燃氣發動機潤滑油選用分析

蒲 斌，嚴文東

（中國石油西部管道新疆輸油氣分公司鄯善作業區，新疆鄯善 838202）

1 燃氣發動機潤滑油特點

1.1 天然氣發動機潤滑油的特點

天然氣發動機以天然氣為燃料，由于氣體燃料與液體燃料性質不同，氣體燃料不會對發動機潤滑油產生稀釋，因此，相對于汽、柴油等發動機，天然氣發動機可以選用粘度相對低的潤滑油，并且可以延長潤滑油的使用更換周期。天然氣作為燃料，辛烷值高達110，抗爆震性能非常好，發動機在運行時缸內是無爆震燃燒，對潤滑油膜的影響較小，潤滑的效果相對較好，活塞與缸壁也不會產生突爆性沖擊，潤滑油的承載能力也比汽柴油發動機的潤滑油低。天然氣發動機的特點有利于延長發動機的使用壽命和大修周期。

但是，天然氣作為燃料，天然氣中可能含有一定濃度硫化氫組分，硫化氫在缸內燃燒與天然氣燃燒產生的凝析的水形成酸性化合物，會對發動機缸內各部件產生腐蝕，因此，天然氣發動機潤滑油需要有良好的抗硫性能。

1.2 燃氣發動機潤滑油的功能

燃氣發動機潤滑油具有的功能：①潤滑功能，燃氣發動機油進入閥和凸輪軸、氣缸和活塞、曲軸和軸承等金屬部件之間，在運動副之間形成一層油膜，從而將兩個運動副分離開，起到潤滑，減少摩擦的作用；②密封作用，燃氣發動機油填充與氣缸和活塞間的間隙，防止發動機燃燒室的壓縮氣體和燃氣漏至曲軸箱，從而充分發揮發動機的功率；③冷卻作用，通過在燃氣發動機內外循環流動，及時地將運動產生的熱量帶出，防止運動機構溫度過高；④清洗分散作用，燃氣燃燒時會產生一些灰分和不溶成份，對發動機的正常運行帶來威脅，燃氣發動機油可將這些污染物吸收，使發動機內部保持干凈；⑤防銹作用，機油附著在發動機金屬部件的表面，有效隔絕水和空氣，避免金屬部件發生銹蝕和腐蝕。

1.3 潤滑油灰分對燃氣發動機的影響

潤滑油灰分是指在規定的條件下，油品完全燃燒后剩下的殘留物（不燃物）叫做灰分，灰分的含量以質量百分比來表示（表1）。潤滑油完全燃燒產生的灰分主要是金屬鹽類和金屬氧化物。潤滑油的基礎油中含有的灰分含量很小，因為某些特定需求，將基礎油中添加某些高灰分的添加劑形成特定需求的潤滑油，這些潤滑油中的灰分就會增大。發動機燃料如果含有灰分過多，會加劇發動機缸體的磨損。潤滑油如果選用不當，潤滑油中的灰分含量過高，長期使用過程中，燃燒形成的灰分將在缸內各組件上形成“積炭”，造成發動機的故障和零部件的磨損。

表1 灰分含量分類

硫酸鹽灰分是燃氣發動機油的關鍵指標，汽、柴油中含有重組分，其燃燒后會產生煙炱，煙炱積累在排氣門上，可以減少排氣閥與氣閥閥座的磨損，潤滑和保護排氣門，延長排氣門的使用壽命。天然氣中沒有重組分，一般只有通過燃燒缸內潤滑油來積累灰分形成沉淀物對排氣門形成潤滑和保護，這樣形成的沉積物呈現藍灰色，沉淀物的形成需要一定的時間，積累的速度與潤滑油中灰分組分含量的高低、潤滑油消耗、氣門與氣門座之間的角度等因素有關。發動機在正常運行中，排氣門積累沉淀物的過程是動態平衡的過程，沉積物不斷燃燒流失的同時，新的沉積物不斷地形成和積累[1]。

氣體燃料發動機燃燒室溫度很高，從而分解潤滑油中的金屬添加劑，火花塞處容易積累灰分，火花塞積累過多的沉淀物將影響火花塞點火。天然氣發動機潤滑油中的灰分來自于兩部分，一是作為潤滑油清凈劑的鈣鹽，由于鎂鹽清潔劑燃燒形成的沉積物硬度較大，對缸內組件形成磨粒磨損，因此潤滑油中的清凈劑一般不用鎂鹽；另外則是潤滑油抗磨劑的鋅鹽。純凈的天然氣燃料中不含硫、水分等，缸內產生的灰分主要由潤滑油和潤滑油中的添加劑。天然氣發動機潤滑油的灰分含量很重要，發動機油灰分含量過低，有可能因潤滑不良而造成氣門、氣門座圈磨損加劇及氣門閥嵌入閥座；發動機油灰分含量過高，則發動機在運轉時，高灰分發動機油竄入燃燒室后，可能在燃燒室形成更多堅硬的沉積物，造成火花塞、閥系、燃燒室積炭嚴重，進而出現氣門噴火燒蝕、閥系磨損、活塞擦傷、火花塞堵塞等一系列問題。因此，天然氣發動機油應具有合適的灰分[2]。

2 潤滑油使用簡述

2.1 發動機潤滑油性能要求

西部管道公司鄯烏壓氣首站發動機為Waukesha VHP L7042GSI型燃氣發動機，Waukesha建議使用為燃氣發動機特殊配制的機油，并且要根據發動機的結構和型號達到最小的灰分要求。灰分成分提供清潔作用，防腐作用，防磨損作用。另外，燃燒期間生成的灰分將防止氣門和氣門座接觸面的磨損。如果發現每1000 h氣門磨損超過0.05 mm，應考慮更換一種更高灰分燃氣發動機機油。VHP L7042GSI渦輪增壓燃氣發動機要求灰分最小含量0.35%，為燃氣發動機特別配制的機油，使用高純度礦物油為基礎原料，硫酸鹽灰分最少占重量的0.35%，與金屬和無塵添加劑配制而成。推薦鋅最大含量為0.10%。潤滑油灰分要求為0.35%～1.0%。新機油8～10的總堿值（TBN）對應于含硫低于0.4%的餾出燃料。

2.2 潤滑油使用對比

自1996年投產以來，發動機一直使用Shell 0480 oil天然氣發動機潤滑油，2011年7月，潤滑油更換為TOTAL NATERIA MJ40道達爾MJ40中灰燃氣發動機油潤滑油，2016年10月起，潤滑油更換為TOTAL NATERIA MH40道達爾MH40低灰燃氣發動機油潤，3種潤滑油相關油品物性如表2所示。

表2 潤滑油油品物性

上述3種油品在傾點、灰分、總堿值有所差別，其余參數區別不大。

傾點是指油品在規定的試驗條件下，被冷卻的試樣能夠流動的最低溫度。由于發動機有伴熱系統，在最低氣溫時這3種油品的傾點均可滿足使用要求?？倝A值是指在規定的條件下滴定時，中和1 g試樣中全部堿性組分所需高氯酸的量，總堿值以當量氫氧化鉀毫克數表示。總堿值是測定潤滑油中有效添加劑成分的一個指標，表示內燃機油的清凈性與中和能力。主要用于中和燃料燃燒產生的酸性物資，總堿值過低不能中和燃料產生的酸性物質，有可能造成發動機酸腐蝕；總堿值過高有可能造成發動機的堿腐蝕。對發動機的燃料氣進行跟蹤分析，使用的燃料氣不含硫，同時不含其他酸性組分，可以選擇較低總堿脂的潤滑油。

Shell 0480 oil灰分小于0.8%，TOTAL NATERIA MJ40灰分為0.82%，這兩種油品灰分差別不大，MJ40的灰分略高。由于燃料氣不含硫及酸性組分，可以選擇較低的潤滑油灰分，TOTAL NATERIA MH40的灰分為0.43%，灰分大幅度降低，大于最低含量要求的0.35%，符合選用的要求。

3 機組故障及油品分析

3.1 機組故障情況分析（表3）

鄯烏壓氣首站維護保養嚴格按照WAUKESHA VHPL7042GSI手冊進行保養，潤滑油更換周期為1500 h，火花塞檢查周期為4000 h。機組在運行1500 h時更換潤滑油，同時檢查并調整火花塞電極間間距。在發生兩次火花塞不點火故障后，將火花塞的更換周期變為1500 h，之后未發生不點火故障。但是根據歷史故障情況，在1500 h清理積碳，未發生過火花塞積碳嚴重不點火故障。更換低灰潤滑油后，檢測火花塞積碳大量減少，將火花塞的更換周期調整為3000 h，部分狀況好的火花塞延長至4500 h，并且未發生火花塞積碳導致不點火的故障。

表3 壓縮機組故障

4#機組上次大修時間為2010年8月，右側進氣管發生回火時距離上次機組大修19 229 h。3#機組缸頭發生故障時距離上次機組大修（2014年12月）后運行10 738 h。根據歷史故障情況，在機組大修前未發生機組缸頭故障情況。

3.2 機組大修狀況

2014年12 月，開展3#壓縮機組大修，2015年11月，開展2#壓縮機組大修，2016年9月，開展1#壓縮機組大修，3次大修中，1#～3#壓縮機組在大修中打開缸頭，均發現氣門與座圈之間積碳嚴重，且長時間磨損導致氣門下沉，不同程度發生密封不嚴。查看機組歷史大修情況，氣門與座圈之間也存在不同程度積碳情況，造成缸頭泄漏。

4 結語

壓縮機組在使用Shell 0480潤滑油中，氣門與座圈之間已經有明顯積碳，但是積碳的動態過程未使機組發生故障，Shell 0480潤滑油灰分稍微偏高，但不影響正常使用，但在潤滑油更換為TOTAL NATERIA MJ 40后，灰分進一步增大，使缸頭、氣門、座圈等部位結碳進一步增多，造成了發動機的故障增多。更換低灰潤滑油后，在對火花塞及缸頭進行的12次保養中，缸頭及火花塞的積炭情況顯著緩解，未發生火花塞積炭導致機組故障的事件。

潤滑油的正確選型與應用，可以有效降低設備故障率，提升設備運行的可靠性。

［1］姚文釗.低硫酸鹽灰分、低磷和低硫發動機油添加劑發展現狀及趨勢［J］.潤滑油，2009，24（1）：48-53

［2］朱和菊.固定式天然氣發動機的特點及潤滑要求［J］.石油商技，2012（5），22-23.