اثرات مخرب آب در سیستم های هیدرولیک و روغن هيدروليک

این مقاله اثرات مخربی که آلودگی آب می‌تواند بر سیستم‌های هیدرولیک و سایر سیستم‌های روغن‌کاری داشته باشد را بررسی می‌کند و راه‌های اندازه‌گیری، کنترل و حذف آب از روغن را توضیح می‌دهد.

آب می تواند در سیالات هیدرولیک و سایر روان کننده ها به صورت محلول، امولسیون یا بصورت آب آزاد وجود داشته باشد. اصطلاحا، نقطه ای که روغن  نمی تواند آب محلول بیشتری را در خود نگه دارد، سطح اشباع نامیده می شود. اگر آب بیشتری نسبت به مقدار آب حل شده در روغن، موجود باشد، اين آب اضافی می تواند به صورت یک فاز آب جداگانه مشاهده شود.

به طور معمول، روغن حاوی آب بیش از حد نقطه اشباع، کدر به نظر می رسند. اینکه یک روغن چه مقدار آب را می تواند در حالت اشباع نگه دارد، کاملا به نوع پایه روغن، نوع افزودنیهای روغن، دما و فشار بستگی دارد. به عنوان مثال، روغن‌های معدنی بسیار تصفیه‌شده با افزودنی‌های کم، قبل از اشباع شدن، آب کمی نگه می‌دارند، حدود ۱۰۰ قسمت در میلیون (ppm) در دمای ۷۰ درجه فارنهایت.

از طرف دیگر، روغن هیدرولیک ساخنه شده از مواد با پايه استری، مانند آنهایی که در خطوط نورد استفاده می شوند، می توانند سطوح اشباع بیش از 3000 ppm در 70 درجه فارنهایت داشته باشند که در دماهای بالاتر  مقدار آب قابل جذب  در روغن باز هم بالاتر خواهد رفت.

در خصوص سطح اشباع يک روغن، بعنوان مثال برای یک روغن معمولی توربین، رابطه بین دما و سطوح اشباع اينگونه است که  اگر یک سیستم حاوی روغن در دمای  100 درجه فارنهایت کار کند و سیال فقط حاوی آب محلول ( 100ppm ) باشد، آنگاه در  زمان خاموش شدن سيستم یک افت دمايی نسبت به دمای محیط ( 70 درجه فارنهایت) بوجود خواهد آمد که منجر به تشکيل  آب آزاد در سیستم می شود، زیرا سطح اشباع در شرایط محیطی کمتر از 100ppm  است.

منابع آب آلوده کننده روغن

آلوده شدن روغن به آب می تواند از منابع مختلفی سرچشمه بگیرد. نمونه هایی از نفوذ محیطی آب از بيرون از سيستم  عبارتند از نشت آب باران به مخازن مستقر در محيط های باز، نشت از طریق پوشش های مخزن، پانل های دسترسی، آب بندی های فرسوده و اب همراه  هوا در مخازن و سایر مناطق سیستم هيدروليک. آب همچنین می تواند از طريق مبدل های حرارتی یا خنک کننده ها نشت کرده یا از خطوط لوله بخار مستقیما وارد روغن هيدروليک شود.

نفوذ آب را می توان با طراحی هوشمندانه سیستم و نگهداری خوب تجهيزات به حداقل رساند، اما حذف کامل همه منابع آب دشوار و پرهزینه است.

اثرات مضر وجود آب در روغن

وجود آب در روان کننده های هیدرولیک می تواند تأثیرات گسترده ای بر اجزای سیستم داشته باشد. خوردگی سطح بارزترین اثری است که، مستقیماً با وجود آب آزاد در حجم زياد در روغن مرتبط است. حتی اگر تمام آب موجود در سیال حل شود، باز هم  خستگی سطح فلز در قطعاتی مانند یاتاقان ها، افزایش می یابد. این مورد توسط شخصی بنام Cantley در سال 1977 مورد مطالعه قرار گرفت که تأثیر آب محلول بر خستگی رولبرینگ های مخروطی را بررسی کرده است.

Cantley فورمولی را ابداع کرد که رابطه طول عمر نسبی یاتاقان و مقدار آب در روغن هيدروليک را به هم مرتبط می کند، او نشان داد که با کنترل و حذف آب در روغن SAE 20 حاوی مواد افزودنی بازدارنده زنگ زدگی و اکسیداسیون، عمر یاتاقان را می‌توان تا پنج برابر افزایش داد.

سایر اثرات مضر آب بر روی سیستم های روغن هيدروليک شامل کاهش ویژگی های روانکاری (ضخامت لایه روان کننده، توانایی حمل بار و غیره) است که می تواند منجر به افزایش ساییدگی اجزا  و  همچنين درگير شدن قطعات  به دلیل کریستال های یخ تشکیل شده در دمای پایین شود.

آب نه تنها بر اجزای یک سیستم هیدرولیک تأثیر می گذارد، بلکه می تواند خواص خود روغن هيدروليک را هم از نظر فیزیکی و شیمیایی تغییر دهد.

خواص فیزیکی که بیشتر تحت تاثیر حضور آب قرار می گیرند عبارتند از:

• ویسکوزیته روغن
• روانکاری و ویژگی های تحمل فشار و بار روغن
• ویژگی های انتقال قدرت (تراکم پذیری) روغن

پایداری حرارتی يکی از مشخصات اصلی روغن هيدروليک است که حتی مقدار کمی آب می تواند بر روی آن تأثیر قابل اندازه گیری داشته باشد.

با حضور آب در روغن واکنش اکسيداسيون روغن که در واقع واکنش اکسيژن هوا با روغن ومواد افزودني موجود در روغن است، سريعتر ميشود و اين به معنی کاهش پايداری حرارتی روغن است. در واقع اکسیداسیون روغن در نهایت منجر به افزايش ویسکوزیته روغن و تشکيل رسوباتی از جنس ترکیبات پلیمری یا لجن می شود.

همچنين وجود آب در روغن هيدروليک در زمان افزايش دمای روغن ميتواند باعث هیدرولیز روغن گردد و اين هيدروليز ميتواند منجر به تشکيل ترکيبات  اسیدی و الکل شده  که اين ترکيبات در  افزایش خورندگی قطعات سيستم هيدروليک نقش مهمی دارند.

روش های اندازه گیری مقدار آب در روغن

دو روش معمولا برای بیان مقدار  آب در روغن هیدرولیک استفاده می شود، روش اول مقدار مطلق میزان آب را بر حسب قسمت در میلیون (ppm) است و یا بر حسب وزن یا حجم است و روش دوم مشخص نمودن مقدار آب بصورت بيان درصد آن است که در اين روش مقدار آب در روغن نسبت به سطح اشباع آن در دمايی معین نشان داده ميشود و اين روش هشدار واضح تری از تشکیل قریب الوقوع توده آب آزاد در روغن می دهد.

تکنیک های مختلفی برای اندازه گیری مقدار آب در روغن  هیدرولیک و روان کننده ها وجود دارد. انتخاب نهایی هر تکنيک بستگی به این دارد که آیا ارزیابی سریعی مورد نیاز است یا اندازه گیری دقیق. برخی از تکنیک هایی که معمولاً به کار می روند شامل روش تیتراسیون کارل فیشر و يا روش استفاده از حسگرهای آب خازنی برای نظارت بر مقدار آب  در روغن است،

روش استفاده از تیتراسیون کارل فیشر

روش کلاسیک پایش مقدار  آب گرفتن یک نمونه و ارسال آن به آزمایشگاه برای تجزیه و تحلیل با استفاده از روش تیتراسیون کارل فیشر است. در حالی که این یک روش قابل اعتماد و دقیق است، اشکال عمده آن فاصله زمانی نسبتا زياد بین زمان نمونه گیری و مشخص شدن نتايج تجزیه و تحلیل مربوطه  است.

روش استفاده از سنسور آب خازنی

استفاده از یک سنسور آب خازنی، نظارت بر زمان واقعی تجمع  آب در روغن را سريعتر امکانپذير ميسازد و می تواند به عنوان یک روش کنترل مستمر آب در روغن استفاده شود. این ابزار شامل یک سلول خازنی است که از کنار هم قرار دادن یک پلیمر دی الکتریک بین الکترودها تشکیل شده است الکترود پایینی بر روی یک بستر سرامیکی قرار می گیرد که در برابر رطوبت غیرقابل نفوذ است در حالی که صفحه خازن بالایی از جنس یک پلیمر دی الکتریک است که  امکان انتقال مولکول های آب را فراهم می کند.

بسته به رطوبت پلیمر نسبت به روغن، مولکول های آب به داخل یا خارج از این لایه مهاجرت می کنند. این امر ثابت دی الکتریک آن و در نتیجه ظرفیت خازن را تغییر می دهد. این تغییر در ظرفیت سپس به سیگنالی متناسب با سطح اشباع روغن، در محدوده درصد صفر تا 100(که در آن 100 درصد اشباع مربوط به حد حلالیت آب در سیال در دمای معین است) تبدیل می‌شود.

حدود کنترل مقدار  آب

برای اکثر سیستم های هیدرولیک و روانکاری صنعتی، با توجه به توضيحاتی که در اين مقاله داده شد، معمولاً کنترل مقدار آب در سطح اشباع 50 درصد یا کمتر توصیه می شود تا بتوان  اثرات مضر آلودگی آب را به حداقل رساند و بهتر است سطح کنترل در کمترین دمای پیش‌بینی‌شده سیستم، مانند دمای پايين سيستم در هنگام خاموش بودن دستگاه  انتخاب شود.

اکثر روغن ها می توانند آب کمتری را در دماهای پایین تر نگه دارند. برای جلوگیری از تشکیل آب آزاد در هر شرایط سیستم، سطح کنترل باید حداقل روی سطح اشباع در کمترین دمای مورد انتظار تنظیم شود. به همین دلیل  معمولا توصیه می شود که سطح کنترل را روی 50 درصد اشباع تنظیم گردد.

روش های حذف آب

بخش جدایی ناپذیر کنترل موثر آب، توانایی حذف موثر آب از سیستم هیدرولیک یا روانکاری است. برخی از روش های حذف آب در ادامه مورد بحث قرار گرفته است.

روش تخلیه آب جمع شده:

اکثر سیستم های هیدرولیک و روانکاری دارای مخازنی هستند که جداسازی آب و ساير آلاینده ها را امکانپذير می سازد. هوا به سطح آزاد بالای مخزن  می رود و آب به سمت پایين مخازن حرکت ميکند. تخلیه منظم آب جمع شده در کف مخزن یک راه ارزان برای حذف آب آزاد درون روغن  است و استفاده دریچه های تخلیه خودکار برای کاهش زمان ماندن آب همراه روغن درون مخازن، معمول است.

روش استفاده ار دستگاه سانتريفيوژ :

دستگاه های سانتریفیوژ آب را از روغن با استفاده از نیروی گریز از مرکز جدا می کنند و اين دستگاه ها از تفاوت وزن مخصوص بین روغن و آب برای جداسازی استفاده می کنند. دستگاه های سانتریفیوژ قادر هستند مقداری از آب آزاد و امولسیون شده را حذف کنند (بسته به پایداری نسبی امولسیون)، اما کاملا نميتوانند آب محلول را حذف کنند. دستگاه های سانتریفیوژ برای آلودگی زدایی مداوم آب از روغن مناسب هستند ولی هزینه های بالای سرمایه گذاری و نگهداری و همچنین مصرف بالای برق از معایب این روش است.

روش استفاده ار دستگاه کوالسر:

دستگاه های کوالسرها قطرات آب را از جریان روغن  جدا می‌کنند و آنها را روی سطح فیلتر می‌آورند، به طوری که قطرات به هم جوش می‌خورند (ادغام می‌شوند) و به اندازه‌ای رشد می‌کنند که  وزن انها باعث ميگردد تا به پايين  ظرف سقوط کنند و در آنجا جمع شوند. کوالسرها نمی توانند آب محلول را جدا کنند. از آنجایی که دستگاه هاي کوالسربه بر اساس پديده کشش سطحی بین آب و فاز روغن عمل ميکنند در صورت حضور مواد فعال سطحی در روغن  بی اثر می شوند. لازم به ذکر است  ذرات معلق در روغن می تواند دستگاه کوالسر را مسدود و ناکارآمد کند و لذا برای استفاده از اين دستگاه ها حتما  نیاز به سيستم فیلتراسیون خيلی خوب در بالادست آن وجود دارد.

روش استفاده از فيلترهای جذب آب:

فیلترهای جاذب در وافع  آب آزاد و امولسیون شده را توسط پلیمرهای فوق جاذب مستقر بر روی سطح فيلتر حذف می کنند. اين روش زمانيکه مقادیر زیادی آب در روغن وجود داشته باشد،  روش مناسبی نيست.

روش استفاده از دستگاه های آبگیری با استفاده از  سيستم خلاء:

دستگاه های آبگیری با سيستم خلاء، برای خشک کردن روغن هیدرولیک و روان کننده ها با قرار دادن آنها در خلاء جزئی بکار ميروند. در اين زمينه دو فناوری موجود است که هر دو فناوری از گرادیان غلظت بین روغن و هوا برای تبخیر آب از روغن  استفاده می‌کنند، يک فناوري اصطلاحا آبگیری خلاء با تکنيک تقطیر فلش ناميده می شود و فناوری ديگر بنام روش آبگیری خلاء با تکنيک انتقال جرم معروف است. در فناوری تقطیر فلاش، از  گرما برای جوشاندن آب استفاده می‌کنند و مقدار خلاء بالاتری اعمال می شود و این موارد باعث می گردد روش  تقطیر فلاش را از لحاظ جداساری آب از روغن کارآمدتر باشد،  زیرا آب بیشتری را نسبت به تکنيک انتقال جرم از روغن خارج می نمايد.

البته دمای بالا و خلاء به کار رفته در دستگاه‌های تقطیر فلش می‌تواند منجر به از دست رفتن برخی از  افزودنی‌های فراری شود که نقطه جوش پايينی دارند و می‌تواند منجر به تغيير فورمولاسيون اوليه روغن هيدروليک گردد و لذا اين روش توصيه نمی شود.

روش آبگیری خلاء انتقال جرم روش ديگری است که به دلیل حداقل تأثیر آنها بر خواص شیمیایی و فیزیکی روغن هيدروليک بيشتر توصیه می گردد. در اين روش روغن هيدروليک به محفظه خلاء وارد می شود و در آنجا بر روی یک فیلم نازک پخش می شود تا با اين تکنيک، طول مسیر حرکت آب از عمق روغن تا سطح روغن  کاهش يابد و آب زودتر به سطح آزاد روغن برسد  و بنابراین زودتر در هوای اطراف روغن تبخير شود.

در روش ديگری در محفظه خلاء یک غبار آئروسل با پمپاژ روغن از طریق نازل های اسپری ایجاد می شود تا آب زودتر بتواند از روغن جدا شود. و همچنين فناوری‌ ديگری وجود دارد که از یک دیسک گردان با سرعت بالا براي تبديل توده روغن به ابری از ذرات بسيار ريز  استفاده می شود. خلاء ايجاد شده در ظرف خلاء معمولا حدود 20 درصد فشار اتمسفر بوده و در واقع  هوا در محفظه خلا  هوا تا حدود پنج برابر حجم اولیه خود منبسط می شود.

بسته به خلاء، بکار گرفته شده در روش آبگیری خلاء انتقال جرم می توان تمام آب آزاد و تا 80 درصد آب محلول را از روغن  حذف نمود.

نتیجه گیری

آب یک آلاینده با تاثيرات مضر و قابل توجه در سیستم های هیدرولیک و سیالات روانکاری است که  ميتواند منجر به تخریب جدی اجزا و قطعات سیستم هيدروليک و همچنين خود روغن هيدروليک گردد.

با حذف آب از سيستم هيدروليک  صرفه جویی قابل توجهی در هزینه های تعميرات و نگهداری سيستم هيدروليک می توان بدست آورد.

تکنیک های پایش و اندازه گيری آب باید دقیق، قابل تکرار و در زمان لازم خودش اجرا گردد تا بتوان افزایش تجمع  آب در سيستم هيدروليک را به سرعت کنترل کرد. تشخيص آب در سيستم با بکار گيری سنسور آب خازنی یک راه حل بهینه و مقرون به صرفه برای کنترل مقدار آب در سيستم هيدروليک می تواند باشد.

دستگاه هايی که با استفاده  از خلاء و تکنيک انتقال جرم، کار آبگيری از روغن را انجام ميدهند، به دلیل آنکه کمترین تأثیر بر خواص روغن را دارند بيش از ساير روش ها برای حذف آب از روغن و روان‌کننده‌های هیدرولیک، توصیه می‌شوند.

مطالب مرتبط:

روغن صنعتی هیدرولیک

روغن هیدرولیک