工業(yè)齒輪油應(yīng)用中常見問(wèn)題與重大隱患分析及對(duì)策

何天宇，張寬德，馬利花，吳健，袁婧銘

(1.中國(guó)石油潤(rùn)滑油公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)中心，上海 201800；2.中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

工業(yè)齒輪油的用量在工業(yè)應(yīng)用中僅次于液壓油，是水泥、鋼鐵、船舶及設(shè)備加工制造行業(yè)廣泛使用的潤(rùn)滑油產(chǎn)品之一。由于其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V，設(shè)備型號(hào)、工況及現(xiàn)場(chǎng)管理水平不同，工業(yè)齒輪油在應(yīng)用中問(wèn)題層出不窮，常見黏度下降、泡沫多、雜質(zhì)多、變色快等問(wèn)題；這些問(wèn)題產(chǎn)生的根源多種多樣，但系統(tǒng)異常加熱導(dǎo)致的油品變色、氣味異常及黏度下降問(wèn)題常被供應(yīng)和使用雙方忽視，而深層次的隱患在于油品熱裂解生產(chǎn)的輕質(zhì)組分對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行安全的影響。

1 工業(yè)齒輪油應(yīng)用中常見問(wèn)題

(1)黏度下降

黏度下降是工業(yè)齒輪油應(yīng)用中最常見的問(wèn)題之一，其原因多歸于齒輪系統(tǒng)的剪切因素或混入了其他低黏度油品，以至于稀油站異常受熱問(wèn)題常被忽視，導(dǎo)致運(yùn)行油黏度下降問(wèn)題反復(fù)存在。現(xiàn)階段工業(yè)齒輪油生產(chǎn)中已很少使用稠化劑，所以因剪切而導(dǎo)致的運(yùn)行油黏度下降幅度有限，對(duì)不同品牌N320工業(yè)齒輪油的實(shí)驗(yàn)室齒輪剪切試驗(yàn)結(jié)果表明其下降幅度多在5%以內(nèi)；針對(duì)那些容積較大的油箱，運(yùn)行油黏度大幅下降，則一定存在剪切或混油以外的因素。

(2)氣味異常問(wèn)題

常見的工業(yè)齒輪油，由于含有硫化烯烴，油品均帶有一種特殊的氣味——即行業(yè)常說(shuō)的“硫烯味”，常接觸這類產(chǎn)品的生產(chǎn)和操作人員很容易辨別，即使密封良好的油箱，也不能完全杜絕這種氣味溢出；由于稀油站環(huán)境的通風(fēng)條件、冬夏溫差的不同，其氣味或濃或淡，但正是這種特殊的氣味掩蓋了工業(yè)齒輪油異常受熱時(shí)散發(fā)的異常氣味——相對(duì)正常氣味更強(qiáng)烈刺激性氣味。不少用戶反映其稀油站氣味太大，供應(yīng)商也多以工業(yè)齒輪油本身就帶有較強(qiáng)烈氣味解釋，久而久之，運(yùn)行中出現(xiàn)的異常氣味也成了“正常狀態(tài)”。實(shí)際上稀油站氣味異常往往伴隨著油箱加熱系統(tǒng)異常，資料顯示，多硫烯烴熱分解溫度為190～260 ℃，遠(yuǎn)低于重質(zhì)石油組分熱裂化溫度，即運(yùn)行油氣味異常是稀油站加熱系統(tǒng)異常的前奏或預(yù)警。

(3)外觀顏色加深

相同的油品，在不同的油站使用，油品色度變化較快的系統(tǒng)往往伴隨著加熱系統(tǒng)異常及加熱管結(jié)焦問(wèn)題，其表觀性狀為，油品外觀呈墨黑色，油箱泡沫相對(duì)較多，且泡沫呈青灰色(見圖1)，而正常油品泡沫一般呈白色；這種狀態(tài)下油箱沉積物一般較多(見圖2)，換油時(shí)若不能徹底清理，新油很快會(huì)變色。

圖1 異常的油箱外觀

圖2 油箱沉積物

2 低油溫下潛藏的危機(jī)

工業(yè)齒輪油在運(yùn)行過(guò)程中，由于加熱與冷卻系統(tǒng)的相互作用，稀油站“表觀”油溫常顯示為40 ℃左右，從而導(dǎo)致了各方人員忽視了加熱系統(tǒng)異常問(wèn)題。加熱管結(jié)焦是油液循環(huán)不良的產(chǎn)物，用戶現(xiàn)場(chǎng)反映CKD460、 CKD320結(jié)焦程度比較嚴(yán)重，而使用CKD220的油箱結(jié)焦現(xiàn)象較少，進(jìn)一步說(shuō)明加熱過(guò)程潤(rùn)滑油黏度對(duì)油液循環(huán)的影響，黏度越高，循環(huán)性能越差，對(duì)此，如果不能調(diào)整油品黏度，就需要改變加熱方式，可以摸索分段加熱，同時(shí)啟動(dòng)油箱內(nèi)循環(huán)，漸次提高油箱溫度，從而避免局部過(guò)熱導(dǎo)致油品熱化學(xué)反應(yīng)問(wèn)題。

2018年4月，河南某鋼廠反映在用L-CKD320工業(yè)齒輪油黏度變稀，油液檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 不同稀油站在用油檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)數(shù)據(jù)表明：定尺剪、雙邊剪在用油黏度、閃點(diǎn)、密度及特征元素含量明顯下降，切頭剪在用油相對(duì)穩(wěn)定。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分別配有獨(dú)立稀油站，油箱容積12 m3，在用油為2015年10月同期換用同品牌L-CKD320工業(yè)齒輪油。從表1的檢測(cè)結(jié)果得到的第一判斷就是混油污染，即運(yùn)行油中混入了其他低黏度、低閃點(diǎn)，且關(guān)聯(lián)元素含量較低的油品，但由于現(xiàn)場(chǎng)油箱容積較大，且各類油液受控，基本可以排除向油箱中誤加大量低黏度、低閃點(diǎn)油品的可能性。

在另一案例中，西北某水泥廠水泥磨磨頭齒輪油箱發(fā)生閃爆，造成設(shè)備損壞，各方人員展開深度調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其他幾臺(tái)設(shè)備在用L-CKD320齒輪油均存在異常，具體檢測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表2 水泥廠不同設(shè)備在用油檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)結(jié)果表明，除生料磨B在用油性能基本穩(wěn)定，其他設(shè)備在用油遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離L-CKD320正常指標(biāo)。

為了進(jìn)一步確認(rèn)運(yùn)行油組成變化，對(duì)在用油進(jìn)行模擬蒸餾，并與新油數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，具體結(jié)果見表3。

表3 相關(guān)油品流程分析

注：就石油產(chǎn)品流程而言，沸點(diǎn)范圍≤200 ℃稱為低沸點(diǎn)餾分，碳鏈分布C5～C11主要是汽油、石腦油組分；沸點(diǎn)范圍在200～350 ℃稱為中間餾分，碳鏈分布為C11～C20，主要產(chǎn)品是煤油、柴油組分，而高于350 ℃的組分則稱為潤(rùn)滑油餾分。

分析結(jié)果表明，幾個(gè)油箱在用油均出現(xiàn)不同程度“輕化”現(xiàn)象，特別是水泥磨磨頭油箱在用油，超過(guò)20%的成分為汽油、柴油組分。

調(diào)查與分析結(jié)果表明，油箱中輕質(zhì)烴類組分積聚是事故發(fā)生的根本原因，那么，這些低分子烴類物質(zhì)又是如何產(chǎn)生的呢？

3 工業(yè)齒輪油深度變質(zhì)的反應(yīng)機(jī)理

資料顯示：在400～600 ℃，重質(zhì)石油組分就會(huì)發(fā)生熱裂化反應(yīng)，即相對(duì)分子量較大、沸點(diǎn)較高的烴類斷裂為相對(duì)分子量較小、沸點(diǎn)較低的烴類的過(guò)程，其產(chǎn)物主要是裂化氣(低分子烷烴、烯烴)、汽油和柴油等輕質(zhì)烴以及在反應(yīng)過(guò)程中不易分解的復(fù)雜組分縮合而成的焦炭；而在溫度達(dá)600 ℃以上時(shí)，則以裂解反應(yīng)為主，使長(zhǎng)鏈烴斷裂生成裂解氣(其成分復(fù)雜，除乙烯丙烯外，還有異丁烯、甲烷、乙烷、丁烷、炔烴、硫化氫等)與碳的氧化物等。表1～表3所涉案例各方面證據(jù)表明，油箱閃爆及在用油黏度下降、閃點(diǎn)大幅下降、油箱底部大量炭化物，無(wú)不與重質(zhì)石油組分熱裂化、裂解反應(yīng)產(chǎn)物相對(duì)應(yīng)。

良好的油循環(huán)系統(tǒng)可以保證加熱管表面維持在較低的溫度，一旦打破加熱與散熱平衡狀態(tài)，加熱管產(chǎn)生的熱量不能通過(guò)油液循環(huán)及時(shí)帶走，越來(lái)越高的溫度會(huì)導(dǎo)致油品發(fā)生裂化、裂解；在這一過(guò)程中，分解和縮合反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，輕組分溶解在運(yùn)行油中，一方面導(dǎo)致油品黏度下降，同時(shí)，隨著積累程度不斷加深，危機(jī)也越來(lái)越近。

另一方面，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的烴類及非烴類物質(zhì)縮合反應(yīng)造成加熱管表面結(jié)焦，如圖3所示，焦層越厚，加熱管換熱效率越低，熱反應(yīng)進(jìn)一步加劇；熱量傳遞不出去，有時(shí)還會(huì)發(fā)生加熱管燒損現(xiàn)象；結(jié)焦嚴(yán)重的系統(tǒng)中，常可在一些運(yùn)行油中或?yàn)V網(wǎng)上發(fā)現(xiàn)的黑色塊狀物，如圖4所示；而在系統(tǒng)控溫良好的油箱中，油品質(zhì)量穩(wěn)定，檢維修過(guò)程中常會(huì)發(fā)現(xiàn)加熱管比較干凈，如圖5所示，只有輕微結(jié)焦現(xiàn)象；這就是工況條件相同的油箱，換用相同的油品，運(yùn)行結(jié)果卻大相徑庭的原因。

圖5 干凈的加熱管

4 工業(yè)齒輪油應(yīng)用管理

現(xiàn)階段，各大品牌VG460黏度等級(jí)及以下工業(yè)齒輪油中，基本不含高分子聚合物，可以排除剪切作用導(dǎo)致油品黏度大幅下降的因素，在用油黏度異常下降應(yīng)與低黏度的油品混入或運(yùn)行中異常熱反應(yīng)相關(guān)。

正常的混油帶來(lái)的油品性狀變化是有跡可尋的，一般可以通過(guò)常規(guī)檢測(cè)逐項(xiàng)排除低黏度、低閃點(diǎn)的油品較大比例混入問(wèn)題，若是液壓油、壓縮機(jī)油、內(nèi)燃機(jī)油等常用產(chǎn)品混入，根據(jù)混入比例不同，在用油黏度或許會(huì)有比較明顯下降，但閃點(diǎn)正常應(yīng)高于200 ℃；所以，對(duì)于工業(yè)齒輪油黏度明顯下降，且閃點(diǎn)低于200 ℃的情況，應(yīng)引起設(shè)備管理人員足夠的重視和關(guān)注，其原因多為熱化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，具體可以從以下幾方面確認(rèn)和排除。

(1)油品黏度下降快：從混油或熱反應(yīng)兩方面排除；

(2)閃點(diǎn)大幅度下降：以熱反應(yīng)為主；

(3)油品變色快：排除系統(tǒng)污染，則以溫度異常導(dǎo)致油品氧化加劇為主；

(4)氣味異常：主要為異常加熱導(dǎo)致油品中含硫極壓添加劑氣味擴(kuò)散或分解；

(5)密度變化：可作為一項(xiàng)重要的參考指標(biāo)，排除現(xiàn)場(chǎng)可能混入的油品密度差異影響，異常下降以熱反應(yīng)為主；

(6)典型元素含量變化：排除混油因素，元素含量大幅下降可推斷為異常加熱導(dǎo)致添加劑降解，元素局部富集的結(jié)果。

5 結(jié)論與建議

結(jié)論：對(duì)于工業(yè)齒輪油黏度下降，現(xiàn)場(chǎng)人員常歸于混油或剪切因素，排除這兩方面因素影響，對(duì)于黏度下降幅度較大，且伴隨著變色快、氣味異常、閃點(diǎn)大幅下降時(shí)，其根源主要是油箱加熱系統(tǒng)異常導(dǎo)致油品高溫裂化裂解所致，隨著輕烴組分在油箱累積，危險(xiǎn)程度不斷增加，需及時(shí)檢查、整改，避免危機(jī)發(fā)生。

建議：對(duì)于高黏度工業(yè)齒輪油油箱，升溫時(shí)必須先啟動(dòng)油箱循環(huán)，同時(shí)保證“程序升溫”，避免加熱系統(tǒng)處于常開狀態(tài)，特別是大型油站，必要時(shí)可重新設(shè)置和分配循環(huán)油泵吸油口位置(可將吸油口配置到加熱管附近，并多點(diǎn)配置)，以便加熱管附近的受熱油品能快速對(duì)流，提高換熱效率；同時(shí)加強(qiáng)油站、油箱通風(fēng)，降低輕烴積聚，定期檢查、檢測(cè)油品表觀現(xiàn)狀，保證設(shè)備安全運(yùn)行。