Một đặc tính quan trọng của dầu tuabin là khả năng tách khỏi nước, được gọi là đặc tính tách nhũ tương. Đặc tính này rất cần thiết để bảo vệ các bộ phận của tuabin không bị hư hỏng do thay đổi độ nhớt hoặc ăn mòn.
Nước và dầu không hòa tan vào nhau do bản chất hóa học riêng biệt của chúng.
Nguyên lý “giống nhau hòa tan giống nhau” giải thích hiện tượng này: các phân tử nước có tính phân cực, sở hữu một nguyên tử oxy có điện tích âm và các nguyên tử hydro có điện tích dương, trong khi các phân tử dầu không phân cực, không có các nguyên tử có điện tích âm hoặc điện tích dương mạnh.
Dầu và nước không hòa tan được – trừ khi khả năng tách nhũ tương của dầu kém.
Khi trộn lẫn vào nhau, các phân tử nước có xu hướng kết tụ thay vì trộn với các phân tử hydrocarbon hữu cơ, khiến nước bị loại khỏi dầu. Dầu nổi trên nước vì các phân tử nước lớn hơn và đặc hơn đáng kể. Tuy nhiên, khi dầu mất đặc tính tách nhũ tương, nhũ tương đục được hình thành, được nhìn thấy như trong Hình 1.
Hình 1
Đo độ tách nhũ tương bằng ASTM D1401 (ISO 6614)
Phương pháp thử ASTM D1401 được sử dụng rộng rãi để đánh giá độ tách nhũ của dầu. Trong quy trình này, một mẫu dầu 40 mL được trộn với 40 mL nước cất (hoặc nước biển tổng hợp) trong một xi lanh chia độ. Khuấy hỗn hợp trong 5 phút ở 54°C. Đối với các loại dầu có độ nhớt lớn hơn 90 cSt ở 40°C, thử nghiệm cũng có thể được tiến hành ở 82°C.
Một ví dụ về xi lanh chia độ khi kết thúc thử nghiệm tách nhũ tương có thể được thấy trong Hình 2.
Hình 2: Xi lanh chia độ khi kết thúc thử nghiệm tách nhũ tương cho thấy dầu và nước được tách ra bởi một lớp nhũ tương.
Thời gian tách nhũ tương được ghi lại theo các khoảng thời gian quy định, thường là cứ 5 phút một lần hoặc theo giới hạn thời gian được xác định trước. Nếu quá trình tách hoàn toàn hoặc nhũ tương giảm xuống còn 3 mL hoặc ít hơn không xảy ra trong vòng 30 phút, thì thể tích dầu, nước và nhũ tương còn lại sẽ được ghi lại.
Ví dụ: kết quả 40-40-0 (20) cho biết sau 20 phút, quá trình tách hoàn toàn đã đạt được, tạo ra 40 mL dầu, 40 mL nước và 0 mL nhũ tương. Điều này có thể thấy trong Hình 3.
Các yếu tố dẫn đến hiệu suất tách nhũ tương của dầu kém
Dầu tuabin có thể hòa tan một lượng nhỏ nước, được gọi là nước hòa tan, thường khoảng 100-150 ppm ở nhiệt độ phòng.
Sự hiện diện của các hydrocarbon phân cực nguyên tử khác loại trong dầu ảnh hưởng đáng kể đến khả năng tách nước. Dầu tuabin đang vận hành có thể không vượt qua được các thử nghiệm tách nhũ tương do các thành phần phân cực này, dẫn đến nước hòa tan trong dầu.
Ngay cả một lượng nhỏ các phân tử phân cực cũng có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng tách nhũ tương của dầu, tùy thuộc vào độ phân cực và tính chất hóa học của chúng.
Ví dụ, một nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của ExxonMobil chỉ ra rằng nồng độ canxi thấp tới 3 ppm, dưới dạng canxi alkylbenzen sulfonat, có thể ảnh hưởng đến các giá trị tách nhũ tương của dầu.
Các thử nghiệm hiện trường đã chỉ ra rằng ngay cả nồng độ nhỏ hơn cũng có thể gây ra vấn đề, khiến việc xác định nguyên nhân gốc rễ của lỗi tách nhũ tương trở nên vô cùng khó khăn. Đôi khi, phân tích dầu có thể xác định chính xác nguyên nhân gốc rễ, chẳng hạn như sự hiện diện của canxi. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, vật liệu hiện diện quá nhỏ cần phải xác định thông qua các phương pháp phân tích thông thường như quang phổ FTIR hoặc ICP.
Các thành phần phân cực xâm nhập vào dầu tuabin thông qua sự nhiễm bẩn dầu hoặc sự phân hủy dầu.
Ô nhiễm dầu
Các chất ô nhiễm có thể xâm nhập vào hệ thống dầu tuabin thông qua nhiều cách khác nhau:
- Bổ sung dầu, vô tình cung cấp thêm ô nhiễm bên ngoài vào hoặc việc thêm các phụ gia mới
- Các hoạt động bảo trì, chẳng hạn như súc rửa, đưa chất tẩy rửa hoặc chất làm sạch vào hệ thống
- Xâm nhập khí, mang theo ô nhiễm vào dầu
- Rò rỉ hơi và nước, làm ô nhiễm dầu bằng nước và hóa chất xử lý.
Chất tẩy rửa alkylbenzen sulfonat là chất ô nhiễm phổ biến có thể vẫn còn sót trong hệ thống dầu tuabin sau khi súc rửa. Hóa chất này bám vào các bộ phận kim loại trong quá trình vệ sinh, khiến việc loại bỏ trở nên khó khăn và chúng còn phá hủy khả năng tách nhũ tương của dầu ở nồng độ rất thấp. Cấu trúc của phân tử với đầu sulfonat phân cực mạnh và đuôi alkylbenzen không phân cực, cho phép nó kết hợp các pha nước và dầu. Nồng độ thành phần cao hơn dẫn đến khả năng tách nhũ tương kém hơn.
Tua bin hơi dễ bị rò rỉ và hơi ẩm xâm nhập. Mặc dù nước có độ tinh khiết cao xâm nhập có thể dẫn đến nhiều vấn đề về hiệu suất, nhưng nó không ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính tách nhũ tương. Tuy nhiên, nước được xử lý bằng các hóa chất chống ăn mòn như axit boric, lithium hydroxide và hydrazine.
Các hóa chất như sunfit được thêm vào để loại bỏ oxy hòa tan và các hợp chất phosphate được sử dụng để kiểm soát độ pH và ngăn ngừa sự hình thành cặn. Các hóa chất phân cực này có thể ảnh hưởng xấu đến đặc tính tách nhũ tương của dầu tuabin.