Aikaisemmin turbiiniöljyn käyttöikä oli noin 15 – 20 vuotta. Tänään uusien modernien öljyjen kestoikä on jopa alle 10 vuotta. Ongelmien välttämiseksi öljynäytteet tulee analysoida entistä laajemmin. Aikainen lakkautumisen havaitseminen ja oikeanlaisen öljyhuollon järjestäminen lisää järjestelmän turvallista toimintaa ja säästää käyttökustannuksia. Kuvassa 1 on normaalia käyttämätöntä turbiiniöljyä.

Kuva 1. Tyypillistä turbiiniöljyä

Hydraulijärjestelmän öljyn kunto toimii indikaattorina koko järjestelmän kunnolle. Tuotannon varmistamiseksi, häiriöiden ehkäisemiseksi ja käyttökustannusten alentamiseksi on kaksi pääasiallista keinoa. Ne ovat nesteiden kunnonvalvonta ja jatkuva laitteiston huolto sekä kunnossapito.

Lakkautuminen tarkoittaa öljyn vanhenemistuotteita, jotka voivat esiintyä nestejärjestelmässä geeli-, lakka- tai kiinteässä muodossa. Syynä on modernien turbiiniöljyjen rajoittunut kyky sitoa itseensä lakkautumistuotteita. Lisäksi näillä uusilla öljyillä on matala sähköjohtavuus, joka altistaa järjestelmät sähköstaattisille purkauksille. Ne aiheuttavat nopeamman öljyn vanhenemisen sekä sensorien ja suodattimen vaurioitumisen.

Öljyn vanhenemistuotteet kiinnittyvät helposti viileisiin pintoihin kuten esimerkiksi säiliön seinään, venttiilien runkoon tai jäähdyttimiin. Tämä aiheuttaa kohonneita laakerilämpötiloja, hydraulisia ongelmatilanteita sekä jäähdytysongelmia. Usein edellä mainittuja ongelmatilanteita ei osata kohdistaa todelliseen aiheuttajaan. Tämä aiheuttaa kalliita ja tehottomia korjaustoimenpiteitä. Kuvassa 2 on lakkautunutta turbiiniöljyä.

Kuva 2. Lakkautuminen suodatinpatruunassa.

Turbiiniöljyjen ominaisuuksista

Turbiiniöljyissä käytettävät perusöljyt ovat muuttuneet viime vuosina. Ne vastaavat kasvaneisiin tarpeisiin korkeammasta hyötysuhteesta ja laakerien lämpötiloista sekä pienemmästä vaarallisten aineiden määrästä. Aikaisemmin tislaamalla raakaöljystä valmistetusta öljyistä on siirrytty joitakin vuosia sitten kehittyneempiin jalostusprosesseihin, jolloin saadaan puhtaampia ja tasalaatuisempia öljyjä. Muutokset valmistusprosesseissa tuottavat perusöljyjä, joissa on vähemmän tyydyttymättömiä hiilivetyjä ja ne ovat pääosin sinkkivapaita.

Lakkautumistuotteiden polaarisesta rakenteesta johtuen uusien öljyjen kyky sitoa itseensä lakkautumistuotteita alenee. Seurauksena on öljyjen sameutuminen tai saostuminen. Nämä muutokset alkavat tyypillisesti, kun öljyt ovat olleet käytössä noin 3 – 4 vuotta. Koska polaarisia aineita on öljyssä vähemmän, öljyn sähkönjohtavuus on pienempi. Tällaisen öljyn virratessa suodattimien läpi voi syntyä sähköstaattinen varaus, joka aiheuttaa kipinöintiä. Lisäksi kipinöintiä voi tapahtua paluulinjassa tai säiliössä.

Öljyjen teknisissä esitteissä ei yleensä kerrota, mitä perusöljyä on käytetty. Öljyjen nimet ovat usein säilyneet samana, vaikka sitä on muutettu. Öljyn lisäyksen jälkeen järjestelmässä voi olla sekoitettuna vanhaa ja uutta öljyä, joka saattaa johtaa kemialliseen reaktioon. Tietyissä olosuhteissa se voi aiheuttaa reaktiotuotteiden saostumisen järjestelmään.

Laboratorioanalyyseillä voidaan havaita lakkautuminen ja järjestelmän kunto. Puolivuosittain tehtävillä taulukossa 1 mainituilla tyypillisillä laboratoriotesteillä ei kuitenkaan voida havaita lakkautumista, vaan sen havaitsemiseksi on tehtävä lisäanalyysejä.

Taulukko 1. Tyypillisen laboratorioanalyysin toimenpiteet.

Epäpuhtauksien määritys

MPC-arvo (Membrane Patch Colorimetry) määrittää 0,45 µm laboratoriosuodatinkalvon värimuutoksen. Järjestelmän kunto on kriittinen, kun MPC-arvo on yli 40.

Hiukkaslaskenta suoritetaan huoneen lämpötilassa ja korkeammassa lämpötilassa. Hiukkasten koolla ja määrällä on suuri vaikutus kulumiseen ja hydraulikomponenttien sekä -järjestelmän toimintaan. Hiukkasten koko ja määrä määritetään käyttäen optisia hiukkaslaskureita ja esitetään ISO-puhtausluokkina. Hiukkaslaskureissa käytettävä standardi on ISO 11500. Maksimi puhtausluokka turbiininvoitelujärjestelmälle on ISO 18/15/12 tai ISO 17/14/13, jos höyryn ohjausjärjestelmä käyttää samaa öljyä voitelujärjestelmän kanssa.

Öljyn vanhenemistuotteiden ja lakkautumisen liukenevuus riippuu lämpötilasta. Se lisääntyy öljyn lämmetessä ja alenee öljyn jäähtyessä. Kun öljyn liukenevuusraja saavutetaan, öljy sameutuu. Hiukkaslaskuri kykenee havaitsemaan sameutumisen suurena hiukkasmääränä ennen kuin ihmissilmä havaitsee sen. Analysoitaessa identtisiä näytteitä huoneen lämpötilassa (22 °C) ja korkeammassa lämpötilassa (80 °C) havaitaan hiukkasmäärissä eroja, mikäli lakkautumista esiintyy.

Kuva 3 näyttää esimerkin eroista hiukkasmäärissä. Hiukkasmittaus on tehty HYDAC FCU/BSU8000 hiukkaslaskurilla. Puhtausluokka huoneenlämmössä (22 °C) on ISO 23/18/12. Sama mittaus öljyn lämmöllä 80 °C antoi tuloksen ISO 18/15/12. Suuresta hiukkasmäärän erosta voidaan päätellä öljyssä olevan suuri määrä liukenemattomia vanhenemistuotteita eli se on lakkautunut.

Kuva 3. Hiukkasmäärien partikkelilaskenta.

Jäljellä olevien antioksidanttien määritys

Antioksidantteja lisätään öljyyn hidastamaan hapettumista ja lakkautumista. Antioksidanttien määrä vähenee öljyn ikääntyessä. Usein käytetty menetelmä on korvata järjestelmän käydessä kulunut öljy uudella öljyllä käytön aikana antioksidanttien lisäämiseksi.

Lisäksi osittainen öljyn vaihto on mahdollinen. Vaikka antioksidanttien määrä kasvaa, voi tietyissä olosuhteissa tapahtua järjestelmään kerääntyneiden epäpuhtauksien irtoamista öljyn joukkoon, mikä lisää öljyssä olevien hiukkasten määrää. Sen vuoksi suositellaan suurempien öljynvaihtojen yhteydessä käytettävän erillistä tehosuodatinta sivuvirtasuodattimena tukemassa järjestelmän omaa suodatusjärjestelmää. Toinen vaihtoehto on nostaa öljyn lisäainepitoisuuksia käyttämällä sopivia inhibiittoreita. Tällöin tulee tarkistaa tiedot öljystä ja käytetyistä lisäaineista.

Esimerkki lakkautumisen poistamisesta

Höyryturbiinin voitelujärjestelmän kuvaus:

• järjestelmän öljytilavuus noin 12 000 l
• öljyn ikä 27 000 tuntia
• öljyn sähköjohtavuus < 10 pS/m 21 °C:n lämpötilassa
• öljytyyppi EP lisäaineella varustettu turbiininöljy; ASTM Group II mukaan.

Järjestelmän toiminnassa esiintyvä häiriö paikallistettiin höyrynohjausventtiiliin, joka johti ongelmiin turbiinia pysäytettäessä. Syyksi paljastui öljyn vanhenemistuotteiden kerääntyminen venttiilin rungon ja luistin väliin.

Öljyn vanhenemistuotteet ja lakkautuminen voivat olla ongelmallisia, koska lakkautumistuotteet ovat vaikeasti suodatettavissa ja venttiiliongelmat voivat olla vaikeasti estettävissä. Lakkautumishiukkaset ovat kooltaan alle 1 mikrometrin kokoisia. Normaalien venttiilien välykset ovat taas useita mikrometrejä. Öljyn vanhentuessa tai jäähtyessä esimerkiksi seisokin aikana vanhenemistuotteet liittyvät yhteen ja suurenevat aiheuttaen kasvavia ohjausvoimatarpeita venttiileille ja johtavat havaitsemattomina häiriötilanteisiin.

Kuva 4. Jatkuvakäyttöinen sivuvirtaussuodatin.

Lakkautumisen poistamiseksi käytettiin kuvan 4 mukaista sivuvirtasuodatinta, joka puhdistaa öljyä 24/7/365. Lakkautumistuotteet poistetaan absorptiolla erityiseen hartsiin. Hartsin saavuttaessa maksimiabsorptiokapasiteettinsa öljyssä oleva lakkautuminen alkaa uudelleen kasvaa. Kun MPC-arvo ylittää 40, suodatinpatruuna tulee vaihtaa uuteen.

Kuva 5 näyttää lakkautumisen muutokset MPC:llä mitattuna käytettäessä lakkautumisen poistolaitetta. Heti poistolaitteen asentamisen jälkeen 16.2.2012 MPC-arvo laski huomattavasti. 25.4. suodatinpatruunan hartsin absorptiokapasiteetti oli saavutettu. Suodatinpatruuna vaihdettiin 2.5. ja havaittiin toisen suodatinpatruunan kestoiän kasvaneen jo yli 3 kuukauden mittaiseksi.

Kuva 5. MPC-arvojen muuttuminen suodatuksen avulla.

Antioksidantit ovat neutraaleja puhdistusprosessille, joten lakkautumisen poistamisella ei ole haitallista vaikutusta öljyn antioksidantteihin. Öljyn puhdistamisen jälkeen siihen on lisätty sopivia inhibiittoreita käytön aikana.

Turbiinien lisääntynyt tehokkuus ja pienentynyt öljymäärä lisäävät öljyn kuormitusta. Kemiallisesti puhtaammilla ja matalamman sähköjohtavuuden moderneilla turbiininöljyillä on pienempi kyky sitoa öljyn vanhenemistuotteita. Jos suodattimen kuormitus on liian suuri tai suodatustarkkuus liian tarkka, erittäin matala öljyn sähkönjohtavuus voi johtaa öljyn sähköstaattiseen varautumiseen. Se kuormittaa öljyä paikallisten kuumapisteiden vaikutuksesta.

Säännöllisillä öljyanalyyseillä voidaan välttää kriittiset tilanteet järjestelmän toiminnassa. Mitoittamalla ja valitsemalla suodatusjärjestelmä oikein voidaan vähentää sähköstaattista kuormitusta ja jatkaa öljyn kestoikää. Öljyhuollon toimenpiteillä, kuten lakkautumisen poistamisella, sivuvirtasuodatuksella sekä veden- ja kaasunpoistolla voidaan varmistaa koko järjestelmän luotettavampi toiminta. 

Kimmo Heikkinen

Teknologiapäällikkö, Hydac Oy, kimmo.heikkinen@hydac.fi