрації нерозчинних речовин у мастилі.

Кілька комерційних лабораторій застосовують цю методику, кожна за власним методом. Наразі цей тест не охоплюється стандартом ASTM, проте метод ASTM на основі цієї концепції зараз розробляється. Приклад результатів мембранного колориметричного тесту наведено на Рисунку 2 — від низького потенціалу лакоутворення до високого потенціалу лакоутворення.

Експлуатаційні властивості

Захист від корозії (ASTM D665 A та B). ASTM D665A використовує дистильовану воду та сталевий випробувальний шпиндель при 60 °C. ASTM D665B використовує синтетичну морську воду і є суворішим тестом, який нечасто застосовується для турбінних олив. Якщо на сталевому випробувальному шпинделі виявлено іржу, тест вважається непройденим. Однак непройдений тест ASTM D665 не завжди корелює з проблемою корозії в системі.

Деемульгувальність (ASTM D1401). Деемульгувальність — це міра здатності оливи відокремлюватися від води. 40 мл досліджуваної оливи та 40 мл дистильованої води змішують, а потім дають відстоятися. Записують час повного розділення оливи та води або через 30 хвилин фіксують обсяги оливи, води та емульсії. ASTM не пропонує межі попередження для деемульгувальності, але результат у 15 мл або більше емульсії через 30 хвилин є прийнятною межею попередження. Забруднення та вік оливи — чинники, що негативно впливають на деемульгувальність. Слід бути обережним при оцінюванні деемульгувальності, оскільки підготовка скляного посуду та якість використовуваної води можуть давати хибні або негативні результати.

Схильність до піноутворення та стабільність піни (D892, Послідовність I). Присутність певної кількості піни в резервуарі є нормальною і не є приводом для занепокоєння. Надмірне піноутворення зазвичай пов'язане не з оливою, а радше з механічними проблемами, що спричиняють потрапляння в оливу надмірної кількості повітря. Забруднення та окиснення оливи також можуть впливати на схильність до піноутворення та стабільність піни.

Надмірна кількість піни турбує оператора турбіни з двох причин. Перша — це питання безпеки та чистоти, якщо піна переливається через край резервуара. Друга — надмірна кількість повітря в оливі може призвести до швидшого окиснення та явища, відомого як мікродизелінг. Мікродизелінг виникає, коли бульбашка повітря в оливі швидко й адіабатично стискається, спричиняючи екстремальне локальне підвищення температури. Відомо, що такі великі стрибки температури спричиняють термічну та окиснювальну деградацію оливи, що призводить до утворення відкладень. ASTM D4378 пропонує настанову: 450 мл схильності до піноутворення та 10 мл стабільності в тесті за Послідовністю I.

Як, де та коли відбирати проби

Немає єдино правильної відповіді на питання, як і де відбирати турбінну оливу. Вибір місця відбору залежить від того, які дані потрібні від аналізу оливи. Наприклад, якщо основним предметом цікавості є метали зношування, відбір після фільтра не є вдалим місцем, оскільки потрібні дані були б втрачені у процесі фільтрації. Кращою точкою відбору в цьому випадку буде ділянка до фільтрів або зворотна лінія підшипника. Якщо основним предметом цікавості є забруднення, корисними можуть бути проби до та після фільтра. Порівняння коду чистоти ISO проб до та після фільтра дає конкретне уявлення про ефективність застосованої фільтрації та ступінь надходження забруднень. Для більшості цілей проба, відібрана до фільтрів, є найбажанішою для загального тестування.

Хоча відповідних місць для відбору проби багато, щодо способу відбору існує майже одностайна згода. Щоб отримати репрезентативні проби оливи, агрегат має бути нагрітий до нормальної температури та робочого режиму або перебувати одразу після зупинки. Точка відбору має бути чистою та продутою від усієї застійної чи брудної оливи, що може бути в лінії та клапані. Переконайтеся, що контейнер для проби чистий і сухий. Правильно та повністю заповніть етикетки проби та якнайшвидше відправте до відповідної лабораторії. Затримки з відправленням проб можуть додати мінливості результатам тестів, особливо тим, що стосуються вмісту нерозчинних речовин в оливі.

Рекомендований графік аналізу оливи наведено в Таблиці 2.

Висновок

Надійна робота енергогенерувальної турбіни та супутнього обладнання залежить від справності та доброго стану мастильного матеріалу, що використовується. Регулярний аналіз оливи та моніторинг стану — один з інструментів, який слід застосовувати для підтримання турбіни в піковому робочому стані.

Програма аналізу оливи має включати базові тести, окреслені в цьому документі, для оцінювання фізико-хімічних властивостей, проблем забруднення та експлуатаційних характеристик рідини. Операторам слід консультуватися з виробником обладнання щодо подальших настанов з інтерпретації даних аналізу відпрацьованої оливи.

Додаток 1. Настанова з інтерпретації аналізу

Примітка: це слід використовувати лише як загальну настанову. Конкретні коригувальні дії слід вживати лише за рекомендаціями OEM та/або вашого постачальника мастильних матеріалів.

В'язкість (+/- 5 відсотків від значення нової оливи, cSt при 40 °C). Низька в'язкість: олива нижчої в'язкості, використана для доливання; механічний зсув в оливах з покращувачем індексу в'язкості; забруднення розчинниками; термічний крекінг від надмірного нагріву (як-от електричні бакові нагрівачі); погана чи хибно марковані проба. Висока в'язкість: олива вищої в'язкості, використана для доливання; надмірне окиснення; локальні перегріви («гарячі точки») в системі; перевищений інтервал заміни оливи; забруднення; погана чи хибно марковані проба.

Загальне кислотне число: зростаюче або високе окиснення; неправильна олива; забруднення іншою рідиною; мінливість тестування.

RPVOT: зниження RPVOT свідчить про споживання антиоксидантних сполук в оливі; зростання RPVOT — рідкісне явище, але може бути результатом специфічних реакцій рецептури оливи; мінливість тестування — зазвичай занижене значення через витік у бомбі під тиском.

Вода: атмосферна конденсація; протікання масляних охолоджувачів; надходження води при промиванні; протікання пари; погана деемульгувальність оливи; несправна робота обладнання кондиціонування оливи; непрацюючий екстрактор пари; неточна проба (придонні проби).

Метали: неточна проба (придонна проба); зношування компонентів; неправильна олива; герметики; різьбові ущільнювальні склади; забруднювачі; складальні мастила.

Ультрацентрифуга: накопичення нерозчинних речовин в оливі; неточна проба; вказівка на зростання потенціалу утворення відкладень.

Підрахунок частинок: неточна проба; несправна робота фільтрувального обладнання; погані процедури зберігання та поводження.

Настанови з інтерпретації металів

Лише для орієнтації. Щодо конкретних настанов з інтерпретації вмісту металів консультуйтеся з OEM.

Метали-забруднювачі та метали присадок можуть надходити з різних джерел. Барій — мийна присадка мастила. Бор — присадка технологічної/охолоджувальної води, присадка трансмісійної оливи. Кальцій — мийна присадка мастила, жорстка вода. Магній — мийна присадка мастила, жорстка вода, присадка технологічної/охолоджувальної води. Молібден — модифікатор тертя мастила; можливий легувальний елемент. Фосфор — протизносна присадка мастила. Кремній — низькі рівні можуть бути антипінною присадкою, надлишок зазвичай є зовнішнім забрудненням. Натрій — мийна присадка мастила, жорстка вода, присадка технологічної/охолоджувальної води. Цинк — протизносна присадка мастила, може також бути металом зношування.

Метали зношування. Алюміній — конструкційні компоненти, підшипники, втулки. Хром — підшипники, може бути легований із залізом. Мідь — підшипники, втулки. Залізо — конструкційні компоненти. Свинець — підшипники. Марганець — зазвичай частина сталевого сплаву; низькі рівні зазвичай спостерігаються, коли рівні заліза дуже високі. Нікель — підшипники, конструкційні компоненти, може бути легований із залізом. Олово — підшипники, втулки; зазвичай спостерігається разом з міддю. Титан — лопатки турбіни.

Додаток 2. Межі ASTM та OEM для відпрацьованої оливи

Нижче зведено межі для відпрацьованої турбінної оливи за стандартом ASTM D4378 та за вимогами провідних виробників обладнання (OEM): Ahlstom (газові та парові), GE (газові), GE (парові), Solar, MHI (парові та газові), Siemens/Westinghouse. Джерела специфікацій: ASTM D4378; HTGD901117 (Ahlstom); GEK 32568f (GE Gas); GEK 46506D (GE Steam); ES9-224 (Solar); MS04-MACL001 і CL002 (MHI); K-8962-11 (Siemens/Westinghouse). Детальні значення наведено в Таблиці 3.