ادتیو های روغن هیدرولیک


خلاصه

روغن های پایه معدنی

 امروزه بزرگترین گروه سیالات هیدروکربنی  را روغن های پایه ی هیدروکربنی تصفیه شده مثل روغن های نفتی  تشکیل میدهند که جهت بهبود و ماندگاری کیفیت روغن پایه به آن ها افزودنی های مناسب  اضافه میشوند.

روغن های پایه ی نفتی  با درجه ی گرانروی بسیار متفاوت بوسیله ی فرآیندهای مختلف تصفیه ی نفت  خامی تهیه مشود که  بدقت انتخاب شده است وهدف از انجام این مراحل تصفیه  حذف مواد نامطلوب  از برش نفتی پایه است  تا از این طریق بتوان  به  خواص بهینه ی فیزیکی و شیمیایی  تصفیه دست یافت.

اساسا نفت خام مناطق مختلف جغرافیایی ممکن است به لحاظ ترکیبات شیمیایی تفاوت داشته باشد  ماهیت خوراک پالایشگاه قویا yبر عملکرد نفت خام تاثیر گذار است هرچند درحین فرآیند میتوان این تاثیر راتعدیل ولی نمیتوان آن راکاملا حذف کرد. 


چکیده

ساختار روغن های معدنی

نفت خام یک مخلوط  فوق العاده پیچیده از ترکیبات هیدروکربنی بیشمار است . موادی که از عناصر هیدروژن با نشان شیمیایی H  و کربن با نشان C  تشکیل شده اند.نفت خام همچنین محتوی مقادیر اندکی از گوگرد ،اکسیژن ، وانادیم ، آهن ، نیکل  و دیگر عناصر با مقادیر ناچیز میباشد .هر مولکول و گروه های مولکولی از به هم پیوستنن زنجیروار اتم ها تشکیل شده اند.با محاسبه ی تعداد بسیار زیاد ساختارهایی که با زیاد شدن تعداد اتم ها در یک مولکول  ایجاد میشوند ،ترکیبات بیشماری از هیدروکربن ها در نفت خام وجود خواهند داشت و بیشتر روغن های پایه ی نفتی برای تولید سیالات هیدروکربنی استفاده میشوند

خواص عمومی فیزیکی و شیمیایی  هر کدام از هیدروکربن ها به تعداد اتم های اکسیژن و هیدروژن  مولکول و تثبیت هندسی آن ها یعنی ساختار فضایی آنها بستگی دارد.

 ماهیت شیمیایی

بدلیل ساختارهای اتمی ناهمسان  کربن و هیدروژن ،این اتم ها قابلیت های بسیار متفاوتی در ترکیب شدن با اتم های دیگر دارند  به این ویژگی والانس گفته میشود.والانس یک نتیجه از ماهیت الکترواستاتیک  است  که اساسا از قرار گرفتن الکترون ها در لایه ی بیرونی الکترونی ناشی میشود.کربن دارای عدد والانس 4 و عدد والانس هیدروژن  یک است  و بنابراین توانایی  نسبتی بزرگتری  نسبت به هیدروژن در ترکیب شدن با دیگر اتم ها دارد  با احتساب این عدد والانس چند گانه ،اتم کربن قادر به  اتصال با کربن های دیگر در شکل های خطی و حلقه ای است.  زمانی که پیوندهای والانس در کربن یگانه هستند به  مولکول حاصل اشباع شده اطلاق میشود . بسیاری از هیدروکربن ها دارای  یک پیوند دوگانه ویا حتی  سه گانه   کربن کربن هستند . این ترکیبات اشباع  نشده در قیاس با ترکیبات مشابه سیر شده دارای پایداری کمتری هستند. فرآینده ها بر روی روغن های پایه ی نفتی تصفیه شده جهت حذف همه ی مقادیر اندک      ترکیبا ت اولفینی ادامه پیدا میکند.این ترکیبات بنا بر کاربردشان  مثل سیالات هیدروکربنی ، مستعد  اکسید شدن و نشست رسوبات  لاکی شکل در سیستم هستند. حتی اگر چنانچه  در معرض دمای بالاتر از 320°C هم قرار بگیرند ، اولفین ها نمیتوانند تشکیل شوند.

هر چند به نظر میرسد که هیدروکربن های آروماتیک ،ترکیباتی شدیدا اشباع  نشده باشند ساختار متناوب پیوند دوگانه (رزونانس) در حلقه ی C6 پایه  در ساختارهای مونو،                         و دی آروماتیکی باعث ایجاد پایداری شیمیایی شگفت آوری در ترکیب میشود.در حین فرآیند تصفیه ی روغن پایه ی نفتی بوسیله ی استخراج حلال ، دیده میشود که  برای رسیدن به میزان پایداری اکسایشی مناسب ، غلظت بخصوصی از این ترکیبات آروماتیکی باید ته نشین شوند .

روغن های پایه ی نفتی حاوی مولکول هایی با اندازه های بسیار مختلفی از هر کدام از گروه های ذکر شده در بالا هستند ، از مولکول های کوچک ساده تا ترکیبات پیچیده بزرگ.

روغن های پایه ی معدنی سیالات هیدرولیکی عموما محتوی مولکول های هیدروکربنی با تعداد 20-50 اتم کربن  و دارای وزن متوسط (MMW)  350-550 هستند  تمام سه نوع هیدروکربن معمولا در ساختار مولکول های بزرگتر نمایان میشوند و روش های مختلفی برای توصیف توزیع نوع هیدروکربنی روغن های پایه ی پیچیده  بکار میرود

در بین این روش ها ، از روش های گاز کروماتوگرافی (GC) ، طیف جذب مادون قرمز (IR) و طیف سنجی جرمی (MS) و علاوه بر آن روش های عملی مختلف بر اساس  تست فیزیکی استفاده میشوند.با وجود تکنیک های پیشرفته ی فیزیکی ، شیمیایی که تکیه بر پردازش  اطلاعات پیشرفته دارد ، هرگز نمیتوان ترکیبات  ایزومری  روغن های پایه ی نفتی  را بصورت کامل شناسایی کرد.

ملاحظات زیست محیطی و پیشرفت های تکنیکی  منجر به عدم تمایل به استفاده از مراحل تصفیه ی قدیمی  شده است این روش ها بوسیله ی عملیات کاتالیزوری هیدروژن  تحت شرایط متفاوتی از زمان ، دما وفشار ، تکمیل و یا جایگزین شده اند .

پایداری شیمیایی یک روغن پایه  دقیقا از ویژگی های مهمی است که  به عملیات تصفیه  ی آن بستگی دارد و الزامات اساسی  برای یک سیال  خوب سندی برای کیفیت بالای آن است. شرکت های بین المللی نفت دارای  مهارت ها و تجربیات شایانی درزمینه ی کنترل پارامترهای  مختلف عملیاتی این مراحل  بمنظور دستیابی به نتایج مطلوب و کیفیت بهینه  از برش های نفتی انتخاب شده  هستند.

شرکت ها همچنین متعهد به اجرای برنامه های تحقیقات گسترده جهت بهبود سیستم های کاتالیزوری جدید  با کارآمدی بالا برای مراحل جدید هستند.روغن های معدنی معمولا از  روغن های پارافینی با درجه ی تصفیه بالا (HVI))  یا روغن های  نفتنیکی با درجه ی تصفیه بالا (MVIN)و یا ترکیبی از هر دو گونه هستند . هر کدام از این  دو گونه روغن پایه دارای مزیت های بخصوصی هستند که در جدول 1.3 آمده است چنانچه مراحل تصفیه  و feedstock به دقت صورت گیرد هر دو گونه ی  روغن پایه ی ذکر شده در بالا پایداری ماندگاری در اکسیداسیون خواهند داشت و میتوان با افزودنی های مناسب خیلی آسانتر به این خواص دست پیدا کرد.ترکیب نهایی  یک مدیم هیدرولیک  معمولا شامل  مواد افزودنی برای  تسریع یا تکمیل  خواص طبیعی روغن پایه  و دست یابی به  شناخت  ویژگی های عملکرد آن  است  تا قبل از سال 1950 استفاده از افزودنی ها در هیدرولیک مدیا (و روانکارها بطور کلی ) نسبتا محدود بود و اساسا توجهات به سمت افزایش طول عمر بوسیله ی ضد اکسنده ها جلب شده بود .

اخیرا توسعه ی سیسیتم های هیدرولیک فشار بالا مرتبط با شیرهای پیچیده  در عملیات با دمای بالا منابع سیالات هیدرولیکی،  طیف گسترده ای از الزامات  کیفیتی ارایه داده است  بنابراین بهبود و تست ارزیابی  سیال هیدرولیکی  مدرن  ،  برای تجهیزات هیدرولیکی  ، به جهت  ملاحظات دست یابی به  فرمولاسیون بصرفه و متعادل امروزه یک مساله ی پیچیده  و گران است

. .بسیاری از ادتیوها در سیالات پایه ای در مقایسه با سایرین عملکرد بهتری دارند و این واکنش ادتیو ها با ارزشترین اهمیت آنها در تلاش برای  به حداکثر رساندن مزیتهایشان است. اغلب ویژگیهای حلالیت سیالات پایه ای برای کارایی بسیاری از ادتیو ها بسیار مطرح است. حلالیت ناکافی ممکن است در نهایت  وظایف محوله ی ادتیو را پنهان کند، و این در حالیست که حلالیت بیش از حد نیز مطلوب نمی باشد به عنوان مثال جذب سطحی مطلوب یک سطح فعال شده،  نماینده سطح فلزی آن می باشد. ادتیو های ضد سایش موضوع تحقیقات گسترده ای در سالهای اخیر بوده است. توسعه ی سیستم ادتیوهای فراگیر با ثبات حرارتی بالا یک هدف عمده بوده است. اولین فرمولاسیون ها شامل فسفات های آریل (aryl) بودند که در بیشتر طرح های پمپ های درخواستی اخیر، حفاظت های ساییدگی مورد نظر را ارایه نمی دادند. در حال حاضر نیازهای جدی برای ادتیو های ضد سایش توسط بسیاری از افراد و تولید کنندگان فطعات بر اساس طبقه بندی عمومی ISO HM تصریح شده است. عملکرد مناسب یک ادتیو ضد سایش با ترکیب پمپ حقیقی و آزمایشهای مجهز تضمین می شود؛ به عنوان مثال، پمپ روتاری 35VQ25 Vickers و تجهیزات تست چرخ دنده FZG.

ترکیبات دی آلکیل دی تیو فسفات (Zink dialkyldithiophosphate (ZDTP) )که در بردارنده ی آریل- الکل های گروه دوم هستند، به عنوان یک ادتیو ضد سایش عملکرد بسیار عالی را برای  اتصالات فلز-فلز با فشار کاری بالا ارایه می دهند. متاسفانه این دی آلکیل دی تیو فسفات های dialkyldithiophosphate )) فعال ثانویه نیز نسبتا ثبات حرارتی ضعیفی را اریه می دهند و به طور خاص مناسب تجهیزات مشخصی که به قطعات برنزی مجهز شده اند نیستند؛ به عنوان مثال برخی از پمپ های Dension امریکایی را می توان نام برد. با این وجود، ثبات حرارتی یک مولکول دی آلکیل دی تیو فسفات (( dialkyldithiophosphate بزرگ را می توان با انتخاب ترکیبی مناسب از گروه های alkyl یا aryl مربوطه به میزان فابل توجهی بهبود بخشید. R، R'، R"و R'" گروه های آلکیل و آریل ( alkyl & aryl) انتخابی را نشان می دهند که از الکل های اولیه و ثانویه مربوطه ای مشتق می شوند و در طول پیوند ادتیوها استفاده می شوند. آنچنان که در جدول 4.2 نشان داده شده است، ثبات حرارتی از ادتیو A به C افزایش می یابد و این در حالی است که عملکرد ادتیو ضد سایش در همین جهت کاهش می یابد.

روغن های هیدرولیک مدرن برای قابلیت های ضد سایش خود با دی تیو فسفات dithiophosphates) )اولیه فرمول سازی می شوندکه در واقع فرمولاسیون روغن هایی که ثبات حرارتی بالایی دارند را ممکن می سازند و این در حالی است که به نتایج بسیار خوبی در روش تست های ساییدگی دشوار اروپایی دست می یابند. یک جایگزین مناسب برای دستیابی به ترکیبی با ویژگی های ضد سایش و ثبات حرارتی بالا، در ترکیبات جدید گوگرد/فسفر( بدون خاکستر) ارگانیک(الی) یافت شد. در اینجا نیز برای انتخاب، محدوده ی وسیعی از ادتیو ها که درجات متفاوتی از قابلیت های ضد سایش و ثبات حرارتی را نشان می دهند، وجود دارد . ترکیبات آلی گوگرد-فسفر در در مقایسه با ادتیو های دی تیو فسفات (Dithiophosphate) خصوصیات پایداری هیدرولیکی و پایداری اکسیداسیون بهتری دارند.

 

 بهبود دهنده های شاخص گرانروی،  پلیمر های خطی مولکولی بزرگی( اغلب رزین های متاکریلات) هستند که به منظور اینکه محصولات حاصله توزیع وزن مولکولی نسبتا محدودی داشته باشند به دقت کنترل می شوند. پایداری برشی خوب  (در مقابل تنش برشی) (پایداری مکانیکی در مقابل تخریب بر اثر تنش های برشی بالا) ( به عنوان مثال در پمپ پره ای) با ساختار شیمیایی پلیمر کنترل می شود و قطعاتی که محتوی وزن مولکولی بالاتری هستند را محدود می کند.

مکانیزم فیزیکی  عملکرد بهبود شاخص گرانروی در واقع  یک پدیده حلالیت است. در دما های پایین مولکول های پلیمری بزرگ محکم به هم متصل گشته  و توده هایی را تشمیل دهند که شبیه نخودهای درون سوپ نخودفرنگی باشد. همچنان که دما بالا می رود، مولکولها به تدریج از هم جدا میشوند و در یک حجم هیدرودینامیک بزرگتر به نظر می رسند، و شبکه ای از زنجیره های  پلیمری درون روغن پایه را تشکیل می دهند. بدین وسیله مولکولهای پلیمری محدودیت های بسیار شدیدی را در برابر جریان ویسکوز روغن پایه احاطه شده، در دماهای بالا اعمال می کنند( به عبارت دیگر، ادتیو نقشی موثر در غلظت روغن پایه در دماهای بالا بازی می کند ).  از آنجا که این یک پدیده ی حلالیت است، کارایی بهبود دهنده شاخص گرانروی نسبت به انواع مختلف روغن پایه متفاوت است. ادتیو های مختلف به صورت متفاوتی در خصوصیات جریان در دمای پایین روغن پایه تاثیر می گذارند؛ این یک فاکتور مهم و ویژه برای محیط های خارجی با آب و هوای سرد است.

زمانیکه یک روغن با پلیمر های درشت در معرض تنش های برشی شدید قرار می گیرد، مولکول های پلیمر  تمایل پیدا می کنند که در مسیر جریان ردیف شوند.  برای مثال، این اتفاق زمانی رخ می دهد که روغن از میان معابر باریک شیرها و پمپ های سیستم هیدرولیک با زور به جلو رانده می شود. جهت یابی مولکولی منجر به فقدان ویسکوزیته موقتی می شود، اما به محض اینکه تنشهای برشی متوقف می شوند سیال به وضعیت نرمال سابقش بر می گردد.تنشهای برشی قوی در برخی موارد استثنایی منجر به جدایی پلیمر ها نیز می شوند؛ به این ترتیب بزرگترین مولکولها به قطعات ریزتر تبدیل می شوند. زمانیکه این اتفاق روی می دهد، سیال دچار کاهش دائمی گرانروی می شود چراکه قطعات ریزتر پلیمر آنچنان قدرت غلیظ کنندگی ندارند. این تلفات دائمی و موقتی ویسکوزیته به نوع و تجمع پلیمری خاص ادتیو های موجود در روغن پایه وابسته است.

  به جهت ضرورت حفظ یک حداقل میزان صحیح گرانروی و به جهت اطمینان از روانکاری رضایت بخش، پایداری در مقابل تنش برشی برای پلیمر یک معیار مهم برای سنجش کیفیت روغن های هیدرولیکی محسوب می شود که در طول عملیات در معرض تنشهای برشی قوی قرار می گیرند، زیرا زیرا باید یک میزان حداقلی از ویسکوزیته را برای حفظ خاصیت روغنکاری حفظ کنند.

عامل کاهش دهنده نقطه ریزش مانع کریستال سازی حقیقی موم حل شده نمی شود، لیکن وظیفه آنها جلوگیری رشد کریستالها و تشویق به تشکیل کریستالهای کوچکتری است که به آسانی به هم متصل نمی شوند. ادتیو هایی که روی سطح کریستال های در حال رشد جذب می شوند، کریستال سازی را تحت تاثیر قرار می دهند که به این ترتیب، یک لایه خارجی به عنوان ممانعت کننده الحاق دو جانبه کریستال های موم  تشکیل شده و از رشد آنها به ابعاد بزرگتر جلوگیری می کند.  بنابر این، یک روغن به شدت سرد شده و محتوی موم که شامل ادتیوهای کاهنده نقطه ریزش است به یک محلول همگن که دارای ذرات بسیار ریز موم پراکنده درون فاز روغن شبیه می شود.

بسیاری از پلیمرهای متاکریلات با وزن مولکولی پایین، ادتیوهای موثری به عنوان  کاهش دهنده نقطه ریزش هستند و اغلب بهبود دهنده های شاخص گرانروی متاکریلات نیز این تاثیر ثانویه را اعمال می کنند. 

وجود تعدیل کننده های اصطکاک تحت شرایط خاص، برای اطمینان از یک عملیات آرام و رها از لرزش های شدید( گیر افتادن/ لغزش) الزامی است. این شرایط شامل حرکات نسبی آرامی بین سطوح پر بار جفت شده، ترکیب پیچیده ای از مواد و تحمیل الزامات صحت و درستی است؛ مانند آنچه سیستم های کنترل برخی از ماشین آلات .تعدیل کننده اصطکاک، مشکلات ناشی از ساییدگی که برای آب بند ها و کاسه نمدهای پلی یورتان مورد استفاده در سیلندر های هیدرولیک را بهبود می بخشد.

همچنان که سرعت نسبی بین دو سطح روانکاری شده  کاهش می یابد، ضخامت فیلم روانکار نیز کاهش یافته و در نهایت تماس فیزیکی گسترده تر و اصطکاک بیشتر  می شود. به طور مشابه، زمانیکه  چنین ماشینی می خواهد شروع بکار کند، اصطکاک اولیه بسیار بالا خواهد بود ؛ چراکه زبری سطوح بر روی یکدیگر کشیده می شود تا زمانی که سرعت مناسب و کافی بدست آید و یک فیلم پیوسته روانکار هیدرودینامیک ایجاد شده و دو سطح را از هم جدا کند. بدون وجود تعدیل کننده اصطکاک، امکان خطر جدی عملیات ناهماهنگ از جهت سرعت، بار گذاری و ترکیب مواد آنچنان که در بالا آورده شد وجود دارد.

 

 

با اضافه کردن استر(ester  (به صورت انتخابی، روغن های چرب و/ یا اسیدهای چرب این امکان وجود دارد که ضریب ثابت اصطکاک ( s μ ) تا  کمتر از ضریب جنبشی (kμ ) نزول کرده و نیاز ها را برطرف کند و

< 1.0μ/ sμ

و از روانی و آرامی حرکت بین سطوح روانکاری شده در قسمت های مرزی و شرایط مرزی اطمینان حاصل کنید.

ادتیوهایی که توصیف شد به طور ویژه در سیالات هیدرولیک  استفاده می شوند.

 

منابع :

1-“Hydraulic Fluids” , Peter Keith Brain Hodges,BSc., Elsevier , 2004

2-“Handbook of Filtration”, Ken Sutherland, Elsevier , 2008

لینک دانلود