Nové trendy v turbínových olejoch
Súčasné energetické požiadavky vyvolali zvýšenú pozornosť v oblasti starostlivosti a spoľahlivosti energetických strojov a mechanizmov. Pozornosť je preto venovaná mazacím systémom parných a najmä plynových turbín. Ide o záležitosti, ktoré súvisia v tomto prípade s tribotechnikou, tribotechnickou diagnostikou a novými formuláciami turbínových olejov a ich aplikáciou v praxi.
Náročné prevádzkové podmienky, napr. vyššie prevádzkové teploty, nečistoty, ako vzduch (kyslík), vlhkosť (voda), prach, kovové nečistoty, náhodné zmiešanie rôznych olejov sú príčinou nevratných zmien v molekulovej štruktúre, čo vedie k zmenám nielen základových olejov, ale aj úbytku prísad.
Oxidácia je chemický proces, pri ktorom kyslík reaguje s molekulami oleja a vytvára množstvo rozličných chemických produktov, napr. karboxylové kyseliny. V ostatnom čase pozorovať zvýšený obsah kalov a najmä lakov v mazacích systémoch energetických strojov a tiež na funkčných plochách jednotlivých strojových častí, čo prináša značné problémy. Pozornosť je preto venovaná zlepšeniu oxidačnej a teplotnej stability, teda predĺženiu životnosti turbínových olejov. Z tohto dôvodu sú uvádzané nové formulácie olejov - kvalitnejšie základové oleje a formulácie prísad. Nové formulácie vyvolali zmeny, ktoré sa prejavili v prevádzke mazacích systémov turbín a v hodnotení kvalitatívnych ukazovateľov turbínových olejov podľa nových metodík a postupov.
Formulácia turbínového oleja
Turbínové oleje sú miešané, formulované z dobre rafinovaných a teraz najmä hydrogenovaných základových olejov, viskozitných tried ISO VG 32, 46 a 68. Požiadavka je na dobrú stabilitu oleja s cieľom zabrániť vzniku lakov a kalov v oleji a v mazacom systéme turbíny. Všeobecne je požiadavka na základový olej s vysokým viskozitným indexom a na celkový nižší obsah prísad v porovnaní s ostatnými priemyselnými olejmi (vyšší obsah prísad môže viesť k tvorbe lakov a kalov). Dôležitý je výber antioxidantov a ďalších prísad, ako sú inhibítory hrdze a korózie, protipeniace prísady, deemulgátory a iné. Donedávna bola požiadavka na celkový obsah prísad taká, že obsah prísad má byť nižší ako 1 %. V súčasnej novej formulácii turbínových olejov je to až do 2 %.
Chemická formulácia turbínového oleja je teda zameraná na výber základového oleja a vhodných prísad, najmä antioxidantov. Ide o antioxidanty na báze fenolov a amínov a ich zmesi. V prípade antioxidantov sú to primárne antioxidanty (fenoly, amíny a ich zmesi), ktoré odstraňujú voľné radikály a sekundárne antioxidanty, ktoré reagujú s peroxidmi. V tabuľke č.1 uvedieme dostupné informácie o formulácii turbínových olejov so zameraním na výber základových olejov a prísad. Zloženie, formulácia turbínového oleja najčastejšie predstavuje 98 % základového oleja a 2 % prísad (antioxidanty, inhibítory korózie a hrdze, proti peniace prísady a iné prísady).
Ako už bolo uvedené zloženie antioxidantov môže byť nasledovné :
Primárne
- Fenoly, BHT (Butylated-Hydroxyl-Toluene), nízko teplotné antioxidanty < 120 °C
- Amíny, PANA (Phenyl-Alpha-Naphthyl-Amine), vysoko teplotné antioxidanty > 120 °C
Sekundárne - Zn/(RO)2 PS2/2
- ZDDP - Zinc - Dialkyl - Dithio - Phosphates
- Zmes antioxidantov - synergizmus (Fenoly a Amíny)
Zmes amínových a fenolových antioxidantov predstavuje komplexný, vyvážený systém. Treba uviesť, že amínové inhibítory pôsobia tak, že neutralizujú voľné radikály, ktoré sú príčinou oxidácie oleja. Amínové inhibítory sa regenerujú inhibítormi na baze fenolov, ktoré sú dobre lapače voľných radikálov. Ak úroveň fenolov sa zníži na kritickú hodnotu, olej je v nebezpečenstve a to z dôvodu jeho rýchlej degradácie, čo vedie k tvorbe mäkkých nečistôt (kalov) a lakov. Na obrázku č.1 vidieť porovnanie turbínových olejov novej a staršej generácie a priebeh ich degradácie v určitom čase. Mäkké nečistoty sú menšie ako 2 µm a nemôžu byť preto odstránené klasickou mechanickou filtráciou. Ide o prirodzené látky, ktoré sú nerozpustné a najmä polárne a z toho dôvodu sú nestabilné v nepolárnom olejovom prostredí hydrokrakovaných základových olejov (skupina II. podľa API). Pri kontrole tried čistoty turbínových olejov podľa ISO 4406:99, často sa zistí výskyt veľkého množstva malých častíc (menšie ako 4 µm), čo môže viesť k zmenám v štruktúre turbínového oleja a byť príčinou degradácie turbínových olejov. Deemulgačné vlastnosti oleja sú často kompromisom z dôvodu prítomnosti polárnych nečistôt v turbínovom oleji.
Základné požiadavky na turbínové oleje
Vzhľadom na prevádzkové podmienky od turbínového oleja sa vyžadujú tieto vlastnosti:
- odolnosť proti stárnutiu (oxidačné skúšky, číslo kyslosti)
- schopnosť odlučovať vodu a vzduch
- schopnosť odolávať zaťaženiu a ochrana proti opotrebovaniu
- ochrana proti korózii
- čistota strojových častí a mazacieho systému
Hodnotenie turbínového oleja
Pre hodnotenie mazacích vlastnosti sa používajú laboratórne a strojové skúšky. V tabuľke č. 2 uvedieme hodnotiace skúšky.
Oxidačná stabilita turbínového oleja
Vzhľadom na nové postupy v hodnotení oxidačnej stability turbínových olejov uvedieme dve základné skúšky, ktoré sú často rozhodujúce.
Skúška RPVOT - Rotating Pressure Vessel Oxidation Test ( Oxidačná skúška v rotačnej tlakovej nádobe) ASTM D 2272
Pokles tlaku o 25 psí (1,75 at)
Namerané hodnoty v minútach
Uvedieme všeobecné hodnoty oxidačnej stability, RPVOT pre turbínové oleje vyrobené zo základových olejov podľa API
Skúška TOST - Turbine Oil Stability Test podľa ASTM D 943
Oxidačná stabilita turbínových olejov, nárast TAN na 2 mgKOH/g
Namerané hodnoty v hodinách
Z prehľadu vidieť, že skúška podľa RPVOT (minúty) je vhodná pre hodnotenie oleja v prevádzke a skúška podľa TOST (hodiny) je vhodná pre čerstvý olej (výrobca). Z uvedeného vyplýva, že RPVOT meria odolnosť oleja proti oxidácii. Namerané hodnoty sú ovplyvňované typom a množstvom prísad, antioxidantu v oleji a mohutnosťou antioxidantu základového oleja. Získaná informácia o použitom oleji naznačuje stratu, úbytok užitočného oxidačného života oleja (RUL) a stanovy sa porovnávaním vzorky použitého a čerstvého oleja.
Percentuálny úbytok oxidačného života oleja RUL
Varovný a kritický limit, obsahu antioxidantu (oxidačného života) pre turbínové oleje sa uvádza ako pokles na 60 % (varovný limit), resp. na 40 % (kritický limit). Treba poznamenať, že ide o všeobecné údaje, ktoré majú naznačiť ako postupovať pri hodnotení, tribotechnickej diagnostike turbínových olejov podľa skúšky RPVOT.
Degradácia turbínového oleja v prevádzke
Vzhľadom na prevádzkové podmienky v mazacom systéme turbín, jednotlivých trecích častí a príslušenstva treba uviesť príčiny degradácie turbínového oleja, ktoré vyplynuli možno aj z nových formulácií turbínového oleja. V ostatnom čase pozorovať najmä nárast lakov a kalov, ktoré sú príčinou určitých prevádzkových problémov, ktoré majú vplyv na funkčnosť a spoľahlivosť strojových častí a tiež životnosť turbínového oleja. Možné spôsoby a postupy degradácie oleja:
1. Oxidácia - chemický proces pri ktorom kyslík zmení uhľovodíkovú molekulu na iné produkty ako napr. karboxylové kyseliny. Rýchlosť oxidácie sa zvýši dvojnásobne pre každých 10 °C nárastu teploty. Prítomné katalyzátory urýchľujú oxidáciu, ako napr. vzduch, voda, a niektoré kovy (Fe a najmä Cu).
2. Tepelná degradácia - proces vzniká bez prítomnosti kyslíka pri teplote okolo 300 °C. Uhľovodíkové štruktúry sú narušené (krakované), pričom vznikajú nerozpustné karbónové produkty, laky a kaly.
Primárnou príčinou tepelnej degradácie sú :
- Mikro - dieselizácia (adiabatická kompresia) vzniká vtedy, keď vzduchové bublinky prechádzajú z nízko tlakovej oblasti (olejová nádrž) do vysoko tlakovej oblasti (čerpadlo). Bublinky vtedy skolabujú pri teplote nad 1 000 °C.
- Elektrostatický výboj - ESD (Elektrostatic Spark Discharge) je výsledkom akumulácie vnútro molekulárneho trenia, vznikajúceho vtedy ako olej prúdi cez veľmi úzke tolerancie pri vysokom prietoku. ESD vzniká tiež pri plnom prietoku cez mikro mechanické filtre, hraničnom mazaní a samotný výboj môže vyvolať nárast teploty až nad 10 000 °C.
- Horúce miesta - veľmi horúce miesta v mazacom systéme turbín môžu byť príčinou tepelnej degradácie oleja. Treba uviesť, že pri týchto prevádzkových podmienkach prebiehajú chemické reakcie ako je polymerizácia (spájanie rovnakých molekúl), resp. pyrolýza (rozklad molekúl).
Podľa dostupných informácií degradáciu mazacích olejov môžeme zoradiť do štyroch stupňov a to :
1. Stupeň - oxidácie a polymerizácia
2. Stupeň - rozpustnosť mäkkých častíc
3. Stupeň - zrážanie (usadzovanie) a zhlukovanie (hromadenie) častíc
4. Stupeň - vytváranie lakov, usadzovanie na funkčných častiach strojov a v mazacom systéme.
Treba poznamenať, že posledné tri stupne sú vratné (reverzibilné). Rozhodujúca je teplota (roztoku) mazacieho oleja. Ako kritická hodnota sa uvádza teplota pri 40 °C.
Kontrola mäkkých častíc
Pre kontrolu lakov bola vyvinutá nová metóda QSA (Qualitative Spectrophotometric Analysis). Ide o metódu na meranie množstva potenciálu tvorby lakov v turbínových olejoch a v iných mazacích olejoch. QSA je prediktívna (štatistická) skúška, vhodná pre užívateľov turbínových olejov (olejov v prevádzke) na stanovenie možnej výstrahy pre tvorbu lakových nečistôt. QSA nie je pre stanovenie už vytvorených lakových formácií. Výsledky sú uvádzané v rozsahu od 1 do 100 podľa triedy znečistenia, kalibračnej krivky, napr. VPR 83 (VPR - Varnish Potencial Rating). V praxi sa na kontrolu mäkkých nečistôt (kalov a lakov) používa skúška na membráne MPC (Membrane Patch Colorimetric) test.Metóda porovnáva (kvantifikuje) množstvo degradovaných látok zastúpených v oleji. Čím je farba vzorky tmavšia, tým je vyššia hodnota MPC. Môže byť až 100. Pri MPC 20 a nižšej hodnote začína bezpečné pásmo, mazací olej vyhovuje prevádzke.
Tribotechnická diagnostika turbínových olejov
Vzhľadom na nové formulácie turbínových olejov sú podľa doterajších skúsenosti odporúčané pre kontrolu olejov tieto metódy a postupy.
Pravidelná kontrola (mesačná, štvrťročná):
- Kinematická viskozita, ASTM D 445, STN EN ISO 3104
- Obsah vody podľa K.F., ASTM D 1744, D6304, STN 65 6062, STN 65 0330
- Číslo kyslosti, ASTM D 664, STN 65 6070
- Nečistoty, ISO 4406-99
- Obsah kovov ICP
Doplňujúce skúšky pre kontrolu oleja (ročne):
- Uvedené skúšky z pravidelnej kontroly (mesačná, štvrťročná)
- RPVOT, ASTM D 2272
- Deemulgačná charakteristika, ASTM D 1401, STN 65 6229
- Korozívna skúška, ASTM D 665, STN 65 6075
- Penenie, ASTM D 892, STN 65 6238
Uvedené odporúčanie pre kontrolu turbínového oleja má byť len návodom, pomôckou pre stanovenie vhodných postupov, ktoré by mali zohľadňovať konkrétne prevádzkové podmienky a samotný mazací systém. Na základe doterajších skúsenosti z kontroly turbínových olejov v prevádzke a podľa niektorých odporúčaní, ako napr. ASTM D 4378-97 uvedieme hraničné hodnoty, limity pre oleje pre parné a plynové turbíny.
Hraničné hodnoty pre turbínové oleje :
Vzhľad: kalný
Číslo kyslosti: nárast o 0,3 až 0,4 mgKOH/g
Kinematická viskozita: +/- 5 % z čerstvého oleja
Oxidačná stálosť: RPVOT, pokles o 25 % (min. 100 minút)
Obsah vody: max 1 000 ppm (0,1 %) pre parné turbíny a 500 ppm (0,05 %) pre plynové turbíny
Deemulgačná charakteristika: max. 40 minút
Viskozitný index: min. 90 ( pre základový olej bez prísad)
Teplota vzplanutia: pokles o 20 °C pod hodnotu čerstvého oleja
Trieda čistoty: ISO 4406-99, 18/16/13, resp. NAS 1638, trieda 7
Skúška FZG (ISO VG 32): nevyhovujúci stupeň 6 až 7 s AW a EP prísadami až 10
Uvedené odporúčania pre hraničné hodnoty kontrolovaných parametrov pre turbínové oleje majú byť len návodom pre tribotechnickú diagnostiku v konkrétnych prevádzkových podmienkach parných a plynových turbín.
Trendy vo vývoji turbín a turbínových olejov
Ako sa bude uberať ďalší vývoj v oblasti turbín a turbínových olejov mal by naznačiť nasledovný prehľad. Ide o tieto trendy:
- Nárast kvality oleja, oleje bez obsahu zinku a nové syntetické oleje
- Vyššie teploty ložísk pri súčasnej metalurgií, kontaktné teploty až do 300 °C (letecké derivačné plynové turbíny)
- Premena súčasných parných elektrární na kombinované jednotky (paroplynový cyklus), zvýšenie energetickej účinnosti (viac ako 50 %)
- Nárast výkonu plynových turbín v širokom rozsahu, zameranie na zníženie emisií a zlepšenie účinnosti
- Zvýšená oxidačná stabilita a požiadavka na dlhšiu životnosť oleja, výber vhodných antioxidantov
- Nárast v používaní hydro procesných základových olejov podľa API triedy II, II+, III a syntetických olejov IV (PAO, PAO/POE)
- Vyššie prevádzkové teploty (teplota oleja v nádrží 70 až 120 °C)
- Jemnejšia filtrácia oleja (10 až 3 μ filtre)
- Menšie systémy (olejové nádrže) väčšie obehové číslo (i > 10 pre parné turbíny)
- Viac turbín s reduktorom (ozubené prevody), FZG stupeň poškodenia až 10
- Ošetrovanie oleja v prevádzke, odstraňovanie lakov a kalov pomocou nových postupov, ako elektrostatické čistenie a adsorpčná filtrácia.
Záver
V ostatnom čase v oblasti vývoja a použitia turbínových olejov nastali podstatné zmeny, ktoré vyvolali nové požiadavky na riešenie niektorých problémov pri ich aplikácii. Ide najmä o zistenia, ktoré súvisia so zvýšeným výskytom mäkkých častíc, lakov a kalov v mazacích systémoch turbín a ich usadzovania na funkčných plochách strojových častí. Cieľom príspevku bolo poskytnúť najnovšie informácie z tejto odbornej oblasti a naznačiť ďalší vývoj.
Ing. Jozef Stopka, TRIBEX, spol. s r.o.
