مهندسی اصطکاک در دماهای منفی: چرا قوانین روانکاری در زیر −۲۰ درجه تغییر می‌کنند؟

بارها در سردخانه‌های صنعتی دیده‌ام که همه‌چیز در دمای زیر صفر به‌ظاهر آرام است اما اصطکاک در دل تجهیزات قانون خودش را دارد. یک صبح زمستانی در قزوین، کمپرسور آمونیاک پس از توقف شبانه استارت می‌خورد، روغن سرد و غلیظ به‌سختی در مسیرها حرکت می‌کند، و صدای فرسایشِ خشکِ کوتاه‌مدتی که می‌شنوید همان مرزی است که بین عملکرد پایدار و یک توقف اضطراری گران‌قیمت قرار دارد.

در دماهای زیر −۲۰ درجه، ویسکوزیته دینامیک روغن به‌صورت نمایی افزایش می‌یابد، افزودنی‌ها دیرتر فعال می‌شوند، و فیلم روانکار دیرتر شکل می‌گیرد. نتیجه؟ افزایش تماس فلز‌ـ‌به‌فلز در ثانیه‌های اول استارت سرد. اگر مدار بازگشت روغن هم تأخیر داشته باشد، «گرسنگی روغن» در یاتاقان و روتور تشدید می‌شود.

این مقاله یک نگاه عملیاتی‌ـ‌فنی به مهندسی اصطکاک در دماهای منفی است: از رفتار فیلم روانکار و نقش ISO VG و پایه‌های POE/PAG تا پایداری افزودنی‌ها و طراحی مدار. در نهایت، یک چک‌لیست اجرایی برای نگهداری سردخانه ارائه می‌کنیم تا ریسک استارت سرد و هزینه چرخه عمر تجهیز کاهش یابد.

اگرچه انتخاب درست روغن صنعتی برای کمپرسور و مدار مبرد محور اصلی تصمیم است، اما مدیریت استارت، پاکیزگی سیستم و پایش وضعیت روغن هم‌ارزش است و باید هم‌زمان دیده شوند.

مهندسی اصطکاک در دماهای منفی: چرا قوانین روانکاری تغییر می‌کنند؟

در زیر −۲۰ درجه، منحنی استریبک جابه‌جا می‌شود: ناحیه Boundary بزرگ‌تر و رسیدن به Hydrodynamic دشوارتر می‌گردد. دلیل اصلی، رشد تندِ ویسکوزیته دینامیک (dynamic viscosity) و تأخیر در تشکیل گوه‌ی هیدرودینامیک است. سرعت دورگیری اولیه پایین است، روغن غلیظ جریان را محدود می‌کند، و انرژی اصطکاکی به‌جای دفع، به گرمایش موضعی و سایش تبدیل می‌شود. در کمپرسورهای اسکرو و پیستونیِ سردخانه‌ای، این وضعیت به‌خصوص در یاتاقان‌های ژورنال و تماس روتور/پوسته محسوس است.

هم‌زمان، انحلال‌پذیری مبرد در روغن (خاصه در POE/PAG) با افت دما تغییر می‌کند. ممکن است روغن در توقف طولانی بخشی از مبرد را در خود نگه دارد و هنگام استارت، با کویتاسیون نرم و کفِ خفیف، فیلم را بی‌ثبات کند. از سوی دیگر، افزودنی‌های ضدسایش (AW) که مبتنی بر جذب سطحی‌اند، در دمای پایین با نرخ کندتری به سطح می‌نشینند؛ پس لحظات اول استارت، خط‌مقدم تماس فلزی است.

پیامد مدیریتی روشن است: نگاهِ «تابلوِ نامی» برای روغن در دمای مثبت، در دماهای منفی قابل تعمیم نیست. باید ویسکوزیته در دمای پایین، pour point و رفتار امتزاج با مبرد را توأمان دید.

توصیه مدیریتی: در استاندارد خرید، حتماً «ویسکوزیته در −۳۰°C» و «pour point» را در کنار ISO VG و نوع پایه وارد کنید و از سازنده بخواهید مقادیر واقعی آزمون Brookfield را ارائه دهد.

رفتار فیلم روانکار زیر −۲۰ درجه در کمپرسور و مدار مبرد

ضخامت فیلم در تماس‌های هیدرودینامیک تقریباً با (ویسکوزیته × سرعت / بار) هم‌بستگی دارد؛ وقتی ویسکوزیته از حدی فراتر می‌رود اما سرعت هنوز شکل نگرفته، دبی روغن در شکاف‌ها کم می‌شود و فیلم دیرتر پایدار می‌گردد. در آمونیاک و HFCها، حضور مبرد محلول/نامحلول نیز بر چگالی و ویسکوزیته مؤثر است. زیر −۲۰°C، پدیده «lag» شکل‌گیری فیلم، باعث افزایش زمان حضور در ناحیه Boundary می‌شود.

film strength در این دماها بیشتر تابع شیمی پایه و بسته افزودنی است تا صرفاً عدد ISO VG. پایه‌های POE با قطبیت بالاتر، جذب سطحی پایدارتر و لایه Boundary یکنواخت‌تری ایجاد می‌کنند، اما نسبت به رطوبت حساس‌اند. PAGها در برخی طراحی‌ها مزیت جریان‌پذیری و کنترل رسوبات را دارند، هرچند با مواد آب‌بند باید سازگاری‌سنجی شوند. نَفتِنیک‌های تصفیه‌شده به‌طور سنتی pour point مناسبی دارند، ولی امتزاج با HFCها محدود است.

در تماس‌های شبه‌الاستوهیدرودینامیک (EHL)، سختی سطح و زبری موثر است. با سردتر شدن، مدول الاستیسیته افزایش می‌یابد و تغییرشکل الاستیک کمتر می‌شود؛ پس فشار نقطه‌ای بالاتر و ریسک پریشانی فیلم افزون‌تر است.

توصیه مدیریتی: فاصله زمانی بین روشن‌کردن هیتر کارتل و استارت را با دماسنجِ واقعیِ روغن تنظیم کنید؛ دمای روغنِ ورودی به یاتاقان را به حداقل −۱۰ تا ۰°C برسانید، نه صرفاً محیط.

گرید ویسکوزیته و پایه روغن؛ چطور انتخاب کنیم؟

انتخاب ISO VG بدون توجه به ویسکوزیته در دماهای پایین، خطای رایج است. دو روغن با ISO VG 46 ممکن است در −30°C رفتار کاملاً متفاوتی داشته باشند. پایه POE/PAG به‌طور معمول pour point پایین‌تر و منحنی ویسکوزیته بهتری نسبت به مینرال دارند، ولی هرکدام نسبت به مبرد و رطوبت ملاحظات خاص خود را دارند. تصمیم مهندسی باید بر پایه داده‌های Brookfield viscosity، pour point، منحنی VI و سازگاری با مبرد/الاستومر باشد.

جدول زیر یک مقایسه عملیاتیِ ساده‌شده برای تصمیم‌سازی است. هدف، «رتبه‌بندی مطلق» نیست؛ بلکه نشان‌دادن اثر هم‌زمانِ ISO VG، نوع پایه و شاخص‌های کلیدی در عملکرد دمای پایین است. مقادیر ویسکوزیته در −30°C نمونه‌های معمول صنعتی‌اند و باید در هر پروژه با برگه دیتاشیت واقعی تطبیق داده شوند.

نکته: اعداد نمونه‌ای هستند. سازگاری شیمیایی با مبرد و الاستومرها (NBR/HNBR/EPDM) باید به‌صورت پروژه‌ای بررسی شود. در دماهای زیر −30°C، غالباً POE یا PAG با ISO VG پایین‌تر و کنترل دمای روغن توصیه‌پذیرتر است.

توصیه مدیریتی: اگر استارت سرد تکراری دارید، یک درجه ISO VG پایین‌تر با پایه POE/PAG و کنترل هیتر را بیازمایید و نتایج را با آنالیز سایش (Fe, Cu) مقایسه کنید.

خطاهای رایج در انتخاب روغن کمپرسور برای دماهای منفی

• اتکا به ISO VG در 40°C بدون داده Brookfield در −25 تا −35°C.
• نادیده‌گرفتن تأثیر مبرد حل‌شده بر ویسکوزیته و کف‌کردن.
• انتخاب افزودنی EP گوگرد/فسفر بدون بررسی سازگاری با آمونیاک.
• بی‌توجهی به pour point و نقطه ابری‌شدن در مسیرهای باریک بازگشت روغن.

توصیه مدیریتی: چک‌لیست خرید را به سه ستون «ویسکوزیته سرد، سازگاری مبرد، پاکیزگی ISO 4406» ساده‌سازی کنید و فقط برندی را انتخاب کنید که هر سه را مستند می‌کند.

طراحی مدار روغن و خطر گرسنگی در استارت سرد

گرسنگی روغن زمانی رخ می‌دهد که تاخیر در رسیدن روغن به نقاط حیاتی بیش از تحمل تماس باشد. عوامل سازنده در دمای زیر −۲۰°C عبارت‌اند از: افت فشار اضافی روی فیلتر غلیظ‌شده، شیرهای یک‌طرفه کند، جداکننده روغن با تخلیه کند، و مسیر بازگشت با تجمع مایع سرد. اگر سطح روغن در کارتل به‌دلیل مخلوط روغن/مبرد «فریبنده» شود، حسگر سطح تصمیم غلط می‌گیرد.

راهکار طراحی شامل پیش‌گرمایش هدفمند کارتل و مسیرهای حیاتی، بای‌پس کنترل‌شده فیلتر در لحظات استارت، و مدیریت توالی شیرهاست. در اسکروهای آمونیاک، دمای روغن ورودی به بیرینگ‌ها حیاتی‌تر از دمای محیط است. بهینه‌سازی قطر لاین بازگشت و شیب‌گذاری صحیح در رشت و گرگان که زمستان‌های مرطوب‌تری دارند، از قفل‌بخاری و تجمع مایع جلوگیری می‌کند.

توصیه مدیریتی: «روش استارت سرد» را مستند کنید: هیتر روشن تا رسیدن روغن به −10°C، گردش کمکی 30–90 ثانیه، سپس استارت اصلی؛ اعداد را با تست عملی تجهیز خود تنظیم کنید.

پایداری افزودنی‌ها، shear stability و film strength در دماهای پایین

پایین‌آمدن دما، نرخ واکنش افزودنی‌ها را کاهش می‌دهد. AWهایی مثل ZDDP (در سامانه‌های غیرآمونیاکی) یا فسفر/گوگردهای کنترل‌شده باید فرصت جذب/واکنش بیابند. در آمونیاک، استفاده از بسته‌های افزودنی ویژه با گوگرد فعال محدود، ضروری است. از سوی دیگر، بهبوددهنده‌های شاخص ویسکوزیته (VI improver) اگر در برش‌های برودتی تحت برش مکانیکی قرار گیرند، shear down رخ می‌دهد و ویسکوزیته عملیاتی افت می‌کند؛ هرچند در POE/PAG خالص، اتکای کمتری به VI improver وجود دارد.

film strength در لبه‌های تماس با فشار بالا متکی بر شیمی سطح است. پرداخت مناسب سطح، پاکیزگی، و نبود ذرات جامد در دمای پایین نقش دوچندان دارد؛ چون ذرات سخت در فیلم نازک سرد، آسان‌تر به خراش تبدیل می‌شوند. کنترل کُد پاکیزگی ISO 4406 در زمستان باید سخت‌گیرانه‌تر باشد.

توصیه مدیریتی: در قرارداد تأمین، «shear stability index» و آزمون FZG یا چهارگوی را مطالبه کنید و نتایج را در دماهای زیر صفر هم ارزیابی کنید.

پایش و آزمون؛ چه چیزی را اندازه‌گیری کنیم؟

پایش وضعیت روغن در سردخانه باید دما‌محور باشد. آزمون‌های کلیدی عبارت‌اند از: Brookfield viscosity در −20 تا −35°C؛ FTIR برای شناسایی رقیق‌شدن با مبرد و محصولات اکسیداسیون؛ Karl Fischer برای رطوبت؛ عدد اسیدی (TAN) برای دنبال‌کردن تخریب؛ شمارش ذرات طبق ISO 4406؛ و تعیین فلزات سایش (Fe, Cu, Al) با ICP. برای روغن‌های POE، RULER می‌تواند آنتی‌اکسیدان باقی‌مانده را نشان دهد.

پایش ارتعاش هم‌افزاست: الگوهای استارت سرد را با افزایش ضربان ارتعاشی همبسته کنید تا زمان بهینه پیش‌گرمایش را بیابید. در سایت‌هایی مثل قزوین و رشت، اجرای نمونه‌برداری «پس از استارت» در ۱۵ دقیقه اول، داده‌های ارزشمندی از برش Boundary فراهم می‌کند.

توصیه مدیریتی: یک KPI ساده تعریف کنید: «زمان تا رسیدن ویسکوزیته عملیاتی» و آن را از طریق دمای روغن و ارتعاش معیارگذاری کنید؛ سپس برنامه هیتر و بای‌پس را بر اساس آن تنظیم کنید.

چک‌لیست کاربردی برای مدیر نگهداری سردخانه

• در برگه دیتاشیت به این موارد دقت کنید: Brookfield viscosity در دمای هدف، pour point، VI، سازگاری با مبرد و الاستومر، کف‌زدایی و هوابرداری.
• قبل از زمستان: تمیزکاری مدار بازگشت، کالیبراسیون سنسور سطح کارتل، تست عملکرد بای‌پس فیلتر، و صحت‌سنجی هیتر.
• برنامه استارت: پیش‌گرمایش تا −10 تا 0°C برای روغن، گردش کمکی، استارت نرم، پایش ارتعاش/دما در ۱۵ دقیقه اول.
• پایش ادواری: FTIR، KF، TAN، ذرات ISO 4406، فلزات سایش؛ در دماهای زیر صفر، دوره نمونه‌برداری را ۱.۵ برابر فشرده‌تر کنید.
• کنترل موجودی: حداقل یک بشکه از پایه همسان (POE یا PAG) در انبار گرم نگه دارید؛ از اختلاط تصادفی با مینرال پرهیز کنید.
• آموزش اپراتور: تشخیص صدای خشکِ لحظه استارت، مشاهده فشار روغن و واکنش سریع به آلارم گرسنگی.
• هم‌راستاسازی با LCC: هزینه هیتر و روغن مناسب را با کاهش سایش و توقف اضطراری مقایسه و مستندسازی کنید.

توصیه مدیریتی: یک «روش اجرایی زمستانی» کوتاه تدوین و امضا کنید؛ تغییر افراد شیفت نباید کیفیت استارت سرد را تغییر دهد.

وقتی سرما قانون بازی را عوض می‌کند: فهمی تازه از تعادل گرما، سرما و اصطکاک

درک ما از روانکاری در دمای مثبت، در دماهای زیر −۲۰ درجه کفایت نمی‌کند. در سردخانه‌ها، به‌ویژه در کمپرسورهای آمونیاک و HFC، هر ثانیه استارت سرد روی الگوی فرسایش بلندمدت اثر می‌گذارد. انتخاب صحیح گرید ویسکوزیته و پایه روغن (POE/PAG با رفتار پایین‌دمای مستند)، همراه با طراحی هوشمند مدار (پیش‌گرمایش هدفمند، بای‌پس فیلتر، شیب‌گذاری بازگشت) باعث می‌شود ناحیه Boundary کوتاه‌تر و نرم‌تر طی شود. این، همان جایی است که film strength واقعی خود را نشان می‌دهد.

از منظر نگهداری، پایش وضعیت روغن باید دما‌محور و چرخه‌ای باشد: اندازه‌گیری Brookfield و FTIR برای رقیق‌شدن با مبرد، کنترل رطوبت با Karl Fischer، و سخت‌گیری در پاکیزگی ISO 4406. در سطح عملیاتی، برنامه استارت سرد باید استاندارد و مبتنی بر داده باشد؛ نه صرفاً عادت اپراتوری. وقتی این سه لایه کنار هم بنشینند، پایداری چرخه فعالیت سردخانه به‌طور چشمگیری بهبود می‌یابد و رخداد توقف اضطراری کاهش می‌یابد.

در چرخه عمر بهره‌برداری (LCC)، هزینه یک روغن مهندسی‌شده برای دمای پایین و چند ساعت پیش‌گرمایش در روز، در برابر هزینه یاتاقان‌کشی یا از دست‌دادن محصول سردخانه ناچیز است. تصمیم درست در انتخاب و پایش روانکار، یک انتخاب صرفاً فنی نیست؛ تصمیمی تجاری برای حفظ ظرفیت، کاهش انرژی هدررفته در اصطکاک و افزایش اطمینان‌پذیری تجهیز است. اگر ناوگان دیزل پشتیبان هم دارید، انتخاب درست روغن موتور با استارت سرد مناسب، هم‌افزایی مستقیمی با تاب‌آوری کل سایت دارد.

پرسش‌های متداول

چرا دو روغن با ISO VG 46 در 40°C در −۳۰°C متفاوت عمل می‌کنند؟

عدد ISO VG فقط به گرانروی در 40°C اشاره دارد. شیب تغییر گرانروی با دما (VI)، نوع پایه (POE/PAG/مینرال)، و بسته افزودنی تعیین می‌کند که در −۳۰°C ویسکوزیته دینامیک چقدر شود. بنابراین دو روغن 46 می‌توانند در سرما تفاوت‌های چشمگیر در جریان‌پذیری، film strength و زمان تشکیل فیلم داشته باشند. برای انتخاب در دماهای منفی، داده Brookfield و pour point اهمیت حیاتی دارد.

برای استارت سرد کمپرسور آمونیاک چه تمهیداتی مؤثر است؟

پیش‌گرمایش کارتل و مسیر روغن تا رسیدن به دمای −10 تا 0°C، بای‌پس فیلتر در لحظه استارت، گردش کمکی کوتاه‌مدت، و پایش فشار/دبی روغن در ۱۵ دقیقه نخست کلیدی است. انتخاب پایه PAG/POE با ویسکوزیته سرد مناسب و کنترل بازگشت روغن از جداکننده هم ریسک گرسنگی روغن را کاهش می‌دهد. نتایج را با ارتعاش و فلزات سایش راستی‌آزمایی کنید.

چه تست‌هایی برای پایش روغن در سیستم‌های برودتی پیشنهاد می‌شود؟

Brookfield viscosity در −20 تا −35°C، FTIR برای رقیق‌شدن با مبرد و اکسیداسیون، Karl Fischer برای رطوبت، TAN، شمارش ذرات ISO 4406، و ICP برای فلزات سایش. در روغن‌های POE، آزمون RULER برای آنتی‌اکسیدان مفید است. نمونه‌برداری در بازه‌های کوتاه‌تر در فصل سرد، و حداقل یک نمونه «پس از استارت» توصیه می‌شود.

آیا می‌توان از مینرال نَفتِنیک در دماهای زیر −۲۰°C استفاده کرد؟

شدنی است، اما با شرط وجود هیتر کارتل کارآمد، فیلتر با بای‌پس کنترل‌شده و مسیر بازگشت بهینه‌شده. مینرال نَفتِنیک معمولاً pour point بالاتری نسبت به POE/PAG دارد و ویسکوزیته سرد بیشتری ایجاد می‌کند. در سیستم‌های قدیمی آمونیاک با سازگاری مشخص، ممکن است مناسب باشد، اما برای سرداستارت‌های مکرر، گزینه‌های POE/PAG با سردروی بهتر ترجیح دارد.