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Für die Betreiber und Instandhaltungsleiter von Gasturbinen stellt die Verlackung ein Problem dar, das sich auch weiterhin negativ auf die betriebliche Effizienz und die mechanische Leistung auswirkt und so zu Folgendem führt:
Aufgrund des zyklischen Erwärmens und Abkühlens sind Spitzenlasteinheiten besonders anfällig für Verlackungen.
Bei Maschinen ist eine gewisse Verlackung immer schon aufgetreten, aber in der letzten Zeit ist sie zu einem größeren Problem geworden, das dringend behoben werden muss.
Einer der Hauptgründe für die deutliche Zunahme der Verlackung ist, dass der Großteil der modernen Turbinenflüssigkeiten im Gegensatz zu herkömmlichen Produkten, für die Grundöle der Gruppe I verwendet wurden, aus hochraffinierten Grundölen der Gruppe II besteht. Die Umstellung hat die Hersteller auf eine Reihe von Vorteilen aufmerksam gemacht, z. B. auf die Möglichkeit, komplexere und effektivere Antioxidantien hinzuzufügen, die eine bessere Oxidations- und thermische Beständigkeit aufweisen als bei der Verwendung in Grundölen der Gruppe I.
Die neuen leistungssteigernden Eigenschaften sind für Gasturbinen, also für die anspruchsvollste Anwendung für Turbinenöle, unerlässlich. Sie stellen auch den am schnellsten wachsenden Markt für Stromerzeugung in Nordamerika dar, was deutlich macht, wie wichtig es ist, sich auf diese Kategorie der Formulierungen zu konzentrieren.
Trotz ihrer natürlichen Oxidationsbeständigkeit ist das schlechtere Lösungsvermögen eine unerfreuliche Nebenwirkung bei der Verwendung von Grundölen der Gruppe II.
Beim sogenannten Hydrocracking, dem Herstellungsprozess dieser Grundöle (durch den die Oxidationsbeständigkeit verbessert wird), werden die Verbindungen entfernt, die ansonsten helfen würden, das Öl besser löslich zu machen. Daher wird von den Herstellern der Zusatzstoffe verlangt, dass sie ihre Produkte entsprechend anpassen, damit die Verbindungen in der Lösung verbleiben.
„Die Hersteller müssen Turbinenflüssigkeiten mit einer besseren Leistung entwickeln, da höhere Temperaturen zu einer schnelleren Oxidation führen, was zu zahlreichen Problemen mit Schmierstoffen führt.“
Ein weiterer Grund für die zunehmende Verlackung ist, dass die Flüssigkeiten für Gasturbinen immer mehr Funktionen in immer anspruchsvolleren Umgebungen übernehmen müssen.
Da immer modernere Metallurgien entwickelt werden, steigen die Effizienz und die Befeuerungstemperaturen von Gasturbinen auch weiterhin an. Es gibt Industrieturbinen, bei denen ein Flüssigkeitsreservoir gleichzeitig für die Schmierung der Turbinenlager, der Generatorlager, der Zerstäubungsluftkompressoren, des Ölfördersystems, des Schnellschlussölkreises, des Wasserstoff-Dichtungssystems des Generators, der Lastgetriebe sowie einer Vielzahl von Servoventilen innerhalb des Hydraulikreislaufs sorgt.
Während die Geräte für die Stromerzeugung von effizienteren Turbinen und ihrer entsprechenden Leistung profitieren, nehmen die Anforderungen an das Turbinenöl und die Belastung des Turbinenöls zu. Die Hersteller müssen Turbinenflüssigkeiten mit einer besseren Leistung entwickeln, da höhere Temperaturen zu einer schnelleren Oxidation führen, was zahlreiche Probleme mit den Schmierstoffen mit sich bringt, z. B. eine höhere Viskosität, Verlackung, Schlammbildung, Additivverlust, Zersetzung von Grundölen, Verstopfung von Filtern, Verlust der Schaumhemmung, Anstieg der Säurezahl, Rostbildung und Korrosion.
Es kann gar nicht genug betont werden, wie wichtig eine sorgsame Auswahl des geeigneten Öles ist. Es gibt keine Hinweise darauf, dass Anlagenhersteller planen, wieder Öle der Gruppe I zu verwenden. Tatsächlich wird es immer wahrscheinlicher, dass sogar noch höher raffinierte Öle verwendet werden, z. B. Öle der Gruppen III und IV. Ebenso bleiben die Anforderungen an die Turbinen und die Betriebsbedingungen, die eingehalten werden müssen, um diese Anforderungen erfüllen zu können, unverändert bestehen.
Daher werden die Betreiber von Gasturbinen bei der Auswahl der geeigneten Flüssigkeit auch weiterhin darauf achten müssen, dass diese zu so wenig Verlackung wie möglich führt. In Anbetracht dessen lohnt es sich, herauszufinden, wie die Betreiber ihre Flüssigkeiten auswählen, um so sicherzustellen, dass ihre Auswahlkriterien zu den aktuellen Formulierungen passen, die auf dem Markt erhältlich sind.
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt beschäftigen sich die Betreiber mit Testverfahren und Leistungsbewertungen – die oft von dem Anlagenhersteller vorgegeben werden –, um eine Turbinenflüssigkeit auszuwählen, die vor Oxidation und Verlackung schützt. Dem Vernehmen nach ist eine auf Daten basierende Beurteilung der logischste Ansatz für eine Entscheidungsfindung. Gleiches gilt für einen Feldversuch. Die Betreiber und Instandhaltungsleiter müssen sich darauf verlassen können, dass sie das Ausfallrisiko für ihre Investition gering halten können.
as Problem liegt nicht nur im Ansatz der Entscheidungsfindung selbst begründet, sondern auch darin, was die Industrie immer noch als grundlegenden Test für die Messung akzeptiert, welche Eigenschaften die Flüssigkeit haben wird.
Eine bestimmte Methode zur Messung der Flüssigkeitsleistung, der RPVOT-Test, ist – obwohl er als Benchmarking-Instrument immer noch sehr wertvoll ist – nicht sehr aussagekräftig zur Vorhersage der tatsächlichen Leistung der aktuellen Flüssigkeitsformulierungen für Gasturbinen, aber eine großartige Hilfe für den Vergleich von Leistungen bestimmter Systeme über einen längeren Zeitraum untereinander.
Beim RPVOT-Oxidationstest handelt es sich um eine beschleunigte Alterungsprüfung zur Auswertung der Oxidationsbeständigkeit frischer und bereits verwendeter Schmierstoffe mit gleicher Zusammensetzung. Dieser Test wurde in den 1960er Jahren als ASTM-Norm etabliert und ist nun die faktische Messung, mit der die Endbenutzer die Restnutzungsdauer von Turbinenflüssigkeiten bestimmen können.
Der RPVOT-Oxidationstest wird durchgeführt, indem man den Schmierstoff zusammen mit Wasser und einem Kupferkatalysator in einen mit einem Druckmessgerät ausgestatteten Druckbehälter gibt. Der Behälter wird dann mit Sauerstoff bis zu 620 kPa (90 psi) unter Druck gesetzt. Anschließend wird er bei 150 °C in ein Ölbad oder in einen Trockenblock gelegt und mit 100 U/min axial gedreht. Als Ergebnis wird die Zeit angegeben, wie lange es dauert, bis ein Druckabfall von 175 kPa (25,4 psi) unter den Maximaldruck eintritt. Der Druckabfall zeigt, dass durch die Reaktion mit den Bestandteilen des Schmierstoffs Sauerstoff verbraucht wurde. Wie viele Minuten bis zu dem erforderlichen Druckabfall vergehen, ist ausschlaggebend für die Ermittlung der Oxidationsbeständigkeit des Schmierstoffs.
Bei älterer Technologie und bei Turbinenflüssigkeiten, die auf Gruppe I basieren, hat sich diese Testmethode bei der Vorhersage der Ölleistung als nützlich erwiesen.
Turbinenflüssigkeiten der neuen Generation zersetzen sich jedoch nichtlinear und unvorhersehbar. Dies kann auf die einzelnen Antioxidantien sowie auf die natürlichen oxidationsbeständigen Eigenschaften der Grundöle der Gruppe II zurückgeführt werden. Daher gibt diese Oxidationsprüfung nur wenig bis gar keinen Aufschluss darüber, wann die Zersetzung des Schmierstoffs beginnt und wann es zu Ablagerungen im System kommen wird. Deshalb werden über längere Zeit verschiedene Tests sowie Trendanalysen durchgeführt, um sich einen Gesamteindruck verschaffen zu können. Dies macht aus verschiedenen Gründen Sinn. Hier sind schon einmal zwei:
1. Manche Antioxidantien, die zu sehr hohen RPVOT-Werten führen, könnten bei Erschöpfung auch große Mengen nichtlöslicher Bestandteile hinterlassen und damit einen direkten Zusammenhang mit der Verlackung des Schmiersystems aufzeigen. Daher tragen diese Stoffe, die zu sehr hohen RPVOT-Werten führen, in manchen Fällen zu einem höheren Verlackungspotenzial in Gasturbinen bei.
2. RPVOT-Werte können durch Korrosionsinhibitoren und Metallpassivatoren erheblich beeinflusst werden. Diese Art von Additiven kann die Wirkung des primären Katalysators (eine Kupferwendel) im Rahmen des RPVOT-Tests aufheben, die Testergebnisse verbessern und einen falschen Hinweis auf die Oxidationseigenschaften der Flüssigkeit geben. Deshalb werden noch weitere Oxidationsprüfungen durchgeführt. Korrosionsinhibitoren werden normalerweise ziemlich schnell wieder aus den Turbinenflüssigkeiten ausgeschieden, sobald die Turbinen laufen, da sie polar sind und die Metalloberflächen mit einem Schutzfilm überziehen sollen. Bei manchen Formulierungen von Turbinenflüssigkeiten tritt während des ersten Einsatzjahres aufgrund einer Erschöpfung der Korrosionsinhibitoren ein starker Abfall der RPVOT-Werte auf. Die RPVOT-Retention ist ein viel stärkerer Indikator für die Leistung eines Turbinenöls als die ursprünglichen Ergebnisse dieser Oxidationsprüfung[1].
Der RPVOT-Oxidationstest muss natürlich nicht ganz verworfen werden. Die Ergebnisse dieser Prüfung ermöglichen einen qualitativ hochwertigen Vergleich von Chargen mit gleicher Zusammensetzung.
Die Betreiber können (und sollten) diese Prüfung verwenden, um die grundlegenden Flüssigkeitseigenschaften zu Beginn der Verwendung des Öls zu testen und, im Lauf der Zeit, die Oxidationswirkung auf diese Eigenschaften zu verfolgen.
Des Weiteren wird die Durchführung eines RPVOT-Tests empfohlen, wenn es ein Tank mit einer Turbinenölmischung von verschiedenen Herstellern oder Formulierungen gibt. Diese Prüfung sollte Bestandteil einer umfassenden Testliste sein, womit der Zustand der Flüssigkeit ermittelt werden kann. Die RPVOT-Ergebnisse können auch als Teil eines Gesamtanalyseprogramms für verwendete Öle derselben Zusammensetzung genutzt werden.
Über einen bestimmten Punkt hinaus ist der RPVOT jedoch für die Bewertung der relativen Langlebigkeit verschiedener Formulierungen für Gasturbinenöle nicht länger hilfreich. Daher sollte der RPVOT-Test nicht die einzige Bewertung sein, um konkurrierende Schmierstoffe miteinander zu vergleichen.
Übrigens: Der RPVOT-Test war niemals für den Vergleich der Leistung verschiedener Formulierungen gedacht. Tatsächlich sollte die Methode insbesondere nicht für den Vergleich von Ölen unterschiedlicher Zusammensetzung verwendet werden.
Gemäß ASTM D2272 – RPVOT-Test (Rotating Pressure Vessel Oxidation Stability Test) Standardtestverfahren für Oxidationsbeständigkeit von Dampfturbinenölen gilt:
„Die Schätzung der Oxidationsbeständigkeit [mithilfe dieser Prüfung] dient der Kontrolle der Kontinuität dieser Eigenschaft für die Chargenakzeptanz von Fertigungschargen derselben Art. Diese Testmethode soll die Testmethode ASTM D943 weder ersetzen, noch sollte sie verwendet werden, um die Nutzungsdauer neuer Öle mit unterschiedlicher Zusammensetzung zu vergleichen. Diese Testmethode wird auch verwendet, um die verbleibende Oxidationstestdauer in Verwendung befindlicher Öle zu bewerten.“
Der Wunsch nach einer Formulierung mit einem hohen RPVOT-Wert ist verständlich, aber nicht, wenn dieselbe Formulierung zu Verlackungen führt, die für ein Turbinensystem viel schädlicher sind. Heute sind sich die Experten einig, dass es besser ist, eine Formulierung mit sehr niedrigen Verlackungs- und Verschlammungstendenzen auszuwählen.
Nachdem man herausgefunden hat, dass die Beurteilung nach RPVOT-Werten für die Auswahl einer Flüssigkeit für eine Gasturbine nicht ideal ist, werden alternative Nennwerte benötigt, um die Lücke zu füllen. Im Verlauf der Jahre haben sich verschiedene Tests als wertvoll erwiesen und Experten empfehlen eine Kombination aus neuen und alten Tests zur Bestimmung der geeigneten Turbinenflüssigkeit.
Hierbei wird die Menge der im Öl enthaltenen nichtlöslichen Abbauprodukte gemessen.
Dies ist eine relativ neue Labormethode, bei der nichtlösliche Verunreinigungen aus der Probe eines verwendeten Turbinenöls auf einen Membranfleck aufgebracht werden. Die Farbe des Flecks wird mithilfe eines Spektrophotometers analysiert.
Dieser Test kann als Leitfaden in Bezug auf die Bildung von durch Schmierstoffe verursachten nichtlöslichen Rückständen verwendet werden. Dieser Test gilt als hochempfindlich und zuverlässig für die Erkennung geringfügiger Abweichungen in Bezug auf die Menge nichtlöslicher Anteile und bietet die Möglichkeit der Vorhersage einer Verlackung. Die Ergebnisse sollen für die Trendanalyse bei der Kontrolle des Zustands verwendet werden.
Misst gehemmte phenolische und aromatische aminischer Antioxidantien in Schmierstoffen.
Die Voltammetrie ist oftmals das Mittel der Wahl, wenn es um die Messung von Antioxidantien geht, da es sich hierbei nicht um einen Labortest, sondern um einen Feldversuch handelt. Antioxidantien sind mitunter die ersten Bestandteile der Formulierung des Turbinenöls, die von thermischer, oxidativer und mechanischer Beanspruchung beeinträchtigt werden und einen frühen Hinweis auf eine beginnende Unbrauchbarkeit der Flüssigkeit geben. Wenn sie für das neue Öl kalibriert werden, kann die verbleibende Konzentration an Antioxidantien bestimmt werden, um die verbleibende Oxidationsdauer des Schmierstoffs schätzen zu können.
Es wurden Tests entwickelt, mit denen sich die Oxidationsreserve (die Menge an verbleibendem Schutz) und der Oxidationsfortschritt (die Menge an aufgetretener Oxidation) messen lassen. Beide Testmethoden haben ihre Vorteile und die Effektivität dieser Tests hängt von der Verwendung der entsprechenden Flüssigkeit ab. Wenn man versteht, wie die Flüssigkeit mit dem Oxidationsproblem zusammenhängt, kann man die Ursache der Flüssigkeitsoxidation besser beheben. Der Schmierstoffspezialist sollte mit den verfügbaren Messwerkzeugen und deren Anzeigen vertraut sein. Deshalb kann man sich mit dieser Quelle der Flüssigkeitsoxidation beschäftigen und sie möglicherweise sogar reduzieren.
Herausragender Indikator für das Verlackungspotenzial
Beim Ultrazentrifugentest wird eine Schmierstoffprobe, die durch Öl verursachte nichtlösliche Verunreinigungen enthält, die normalerweise mit dem Verlackungspotenzial assoziiert werden, g-Kräften ausgesetzt. Nichtlösliche Verunreinigungen weisen meist eine höhere Dichte auf und werden bei dem Test ausgefällt. Dieses agglomerierte Material wird mit einer Bewertungsskala verglichen, um einen UZ-Wert zu erhalten (Bewertung von 1 bis 8).
Misst den inneren Widerstand des Öls, bei einer bestimmten Temperatur zu fließen (oftmals mm²/s bei 40 °C)
Dieser altbewährte Test ist immer noch von unschätzbarem Wert. Die Viskosität ist eine der wichtigsten Eigenschaften eines Öls, weil die Stärke des Ölfilms unter hydrodynamischen Schmierungsbedingungen in hohem Maße von den Viskositätseigenschaften des Öls abhängig ist.
Quantifiziert einen bestimmten Verunreinigungsgrad pro Milliliter an Flüssigkeit.
Dies ist ein wichtiger Leistungstest und eine wichtige Trendanalyse für alle Turbinenflüssigkeiten. Hiermit wird die Gesamtreinheit der Flüssigkeit bestimmt.
Bewertet die Oxidationsbeständigkeit des Schmierstoffs, testet „neue“ Eigenschaften des Turbinenöls.
Mithilfe des TOST-Tests versucht man, die erwartete Nutzungsdauer und Leistung des Turbinenöls zu bestimmen, indem das Testöl einer Oxidationsbelastung durch Sauerstoff unterzogen sowie hohen Temperaturen, Wasser und Metallkatalysatoren ausgesetzt wird, was die Bildung von Schlamm und Säure begünstigen könnte. Weil es nicht möglich ist, tatsächliche Betriebsbedingungen in einem Labor zu simulieren, ist die Korrelation zwischen den Testergebnissen und dem tatsächlichen Feldergebnis schwierig. Deshalb greifen die meisten Turbinenhersteller in ihren Spezifikationen auf den TOST-Test zurück, um hochriskante Turbinenflüssigkeiten herauszufiltern. Dieser Test berücksichtigt auch keine anderen Anzeichen für eine Verschlechterung wie z. B. Schlammbildung oder Korrosion der Katalysatorspule. Der Test ASTM D4310 wird für Schlammmessungen verwendet.
Bewertet die thermische Oxidationsbeständigkeit frischer Turbinenöle auf heißen Oberflächen.
Dieser Test wird bei einer bestimmten Temperatur und zu einer bestimmten Zeit sowie mit einem konstanten Durchfluss durchgeführt. Die Schmierstoffprobe wird im Testzeitraum auf das heiße Feld getropft. Schlamm und Verlackungsrückstände lagern sich auf den Platten ab, sodass am Ende des Tests ein visueller Vergleich vorgenommen und die Verlackungsrückstände bzw. Ablagerungen gewogen werden können.
Bewertet die Fähigkeit von Turbinenflüssigkeiten, enthaltene Luft abzuscheiden.
Einige Gasturbinenhersteller geben Grenzwerte für das Luftabscheidevermögen in ihren Spezifikationsanforderungen für frisches Öl an. Diese Grenzwerte werden als die Zeit definiert, in der die in der Flüssigkeit enthaltene Luft unter den Testbedingungen und bei der angegebenen Temperatur auf ein Volumen von 0,2 % reduziert wird. In Turbinen mit kleinen Ölwannen und einer minimalen Verweildauer könnten eingeschlossene Luftgemische an Lager und wichtige hydraulische Steuerelemente weitergeleitet werden, was zu Problemen mit der Filmstärke, einem Verlust der Systemkontrolle und einer vermehrten Oxidation führen könnte.
Zusätzlich zur Berücksichtigung der oben genannten Testergebnisse beim Vergleich und der Auswahl einer neuen Turbinenflüssigkeit wird empfohlen, dass die Betreiber einige dieser Tests im Rahmen routinemäßiger Ölprüfungen durchführen. Herkömmliche Methoden für die Überwachung der oxidativen Stabilität gebrauchter Turbinenöle – Viskosität, Säurezahl und RPVOT – sind schon noch hilfreich, aber Tests wie MPC und LSV (Linear Sweep Voltammetry) können eine Verschlechterung des Turbinenöls mit einer größeren Wahrscheinlichkeit bereits in früheren Phasen aufdecken sowie die Ablagerungstendenzen einer Flüssigkeit identifizieren.
Verlackung ist ein branchenweites Problem und die Bediener von Erdgasturbinen müssen über genaue Informationen verfügen, damit sie die richtige Turbinenflüssigkeit auswählen können, die der Verlackung effektiv entgegenwirkt. Um sicherzustellen, dass die Bediener gut informiert sind, muss die Industrie die alten Testmethoden neu bewerten, um neuere, genauere Leistungstests in ihr Repertoire aufzunehmen, z. B. den ASTM D7843 Test – Membrane Patch Colorimetry (MPC) und den ASTM D6971 – Linear Sweep Voltammetrie (LSV).
Der RPVOT-Oxidationstest muss nicht entfallen, da er immer noch sehr hilfreich ist, wenn es darum geht, Chargen oder Trends desselben Produkts miteinander zu vergleichen. Er ist jedoch nicht effektiv, wenn die Leistung der Öllebensdauer vorhergesagt oder eine Flüssigkeit mit einer anderen Flüssigkeit verglichen werden soll.
