WAT TE DOEN IN GEVAL VAN VARNISH?

Problematiek counteren met moderne maatregelen

Varnish: vroeger een onbekend fenomeen, maar tegenwoordig een zorgenkindje voor heel wat gebruikers van hydraulische installaties, compressoren & turbines. Het betreft een zwartbruin plakkerig goedje dat zich afzet op installatiedelen en zo de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid ervan aantast. Onderzoek heeft inmiddels duidelijk gemaakt wat de oorzaken zijn, en vormde de basis voor de ontwikkeling van een filtratie-unit waarin zowel een dieptefilter als een ionenfilter is opgenomen. Hiermee is weliswaar niet te voorkomen dat de deeltjes die varnish veroorzaken, ontstaan, maar er is wel een beheersbaar evenwicht te realiseren.

BRUIN EN PLAKKERIG

Oorzaak van verstoppingen

Varnish is de Engelstalige verzamelnaam voor een zachte of harde, glanzende bruine laklaag die zich afzet op de oppervlakken in hydraulische en smeeroliesystemen. Deze plakkerige laag kan leiden tot verstoppingen of het verkleven van componenten waarmee de machine of installatie onbetrouwbaar of onnauwkeurig wordt en slechte responstijden levert. Tevens is het een aanjager voor een vroegtijdige veroudering van de oliebatch en in het ergste geval valt het complete systeem uit, met alle bijbehorende kosten tot gevolg.

Oorzaak van falingen bij gasturbines

Onderzoek heeft uitgewezen dat varnish zelfs een van de belangrijkste oorzaken is van het falen van grote gasturbines. In een rapport uit 2005 van General Electric is aangegeven dat er in deze tijd weliswaar al maatregelen werden aanbevolen om varnish uit systemen te verwijderen, maar dat de uiteindelijke oorzaak nog niet bekend was, waardoor het voelde als 'dweilen met de kraan open'. Omdat de kosten door storingen en uitval als gevolg van varnish aanzienlijk zijn, is er in de jaren daarna intensief onderzoek gedaan naar het nieuwe fenomeen. Dit resulteerde rond 2008 in een 100% begrip over het ontstaan van varnish en bood een goede basis voor het ontwikkelen van bijbehorende oplossingen.

HOE ONTSTAAT VARNISH?

Oplosbaar of niet?

De plakkerige en herkenbare bruinzwarte laklaag bestaat in feite uit deeltjes die ontstaan door degradatie van de olie. De degradatie is het gevolg van chemische reacties door oxidatie van de olie, die deze olie omzetten in organische moleculen met een hoog molecuulgewicht. In eerste instantie zijn deze deeltjes opgelost (soluble) in de olie, waar ze in principe nog weinig problemen veroorzaken. Wanneer echter het verzadigingspunt van de olie wordt bereikt, zullen de deeltjes uit de oplossing treden (insoluble), samenklonteren en neerslaan op de beschikbare, vaak koelere oppervlakken. In tegenstelling tot de vorming van afbraakproducten - wat een onomkeerbare reactie is - zijn de laatste processen juist fysisch van aard en hierdoor wél omkeerbaar.

Afbraakproducten beheersen

Bovenstaande geeft aan dat de uiteindelijke afzetting van de deeltjes (de daadwerkelijke varnish) het eindresultaat is van een proces dat al veel eerder in gang is gezet. Nu is het niet mogelijk om dit proces tegen te houden, aangezien olie altijd zal verouderen; het ontstaan van afbraakdeeltjes is dus een gegeven. De oplossing ligt dan ook niet in pogingen om dit proces te stoppen, maar in het beheersen van de afbraakproducten in het systeem. Dat betekent ten eerste proberen de veroudering van de olie zo veel mogelijk te vertragen, waardoor de hoeveelheid afbraakproducten wordt geminimaliseerd. Daarnaast is het zaak om de deeltjes díe ontstaan, zo snel mogelijk te verwijderen. Wanneer het hiervoor benodigde filtersysteem in staat is om te voorkomen dat het verzadigingspunt van de olie wordt bereikt, kan er ook nooit neerslag van vrije (insoluble) varnish in een systeem ontstaan.

OORZAKEN VAN DEGRADATIE

Basisoliegroepen

Een belangrijke reden waarom bedrijven in de afgelopen jaren meer last hebben van varnish dan vroeger, ligt in de ontwikkeling van nieuwe basisoliën. De eerste groep oliën (Groep I) was opgebouwd uit een viertal bestanddelen, waaronder een belangrijk deel aromaten. Deze aromaten zijn relatief agressief en dus ongewenst. In de volgende generatie van oliën (Groepen II en III) is het gelukt om deze aromaten te verwijderen, waardoor deze groepen consistenter en zuiverder werden. De positieve resultaten van deze nieuwe oliën stimuleerden wetenschappers om oliën nóg zuiverder te maken, wat resulteerde in een Groep IV basisoliën die uitsluitend bestaat uit paraffinehoudende bestanddelen.

Nadelen

Hoewel de voordelen van deze nieuwe groep evident zijn - een langere levensduur, bv. - worden er ook nieuwe nadelen geïntroduceerd. Door de afwezigheid van polaire deeltjes in deze groep IV olie is de geleidbaarheid hiervan bv. een stuk lager, waardoor er sneller elektrostatische ladingen ontstaan. Dit leidt niet alleen tot brandgaatjes in de filterelementen (een systeem kan zelfs 'knetteren' als gevolg van de vele ontladingen), maar tevens tot plaatselijk verbrande - in feite snel geoxideerde - olie en hiermee een groot aantal afbraakproducten in de olie. Een oplossing om het aantal ontladingen te verminderen, is onder andere werken met antistatische filterelementen en (indien mogelijk) de snelheden van de olie door het filter relatief laag houden.

Omgevingsfactoren

Naast de nieuwe basisolie zijn er bovendien nog andere (omgevings)factoren die de afbraak van olie versnellen, zoals de aanwezigheid van water, lucht en vuildeeltjes (vooral metalen) in combinatie met hoge drukken en sterk wisselende temperaturen (temperatuurstress). In feite zijn dit allemaal factoren die ervoor zorgen dat de olie makkelijker kan reageren met zuurstof en hierdoor sneller degradeert. De hoge temperaturen en drukken impliceren dat degradatie van olie vooral gebeurt in het systeem en bijvoorbeeld niet in de olietank.

Vooral hotspots zijn vaak onzichtbare en onverwachte oorzaken van een versneld degradatieproces. Door hogere temperaturen en hogere drukken kan er bovendien meer varnish oplossen in de olie (een hogere temperatuur verhoogt het verzadigingspunt), wat uiteindelijk tot problemen leidt wanneer het systeem wordt uitgeschakeld en de temperatuur en druk dalen of wanneer olie op koelere plekken tot rust komt (bijvoorbeeld in servokleppen). In deze situaties daalt het verzadigingspunt, waardoor de afbraakproducten in deze toestand 'plotseling' als varnish uit de olie treden, met alle gevolgen van dien.

HERKENNEN VAN VARNISH

Varnishpotentieel

Wanneer varnish als plakkerige laag eenmaal is neergeslagen, is er weinig discussie nodig om het probleem vast te stellen. Interessanter is het om te achterhalen hoeveel degradatiedeeltjes in de olie zijn opgelost; dit noemen we het gehalte soluble varnish in de olie of het varnishpotentieel. Hiermee valt immers te bepalen hoe groot de kans is dat deze zich binnen afzienbare tijd als varnish zullen afzetten en is tevens te controleren of specifieke maatregelen al dan niet het gewenste effect hebben.

MPC-test

Een van de testen om dit te onderzoeken is de MPC-test, wat staat voor Membrane Patch Colorimetry. Het gaat hier om een relatief eenvoudige test die men dient uit te voeren zoals beschreven door de Amerikaanse standaardisatieorganisatie ASTM (American Society for Testing and Materials) in ASTM-D7843-16. Op basis van de kleurverandering en kleurdiepte van een 0,45 µm-analysemembraan doet deze test een uitspraak over de varnishgevoeligheid van een systeem op dat moment. De meetwaarde is een getal tussen 0 (geen deeltjes) en 100 (volledig zwart membraan), waarbij de alarmwaarde ligt tussen 30 en 40. Alles beneden de 15 betekent dat er geen problemen zijn te verwachten, terwijl waarden vanaf 41 aangeven dat er direct maatregelen moeten worden genomen.

Tijdsindicaties

Om een betrouwbaar resultaat te verkrijgen, is het van groot belang dat de aangegeven tijden in de testbeschrijving nauwkeurig worden aangehouden. Omdat deze tijden relatief lang zijn (eerst 24 uur in de stoof en dan 68-72 uur rusten in een donkere ruimte), is een deel van de laboratoria niet bereid om deze testen exact conform de norm uit te voeren. Dit kan leiden tot zeer wisselende of afwijkende analyseresultaten. Conform de ASTM-D7843-16 dienen deze tijden te worden aangegeven bij de analyseresultaten, en dus is het raadzaam ieder rapport te wantrouwen waarin deze waarden niet zijn weergegeven.

Deeltjestellers

Deeltjestellers (Automatic Particle Counters of APC's) werken op basis van 'light obscuration' (blokkade van licht). Hierbij wordt in een sensor een laserstraal door een oliestroom geprojecteerd op een fotodetector. Deeltjes in hydraulische of smeerolie zullen de lichtbundel blokkeren en een schaduw werpen op de fotodetector. Hoe groter het deeltje, hoe groter de schaduw en hoe hoger het mV-signaal (millivolt) dat de detector verlaat. De kalibratie is gestoeld op het verband tussen gekende deeltjesgroottes van de ijkvloeistof (tussen de 4 en 50 µm(c)) en de hierbij opgemeten mV-waardes (zie ISO 11171:2016).

APC's zijn er in twee varianten: in-situ-meetcellen (ook wel 'particle monitors' genoemd) enerzijds en deeltjestellers met volumetrische sensoren anderzijds. Waar de meetcel (en dus de oliestroom) bij het eerste type slechts voor een bepaald deel wordt belicht, wordt deze bij de volumetrische meetcel integraal belicht. Dit betekent dat elk deeltje dat de volumetrische sensor ingaat, zonder uitzondering dus in grootte gemeten en individueel geteld wordt, wat niet het geval is voor in-situmeetcellen. Afhankelijk van het percentage belichting, worden deeltjes hier als kleiner gemeten of zelfs helemaal niet geteld.

Varnish betekent geen probleem voor deeltjestellers met volumetrische sensoren, zolang de hoeveelheid soluble en insoluble particles niet overdreven is. De grootte van deze gecarboniseerde deeltjes ligt in principe onder de 4 µm(c) en zal in dat geval geen invloed hebben op de verkregen contaminatieklassen (volgens ISO 4406, SAE AS4059 gesitueerd vanaf 4 µm(c) en hoger). De telling zal correct zijn, zolang de sensor in staat is om de absorptie van de achtergrond te compenseren. Pas wanneer deze te groot is, en de doorgang van het licht doorheen de olie onvoldoende wordt, zal deeltjestelling met in-situ en met volumetrische sensoren falen. Dit kan zich uiten in het verkrijgen van niet-reproduceerbare metingen of ev. door een alarm, gebaseerd op het falen van de sensor. DEELTJESTELLERSDe varnishgevoeligheid van een systeem kan men vaststellen op basis van de kleurverandering en de kleurdiepte van een 0,45 µm-analysemembraan. De meetwaarde is een getal tussen 0 (geen deeltjes) en 100 (zwart membraan)

OPLOSSEN!

Dan tot slot de maatregelen die zijn te nemen om de varnishproblematiek het hoofd te bieden. Zoals eerder gezegd, is het ontstaan van varnish een fysisch proces en is het dus omkeerbaar. Dit betekent dat het verwijderen van de opgeloste vuildeeltjes uit de olie ruimte biedt voor de rondzwevende en zelfs neergeslagen varnish om weer in oplossing te gaan, waarna ook deze deeltjes zijn te verwijderen. Na deze reinigingsstap is het vervolgens noodzakelijk om een evenwicht te realiseren waarbij de capaciteit van de toegepaste filters voldoende groot is om de afbraakdeeltjes die ontstaan in opgeloste vorm, uit de olie te verwijderen. Daarbij blijft het verstandig om voor kritische installaties zoals turbines en compressoren iedere drie maanden een MPC-test uit te voeren om zo de gevoeligheid voor varnish te blijven controleren. Dit draagt niet alleen bij aan het daadwerkelijk voorkomen van varnish, maar is bij plotseling stijgende waarden ook een uitstekende indicatie voor problemen elders. Bijvoorbeeld overmatige slijtage, waardoor er extra metaaldeeltjes vrijkomen en eventuele hotspots ontstaan, een lek waardoor water of lucht het systeem kan binnendringen enzovoort.

AFBRAAKPRODUCT VERWIJDEREN

Dieptefilters & ionenfilters

De beschikbare oplossingen die uiteindelijk in staat zijn om opgeloste deeltjes uit de olie te verwijderen, zijn in twee categorieën te verdelen: dieptefilters die de deeltjes uit de olie verwijderen die al door het overschrijden van het verzadigingspunt uit de opgeloste fase zijn gekomen, en zogenaamde ionenfilters die juist de deeltjes in oplossing verwijderen. Beide filters worden gecombineerd in het filtersysteem. Daarbij wordt in een 'gezond' systeem éérst het ionenfilter geplaatst en daarna het dieptefilter. Het ionenfilter reinigt de olie van opgeloste deeltjes, terwijl het dieptefilter fungeert als extra voorzorgsmaatregel om sludge die eventueel tóch ontstaat - bijvoorbeeld door een calamiteit - te verwijderen.

Chronologie

Wanneer systemen erg vervuild zijn - wat blijkt uit MPC-waarden die bijvoorbeeld over de 50 heen gaan - zal eerst met een dieptefilter de ergste vervuiling worden verwijderd en vervolgens pas een ionenfilter worden ingezet. De volgorde waarmee de olie door de filters stroomt blijft echter: eerst ionenfilter, daarna dieptefilter. In de praktijk zal in 80% van de gevallen een vervuild systeem 3 - 4 maanden nodig hebben om weer schoon te worden. In 20% van de gevallen beslaat deze periode vijf tot zes maanden en zijn er geen twee, maar drie sets filters nodig. In de stabiele fase volstaat een jaarlijkse uitwisseling van de filterelementen.

Altijd bij bedrijfstemperatuur

Tot slot: de filtratie van de olie gebeurt altijd bij bedrijfstemperatuur. Wanneer in deze fase de deeltjes tot een niveau zijn teruggebracht dat laag genoeg is, zal er ook in de fase van afkoeling en stilstand géén varnish meer neerslaan op de oppervlakken.

CONCLUSIE

Het testen van systemen op hun gevoeligheid voor varnish geeft aan hoe vervuild een systeem is. Op basis van de waarden zijn er maatregelen te nemen om het systeem te reinigen en dan schoon te houden. Voorbeelden bij grote powerplants in Amerika tonen aan dat er met deze maatregelen besparingen zijn te realiseren die jaarlijks kunnen oplopen tot miljoenen dollars, maar ook in onze contreien hebben de systemen zich inmiddels ruimschoots bewezen. En denk niet: 'Ik geloof het wel, de verzekering betaalt toch …'. Deze partijen hebben inmiddels in alle kleine lettertjes opgenomen dat de eigenaar verplicht is om diverse analyseparameters zoals de reinheidsgraad van de olie, het watergehalte, de MPC-waarde en TAN-waarde (zuurtegraad) op het gewenste niveau te houden. Zo niet, dan vervalt iedere plicht van de verzekeringsmaatschappij om uit te keren …