Trendy w olejach turbinowych

Warunki pracy turbin mogą diametralnie między sobą się różnić. Najtrudniejsze – wysokie temperatury i ciśnienie, agresywne gazy – występują w turbinach cieplnych. Bezawaryjna praca w takich warunkach wymaga zastosowania wysokiej jakości materiałów konstrukcyjnych, a także najwyższej jakości oleju smarowego. Temperatury na łożyskach wysokowydajnych turbin gazowych nierzadko osiągają bowiem 110–120°C (gorące punkty na warstwie ślizgowej – nawet 140°C). Nierzadko wyższe temperatury (ponad 150°C) może osiągać olej smarujący labiryntowe uszczelnienia mechaniczne na styku uszczelnienia z pierścieniami ślizgowymi. Para wodna i gazy spalinowe stawiają przed olejem smarowym dodatkowe wymagania.

Ciągły rozwój urządzeń, który podnosi ich sprawność, wpływa na wzrost wymagań stawianych olejom smarowym stosowanym w turbinach. Od kilkunastu lat na rynku olejów turbinowych można zaobserwować trend poprawy stabilności termooksydacyjnej. Ostatnimi laty szczególną uwagę przywiązuje się do stałych produktów utleniania – osadów, które powstają podczas pracy oleju w układzie turbiny. Osady, nagary czy szlamy to główne zanieczyszczenia mechaniczne (poza ścierem), które mogą destrukcyjnie wpływać na podzespoły turbiny. Im wyższe temperatury pracy urządzenia, tym wyższe temperatury oleju smarowego, którego podstawowym zadaniem – oprócz smarowania węzłów tarcia – jest odbiór ciepła i chłodzenie podzespołów.

Obserwowanym obecnie trendem jest stosowanie do produkcji olejów turbinowych mineralnych olejów bazowych grup II i III według norm API. W porównaniu z olejami I grupy charakteryzują się lepszą odpornością na utlenianie, co jest pożądane przy wysokich temperaturach.

Lepsze właściwości termooksydacyjne okupione są jednak niższą zdolnością rozpuszczania wielkocząsteczkowych produktów utleniania, które w wyniku aglomeracji i polimeryzacji tworzą osady. Olej turbinowy ma wprawdzie pewną zdolność rozpuszczania produktów utleniania, jednak jest ona ograniczona. Kiedy roztwór osadów w oleju staje się nasycony, olej nie jest w stanie rozpuścić większej ilości zanieczyszczeń. Zaczynają się więc one odkładać na powierzchni kluczowych podzespołów.

Osady i nagary w łożyskach turbiny pogarszają ich zdolność do przenoszenia obciążeń. Do tego ograniczają prześwit. Wpływa to na wzrost ciśnienia i temperatury oraz przyspiesza proces starzenia. Lepkie zanieczyszczenia na zaworach mogą powodować problemy w prawidłowej pracy i ich uszkodzenie. Osady, które odkładają się w chłodnicy, pogarszają wymianę ciepła, a na filtrach powodują ich szybsze blokowanie i częstszą wymianę.

Elementami narażonymi na zanieczyszczenie są także uszczelnienia – skutkiem mogą być wycieki i wzrost tarcia. Osady mogą być przyczyną nieplanowanych przestojów i remontów, których koszty mogą sięgać nawet kilku milionów złotych.

W kontekście powyższych zagrożeń warto przyjrzeć się normom i specyfikacjom producentów turbin pod kątem wymagań jakościowych i badań, które weryfikują takie skłonności. Zgodnie z normami (m.in. ISO 8086, DIN 51515) i standardami OEM oleje turbinowe muszą spełniać wiele wymagań jakościowych. Oprócz typowych – jak wydzielanie powietrza z oleju, deemulgowalność, liczba kwasowa czy odporność na pienienie – w większości znajdziemy także testy, które sprawdzają odporność olejów na utlenianie. Typowe testy to RPVOT (Rotating Pressure Vessel Oxidation Test) oraz TOST (Turbine Oil Oxidation Stability Test).

Według analiz ORLEN OIL wspomniane metody często nie w pełni odzwierciedlają zachowania oleju ani nie wystarczają do oceny pod kątem tendencji do wydzielania osadów.

Wynikiem testu RPVOT jest czas zmierzony do momentu odpowiedniego spadku ciśnienia tlenu w komorze ciśnieniowej. Jak pokazuje doświadczenie, oleje z bardzo wysokim wynikiem testu RPVOT niekoniecznie charakteryzują się niską skłonnością do tworzenia osadów. Z kolei analiza TOST polega na okresowym pomiarze liczby kwasowej oleju umieszczonego w łaźni o temperaturze 95°C w obecności wody i katalizatora Cu-Fe. Dodatkowo próbka znajduje się w atmosferze tlenu. Badanie jest czasochłonne – w przypadku olejów odpornych na utlenianie może trwać nawet ponad 10 000 godzin. Ponadto w dużej mierze nie odzwierciedla zachowania się oleju w podwyższonych temperaturach, rzędu 150°C.

Obecnie tylko niektóre specyfikacje odnoszą się wprost do problemu tworzenia się osadów. Badania weryfikujące te tendencje znajdziemy w międzynarodowej normie ISO 8086 i specyfikacjach producentów maszyn MAN Turbo TED 10000494596 i Mitsubishi MS04-CL005. Producenci ci przywiązują dużą uwagę do środków smarowych, które są stosowane w urządzeniach, i wydają dopuszczenia tylko dla olejów, których odporność na wydzielanie osadów pozytywnie zweryfikowano. Spełnienie tych wymagań jest zazwyczaj osiągalne dzięki użyciu olejów bazowych grup II i III oraz starannie dobranym dodatkom (antyutleniaczom, inhibitorom korozji, dodatkom EP).

Użytkownicy muszą świadomie wybierać oleje smarowe. Z pomocą przychodzą im producenci turbin, którzy opracowują specyfikacje i standardy jakości dla środków smarowych. Wymagają też od producenta oleju pełnych badań w celu uzyskania dopuszczenia do stosowania w ich urządzeniach. Wykonanie wielu testów i analiz oraz uzyskanie pozytywnych rezultatów prowadzi do uzyskania aprobaty producenta. Potwierdza ona spełnienie wymagań zawartych w specyfikacji OEM i gwarantuje bezawaryjną pracę turbiny.

Dawid Pykosz – pracownik Działu Badań i Rozwoju ORLEN OIL