燃機(jī)潤滑油靜電現(xiàn)象分析與控制

樊剛，侯東生，安思遠(yuǎn)，李盟

（1.思肯環(huán)境科技（天津）有限公司，天津 300035；2.大唐國際發(fā)電股份有限公司北京高井熱電分公司，北京 100041；3.華能北京熱電有限責(zé)任公司，北京 100023）

在燃機(jī)系統(tǒng)潤滑運(yùn)行中，由于燃機(jī)潤滑油屬于高溫干燥的運(yùn)行環(huán)境，同時與系統(tǒng)部件有過油接觸，就會發(fā)生摩擦導(dǎo)致靜電產(chǎn)生。國際過濾專家就提醒過潤滑油的靜電現(xiàn)象是很危險的，但渦輪機(jī)生產(chǎn)廠家和燃?xì)鉄犭姽疽恢焙鲆暳诉@個問題，或者認(rèn)為它的危害作用很小。隨著國內(nèi)各種燃機(jī)快速發(fā)展和陸續(xù)安裝投運(yùn)，燃?xì)廨啓C(jī)潤滑油運(yùn)行的靜電現(xiàn)象對電廠提出更高要求。

燃機(jī)靜電現(xiàn)象以多種方表現(xiàn)出來，最明顯的是可聽見的噪音。因為靜電荷積累的放電會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生火花，嚴(yán)重影響潤滑油以及油系統(tǒng)其他部件正常運(yùn)行，引起油泥膠質(zhì)物問題等次危害。如果引起軸瓦的磨損和溫度升高，控制系統(tǒng)伺服閥的卡澀，就會導(dǎo)致頻繁地非計劃停機(jī)和檢修。給燃?xì)怆姀S的發(fā)電供熱和設(shè)備維護(hù)帶來重大損失。

1 燃機(jī)潤滑油靜電現(xiàn)象

燃機(jī)潤滑油系統(tǒng)靜電放電是一種油系統(tǒng)局部熱降解現(xiàn)象。最新研究發(fā)現(xiàn)潤滑油的靜電放電也是油泥和膠質(zhì)物形成的主要原因。油系統(tǒng)內(nèi)部靜電放電現(xiàn)象產(chǎn)生是潤滑油和設(shè)備表面之間分子摩擦的結(jié)果。

潤滑油流過管道或微孔結(jié)構(gòu)時會獲得電荷，當(dāng)這種電荷被帶往下游時稱為流動電流。較低的電導(dǎo)率和較高的累積電荷相結(jié)合導(dǎo)致靜電放電增加，即當(dāng)電荷放電到過濾介質(zhì)下游的金屬表面以及下游濾芯網(wǎng)上，有燒痕現(xiàn)象時發(fā)出咔嗒聲。在潤滑系統(tǒng)的軸瓦間隙、彎管紊流區(qū)等區(qū)域形成擠爆。一旦這些靜電荷沉積在油系統(tǒng)工作區(qū)域包括油箱內(nèi)部，接著就會產(chǎn)生靜電荷放電，就好比閃電穿過流體，造成局部的熱氧化和油的降解退化。

1.1 靜電引起電火花

高精度的油濾芯在燃機(jī)潤滑系統(tǒng)高溫干燥的影響下，時常伴隨電火花發(fā)生。靜電放電會發(fā)生在濾芯表面或者過濾器內(nèi)部。如果放電到過濾器組件外殼的金屬零件上，會導(dǎo)致外殼表面損壞和燒傷痕跡，以及其他過濾器元件損壞。

1.2 濾芯上的電火花腐蝕斑點

電火花在濾芯上靜電放電，在濾芯核上的電火花腐蝕斑點就是靜電放電現(xiàn)象的最好例證。

1.3 電火花引起的油系統(tǒng)和濾芯上的膠質(zhì)物

靜電引起的高溫電火花將產(chǎn)生膠質(zhì)物凝膠體，形態(tài)為半球或球狀。這些膠質(zhì)物凝膠體通過溶解和重量分析可以從濾芯切片上分離出來。

1.4 靜電引起的管路濾芯穿孔

靜電擊穿了濾芯引起濾芯孔徑的集聚增大，大的顆粒污染物不能被收集攔截，又回流到了油箱和軸瓦系統(tǒng)。對系統(tǒng)軸瓦和控制系統(tǒng)形成嚴(yán)重影響。

2 燃機(jī)潤滑油產(chǎn)生靜電原因

在燃機(jī)潤滑系統(tǒng)中，靜電電荷的產(chǎn)生是由于潤滑油與燃機(jī)系統(tǒng)各部件之間摩擦引起的。電荷的產(chǎn)生發(fā)生在油系統(tǒng)中任何2 種不同材料界面的分子水平上，因此在燃機(jī)潤滑油中會產(chǎn)生靜電荷。電荷的大小取決于許多相互關(guān)聯(lián)的因素。

2.1 油系統(tǒng)中的摩擦材料

潤滑油從油管路和過濾器內(nèi)部流過，微米級的高精度濾芯以及過高的流速，導(dǎo)致潤滑油在流動中與過濾材料劇烈摩擦引起靜電。循環(huán)的油液和顆粒物產(chǎn)生靜電。摩擦靜電現(xiàn)象是電荷的極性和2 種摩擦材料產(chǎn)生電荷的表現(xiàn)。

表1 磨擦材料靜電電荷

潤滑系統(tǒng)密封橡膠件、管路過濾器、油泵過濾器、油箱旁路聚結(jié)分離式凈油機(jī)等纖維過濾濾芯和聚結(jié)分離脫水濾芯，大多由非導(dǎo)電材料制成。生成的電荷可能是正電荷，也可能是負(fù)電荷，具體取決于過濾材料和潤滑油材料的本身電荷。其中燃機(jī)油路系統(tǒng)鋼和鐵等少數(shù)材料是中性的。

2.2 燃機(jī)潤滑油系統(tǒng)內(nèi)部干燥和高溫的運(yùn)行環(huán)境

根據(jù)對燃機(jī)生產(chǎn)廠家GE、西門子、三菱等燃機(jī)的運(yùn)行參數(shù)總結(jié)，同時在華能、大唐、京能等主流燃?xì)鉄犭姀S的調(diào)查分析，燃機(jī)潤滑油系統(tǒng)整體運(yùn)行溫度在70～75℃，處于高溫運(yùn)行狀態(tài)。同時跟蹤分析了潤滑油在夏天和冬天的水分含量，經(jīng)過多年大量的檢測數(shù)據(jù)表明，燃機(jī)潤滑油溫的水分含量常年維持在5～50PPM。燃機(jī)潤滑油系統(tǒng)呈現(xiàn)的特征則是絕緣性強(qiáng)的電阻率和低的電導(dǎo)率。檢測數(shù)據(jù)反復(fù)證明高溫和干燥的潤滑油運(yùn)行環(huán)境，容易引起大量靜電的產(chǎn)生。

2.3 其他方面的原因

（1）油箱小、循環(huán)快、凈化速率快、油溫低、粘度高都會引起靜電電荷的積累。（2）潤滑油系統(tǒng)的塑料、皮毛等也是加速靜電放電的來源。（3）燃機(jī)潤滑油內(nèi)部溶解的空氣也影響靜電的產(chǎn)生。

3 燃機(jī)潤滑油靜電的危害

燃機(jī)潤滑油系統(tǒng)在運(yùn)行中，受到流速、過濾、摩擦、高溫等綜合影響,當(dāng)靜電荷的產(chǎn)生速度高于靜電荷的泄漏速度,就會造成靜電荷沉積。同時已產(chǎn)生的極性物質(zhì)，如膠質(zhì)油泥，不僅加速酸值升高，加速氧化，也加速累積了過多沉積的靜電荷。

3.1 潤滑油中內(nèi)部空氣導(dǎo)致軸瓦和齒輪的點蝕

油系統(tǒng)含有氣泡或者油中含有大量溶解性的空氣，同時快速流動配合靜電放電后，導(dǎo)致軸瓦和燃機(jī)齒輪的點蝕。嚴(yán)重時引起軸瓦的磨損和腐蝕。

3.2 管路濾芯的堵塞引起管路壓差迅速升高

油系統(tǒng)的電荷將向下游傳輸，如果積累了足夠的電荷，則潤滑油可以排放到過濾系統(tǒng)的導(dǎo)電區(qū)域。導(dǎo)致高溫降解的膠質(zhì)物和積碳在非導(dǎo)電材料的表面快速聚集粘附，堵塞濾芯。實踐表明北方多個燃?xì)怆姀S燃?xì)鈾C(jī)組在停止運(yùn)行帶有靜電技術(shù)的凈油機(jī)后，管路壓差迅速升高，隨時都有引起停機(jī)的風(fēng)險。

3.3 靜電引起的漆膜在軸瓦表面的沉積

油系統(tǒng)中的靜電結(jié)合自身氧化，高溫?zé)峤到鉂櫥停到y(tǒng)于是產(chǎn)生了大量油泥膠質(zhì)物。漆膜膠質(zhì)物沉積在軸瓦表面，破壞軸瓦間隙引起瓦溫升高和振動。

3.4 導(dǎo)致控制系統(tǒng)伺服閥濾芯堵塞

靜電引起的油泥膠質(zhì)物堵塞伺服閥濾芯，導(dǎo)致供油壓力不穩(wěn)定。同時伺服閥線軸等部件被粘附沉積的漆膜等導(dǎo)致卡澀，伺服閥跳動嚴(yán)重情況下引起跳機(jī)。

4 燃機(jī)潤滑油的電導(dǎo)率和影響因素

4.1 潤滑油的電導(dǎo)率

潤滑油的電導(dǎo)率呈現(xiàn)了油液產(chǎn)生靜電的難易程度。影響潤滑油電導(dǎo)率的因素有潤滑油使用的基礎(chǔ)油種類、添加劑的種類、顆粒、金屬粉末等，都會影響潤滑油的電導(dǎo)率。潤滑油的電導(dǎo)率單位為pS/m（皮西門子/米）。潤滑油的電導(dǎo)率越高越不容易產(chǎn)生靜電。潤滑油基礎(chǔ)油的電導(dǎo)率比較，如表2 所示。

表2 潤滑油在23℃時的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)

表2 中燃機(jī)潤滑油基礎(chǔ)油不一樣，電導(dǎo)率也不一樣。電導(dǎo)率低意味著所產(chǎn)生的電荷可能無法快速充分消散，從而提高了累積電荷水平，因此增加了放電的可能性。

4.2 燃機(jī)潤滑油的基礎(chǔ)油與電導(dǎo)率關(guān)系

燃機(jī)潤滑油的基礎(chǔ)油精煉程度越高，極性越弱，油的導(dǎo)電性相對較弱，更容易產(chǎn)生靜電。

4.3 潤滑油的添加劑與電導(dǎo)率關(guān)系

潤滑油在調(diào)和生產(chǎn)中，需要在基礎(chǔ)油里加入添加劑，增強(qiáng)潤滑油的綜合性能。但也會使?jié)櫥偷碾妼?dǎo)率有所改變。

4.4 潤滑油運(yùn)行中的油溫與電導(dǎo)率關(guān)系

潤滑油的電導(dǎo)率與溫度緊密關(guān)聯(lián)。對于同一種品牌型號的燃機(jī)潤滑油，隨著機(jī)組潤滑油運(yùn)行溫度升高，潤滑油的電導(dǎo)率跟著升高。不同的潤滑油在溫度升高時，電導(dǎo)率的增加曲線不同。

在調(diào)峰和檢修時，油溫從75℃逐步降低到40℃常溫時，系統(tǒng)會產(chǎn)生更多靜電。由于油溫降低，逐步更換管路濾芯時，發(fā)出噼里啪啦的放電聲音。GE9F 燃機(jī)和西門子SGT5-4000F 燃機(jī)在檢修時，由于管路油溫下降37℃以下，潤滑油電導(dǎo)率下降導(dǎo)致更多的靜電沉積釋放，在更換濾芯時證明了這一點。

4.5 潤滑油運(yùn)行中的顆粒清潔度與電導(dǎo)率關(guān)系

顆粒清潔度好的燃機(jī)潤滑油電導(dǎo)率是較低的，在常溫下絕緣性更好。越好的清潔度，絕緣性越好，也會導(dǎo)致靜電累積越高。潤滑油在運(yùn)行中需要保持更好的清潔度指標(biāo)，但是油系統(tǒng)中通過元素分析含有金屬元素極性顆粒，就會明顯改變和提高潤滑油的電導(dǎo)率。在靜電與清潔度選擇上，需要可以找到平衡。需要在處理好清潔度的條件下，考慮靜電問題。靜電的消除不能單靠含有金屬顆粒的物質(zhì)維持。

4.6 潤滑油的電導(dǎo)率和流量關(guān)系

潤滑油在燃機(jī)系統(tǒng)循環(huán)中的油量越多、流速過快，引起油液在流動中與系統(tǒng)部件摩擦的越劇烈。由于電導(dǎo)率越低，產(chǎn)生的靜電越強(qiáng)，電荷的產(chǎn)生通常隨著流量的增加而增加。

4.7 燃機(jī)潤滑油電導(dǎo)率的檢測

潤滑油電導(dǎo)率的檢測標(biāo)準(zhǔn)參照 ASTM-D2624，需要經(jīng)常檢測潤滑油的電導(dǎo)率，避免靜電放電帶來的危害。考慮到溫度的影響，在20℃檢測電導(dǎo)率是合適的條件，電導(dǎo)率在大于400pS/m 時，整個潤滑系統(tǒng)就不容易遭受靜電危害。

一般的手持式電導(dǎo)率傳感器需要符合ASTM D2624 的要求。專門設(shè)計用于測試低電導(dǎo)率流體，該分析儀可以測量0～2000pS/m 之間的電導(dǎo)率，目前優(yōu)化并且通常在0～500pS/m 范圍內(nèi)使用。電導(dǎo)率分析儀由熱穩(wěn)定的內(nèi)部電子元件和同軸電極傳感器構(gòu)成，但精確測量靈敏度和檢測方法，以及準(zhǔn)確性仍需不斷加強(qiáng)研發(fā)。

5 燃機(jī)潤滑油靜電預(yù)防控制

燃機(jī)潤滑油靜電對燃機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行是有危害的，困擾管理者如何采取措施消除靜電。通過對靜電原因分析和檢測方法的闡述總結(jié)，提出以下有效控制方法。

5.1 改善潤滑運(yùn)行工藝條件

(1)避免潤滑油干燥，可以在回油管路加裝微型工業(yè)加濕器，適當(dāng)保持一定的潮濕度。但使用一定要慎重，每天要定期檢查，控制水分流量。(2)適當(dāng)降低潤滑油泵流速，降低潤滑油在循環(huán)流動中的摩擦。(3)改用不易產(chǎn)生靜電的材料，減少橡膠和塑料密封圈等使用。(4)管路系統(tǒng)的所有金屬件，以及保護(hù)套的金屬包覆層等都應(yīng)接地。(5)油箱和在線過濾器、凈油機(jī)等都需接地，以減輕靜電電荷積聚的風(fēng)險。

5.2 濾芯材質(zhì)和設(shè)計的提升

(1)使用質(zhì)量更可靠的防靜電濾芯材料，有效防止靜電累積。(2)在過濾器材料的下游補(bǔ)加導(dǎo)電金屬防靜電網(wǎng)，減少和釋放過濾器內(nèi)部以及濾芯材料的電荷。如果排除流體所有電荷，使用靜電網(wǎng)太小的網(wǎng)孔則會限制流量。(3)通過增加過濾器尺寸和面積來降低過濾器材料中的流量密度。

5.3 改善基礎(chǔ)油以及添加劑

在不改變?nèi)紮C(jī)潤滑油綜合性能指標(biāo)下，一方面改用電導(dǎo)率高一些的API V 合成基礎(chǔ)油。另一方面在燃機(jī)潤滑油調(diào)和過程中，生產(chǎn)商加入不同比例的溶解于油的抗靜電添加劑,提高電導(dǎo)率到250pS/m 以上。但是通常潤滑油制造商對于抗靜電添加劑都非常慎重，很難為了消除油系統(tǒng)的靜電，改變添加劑的主要配方。

5.4 使用電荷凈化設(shè)備消除靜電

燃機(jī)潤滑油已產(chǎn)生的細(xì)小顆粒物象電荷一樣趨向于充分的溶解和擴(kuò)散，趨向系統(tǒng)表面沉積聚集。油中移動的顆粒物產(chǎn)生的靜電荷使細(xì)小的顆粒物懸浮在油中，這些靜電荷大部分有一種極性。這就為電荷凈化設(shè)備的應(yīng)用解決提供了有利條件。

靜電吸附技術(shù)由于技術(shù)原理的限制，只能適用60℃以下的油溫，不適合在燃機(jī)潤滑油系統(tǒng)應(yīng)用。升級版的平衡電荷技術(shù)平衡流體中的電荷，消除油系統(tǒng)的靜電荷，也延長了潤滑油的使用周期。

6 結(jié)語

燃機(jī)潤滑油靜電的產(chǎn)生是燃機(jī)高溫干燥系統(tǒng)不可避免的現(xiàn)象。靜電引起管路濾芯的消耗、大量油泥膠質(zhì)物的產(chǎn)生、潤滑油使用壽命的縮短都是電廠效益的損失。需要引起燃?xì)鉄犭姀S管理者的重視以及加強(qiáng)解決措施落實。

根據(jù)燃?xì)怆姀S的實際情況，可以采取多種措施，優(yōu)化各種工藝和技術(shù)，采取多種解決辦法消除靜電。由于燃機(jī)潤滑油的管理從工藝條件的改善上受到很多條件的限制。可以采取油品和濾芯材質(zhì)的升級，同時配置使用平衡電荷凈化技術(shù)，是燃機(jī)潤滑系統(tǒng)快速消除靜電比較好的控制方法。進(jìn)一步提高了燃機(jī)潤滑的維護(hù)管理水平。