ВВЕДЕНИЕ

Компрессоры очень важны при производстве удобрений и являются неотъемлемой частью линий производства аммиака и азотной кислоты. Надежная работа компрессора зависит от наличия высококачественного смазочного материала в хорошем состоянии. Смазочные материалы для компрессоров подвергаются большим тепловым нагрузкам и могут подвергаться воздействию технологических газов, что может вызвать быстрое ухудшение свойств жидкости. Подобные химические изменения в смазке проявляются в механических проблемах в компрессорной установке, таких как вибрация, повышение температуры подшипников и заедание клапана в органах управления с гидравлическим управлением.

В данной статье исследуется связь между этими химическими изменениями в жидкости и механическими воздействиями на оборудование. Кроме того, для интеграции в программу обеспечения надежности завода по производству удобрений предлагаются передовые стратегии мониторинга состояния и действия по техническому обслуживанию.

ТРЕБОВАНИЯ К СМАЗКЕ КОМПРЕССОРНЫХ АГРЕГАТОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ УДОБРЕНИЙ 

Компрессоры являются неотъемлемой частью процесса производства мочевины, азота, азотной кислоты и аммиака на заводах по производству удобрений. Эти компрессоры обычно имеют центробежную или осевую конструкцию, для чего требуется высококачественное масло с ингибитором ржавчины и окисления (R&O), обычно относящееся к категории ISO VG32. Сжатие таких газов, как аммиак, азот, двуокись углерода, кислород или азот, иногда приводит к их перетоку через уплотнения в систему смазочного масла, что может иметь пагубные последствия.

Как сами смазочные материалы, так и области их применения продолжают развиваться. Стремление отрасли к большей глобализации и повышению эффективности вызвало цепочку событий, влияющих на все аспекты производства. Промышленности требуются более быстрые, компактные и эффективные машины. Производитель оригинального оборудования отвечает этим требованиям, поставляя более компактные и эффективные машины, однако в большинстве случаев это приводит к более высокой термической и механической нагрузке на смазочный материал. В случае компрессорного масла теперь ожидается, что жидкость будет работать при более высоких температурах, в системах с небольшой производительностью, в течение более длительных периодов времени и в присутствии многих потенциальных загрязнителей.

Производители масел в свою очередь изменили состав своих продуктов, чтобы они соответствовали этим новым требованиям. Наиболее существенное изменение в составах смазочных материалов за последние два десятилетия – это использование более очищенных базовых компонентов, таких как API Group II и III.

Смазочные материалы Group II и III обладают превосходной стойкостью к окислению, поскольку практически все молекулы углеводородов являются насыщенными. Недостатком смазочных материалов Group II является пониженная растворимость. Это часто требует использования усилителя растворимости, чтобы пакет присадок оставался в растворе. По мере разложения масла сниженная растворимость означает ограниченную способность удерживать продукты разложения масла в растворе. 

За последние пару десятилетий сочетание смазочных материалов нового поколения и улучшенных условий эксплуатации промышленных компрессоров привело к появлению новых механизмов деградации масла. Во время ремонтных работ операторы часто сообщают, что подшипники компрессора или редукторы покрыты темно-коричневым/янтарным налетом или что в масляных резервуарах больше проблем с контролем пенообразования. Эти нефтяные отложения обычно называют лаком. 

Обычно лак определяется как тонкий слой в системе смазки, который трудно удалить протиранием и который состоит в основном из органических остатков. Химический состав лака может быть очень разнообразным и может быть классифицирован по химическому составу и механизмам разложения(1). Обычно шлам считается легко поддающимся стиранию липким веществом, которое также содержит влагу. Лак более затвердевший, блестящий, его нелегко удалить протиранием.

Лак в первую очередь возникает в результате непрерывного процесса окисления, который ускоряется температурой, различными металлическими компонентами и газообразными катализаторами. Практически все подвержено деградации из-за присутствия кислорода, и смазочные материалы не исключение. Антиоксиданты входят в состав современных компрессорных масел, поскольку они являются более химически активными веществами, чем базовое масло. Кислород легче реагирует с антиоксидантами, которые жертвуют собой, чтобы защитить базовое масло и значительно продлить срок его службы.

Помимо окислительного стресса, высокотемпературные термические явления также могут быть механизмом разложения жидкости. Термическая деградация вызывается высокотемпературными явлениями без воздействия кислорода, такими как адиабатическое сжатие или электростатический искровой разряд (ESD).

Обзор проблем, связанных с лаком в компрессорах

Вращающемуся оборудованию требуются смазочные материалы для работы в гидродинамическом режиме смазки с толщиной пленки 20-30 микрон. Взаимодействие между проникновением газа и смазочными материалами может создать новые пути разложения. Разложение компрессорного масла вызывает образование полярных продуктов, которые взаимодействуют с опорными поверхностями из белого металла (например, баббита), образуя отложения. Эти образования отложений могут иметь механические последствия, такие как:

•Повышенная вибрация

•Резкий рост температуры подшипника

•Гистерезис или заедание регулирующего клапана

•Отложения в подшипниках

•Отложения в редукторе и его ускоренный износ

Влияние лака на подшипники

Образование лака на подшипниках компрессора оказывает значительное влияние на программу обеспечения надежности завода по производству удобрений. Он может отвечать за протирку подшипника, отключение компрессора и всех связанных производственных процессов. Финансовые последствия могут составлять от нескольких десятков тысяч долларов до более миллиона долларов.

Последствия отложений в подшипниках: 

1.Резкий рост температуры

2.Повышенный износ подшипника

Анализ вибраций – это мощный инструмент мониторинга состояния, который дополняет анализ масла как фундаментальную технологию в программе обеспечения надежности. Прямая связь между образованием отложений и сигналами вибрации продолжает оставаться развивающейся областью изучения, но есть четкие доказательства того, что между ними существует корреляция.

Лак действует как изолятор, не позволяя маслу выполнять одну из своих основных функций: охлаждение. Чем больше степень образования отложений, тем лучше изоляция подшипника, что приводит к соответствующему увеличению температуры подшипника.

По-видимому, существует прямая связь между определенными отклонениями температуры в осевом и радиальном подшипниках и образованием отложений. На рисунке ниже показан типичный сигнал вибрации подшипника из-за отложений. Характерная пилообразная форма с небольшими острыми пиками, амплитуда которых увеличивается с течением времени.

Также можно увидеть корреляцию между сигналами вибрации и температурой, как показано на Рисунке 2.

В некоторых случаях также можно увидеть корреляцию между положением ротора и повышением температуры.

На Рисунке 4 показана взаимосвязь между толщиной слоя отложений, температурой подшипников и положением ротора.

Когда сила для перемещения ротора становится больше, чем прочность пленки отложения, слой лака «стирается». Это можно увидеть как резкое падение температуры, что объясняет формирование пилообразной формы сигнала вибрации.

Еще одним последствием, вызванным образованием отложений на опорных поверхностях, является усиление износа. Поскольку продукты полярной деградации притягиваются к высококачественным белым металлическим поверхностям подшипников, поверхность подшипников изменяется. На микроскопических изображениях лаковых отложений видна неровная поверхность. Лак по сути создает дополнительные неровности на поверхности металла, что затрудняет сохранение пленки смазки при высоких нагрузках. Иногда гидродинамическая пленка трескается, вызывая ее временный разрыв, и создавая контакт металл-металл. Чаще всего это происходит в зоне максимальной нагрузки подшипника.

Гидродинамический разрыв пленки, вызывающий контакт металла с металлом, создает дополнительные неровности поверхности, увеличивая вероятность разрыва пленки в будущем. Контакт металл-металл также приводит к чрезвычайно высоким температурам, которые могут мгновенно обугливать масляную пленку, создавая дополнительные отложения на подшипниках различного химического состава.

Воздействие лака на регулирующие клапаны

Лаковые отложения липкие по своим свойствам. Это влияет на работу регулирующих клапанов, для функционирования которых необходимы чистые смазочные материалы без отложений. Часто поток масла к частям или всему регулирующему клапану прерывистый. Это приводит к охлаждению масла, позволяя продуктам разложения выходить из раствора, скапливаясь на внутренней части клапана. Было выявлено, что образование отложений в клапанах вызывает блокировку клапана из-за высокого уровня статического трения(2). В некоторых системах управления измеряется подводимая энергия клапана. (2 Sasaki, A., “Hydraulic Valve Problems Caused by Oil Oxidation Products” Hydraulic Failure Analysis: Fluids,Components and System Effects, ASTM STP 1339, G.E. Totten, D.K. Willis and D. Feldmann, 2001). 

Клапан, который залипает из-за продуктов окисления, можно определить по увеличившемуся количеству энергии, необходимому для его перемещения.

Помимо потери гидравлического управления, клапаны, покрытые лаком, часто считаются неисправными и заменяются преждевременно. Хотя удаление лака может сразу решить проблему заедания клапана, очень быстро образуется новый лак, что приводит к проблемам повторно. 

СТРАТЕГИИ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ МАСЛА КОМПРЕССОРА

Оператор компрессорной установки остро осознает необходимость обеспечения оптимальной надежности и доступности этого оборудования. Мониторинг состояния смазочного материала путем выбора подходящих тестов и анализа жидкости через точные промежутки времени помогает оператору узнать, подходит ли жидкость для обслуживания. Также это основной инструмент для выявления начинающейся неисправности смазочного материала, позволяющий оператору принимать превентивные меры. Рекомендации по стратегиям мониторинга состояния масла часто предоставляются производителями оригинального оборудования, международными организациями по стандартизации и экспертами по смазочным маслам.

По мере развития компрессоров и их смазочных материалов, также появляются испытания, необходимые для их контроля. Традиционные методы анализа нефти, такие как вязкость, элементная спектроскопия, кислотное число и подсчет частиц, по-прежнему могут быть полезны, однако они не достаточно надежны для обнаружения того что жидкость пришла в негодность. Для этого есть две причины. Во-первых, побочные продукты, образующиеся в результате деградации смазки, имеют размер менее микрона, что не поддается обычному анализу. Во-вторых, характеристики многих из существующих на сегодняшний день смазочных материалов с новым составом больше не ухудшаются линейно, что затрудняет прогнозирование того, когда в смазке начнется быстрое образование отложений. Одним из факторов, способствующих нелинейному ухудшению характеристик современного масла, является тот факт, что масла Group II и III имеют более низкую естественную стойкость к окислению по сравнению с маслами Group I:

RPVOT (ASTM D2272) базовое масло API Group I: 85 мин 

RPVOT (ASTM D2272) базовое масло API Group II: 30 мин

Более низкая окислительная стабильность базового масла означает, что, когда антиоксиданты разрушаются, базовое масло имеет малую способность противостоять дальнейшей деградации и быстро приходит в негодность.

Поэтому, для того чтобы определить, что жидкость пришла в негодность, а так же оставшийся срок службы жидкости, полезно дополнить стандартные анализы масла более совершенными методологиями испытаний.

Состояние антиоксидантной системы смазки во многом определяет срок службы масла. Непосредственный мониторинг отдельных антиоксидантов показал себя как очень хороший прогностический метод для отслеживания уменьшения количества антиоксидантов и обеспечивает более полное понимание того, как деградируют жидкости. RULER специально разработан для измерения количества а так же тенденции отдельных антиоксидантов. В отличие от других методик тестирования, которые могут обнаруживать молекулы антиоксидантов, таких как FTIR, RULER не зависит от присутствия других добавочных компонентов. Пример теста RULER можно увидеть ниже: 

Когда антиоксиданты в смазке начинают разрушаться, первым физическим воздействием на смазку является образование чрезвычайно мелких субмикронных продуктов деградации. Эти загрязнители могут состоять из молекул деградировавшего базового масла, но на ранних стадиях развития чаще всего состоят из разрушенных антиоксидантов.

Наиболее распространенным методом испытаний для обнаружения продуктов деградации масла является колориметрия пятна на фильтре-мембране (MPC), соответствующая стандарту ASTM D7843. Другие тесты, такие как измерение гравиметрического веса нерастворимых веществ или ультрацентрифуги, оказались многообещающими, но на них также могут влиять более крупные загрязнители.

Тест MPC – относительно простая процедура. Пятьдесят миллилитров образца смешивают с равным количеством растворителя (обычно лакового бензина) и пропускают через фильтр 0,45 микрон. Затем цвет пятна анализируется с помощью спектрофотометра и регистрируется общее количество цвета. Результаты представлены на цветовой шкале CIE LAB ΔE, примеры которой можно увидеть ниже.

Другие методы испытаний, которые также могут иметь значение в программе анализа компрессорного масла:

1.FTIR анализ. Инфракрасная спектроскопия с Фурье-преобразованием (FTIR) – этоусовершенствованный метод инфракрасной спектроскопии, который можно использовать дляотслеживания молекулярных изменений в жидкости, потенциально определяя способ еедеградации.

2.Количество частиц – чистоту компрессорного масла можно определить путем подсчетачастиц, чаще всего с помощью автоматического оптического счетчика частиц. В некоторыхсоставах увеличение содержания загрязняющих веществ размером 4–6 мкм может такжеуказывать на присутствие мягких загрязняющих веществ.

3.Выпуск воздуха – измерение способности жидкости рассеивать пузырьки воздуха можетиметь значение, если ожидается, что смазочное масло также будет выполнять гидравлическуюработу, такую как перемещение клапана или подъем вала подшипника.

4.Элементная спектроскопия с индуктивно-связанной плазмой (ICP) –может определитьизнос различных компонентов оборудования, например, покрытых баббитомповерхностей.

Во всех вышеперечисленных методах испытаний важно иметь правильный интервал отбора образцов масла. Наиболее частая периодичность отбора образцов для компрессоров – каждые 3 месяца. Частота отбора образцов масла также должна быть адаптирована к функции состояния масла.

Наконец, имея эту матрицу контроля компрессорного масла, основной целью будет установить тенденцию для отдельных параметров масла. Отклонения от тенденций состояния жидкости могут быть дополнительно исследованы для определения первопричины.

РЕШЕНИЕ ДЛЯ УСТРАНЕНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ ЛАКА КОМПРЕССОРНОГО МАСЛА

Компания Fluitec разработала решение для устранения отложений, уже образовавшихся в системах смазки, и предотвращения их дальнейшего роста за счет использования усилителя растворимости. Эта технология называется Solvancer ™.

Использование усилителя растворимости следует рассматривать только при следующих условиях:

1.Раствор необходимо добавлять в машину во время работы.

2.Он должен быть совместим с маслом, которое находится в процессе эксплуатации и другими компонентами системы.

3.Он не влияет на взаимодействие масла с загрязнениями, препятствует коррозии, невлияет на антиизносные характеристики и должен работать в условиях и интенсивного использования.

4.Не поддается влиянию окислительного стресса.

5.Использование этого усилителя растворимости устраняет необходимость установки ЛЮБОЙ другой смягчающей системы.

6.Работает даже в экстремальных окислительных условиях и не оставляет отложений при горении.

Технология Solvancer ™ была разработана после создания подробной классификации отложений различного химического состава обнаруженных в компрессорах. В ходе создания данной классификации были исследованы три основных свойства: полярность, водородное связывание и дисперсионные силы. Solvancer ™ оптимизирован с учетом этих трех характеристик, чтобы гарантировать быстрое растворение отложений смазочного масла обратно в смазку. Solvancer ™ добавляется в дозировке 3–5% к смазке, которая находится в процессе эксплуатации. Он не оказывает отрицательного воздействия на характеристики жидкости, немедленно растворяет отложения и предотвращает дальнейшее образование лака.

Приведенное ниже исследование демонстрирует непосредственное и долгосрочное влияние применения технологии Solvancer ™ к находящемуся в эксплуатации компрессору. Этот график показывает тенденцию изменения температуры в течение 1 года до и после добавления Solvancer ™. Скачки температуры, упавшие в течение одного часа после добавления его в систему, далее остаются на низком уровне.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Заводам по производству удобрений требуется надежная работа компрессора. Эксплуатационные жидкости подвергаются возрастающим уровням теплового напряжения и могут подвергаться проникновению газа, из-за чего жидкость будет быстрее приходить в негодность. Результатом деградации компрессорного масла являются продукты разложения, которые образуются в виде отложений лака на подшипниках, клапанах и других компонентах системы смазки. Последствием воздействия этих отложений на подшипник являются скачки температуры и износ подшипника. В клапане с гидравлическим управлением последствием воздействия отложений является заедание клапана и его блокировка.

С помощью тестов RULER и MPC можно контролировать состояние этих жидкостей и их потенциал образования лака.

Одним из решений проблемы образования отложений в компрессорных маслах является использование усилителя растворимости. Для этого компанией Fluitec была разработана технология Solvancer ™. Было показано, что она обеспечивает немедленное улучшение работы систем, подверженных воздействию лака, и долговременную защиту от отложений для компонентов, чувствительных к выходу из строя из-за лака.

Авторы: Йо Амей, Грег Ливингстон (Fluitec)