國內(nèi)外變壓器油技術(shù)發(fā)展及趨勢分析

盛祖紅

中國石化潤滑油有限公司上海分公司

變壓器油是天然石油中經(jīng)過蒸餾、精煉而獲得的一種礦物油，是石油中的潤滑油餾份經(jīng)精制處理得到的純凈穩(wěn)定、黏度小、絕緣性好、冷卻性好的液體天然碳氫化合物的混合物。它屬于潤滑劑和有關(guān)產(chǎn)品分類標準GB/T 7631.15絕緣液體，主要應(yīng)用于電氣設(shè)備。

隨著電力建設(shè)發(fā)展，電力電氣設(shè)備需求空前增長。“十三五”期間我國電力工業(yè)進入“大電網(wǎng)、大機組、西電東送、南北互濟、全國聯(lián)網(wǎng)”的新時代，并正向高效、環(huán)保、安全、經(jīng)濟的更高目標邁進，規(guī)劃建設(shè)“五縱五橫”27條特高壓線路已大面積開工，特高壓技術(shù)目前已達到了世界領(lǐng)先水平。配電網(wǎng)投資不低于2萬億元建設(shè)改造以及預(yù)計投資4萬億元的軌道交通建設(shè)等都在如火如荼實施，這些給輸配電設(shè)備企業(yè)帶來了市場新藍海。加之“一帶一路”戰(zhàn)略的啟動，特高壓項目在國外正不斷落地、走出國門實現(xiàn)海外創(chuàng)收，而與其配套的變壓器及變壓器油需求量也在日趨上升。另外，隨著電力設(shè)備安全運行要求的提高，對變壓器油產(chǎn)品的性能也提出了更高的要求。我國已于2012年6月實施新修訂的GB 2536—2011《變壓器油》，國際電工委員會（IEC）于2012年2月實施新修訂的IEC 60296:2012《電工用液體 變壓器和開關(guān)設(shè)備用的未使用過的礦物絕緣油》。這些最新標準的實施，對變壓器油質(zhì)量提出了新的要求，特別是國標GB 2536—2011中的酸值、氧化安定性指標的加嚴和國際IEC 60296：2012中的潛在腐蝕性硫、腐蝕性硫指標的提出等。從石油的化學(xué)組成或烴類構(gòu)成上分析，標準中新增技術(shù)指標的控制（如，潛在腐蝕性硫為無腐蝕性、金屬鈍化劑為檢測不出或協(xié)議規(guī)定）和加嚴指標的控制（如，酸值、氧化安定性、硫含量）也就是提高變壓器油基礎(chǔ)油的質(zhì)量，不允許通過外加其他添加劑而實現(xiàn)。潤滑油基礎(chǔ)油工藝技術(shù)不斷改進，特別是20世紀90年代后加氫工藝技術(shù)的應(yīng)用，提高了基礎(chǔ)油抗氧、抗腐等性能。在一些文獻或資料上，還強調(diào)或規(guī)定環(huán)烷基基礎(chǔ)油技術(shù)是變壓器油的最佳選擇，甚至出現(xiàn)加氫技術(shù)不適用生產(chǎn)變壓器油的表述。為此，本文著重介紹了變壓器油技術(shù)的發(fā)展歷程及趨勢，以希對變壓器設(shè)計者和變壓器油研究工作者有所幫助，更新或糾偏一些概念。

變壓器油基礎(chǔ)油生產(chǎn)工藝的發(fā)展

變壓器油基礎(chǔ)油傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝

變壓器油基礎(chǔ)油來自于煉油加工企業(yè)，隨著煉油工藝的發(fā)展，其質(zhì)量也在不斷變化：

◇20世紀60～70年代，變壓器油基礎(chǔ)油生產(chǎn)工藝主要是酸-堿-白土工藝，其工序繁雜，時間長，產(chǎn)油率低，酸渣對環(huán)境有污染；

◇20世紀70～80年代，變壓器油基礎(chǔ)油生產(chǎn)工藝開始用以苯酚為主的溶劑精制-溶劑脫蠟-白土補充精制，提高了精制深度，使煉油工藝更加環(huán)保；

◇20世紀90年代，以糠醛精制工藝代替了苯酚精制工藝，進一步提高了基礎(chǔ)油精制深度，使所得到的油品的黏溫性能得到改善，并可以降低油品的殘?zhí)恐岛退嶂?，提高其化學(xué)穩(wěn)定性。

這種老三套技術(shù)（溶劑精制-溶劑脫蠟-白土精制）的加工原理是通過物理方法將理想組分與非理想組分分離——通過原油常減壓蒸餾，切取不同黏度的常減壓餾分和減壓渣油作為潤滑油生產(chǎn)原料，而后通過溶劑脫瀝青、溶劑精制、溶劑脫蠟、白土補充精制將潤滑油基礎(chǔ)油中的非理想組分脫除，得到理想組分即潤滑油基礎(chǔ)油?；A(chǔ)油的性能與煉油加工的原油性能密切相關(guān)，如環(huán)烷基原油的環(huán)烷烴含量較高，其基礎(chǔ)油的傾點比石蠟基基礎(chǔ)油低，比較適合生產(chǎn)低傾點的I-30℃變壓器油（原45號變壓器油），但環(huán)烷烴含量高的基礎(chǔ)油黏度指數(shù)差，不適合生產(chǎn)內(nèi)燃機油、汽輪機油等。20世紀90年代之前，物理加工技術(shù)的煉油加工工藝發(fā)展歷程見圖1。老三套加工技術(shù)生產(chǎn)的變壓器油基礎(chǔ)油典型數(shù)據(jù)見表1。

表1 老三套加工技術(shù)生產(chǎn)的變壓器油基礎(chǔ)油典型數(shù)據(jù)

從表1可以看出，除了傾點外，石蠟基基礎(chǔ)油的其他性能優(yōu)于環(huán)烷基基礎(chǔ)油，具有密度小、閃點高、抗氧化性能好的特點。

變壓器油與其他類型的潤滑油不同，是以傾點高低來劃分不同牌號的產(chǎn)品，如GB 2536—90標準就曾分為10號變壓器油、25號變壓器油、45號變壓器油。如此，則物理方法煉油加工得到的石蠟基變壓器油基礎(chǔ)油只能生產(chǎn)10 號變壓器油，而環(huán)烷基原油加工得到的環(huán)烷基變壓器油基礎(chǔ)油可以生產(chǎn)低傾點的45號變壓器油。正因為環(huán)烷基基礎(chǔ)油能生產(chǎn)低傾點變壓器油，所以國內(nèi)變壓器制造商、用戶用油指導(dǎo)文件上指定選擇環(huán)烷基變壓器油。但實際上，1981年12月，中國石化石蠟基原油生產(chǎn)的海光牌10號變壓器油獲國家質(zhì)量銀質(zhì)獎。國外已有報道[1]，以埃及5種石蠟基原油為原料，先以傳統(tǒng)的溶劑脫蠟工藝進行脫蠟，然后在一系列不同的加氫條件下進行加氫處理，所生產(chǎn)的變壓器油產(chǎn)品符合IEC 60296標準要求。日本、法國也均有石蠟基變壓器油的應(yīng)用。

事實上，隨著20世紀90年代煉油技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了化學(xué)加工或物理-化學(xué)聯(lián)合的加工工藝方式，使基礎(chǔ)油的性能發(fā)生了質(zhì)的改變，更加適合國際、國內(nèi)變壓器油的先進標準。

變壓器油基礎(chǔ)油加氫生產(chǎn)工藝

潤滑油基礎(chǔ)油加氫工藝技術(shù)是采用化學(xué)加工方式，在一定壓力、溫度和催化劑作用下，將非理想組分轉(zhuǎn)化為理想組分并除去雜質(zhì)，如加氫裂化、異構(gòu)脫蠟和加氫飽和/加氫補充精制。加氫裂化能使多環(huán)芳烴飽和、開環(huán)，轉(zhuǎn)變?yōu)樯侪h(huán)多側(cè)鏈的環(huán)烷烴，可提高黏度指數(shù)，同時通過加氫將氧、氮、硫分別以H2O、NH3、SO2方式除去；異構(gòu)脫蠟可以將正構(gòu)烷烴異構(gòu)成為潤滑油的理想組分異構(gòu)烷烴，降低傾點等；加氫飽和/加氫補充精制的作用是使芳烴化合物飽和，提高精制基礎(chǔ)油光安定性。

在國外，1969年法國石油研究院IFP開發(fā)了潤滑油加氫處理工藝，在西班牙普偉托利亞諾煉廠投產(chǎn)。美國海灣研究開發(fā)公司、雪佛龍和殼牌先后開發(fā)和工業(yè)化了自身的加氫處理工藝。1977年英國BP公司開發(fā)了第一套催化脫蠟裝置，在美國德州貝敦煉廠投產(chǎn)。殼牌、雪佛龍和美孚開發(fā)了異構(gòu)脫蠟催化劑和工藝，生產(chǎn)高黏度指數(shù)基礎(chǔ)油。20世紀80年代中雪佛龍在舊金山里奇蒙煉廠實現(xiàn)了世界上第一條全氫潤滑油基礎(chǔ)油生產(chǎn)線。

在國內(nèi)，20世紀90年代，中國石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院（簡稱石科院）完成了以溶劑精制和加氫技術(shù)相結(jié)合為特點的潤滑油中壓加氫處理RLT技術(shù)和潤滑油催化脫蠟技術(shù)RDW的工業(yè)應(yīng)用。1997年，蘭煉引進了法國石油研究院IFP潤滑油高壓加氫技術(shù)生產(chǎn)基礎(chǔ)油。1999年，大慶油田石油化工廠引進雪佛龍潤滑油異構(gòu)脫蠟技術(shù)投產(chǎn)。2000年，石科院高壓加氫RHW技術(shù)在克拉瑪依投產(chǎn)，2001年；石科院老三套與加氫組合RLT工藝在荊門投產(chǎn)。2004年，上海高橋石化引進雪佛龍異構(gòu)脫蠟技術(shù)投產(chǎn)運行。后續(xù)中國石化在潤滑油板塊持續(xù)投資加氫技術(shù)，中海油近幾年投資建設(shè)加氫技術(shù)。國內(nèi)潤滑油基礎(chǔ)油制造商加氫技術(shù)見表2。

由表2可見，加氫技術(shù)在煉油工藝技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用，國內(nèi)大型煉油企業(yè)為適應(yīng)潤滑油產(chǎn)品發(fā)展的需要，根據(jù)所加工原油的特點，引入了不同的加氫工藝。加氫工藝改變了傳統(tǒng)煉油工藝難以逾越的受原油種類限制的資源瓶頸，縮小了不同原油煉制的變壓器油基礎(chǔ)油的烴類組分差異，改善了變壓器油的性能，特別是變壓器油傾點問題得到了解決。高橋石化加氫工藝和老三套工藝生產(chǎn)的變壓器油基礎(chǔ)油的性能對比見表3。

從表3可見：

◇加氫工藝變壓器油基礎(chǔ)油的傾點低，石蠟基基礎(chǔ)油能直接生產(chǎn)原25號變壓器油和45號變壓器油。

◇加氫工藝變壓器油基礎(chǔ)油的硫含量低，酸值小，抗腐蝕性好。

◇加氫工藝變壓器油基礎(chǔ)油的旋轉(zhuǎn)氧彈比老三套工藝變壓器油基礎(chǔ)油的旋轉(zhuǎn)氧彈高50%，氧化安定性更好。

◇從烴類組成看，加氫工藝變壓器油基礎(chǔ)油環(huán)烷烴含量高、鏈烷烴含量低、芳烴含量低，可作為變壓器油的理想原料。

加氫工藝的引進，使煉油工藝從物理加工技術(shù)向物理-化學(xué)加工技術(shù)或化學(xué)加工技術(shù)發(fā)展，從而使基礎(chǔ)油的性能發(fā)生了變化，具有低酸值、低傾點、無腐蝕性和更優(yōu)氧化安定性等，也更加適應(yīng)變壓器油產(chǎn)品標準的技術(shù)指標更新。同時，加氫技術(shù)的應(yīng)用克服了“溶劑精制”工藝無法改變基礎(chǔ)油結(jié)構(gòu)的弱點，使各種烴類發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而生產(chǎn)出高質(zhì)量的變壓器油基礎(chǔ)油；并突破了溶劑精制油品低溫性能差的弱勢，使石蠟基變壓器油基礎(chǔ)油具有低傾點、高抗氧化性等性能。

表2 國內(nèi)潤滑油基礎(chǔ)油制造商加氫技術(shù)

表3 加氫工藝和老三套工藝生產(chǎn)的變壓器油基礎(chǔ)油的性能對比

變壓器油的產(chǎn)品標準

國際和國外先進變壓器油標準

目前采標率比較高的變壓器油標準是IEC 60296和美國材料試驗協(xié)會的ASTM D3487，這2個標準隨電力設(shè)備的發(fā)展、變壓器油基礎(chǔ)油技術(shù)的提升而不斷地進行修訂更新：

◇IEC 60296從1982版、1982修訂版（1986）、2003版至2012版，進行了一系列的技術(shù)性修訂。IEC 60296的最新標準為2012年2月推出的IEC 60296：2012《電工用液體-變壓器和開關(guān)設(shè)備用的未使用過的礦物絕緣油》。

◇ASTM D 3487從1982版、1988版、1988（93）確認版、2000版、2000（06）確認版、2009版、2016版，也進行了一系列的技術(shù)性修訂。ASTM D3487的最新版本為2016年推出的《電氣設(shè)備用礦物絕緣油的性能要求標準》。

從不同版本的質(zhì)量指標的比較來看，每一次技術(shù)性修訂，其變壓器油質(zhì)量、抗氧化安定性等關(guān)鍵指標都做了提升，以減少變壓器油對變壓器壽命的影響，同時也體現(xiàn)了與變壓器油基礎(chǔ)油加工工藝技術(shù)改進的一致性。IEC 60296：2003、IEC 60296：2012修訂前后版本的性能指標差異見表4、表5。

從表4、表5可以看出，最新的IEC 60296：2012增加了潛在腐蝕性硫測試，不允許添加金屬抑制劑，不允許添加DBDS（二芐基二硫醚）添加劑，加嚴了硫含量和糠醛及相關(guān)物質(zhì)的指標等。這些新要求進一步提高對變壓器油基礎(chǔ)油的精制深度、降低硫含量和提高抗氧化性能。

同樣，ASTMD 3487標準也不斷在修訂，但其修訂不大 ，近幾個版本的修訂情況見表6。

從表6可以看出，ASTM D3487—2009取消了苯胺點范圍指標控制，也就間接取消了原來的環(huán)烷基限制。因為只有環(huán)烷基含量高、芳烴含量高的烴類結(jié)構(gòu)，其苯胺點才能達到63～84 ℃范圍。ASTM D3487—2016增加了呋喃化合物的控制指標，對變壓器油基礎(chǔ)油提出了更高的控制要求，對此可解讀為：一是控制采用老三套糠醛精制工藝生產(chǎn)的基礎(chǔ)油制造變壓器油；二是采用糠醛精制工藝生產(chǎn)變壓器油的企業(yè)嚴格控制糠醛回收工藝和白土吸附工藝以滿足指標要求。

表4 IEC 60296：2012比IEC 60296：2003新增項目

表5 IEC 60296：2012比IEC 60296：2003加嚴項目

表6 ASTM D3487近幾個版本修訂指標變化

國內(nèi)變壓器油標準的發(fā)展

目前，最新的變壓器油國家標準為GB 2536—2011。該標準是修改采用IEC 60296：2003《電工流體 變壓器和開關(guān)設(shè)備用的未使用過的礦物絕緣油》制定的，而GB 2536—1990是參照采用IEC 296—82《用于變壓器和油開關(guān)中的礦物絕緣油》中ⅡA技術(shù)要求制定的。新修訂的GB 2536—2011標準與國際接軌，分為通用類、特殊類和低溫開關(guān)油。該標準實施后，取締了SH 0040—90（98）《超高壓變壓器油》、SH 0351—92（1998）《斷路器油》，其新版和原版標準質(zhì)量指標差異較大，修訂較多，相關(guān)差異見表7～表10。

由表7～表10可以看出，GB 2536—2011標準中增加了PCA、PCB、糠醛含量等新指標，加嚴或提高了氧化安定性、酸值、腐蝕性硫、水分等控制指標，取消析氣性指標控制值得要求。由此提出了對變壓器油基礎(chǔ)油的低多環(huán)芳烴、高抗氧化性能、低硫含量和低酸值的深度精制的煉油工藝技術(shù)。從上述煉油工藝發(fā)展可以證明，只有經(jīng)過煉油加氫精制工藝技術(shù)的變壓器油基礎(chǔ)油更加符合最新的變壓器油標準的技術(shù)要求。

表7 GB 2536—2011中變壓器油（通用）與GB 2536—90相比新增項目

表8 GB 2536—2011中變壓器油（通用）與GB 2536—90相比的變更或加嚴項目

表9 GB 2536—2011變壓器油（特殊）與SH 0040—91相比的新增項目

表10 GB 2536—2011版本變壓器油（特殊）與SH 0040—91相比的變更或加嚴項目

變壓器油技術(shù)發(fā)展趨勢

從技術(shù)進步上看，世界范圍內(nèi)傳統(tǒng)煉油工藝十幾年來沒有出現(xiàn)大的進展，而加氫工藝和催化劑得到了較快的發(fā)展，國內(nèi)外較多地采用加氫裂化/加氫處理－異構(gòu)脫蠟－加氫飽和的全氫工藝生產(chǎn)變壓器油基礎(chǔ)油，也有少數(shù)采用加氫處理與傳統(tǒng)工藝結(jié)合生產(chǎn)變壓器油基礎(chǔ)油。近2年，殼牌用天然氣制油來研制變壓器油。從基礎(chǔ)油的加工工藝的發(fā)展來看，基礎(chǔ)油結(jié)構(gòu)組成的發(fā)展趨勢是提高鏈烷烴含量、具有適宜的環(huán)烷烴含量或降低環(huán)烷烴含量、降低芳烴含量或不含芳烴，如此制得的變壓器油基礎(chǔ)油更適合變壓器發(fā)展和變壓器油技術(shù)發(fā)展的要求。這與傳統(tǒng)的唯有環(huán)烷基基礎(chǔ)油更適合生產(chǎn)變壓器油的認識不相符了，為此需要隨技術(shù)發(fā)展而更新一些固有的觀點和概念。

從變壓器油標準的修訂更新來看，國外先進標準不斷提高抗氧化性能、抗腐蝕性、低溫流動性等要求，降低或不限制析氣性要求。這些變化也與變壓器油基礎(chǔ)油的煉油工藝提升息息相關(guān)。據(jù)文獻報道[2]，隨著芳烴含量的增加，變壓器油的析氣性變小，抗氧化性能變差，這就是說變壓器油的析氣性與抗氧化性能是一對矛盾。如果要降低析氣性，實質(zhì)是以犧牲氧化安定性為代價，這無疑縮短了變壓器油的使用壽命?？紤]到變壓器油的終身使用，氧化安定性差、析氣性小的變壓器油應(yīng)該不是變壓器制造企業(yè)的選擇和追求。

國內(nèi)現(xiàn)用最新標準GB 2536—2011是參照IEC 60296：2003制定的。由前述分析可知，IEC 60296—2012比IEC 60296：2003新增了很多項目，因 此GB 2536—2011和IEC 60296：2012存在一定差距。近幾年，變壓器油制造企業(yè)相繼推出了符合國際和國內(nèi)標準的產(chǎn)品，方法起草單位也修訂了符合IEC 60296—2012的試驗方法。為了與國際接軌，GB 2536—2011的起草單位也在著手開展參考IEC 60296—2012修訂GB 2536—2011標準的籌備工作。若GB 2536最新版本的修訂完成，國內(nèi)變壓器油標準將與國際完全接軌。為此將需要進一步研究變壓器油技術(shù)，確定國內(nèi)變壓器油質(zhì)量指標，完善變壓器油質(zhì)量指標管理。

結(jié)束語

隨著煉油工藝技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過加氫工藝技術(shù)生產(chǎn)的變壓器油基礎(chǔ)油，其環(huán)烷烴含量增加，鏈烷烴和芳烴含量減少，從根本上改變了烴類組成，使石蠟基基礎(chǔ)油也更適用于制造符合最新變壓器油標準的變壓器油。

國外、國內(nèi)變壓器油標準的修訂，提高了抗氧化性能、抗腐蝕性能、酸值要求，取消了析氣性，限制了金屬鈍化劑、DBDS等添加，其變壓器油的性能也就更加依賴于基礎(chǔ)油的性能要求。

不管環(huán)烷基變壓器油還是石蠟基變壓器油都采用了加氫技術(shù)，只有加氫技術(shù)生產(chǎn)的變壓器油基礎(chǔ)油才能符合國際、國內(nèi)變壓器油標準的要求。相信隨著石蠟基加氫技術(shù)的變壓器油推廣應(yīng)用，國內(nèi)市場上原有指定環(huán)烷基變壓器油的技術(shù)壁壘會逐漸取締。