Find your Country and language
Lubricants Beyond Today's Standards TM
Petro-Canada™ Lubricants' distribution network extends to over 80 countries worldwide
Для операторов и руководителей отделов технического обслуживания турбин, работающих на природном газе, образование нагара представляет проблему, которая снижает производительность труда и механические характеристики, являясь причиной:
Особенно уязвимы к нагару пиковые установки из-за циклического нагрева и охлаждения.
Проблема образования нагара давно известна производителям и операторам промышленного оборудования, но только в последнее время она стала настолько значимой, что появилась потребность в ее устранении.
Заметный рост интенсивности образования нагара в первую очередь связан с тем, что, в отличие от традиционных продуктов на основе базовых масел группы I, большинство современных турбинных масел изготавливаются с использованием базовых масел группы II более высокой степени очистки. Такой переход открыл для производителей различные преимущества, включая возможность добавления более сложных и эффективных антиоксидантов, благодаря которым устойчивость масел к окислению и перепаду температур становится выше, чем при использовании базовых масел группы I.
Новые возможности повышения эффективности исключительно важны для газовых турбин, ведь это одни из самых жестких условий эксплуатации турбинных масел. К тому же в Северной Америке стремительно растет рынок газовых турбин для производства электроэнергии, что в очередной раз подчеркивает важность высокой эффективности масел этой категории.
Хотя базовые масла группы II по своей природе устойчивы к окислению, одним из нежелательных побочных эффектов их применения является снижение растворимости.
В ходе гидрокрекинга (процесса, используемого для производства этих базовых масел, с которым и связана повышенная устойчивость к окислению) соединения, которые в противном случае повышали бы растворимость масла, устраняются. По этой причине перед производителями присадок встает задача изменить химический состав своих масел таким образом, чтобы сохранить эти соединения в готовом продукте.
«Производители вынуждены требовать применения турбинных масел с улучшенными эксплуатационными характеристиками, поскольку с ростом температуры ускоряется процесс окисления, что приводит к многочисленным проблемам со смазочными материалами».
Рост интенсивности образования нагара также связан с тем, что от масел для турбин, работающих на природном газе, требуется способность решать все больше задач в очень жестких условиях.
Вместе с развитием металлургии повышается производительность газовых турбин и температура горения. В некоторых эксплуатируемых промышленных турбинах масло из одного резервуара используется одновременно для подшипников турбины, подшипников генератора, воздушных компрессоров пневмораспыла, масляной гидросистемы, системы аварийного отключения, уплотнений генератора с водородным охлаждением, редукторов нагрузки и различных сервоклапанов в гидравлической системе.
Производителям электроэнергии выгодны более эффективные и более производительные турбины, из-за чего растет число требований к турбинному маслу. Производители вынуждены требовать применения турбинных масел с улучшенными эксплуатационными характеристиками, поскольку с ростом температуры ускоряется процесс окисления, что приводит к многочисленным проблемам со смазочными материалами, таким как повышение вязкости, образование нагара и шлама, истощение присадок, разрушение базового масла, загрязнение фильтров, ухудшение контроля пенообразования, увеличение кислотного числа, образование ржавчины и коррозия.
Значение тщательного отбора масел невозможно переоценить. Поводов считать, что производители оборудования вернутся к использованию масел группы I, нет. На самом деле высока вероятность того, что в ближайшем будущем начнут использоваться базовые масла с еще более высокой степенью очистки, например группы III и IV. Точно так же можно утверждать, что нагрузка на турбины не снизится, как не станут более мягкими требования к условиям эксплуатации турбин.
Контроль нагара, без всякого сомнения, останется главным критерием выбора масла для операторов газовых турбин. Исходя из этого, необходимо понять, как операторы выбирают масло, чтобы убедиться, что их методы подходят для сравнения современных продуктов, доступных на рынке.
Как правило, операторы опираются на данные испытаний и характеристики масел (которые часто указывает производитель оборудования) при выборе турбинного масла, способного противостоять окислению и образованию нагара. Все указывает на то, что суждение на основе фактических данных является наиболее логичным подходом к принятию решений наряду с полевыми испытаниями. Операторам и руководителям отделов технического обслуживания нужны гарантии, что их инвестиции позволят снизить риск отказа оборудования.
Проблема не только в самом подходе к принятию решений, но и в том, какие испытания считаются основными в отрасли для определения эффективности масла.
Возьмем, например, метод RPVOT (испытание на окисление во вращающейся камере под давлением) для определения эффективности масла: хотя он весьма полезен как инструмент сравнительного анализа (например, для сравнения показателей работы системы в динамике), он не подходит для прогнозирования фактических эксплуатационных характеристик современных масел для газовых турбин.
Испытание на окисление во вращающейся камере под давлением (RPVOT) — это испытание на ускорение старения, предназначенное для определения устойчивости к окислению новых и уже эксплуатируемых смазочных материалов с одинаковым составом. Это испытание было установлено в качестве стандарта ASTM в 1960-х годах и сейчас повсеместно признано как метод, с помощью которого конечные пользователи могут определить остаточный срок эксплуатации турбинных масел.
При проведении испытания RPVOT смазочный материал, вода и медный катализатор помещаются в камеру под давлением, оснащенную манометром. Затем в камеру закачивают кислород, повышая давление до 620 кПа (90 фунтов/кв. дюйм), камеру помещают в масляную ванну при температуре 150 °C или сухой блок, разогретый до 150 °C, и вращают вокруг оси со скоростью 100 оборотов в минуту. Результат испытания — время, за которое давление падает на 175 кПа (25,4 фунта/кв. дюйм) ниже максимального давления. Падение давления означает, что кислород был поглощен в результате реакции с компонентами смазочного материала. На основании времени в минутах, которое потребовалось для необходимого падения давления, определяют устойчивость смазочного материала к окислению.
Для турбинных масел, изготовленных по старой технологии (на основе базовых масел группы I), этот метод позволял успешно определить характеристики масла.
Однако турбинные масла нового поколения разлагаются с нелинейной и непрогнозируемой скоростью, что можно объяснить присутствием определенных антиоксидантов, а также присущей базовым маслам группы II устойчивостью к окислению. В итоге RPVOT практически не позволяет определить, когда смазочный материал начнет разлагаться и образовывать отложения в системе. Поэтому в течение некоторого времени проводятся различные тесты и изменения показателей отслеживаются для получения более общей картины. Это целесообразно по нескольким причинам. Рассмотрим две из них.
1. Некоторые антиоксиданты, при наличии которых метод RPVOT дает высокие результаты, при истощении также могли образовывать нерастворимые вещества в больших концентрациях. Наблюдалась прямая взаимосвязь между ними и образованием нагара в системе смазки. Поэтому в некоторых случаях масла с таким составом, для которых при использовании метода RPVOT были получены весьма высокие показатели, способствовали увеличению интенсивности образования нагара в газовых турбинах.
2. На результаты испытания RPVOT может в значительной степени влиять добавление некоторых ингибиторов коррозии и пассиваторов металлов. Такие виды присадок могут нейтрализовать действие основного катализатора, используемого в ходе испытания RPVOT (катушки медного провода), из-за чего результаты испытания улучшатся и окислительные свойства масла будут определены неверно. Поэтому проводятся также и другие испытания на окисление. Истощение ингибиторов коррозии в турбинных маслах происходит довольно быстро после начала эксплуатации, поскольку они являются полярными присадками и предназначены для образования защитной пленки на металлических поверхностях. Нередко результаты испытания некоторых турбинных масел по методу RPVOT резко ухудшаются в течение первого года эксплуатации из-за истощения ингибиторов коррозии. Стабильность результатов RPVOT является более достоверным показателем эффективности турбинного масла, нежели изначальные результаты[1].
Отказываться от метода RPVOT не нужно. Результаты этого испытания позволяют сравнивать качество партий масел с одинаковым составом.
Операторы могут (и должны) использовать это испытание для определения базовых характеристик масла в начале его эксплуатации и отслеживания действия окисления на эти свойства со временем.
Помимо этого, если у вас есть резервуар, в котором смешаны турбинные масла разных марок или с разными составами, рекомендуется проводить испытание RPVOT в рамках исчерпывающей программы испытаний для оценки состояния масла. Результаты RPVOT также можно рассматривать в рамках программы общего анализа для эксплуатируемых масел с одинаковым составом.
Однако метод RPVOT лишь частично подходит для оценки относительного срока службы различных масел для газовых турбин. Поэтому испытание RPVOT не следует проводить отдельно как способ сравнения конкурентных смазочных материалов.
Также следует отметить, что испытание RPVOT не предназначено для сравнения характеристик масел с разными составами. В описании этого метода специально указывается, что его не рекомендуется использовать для сравнения масел с разными составами.
Согласно ASTM D2272 (стандартному методу определения окислительной стабильности масел для паровых турбин методом вращения сосудов высокого давления):
«Оценка окислительной стабильности [полученная в результате этого испытания] используется для контроля непрерывности этого свойства при приемке партий изделий одного назначения. При этом не имеется в виду, что этот метод испытаний заменяет метод испытаний ASTM D943 или должен применяться для сравнения эксплуатационной долговечности новых масел разного состава. Данный метод испытаний используется также для оценки ресурса при испытаниях на остаточное окисление находящихся в эксплуатации масел».
В стремлении разработать состав, который при испытании RPVOT продемонстрировал бы высокие результаты, нет ничего плохого, но не тогда, когда при использовании масла с таким составом образуется нагар, который обычно наносит куда больший вред турбинной системе. В настоящее время эксперты сходятся во мнении, что большую ценность имеет то масло, которое наименее склонно к образованию нагара и шлама.
Теперь, когда понятно, что оценка с помощью метода RPVOT не является идеальным критерием при выборе масел для турбин, работающих на природном газе, возникает необходимость в альтернативных методах оценки. За прошедшие годы появилось несколько пригодных испытаний, и специалисты рекомендуют совместно использовать новые и хорошо отработанные испытания при определении подходящего турбинного масла.
Измеряет содержание нерастворимых продуктов разложения в масле.
Это относительно новый метод лабораторного испытания, при котором из пробы эксплуатируемого турбинного масла отфильтровывают нерастворимые загрязнения, которые оседают на мембранном фильтре. Цвет мембранного фильтра анализируется с помощью спектрофотометра.
Это испытание можно использовать как ориентир по образованию нерастворимых отложений в результате разложения смазочного материала. Оно считается довольно точным и надежным для обнаружения незначительных изменений содержания нерастворимых веществ и позволяет спрогнозировать образование нагара. Результаты можно использовать как средство отслеживания закономерных изменений состояния.
Измеряет содержание пространственно-затрудненных фенольных и ароматических аминных антиоксидантов в смазочных материалах.
Вольтамперометрия часто используется для измерения количества антиоксидантов, поскольку это испытание проводят, как правило, в условиях эксплуатации, а не в лаборатории. Антиоксиданты — одни из первых компонентов турбинного масла, которые подвергаются тепловой, окислительной и механической нагрузке. Они позволяют определить ухудшение качества смазочного материала на начальных этапах. Сравнив результаты с новым маслом, можно определить концентрацию остаточных антиоксидантов, чтобы рассчитать, через какое время произойдет окислительное разрушение смазочного материала.
Испытания были разработаны для определения запаса по окислению (процент остаточной защиты) и прогресса окисления (процент совершившегося окисления). У каждого из этих двух методов испытаний есть свои преимущества, и их эффективность зависит от использования масла. Понимание того, как смазочный материал противодействует окислению, может способствовать устранению главной причины окисления масла. Специалисту по смазочным материалам должно быть известно, какие имеются средства оценки и на что они могут указывать. Таким образом, он может обнаружить и потенциально нейтрализовать источник окисления масла.
Отличный показатель склонности к образованию нагара.
При испытании в ультрацентрифуге образец смазочного материала подвергается действию перегрузки, в результате чего образуются нерастворимые примеси — продукты разложения масла, которые обычно ассоциируются со склонностью к образованию нагара. Нерастворимые примеси обычно обладают большей плотностью и отделятся во время испытания. Этот скопившийся материал оценивают по балльной шкале, в результате чего выводится значение UC (балл от 1 до 8).
Измеряет внутреннее сопротивление масла течению при заданной температуре (часто сСт при 40 °C).
Это надежное испытание широко применяется. Вязкость — это одно из важнейших свойств масла, поскольку толщина масляной пленки, образуемой в процессе гидродинамической смазки, в значительной степени зависит от вязкостных характеристик масла.
Предназначен для количественной оценки степени загрязнения твердыми частицами на миллилитр масла.
Этому важному испытанию следует подвергать все турбинные масла, а также необходимо отслеживать закономерности изменения его результатов со временем. Это испытание определяет общую степень чистоты масла.
Оценивает устойчивость смазочного материала к окислению, определяя характеристики «нового» турбинного масла.
Испытание TOST помогает определить предполагаемый срок службы и эффективность турбинного масла, для чего испытуемое масло подвергают окислительной нагрузке, используя кислород, высокие температуры, воду и металлические катализаторы — все, что способствует повышению интенсивности образования шлама и кислот. Поскольку воссоздать реальные условия эксплуатации в лаборатории невозможно, может быть сложно соотнести результаты испытания и фактические эксплуатационные показатели. Поэтому большинство производителей турбин включают испытание TOST в свои спецификации для отсеивания турбинных масел, связанных с высокой вероятностью отказа. Кроме того, это испытание не учитывает другие признаки ухудшения характеристик, такие как образование шлама или коррозия катушки катализатора. Для определения содержания шлама используется испытание ASTM D4310.
Оценивает термоокислительную устойчивость свежего турбинного масла при соприкосновении с горячими поверхностями.
Это испытание проводится при заданной температуре на протяжении заданного времени с постоянной скоростью потока. Образец смазочного материала разбрызгивается на горячую панель на протяжении испытания. На панели будет образовываться нагар и шлам. По окончании испытания можно провести визуальное сравнение и определить массу нагара и отложений.
Оценивает способность турбинных масел отделять захваченный воздух.
Некоторые производители газовых турбин устанавливают предельные значения воздухоотделения в технических требованиях к новым маслам. Эти предельные значения выражаются через время, за которое объем захваченного воздуха в масле уменьшится до 0,2 % в условиях испытания и при заданной температуре. В турбинах с небольшими маслосборниками и минимальным временем пребывания масла в системе смазки смеси с захваченным воздухом могут поступать на подшипники и критически важные элементы системы гидравлического управления, из-за чего образуется недостаточно прочная масляная пленка, происходит потеря управления системой и увеличивается скорость окисления.
Помимо использования результатов вышеописанных испытаний при сравнении и выборе новых турбинных масел, операторам рекомендуется применять эти испытания в ходе плановых проверок масла. Хотя традиционные методы отслеживания окислительной стабильности используемых турбинных масел (вязкость, кислотное число, RPVOT) по-прежнему полезны, такие испытания, как MPC и LSV, с большей вероятностью позволят обнаружить разложение турбинного масла на начальных этапах и определить склонность масла к образованию отложений.
Нагар — это распространенная проблема в отрасли, и операторам турбин, работающих на природном газе, требуется соответствующая информация для выбора правильного турбинного масла, которое бы смогло эффективно противостоять образованию нагара. Чтобы обеспечить достаточную информированность операторов, отраслевые эксперты должны пересмотреть старые методы испытаний и принять на вооружение новые, более точные испытания эксплуатационных характеристик, такие как ASTM D7843 (колориметрия мембранного фильтра (MPC)) и ASTM D6971 (вольтамперометрия с линейной разверткой потенциала (LSV)).
Отказываться от метода RPVOT не нужно, поскольку он по-прежнему весьма полезен при сравнении партий или закономерностей изменения одного и того же продукта. Однако он неэффективен для прогнозирования срока службы масла или сравнения масел с разными составами.
