柳艷紅 張 娜 黃譯鋒 劉 俊

(1.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司檢修試驗(yàn)分公司 廣東廣州511440；2.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司設(shè)備潤(rùn)滑與檢測(cè)研究所 廣東廣州 510530)

調(diào)速器是水輪發(fā)電機(jī)關(guān)鍵的控制系統(tǒng)，起到對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)葉在不同工況下開(kāi)啟和關(guān)閉速率的控制，由于抽水蓄能機(jī)組工況復(fù)雜，因而水輪機(jī)調(diào)速器對(duì)于保障水輪機(jī)的可靠運(yùn)行十分關(guān)鍵。水輪機(jī)調(diào)速器本質(zhì)上是一個(gè)液壓系統(tǒng)，主要由油箱、油泵、閥、執(zhí)行單位構(gòu)成。潤(rùn)滑油是系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵介質(zhì)，潤(rùn)滑油狀況的好壞直接關(guān)系到調(diào)速器系統(tǒng)的運(yùn)行，因而現(xiàn)場(chǎng)對(duì)調(diào)速器在用油進(jìn)行定期取樣檢測(cè)，可以評(píng)估潤(rùn)滑油的各項(xiàng)性能指標(biāo)[1]。破乳化是調(diào)速器在用油日常監(jiān)測(cè)中的一項(xiàng)核心性能指標(biāo)，該指標(biāo)是否合格關(guān)系到油品遇水是否發(fā)生乳化。而導(dǎo)致油品破乳化不合格的原因有多種，不同的原因?qū)?yīng)不同的處理措施。本文作者從油品破乳化相關(guān)機(jī)制研究出發(fā)，通過(guò)與破乳化相關(guān)聯(lián)指標(biāo)的分析，推斷出導(dǎo)致調(diào)速器在用油破乳化不合格的原因，再通過(guò)采取相應(yīng)的處理措施，使油品破乳化指標(biāo)恢復(fù)正常，從而驗(yàn)證推斷是正確的。

1 故障現(xiàn)象

調(diào)速器用到的潤(rùn)滑油型號(hào)為某進(jìn)口品牌ISO VG46渦輪機(jī)油，在日常的取樣檢測(cè)中多次發(fā)現(xiàn)其破乳化指標(biāo)不合格，超出標(biāo)準(zhǔn)控制范圍值，相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)示例見(jiàn)表1。破乳化指標(biāo)衡量的是油品與水分離性能的好壞，破乳化指標(biāo)不合格代表油品與水的分離能力差，這樣一旦油中出現(xiàn)水分超標(biāo)的情況，油中的水分可能分離不出來(lái)，從而導(dǎo)致油品乳化，影響油品的性能，進(jìn)而影響調(diào)速器的運(yùn)行，因而調(diào)速器在用油出現(xiàn)破乳化指標(biāo)不合格是一個(gè)需要關(guān)注的問(wèn)題[2]。

表1 相關(guān)檢測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)Table 1 Related test indicator data

2 原因分析

潤(rùn)滑油的破乳化性能也稱(chēng)之為水分離性能，衡量的是潤(rùn)滑油在遇水的情況下，抵抗與水混合形成乳化液的能力。潤(rùn)滑油的破乳化性能越好，代表油品與水分離的時(shí)間越短，那么油中進(jìn)水帶來(lái)的影響也更??；反之，破乳化性能不合格代表油品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無(wú)法與水分開(kāi)，那么油品遇水時(shí)更易發(fā)生乳化，也對(duì)設(shè)備的潤(rùn)滑產(chǎn)生影響[3]。

2種液體之間能否形成穩(wěn)定的乳狀液取決于2種液體之間界面張力的大小，由于界面張力的影響，分散相總是傾向于縮小2種液體之間的接觸面積以降低系統(tǒng)的總表面能，即分散相總是朝著由小液滴合并成大液滴的方向發(fā)展，以便以減少液滴的總表面積，乳化狀態(tài)也就隨之被破壞[4-5]。潤(rùn)滑油與水之間的界面張力大小取決于多項(xiàng)因素：

(1)對(duì)于新油而言，主要取決于基礎(chǔ)油的精制程度和油中添加劑的情況?；A(chǔ)油精制程度越深，其與水之間的界面張力就越大，就越不容易與水形成穩(wěn)定的乳狀液，新油的破乳化性能也就越好。但對(duì)于潤(rùn)滑油而言，除了基礎(chǔ)油，還添加有添加劑，而很多添加劑都是表面活性物質(zhì)，如清凈分散劑、極壓劑等，這些添加劑都會(huì)減小潤(rùn)滑油與水之間的界面張力大小，從而使?jié)櫥推迫榛阅茏儾睢；诖?，?rùn)滑油中還添加有破乳劑，其作用就是提高潤(rùn)滑油的抗乳化性能[6-7]。

(2)對(duì)于在用油而言，主要取決于污染和破乳劑的消耗情況。例如，粉塵、油泥、油品氧化產(chǎn)物等污染物會(huì)降低油水界面張力，從而使得潤(rùn)滑油的破乳化性能變差；而如果油中破乳劑消耗殆盡，也會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油的破乳化性能降低。

調(diào)速器潤(rùn)滑油使用的是國(guó)外大品牌油品，基礎(chǔ)油精制程度理論上較一般油品更優(yōu)，其新油破乳化度檢測(cè)結(jié)果也是合格的，因而可以排除因基礎(chǔ)油精制程度的原因?qū)е碌钠迫榛阅懿缓细瘛Ｄ敲?，在用油破乳化不合格的原因可能?個(gè)方面：一是潤(rùn)滑油中的破乳劑消耗嚴(yán)重導(dǎo)致破乳化不合格，二是油中污染物導(dǎo)致破乳化不合格[8]。通過(guò)查閱相關(guān)資料和咨詢(xún)相關(guān)廠家，因破乳劑消耗導(dǎo)致油品破乳化度不合格的情況較少，因而文中重點(diǎn)分析污染導(dǎo)致油品破乳化不合格。

首先，從表1中可知，調(diào)速器在用油污染度等級(jí)為7級(jí)，在控制范圍內(nèi)(≤8)，說(shuō)明在用油中較大顆粒(≥6 μm)污染物數(shù)量并不是很多[9]。其次發(fā)現(xiàn)在用油檢測(cè)指標(biāo)中，除了破乳化度不合格外，漆膜傾向指數(shù)(MPC)指標(biāo)也超標(biāo)。漆膜也稱(chēng)之為積碳、結(jié)膠、漆狀物質(zhì)、彈性氧化物、漆皮等，是一種可能為橙色、棕色或黑色非溶解性的膜狀沉淀物，其主要成分為高分子烴類(lèi)聚合物。漆膜在使用一段時(shí)間的機(jī)械設(shè)備的油液中普遍存在，尤其在高壓液壓系統(tǒng)或是溫度較高的透平系統(tǒng)中。目前關(guān)于漆膜的形成有多種理論解釋?zhuān)渲杏袑W(xué)者提出的軟性污染物沉積理論得到較為廣泛的認(rèn)可，該理論認(rèn)為漆膜的形成過(guò)程有以下4個(gè)步驟[10]：

(a)運(yùn)行中的透平油先產(chǎn)生亞微米級(jí)別的降解產(chǎn)物，此產(chǎn)物在運(yùn)行溫度下可溶；

(b)由于產(chǎn)物是極性分子，隨著其濃度的逐漸增高，產(chǎn)物分子之間相互作用，開(kāi)始結(jié)合成較大的分子，超出了漆膜溶解的飽和點(diǎn)，逐漸從油中析出，溫度的降低還會(huì)加快漆膜的析出速度；

(c)漆膜容易吸附在金屬組件的表面，特別是低溫處和縫隙處；

(d)一段時(shí)間之后，逐漸成膜、碳化，變得難以除去。

漆膜形成過(guò)程示意圖如圖1所示。

圖1 漆膜形成過(guò)程Fig 1 Forming process of varnish

由于潤(rùn)滑油在使用過(guò)程中一直處于劣化變質(zhì)過(guò)程，包括基礎(chǔ)油的氧化，添加劑的降解，尤其是在一些高溫或高壓系統(tǒng)中這種進(jìn)程相對(duì)更快，這些降解產(chǎn)物通常是亞微米級(jí)別的極性物質(zhì)。當(dāng)這些極性降解產(chǎn)物量較少時(shí)，其可以溶于潤(rùn)滑油中，對(duì)油品的性能影響較?。坏?dāng)這些產(chǎn)物逐步積累較多時(shí)，一方面這些產(chǎn)物會(huì)充當(dāng)油品劣化變質(zhì)的催化劑，進(jìn)一步加快油品的劣化變質(zhì)速度，另一方面，這些產(chǎn)物開(kāi)始對(duì)油品各方面的性能產(chǎn)生影響，如MPC指標(biāo)升高，油品破乳化性能不合格。研究表明，漆膜與油品泡沫特性變差也存在關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步發(fā)展會(huì)導(dǎo)致油品酸值增加，宏觀上甚至?xí)?lái)軸瓦溫度的上升、閥件的卡澀，因?yàn)槠崮ひ赘街诮饘俦砻妫瑢?dǎo)致表面散熱不良和閥芯堵塞[11]。

3 處理措施

根據(jù)上述分析，基本推斷出導(dǎo)致調(diào)速器在用油破乳化不合格的原因是油中積累的微小污染物(<1 μm)數(shù)量較多，這些污染物會(huì)導(dǎo)致油水界面張力下降，從而使得油品的水分離性能變差。從表1中可知，在用油酸值等表征油品氧化變質(zhì)程度的指標(biāo)仍處于控制范圍，推斷調(diào)速器在用油還處于劣化變質(zhì)的早期階段，通過(guò)采取相關(guān)措施可以恢復(fù)油品的正常性能。為此現(xiàn)場(chǎng)使用了一款靜電濾油機(jī)對(duì)在用油開(kāi)展過(guò)濾凈化，如圖2所示。該過(guò)濾裝置的技術(shù)原理是將待過(guò)濾的潤(rùn)滑油分成兩路并帶上不同的電荷，然后把兩份油品混合，使帶不同電荷的軟性污染物結(jié)合形成較大顆粒，聚合沉降，最后進(jìn)行濾除，通過(guò)該過(guò)濾裝置可以將油中較小顆粒的污染物濾除。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)過(guò)濾裝置Fig 2 On-site filtering device

現(xiàn)場(chǎng)在檢修期間對(duì)調(diào)速器油箱中的在用油開(kāi)展了過(guò)濾，并在過(guò)濾的不同階段取樣檢測(cè)，結(jié)果如表2所示?？煽闯?，過(guò)濾160 h后，調(diào)速器潤(rùn)滑油的MPC大幅降低，污染度等級(jí)也降低，但破乳化仍然不合格；當(dāng)過(guò)濾200 h后，調(diào)速器潤(rùn)滑油的破乳化指標(biāo)恢復(fù)正常。這進(jìn)一步驗(yàn)證了上述的分析判斷，即調(diào)速器在用油破乳化指標(biāo)不合格是由于油中亞微米級(jí)氧化污染物較多引起。需要說(shuō)明的是，由于該類(lèi)靜電過(guò)濾裝置屬較精密過(guò)濾設(shè)備，因而流量較小，現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)需保障充足的循環(huán)過(guò)濾時(shí)間以便對(duì)油品進(jìn)行充分的過(guò)濾。

表2 相關(guān)樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Related test indicator data

4 結(jié)論及建議

(1)調(diào)速器在用油在日常取樣檢測(cè)中多次出現(xiàn)破乳化度指標(biāo)不合格，分析其原因，一是破乳化添加劑消耗導(dǎo)致，一是污染物導(dǎo)致。結(jié)合在用油MPC指標(biāo)也超標(biāo)的情況，判斷調(diào)速器在用油破乳化指標(biāo)不合格的原因是油品自身劣化變質(zhì)產(chǎn)物污染所致，這類(lèi)亞微米級(jí)氧化顆粒污染物不能通過(guò)調(diào)速器在線濾芯或是普通離線濾芯去除，使得油水界面張力降低，從而導(dǎo)致油品更易乳化。通過(guò)采用靜電過(guò)濾裝置對(duì)調(diào)速器在用油進(jìn)行過(guò)濾后，在用油破乳化指標(biāo)恢復(fù)合格，這進(jìn)一步驗(yàn)證了在用油破乳化指標(biāo)不合格是由于油中微小污染物過(guò)多導(dǎo)致。

(2)在日常設(shè)備運(yùn)行維護(hù)中如發(fā)現(xiàn)在用油破乳化不合格的情況，可以考慮綜合相關(guān)指標(biāo)的數(shù)據(jù)來(lái)分析導(dǎo)致破乳化不合格的原因，尤其是MPC指標(biāo)。從文中可看出MPC指標(biāo)與破乳化度指標(biāo)存在強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，具體來(lái)說(shuō)可把MPC指標(biāo)作為油品發(fā)生劣化變質(zhì)的“先行”指標(biāo)，即當(dāng)油品發(fā)生劣化變質(zhì)時(shí)，隨著亞微米級(jí)氧化產(chǎn)物的積累首先表現(xiàn)出不合格的可能是MPC指標(biāo)，然后這些污染物開(kāi)始慢慢對(duì)油品破乳化這些指標(biāo)產(chǎn)生影響。當(dāng)對(duì)這些污染物開(kāi)展過(guò)濾操作時(shí)，首先下降的也是MPC指標(biāo)，接下來(lái)破乳化指標(biāo)也跟著下降。當(dāng)然這只是現(xiàn)場(chǎng)處理過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，并不能作為一般推論推廣開(kāi)，至于渦輪機(jī)油MPC指標(biāo)與破乳化指標(biāo)之間的確切關(guān)系值得相關(guān)科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展研究，現(xiàn)場(chǎng)也可在以后的工作中積累相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)。