竇 鵬

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102)

1000 MW機組汽輪機油產(chǎn)生油泥的原因分析

竇 鵬

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102)

一臺1000 MW機組汽輪機油顆粒污染度長期超標(biāo)，停機檢修時在汽輪機油箱底部發(fā)現(xiàn)大量深棕色油泥，嚴(yán)重威脅機組的安全運行。實驗室采用紅外光譜法和ICP法對油泥和油品進(jìn)行成分分析，結(jié)果表明油泥的產(chǎn)生主要是油品的氧化降解產(chǎn)物同潤滑系統(tǒng)中的腐蝕產(chǎn)物和水分共同作用導(dǎo)致的，診斷出冷油器存在冷卻水的泄露，造成汽輪機油系統(tǒng)的腐蝕。

1000 MW機組；汽輪機油；油泥；顆粒度；腐蝕性

0 引言

一臺1000 MW超超臨界機組使用上海電氣集團股份有限公司生產(chǎn)的型號為N1050-27/600/610的汽輪機，設(shè)計額定主蒸汽壓力27 MPa、主蒸汽/再熱蒸汽溫度600/610 ℃的一次中間再熱、反動式、單軸、四缸四排汽、單背壓、凝汽式汽輪機，潤滑油主油箱容積是32 m2,出口壓力是0.55 MPa。該機組于2011年投運，3年后汽輪機油顆粒度(NAS1638等級)逐漸增大到大于12級。2016年停機檢修時發(fā)現(xiàn)汽輪機主油箱底部附著有大量的深棕色油泥，浮動油檔和油管也有少量油泥，還發(fā)現(xiàn)油箱底部約3 cm的位置, 存在游離水。

汽輪機油系統(tǒng)發(fā)生故障，一般都會產(chǎn)生油泥垢樣，很多時候人們只將其看為產(chǎn)生故障的標(biāo)志，更多的是對產(chǎn)生的部位較關(guān)注，很少對其成分進(jìn)行分析。其實油泥垢樣中同樣含有大量對故障診斷有用的信息，合理分析油泥垢樣的成分對故障診斷、故障原因排查能起到重要的輔助作用。實驗室采用紅外光譜法和等離子體發(fā)射光譜(ICP)法對油泥和油品進(jìn)行檢測，分析油泥產(chǎn)生的原因，判斷汽輪機油系統(tǒng)存在的故障。

1 油泥產(chǎn)生的機理

油泥的生成機理為自由基的鏈反應(yīng)[1]，見圖1。

圖1 油泥產(chǎn)生的氧化機理

首先是能量以熱、靜電或機械剪切應(yīng)力等形式轉(zhuǎn)移到烴分子，在金屬離子等催化劑的作用下，叔氫、碳-碳雙鍵、芳環(huán)α位上的氫易發(fā)生均裂，形成自由基；其次，烷基自由基與氧形成烷基過氧自由基，該反應(yīng)速度快并且為不可逆反應(yīng)。烷基過氧自由基從烴分子上奪取氫，同時生成另一個烷基自由基；再次，鏈的支化開始與過氧化氫物裂解成烷氧基羥基自由基。當(dāng)溫度大于150 ℃時該反應(yīng)進(jìn)行較快。自由基與烴反應(yīng)，生成更多的烴自由基和醇，仲烷氧自由基和叔烷氧基自由基生成醛和酮，而醛和酮通過酸催化的醇醛縮合反應(yīng)進(jìn)行縮合，縮合物能導(dǎo)致聚合降解產(chǎn)物的形成，最終表現(xiàn)為油泥和漆膜沉積物[2]。但該機組汽輪機油系統(tǒng)冷卻溫度正常，軸溫控制正常，不存在高溫過熱的情況。

2 油質(zhì)檢測

為全面評估油品的質(zhì)量情況，對新油和運行油進(jìn)行全分析檢測。

表1 新油和運行油油質(zhì)分析結(jié)果

結(jié)果表明：(1)新油各項指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求；(2)運行油泡沫特性和空氣釋放值雖符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)但試驗結(jié)果較高，會使得汽輪機油中的氣泡在高壓下，通過絕熱壓縮使氣泡溫度升高，沒有熱量能離開氣泡，從而生成碳質(zhì)化的固體顆粒，而在汽輪機冷油器內(nèi)，由于溫度的降低，油泥在油中的溶解度降低，部分油泥析出[3]。(3)運行油酸值符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，表明油品并未發(fā)生嚴(yán)重劣化。(4)運行油水分升高且液相銹蝕試驗結(jié)果為輕度銹蝕，表明油品與水分混合時會對金屬部件產(chǎn)生銹蝕，銹蝕產(chǎn)物與油中生成的過氧化物、醇、醛、酮和酸聚合，導(dǎo)致油泥的形成。

3 油泥成分分析

3.1 油泥樣分析

該油泥的黏性較強,不易清洗,室溫下不溶于油, 加熱到80 ℃可少量溶解,也不溶于酒精、石油醚等常見溶劑,但在丙酮中可以分散,失去黏性。

圖2 油泥垢樣

采集20 g油泥樣移入瓷蒸發(fā)皿中, 放入恒溫烘箱中于105 ℃下干燥4 h，垢樣稍冷卻后, 于105 ℃干燥至恒重，稱重，記錄前后重量差, 即水分的含量。再將垢樣放入馬弗爐于650 ℃下灼燒,通過前后重量差, 求得灼燒減量, 即有機物的含量，見表2。

表2 油泥垢樣分析結(jié)果

由表2可見，80%以上是有機物, 即油的成分, 表明汽輪機油在運行過程中氧化降解導(dǎo)致成團集結(jié)。值得注意的是油泥垢樣中含有較高的水分，說明油系統(tǒng)存在水分的泄露，驗證了檢修時發(fā)現(xiàn)油箱底部約3 cm 的位置存在游離水的情況，而通過油品檢測水分含量卻是符合標(biāo)準(zhǔn)要求的，沒能發(fā)現(xiàn)故障，油泥垢樣反饋出的故障信息更加準(zhǔn)確。

3.2 油泥紅外光譜分析

將油泥涂片處理，用紅外光譜儀進(jìn)行分析，試驗結(jié)果見圖3。

圖3 油泥紅外光譜譜圖

(1)波數(shù)在2921 cm-1和2860 cm-1之間有較強的吸收峰，這個區(qū)域的峰是由于CH2的對稱或不對稱的拉伸振動產(chǎn)生的。而 CH3的對稱或非對稱的拉伸振動出現(xiàn)是酸類的C—H伸縮振動出現(xiàn)的特征吸收峰。

(2)波數(shù)在1720 cm-1處有較強的吸收峰，這是醛類C=O伸縮振動引起的吸收帶，是醛類基團作用的結(jié)果，表明有醛類物質(zhì)產(chǎn)生。

(3)波數(shù)在 1000～500 cm-1范圍內(nèi)有三個較強的吸收峰，是氫過氧化物作用的結(jié)果，說明油泥中含有較多過氧化物產(chǎn)物，表明該油泥主要成分是油品氧化降解產(chǎn)生的[4]。

3.3 元素分析

稱取油泥樣品50 mg，置于消解罐中，依次加入6 mL HNO3，2 mL HF和2 mL HClO4，密封消解罐放置于微波消解爐中進(jìn)行微波消解，將得到的消解液過濾并用去離子水定容至100 mL，通過等離子體發(fā)射光譜(ICP)測試元素含量，見表3。

表3 ICP法測試油泥元素結(jié)果

元素分析結(jié)果顯示，油泥中含有很高含量的鐵以及銅、硅、鈣、鎂、鋅、磷等元素，少量的鎳、錫、鉛元素。

(1)鐵和銅元素含量很高，主要是由于汽輪機油系統(tǒng)的磨損和腐蝕導(dǎo)致的，該運行油的液相銹蝕是輕度銹蝕，只要系統(tǒng)中存在一定量的水，油品便會與油系統(tǒng)中的金屬部件產(chǎn)生腐蝕，造成油泥鐵和銅元素含量很高。

(2)硅是來自于汽輪機油中抗泡劑的消耗沉積，這是造成油品泡沫特性較高的重要原因。

(3)鈣和鎂及鈉元素含量高，一方面是油中清凈劑的消耗沉積[5]，另一方面是來自外部的污染物造成的。

(4)磷和鋅元素高是汽輪機油中抗磨添加劑的降解沉積導(dǎo)致。

(5)鎳、錫、鉛元素是汽輪機軸承合金材料的元素[6]，說明軸承存在腐蝕磨損。

4 汽輪機系統(tǒng)故障診斷

汽輪機油系統(tǒng)漏水主要有兩個途徑：(1)水汽通過軸封空隙而析出凝結(jié)水，由于凝結(jié)水中不含鈣、鎂離子, 同樣在腐蝕產(chǎn)物中也應(yīng)該沒有較多的鈣、鎂離子,但是在油泥中檢測出大量鈣、鎂，因此排除凝結(jié)水的泄露。(2)冷油器中冷卻水的泄露，冷卻水用的是循環(huán)水，循環(huán)水中含有鈣、鎂、鉀、鈉等離子，同樣在油泥中檢測出大量鈣、鎂、鉀、鈉，判斷是冷油器中冷卻水發(fā)生泄露，由于汽輪機油具有良好的抗乳化性能, 水分隨著潤滑油的循環(huán)回到油箱, 最終沉積在油箱底部。油箱底部水分隨循環(huán)運行的汽輪機油經(jīng)碳鋼管路達(dá)到軸及軸瓦, 腐蝕材質(zhì)表面, 這也是為什么油泥中檢測出了鎳、錫和鉛等軸承合金材料元素,腐蝕產(chǎn)物隨水分一同帶進(jìn)循環(huán)系統(tǒng)，加劇對金屬表面的摩擦, 使腐蝕加快。停機檢修時發(fā)現(xiàn)連接冷油管的三通閥發(fā)生滴漏，冷油器油、水之間隔離的密封圈出現(xiàn)移位，造成間隙過大，導(dǎo)致冷卻水泄漏。

5 結(jié)論

(1)通過紅外光譜法分析油泥的成分，主要是根據(jù)反應(yīng)過程中醛類化合物和酸類化合物生成及烴基含量的增加，即1720 cm-1的醛基吸收峰的出現(xiàn)與2720 cm-1C-H伸縮振動出現(xiàn)的特征吸收峰烴基吸收峰變化，判定油泥主要成分是大量酸類和醛類縮聚的產(chǎn)物。

(2)運行油的液相銹蝕試驗結(jié)果為輕度銹蝕，水分與汽輪機油混合對金屬部件產(chǎn)生銹蝕，銹蝕產(chǎn)物與油中生成的過氧化物、醇、醛、酮和酸聚合，導(dǎo)致油泥的形成。

(3)元素分析結(jié)果顯示，油泥中含有很高含量的鐵以及銅、硅、鈣、鎂、鋅、鈉、磷等元素以及少量的鎳、錫、鉛元素，汽輪機軸承存在腐蝕磨損。

(4)通過油泥成分分析判斷出油箱底部的水分是來自冷油管中冷卻水的泄漏造成的，油泥垢樣含有的故障信息更加準(zhǔn)確。

[1] Leslie R Rudnick．Lubricant Additives:Chemistry and Applicantions[M].New York:Marcel Dekker Inc,2006:8-9.

[2]劉中國，王輝，孫大新，等.汽輪機油泥氧化生成方法的探索[J]. 潤滑油，2015,40(4)：14-18.

[3]錢藝華，孟維鑫，汪紅梅.大型調(diào)峰機組透平油漆膜問題研究現(xiàn)狀[J].潤滑與密封，2016,41(10)：103-106.

[4]王輝，孫大新，程亮.汽輪機油的油泥分析[J].潤滑油，2014,29(1)：7-11.

[5]陳淑芬，張春蘭.石油產(chǎn)品添加劑[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.

[6] 姜小龍.超超臨界機組軸承失效分析[J].機電工程技術(shù)，2013,42(4)：40-44.

Cause Analysis of Oil Sludge Formed in Turbine Oil of 1000 MW Unit

DOU Peng

(Jiangsu Frontier Electric Technology Co. Ltd., Nanjing 211102, China)

The particulate pollutant in turbine oil of a 1000 MW unit has been over standard for a long time, large amount of dark brown oil sludge was found at the bottom of turbine oil tank when unit was maintained, the safe operation of the unit has been threaten seriously. The compositions of oil sludge and oil were analyzed by infrared spectrometry and ICP method in laboratory, the results show that the oil sludge is mainly caused by oxidation degradation products of oil, the corrosion products and moisture in lubrication system, the corrosion of turbine oil system is caused by the leakage of cooling water in oil cooler.

1000 MW unit; turbine oil; oil sludge; particulate pollutant; corrosion

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.03.005

1002-3119(2017)03-0030-04

TE626.36

A