تشکیل کک در توربین‌های پتروشیمی و نقش روغن مناسب

عنوان: Coking Behavior در توربین‌های پتروشیمی؛ از منبع حرارت تا انتخاب Turbine Oil مناسب

کنترل Coking Behavior یا رفتار تشکیل کک در توربین‌های گازی و بخاری پتروشیمی، یک ضرورت عملیاتی و ایمنی است. در این واحدها، چرخه‌های دمایی بالا، فشارهای متفاوت، آلودگی سوخت و بارهای متغیر، محیطی ایده‌آل برای تشکیل رسوبات کربنی، لاک و وارنیش (Varnish) در مسیرهای روغن‌کاری ایجاد می‌کند. نتیجه‌ محتوایی این رسوبات، افزایش دمای یاتاقان، کاهش راندمان، افت پایداری فیلم روغن و نهایتاً توقفات ناگهانی با هزینه‌های سنگین است.

به‌طور دقیق، شکل‌گیری کک و لاک در نواحی داغِ پروگزیمیته با روتور و یاتاقان‌ها آغاز می‌شود؛ جایی که جریان روغن به‌علت ماندگاری بالا یا تلاطم نامطلوب، فرصت کافی برای اکسیداسیون و پلیمریزاسیون پیدا می‌کند. در چنین سناریوهایی، انتخاب درست Turbine Oil از نظر پایداری حرارتی، مقاومت در برابر اکسیداسیون، شاخص گرانروی (VI) و تمایل پایین به تشکیل Varnish، تفاوت بین یک توربین پایدار و یک خط تولید پرهزینه را رقم می‌زند.

بر اساس داده‌های فنی و تجربه عملیاتی در سایت‌های پتروشیمی داخل کشور، ترکیب بهینه‌ طراحی سیستم روغن‌کاری (سیکل تغذیه، دی‌ایریشن، فیلترها و کولرها) با پایش وضعیت روغن و انتخاب گرید مناسب (ISO VG 32/46/68) می‌تواند نرخ رسوب‌گذاری را به‌صورت محسوس کاهش دهد. این مقاله با تمرکز بر Search Intent مهندسان نت و بهره‌برداری، مسیر علمی و عملی کنترل Coking را مرور می‌کند.

تعریف Coking Behavior و اهمیت آن در پتروشیمی

Coking Behavior به گرایش نفت‌پایه و افزودنی‌های روغن به تشکیل کربن جامد، لاک و وارنیش در شرایط دمایی و برشی بالا گفته می‌شود. در توربین‌های پتروشیمی، این پدیده غالباً در نقاطی رخ می‌دهد که ترکیبی از گرمای موضعی، اکسیژن محلول، فلزات کاتالیزور و زمان ماند بالا فراهم است. پیامدها شامل افزایش اصطکاک در یاتاقان‌ها، گرفتگی اوریفیس‌ها، چسبندگی ولوها و کاهش نرخ تبادل حرارت در کولرهای روغن است.

هزینه توقف تولید، مصرف انرژی اضافه به‌دلیل افت راندمان و ریسک‌های ایمنی ناشی از افزایش دمای یاتاقان، نشان می‌دهد کنترل Coking تنها یک اقدام نگهداری نیست؛ بلکه سرمایه‌گذاری مستقیم بر در دسترس‌پذیری (Availability) و قابلیت اطمینان (Reliability) واحد است. در ساختار استاندارد، استراتژی مؤثر شامل انتخاب روغن با پایداری اکسیداسیونی بالا، طراحی صحیح مدار روغن و برنامه پایش پیوسته است.

مکانیسم‌های تشکیل کک در توربین‌های گازی و بخاری

نقاط داغ، الگوی جریان و مواجهه با سوخت

در توربین‌های گازی، مجاورت مسیر روغن با محفظه احتراق و نواحی Hot Section باعث ایجاد نقاط داغ در مسیر برگشت می‌شود. اگر الگوی جریان روغن شامل مناطق کم‌سرعت یا چرخشی باشد، زمان ماند افزایش یافته و فرصت برای اکسیداسیون فراهم می‌شود. وجود سوخت سنگین یا ناخالصی‌های گوگردی و فلزی نقش کاتالیزوری داشته و سرعت تولید رادیکال‌های آزاد را بالا می‌برد. در توربین‌های بخاری نیز شوک‌های حرارتی و راه‌اندازی‌های مکرر، اکسیداسیون روغن در یاتاقان‌ها و Journals را تشدید می‌کند.

اکسیداسیون، پلیمریزاسیون و تبدیل به وارنیش

هسته شیمیایی Coking با اکسیداسیون آغاز می‌شود. در حضور دمای بالا، اکسیژن محلول با هیدروکربن‌ها واکنش داده، اسیدهای آلی و پراکسیدها تشکیل می‌شود و TAN بالا می‌رود. سپس پلیمرهای با وزن مولکولی بالا ایجاد شده و در فاز محلول، لاک و وارنیش شکل می‌گیرد. این فاز محلول، با کاهش حلالیت در دمای پایین‌تر، بر روی سطوح سردتر رسوب کرده و به Depositهای چسبناک تبدیل می‌شود. با گذشت زمان و تماس مجدد با گرما، این رسوبات به کربن سخت (کک) تبدیل می‌شوند که زدودن آن‌ها دشوار است.

نقش پروفایل دما/فشار و طراحی سیستم روغن‌کاری

یاتاقان‌ها، روتور و مسیر بازگشت روغن

دمای توده روغن، دمای فیلم مرزی و اختلاف دمای Hot Spotها تعیین‌کننده نرخ اکسیداسیون است. هرچه فشار موضعی و برش هیدرودینامیک در یاتاقان‌ها بیشتر باشد، تولید گرمای اصطکاکی افزایش می‌یابد. مسیر بازگشت با شیب نامناسب یا نقاط بن‌بست هیدرولیکی، ماندگاری روغن را زیاد کرده و بستر رسوب را می‌سازد. طراحی صحیح خطوط، رعایت قطر مناسب، حذف زانویی‌های اضافی و استفاده از Drain با زاویه کافی، سرعت تخلیه و تهویه روغن را بهبود می‌دهد.

دی‌ایریشن، خنک‌کاری و مدیریت هوای آزاد

وجود حباب‌های هوا، سطح تماس اکسیژن و روغن را افزایش داده و اکسیداسیون را تسریع می‌کند. بنابراین مخازن با طراحی مناسب دی‌ایریشن و استفاده از دیفیوزرها اهمیت دارد. کولرهای روغن باید بتوانند دمای Bulk را در بازه هدف (معمولاً 45–55°C برای بسیاری از توربین‌های فرآیندی) نگه دارند. انتخاب پمپ با NPSH کافی و کنترل کاویتاسیون، از تشکیل میکروحباب جلوگیری کرده و تمایل به Varnish را کاهش می‌دهد.

ویژگی‌های کلیدی Turbine Oil برای مهار Coking

پایداری حرارتی و مقاومت در برابر اکسیداسیون

روغن‌های توربین با پایه Group II/III یا سنتتیک PAO/Ester معمولاً پایداری حرارتی بهتری نسبت به Group I دارند. افزودنی‌های آنتی‌اکسیدانت از نوع آمینی و فنلی هم‌عمل (Dual System) زمان القای اکسیداسیون را افزایش می‌دهند. در تست‌های صنعتی مانند RPVOT و TOST، روغنی با عدد بالاتر معمولاً دیرتر اکسید می‌شود و تمایل کمتری به تشکیل لاک دارد. انتخاب روغنی با MPC پایین (شاخص پتانسیل وارنیش) برای سرویس‌های داغ توصیه می‌شود.

شاخص گرانروی (VI)، رهاسازی هوا و دی‌امولسیبیلیتی

VI بالاتر به حفظ ویسکوزیته در دامنه دمایی گسترده کمک می‌کند و افت ضخامت فیلم هیدرودینامیک را در بارهای بالا محدود می‌سازد. روغنی که Air Release سریع و Foaming کنترل‌شده داشته باشد، اکسیژن محلول کمتری حمل کرده و ریسک اکسیداسیون پایین می‌آید. Demulsibility مناسب نیز اجازه می‌دهد آب ورودی از مسیرهای بخار یا نشتی مبدل‌ها به‌سرعت جدا شود؛ آبِ امولسیون‌شده، سرعت هیدرولیز افزودنی‌ها و تولید اسید را افزایش داده و بستر وارنیش را فراهم می‌کند.

تمایل به تشکیل لاک و Varnish و پاکیزگی

روغن‌هایی با سطح اشباع آروماتیک پایین و افزودنی‌های ضدزنگ و ضدخوردگی متعادل، رسوب کمتری تولید می‌کنند. حضور پاک‌کننده‌های ملایم و دیسپرسنت‌های کنترل‌شده (در حد مجاز برای توربین‌ها) می‌تواند حمل ذرات نرم را بهبود دهد؛ البته زیاده‌روی در دیسپرسنت‌ها ممکن است فیلتراسیون را دشوار کند. به همین دلیل، بالانس بین MPC پایین، فیلتراسیون‌پذیری خوب و سازگاری با آب‌بندی‌ها، معیار انتخاب بهینه است.

انتخاب گرید و افزودنی‌ها برای توربین‌های پتروشیمی ایران

انتخاب گرید ویسکوزیته به هندسه یاتاقان، سرعت خطی ژورنال و دمای کاری بستگی دارد. به‌طور معمول ISO VG 32 و 46 در توربین‌های گازی فرآیندی و ISO VG 46 و 68 در برخی توربین‌های بخاری کاربرد دارند. در اقلیم‌های گرم و بارهای پایدار، VG 46 می‌تواند حاشیه ایمنی فیلم را افزایش دهد.با بررسی رفتار روغن در شرایط عملیاتی و استفاده از آنالیز MPC، RULER و FTIR، می‌توان تشخیص داد که آیا نیاز به مهاجرت از Group I به Group II/III یا PAO وجود دارد یا خیر.

در سایت‌های جنوب کشور، شوک‌های دمایی و آلودگی سوخت (فلزات و سولفورها) رایج‌تر است. برای خطوطی با سیکل‌های روشن/خاموش مکرر، استفاده از سیستم آنتی‌اکسیدانت دوگانه و روغن با Air Release سریع توصیه می‌شود. اگر واحد شما در منطقه‌ای مانند روغن صنعتی در عسلویه یا روغن صنعتی در اصفهان فعالیت می‌کند، تفاوت اقلیم و بار محیطی را در انتخاب VG و نوع پایه در نظر بگیرید.

مقایسه فنی روغن‌های توربین از منظر Coking

پیش از انتخاب نهایی، مزایا و ریسک‌های هر نوع پایه را کنار هم ببینید. روغن‌های Group I اقتصادی‌ترند اما پایداری اکسیداسیونی پایین‌تری دارند. Group II/III تعادل خوبی بین قیمت و عملکرد ارائه می‌کنند. فرمولاسیون‌های سنتتیک (PAO/Ester) بیشترین مقاومت در برابر اکسیداسیون و کمترین تمایل به وارنیش را دارند و برای نقاط داغ و سیکل‌های سنگین توصیه می‌شوند.

جدول زیر یک مرور مقایسه‌ای فراهم می‌کند؛ در انتخاب نهایی، شرایط واقعی تجهیز، بودجه و امکانات پایش را لحاظ کنید.

پایش، کنترل و پاک‌سازی وارنیش و کک

پایش وضعیت روغن ستون فقرات کنترل Coking است. آزمون‌های کلیدی شامل MPC برای سنجش پتانسیل وارنیش، RULER برای پایش دگرگونی آنتی‌اکسیدانت، FTIR برای محصولات اکسیداسیون، PQ Index برای ذرات آهنی و ISO 4406 برای کد پاکیزگی است. تِرِند کردن دمای یاتاقان و ویبره به‌صورت هم‌زمان، به همبستگی بین افزایش اصطکاک و بروز رسوبات کمک می‌کند.

در حوزه کنترل، فیلترهای عمقی با مدیای رزینی، واحدهای Electrostatic یا Charged Agglomeration می‌توانند لاک‌های محلول را بگیرند. در موارد شدید، فلاشینگ شیمیایی کنترل‌شده و جایگزینی تدریجی روغن توصیه می‌شود. مدیریت آب آزاد با مبدل‌های سالم، جداسازهای مؤثر و نگهداری کولرها، نرخ هیدرولیز را کاهش می‌دهد. به‌طور دقیق، ترکیب فیلتراسیون هدفمند، خنک‌کاری پایدار و انتخاب روغن با MPC پایین، چرخه تشکیل کک را می‌شکند.

چک‌لیست عملی برای مهندسان بهره‌برداری و نت

• هدف‌گذاری دمای Bulk روغن در بازه پیشنهادی OEM و ثبت تِرِند روزانه.
• پایش دمای یاتاقان‌های بحرانی و بررسی اختلاف دمای ورودی/خروجی روغن.
• نمونه‌برداری ماهانه و اجرای آزمون‌های MPC، RULER، FTIR، TAN و کد پاکیزگی.
• بازبینی الگوی جریان و حذف نقاط ماند در مسیر برگشت با اصلاح شیب و اتصالات.
• کنترل Air Release و Foaming؛ بررسی عملکرد دی‌ایریشن مخزن.
• بازرسی کولرهای روغن و مبدل‌ها برای جلوگیری از ورود آب؛ اجرای تست نشتی.
• استفاده از فیلترهای رزینی/الکترواستاتیک در زمان افزایش MPC.
• انتخاب VG بر اساس سرعت ژورنال، بار و اقلیم؛ بازنگری فصلی در سایت‌های گرم.
• پایش ویسکوزیته در دماهای استاندارد و بررسی Shear Stability.
• آموزش تیم بهره‌برداری درباره نشانه‌های اولیه Varnish (Stiction ولوها، دمای موضعی).
• مدیریت انبارداری؛ جلوگیری از آلودگی عرضی و کنترل تاریخ‌انقضای افزودنی‌ها.
• تهیه برنامه واکنش سریع برای توقفات ناگهانی با تمرکز بر فلاشینگ و تعویض جزئی.

پرسش‌های پرتکرار

چرا با وجود دمای Bulk مناسب، وارنیش همچنان تشکیل می‌شود؟

زیرا دمای Bulk شاخص میانگین است و نقاط داغ موضعی (Hot Spot) در یاتاقان‌ها و مسیر برگشت، دمای فیلم را فراتر از آستانه اکسیداسیون می‌برد. اگر زمان ماند روغن طولانی یا تهویه هوا ناکافی باشد، اکسیداسیون تسریع و لاک محلول تشکیل می‌شود. پایش MPC و طراحی برای کاهش نقاط ماند، راهکار عملی است.

آیا مهاجرت از Group I به Group II/III همیشه مشکل کک را حل می‌کند؟

خیر. هرچند Group II/III پایداری اکسیداسیونی بالاتری دارد، اما اگر طراحی مدار، کولینگ و دی‌ایریشن بهینه نشود، ریشه مشکل باقی می‌ماند. مهاجرت پایه باید همراه با بهبود فیلتراسیون، کنترل آلودگی و انتخاب افزودنی‌های آنتی‌اکسیدانت متناسب با پروفایل عملیاتی باشد.

چه زمانی از روغن سنتتیک PAO/Ester استفاده کنیم؟

وقتی نقاط داغ پایدار، راه‌اندازی/توقف‌های مکرر، یا محدودیت کولینگ وجود دارد و آزمون MPC روند صعودی نشان می‌دهد. در این شرایط پایداری حرارتی/اکسیداسیونی PAO/Ester ایجاد حاشیه اطمینان می‌کند. البته پیش از تعویض، سازگاری با آب‌بندی‌ها و برنامه فلاشینگ را بررسی کنید.

کدام شاخص‌های آزمایشگاهی برای تشخیص زودهنگام وارنیش مؤثرترند؟

MPC بهترین شاخص برای پتانسیل وارنیش است. ترکیب آن با RULER (برای پایش مصرف آنتی‌اکسیدانت‌ها) و FTIR (برای محصولات اکسیداسیون) تصویری کامل می‌دهد. مشاهده افزایش PQ Index همراه با تغییر ویسکوزیته، نشانه تشدید Wear و نیاز به اقدام اصلاحی است.

چگونه از بازگشت سریع وارنیش بعد از فلاشینگ جلوگیری کنیم؟

پس از فلاشینگ، اگر علت ریشه‌ای (Hot Spot، ماند روغن، هوادهی بالا) رفع نشود، بازگشت محتمل است. برنامه پایش کوتاه‌مدت، استفاده موقت از فیلتر رزینی/الکترواستاتیک، کنترل دقیق دمای Bulk و انتخاب روغن با MPC پایین، احتمال بازگشت را کم می‌کند.

از فاز بخار تا قطره روغن: مسیر عملی مهار Coking

کنترل Coking در توربین‌های پتروشیمی یک پروژه چندرشته‌ای است: شیمی روغن، مکانیک جریان، انتقال حرارت و پایش وضعیت. با تعریف دقیق نقاط داغ، اصلاح مدار برگشت و بهبود دی‌ایریشن، زمان ماند و اکسیژن محلول کاهش می‌یابد. در ادامه، انتخاب Turbine Oil با پایداری اکسیداسیونی بالا، VI مناسب و Air Release سریع، ظرفیت سیستم را برای دفع گرما و حفظ فیلم هیدرودینامیک افزایش می‌دهد. به‌صورت عملی، مهاجرت از Group I به Group II/III در بسیاری از سایت‌ها نسبت هزینه/فایده مطلوبی دارد و برای سرویس‌های بحرانی، PAO/Ester حداکثر حفاظت را فراهم می‌کند.

اصل کلیدی: Coking نتیجه جمع نواقص کوچک است؛ حل آن نیز نیازمند مجموعه‌ای از اصلاحات کوچک اما پایدار است.

در چارچوب نت مبتنی بر پایش، استفاده از MPC، RULER، FTIR و کد پاکیزگی ISO 4406، دیدی پیش‌نگر فراهم می‌کند. با مشاهده روندهای غیرعادی، اقداماتی مانند کاهش دمای Bulk، افزایش ظرفیت فیلتراسیون، یا افزودن واحد رزینی برای حذف لاک‌های محلول، مانع از تبدیل آن‌ها به کک سخت می‌شود. تجربه میدانی در سایت‌های جنوب و مرکز کشور نشان می‌دهد که هم‌راستاسازی سه محور «طراحی مدار، انتخاب روغن، پایش وضعیت» می‌تواند نرخ توقفات ناگهانی را به‌طور محسوس کاهش دهد و عمر یاتاقان و روتور را افزایش دهد.

در نهایت، انتخاب فنی باید با توجه به اقلیم، کیفیت سوخت، تاریخچه خرابی و امکانات نگهداری هر سایت انجام شود. در مناطقی با دمای محیطی بالا و بارهای پیوسته، روغن‌های Group II/III یا سنتتیک با VI بالا و MPC پایین، گزینه‌های ارجح هستند؛ در مقابل، برای واحدهای با بار متوسط و کولینگ مطمئن، R&O با کیفیت ممتاز نیز می‌تواند پاسخگو باشد. راهبرد موفق، نگاه سیستماتیک و داده‌محور است.

به‌عنوان تأمین‌کننده متخصص، موتورازین با سبدی از روغن‌های توربین فرآیندی و گازی، مشاوره انتخاب گرید، و راهکارهای فیلتراسیون و رزین‌پولیش، کنار تیم‌های بهره‌برداری است. با اتکا به تجربه پروژه‌ای در سایت‌های صنعتی کشور، از انتخاب محصول تا استقرار برنامه پایش، مسیر کاهش وارنیش و کک را عملیاتی می‌کنیم.