聚α-烯烴齒輪油老化趨勢及其再生處理研究

文 | 唐金偉，李燁峰，劉永洛，王娟，常治軍，肖秀媛，馮麗萍

聚α-烯烴齒輪油老化趨勢及其再生處理研究

文 | 唐金偉，李燁峰，劉永洛，王娟，常治軍，肖秀媛，馮麗萍

風力發電機組的主齒輪箱主要采用聚α烯烴(PAO)全合成齒輪油作為潤滑介質。PAO合成油的化學結構與礦物油最接近，長鏈分子結構單一，其側鏈的長度（C8－C10）整齊，具有良好的黏溫特性和低溫流動性。主齒箱中PAO齒輪油占到風電機組用油量的3/4，是風力發電機組的關鍵潤滑點，其油質的好壞將直接影響到齒輪箱是否能夠安全和平穩的運行。風力發電機組多安裝在偏遠、空曠、多風地區，齒輪箱的工作環境溫差大、沿海濕度大，加上較大的扭力負荷及負荷的不恒定性，導致齒輪油在運行中容易劣化變質。目前，國內外還沒有風電機組齒輪油再生處理技術的相關報道，而國內有大批風電機組已經或將要超出質保期，風電場面臨大量風電機組齒輪油的更換、廢舊齒輪油處理以及更換新油所需的巨額費用等問題。因此，對于運行中齒輪油油質的老化趨勢以及油質老化后可否通過再生處理技術延長其使用壽命，已成為了行業內關注的熱點問題。本文主要針對上述問題，對運行PAO齒輪油老化程度與各個指標的變化關系進行了研究，并對某風電場投運三年后退出運行的PAO齒輪油進行再生處理試驗。

圖1 齒輪油開口杯老化前和老化3天、8天、15天、30天后的油樣照片

試驗方法

一、PAO齒輪油的老化試驗

為了研究風電用齒輪油隨著老化程度的加深，油液各個指標的變化趨勢，選用某風電場運行中的PAO齒輪油為研究對象，分別對其進行了3天（72h）、8天（192h）、15天（360h）、30天（720h）開口杯老化試驗（試驗方法：DL 429.6-91），并對老化前后油的主要相關指標，依照GB 5903-2011《工業閉式齒輪油》中要求的試驗方法進行了測試。采用EOUINOX55紅外光譜儀對老化過程中PAO齒輪油進行紅外光譜分析，掃描范圍為500cm-1到4000cm-1，掃描速率為0.1 cm-1。

二、再生試驗

PAO型齒輪油質再生處理試驗采用接觸法，即將一定量的微孔硅鋁吸附劑加入試油中，在60℃恒溫水浴下攪拌0.5h－1h，使吸附劑與試油充分接觸以達到最佳吸附效果，吸附完成后將油與吸附劑的混合物過濾分離，并對再生后的齒輪油補加一定量的抗氧抗磨復合添加劑，依照GB 5903-2011《工業閉式齒輪油》中要求的試驗方法進行了測試。

結果與討論

一、聚α-烯烴齒輪油老化趨勢

對某風電場運行中PAO齒輪油進行了3天（72h）、8天（192h）、15天（360h）、30天（720h）開口杯老化試驗，并對老化前后油的主要相關指標進行了化驗測試，結果見圖1和表1。從圖1可以看出，隨著老化時間的增加，油液的顏色由棕黃色迅速加深，到第15天已經變為棕黑色。油液顏色的加深主要是由于齒輪油中的基礎油及油中的極壓抗磨劑和胺類抗氧劑，在氧氣、高溫、銅絲催化劑環境下，氧化生成了顯色的大分子老化產物。

從表1中可以看出，隨著齒輪油老化時間的增加，油液的各項指標中變化最為明顯的為顏色、酸值、油泥。由于油液中抗氧劑的存在，油液的酸值在老化初期增加速度較慢，在老化192h后，隨著抗氧劑的消耗，酸值增長速度逐漸加速，同時，在油泥析出試驗中，油泥的析出量也在192h以后，由原油樣的“痕跡”，逐漸表現為有明顯析出。這是由于隨著開口杯老化試驗的持續，油液、氧氣、銅絲，在150℃的環境溫度下，油液中的添加劑和基礎油聚α-烯烴，發生氧化反應生成大量極性老化產物，其中包括大量羧酸類物質，宏觀上表現為酸值持續增大，同時老化產物之間也發生著復雜的縮合、交聯反應，生成了大分子油泥。齒輪油發生劣化后，生成的這些羧酸類分子在有水分存在的情況下，齒輪箱中的金屬部件就會發生微點蝕，嚴重影響金屬部件的結構強度，同時這些腐蝕產物也會引起油液顆粒度不合格，部分硬質顆粒會加劇齒面磨損，從而影響齒輪油的潤滑性能，若油質長時間得不到凈化處理，甚至會發生卡齒、斷齒故障，嚴重影響風電機組的安全平穩運行。該PAO齒輪油在經過30天的開口杯老化后油液的傾點、黏度指數基本沒有發生變化，只有油的運動黏度在緩慢增加，這說明油液具有穩定的低溫流動性和黏溫特性，隨著老化程度的加深，油中逐漸產生了大分子老化產物，使油液的運動黏度趨于增大。

圖2 齒輪油酸值和旋轉氧彈隨著老化時間增加的變化趨勢

表1 齒輪油開口杯老化前后主要油質指標分析試驗結果

旋轉氧彈是評價油液高溫抗氧化性能的一項重要化學指標，其特點是高溫、高壓、純氧的快速破壞性試驗，當油液中的抗氧劑大量消耗或者油液本身已嚴重劣化時，氧彈中的氧氣壓力會快速降低。圖2為齒輪油的酸值和旋轉氧彈隨著老化時間增加的變化趨勢。從圖2中可以看出，齒輪油在老化初期表現出了較好的抗氧化性能，200h以后油液的酸值呈現出迅速增加，旋轉氧彈值呈快速減小的趨勢。這是由于在老化初期PAO合成齒輪油中的抗氧劑與油液老化形成的R·或ROO·基團、過氧化物相互作用，形成了穩定的化合物，中斷了氧化的鏈鎖反應，從而大大減緩了油液的老化速度。隨著抗氧劑的消耗，其濃度逐漸降低，油液的抗氧化性能也隨之降低，表現為酸值迅速增大，旋轉氧彈值也急劇減小。

為了考察齒輪油老化前后，其分子結構的變化，對齒輪油老化前和老化8天、30天后油液進行的的紅外光譜檢測結果見圖3，可以看出，油液隨著老化時間的增加，處于1740 cm-1位置的C=O伸縮振動峰、1180cm-1位置的C-O吸收峰和3414 cm-1位置的-OH伸縮振動峰的強度都在增強，表明開口杯老化過程中逐漸有羧酸類物質生成。這些酸性大分子會與油液中的添加劑相互反應生成顯色大分子物質，老化生成的大分子會進一步交聯形成油泥，進而增加油液的運動黏度（如表1所示），當油泥的濃度超過一定值時，其會在溫度較低的金屬表面析出，形成肉眼可見的油泥。

通過對某風電場320#全合成齒輪油進行老化趨勢測試表明，齒輪油的各項指標在老化初期劣化速度緩慢，表現出了良好化學穩定性，然而，在老化192h后，油液的酸值、顏色、運動黏度、油泥指標的劣化速度加快。在整個老化試驗進行的30天內，齒輪油的傾點、黏度指數和Timken OK值變化不大，表明了風電齒輪油具有穩定的低溫流動性、黏溫特性和較好極壓抗磨性能。

圖3 齒輪油開口杯老化前和老化8天、30天后的紅外光譜

表2 運行PAO齒輪油再生處理前后試驗結果

二、運行中聚α-烯烴齒輪油的再生處理試驗

圖4 齒輪油8%強極性吸附劑再生處理前后照片

為了考察PAO齒輪油老化后可否通過再生處理技術延長其使用壽命，對某公司在金風750型風電機組上投運3年后退出運行的美孚SHC XMP 320全合成PAO齒輪油進行了再生處理試驗，處理前后油液的外觀和油質化驗結果分別見圖4和表2。從圖4可以看出，PAO齒輪油經過再生處理后，油液的顏色由棕黃變為淺黃，表明再生處理可以去除油液中部分顯色的氧化產物。從表2可以看出，經過處理后油的酸值、水分和泡沫傾向指標得到大幅降低，說明油液中的大部分酸性老化產物、水分和油中容易起泡的表面活性劑類物質可以被具有強極性的吸附劑吸附去除；潔凈度等級、旋轉氧彈、Timken OK值和四球機磨損試驗得到了很大的提高，同時油泥也被除去，表明再生處理試驗中的過濾環節能有效濾除油液中的顆粒雜質，提高油液的清潔度水平，同時能吸附除去油中的老化產物—油泥，有效地提高油液的抗氧化性能和極壓抗磨性能，并對油液的運動黏度和銅片腐蝕沒有負面影響，處理后的齒輪油可以滿足GB/T5903-2011《工業閉式齒輪油》中L-CKD的質量指標要求。

結論

通過對某風電場PAO齒輪油進行老化試驗，結果表明：齒輪油的各項指標在老化試驗初期劣化速度緩慢，表現出了良好化學穩定性，然而，在老化192h后，油液的酸值、顏色、運動黏度、油泥指標的劣化速度加快。在為期30天的老化試驗期間，齒輪油的傾點、黏度指數和Timken OK值變化不大，表明風電齒輪油本身具有穩定的低溫流動性、良好的黏溫特性和極壓抗磨性能。對某風電場投運3年后退出運行的齒輪油進行再生處理試驗，表明風電齒輪油可以通過再生處理使油的酸值、水分、潔凈度、泡沫傾向、旋轉氧彈、Timken OK值、油泥和四球機試驗指標得到恢復，使其達到GB 5903-2011《工業閉式齒輪油》中L-CKD的技術要求，達到了延長風電齒輪油使用壽命的目的。

（作者單位：西安熱工研究院有限公司）

攝影：劉富卿