Doğalgaz Motorlarında Nitrasyon
Transkript
Doğalgaz Motorlarında Nitrasyon
Teknik Konu Doğal Gaz Motorlarında Yağın Nitrasyonu Nitrasyon, doğalgaz yakıtlı motorlarda yağın çözünür ve/veya çözünmez azot oksit bileşikleriyle doymuş hale gelmeye başladığını gösteren, istenmeyen bir durumdur. Azotun bazyağ ile reaksiyonu iki tür azot bileşiği oluşturur: organik nitratlar ve nitro bileşikleri. Bunlar, yağın bozulmasının bir diğer formu olan oksidasyona yol açan oksijen bileşiklerinden bağımsızdırlar. Kullanılmış gaz motoru yağlarındaki nitrojen bileşiklerinin en kayda değer miktarını organik nitratlar oluşturur. Yağ silindir duvarlarına fırlatılıp aşağı doğru yayılırken, bu bileşikler tortu ve vernikleşme oluşumunda önemli rol oynadıkları kartere akarlar. Aşırı bir düzeye ulaşana kadar yağda çözünür haldedirler, ardından külbütör ve sübap çevresinde ve piston eteklerinde açık kehribardan bordoya doğru renkli birikinti oluştururlar. Bu birikintiler aynı zamanda yağ segmanlarının yapışmasına, yağ tüketiminin artmasına ve filtre ömrünün kısalmasına da neden olur. Nitro bileşikleri çeşitli koşullardan kaynaklanırlar: yapışmış, aşınmış veya kırılmış kompresyon segmanı nedeniyle pistonun gaz kaçırması; çizik veya aşınıp ovalleşmiş gömlekler; yüksek supap kılavuzu aşınması veya kötü supap yataklaması nedeniyle yağa egzost gazı sızması. Diğer nedenler arasında şunlar bulunur: sızdıran turboşarj salmastrası; kritik motor ateşleme ve yanma düzenleri; yağın aşırı derecede uzun süre kullanılması. Nitro bileşiklerinin beklenenin üstünde konsantrasyonu, yağda reaksiyona girmemiş azot oksit gazlarının olduğu anlamına gelir. Yağı anormal ölçüde kalınlaştırır ve erken tortu ve vernikleşme oluşmasına neden olurlar; bunun göstergesi alt kompresyon segmanı kanallarında ve yağ segmanlarında birikintiler ve piston eteklerinde kızılımsı vernikleşmedir. Nitrasyonun Nedenleri Gaz motor yağının nitrasyonu ile hava/yakıt oranı, motor yükü ve yağ sıcaklığı gibi işletme koşullarının bir kombinasyonu arasında bir korelasyon vardır. 1, 2, 3 ve 4 no’lu grafiklerde bu faktörlerin nitrasyon üzerindeki etkileri görülmektedir. Yanma sırasında açığa çıkan nitrojen oksitler aynı zamanda ortam havası koşulları, ateşleme ayarı ve nihai yanma sıcaklığından da etkilenir. Saha testleri nitrasyonun, ortam havası sıcaklıkları arttığında ve/veya yükler yükseldiğinde arttığını göstermiştir. Ateşleme ayarının nitrasyonu etkileme derecesi hakkında spesifik veriler bulunmamakla birlikte, ateşleme ayarının önemli etmenlerden olduğuna dair güçlü göstergeler mevcuttur. Nitrasyon oranını etkileyen çeşitli mekanik koşullar arasından üçü özellikle önemlidir: kartere eklenen yağ miktarı; kötü segman sızdırmazlığı ve karter havalandırması. Yağ ilave oranı tek başına nitrasyonu etkilememekle birlikte, yeni yağın seyreltilmesi ve nitratlanmış yağın sızıntı yoluyla atılması, karterdeki yağın nitrojen oksitlerle birleşip bozulma hızını değiştirir. Belirli bir motordaki yağ ilave oranı ne kadar yüksekse, yağ bozulması hızı o kadar yavaştır. Yanma gazlarının kartere kaçağı, yağdaki nitro bileşiklerin birikmesine yol açar. Segman sızdırmazlığı kötü olduğunda, daha yüksek oranda nitratlanmış yağ egzoz ağzından atılmak yerine tekrar kartere döner. Laboratuar motorları üzerinde yapılan testler, karter havalandırmasındaki düşüş ile yağ bozulması arasında bir korelasyon göstermiştir. Bu, yağdaki nitro bileşenlerin, karter havalandırmasının iyileştirildiği durumda daha hızlı bir şekilde giderilebilmesi ve böylelikle bozulmanın azaltılması anlamına gelir. Bozulmanın Gelişimi Dört zamanlı gaz motorları: Organik nitratlar 150°C’nin üzerindeki sıcaklıklarda hızla bozunur. Dört silindirli gaz motorlarında, buharlaşma ile soğutmanın bulunduğu koşullarda dahi silindir duvarı sıcaklıkları genellikle 160°C’nin altında olduğundan, bunlar düşük hızlardaki (700 d/d’nin altında) yağ bozulmasının başlıca nedenidir. Silindir duvarı sıcaklıklarının 160°C’den yüksek olduğu durumlarda, daha yüksek olan sıcaklıklar yağ oksidasyonunu teşvik eder, bu da küçük, yüksek hızlı ve dört silindirli gaz motorlarındaki yağ bozulmasının başlıca nedenidir. İki zamanlı gaz motorları: Ayrı silindir yağlama sistemli iki zamanlı motorlardaki bozulmanın başlıca nedeni oksitlenmedir. Nitratlanmış ürünler egzoz çıkışlarından tahliye edilerek karterdeki yağı kirletmeleri önlenir. Ancak bu ünitelerde orta düzeyde nitrasyonun varlığı dahi silindirlere yönlendirilen aşırı miktardaki yağın kartere sıyrıldığının güçlü bir göstergesidir. Tesbiti Motorda külbütör ve sübap çevresi ile piston eteği üzerinde yapılan görsel inceleme sonucunda nitrasyon göstergesi olan, kehribardan bordoya varan kurum birikintileri görülecektir. Nitrasyon aynı zamanda yağ kontrol segmanlarının yapışmasına ve karterde yağ çökeltisi oluşmasına neden olur. Aşırı yağ tüketimi ve kısa filtre ömrü gibi performans göstergeleri, motor içindeki nitrasyonu işaret eden göstergeler olabilir. Genellikle IR tarama olarak bilinen kızılötesi abzorbans, kullanılmış yağdaki kimyasal değişimlerin yanı sıra kirleticilerin miktarı ve doğasını belirleyen, hızlı ve kalitatif açıdan güvenilir bir diferansiyel analiz yöntemidir. Bu proseste kullanılmış yağ örneği yeni yağdan oluşan bir referans örneğiyle kıyaslanır. Kızılötesi ışınlar örneklerin içinde bulunduğu 0,1 mm kalınlığındaki hücrelerden geçirilir. Kimyasal bileşimdeki net fark kaydedilir. Mobil Signum yağ analizi laboratuar programı, hem eğilimlere, hem de ani değişikliklere bakarak kızılötesi abzorbansı kullanmak suretiyle nitrasyon kontaminasyonu düzeylerini belirler. Tablo 1’de, Signum yağ analizi tarafından algılanan nitrasyon ve nitro bileşiklerden kaynaklanabilecek olumsuz motor koşulları gösterilmiştir. biri olabilir: a) hava/yakıt oranı ayarlanarak iyileştirilebilecek yanma karışımı; b) hafif düşük karter yağ sıcaklıkları; veya c) ateşleme bujileri, elektrik kabloları veya zamanlama gibi küçük ateşleme sorunları. Nitrasyon değerlerindeki hızlı artışlar da yukarıdaki sorunların daha şiddetli olmasından kaynaklanır. İki zamanlı motorlarda silindir yağı besleme miktarının aşırı olup olmadığını kontrol edin. Nitrasyon eğilimi: Aşağıdakilerden kaynaklanabilecek hatalı ateşleme ve yanmayı gösterir: • Elverişsiz hava/yakıt oranları • Dengesiz yakıt/hava dağıtımı • Yetersiz tahliye • Detonasyon veya erken ateşleme • Dengesiz yükler ve ateşleme basıncı • Hatalı ateşleme, kıvılcım zamanlaması, bujiler • Yüksek gaz kaçağı düzeyi • Sızdıran yakıt valfleri • Yüksek yanma basıncı • Motora aşırı yüklenme; hatalı soğutma • Düşük yağ sıcaklıkları • Aşırı silindir yağı geri sıyrılması (iki zamanlı) Sorun Giderme Aşağıda çeşitli nitrasyon koşulları için genel bir sorun giderme kılavuzu verilmiştir. Nitro bileşikleri: Büyük bakımdan sonra saatleri kontrol edin; onarım sonrasında değerler yüksek olma eğilimindedir. Bu değerler yağın kusurlu olduğunu belirtmezken, işletim sorunları olduğunu gösterirler. Bunun muhtemel nedenleri şunlar olabilir: Nitrasyon: Sınır değere yaklaşma eğilimini kontrol edin. Değer kademeli olarak yükseliyorsa nedeni aşağıdakilerden • Piston gaz kaçağı veya turboşarjer salmastra sızdırması • Aşırı silindiri yağ besleme oranları (iki zamanlı motorlar) Sorunun Düzeltilmesi Laboratuar testleri ve sahadan alınan numunelerin analizleri, organik nitrat konsantrasyonunun yüzde beşe yaklaştığında, gaz motor yağlarının kullanıma elverişsiz hale geldiğini göstermektedir. Organik nitratların aşırı miktarları, yağın oksidasyonunu hızlandıran oksitlenme arttırıcı madde olarak hareket ederler. Nitrasyon ürünlerinin birikmeye devam etmesi yağın kalitesini bozar. Hava/yakıt oranlarını kontrol edin: Nitrasyon yüzde 3,3 oksijen düzeyinde zirveye ulaşırken, egzosttaki oksijen seviyesi yüzde 0,5 ila 4,5 aralığının dışında ise düşük nitrasyon seviyesi sürdürülebilir. Yağ sıcaklığı: Yağ sıcaklığını 65°C’den 57°C’ye düşürmenin nitrasyonu gözle görülür derecede arttırdığı gözlenmektedir. Bu, azot sabitlemesine maruz kalan yağ tabakası üzerindeki ısınma etkisi nedeniyle olabilir. Motordaki yağ sıcaklığı, organik nitrasyon ılımlı bir düzeyde kalacaksa, 65°C’den, tercihen 71°C’den düşük olmamalıdır. Organik nitratlar 150°C’nin üzerindeki sıcaklıklar hızla bozunurlar, bu yüzden silindir duvarı sıcaklığı 160°C’yi aştığında yağ tabakalarında bulunmazlar. Ancak yağ oksidasyonu, silindir duvarı sıcaklıklarının 160°C’yi aştığı yüksek hızlı, dört zamanlı gaz motorlarında olduğu gibi, doğrudan yüksek motor sıcaklıkları ile ilgilidir. Yükü ayarlayın: Yüksek yük ve silindirler arasında yük dengesizliği nitrasyonu arttırır. Ortalama yük haddini yüzde 75’ten Yüzde 105’e çıkarmak, nitrasyon eğrisinin eğimini keskin şekilde arttırır. Durumun Signum Yağ Analizi Tarafından Tespit Edilen Nedenleri Yetersiz Durum Viskozite. Su Çökelti – Soğuk, Sıcak X X Vernikleşme X Glikol X Karbon – Kurum, Kömür, Vernikleşme Segman Yapışması Kaçak X X X X X X X X X X X X X X X X Yetersiz Hava Filtrasyonu Soğutucu Sızıntısı Nitrasyon X Yetersiz Yanma Filtre Tıkanması Oksidasyon Nitro Kömürleşme Çözünmez Metaller Motor Çözümleyici Tarafından Doğrulandı X X X X X X X X X X X X X X X X X X Gömlek Aşınması X X Segman Aşınması X X Yatak Aşınması X X Tablo 1. Yetersiz motor koşullarının Mobil Signum yağ analizi kullanılarak tanımlanması. Nitrasyon ve nitro bileşiklerinin yetersiz koşulları “Nitrasyon” sütununda gösterilmiştir. Bazı koşulların motor çözümleyici sonuçları ile korelasyonuna dikkat edin. Signum Kullanılmış Yağ Analizi ve Mobil Pegasus gaz motoru yağları hakkında daha fazla bilgi için www.mobilindustrial.com adresinden Mobil Endüstriyel Yağları ile temasa geçiniz. Kızılötesi Abzorbans / cm Tam Yük Yüzdesi Nitrasyon Hızı Nitrasyon Hızı Egzosttaki Oksijen (%) Grafik 1. Nitrasyonda hava/yakıt oranının etkileri Doğal emişli, dört zamanlı motorların egzostundaki oksijen oranını yüzde 0,5’ten 2,5’e ve 4,2’ye değiştirmek, nitrasyon yüzde 3,3 düzeyinde zirveye ulaşırken egzosttaki oksijen seviyesi yüzde 0,5 ila 4,5 aralığının dışında ise düşük nitrasyon seviyesinin sürdürülebileceğini teyit etmektedir. Tam Yük Yüzdesi Băgıl Servis Süresi Grafik 2. Yükün nitrasyon üzerindeki etkileri Hatalı hava/yakıt oranı ve egzostta % 2,5 oksijen. Kızılötesi Abzorbans/cm Nitrasyon Hızı Nitrasyon Hızı 100 Bağıl Servis Süresi Grafik 3. Yükün nitrasyon üzerindeki etkileri Ortalama yük haddini yüzde 75’ten yüzde 105’e çıkarmak, yeterli hava/yakıt oranı altında ve egzost oksijeni % 4,6’dan yüksek iken bile, nitrasyon eğrisinin eğimini keskin şekilde arttırır. 150 160 185 Yağ Sıcaklığı (°C) Grafik 4. Yağ sıcaklığının nitrasyon üzerindeki etkileri Organik nitratlar 150°C’nin üzerindeki sıcaklıklara ısıtıldıklarında hızla bozunurlar. Mobil Oil Türk A.Ş. P.K. 26 Bostancı İstanbul Tel: 0800 261 41 24 © 2010 Exxon Mobil Corporation Mobil logosu ve Pegasus tasarımı Exxon Mobil Corporation’ın veya bağlı kuruluşlarından birinin tescilli ticari markalarıdır. Bu belgede ExxonMobil terimi sadece okuma kolaylığı sağlamak için kullanılmıştır ve bu terimle Exxon Mobil Corporation ya da bağlı kuruluşlarından biri kastedilebilir. Bu materyaldeki hiçbir ifade, yerel şirketlerin kurumsal ayrılığını geçersiz kılmaya yönelik değildir. Code Transflow www.mobilindustrial.com