蓄能電站調速器潤滑油破乳化度超標分析及處理

柳艷紅 張 娜 黃譯鋒 劉 俊

(1.南方電網調峰調頻發電有限公司檢修試驗分公司 廣東廣州511440；2.廣州機械科學研究院有限公司設備潤滑與檢測研究所 廣東廣州 510530)

調速器是水輪發電機關鍵的控制系統，起到對水輪機導葉在不同工況下開啟和關閉速率的控制，由于抽水蓄能機組工況復雜，因而水輪機調速器對于保障水輪機的可靠運行十分關鍵。水輪機調速器本質上是一個液壓系統，主要由油箱、油泵、閥、執行單位構成。潤滑油是系統運行的關鍵介質，潤滑油狀況的好壞直接關系到調速器系統的運行，因而現場對調速器在用油進行定期取樣檢測，可以評估潤滑油的各項性能指標[1]。破乳化是調速器在用油日常監測中的一項核心性能指標，該指標是否合格關系到油品遇水是否發生乳化。而導致油品破乳化不合格的原因有多種，不同的原因對應不同的處理措施。本文作者從油品破乳化相關機制研究出發，通過與破乳化相關聯指標的分析，推斷出導致調速器在用油破乳化不合格的原因，再通過采取相應的處理措施，使油品破乳化指標恢復正常，從而驗證推斷是正確的。

1 故障現象

調速器用到的潤滑油型號為某進口品牌ISO VG46渦輪機油，在日常的取樣檢測中多次發現其破乳化指標不合格，超出標準控制范圍值，相關檢測數據示例見表1。破乳化指標衡量的是油品與水分離性能的好壞，破乳化指標不合格代表油品與水的分離能力差，這樣一旦油中出現水分超標的情況，油中的水分可能分離不出來，從而導致油品乳化，影響油品的性能，進而影響調速器的運行，因而調速器在用油出現破乳化指標不合格是一個需要關注的問題[2]。

表1 相關檢測指標數據Table 1 Related test indicator data

2 原因分析

潤滑油的破乳化性能也稱之為水分離性能，衡量的是潤滑油在遇水的情況下，抵抗與水混合形成乳化液的能力。潤滑油的破乳化性能越好，代表油品與水分離的時間越短，那么油中進水帶來的影響也更小；反之，破乳化性能不合格代表油品在規定時間內無法與水分開，那么油品遇水時更易發生乳化，也對設備的潤滑產生影響[3]。

2種液體之間能否形成穩定的乳狀液取決于2種液體之間界面張力的大小，由于界面張力的影響，分散相總是傾向于縮小2種液體之間的接觸面積以降低系統的總表面能，即分散相總是朝著由小液滴合并成大液滴的方向發展，以便以減少液滴的總表面積，乳化狀態也就隨之被破壞[4-5]。潤滑油與水之間的界面張力大小取決于多項因素：

(1)對于新油而言，主要取決于基礎油的精制程度和油中添加劑的情況。基礎油精制程度越深，其與水之間的界面張力就越大，就越不容易與水形成穩定的乳狀液，新油的破乳化性能也就越好。但對于潤滑油而言，除了基礎油，還添加有添加劑，而很多添加劑都是表面活性物質，如清凈分散劑、極壓劑等，這些添加劑都會減小潤滑油與水之間的界面張力大小，從而使潤滑油破乳化性能變差。基于此，潤滑油中還添加有破乳劑，其作用就是提高潤滑油的抗乳化性能[6-7]。

(2)對于在用油而言，主要取決于污染和破乳劑的消耗情況。例如，粉塵、油泥、油品氧化產物等污染物會降低油水界面張力，從而使得潤滑油的破乳化性能變差；而如果油中破乳劑消耗殆盡，也會導致潤滑油的破乳化性能降低。

調速器潤滑油使用的是國外大品牌油品，基礎油精制程度理論上較一般油品更優，其新油破乳化度檢測結果也是合格的，因而可以排除因基礎油精制程度的原因導致的破乳化性能不合格。那么，在用油破乳化不合格的原因可能有2個方面：一是潤滑油中的破乳劑消耗嚴重導致破乳化不合格，二是油中污染物導致破乳化不合格[8]。通過查閱相關資料和咨詢相關廠家，因破乳劑消耗導致油品破乳化度不合格的情況較少，因而文中重點分析污染導致油品破乳化不合格。

首先，從表1中可知，調速器在用油污染度等級為7級，在控制范圍內(≤8)，說明在用油中較大顆粒(≥6 μm)污染物數量并不是很多[9]。其次發現在用油檢測指標中，除了破乳化度不合格外，漆膜傾向指數(MPC)指標也超標。漆膜也稱之為積碳、結膠、漆狀物質、彈性氧化物、漆皮等，是一種可能為橙色、棕色或黑色非溶解性的膜狀沉淀物，其主要成分為高分子烴類聚合物。漆膜在使用一段時間的機械設備的油液中普遍存在，尤其在高壓液壓系統或是溫度較高的透平系統中。目前關于漆膜的形成有多種理論解釋，其中有學者提出的軟性污染物沉積理論得到較為廣泛的認可，該理論認為漆膜的形成過程有以下4個步驟[10]：

(a)運行中的透平油先產生亞微米級別的降解產物，此產物在運行溫度下可溶；

(b)由于產物是極性分子，隨著其濃度的逐漸增高，產物分子之間相互作用，開始結合成較大的分子，超出了漆膜溶解的飽和點，逐漸從油中析出，溫度的降低還會加快漆膜的析出速度；

(c)漆膜容易吸附在金屬組件的表面，特別是低溫處和縫隙處；

(d)一段時間之后，逐漸成膜、碳化，變得難以除去。

漆膜形成過程示意圖如圖1所示。

圖1 漆膜形成過程Fig 1 Forming process of varnish

由于潤滑油在使用過程中一直處于劣化變質過程，包括基礎油的氧化，添加劑的降解，尤其是在一些高溫或高壓系統中這種進程相對更快，這些降解產物通常是亞微米級別的極性物質。當這些極性降解產物量較少時，其可以溶于潤滑油中，對油品的性能影響較小；但當這些產物逐步積累較多時，一方面這些產物會充當油品劣化變質的催化劑，進一步加快油品的劣化變質速度，另一方面，這些產物開始對油品各方面的性能產生影響，如MPC指標升高，油品破乳化性能不合格。研究表明，漆膜與油品泡沫特性變差也存在關聯，進一步發展會導致油品酸值增加，宏觀上甚至會帶來軸瓦溫度的上升、閥件的卡澀，因為漆膜易附著在金屬表面，導致表面散熱不良和閥芯堵塞[11]。

3 處理措施

根據上述分析，基本推斷出導致調速器在用油破乳化不合格的原因是油中積累的微小污染物(<1 μm)數量較多，這些污染物會導致油水界面張力下降，從而使得油品的水分離性能變差。從表1中可知，在用油酸值等表征油品氧化變質程度的指標仍處于控制范圍，推斷調速器在用油還處于劣化變質的早期階段，通過采取相關措施可以恢復油品的正常性能。為此現場使用了一款靜電濾油機對在用油開展過濾凈化，如圖2所示。該過濾裝置的技術原理是將待過濾的潤滑油分成兩路并帶上不同的電荷，然后把兩份油品混合，使帶不同電荷的軟性污染物結合形成較大顆粒，聚合沉降，最后進行濾除，通過該過濾裝置可以將油中較小顆粒的污染物濾除。

圖2 現場過濾裝置Fig 2 On-site filtering device

現場在檢修期間對調速器油箱中的在用油開展了過濾，并在過濾的不同階段取樣檢測，結果如表2所示。可看出，過濾160 h后，調速器潤滑油的MPC大幅降低，污染度等級也降低，但破乳化仍然不合格；當過濾200 h后，調速器潤滑油的破乳化指標恢復正常。這進一步驗證了上述的分析判斷，即調速器在用油破乳化指標不合格是由于油中亞微米級氧化污染物較多引起。需要說明的是，由于該類靜電過濾裝置屬較精密過濾設備，因而流量較小，現場操作時需保障充足的循環過濾時間以便對油品進行充分的過濾。

表2 相關樣品檢測數據Table 2 Related test indicator data

4 結論及建議

(1)調速器在用油在日常取樣檢測中多次出現破乳化度指標不合格，分析其原因，一是破乳化添加劑消耗導致，一是污染物導致。結合在用油MPC指標也超標的情況，判斷調速器在用油破乳化指標不合格的原因是油品自身劣化變質產物污染所致，這類亞微米級氧化顆粒污染物不能通過調速器在線濾芯或是普通離線濾芯去除，使得油水界面張力降低，從而導致油品更易乳化。通過采用靜電過濾裝置對調速器在用油進行過濾后，在用油破乳化指標恢復合格，這進一步驗證了在用油破乳化指標不合格是由于油中微小污染物過多導致。

(2)在日常設備運行維護中如發現在用油破乳化不合格的情況，可以考慮綜合相關指標的數據來分析導致破乳化不合格的原因，尤其是MPC指標。從文中可看出MPC指標與破乳化度指標存在強的關聯性，具體來說可把MPC指標作為油品發生劣化變質的“先行”指標，即當油品發生劣化變質時，隨著亞微米級氧化產物的積累首先表現出不合格的可能是MPC指標，然后這些污染物開始慢慢對油品破乳化這些指標產生影響。當對這些污染物開展過濾操作時，首先下降的也是MPC指標，接下來破乳化指標也跟著下降。當然這只是現場處理過程中的經驗總結，并不能作為一般推論推廣開，至于渦輪機油MPC指標與破乳化指標之間的確切關系值得相關科研機構開展研究，現場也可在以后的工作中積累相關的工程經驗。