درباره روانکاری

تاریخچه روانکاری

روانکاری یا تریبولوژی "Tribology" به عنوان علم تسهیل حرکت نسبی سطوح در تماس با یکدیگر تعریف شده است و سابقه آن به زمان پیش از پیدای چرخ و استفاده ازگردش آن به دور محور،به منظور ایجاد حرکتی روان،برمی گردد.

به طور کلی در هر جا که سطوح در جوار و در تماس با یکدیگر دارای حرکت نسبی هستند،روانکاری نقش بسیار مهمی در انجام حرکت به نحو صحیح ،مداوم واقتصادی،ایفا می کند.عدم روانکاری صحیح ماشین آلات علاوه بر آنکه باعث تقلیل راندمان مکانیکی و پایین آمدن بازده زمانی ماشین می شود،منجر به فرسایش بیش ازحد فرسودگی و از کارافتادگی زودرس نیز می گردد.

اهم وظایف روغن های روانساز عبارتند از:

1-روانکاری:

تشکیل لایه ای از روغن با ضخامت مناسب بین قطعات متحرک به منظور به حداقل رساندن اصطکاک و سائیدگی قطعات فلزی در حین کار.

2-انتقال حرارت:

انتقال حرارت ایجاد شده از سطوح مورد نظر و خنک کردن قطعات متحرک.

3-ضربه گیری:

یکی از ویژگی های مهم روغن،کاهش تاثیر ضربات در حین انجام حرکات مکانیکی بر روی قطعات است.بدین معنی که روغن از تاثیر منفی ضربه های قطعات بریکدیگرجلوگیری می نماید.

4-حفاظت از سطوح:

روغن های روانساز باید بتوانند سطوح قطعات فلزی را در مقابل زنگ زدگی و خوردگی شیمیایی محافظت کنند.

5-آب بندی:

آب بندی (Sealing) قطعات نیز از ویژگیهای مهم روغن است.برای مثال روغن موتور با تشکیل لایه ای از روغن بین پیستون و سیلندر در موتورهای احتراق داخلی ازفراز گازهای متراکم شده،جلوگیری می نماید.

6-انتقال مواد(حمل ذرات):

روغن های روانساز در بعضی مواردنقش انتقال نیرو را به عهده دارند (روغن های هیدرولیک)

ویژگیهای روغن روانساز

ویژگیهای مورد انتظار از روغن های مناسب برای روانکاری به شرح زیر هستند:

1-دارای گرانروی مناسب و ضریب اصطکاک بسیار کم باشند.

2-در مقابل حرارت مقاوم باشند و اکسید نشوند.

3-خاصیت پاک کنندگی مناسب داشته باشند و پس از کار مداوم،تحت تاثیر کار در دماهای بالا و مستمر ،تشکیل موا د لجنی و رسوبات در لابه لای قطعات ندهند.

4-دارای شاخص گرانروی بالا باشند.

5-با ایجاد لایه نازکی از روغن بر روی سطوح متحرکی که با یکدیگر در تماس هستند،از سائیدگی و فرسودگی آنها جلوگیری نمایند.

6-در حین عملیات ایجاد کف ننمایند.

7-زنگ زدگی و خوردگی بر روی قطعات فلزی ایجاد نکنند.

8-با قطعات لاستیکی و پلاستیکی سازگاری کامل داشته باشند.

روغن (روانکار) چگونه تولید می شود؟

آنچه به عنوان روغن یا روانکار در صنعت یا خودرو مورد استفاده قرار می گیرد درواقع ترکیبی از مواد نفتی مختلف است که در نهایت طبق فورمول های مختلف ، روغن هایی با توانایی ها و کاربردهای متفاوت بدست می آید.

1- روغن پایه
2- ماده افزودنی

روغن پایه:

روغن پایه ماده ای است که از پالایش نفت خام بدست می آید. در زیر مراحل تولید روغن پایه را شرح می دهم.
پس از پالایش نفت خام طی مراحل زیر:
1- تقطیر اتمسفریک
2- تقطیر در خلاء
3- برج روغن
http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/farvardin/06/250364%20(13).jpg
برشی به نام برش روغن یا LUBCUT حاصل می شود که این ماده در واقع خوراک پالایشگاه روغن است.
پس از ورود LUBCUT به پالایشگاه روغن مراحل زیر برای تولید روغن انجام می شود:
ابتدا LUBCUT وارد واحد استخراج با فورفورال شده و با استفاده از حلال فورفورال ترکیبات آروماتیک تحت عنوان اکسترکت از آن خارج می شود. محصول اصلی این واحد که رافینیت نام دارد به واحد موم گیری منتقل می شود ، در این واحد با استفاده از حلال های تولوئن و MEK و فیلتر های مخصوص موم از روغن جدا می شود تا نقطه ریزش روغن به اندازه کافی پایین برود ، تا در دمای محیط ، روغن روان بودن خود را از دست ندهد ، در این واحد پس از موم گیری ، روغن پایه بدست می آید ، که می تواند برای تولید برخی روغن های موتور و صنعتی از آن استفاده کرد. ولی برای افزایش کیفیت و کاهش ناخالصی های روغن پایه جهت تولید روغن های موتور و صنعتی با سطوح کیفیت بالا این روغن پایه را به واحد تصفیه هیدروژن می فرستد تا در دما و فشار بالا در راکتور مخصوصی با افزودن هیدروژن ، ترکیبات غیر اشباع را اشباع کرده و ناخالصی هایی مانندN,S,O را از روغن پایه خاج سازند. محصول نهایی این واحد یک روغن پایه بسیار با کیفیت جهت تولید روغن های با سطوح کیفیت بالا از قبیل روغن توربین ، کمپرسور و روغن های جدید موتور است.
در این مرحله یکی از اجزاء اصلی تولید روغن ، یعنی روغن پایه را بدست آورده ایم . لازم به ذکر است که نوع و درجه گرانروی روغن پایه ای که بدست می آید بستگی به LUBCUT ورودی به پالایشگاه روغن دارد. پس برای تولید روغن های پایه مختلف نیاز به استفاده از LUBCUT متفاوت است.

روغن پایه (Base Oil)

روغنی که به عنوان یک پایه برای روانکار به حساب می آید و پس از اضافه کردن مواد افزودنی به آن، روانکار نهایی به دست می آید روغن پایه نامیده می شود. روغن پایه ها از لحاظ حجمی مهمترین جزء تشکیل دهنده روانکارها می باشند و از لحاظ وزنی به طور متوسط بیش از 95% ساختار یک روانکار را تشکیل می دهند. در برخی از روانکارها (روغن های کمپرسور و هیدرولیک) 99% روغن را روغن پایه و 1% آن را مواد افزودنی تشکیل می دهند. از طرفی، برخی دیگر از روانکارها مانند سیالات فلزکاری، گریس ها یا روغن دنده های صنعتی شامل حدوداُ 30% مواد افزودنی هستند.

روغن پایه را می توان از منابع نفتی یا غیر نفتی به دست آورد. بیشتر روغن پایه مصرفی در جهان امروزه از پالایش نفت خامبه دست می آید. از آنجا که بخش عمده ای از روغن پایه های مورد استفاده در تولید روانکارها از منابع نفتی به دست می آید، صنعت روغن پایه به عنوان قسمتی از صنایع نفت به شمار می رود.

ویژگی های روغن های پایه به دست آمده از نفت وابسته به نوع نفت خام و عملیات پالایش است. روغن های پایه نفتی اجزاء شیمیایی خود را چه مطلوب و چه نامطلوب از نفت خامی که از آن طی فرآیند پالایش به دست آمده اند، به ارث می برند. از آنجا که نفت خام حاوی ترکیبات مختلفی از قبیل هیدروکربن های پارافینیک، نفتنیک و آروماتیک و همچنین ترکیبات گوگرددار می باشد، روغن پایه ها نیز متشکل از این ترکیبات هستند. چگونگی تاثیر ویژگی های روغن پایه بر خواص و کارآِیی نهایی در شکل زیر داده شده است.http://www.synolexoil.com/Portals/1/Images/1-3-304.gif

فناوری روانکاری از زمان بسیار دور پیدایش آن، بیش از سه هزار سال پیش، تا کنون دستخوش مراحل تکامل زیادی بوده است. هرچه این فناوری تکامل بیشتری می یابد، تاثیر کیفیت روغن پایه ها بر کیفیت و کارآیی روانکار نهایی بیشتر می شود. با گذشت زمان و پیشرفت صنایع روانکاری، صنعت روغن پایه ها از سایر صنایع تولید محصولات عمده ی نفتی جدا شده است.

1. نفت خام و اجزاء آن

به نفتی که مستقیما از چاه استخراج می شود، نفت خام می گویند. نفت خام مخلوطی از ترکیبات مختلف است. نفت خام از باقیمانده جانوران ریز آبزی و گیاهان که همواره با گا در اعماق دریا ته نشین شده اند، تحت فشار و درجه حرارت به وجود آمده است.

بعضی از اجزاء موجود در نفت خام خواص مطلوب در روانکاری دارند، در حالی که بقیه خواص نامطلوب دارند. این اجزاء به طور کلی به دو دسته هیدروکربنی ها و غیر هیدروکربنی ها تقسیم می شوند.

‌أ) هیدرو کربن ها

هیدرو کربن ها، ترکیباتی آلی که منحصرا از کربن و هیدروژن تشکیل شده اند، هستند و قسمن عمده نفت خام را تشکیل می دهند و شامل دسته های آلکان ها (پارافین ها)، آلکن ها (اولفین ها)، آلی سیکلیک ها (نفتن ها) و آروماتیک ها می شوند.

‌ب) ترکیبات غیر هیدروکربنی

بسیاری از ترکیبات در نفت خام شامل عناصری غیر از هیدروژن و کربن نیز می شوند که گاهی درون ساختمان حلقه ها و یا در گروه های استحلافی متصل شده به ساختمان هیدروکربن مشاهده می شوند. ترکیبات آلی گوگرددار در نفت خام، از مولکول های هتروکسیل هستند؛ در مقابل عمده مولکول های اکسیژن دار به صورت کربوکسیلیک اسیدها هستند. اسیدهای آلیفاتیک سیر شده (اسیدهای نفتنیک)، تیوفن آروماتیکها و به مقدار ناچیزی از فنول ها و فوران ها نیز ممکن است موحود باشد. البته مولکول های بسیار بزرگ و سنگین رزین ها و آسفالت ها که مخلوطی از ساختمان آروماتیک و هتروسیکلیک هستند، نیز وجود دارند.

چنانچه میزان ترکیبات گوگرددار در روغن پایه زیاد باشد، روانکار نهایی نمی تواند قطعات را در مقابل خوردگی و یا زنگ زدگی محافظت کند. گاهی این ترکیبات گوگردی به حدی فعال هستند که خود باعث ایجاد خوردگی می شوند و نیز موجب تشدید آلودگی های میکروبی در روغن و در نتیجه کاهش عمر روغن می شوند. بنابراین کنترل مقدار گوگرد در روغن پایهو حذف این ترکیبات از روغن پایه اهمیت ویژه ای دارد که در مراحل مختلف پالایش از روغن تا حدودی حذف می شوند.

2. انواع روغن پایه های معدنی

روغن پایه ها به طورکلی به سه دسته معدنی(Mineral)، سنتزی (Synthetic) و طبیعی (Natural) تقسیم بندی می شوند. روغن پایه های معدنی که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند، شامل دو گروه روغن های پارافینیک و نفتنیک که از تصفیه نفت خام به دست می آیند می باشند.

‌أ) روغن های پایه پارافینیک

امروزه بسیاری از روانکارهای مورد استفاده در ماشین آلات در جهان از روغن های پارافینیک ساخته می شوند. رپاین روغن ها، هیدروکربن های اشباع شده ای هستند که از به هم پیوستن هیدروژن و کربن تشکیل شده اند. این روغن ها را هیدروکربن های نرمال (زنجیرهای راست زنجیر بلند) و هیدروکربن های ایزو (شاخه دار) تشکیل می دهند. ممکن است در ساختمان این روغن ها مقادیری روغن های نفتنیک نیز وجود داشته باشد.

از آنجا که مولکول های پارافین می توانند تولید کریستال های واکس در دمای پایین بکنند، در نتیجه روغن های پارافینیکی موتور را با یک فیلم واکس می پوشانند و در موتور تشکیل رسوب می دهند. از اینرو بسیاری از مردم معتقدند که عبارت پارافینیک مترادف و هم معنی با واکس است. در صورتی که اینطور نیست و همانطور که گفته شد، روغن پارافینیک مخلوطی از هیدروکربن های مختلف است و قسمت عمده واکس موجود در آنها توسط فرآیند واکس زدایی از روغن خارج می شود. در مقایسه با روغن های نفتنیک، روغن های پارافینیک دارای خواص زیر هستند:

· مقاومت بالاتر در مقابل اکسیدشدن

· نقطه ریزش بالاتر

· شاخص گرانروی بالاتر

· فراریت کم و در نتیجه نقطه اشتعال بالاتر

· وزن مخصوص پایین

‌ب) روغن های نفتنیک

روغن های نفتنیک هیدروکربن های حلقوی سیرشده یک یا چند حلقه ای می باشند. هر حلقه می تواند دارای 5 تا 6 کربن باشد. این روغن ها در مقایسه با روغن های پارافینیک دارای خواص زیر هستند:

مقاومت نه چندان خوب در مقایل اکسیدشدن

نقطه ریزش پایین تر به دلیل نداشتن واکس

شاخص کرانروی پایین تر

فراریت بالاتر و در نتیجه نقطه اشتعال پایین تر

چگالی نسبی بالاتر

خاصیت حل کنندگی بهتر

روغن های نفتنیک به طورکلی برای محدوده دمایی کم و هنگامی که نقطه ریزش پایین مورد نیاز باشد، مخصوصا در روغن های هیدرولیک، روغن سردکننده ها، روغن های فرآیند تولید لاستیک، روغن های فلزکاری به خوبی در روانکارهای سیلندر برای موتورهای بزرگ و گریس ها قابل استفاده می باشند.

‌ج) دسته بندی روغن پایه ها بر اساس خواص فیزیکی شیمیایی

روغن پایه ها تفاوت زیادی با یکدیگر در اجزاء مولکولی و در نتیجه در خواص فیزیکی و شیمیایی (به عنوان مثال خواص گرانروی –دما) دارند. به همین دلیل در سال 1993 انجمن نفت آمریکا (API) یک سیستم تقسیم بندی روغن طراحی و همه روغن پایه ها را بر اساس درصد وزنی ترکیبات سیرشده، درصد وزنی گوگرد و شاخص گرانروی به 5 گروه تقسیم کرده است که در جدول زیر آمده است. باید توجه داشت که روغن پایه فقط بر اساس خواص فیزیکی و شیمیایی دسته بندی می شود و نه بر اساس روش تولید. این بدان معناست که روش تولید به تنهایی بیانگر سطح کیفیت روغن پایه نمی باشد. برای بهبود کیفیت روغن پایه باید درصد ترکیبات سیرنشده و گوگرد موجود در آن کاهش و شاخص گرانروی روغن را افزایش داد. برای دست یافتن به این هدف، از فرآیندهای مختلف پالایش استفاده می شود.

جدول رده بندی روغن های پایه توسط API

گروه

درصد وزنی ترکیبات سیر شده

درصد وزنی گوگرد

شاخص گرانروی

روش تولید

I

90>

3/0<

80 - 120

تصفیه بوسیله حلال

II

90≤

3/0 ≥

80 - 120

هیدروفرآوری

III

90≤

3/0 ≥

120≤

هیدروفرآوری شدید

IV

پلی آلفااولفین ها (PAOs)

چند پارش

V

همه روغن های پایه به غیر از گروه های 1 تا 4

روش های مختلف

از داده های جدول بالا به نظر می رسد که با حرکت از گروه I به III درصد پارافین ها بیشتر می شود. روغن پایه های گروه1 با 2 متفاوت است و گروه 3 به طور قابل ملاحظه ای دارای ناخالصی کمتری می باشد (کمتر از ppm 30 گوگرد و کمتر از 10% ترکیبات سیرنشده) و روغن پایه های این گروه (گروه 3) به حدی خالص هستند که تقریبا بی رنگ هستند. روغن های گروه 3، روغن های نامتداول یا روغن پایه های دارای شاخص گرانروی بسیار بالا (VHVI) نیز نامیده می شوند. گروه 4 شامل همه پلی آلفااولفین ها(PAOs) می شود که به صورت خالص و همچنین مخلوط با روغن های پایه معدنی، برای شرایط روانکاری، به کار برده می شوند. گروه 5 شامل همه دیگر روغن پایه هایی که در برگیرنده همه روغن پایه های نفتنیک، روغن های پارافینیک با شاخص گرانروی متوسط و مایعات سنتزی مانند استرها، سیلیکون ها، پلی گلیکول ها و روغن های گیاهی می باشد.

3. روغن پایه های سنتزی

روغن های سنتزی یا مصنوعی، روغن هایی هستند که از طریق متصل کردن یک یا چند جزء آلی مشخص با وزن مولکولی کم، در شرایط کنترل شده سنتز یا ساخته می شوند. این ترکیب شدن که در شرایط کنترل شده فیزیکی و شیمیایی انجام می شود، باعث می شود روغن سنتزی حاصل، خواص مشخصی داشته باشد که از پیش مورد نظر بوده است. یعنی روغن های سنتزی، روغن های از پیش طراحی شده ای هستند که ساختار و ترکیبشیمیایی آنها طوری است که می توان روغن به دست آمده را روغن مطلوب نامید.

‌أ) ویژگی های روغن های سنتزی

ویژگی های روغن های نفتی وابسته به نوع نفت خام و عملیات پالایش است. روغن های نفتی اجزاء شیمیایی خود را چه مطلوب و چه نا مطلوب از نفت خامی که از آن توسط فرآیند پالایش بدست آمده اند، به ارث می برند. نفت خام، با توجه به موقعیت جغرافیایی و زمین شناختی محل استخراج نفت، جاوی هزاران ترکیب شیمیایی نا مطلوب می باشد که فرآیند پالایش نمی تواند همه آنها را حذف کند. اسیدهای خورنده، واکس ها، فلزات سنگین، آسفالتین ها، نفتن ها و آروماتیک ها و به همان اندازه تعداد بیشماری از از ترکیبات سولفوره، کلره و نیتروژنه در محصول نهایی باقی می مانند. ترکیبات یاد شده در مجموع دارای خصوصیات مناسب برای کاربرد روانکاری در اغلب استفاده ای موتوری و صنعتی نمی باشند.

تصفیه شدیدتر روغن های نفتی به منظور جداشازی مناسب ترین اجزا برای روانکاری، از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفی نمی باشد و از لحاظ عملی نیز به دلیل نبود فناوری لازم، غیرقابل انجام است. به عنوان مثال یک ترکیب پارافینی 20 کربنه می تواند در حدود 20 میلیون ایزومر داشته باشد که جداسازی چنین گستره ای از مولکول ها با استفاده از روش های صنعتی عملا غیر ممکن می باشد. همچنین در مقایسه با روغن های سنتزی، مولکول های روغن های نفتی از نظر شکل، اندازه و طول بطور قابل توجهی ناهمگون هستند، که این نا مطلوب می باشد. به عنوان مثال وقتی موتور گرم می شود مولکول های کوچکتر تبخیر می شوند در حالیکه مولکول های بزرگتر تمایل به اکسیدشدن نشان می دهند و بر روی سطح موتور رسوب می کنند. هرچه روغن بیشتر تبخیر شود، گرانروی آن افزایش پیدا می کند و باعث ایجاد اشکال در سیستم روانکاری می شود.

بنابراین برای روغنکاری در شرایط سخت و غیر متعارف که در آن روغن های نفتی دارای کارآیی لازم نمی باشند، از روغن های سنتزی استفاده می شود. روغن های معدنی برخلاف مزایایی چون در دسترس بودن و قیمت نسبی پایین تر، دارای معایبی چون اکسیدشدن، و از دست دادن گرانروی در دماهای بالا، منفجرشدن در معرض عوامل اکسید کننده قوی و جامد شدن در دماهای پایین هستند. این ویژگی ها در برخی کاربردها نامناسب و بازدارنده هستند. برای نمونه در موتورهای جت، روانسازهای با فشار بخار کم و در صنایع غذایی و داروسازی روانکارهایی با سمیت پایین مورد نیاز هستند. این موضوع باعث گسترش روانسازهای سنتزی شده است که می توانند گستره دمایی و فشاری قابل توجهی را بدون تغییر در ساختار، تحمل کنند و در عین حال خطر آتش سوزی را نیز کاهش دهند.

‌ب)انواع روغن پایه های سنتزی

از آنجایی که بعضی از روغن ها با ساختار شیمیایی بسیار شبیه، دارای ویژگی های شیمیایی نا همگون هستند و همچنین بعضی ترکیب های متفاوت دارای خواص روغنکاری مانند هم هستند، گروه بندی روغن پایه های سنتزی با در نظر داشتن همزمان ساختار شیمیایی و ویژگی های شیمیایی، کاری مشکل است. با توجه به این نا هماهنگی، در سال 1993، شابکین (Shubkin) در کتابی که در مورد روانسازهای سنتزی نوشته است، روغن پایه های سنتزی را به شرح زیر دسته بندی کرده است:

آروماتیک های آلکیله

کلروتری فلوئورواتیلن

آلیفاتیک های حلقوی

دی آلکیل کربنات ها

استرها

پرفلوئوروآلکیل پلی استرها

استرهای فسفاته

فسفازین ها

پلی آلفائولفین ها

پلی بوتن ها

پلی آلکین گلایکول ها

سیلاهیدروکربنها و سیلوکسان ها

‌ج) هیدروکربن های سنتزی هیدروکربن های سنتزی، به طور همزمان در ایالات متحده و آلمان توسعه داده شده اند، در آلمان نیاز به روغن های با کارآیی در دمای پایین و کمبود منابع نفتی باعث ایجاد انگیزه برای کار روی هیدروکربن های سنتزی بوده است. امروزه می دانیم که تمام هیدروکربن های سنتزی – و سایر روانکارهایی که از لحاظ اقتصادی مهم هستند – را می توان از اتیلن سنتز کرد (شکل زیر). البته اتیلن خود یکی از مهمترین محصولات پتروشیمی است که به طور عمده با استفاده از روش مولکول شکنی با بخار آب تولید می شود.