潤滑油灌裝生產線頂線量的優化

張展鵬

中國石化潤滑油有限公司西北分公司

頂線油，是在潤滑油品灌裝環節切換品種時產生的油品。它的灌入，把前次灌裝油品從灌裝管線中頂出，故此得名。通過頂出操作，能夠消除灌裝管線、過濾器和灌裝機殘存的前次灌裝油品對后灌裝的油品的影響，確保后灌裝的油品合格，但也會產生一定量的頂線油。目前，潤滑油生產企業對頂線油的處理方式為回調，即按照一定比例，將頂線油作為原料回調入低檔油品中，不但造成利潤的損失和回調成本增加，還增加了油品的質量風險[1]。

某潤滑油生產企業（以下簡稱某企業）現每年頂線油產生量達數百噸，造成了一定的直接經濟損失，由于頂線油的降級使用，還可能會增加產品的質量風險。本文基于某企業的現有調合灌裝工藝，對頂線油產生量的影響因素進行了分析，確定頂線油產生量較多的原因，并制定控制措施。

潤滑油調合灌裝工藝簡介

某企業目前采用傳統的罐裝調合工藝（見圖1），將調合油品使用的添加劑、基礎油按照規定的比例分別輸送到調合釜內，按照規定的調合溫度，通過脈沖攪拌、泵循環相結合的方式進行攪拌至規定時間，在調合結束前10 min從管匯處向調合釜開始回流；待調合半成品檢測合格后，通過調合釜下的泵、管線、二級過濾輸轉到灌裝線，按規定頂出頂線油后，方可進行包裝產品的灌裝，灌裝結束后，按照規定的吹掃壓力、吹掃時間，對灌裝管線、過濾器內的油品進行吹掃，減少對下次灌裝油品的影響。

圖1 潤滑油調合灌裝生產工藝流程

頂線油產生量大的原因分析

工藝參數的影響

目前采用壓縮空氣對灌裝管線進行吹掃，吹掃時間和吹掃壓力是影響吹掃后管線殘留油品的關鍵因素，管線殘留量越大，頂線油產生量也越大。

吹掃壓力的影響

管線長度及容積一定的情況下，吹掃壓力越大，吹掃后管線殘留油品越少，但吹掃壓力過大，吹掃后期油氣大，對人員健康造成影響。一般采取間隔吹掃方式，即吹掃一定時間，稍微停頓一定時間后再次吹掃。目前采用吹掃壓力為0.4 MPa，吹掃30 s，暫停2 min，再吹掃30 s，暫停2 min，再吹掃30 s，暫停2 min，再吹掃30 s。

供圖/張展鵬

在某企業的1條灌裝線上，分別選用生產批次多，油品黏度和密度一致的不同批次抗磨液壓油、不同批次柴油機油、不同批次工業閉式齒輪油3種產品，在吹掃時間、暫停時間和吹掃次數不變的情況下，分別采用吹掃壓力為0.4 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa，考察吹掃壓力對頂線油產生量的影響，結果見表1。

表1 吹掃壓力對頂線油產生量的影響

由表1可以看出，抗磨液壓油的吹掃量為（BS+6）～（BS+14）kg，柴油機油吹掃量為（BS+4）～（BS+10）kg，工業閉式齒輪油吹掃量為（BS+2）～（BS+7）kg，故現有吹掃壓力與吹掃油品量關系不大，可以判定，現有工藝條件下，吹掃壓力對頂線油產生量影響較小。

吹掃時間的影響

管線長度及容積一定的情況下，吹掃時間越長，吹掃后管線殘留油品越少，但吹掃時間過長，吹掃油氣量大，對人員健康造成影響。

在某企業的1條灌裝線上，選用抗磨液壓油B，在吹掃壓力、暫停時間和吹掃次數不變的情況下，分別采用吹掃時間為30 s和60 s，考察現有吹掃時間對頂線油產生量的影響，結果見表2。

表2 吹掃時間對頂線油產生量的影響

由表2可以看出，抗磨液壓油吹掃油品量為（BS+9）～（BS+14）kg，故現有吹掃時間與吹掃油品量關系不大。因管線的殘留油品量與頂線量有必然聯系，所以，現有工藝條件下，吹掃時間對頂線油產生量的影響較小。

頂線量設置的合理性

在管線長度、容積和吹掃工藝一定的情況下，設置的頂線量越大，頂線油的產出量越大，成本損失也越大。

根據調合和灌裝生產工藝判定，對灌裝油品首件結果造成影響的管線為管匯出口管線、過濾器和灌裝機。因過濾器和灌裝機在灌裝最前端，對灌裝油品影響最大為管匯出口管線，故頂線量的設置需依據灌裝管線的長度、灌裝油品黏度、低溫性能及油品質量的相互影響制定。不同類別油品的灌裝管線的長度、頂線量設置值見表3。

表3 管線容量與頂線量設置值的對比

由表3可見，3種不同類別油品，現有的管線長度均小于搬廠前的管線長度，頂線量設置值均大于搬廠前。因此，現行頂線量設置值偏大，是頂線油產生量大的重要原因。

合理頂線量設置值的確定

灌裝管線末次殘留油品對灌裝產品首件檢測結果的影響

在管線長度、容積和吹掃工藝一定的情況下，頂線量設置值越大，頂線油產出量越大，不合格的風險越小，但成本損失也越大。一般是根據灌裝首件結果是否合格來確定頂線量設置值，但管線的末次殘留對灌裝首件結果的影響此前尚未進行過量化考察。

選擇某企業的1條200 L灌裝線，根據灌裝管線的長度、滿管容量及生產經驗，取固定頂線量設置值m固，利用混合黏度模型和多元回歸，確定灌裝管線末次殘留油品在灌裝首件產品的比例，從而量化其對灌裝首件結果的影響。

黏度是潤滑油主要的性能指標之一，也是劃分潤滑油牌號的重要依據和潤滑油企業生產過程中控制的關鍵指標。人們通過實踐總結出描述不同黏度油品混合后的混合黏度，其計算采用國際通用的黏度調合計算模型[2]：

式中：

u混——同溫度下的混合黏度，mm2/s；

ui——i組分同溫度下的黏度，mm2/s；

Vi——i組分的體積分數。

采用黏度調合計算模型，利用直線公式（2），使用最小二乘法對已知數據進行最佳直線擬合，以確定灌裝油品對應的調合半成品、灌裝管線末次灌裝油品分別在首件油品中的比例。

式中：

y——灌裝油品首件100 ℃運動黏度的對數；

x1——準備灌裝油品對應的調合半成品100 ℃運動黏度的對數；

x2——灌裝管線末次灌裝油品100 ℃運動黏度的對數；

m1——灌裝油品在首件油品中的比例，%；

m2——灌裝管線末次灌裝油品在首件油品中的比例，%；

b——回歸常數。

200 L灌裝線部分灌裝油品的100 ℃運動黏度數據見表4。

表4 灌裝油品的100 ℃運動黏度

對表4中100 ℃運動黏度生產數據的對數進行擬合，其中常數b按正常計算，并將函數返回附加回歸統計值，得到的回歸結果見表5。

表5 回歸結果

根據回歸結果，得出m1=0.969，m2=0.031，b=0。m值的絕對值越大，對y值影響也越大。其中m1為96.9%，說明在固定頂線量設置值m固下，灌裝油品在首件油品中的比例為96.9%，與理論值100%差距很小。另外，判定系數是判斷線性回歸的擬合程度，數值在0～1之間，其數值越大，說明因變量與自變量之間的線性相關程度越高，本次回歸判定系數為0.999 987 007，說明該模型的擬合優度非常好，同時也說明灌裝首件黏度結果與調合油品黏度結果、管線殘留油品有高度線性相關關系。常規情況下，若判定系數大于≥0.999，說明設定值m固是有效的。

使用上述固定頂線量設置值m固，根據試驗管線長度和管徑計算的滿管容量v試、灌裝油品的密度ρ，可計算出系數k：

反之，利用系數k，根據每條灌裝管線的滿管容量v和灌裝油品的密度ρ，可計算出每條灌裝線的頂線量設置值m：

選擇某企業的2條灌裝線（灌裝1線、2線），根據其管線長度、管徑和灌裝油品的密度，計算出新頂線量設置值分別為P kg、Q kg。

灌裝1線不同頂線量設置值下的灌裝首件結果對比

在灌裝1線上，對灌裝的3種發動機油，在新頂線量和常規頂線量（a kg～1.4a kg）設置下進行取樣，檢測運動黏度和低溫動力黏度(分別采用GB/T 265、GB/T 6538測定），與常規頂線量后取樣、原罐半成品進行對比，詳見表6和表7。

表6 灌裝1線不同頂線量設置值下的調合油品100 ℃運動黏度對比

表7 灌裝1線不同頂線量設置值下的調合油品低溫運動黏度對比

由表6和表7可以看出，新頂線量首件樣品與常規頂線量的首件樣品、原罐半成品黏度的極差值均滿足GB/T 265規定的不大于2.2%再現性要求，低溫動力黏度的極差值均滿足GB/T 6538規定的不大于8.9%再現性要求。

灌裝2線不同頂線量設置值下的首件結果對比

在灌裝2線上，對灌裝的4種車用齒輪油，在新頂線量設置值下進行取樣，與常規頂線量設置值（c kg～2c kg）下的取樣、原罐半成品進行運動黏度(采用GB/T 265測定）結果對比，詳見表8。

表8 灌裝2線不同頂線量設置值下的調合油品運動黏度對比

由表8可以看出，新頂線量首件樣品與常規頂線量的首件樣品、原罐半成品黏度的極差值均滿足GB/T 265規定的不大于2.2%再現性要求。

效果驗證

利用前述方法，對某企業每條灌裝線的頂線量設定值進行了優化，優化后每年減少頂線油約R%，減少回調成本損失C1萬元，添加劑的成本損失C2萬元，未出現因降低灌裝頂線量導致灌裝產品首件不合格的情況，市場未出現質量反饋。

結論

☆利用黏度計算模型和多元回歸，對灌裝管線油品殘留量進行了量化，確定了新的灌裝線頂線量設置值。生產驗證結果表明，對于所選擇生產的發動機油、車用齒輪油品種，新頂線量設置值下的首件樣品與常規頂線量設置值下的首件樣品、原罐半成品的黏度基本一致。

☆通過優化每條灌裝線的頂線量設置值，頂線油產生量和成本損失大大降低，提升了企業的經濟效益。