中國石化潤滑油有限公司上海研究院

汽輪機(jī)油在使用過程中常會出現(xiàn)水分混入潤滑系統(tǒng)的情況，水分增加至一定程度將對油品性能和設(shè)備潤滑系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)后一定影響。水分對潤滑系統(tǒng)的影響可以分為瞬時影響和長期影響兩類，其中：瞬時影響表現(xiàn)在水分進(jìn)入潤滑油之后對油品性能瞬時的改變，例如黏度、密度、水含量等；長期影響表現(xiàn)在水分長期與潤滑油作用后油品理化性能的改變以及水分對金屬摩擦副和設(shè)備管道的腐蝕等方面。為全面掌握水分進(jìn)入潤滑系統(tǒng)后對油品和設(shè)備造成影響的規(guī)律，避免油品在使用中因混入水而帶來的不利影響，有必要開展汽輪機(jī)油中水分對油品的使用性能影響的研究，以期為設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)提供指導(dǎo)。

試驗(yàn)方案

選用TSA46(A級)汽輪機(jī)油，針對水分對潤滑油存在瞬時和長期兩種影響，將試驗(yàn)分成兩部分：一是考察水分對汽輪機(jī)油短期的影響，即將水分加入油品中，模擬實(shí)際工況，將油水混合物進(jìn)行充分劇烈攪拌，形成油水乳液，考察乳液各項(xiàng)理化性能的改變；二是考察水分對汽輪機(jī)油長期的影響，即模擬實(shí)際工況，對油品進(jìn)行老化處理一段時間后，考察加水老化和不加水老化后油品各項(xiàng)理化性能之間的差異。通過對理化性能檢測結(jié)果的綜合對比分析，得到汽輪機(jī)油中水分對油品使用性能的影響。

水分對汽輪機(jī)油性能短期的影響

向100 mL離心管中分別加入TSA46（A級）汽輪機(jī)油和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的蒸餾水（0%、0.1%、0.5%、1.0%、2.0%），利用DKL-163船用油水分離性測定儀，在60 ℃條件下以3 600 r/min的轉(zhuǎn)速強(qiáng)力攪拌3 min使油水形成均勻的乳狀液，攪拌后油品外觀如圖1所示。

圖1 加水?dāng)嚢韬笥推吠庥^

從圖1可以看出，當(dāng)油品中加入的水到達(dá)1.0%及以上時，攪拌后油品底部會出現(xiàn)明顯的水層（游離水），說明此時油品中的溶解水和乳化水已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，取上述樣品中的乳化油樣，對油品中溶解水和乳化水進(jìn)行測定，結(jié)果見表1和圖2。

表1 加水?dāng)嚢韬笥椭兴?/p>

圖2 加水?dāng)嚢韬笥椭兴?/p>

由圖2可以看出，乳化油中水含量隨著油中加入水量的增加而增加，并且增加趨勢在逐漸減小，當(dāng)加入水量從1%增加到2%時，油中水含量增長相對較小，趨于飽和，所以在考察不同水含量對油品瞬時性能影響時，水的最大加入量為2%。

潤滑油中水分超標(biāo)會破壞潤滑油膜，降低潤滑效果，造成軸承異常磨損，進(jìn)而可能引發(fā)機(jī)組振動異常，危及機(jī)組正常運(yùn)行[1]。因此有必要研究不同加入水量對油品抗磨損性能及承載能力的影響。

水分對油品抗磨損性能的影響

首先考察了不同加水量對油品抗磨損性能的影響，測試油品在不同條件下的磨斑直徑（SH/T 0189），結(jié)果見圖3。

圖3 不同加水量對油品抗磨損性能的影響

由圖3可以看出，在1 200 r/min，294 N，30 min，常溫條件下，隨著加水量的增加，油品的磨斑直徑從0.62 mm逐漸增加到0.70 mm；降低試驗(yàn)壓力，在1 200 r/min，196 N，30 min，常溫條件下，隨著加水量增加，油品的磨斑直徑從0.40 mm逐漸增加到0.47 mm，這說明隨著水含量的增加，油樣的抗磨損性能在逐漸降低。

水分對油品承載能力的影響

最大無卡咬負(fù)荷PB和燒結(jié)負(fù)荷PD表示潤滑油的油膜強(qiáng)度，該值越大表示潤滑油的油膜強(qiáng)度越高，承載能力越強(qiáng)。為探究水含量對潤滑油油膜強(qiáng)度的影響，考察了不同加水量對油品承載能力的影響，測試油品的PB和PD，結(jié)果見圖4。

圖4 不同加水量對油品潤滑性能的影響

由圖4可以看出，隨著加水量的增加，油品的PD均為1 236 N，沒有明顯變化，但是油品的PB由490 N下降到431 N，說明隨著水含量的增加，油樣的承載能力出現(xiàn)了一定程度的下降。

油品抗磨損性能和承載能力下降，可能與油中含水后降低了油樣的黏壓特性和油膜強(qiáng)度有關(guān)。潤滑油除了具有一定的黏溫特性外，還具有一定的黏壓特性，當(dāng)使用壓力增加時潤滑油的黏度也會增加，從而對摩擦副起到了一定的保護(hù)作用，但是水并不具備這樣的特性，它的黏度隨壓力變化而變化極其微小，所以當(dāng)水進(jìn)入潤滑油后減弱了潤滑油的黏壓特性[2～4]；另外隨著含水量的增加，潤滑油膜的厚度和強(qiáng)度受到較大影響，金屬表面將很難再獲得足夠厚度和強(qiáng)度的吸附油膜來維持潤滑作業(yè)，在瞬間高溫高壓的作用下，油包水乳化液的內(nèi)相—水相很可能沖破油水界面膜，導(dǎo)致油膜破裂，容易引起摩擦副表面?zhèn)€別接觸區(qū)處于干摩擦狀態(tài)，從而使摩擦副產(chǎn)后接觸疲勞導(dǎo)致疲勞磨損[5～8]，而且水含量越高，油膜強(qiáng)度越差，磨損就越嚴(yán)重。

水分對油品常規(guī)理化性能的影響

考慮到加入水量為2.0%時，油樣中的溶解水和乳化水含量為0.39%，故直接將不加水的TSA46（A級）汽輪機(jī)油和加水量為2%的油品（上層乳狀液，實(shí)際含水量為0.39%）進(jìn)行常規(guī)理化性能分析對比，結(jié)果見表2。

表2 水分對油品理化性能的影響

從表2可以看出，加入2.0%的蒸餾水高速劇烈攪拌后，油品乳化使得其外觀由澄清透明變成渾濁狀態(tài)，油品的運(yùn)動黏度、酸值、閃點(diǎn)和空氣釋放值有輕微的減小，密度、破乳化性時間、旋轉(zhuǎn)氧彈稍有增加，但變化量都非常小，油品的其他性能（如泡沫特性和液相銹蝕以及銅片腐蝕等）基本沒有發(fā)后改變。

水分對汽輪機(jī)油性能長期的影響

先將TSA46(A級)汽輪機(jī)油參照ASTM D7873(Dry TOST)的試驗(yàn)條件（溫度：120 ℃，氧氣流量：3 L/h，催化劑：銅絲鋼絲圈）老化5天（120 h），樣品名稱為0號；然后把油品分成2組，其中一組加入體積分?jǐn)?shù)為6%（讓水和油達(dá)到充分混合時的最低加水量）的水（390 mL油+25 mL水），另外一組不加水作空白對照（390 mL油），再均按照ASTM D943(TOST)的試驗(yàn)條件（溫度：95 ℃，氧氣流量：3 L/h，催化劑：銅絲鋼絲圈）進(jìn)行模擬老化，老化時間為7 d（168 h）、14 d（336 h）和28 d（672 h），樣品名稱分別為1號、2號、3號。完成老化試驗(yàn)后，將加水樣品試管靜置，使油水分離，取上層油樣以及無水樣品管中的油樣進(jìn)行表3中各項(xiàng)目的測試，取下層水分測定其酸值，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 水分對TSA46(A級)汽輪機(jī)油老化過程的影響

水分對油品抗磨損性能的影響

加水和無水老化油品的磨斑直徑測試結(jié)果見圖5。

圖5 水分對油品磨斑直徑的影響

從圖5可以看出，隨著老化的進(jìn)行，無論是加水還是不加水老化，油品的磨斑直徑均表現(xiàn)出增大的趨勢，說明隨著老化時間的增長，油品的抗磨性能在逐漸變差；另外比較相同老化時間內(nèi)加水老化和無水老化油品的磨斑直徑，發(fā)現(xiàn)加水老化油品的磨斑直徑都大于不加水老化油品的磨斑直徑，并且兩者的差值由0逐漸增加到0.05 mm，說明加水老化對油品的抗磨性能有較大負(fù)面影響，能加劇抗磨性能的下降。

水分對油品承載能力的影響

對加水和無水老化油品的PB測試結(jié)果見圖6。

圖6 水分對油品 PB的影響

由圖6可見，隨著老化時間的增加，加水老化油品的PB出現(xiàn)逐漸減小趨勢，說明加水老化會降低潤滑油的油膜強(qiáng)度，使得潤滑油的承載能力變差；另外比較相同老化時間內(nèi)加水老化和無水老化油品的最大無卡咬負(fù)荷PB，發(fā)現(xiàn)無水老化油品的最大無卡咬負(fù)荷PB都大于加水老化油品的PB，并且兩者的差值由0逐漸增加到79 N，說明加水老化對油品的油膜強(qiáng)度有較大負(fù)面影響，加劇了潤滑油承載能力的下降。

綜合水分對油品抗磨損性能和承載能力的考察結(jié)果可以看出，水分的加入使得油品的油膜厚度變小，油膜強(qiáng)度降低，承載能力變小，運(yùn)行中將導(dǎo)致設(shè)備軸承磨損，振幅增加，影響設(shè)備長期穩(wěn)定運(yùn)行。

水分對油品酸值的影響

無水老化后油品的酸值、加水老化油品中的油層和水層的酸值的測定結(jié)果見圖7。

圖7 加水老化對油品酸值的影響

從圖7可以看出，比較1號、2號、3號油品中加水和無水老化后油品的酸值，發(fā)現(xiàn)老化相同的時間，加水老化油品中油層的酸值都要低于不加水老化油品中油的酸值，另外加水老化油品中水層的酸值明顯高于其油層的酸值，這就說明加水老化過程中，油品產(chǎn)后的酸性物質(zhì)會有一部分溶解于水中，使得水層的酸值明顯增大，同時導(dǎo)致加水老化油品中油層的酸值低于不加水老化油品的酸值。

由于水分的存在，加上老化一段時間后水分的酸值較大，這些都將加劇加水老化油品對催化劑（銅絲鋼絲圈）的腐蝕程度。加水和無水老化后催化劑的外觀如圖8所示。

圖8 加水和無水老化后催化劑的外觀

圖8中，a和b為老化672 h后油中催化劑的外觀，c和d為用正庚烷清洗后催化劑的外觀。對比圖a和b可以看出加水老化的催化劑上面附著較多懸浮物，而無水老化的催化劑則沒有明顯懸浮物；對比圖c和d可以看出，用正庚烷清洗催化劑后，加水老化的銅絲圈的顏色明顯比無水老化銅絲的顏色暗，同時加水老化的鋼絲圈上面的銹跡明顯多于無水老化的鋼絲圈，說明加水老化油品會顯著加快銅絲鋼絲圈的腐蝕程度，在實(shí)際工況中，水進(jìn)入潤滑系統(tǒng)后，會加快對設(shè)備金屬表面的腐蝕。

水分對油品油泥的影響

參照ASTM D7873中過濾油泥的試驗(yàn)方法（膜孔徑：1.0 μm，過濾壓力：13 kPa，清洗溶劑：正庚烷）對不同老化時間的油品產(chǎn)后的油泥進(jìn)行測定，其中油泥包括2部分組成，一部分是老化后潤滑油中的油泥，另一部分是附著在試管壁、導(dǎo)氣管壁和催化劑上面的油泥（統(tǒng)稱為管壁上的油泥），試驗(yàn)結(jié)果見圖9。

圖9 水分對油品后成油泥的影響

從圖9可以看出，隨著老化時間的增長，加水老化和無水老化的油泥總量基本呈現(xiàn)出增大趨勢；比較老化相同時間的油品，發(fā)現(xiàn)加水老化產(chǎn)后的油泥總量均高于無水老化產(chǎn)后的油泥總量，說明加水老化能加速油泥的后成；另外老化672 h的樣品中，加水老化油品中管壁上的油泥占總油泥的40.4%，而不加水老化油品中管壁上的油泥占總油泥的17.1%，這就說明加水會促進(jìn)油品中不溶物的析出，使得較多的油泥附著在試管壁、導(dǎo)氣管壁和催化劑上。

水分子之間可以形成多個氫鍵，在潤滑油中形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的團(tuán)聚體，從而水分子與潤滑油氧化產(chǎn)物分子更易形成氫鍵，并且形成的氫鍵穩(wěn)定性很強(qiáng)，因此潤滑油中存在水分子可以促進(jìn)潤滑油氧化產(chǎn)物分子的聚集，形成的聚集體中潤滑油氧化產(chǎn)物分子分布在水團(tuán)聚體表面，其極性官能團(tuán)朝向水團(tuán)聚體[9]，從而導(dǎo)致有水存在時，油中后成的氧化產(chǎn)物更容易聚集形成油泥并從油中析出，吸附于管壁。因此在實(shí)際工況中，水進(jìn)入潤滑系統(tǒng)后加快油泥后成速率，容易堵塞設(shè)備潤滑系統(tǒng)過濾器，導(dǎo)致供油不足、調(diào)速失靈等后果。

結(jié)論

☆水分對汽輪機(jī)油的承載能力和抗磨損性能有顯著負(fù)面影響；同時會促進(jìn)老化產(chǎn)后的酸性物質(zhì)向水中聚集，加快油品產(chǎn)后油泥的速率以及油泥從油中析出的速率。

☆當(dāng)設(shè)備潤滑系統(tǒng)含水運(yùn)行時，油品承載能力和抗磨損性能下降，酸性物質(zhì)向水中聚集同時油泥后成速率增加，導(dǎo)致設(shè)備軸承磨損，振幅增加，加快對設(shè)備金屬表面的腐蝕，同時容易堵塞潤滑系統(tǒng)過濾器，影響設(shè)備長期穩(wěn)定運(yùn)行。