فنی مهندسی

نیروی اصطكاك علی‌رغم فوایدی كه در برخی موارد برای انسان دارد در مواردی هم به عنوان مانعی در سر راه انسان بوده و باعث اتلاف بسیار زیاد انرژی می‌شود. یكی از موارد نیروی اصطكاكی بین شفت‌های دوار و دیواره تكیه‌گاه آن‌ها است. به منظور كاهش این اصطكاك در تكیه‌گاه شفت‌های دوار از یاتاقان استفاده می‌شود. در یك تعریف كلی، به هر تكیه گاهی كه اصطكاك را كاهش دهد یاتاقان می‌گویند.
یاتاقان‌های تكیه‌گاه اصلی اجزای در حال چرخش هستند و معیوب‌شدن آنها ممكن است موقعیت اجزای در حال چرخش را تغییر داده و باعث برخورد قطعات ثابت و متحرك شود. معیوب‌شدن كلی یاتاقان‌ها ممكن است موجب خم شدن محور شده و در نهایت باعث شكستگی محور می‌شود. در سایر موارد نیز به افزایش دمای سایر اجزا منجر می‌شود.
درصورت آسیب‌دیدن یاتاقان، عملكرد كلی تجهیزات دچار مشكل خواهد شد. این مسئله باعث افزایش هزینه‌ها، مدت زمان برنامه تعمیرات، توقف غیرضروری تجهیزات و زمان تحویل به مشتری نهایی می‌شود. در بسیاری از كاربردهای صنایع سنگین، یاتاقان‌ها پیش از دستیابی به حداكثر عمر مفید و مقرون به صرفه خود از شرایط سرویس خارج می‌شوند. تعمیر یاتاقان‌ها می‌تواند روشی موثر جهت افزایش عمر یاتاقان تا حدود عمر نظری آن‌ها باشد. به همین دلیل امروزه تعمیر یاتاقان‌ها جایگزینی اقتصادی برای خریداری یك یاتاقان جدید، پس از اولین تخریب‌های ایجاد شده در یاتاقان‌ موجود محسوب می‌شود.
یاتاقان‌های توربین گاز به طور كلی به دو دسته یاتاقان‌های ژورنال و تراست تقسیم‌بندی می‌شوند. یاتاقان‌های ژورنال به منظور جلوگیری از حركت محور در راستای عمومی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این در حالی است كه یاتاقان‌های تراست به منظور ممانعت از حركت طولی محور و مقابله با نیروی طولی در این تجهیزات استفاده می‌شود.
تخریب سیستم یاتاقان توربین‌ها یكی از دلایل عمده در توقف‌های پیش‌بینی نشده تجهیزات تامین نیرو است. بازدید صنعتی كه در كارگاه آموزشی EPRI در سال 1982 در زمینه یاتاقان‌های توربین و دینامیك روتور انجام شد، آشكار ساخت كه روغن آلوده، از كار افتادگی سیستم روانكار و لرزش روتور عمده‌ترین دلایل تخریب یاتاقان‌های ژنراتور توربین‌ها بوده‌اند. به علت نتایج زیانبار چنین از كارافتادگی‌هایی، تعیین دلایل تخریب یاتاقان و روش‌های موثر تعمیر و پیش‌گیری اهمیت عمده و بسزایی دارند.
آسیب‌های ایجاد شده در یاتاقان توربین‌ها به طور كلی به 16 گروه تقسیم‌بندی می‌شوند. این عیوب به شرح زیر هستند.
خراشیدگی ، تخریب اتصال، فرسایش حفره‌دارشدن، خوردگی (اثرات شیمیایی)، ایجاد حفره در اثر تخلیه الكتریكی، فرسایش، خستگی، خردایش، آسیب كروم بالا، غیریكنواختی، حرارت بیش از حد، گیرپاژ، آسیب ساختاری، فرسایش سطحی، اكسید قلع و سائیدگی. در این بین برخی از عیوب رایج‌تر بوده و نقش مهم‌تری در تخریب یاتاقان دارند. در اینجا به شرح مختصری درمورد این عیوب پرداخته می‌شود.
خراشیدگی یكی از عیوبی است كه به علت ذرات خارجی موجود در روانكار مورد استفاده ایجاد می‌شود. این امر یكی از مهمترین دلایل تخریب یاتاقان‌ها است. مشخصه‌ی اصلی خراشیدگی وجود شیارهای محیطی موازی است كه روی بخش عمده‌ای از قسمت تحت بارگذاری یاتاقان ایجاد شده است. بالا و پائین رفتن ذرات كوچك بین شفت و یاتاقان به ایجاد خراش‌های غیرپیوسته و متناوب منجر می‌شود. به علاوه انتهای حفرات صاف بوده و ظاهر ذوب شده‌ای از خود نشان نمی‌دهند. غالبا مجموعه‌ای از حفرات با شكل‌های مشابه در فواصل منظم به طور محیطی روی بخشی از یاتاقان قرار خواهند گرفت. این مسئله مشخصه ظاهری ایجاد حفره در اثر وجود ذرات خارجی است. تصویر این عیب روی یاتاقان ژورنال در شكل (1) نشان داده شده است. سایر مشخصه‌های ظاهری این عیب عبارتند از: وجود شیارهای دندانه‌دار و سطحی با ظاهر كدر در صورت كوچك بودن ذرات، وجود هاله‌هایی براق روی سطح در صورت بزرگ‌بودن ذرات به علت پولیش شدن حلقه‌های برجسته‌ی ایجاد شده روی بابیت در تماس با شفت.
خستگی و تخریب اتصال دو آسیب دیگر هستند كه به تخریب یاتاقان منجر می‌شوند. خستگی عمدتا در اثر ارتعاش‌های ایجاد شده در تجهیزات به وجود می‌آید، حال آن كه تخریب اتصال علی‌رغم شباهت‌هایی كه به خستگی دارد، عمدتا در اثر ضعف اتصال بابیت به پشت‌بند ایجاد شده و به عبارتی می‌توان آن را خستگی زودرس نامید.
اگرچه بارگذاری تناوبی كه برای خستگی لازم است، شرایط عمده‌ی كاری در تجهیزات قابل چرخش صنایع الكتریكی نیست، اما چنین تخریبی به علت بارهای غیرمتعادل و استحكام پائین بابیت‌ها اتفاق می‌افتد. خستگی معمولا از سطح در نقطه‌ای با حداكثر فشار آغاز می‌شود و اولین بار به صورت ترك‌های سطحی ظریف كه با زاویه 45 تا 90 درجه نسبت به سطح در بابیت نفوذ می‌كنند، دیده می‌شود. این زاویه به حالت بارگذاری وابسته است. به طور میكروسكوپی، خستگی روی سطح به حالت یك الگوی پیوسته دیده می‌شود و ترك‌های موجود شروع به رشد بازشدن در جهت چرخش می‌كنند. در شرایطی كه اتصال بابیت به پشت‌بند شرایط مطلوبی داشته باشد، ترك‌ها از سطح به سمت اتصال اشاعه یافته و سپس دور زده و به موازات، ولی كمی بالاتر از اتصال، گسترش می‌یابند. ادامه اعمال تنش، ترك‌ها را به صورت افقی گسترش می‌دهد. این گسترش زیر سطح وسیعی از بابیت تا زمانی كه بخش‌های بزرگی از بابیت تضعیف شده و كنده شود، ادامه می‌یابد. در نتیجه این اتفاق، سطحی كه بار را منتقل می‌كرد، كاهش می‌یابد. ذرات بابیت جدا شده نهایتا وارد فضای موجود شده و به آسیب بیشتری منجر می‌شوند. آسیبی كه در اثر خستگی به یاتاقان‌ها وارد می‌شود نشان داده شده است.
اما مشخصه اصلی تخریب اتصال جداشدن واضح لایه‌ای از بابیت از پوسته‌ی حمایت كننده‌ی یاتاقان است. اگر پوسته‌ی یاتاقان با ماشین تراش، ماشین‌كاری شده باشد، شیارهای ماشین كاری فلز قابل رویت می‌باشد. این پدیده با ترك خستگی كه مقداری از بابیت را به طور متصل به پشت‌بند نگه می‌دارد متفاوت است. این عیب عمدتا در اثر ضعف اتصال ایجاد می‌شود. دو عامل موثر در این زمینه تركیب شیمیایی بابیت و نحوه بازسازی (یا ساخت) یاتاقان است. این عیب یكی از مواردی است كه لزوم كنترل فرآیند را حین بازسازی یاتاقان به طور ویژه‌ای آشكار می‌سازد.
با توجه به آن چه كه به طور مختصر ارائه شد، شرایط نامناسب بهره‌برداری منجر به آسیب یاتاقان‌ها می‌گردد، این مسئله در حالی است كه تعویض یاتاقان‌های آسیب دیده با یاتاقان‌های سالم و جدید بسیار پرهزینه است. به همین دلیل بازسازی یاتاقان‌های آسیب دیده یكی از مناسب‌ترین راه‌حل‌ها جهت جایگزین كردن آن‌ها است. با این حال كنترل دقیق فرآیند بازسازی یاتاقان‌ها به منظور ارتقا هرچه بیشتر كیفیت یاتاقان امری ضروری است. روش‌های بازسازی یاتاقان‌های توربین عمدتا ریخته‌گری است كه به دو صورت ثقلی و گریز از مركز انجام می‌شود. هرچند روش‌هایی جهت تعمیر آسیب‌های موضعی یاتاقان هم وجود دارد كه عمدتا بر پایه روش‌هایی مشابه جوشكاری اكسی‌استیلن استوار هستند. كنترل پارامترهای موثر در این فرآیندها تضمین كننده كیفیت یاتاقان‌های بازسازی شده است.
تعمیر یاتاقان بابیت ریزی شده صنعتی و دریایی، كه تحت تخریب جدی و كامل قرار گرفته‌اند، معمولا توسط ذوب فلز قبلی و ایجاد مجدد پوشش بابیت روی سطح پوسته انجام می‌شود، این روش همان فرآیند مورد استفاده در ساخت یاتاقان‌های جدید است. روش‌های مورد استفاده جهت انجام تعمیرات اضطراری و یا تعمیر موضعی یاتاقان‌هایی كه به صورت جزئی آسیب دیده‌اند، كه مختص تركیبات قلع است، عبارتند از: پاشش بابیت یا روش‌های جوشكاری، تامین‌كنندگان چنین تجهیزاتی برای انجام كار تعمیر بایستی مشاوره كافی جهت انجام صحیح دستورالعمل‌های كاری را در اختیار قرار دهند.
بدون درنظرگرفتن روش تولید بابیت، كیفیت اتصال، به ویژه هنگامی كه انتقال حرارت از بابیت به پوسته برای بالابردن عمر یاتاقان مهم و موثر است، فاكتوری دارای اهمیت می‌باشد. در تمامی موارد، دستیابی به اتصال متالورژیكی (شیمیایی) جهت اطمینان از انتقال خوب و مناسب حرارت و عمر خستگی قابل قبول ضروری است. ایجاد اتصالات مكانیكی، از طریق استفاده از نكات طراحی مثل خارها و حفره‌هایی به صورت مانع، نیازهای مذكور را برآورده نمی‌كند. اما گاهی اوقات در یاتاقان‌های بزرگ در كنار اتصال شیمیایی از این روشها به عنوان فاكتورهایی جهت اطمینان از عدم تخریب اتصال استفاده می‌شود. این روش‌ها بیشتر درمورد پوسته‌های چدنی كه آماده‌سازی آنها جهت بابیت‌ریزی مشكل است، استفاده می‌شوند.
پیش از انجام فرآیند ریخته‌گری (با هر روشی) قطعه كار باید از طریق مراحل مختلف تمیز كاری، فلاكس گذاری، و قلع‌ریزی به دقت آماده‌سازی شود. به منظور بهترین كیفیت یاتاقان بازسازی شده بایستی نكاتی مورد نظر قرار گیرند. در اینجا برخی از مهمترین نكات بیان می‌شوند: پوسته‌ی هر نیمه یاتاقان ژورنال جهت حذف تمامی مقادیر كثافات، گریس، روغن و آلودگی‌های دیگر از سطوح مورد نظر از طریق فروبردن در بخار، در فاز بخار چربی زدایی می‌شود. این كار تا زمان تمیزشدن و رسیدن دمای قطعه به دمای مناسب جهت تبخیر سریع حلال از سطح با خروج یاتاقان از حمام ادامه می‌یابد. دمای عامل چربی‌زدا بایستی
?C‍170 باشد دمای قطعه نیز در هنگام خروج از حلال باید ?C‍54 یا بیشتر باشد.
تكه‌های یاتاقان با استفاده از مواد عایق و لاتون‌هایی با طول و ضخامت مناسب مونتاژ می‌شوند. تكه‌های یاتاقان‌ها با استفاده از فلانژ یا حلقه‌هایی در كنار یكدیگر به صورت همراستا نگه داشته می‌شوند. از تماس تجهیزات و دست با سطوح مورد نظر جهت بابیت ریزی بایستی پرهیز شود.
فلاكس مناسب به سطوحی كه باید با قلع پوشیده شوند توسط یك برس تمیز و زبر اضافه می‌شود. بایستی از پوشش 100% سطح اطمینان حاصل شود.
یاتاقان ژورنال تا موقعیتی روی حمام قلع بالا برده می‌شود. اجازه داده می‌شود تا فلاكس جهت جلوگیری از پاشش حمام كاملاً خشك شود. قطعه در حمام قلع كه تا دمای ?C‍332-321 حرارت داده شده فرو برده شده و تا زمانی كه دمای آن به ?C‍332-304 برسد در آن نگه داشته می‌شود. با رسیدن به این دما یاتاقان از بستر قلع خارج شده و قلع اضافی آن به دخل حمام برمی‌گردد. سطح قلع اندود با برس تمیز اشباع از آب از آلودگی‌ها تمیز شده مورد بازرسی چشمی جهت اطمینان از پیوستگی لایه قلع قرار می‌گیرد. سطح خارجی یاتاقان بایستی توسط پیرومتری كنترل شود تا اطمینان حاصل شود كه دمای یاتاقان كمتر از ?C‍266 نشده باشد. درصورت افت دما زیر ?C‍266 یاتاقان در كوره تا دمای ?C‍293-288 حرارت داده شده و دو مرحله قبلی تكرار می‌شوند.
پس از این مراحل نوبت به بابیت‌ریزی می‌رسد. بابیت مورد استفاده بایستی آنالیز شیمیایی مطابق تركیب شیمیایی استاندارد بابیت‌ها داشته باشد. دمای یاتاقان اندازه‌گیری شده و اگر بیش از ?C‍246 باشد می‌توان مرحله بابیت‌ریزی را انجام داد. بابیت

مورد استفاده باید دمایی بین 400 تا ?C‍440 داشته باشد.
پس از كامل شدن ریخته‌گری بابیت سیستم اسپری آب راه‌اندازی شده (فاصله نازل‌ها mm51) و پاشش آن تا زمانی كه مقدار دمای ثبت شده توسط تجهیزات مربوطه به ?C‍163-149 رسد، حفظ می‌شود.
پس از این مرحله بازرسی چشمی جهت اطمینان از پیوستگی لایه بابیت و سپس آماده‌سازی آن جهت ماشین‌كاری انجام می‌شود.
علاوه بر تمامی موارد مذكور شرایط سرویس و استفاده از یاتاقان‌ها هم بسیار در میزان طول عمر یاتاقان‌ها و آسیب‌های وارد شده به آن‌ها موثر است. پارامترهایی چون كنترل سیستم روانكاری، ارتعاش‌های ایجاد شده در سیستم، كنترل تلورانس‌ها و لقی و نحوه مونتاژ یاتاقان‌ها از عواملی هستند كه حین سرویس و كاركرد یاتاقان‌ها بایستی توسط تیم بهره‌برداری مورد توجه قرار بگیرند. هر یك از عوامل مذكور خود می‌توانند باعث ایجاد یكی از عیوب بیان شده باشند.

روش آزمایش
در این كار پژوهشی جهت بررسی دلایل آسیب‌دیدگی یك یاتاقان توربین گازی فریم 5 آزمایش مختلفی صورت گرفته است. بدین منظور از آزمونهای فراصوتی، مایعات نافذ، متالوگرافی، رپلیكا و سختی سنجی مخرب و غیرمخرب استفاده شده است. آزمون متالوگرافی با برش یك تاقان آسیب دیده و انجام متالوگرافی در فصل مشترك اتصال بابیت به پشت‌بند انجام شده است. به منظور بررسی و مقایسه ساختار بابیت یاتاقان آسیب دیده با یاتاقان‌های مشابه سالم آزمون رپلیكا، آزمون سختی سنجی مخرب و آزمون سختی‌سنجی غیرمخرب روی یاتاقان آسیب دیده و سالم انجام شده است. به علاوه آنالیز تركیب شیمایی بابیت هم جهت مقایسه آن با تركیبات استاندارد انجام شده است.

نتایج و بحث
با توجه به آن چه بیان شد مشاهده می‌شود آسیب وارده به یاتاقان آسیب دیده از نوع ضعف اتصال و خستگی زودرس است. این مسئله با توجه به قابل مشاهده بودن شیارهای ماشین‌كاری پوسته یاتاقان قابل استنتاج است. به علاوه انجام آزمون فراصوتی مطابق استاندارد ISO 4386-2 هم با ارائه نتایجی مبتنی بر ضعف اتصال بابت به پشت‌بند این مسئله را تائید كرده است.
با توجه به این نوع آسیب مشاهده شده تیم تحقیقاتی به دنبال بررسی و تعیین علت اصلی این آسیب برآمد. نتیجه بررسی آنالیز شیمیایی بابیت یاتاقان آسیب دیده (مهمترین عناصر) و مقایسه آن با تركیب شیمیایی نزدیكترین شیمیایی استاندارد بابیت بر اساس ASTM B23 در جدول (1) ارائه شده است.
همان طور كه از این جدول مشاهده می‌شود تركیب شیمیایی بابیت مورد استفاده در این یاتاقان بسیار از تركیب شیمیایی استاندارد بابیت دور است. این مسئله را به نوعی می‌توان علت آسیب وارد شده به یاتاقان دانست. اما با توجه به گستردگی تركیب شیمیایی بابیت‌ها در استانداردهای مختلف از جمله استانداردهای ASTM B23، BS 3338، ISO 4381 بایستی اثر غیراستاندارد بودن بابیت مورد استفاده به خوبی روشن شود. جهت بررسی بیشتر ابتدا آزمون سختی‌سنجی مخرب روی این نمونه‌ها انجام شده است. نتیجه این آزمون سنجی 38 در مقیاس برینل برای بابیت این یاتاقان است. این مقدار در مقایسه با حداكثر مقدار سختی بابیت‌های استاندارد كه 30 برینل است، بسیار بالاتر است. جهت تكمیل مطالعات ریزساختار بابیت یاتاقان مورد بررسی قرار گرفت.
ریزساختار بابیت‌ها از دو فاز تشكیل شده است. یك بخش فاز زمینه‌ای است كه در تصاویر به صورت تیره دیده می‌شود. این فاز یك محلول جامد از قلع و آنتیموان است. فاز دوم ذرات سفید تركیبات بین فلزی و ترد قلع و مس است. مشخص است كه با افزایش درصد مس بیش از مقدار استاندارد مقدار این تركیبات هم به طور مشخصی افزایش خواهد یافت. این ذرات ترد به صورت مكعب‌های كوچك، سوزنی و ستاره‌ای شكل در ریزساختار دیده می‌شوند. با توجه به این توضیح مختصر مشاهده می‌شود كه حجم ذرات فاز ثانویه در ریزساختار بابیت مورد استفاده در یاتاقان آسیب دیده به علت درصد بالای مس آن به مراتب بیشتر از ریزساختار بابیت استاندارد است.
بررسی ناحیه اتصال بابیت به پشت بند فولادی نشان می‌دهد كه در این ناحیه هم درصد فاز ثانویه بسیار زیاد است. اما نكته‌ای كه در این ناحیه هرچه بیشتر خودنمایی می‌كند ذرات بسیار درشت فاز ثانویه است كه به مقدار زیادی دقیقا در محل اتصال بابیت به پشت‌بند وجود دارند. این مسئله با توجه به آنچه كه از تركیبات بین فلزی ترد و تمركز تنش در این نواحی به علت گوشه‌های تیز این ذرات می‌دانیم می‌تواند دلیل اصلی ضعف اتصال در این یاتاقان باشد.
به علاوه یك یاتاقان سالم از همان نوع انتخاب شده و با یاتاقان آسیب دیده مورد مقایسه قرار گرفت. جهت اطمینان از كیفیت اتصال ابتدا آزمون غیرمخرب و مایعات نافذ روی این یاتاقان انجام شده است. آزمون فراصوتی اتصال مناسبی را نشان داده است. نتایج آزمون مایعات نافذ هم حاكی از كیفیت سطحی خوب و اتصال كافی و مناسب در لبه‌های یاتاقان است. جهت مقایسه با یاتاقان آسیب دیده سختی سنجی غیرمخرب و آزمون رپلیكا از سطح بابیت یاتاقان انجام شده است.
آزمون سختی سنجی غیرمخرب، متوسط 54 و 75 برینل را به ترتیب برای سطح یاتاقان سالم و آسیب دیده ارائه داده است. البته ذكر این نكته در اینجا ضروری است كه مقدار به دست آمده از آزمون سختی سنجی غیرمخرب به علت محدودیت‌های دستگاه صرفا جنبه مقایسه داشته و مقادیر حاصل دقیق نیستند. هنگامی كه این نتایج در كنار نتایج آزمون رپلیكاگیری از سطح دو یاتاقان قرار داده می‌شود، علت رفتار متفاوت این دو یاتاقان كاملا مشخص می‌شود. با مقایسه رپلیكای سطح یاتاقان آسیب دیده و رپلیكای سطح یاتاقان آسیب ندیده مشاهده می‌شود حجم فاز ترد در یاتاقان آسیب ندیده به مراتب كمتر و بسیار به بابیت‌های استاندارد نزدیك است. با توجه به آن چه درمورد یاتاقان آسیب دیده مشاهده شد، حجم كمتر تركیبات بین فلزی ترد در بابیت یاتاقان آسیب ندیده علت اصلی عملكرد این یاتاقان بوده است.

نتیجه‌گیری
در این پژوهش به بررسی عیوب و آسیب‌های ایجاد شده در یاتاقان‌ها و بررسی اثر تركیب شیمیایی بابیت مورد استفاده در یاتاقان بر عملكرد و كیفیت آنها پرداخته شده است. انتخاب تركیب شیمیایی بابیت به علت اهمیت بسزای آن و از طرفی توجه كم به كنترل آن در اغلب اوقات است.
با توجه به دستاوردهای این پژوهش مشاهده می‌شود پارامترهای فرآیندهای بازسازی (یا تولید) یاتاقان بسیار روی كیفیت و عملكرد یاتاقان‌ها موثر هستند. در این بین تركیب شیمیایی بابیت به عنوان یك پارامتر بنیادی بسیار موثر است، به طوری كه استفاده از بابیت غیراستاندارد با ابعاد حجم بالای فاز بین فلزی ترد به ویژه در فصل مشترك اتصال بابیت به پشت‌بند، به ضعف اتصال بابیت منجر شده و نهایتا كاهش كیفیت عملكرد یاتاقان را به ارمغان خواهد آورد