介電常數法評定艦用汽輪機油分水性能研究

王建華 張博

摘要：基于油水混合電介質的介電常數與水分離的變化規律，利用介電常數法評定主流艦用汽輪機油的分水性能，測定油樣的破乳化時間和分水后油層的含水量，分析電容變化率與分水時間的關系，以及油層微觀形貌，目的是研究介電常數法評定汽輪機油分水性的可靠性。研究發現，介電常數法能夠判定艦用汽輪機油的破乳化時間，且具有較好的重復性;因某些汽輪機油組分的抗水洗性能差，油水混合后會在電介質中引入帶電離子，致使電容器測量精度受到巨大影響。

關鍵詞：介電常數;汽輪機油;分水性;評定方法

中圖分類號：TE626.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）09-0130-08

0 引言

艦船汽輪機以水蒸氣為工作介質，使得艦用汽輪機油在使用過程中不可避免地混人水分。分水性是表征艦用汽輪機油抗乳化性的主要理化性能指

收稿日期：2017-12-08;收到修改稿日期：2018-11-16

作者簡介：王建華（1970-），男，江蘇溧陽市人，研究員，博士，主要從事潤滑設計、潤滑劑研制以及潤滑劑性能評定研究。標[1]。如果分水性能不好，水進入汽輪機油便會引起油品乳化，使得油水不易分離，將引發汽輪機油加速氧化變質及潤滑部位腐蝕生銹，從而影響整個潤滑系統的正常工作，給設備帶來極大的危害。

目前，我國現用國家標準GB/T 7305-2003《石油和合成液水分離性測定法》和行業標準SH/T0191-1992《潤滑油破乳化值測定法》評定艦用汽輪機油分水性能[2-5]。同時，國際上公認的用于評定汽輪機油分水性能的方法有美國材料與試驗協會標準ASTM D1401，聯邦德國工業標準DIN51589-1，國際標準化組織標準ISO6614，日本國家標準JISK2520，法國國家標準NFT60-125，英國國家標準BS2000-19，以及前蘇聯國家標準FOCT12068-66等多種評定方法[6-8]。我國現用的GB/T7305-2003和SH/T0191-1992分別源自美國標準ASTMD1401和英國標準BS2000-19，屬于宏觀定性分析分水性能，試驗全過程由人工記錄數據，依靠人眼判斷分水體積從而得出試驗節點，自動化程度較低，受人為影響因素大;有時，評價合格的油品在實際使用中破乳化后油內仍含有大量水分，無法反應油層內即時含水、分水速率等情況，無法表征油層內的游離水即時分離程度，對研制破乳劑配方提供分水性評定指標不直觀。

在潤滑油性能檢測中，介電常數已被引入到性能檢測或監測的技術中。以油液和引入雜質的混合介質的介電常數變化為依據，通過電容值表征油品指定性能的檢測法叫做“介電常數法”。目前，利用介電常數法檢測油品性能的研究已在多種油品、油品的多種性能檢測等方法展開，研究結果表明，介電常數法能夠明顯表征出油品的顆粒污染物（包含鐵、SiO₂等外來顆粒）、酸值、水分等指標的變化情況[9-14]。以上研究多集中于表征油品引入微量雜質條件下的性能變化。對于油品引入大量雜質，且混合介質發生變化和快速分離時，介電常數法能否繼續適用，以及混合介質變化對傳感器的設計提出何種要求等方面的研究并未深入討論。

本文將依托電容器，結合試驗儀器特點制定評定方法，利用油水介電常數相差大的特點，在引入大量水分情況下，考察艦用汽輪機油的分水性能，確定試驗油樣的破乳化時間，測量分水后油層含水量，觀察油層微觀形貌，分析用介電常數法評定艦用汽輪機油分水性能的可行性及需要改進的方面。

1 原理部分

1.1 電介質介電常數應用原理

1.1.1 電介質介電常數與測量電容值

介電常數，又稱電容率，可通過測量平行板電容器的電容來計算介電常數。當電容器內充滿介電常數為。的均勻電介質時，電容器的電容量與極板尺寸及其間電介質的介電常數存在以下關系：

式中：S——電容器單.極板的面積;

d——兩個極板之間的間距;

ε₀——真空介電常數，ε₀=8.85×10^-12;

ε_r——電介質相對介電常數;

C₀——無電介質時電容器的電容。

可以看出，通過測量含有電介質時電容器的電容C的方法，可以得到該電介質的相對介電常數ε_r，表達式為：

當一個電容傳感器制作好后，其電極板面積s和極板間距離d就是固定值，其在真空中的電容值C₀也是固定值。所以，電容值僅與電容內的電介質的介電常數有關。此時，電介質的介電常數可通過測量電容值進行表征，當電介質的介電常數變化時，所測電容值也隨之變化。

1.1.2 電介質介電常數的變化

潤滑油是一種復雜的混合物，可以看作是弱極性液體電介質，當潤滑油中未引入污染物時，其介電常數約為2。此時，將潤滑油作為電介質，電容兩極加產生場強Eo的電壓時，測得的電容值是一個固定值。當將水作為污染物引入潤滑油時，將含水潤滑油的混合物作為電介質，在電容器兩極加場強E₀的電壓，潤滑油介質電子定向移動會產生一個與外加電場E₀方向相反的弱電場E₁，水在電場中也會激發一個與E₀反向的弱電場E₂，此時電容極板間的合電場E為E=E₀-E₁-E₂，此時可得電容內混合電介質的介電常數ε與電場強度的關系為：

由式（3）可以看出，在外加電場情況下，平板電容間的潤滑油和水中的極化電子的定向移動所產生的兩個電場削弱了外加電場，混合電介質中的極化成分越多，產生的反相電場強度越大，使得混合電介質的介電常數就越大。當油水混合電介質中的水從中分離時，混合電介質中的極化成分減少，反相電場強度變弱，混合電介質的介電常數變小。所以，油水混合電介質的介電常數會隨水從混合液中分離而逐漸變小，當油水分離結束時，此時的電介質介電常數將穩定不變。

1.1.3 應用原理

本文所述的介電常數法是將艦船汽輪機油及水分作為電介質，在外加電場條件下，利用油（相對介電常數約為2）混入水（相對介電常數約為80）后所產生的反相場強較大，使得混合電介質的介電常數大于純潤滑油，再結合艦船汽輪機油具有分水性能的特點，在油水分離過程中，油液中的水分減少，引起混合介質的介電常數下降，使得測量電容值下降，根據電容值變化率由快到慢的時間來評定油品的分水性能。

1.2 實驗儀器工作原理

1.2.1 儀器結構

本研究所用的是平行板結構電容器，為方便試驗中油水混合攪拌，并減少攪拌結束至開始測量這段準備時間，特將12塊矩形金屬板環繞攪拌軸等距縱向排布，每相鄰的兩塊金屬板是正負極，相隔極板為同極;攪拌軸底端與電容器有一段分開距離，在此設有由高速電機驅動的攪拌槳，完成油水混合的攪拌工作，其外觀結構如圖1所示。另選用LCR測量儀（電感、電容及電阻測量儀）連接正負極接線柱測量電容值，選取工作頻率為1kHz。試驗油與水的混合介質置于容積約為200mL，直徑略大于攪拌槳的不銹鋼圓柱形盛油器，套于電容外并固定。

1.2.2 工作原理

在電容器兩極加電場，所測電容值與電容極板間填充的油水混合相的介電常數有關。盛油器中的油水混合液在攪拌槳的攪拌下，形成均勻的乳狀液（圖2（a）所示）。當攪拌停止時，乳狀液中的水相從油相開始脫離（圖2（b）所示）。隨著時間增加，水層逐漸明顯，乳化層高度降低，油層高度增加，整個混合相中的含水量在降低，此過程中電容器極板間的電介質介電常數在下降，所測電容值在下降。當破乳化完成，油層、水層、乳化層基本穩定時（圖2（c）所示），油層將充滿整個電容器的兩極之間，此時油層內的水量較少，水相分離速度變得非常緩慢，介電常數會緩慢下降甚至穩定不動，表現為測得的電容值變化較小或穩定。當在一段時間內，所測電容值變化幅度達到實驗設計要求，便停止測試，認定此時油水分離已經結束。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

試驗油選用符合美國、俄羅斯及我國軍用產品規范的艦用汽輪機油，對試驗油進行編號，以字母代表生產廠家，以數字代表生產批次，具體情況如表1所示。

2.2 實驗方法

1）室溫條件下，稱量135mL的試驗油和20mL的蒸餾水（設計此油水加入量是為滿足油水分離后，水層和乳化層高度不會達到電容器極板的最底端，油層頂端要漫過整個電容器極板，使得極板之間充滿且僅有均勻相，如圖2（c）所示）注入盛油器，并套于電容器外固定。連接LCR測量儀，選取測量電容模式，設置工作頻率為1kHz。打開攪拌器開關，以轉速1000r/min，攪拌1min，關閉攪拌器。從關閉攪拌器開始，每1min記錄一次LCR儀所示電容值，直到3次連續記錄的電容值差不大于0.1pF，即可停止試驗，此時的時間即為油樣的破乳化值。以上實驗步驟重復3次，取平均值作為試驗油的最終破乳化值。

2）利用梅特勒V30水分儀，以卡爾·費休法（GB/T11133-89）測量油水分離后油層含水量，每個油樣進行3次試驗，取平均值。

3）選用德國卡爾蔡司產Axio Scope.Al型研究級正置數字顯微鏡觀察油層微觀形貌。

3 結果與分析

3.1 電容值-時間與含水量分析

圖3（a）～（h）是用介電常數法測得A1油-E3油的電容值與時間關系曲線。將各油樣每次試驗的破乳化值結果記錄在表2中，每個油樣測定3次，以平均值作為破乳化值，E1、E2、E3油無法達到砌金要求的電容差值的結束條件，故未測得破乳化值。A1油～E3油分水后油層含水量的測定結果如表3所示，以平均值為含水量值，結合表2的破乳化值，C油分水速率最快，其分水后的油層含水量較高，達到了4.372%，B油分水速率較低，分水后油層含水量也較低，為2.434%。E1～E3因不滿足試驗結束要求的電容差值，故其含水量是在分水很長時候后測得，所以其含水量降到1.3%左右。

油水分離過程中，復合標準GJB 1601A-1998的油樣所表現出的電容值變化情況類似，并區別于其他5個油樣。A1油在前2min內分水速率較快，4min內完成分水，破乳化值為3min，油層含水量為3.450%，分水結束時3次試驗所得電容值均比較穩定，電容穩定值存在略微差值，試驗重復性較好，如圖3（a）所示。A2油分水過程中所測電容值一直下降，5min內滿足試驗停止條件，破乳化值為4.7min，油層含水量為5.92%，分水穩定時3次試驗所得電容值相差不大于0.9pF，試驗重復性較好，如圖3（b）所示。B油分水時間較長，在前30min一直處于快速分水階段，30min以后分水速度下降趨于停止，40min內完成分水，破乳化值為37min，油層含水量為2.434%，分水結束穩定階段，3次試驗所得結果偏差在3 pF以內，其中第2次試驗出現先下降又快速回升的情況，應該與設備測量誤差有關，整體所得結果在測量誤差允許范圍內，如圖3（c）所示。C油分水速度很快，2min內完成分水，破乳化值為1.3min，油層含水量為4.372%，分水結束時測得電容值穩定，幅度范圍不大于0.1pF，如圖3（d）所示。D油分水速度較快，2min內完成分水，破乳化值為2min，油層含水量為3.421%，分水結束時所得電容值穩定不變，3次試驗重復性很好，如圖3（e）所示。E1油分水時間較長，在進行100min時還未達到試驗停止條件，人為停止試驗，測得此時油層含水量為1.358%，判斷實際油水分離應早就完成。其分水過程中所測電容值與時間關系與前4個油樣存在明顯區別（如圖3①所示），主要表現在：1）電容值變化態勢為隨時間先上升后下降（前3個油樣多為直接下降）;2）測得電容值偏高，試驗未加樣前測得電容值為12.8pF，分水過程中測得最高電容值超過3500pF，分水100min時，所得電容值最低也接近2000pF，按測試原理公式（1）計算，所得最小介電常數接近160，該值已超出水的介電常數（80）;3）試驗所得電容值變化趨勢雖然表現為總體下降，但經過很長分水時間后，一直沒有達到設計試驗結束條件;4）3次試驗所得電容值曲線重合性不好，試驗重復性較差。E2油和E3油分水過程中測得的電容值一時間曲線的變化趨勢與E1油有相同之處，也有一定的差別。如圖3（g）和圖3（h）所示，相同之處在于：電容值均是先上升后下降，分水時間長，試驗結束條件難以達到，試驗重復性差;區別在于：E2油與E3油測得的電容值較E1油有所下降，以公式（1）計算得出的介電常數值在理論允許范圍內。E2油與E3油時間結束時油層內含水量分別為1.303%和1.243%。

3.2 電容值變化復雜情況分析

分析發現，復合產品規范GJB1601A的油樣在試驗過程中均測得的電容值較大，并且電容值降低緩慢，長時間無法達到實驗設計的結束條件，而其他油樣則不存在這種現象。分析產品規范GJB1601A與非GJB1601A的汽輪機油的成分組成，得出規范GJB1601A的汽輪機油中添加了防銹劑十二烯基丁二酸（T746），而非GJB1601A的汽輪機油中沒有添加這種防銹劑。為判斷引發這種現象的原因是否由于油品中加入T746，進行以下測試：1）測量符合規范GJB1601A的油樣油水混合前后水層的pH值;2）在非GJB1601A的油樣內加入0.1%T746，之后測量油樣混水前后水層pH值。表4是GJB1601A油樣混水前后水層的pH值;表5是非GJB1601A油樣油水混合前后水層的pH值。

表4所示，E1油、E2油和E3油在油水混合后，水層的pH值均發生不同程度的降低，呈弱酸性，說明這3個油樣中含有能夠遇水發生反應生成水溶性酸的物質，使得水層pH值下降。這3個油樣中均含有T746，至于水層pH值變化程度不一的原因在于：一是不同批號的汽輪機油加入的T746量有區別;二是分水使得防銹劑T746被洗出，洗出程度不同。

表5可以看出，C油和D油在未加入T746以前，油水混合前后水層的pH值變化不大，基本保持中性，油水混合沒有改變水層的酸堿性。而當這兩種油中加入T746后，油水混合前后水層的pH值變化較大，pH值明顯降低，呈現弱酸性，說明T746遇水形成了水溶性酸，給油水乳狀液中引入了酸性離子。

結合以上分析，得出含有T746的汽輪機油在發生油水混合時，T746遇水會生成水溶性酸使得水層的pH值下降，水層內的游離H蹭加。同時，游離的H啥溶解在水中，同未分離的水滴一同存在于油層內。當油層在外加電場作用下，水滴內的H啥發生極化，產生定向移動，形成非常微弱的電流，連通電場兩極。對于電容器而言，則表現為充電的同時發生放電，影響了電容值的變化規律，以至于出現電容值過大、變化緩慢、不穩定等現象的發生。

3.3 油層微觀形貌分析

乳狀液是高比界面積體系，多個小液珠合并成一個大液珠的過程是一個不可逆過程。它將導致液珠數目逐漸減少和液珠平均直徑不斷增大，經過絮凝、聚并、沉降3個過程，最后使乳狀液完全破壞，油相和水相分離。液珠聚并主要受兩個過程控制，一是液珠之間液體的排液，二是油水界面膜的破裂。油水分離過程中，乳狀液中的液珠粒度越大，界面膜越薄，越利于破乳化。液膜的排液動力主要來自重力、彎曲界面壓差、流動壓差、布朗運動、液珠運動的慣性力，統稱為聚并力。液膜的穩定性取決于上述各種作用力的方向、相對大小和液膜內液體的性質。

為確定艦用汽輪機油混水后的分水程度，分析了油層的微觀形貌。圖4是8個油樣試驗結束時油層的微觀形貌。盡管分水試驗已經結束，但油層中還含有不同數量的液滴，液滴的直徑大小分布、形貌、數量有所不同，油層內仍然含水。

A1油與D油含水量接近，液滴直徑大小分布接近，A1油液滴以圓形為主，D油中液滴多數以不規則橢圓形為主，液滴密度相近，圖4（a）和圖4（d）。A2油層內液滴密度較大，且液滴直徑分布較窄，多數以大液滴為主，驗證了AZ油含水量大的測量結果。B油的液滴密度與A1油接近，其中直徑較大的液滴內含有較多直徑較小的液滴，液滴含液滴的形貌比較明顯，如圖4（c）所示。說明B油形成了油包水，水又包油的乳狀液形式，這種復雜乳狀液的油水分離過程比較緩慢，解釋了B油分水時間較長的現象，且大水滴中的油滴占據了一定的體積，驗證了含水量略低于A1油的結果。C油含水量較大，油層內液滴直徑明顯大于其他油樣，大直徑液滴內含油滴較少甚至沒有，液滴密度較大。C油分水結束時間最短，但油層內還有大量水分沒有分出，其破乳化值并沒有準確地表征C油的分水性。E1油、E2油和E3油采用該方法評價分水性時，并沒有得到準確的破乳化值，試驗進行了100min結束，該操作給油水分離提供了充分的時間。3個油樣油層內液滴密度、液滴直徑均小于其他油樣，驗證了含水量小于其他油樣的結果。A2油油層內液滴密度較大，且液滴直徑分布較窄，多數以大液滴為主，驗證了A2油含水量大的測量結果。

介電常數法以破乳化值作為檢驗油品分水性能優劣的評判標準。A1油、A2油、B油、C油和D油可以用該方法評價其分水性能，但受電容器設計結構、試驗方法及油品分水性能差異的限制和影響，當時間結束時，油層內依然含有大量水分，并不能準確表征油品的分水性能。而對于符合標準GJB1601A的油樣（E1油、E2油和E3油）而言，因受引入外來離子的影響，以致試驗一直沒有達到結束條件，分水時間較長，如果以破乳化值作為分水性優劣評判標準，那么這3個油樣的分水性能應是所有樣品中最差的。但結合油層微觀形貌分析結果，這3個油樣是所有樣品中含水量是最少的，油水分離效果最明顯，所以無法用本方案中所用的電容器準確地評定符合產品規范GJB1601A油品的分水性。

4 結束語

1）介電常數法能夠判定艦用汽輪機油的破乳化時間，且該方法具有較好的重復性，正確地使用介電常數法能夠準確快速地評定汽輪機油的分水性能，減少傳統評定方法因引入工操作引入的測量誤差;同時，實驗過程中能提供油水即時分離速率，為遴選、研制破乳化劑提供一種試驗手段。

2）當復合產品規范GJB 1601A汽輪機油引入水分后，汽輪機油中的組分防銹劑（T746）因其抗水洗性能差，形成水溶性酸，使得電介質中含有游離H⁺，引發無絕緣設計的電容器測量精度受到巨大影響，無法完成破乳化時間的確定。

3）將介電常數法應用到艦用汽輪機油分水性能評定上，需要將電容器的結構設計、測量精度、工作頻率與電壓以及試驗方法等多個方面視為應用研究的重要工作，以提高測量精度，將外界因素產生的各種影響降至最低。

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（編輯：徐柳）