從美軍汽輪機油標準變化看艦船汽輪機油發展趨勢

王建華++張博

摘要： 文章通過對30年內不同時期發行3個版本的美軍汽輪機油標準《汽輪機和齒輪潤滑油性能規范》（MIL-PRF-17331）內容的解讀，對比研究了美軍艦船汽輪機油標準內容演變與發展趨勢，具體分析了理化性能及試驗方法、特定指標、汽輪機油發展要求等三個方面的內容，提出了對我國汽輪機油發展變化的啟示。研究結果表明，美軍汽輪機油標準的項目增減是與裝備機械技術與油品技術水平緊密相關的，對理化性能的要求與軍用特點緊密結合，對通用性與環保要求提出了更高的要求。

關鍵詞： 美軍標準；汽輪機油；理化性能；發展趨勢

0 引言

我國蒸汽輪機制造技術的發展進步對汽輪機油提出了更高的要求。美軍艦船汽輪機油質量與通用化水平都較高，其評定技術和方法也代表了當今世界艦船汽輪機油的最高發展水平。分析美軍汽輪機油標準近30年的變化，了解美軍汽輪機油的發展趨勢，可對我國汽輪機油今后發展方向提供有益的參考。

1 汽輪機油的主要用途

美軍汽輪機油標準為MIL-PRF-17331《汽輪機和齒輪潤滑油性能規范》，該標準明確指出，汽輪機油用于美國海軍采用核動力裝置的航母和戰略核潛艇上，使用部位涉及汽輪機組、齒輪傳動裝置、空氣壓縮機和潛艇液壓裝置，起到對汽輪機組的支撐軸承、主軸承、推力軸承和減速器齒輪等運動機構的潤滑、散熱與冷卻作用，并在調速系統中，作為液壓介質，傳遞壓力，參與調速系統工作。

11 潤滑與冷卻作用

艦船汽輪機的轉速較高，一般轉速達3000～5000 r/min，摩擦產生熱量較大，蒸汽溫度高達300～420 ℃以上。盡管汽輪機軸承材料采用耐磨性好的巴氏合金，但其耐溫性差（軸承溫度必須保持在70 ℃以下）[1-2]。為解決既要保證潤滑又不因溫度過高而燒毀軸承的矛盾，必須連續不斷地使汽輪機油循環充滿在軸頸和軸瓦之間，繼而形成彈性流體潤滑，保證汽輪機組的正常運行。

又由于艦船汽輪機轉子與螺旋槳之間的轉速差較大，需要通過減速齒輪箱減速的方式，達到汽輪機帶動螺旋槳轉動的目的，由此也帶來了減速齒輪齒面負荷較高的問題。如果潤滑油黏度較小，則不利于它在齒面形成穩定油膜。為解決這一問題，利用潤滑油黏度隨溫度而變化的規律，將汽輪機油通過冷卻器的兩次冷卻，溫度下降到35 ℃，使油黏度適合形成穩定油膜，以保證減速齒輪的潤滑。

12 調速作用

汽輪機組的調速裝置，也必須用汽輪機油作為液壓傳動，控制其調速氣門。用于汽輪機調速系統的汽輪機油，作為液壓介質，能傳遞壓力，通過調速系統對汽輪機組的運行起到了調速作用。

2 軍艦船汽輪機油標準演變

MIL-PRF-17331[3-5]標準不僅規定了艦船汽輪機油常規理化性能指標的評定方法，還對艦船汽輪機油的防銹蝕性、潤滑性能、抗乳化性能、空氣釋放性、軸承適應性、油品均勻性及閥黏結特性規定了專門試驗方法。該標準每5年左右進行一次修訂，至今已修訂10余次，最新版本為2013年版MIL-PRF-17331K（SH）。

21 理化性能及試驗方法變化

依據美軍汽輪機油標準MIL-PRF-17331對汽輪機油理化性能的要求及試驗方法的變化，分析美軍汽輪機油規范的發展趨勢，可以了解美軍汽輪機油的發展方向。表1為1984年版、2003年版和2013年版MIL-PRF-17331標準中對美軍汽輪機油化學和物理性質的要求及試驗方法的對比情況。在這三個版本標準中，理化性質及試驗方法變化主要體現在以下3個方面：

（1）試驗項目的增減

在2003年版和2013年版中，增加了“空氣釋放值”指標，并要求該指標“在50 ℃時不大于20 min”，試驗方法采用ASTM D3427。在2003年版和2013年版中，刪減了 “顏色”、“無機酸酸度”、“碳余量”和“灰分”等指標。在2013年版中，刪減了“軸承通用性”、“閥黏結特性”指標。

（2）性能指標的變化

水分：在2013年以前采用的ASTM D95方法，性能指標要求“無水分”，而在2013年該指標的試驗方法修改為ASTM D6304，性能指標要求變為“水分不大于001%”。

運動黏度：在2013年版中，40 ℃（104 ℉）時的運動黏度指標由以往的74～97 mm2/s，修改為77～97 mm2/s。

抗乳化性：1984年版對乳化層的表述為“花邊層”，性能指標要求為“油層不大于40 mL”；2003年和2013年已將“花邊層”的表述修改為“乳化層”，且性能指標要求“油層不大于41 mL”。

抗氧化性：2013年以前，采用“旋轉氧彈氧化試驗”，指標要求為“無限制”，2013年已將該性能試驗方法由“旋轉氧彈氧化試驗”變為“旋轉壓力管氧化試驗”，指標要求改為“失效時間不小于200 min”。

承載能力：1984年版試驗方法采用ASTM D1947，指標要求為“不低于2200 1b/in”；2003年和2013年均采用ASTM D5182，指標要求“FZG 不低于9級”。

（3）試驗方法的變化

“硫含量”的試驗方法在1984年版中僅有ASTM D129，在2003年及以后的版本中，該指標的試驗方法增加為ASTM D129，D1522，D2622，D4927，D6443和D6481。

“比重”的試驗方法在1984年版中有ASTM D287和D1298，2003年以后該指標的試驗方法增加為D287，D1298，D4052。

氧化試驗中，“總淤渣物”、“總鐵量”和“總銅量”等性能指標的測試方法在1984年版中并沒有標出，2003年以后明確為ASTM D4310。

“抗磨性”的試驗中，指標要求一直為“磨損直徑不大于033 mm”，但試驗方法發生變化，1984年是ASTM D6503，2003年是ASTM D2783，2013年是ASTM D4172。

“清潔度”的試驗方法由F313改為ASTM D4898。

22 特殊性能指標

在美軍汽輪機油標準MIL-PRF-17331中，存在一些特殊性能指標，它們對汽輪機油的某些方面提出了特殊要求。這些特殊性能指標有的在2013年最新版本中剛剛去除，有的還一直保留嚴格要求。

材料：該指標要求汽輪機油應是純凈的石油原料組成的穩定、均勻的混合物，如果有必要，可以加入添加劑以滿足標準要求。然而不允許使用添加劑改善基礎油的黏溫特性，但可以加05%以下的添加劑以滿足潤滑油的傾點要求。并要求添加劑中不應有含氯或鋅元素的物質。

軸承適應性：該特殊性能指標要求汽輪機油應對設備的軸承材料無腐蝕性。油品除進行銅片腐蝕性試驗外，還要專門進行軸承適應性試驗，只有二者的結果都符合要求，才能被視為對軸承材料無腐蝕性。

防銹性：該性能要求汽輪機油要經過90 ℃下30 min的攪拌水洗過程，再對油水分離后的油樣進行海水腐蝕試驗，時間24 h。目的是考察汽輪機油經水洗后的防銹性能。

均勻性：該性質要求汽輪機油在使用時，在傾點溫度以上直至121 ℃（250 ）的所有溫度中，添加劑應保持均勻地分布于整個汽輪機油中。如果汽輪機油被冷卻到低于其傾點，當溫度回升一經達到汽輪機油傾點以上6 ℃（10 ）時，應立即回復其均勻性，直到121 ℃（250 ）都應保持其均勻性。

可混性：要求試驗油與參考油按1∶[KG-2/3]1混合后的混合物，其氧化（ASTM D943）、腐蝕（海水）、泡沫和乳化試驗的結果均能通過，才能認為該汽輪機油與參考油的可混性好。

毒性：要求汽輪機油在用于預定用途時，對人體健康不應造成有害影響，且廢棄處理時，不得造成任何環境問題。

禁用消耗臭氧的物質（ODS）和2，6二叔-丁基酚（DTBP）。標準中明確指出“禁止使用消耗臭氧的物質作為汽輪機油的成分”和“禁止在帶有軍用代號2190和NATO代號0-250下生產的任何潤滑油中添加DTBP，該規定同時適用于水面艦艇和潛艇”。

3 艦船汽輪機油的發展趨勢

根據美軍標準MIL-PRF-17331中對美軍汽輪機油理化性質要求及試驗方法的變化，及對標準中關于特殊性能指標要求的內容分析，艦船汽輪機油的發展趨勢可以歸納為以下幾點：

31 空氣釋放性要求提高

艦船汽輪機油系統回油部分處于微負壓狀態，這就為空氣的進入創造了條件。隨同空氣進入的灰塵、水分、漂浮的雜質易造成油品變差。同時，進入的空氣破壞了介質的連續性和不可壓縮性，嚴重時會造成艦船汽輪機油系統斷油事故。并且，隨著艦船汽輪機油循環倍率的提高，艦船汽輪機油在油箱中的停留時間縮短。因此，對艦船汽輪機油的空氣釋放性提出了更高的要求。MIL-PRF-17331標準在2003年就已增加了“空氣釋放值”指標，并且要求50 ℃條件下，不大于20 min。

32 抗泡性要求提高

汽輪機回油時對油箱液面的沖擊以及油泵運轉時對油的作用產生的泡沫易使空氣進入油中，也易使超聲波液位計產生虛假液位。因此，汽輪機油要有優良的抗泡沫性。

MIL-PRF-17331標準要求艦船汽輪機油在泡沫特性試驗的3個程序中，性能指標均不大于65 mL（在電力系統，優級品汽輪機油泡沫特性3個程序指標要求分別為不大于450/100/450，該指標來自GB 11120-2011；國際標準ISO 8068-2006中為450/50/450）。

33 抗磨性要求提高

艦船汽輪機轉數高達數千轉/分，而艦船螺旋槳的轉速只有200 r/min左右，轉速差較大。這使得在減速過程中，減速齒輪箱內的齒輪所承受的載荷較大。汽輪機油的作用之一就是潤滑減速齒輪，因此，抗磨性汽輪機油是很重要的指標之一。在MIL-PRF-17331標準中，D1947試驗方法已改為D5182，并提出不低于9級的要求，試驗方法更接近實際裝備，抗磨性要求更高。

34 氧化安定性、長壽命要求提高

艦船汽輪機組工作時，因軸承摩擦損耗所產生的熱量增大，其前、后軸承的溫度可達120 ℃，油品老化加快。并且，艦船汽輪機油運轉周期長，易與空氣、蒸汽和金屬接觸發生氧化反應，生成的酸性物質和沉淀物易腐蝕零件。如果艦船汽輪機油的抗氧化性能差，則易產生油泥，造成設備損壞。同時，艦船汽輪機技術發展促使機組檢修周期延長。因此，要求艦船汽輪機油具有優異的氧化安定性和更長的使用壽命。

MIL-PRF-17331標準將無限制要求的旋轉氧彈氧化試驗修改為旋轉壓力管氧化試驗，并要求失效時間不小于200 min，可見對汽輪機油的氧化安定性和使用壽命均提出了更高的要求。

35 防銹性和防腐蝕性要求提高

如果油品的防銹性能不好，銹蝕產生的固體顆粒物會引起機組調速系統失靈、機組振動大、過量磨損等不良后果。其次，腐蝕產生的金屬離子，尤其是銅離子會加速油品的氧化。

MIL-PRF-17331標準在艦船汽輪機油組成材料中明確禁止使用含有氯或鋅元素的物質，并要求艦船汽輪機油防銹性要通過水洗程序，再進行24 h海水腐蝕試驗，考察防銹效果。同時通過“軸承適應性”指標，嚴格要求油品的防腐蝕性。多項性能指標限制均體現了對艦船汽輪機油防銹性和防腐蝕性的極高要求。

36 通用性和環保要求提高

MIL-PRF-17331標準指出，艦船汽輪機油不僅用于汽輪機組的潤滑，還用于空氣壓縮機和潛艇液壓裝置，并對油品的均勻性和可混性提出明確要求，這都代表著MIL-PRF-17331標準對艦船汽輪機油通用性的要求。

MIL-PRF-17331標準還要求艦船汽輪機油中不能添加有毒性抗磨添加劑。艦船汽輪機油在機組工作產生高溫的情況下會揮發油氣，由于艦艇空間狹小，油氣會充滿艙室不易排放。如果油品中加入有毒物質，則會對船員身體造成傷害，甚至引起非戰斗減員，降低戰斗力。此外，MIL-PRF-17331標準中還指出“艦船汽輪機油在作為廢油處理時，不得造成任何環境問題”?？梢?，以上特點均對艦船汽輪機油的環境保護性提出更高要求。

4 結論及啟示

（1）美軍汽輪機油標準內容隨美軍裝備實際使用情況進行不斷地更新和修正，以滿足裝備的作戰使用需求。

（2）美軍汽輪機油標準中對多項理化性能指標的要求提高，預示著汽輪機油將向著通用化強、使用壽命長、功能多等方向發展。

（3）美軍對汽輪機油的環境保護提出了嚴格要求，汽輪機油的環保性能已成為評價汽輪機油使用性能的重要指標之一。

隨著科技發展與使用需求變化，美軍標準對油品性能指標參數進行必要的修改，減少不必要的性能要求，增加必需的檢測項目和試驗方法，使之更貼近實際裝備使用情況。美國的裝備制造業具有標準化強的特點，從而使美軍裝備配套用油具有通用性強的優勢，使其裝備配套用油更易簡化。裝備配套油品的通用性增強，可以大幅降低油品保障工作量，提高保障效率。

國內裝備制造業在標準化方面與美國還存在一定差距，其與潤滑油行業進一步加強合作，大力推進裝備用油的標準化進程，以增強裝備及油品的通用性。

參考文獻：

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孟玉嬋，劉文凱，徐平我國運行汽輪機油標準的發展與現狀[J]潤滑油，2006（5）：1-9

[2] 楊俊杰，徐平汽輪機油使用現狀和發展趨勢[J]潤滑油，2007（4）：8-13

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[4] 美國軍用標準MIL-PRF-17331（H）Performance Specification Lubrication Oil，Steam Turbineand Gear，Moderate Service[S]2003

[5] 美國軍用標準MIL-PRF-17331（J）Performance Specification Lubrication Oil，Steam Turbineand Gear，Moderate Service[S]1984