汽輪機油分水性不同評價方法對比研究

張博等

摘要：以標準GB/T 7305-2003（攪拌法）和SH/T 0191-1992（蒸汽法）所述的試驗方法，對比評價6個不同廠家生產的汽輪機油的分水性，使用卡爾費休水分儀測量分水后油層含水量，結合所得破乳化值和含水量結果，對6個油樣分水性的優劣進行排序。利用研究級正置數字顯微鏡觀察油層微觀形貌，并借助專業圖像分析軟件分析油層內液珠直徑、界面膜厚度范圍等參數，分析油層內液珠絮凝、聚并、沉降的分離過程，研究“攪拌法”與“蒸汽法”評價結果的共同點與差別，探討了兩種評價方法之間的相關性。實驗結果表明：以不同評價方法所得的汽輪機油分水性優劣排序主要以破乳化值為參考依據；在油水混合充分程度上，“攪拌法”要高于“蒸汽法”；以這兩種方法評價不同汽輪機油分水性，僅在分水性優劣區分明顯的范圍內，所得結果具有相關性。

關鍵詞：汽輪機油；分水性；評價方法；相關性

中圖分類號：TE626.36文獻標識碼：A

Abstract：Oil-water separation characteristics of 6 different turbine oils were evaluated contrastively through the experiment methods which are described in the test standards GB/T 7305-2003 and SH/T 0191-1992. The Karl Fischer moisture meter was used to measure the water content of oil layers after oil-water separation. Oil-water separation characteristics were arranged from good to bad through combining the results of demulsification value and water content. The digital microscope for research was used to analyze the micro-image of oil layers， and the professional image analysis software was used to measure the drops'diameters and scopes of interphase film's thickness， in order to analyze the flocculation， coalescence， and sedimentation processes and study the same and different points of results from the test standards GB/T 7305-2003 and SH/T 0191-1992. Finally， the correlationship about GB/T 7305-2003 and SH/T 0191-1992 was discussed. The results show that the oil-water separation characteristics of different turbine oils are mainly based on the demulsification value for different test standards； the oil-water blending degree which is described in the test standards GB/T 7305-2003 is higher than it described in SH/T 0191-1992； the evaluating results of GB/T 7305-2003 and SH/T 0191-1992 have a correlationship， only when oil-water separation characteristics of different turbine oils are distinct obviously.

Key words：turbine oil； oil-water separation characteristic； evaluation method； correlationship

0引言

因使用環境的原因，汽輪機油進水，油品發生乳化，形成乳狀液，是比較常見的情況[1]。為使設備正常運轉，油品需要快速分水，將由進水帶來的負面影響降至最低。針對不同應用領域，工業部門對汽輪機油的分水能力提出了具體要求[2]。分水性是表征汽輪機油抗乳化性的主要理化性能。在我國，能用于評定汽輪機油分水性的方法有國家標準GB/T 7305-2003《石油和合成液水分離性測定法》、GB/T 7605-2008《運行中汽輪機油破乳化度測定法》和行業標準SH/T 0191-1992《潤滑油破乳化值測定法》、SH/T 0256-1992《潤滑油破乳化時間測定法》[3-6]。同時，國際上公認的方法還有美國材料與試驗協會標準ASTM D1401和ASTM D2711，聯邦德國工業標準DIN 51599、DIN51589和DIN 51515，國際標準化組織標準ISO 6614、法國國家標準NF T60-125，英國國家標準BS 2000-19和BS 489，以及前蘇聯國家標準ГОСТ 9972等國家標準與評定汽輪機油分水性有關[7-10]。盡管評價汽輪機油分水性的標準方法較多，但根據乳狀液形成方式（“油水機械攪拌混合”或“水蒸汽通入油品冷卻混合”），可將主要的評價方法分為兩大類，簡單的稱為“攪拌法”和“蒸汽法”。我國現用的GB/T 7305-2003和SH/T 0191-1992分別源自美國標準ASTM D1401和英國標準BS 2000-19，是“攪拌法”與“蒸汽法”的典型代表。

關于汽輪機油分水性方面的研究，國內外主要集中在研制新型破乳化劑、分析破乳化機理、研究分散相動力學性能、改進油水分離技術，探索乳狀液內部結構等諸多方面[11-18]。多數研究均是根據油品所符工業標準要求，確定某一種評定方法進行分水性評價，而對于不同評價方法的對比，以及相關性的研究較少。

本文以不同廠家生產的汽輪機油作為研究對象，通過標準GB/T 7305-2003和SH/T 0191-1992所述的乳化與破乳化的試驗方法，調整實驗步驟，改進操作方案，對比研究汽輪機油在“攪拌法”與“蒸汽法”評定下的分水過程與分水性，探索不同試驗條件的評價方法之間的相關性。

1實驗

1.1儀器及軟件

利用德國Petrotest公司產DCP 30破乳化值測定儀和大連凱博儀器生產的DKY-328破乳化值測定儀進行標準GB/T 7305-2003和SH/T 0191-1992所述的分水性評定試驗。

利用瑞士梅特勒-托利多V30卡爾費休水分儀分析油水分離后油層內的含水量。

選用德國卡爾蔡司產Axio Scope. A1型研究級正置數字顯微鏡觀察油層微觀形貌，并利用Image-Pro Plus 6.0軟件對油層微觀形貌參數進行分析。

1.2油樣

選用6種不同廠家生產的68#汽輪機油作為分水性研究對象，分別標示為A油～F油。

1.3試驗方法

1.3.1攪拌法

GB/T 7305-2003《石油和合成液水分離性測定法》的油水混合方式為機械攪拌，故簡稱“攪拌法”。該法要求向潔凈的測試量筒內依次裝入40 mL蒸餾水和40 mL待測油樣，并將其置于已恒溫至（54±1）℃的水浴中。把攪拌槳垂直放入量筒內，并使槳端恰在量筒的6 mm刻度處。待體系恒溫20 min后，啟動攪拌機，固定轉速（1500±15）r/min下攪拌5 min后立即關停攪拌機，迅速提起攪拌槳，并用玻璃棒將附著在槳上的乳狀液刮回量筒中。仔細觀察油、水分離情況，每0.5 min記錄一次分水體積，當油、水分界面的乳狀液層體積減小至3 mL或分出37 mL水，試驗停止，此時即為分水時間（破乳化值），每個油樣測量3次，每次試驗限制在30 min，取平均值作為最終破乳化值。

1.3.2蒸汽法

SH/T 0191-1992《潤滑油破乳化值測定法》的油水混合方式為將蒸汽通入油層，在液化過程中完成油水混合，故簡稱“蒸汽法”。該法要求將待測油樣20 mL倒入盛油器，將盛油器放入溫度為19～26 ℃的乳化浴中，從盛油器底部向待測油樣緩慢通入水蒸汽，調節進氣量，使待測油溫在45～75 s內升至88～91 ℃，隨后連續通入水蒸氣，在4～6.5 min盛油器中的冷凝水和油的體積應達到（40±3）mL，該過程不能少于4 min，當乳狀液體積達到要求，立即啟動秒表，迅速將盛油器轉移到93～95 ℃的分離浴中，每0.5 min記錄一次分油體積，油層和水層體積不變的時間（min），即為破乳化時間。

2結果與討論

2.1分水體積-時間與含水量分析

2.1.1攪拌法

圖1是A油～F油以標準GB/T 7305-2003所述方法試驗所得分水體積與時間關系曲線。設置37 mL為破乳化值記錄標準，圖1中虛線所示。將各油樣每次試驗的破乳化值結果記錄在表1中，并以平均值作為A油～F油的破乳化值。A油～F油分水后油層含水量的測定結果如表2所示，以平均值為含水量值。

油水分離過程中，除C油外，A油～F油所得的分水體積與時間曲線重合性較好。A油在前3 min內分水速率最快，5 min內完成分水，破乳化值為4.3 min，油層含水量為3.431%。B油在前1.5 min內快速分水，第1.5 min至分水結束速率緩慢，9 min內達到分水體積37 mL，破乳化值為8.3 min，油層含水量為3.164%。C油出現一次曲線偏差，但完成分水時間相近，分水過程中分水體積隨時間呈線性增長，不存在加速分水和緩慢分水階段，12 min內完成分水，破乳化值為11.2 min，油層含水量為3.606%。D油分水與其他油樣不同，其在前12 min沒有明顯水層分出，當水層出現后，分水體積與時間基本呈線性增長，分水速率穩定，在26.5 min內完成油水分離，破乳化值為25.7 min，油層含水量為2.360%。E油在3次試驗破乳化過程中，在30 min內均沒有完成分離出37 mL水，到試驗終止時，分水體積分別為10 mL、8 mL和7mL，其破乳化值較高，大于30 min，為方便量化油水分離性能，擬定破乳化虛值為40 min，試驗停止時油層含水量為11.867%。F油前半程分水速率較慢，后半程快速分水，快速分水階段，分水速率穩定，在11.5 min內完成油水分離，破乳化值為11 min，油層含水量為4.36%。

圖2是攪拌法下根據各油樣的破乳化值與油層含水量所繪的關系圖。A、B、C三個油樣中，從A到C分水時間依次增加，分水時間最長的C油比分水時間最短的A油增加了160%，三個油樣中含水量值均大于3%，小于4%，含水量接近，以破乳化值作為評定這三個油樣分水性的標準，A油的分水性最佳，B油次之，C油第三；F油的破乳化值與C油接近，含水量高于C油20.9%，以含水量評定F油和C油的分水性，得出F油的分水性低于C油，排在C油之后；D油和E油分水時間均高于F油，分水時間和含水量D油均低于E油，D油的分水性高于E油，低于F油，E油的分水性最差。

在GB/T 7305-2003試驗方法下，以破乳化值及含水量結果為依據，總結各油樣的分水性按從高到低的順序為：A→B→C→F→D→E。

2.1.2蒸汽法

圖3是A油～F油以標準SH/T 0191-1992所述方法試驗所得分油體積與時間關系曲線。將各油樣每次試驗的破乳化值結果記錄在表3中，并以平均值為A油～F油的破乳化值。A油～F油分水后油層含水量的測定結果如表4所示，以平均值為含水量值。

油水分離過程中，A油～F油每個油樣3次試驗所得的分油體積與時間曲線雖然變化態勢相同，但均存在不同程度分離情況。A油在破乳化前段表現出較快的分水速率，油層體積在1 min內快速下降，分離出大部分水分，1 min以后分水速率明顯下降，并呈現出緩慢分水的現象，油層穩定體積分別為22 mL、21 mL、20 mL，破乳化值為2 min，油層含水量為1.340%。B油在前1.5 min內表現出快速分水，隨后進入緩慢分水階段，油層穩定體積分別為22 mL、21 mL、21.5 mL，破乳化值為2.83 min，油層含水量為2.109%。C油開始分水速度并不快，在第1～4.5 min進入分水速率快而穩定的階段，隨后直接進入穩定階段，油層穩定體積分別為23 mL、23 mL、22 mL，破乳化值為4.33 min，油層含水量為1.632%。D油在前3 min內油層體積基本沒變，此階段是一個分水儲備期，當油層內的水分聚結到一定程度后，進入快速分水階段，表現為第3～5.5 min內，隨后直接進入油水層穩定階段，油層穩定體積分別為22 mL、20.5 mL、21 mL，破乳化值為6 min，油層含水量為1.635%。E油的分油體積與時間曲線分離程度比較明顯，分水階段表現出階梯下降態勢，即由多個油層體積穩定階段突然跳躍下降組成的，每次試驗油層體積穩定持續時間不等，3次試驗之間油層體積穩定持續時間也不存在明顯的相似性，油層穩定體積均為29 mL，破乳化值為16.8 min，油層含水量為11.620%，E油的破乳化性能很差，分水結束時僅分出11 mL水，油層內含有大量水。F油在前0.5 min內分水體積較少，應是一個分水儲備期，快速分水階段主要表現在第0.5～2.5 min內，隨后的1 min左右進入緩慢分水階段，油層穩定體積分別為22 mL、22.5 mL、21 mL，破乳化值為3.17 min，油層含水量為1.76%。

圖4是蒸汽法下根據各油樣的破乳化值與油層含水量所繪的關系圖。A油、B油的破乳化值在全部油樣中是最小的兩個，B油的破乳化值大于A油，且含水量高于A油，所以B油的分水性低于A油。C油、D油和F油分水后油層含水量接近，以破乳化值確定其分水性優劣，其中，F油破乳化值最低，隨后依次升高為C油、D油。全部油樣中，破乳化值最高的油樣是E，且其油層含水量也是所有油樣中最高的，得出E油的分水性最差。

在SH/T 0191-1992試驗方法下，以破乳化值及含水量結果為依據，總結各油樣的分水性按從高到低的順序為：A→B→F→C→D→E。

GB/T 7305-2003試驗方法判斷油樣的分水性由高到低的順序為：A→B→C→F→D→E。SH/T 0191-1992試驗方判斷油樣的分水性由高到低的順序為：A→B→F→C→D→E。對比發現，“攪拌法”與“蒸汽法”得出的結論有相同處，也有不同處：當油品分水性相對較好（A油和B油）或較差（D油和E油）時，即不同油品分水性存在明顯優劣差異，不同評價方法會得出相同的性能優劣結果；當油品分水性相對居中，且不同油品的分水性接近時（C油和F油），方法不同，結果不同，不便于區分性能優劣。鑒于以上情況，選取分水性較好的A油，分水性較差的E油，和分水性相近的C油與F油作為油層微觀形貌分析對象，對比“攪拌法”與“蒸汽法”在表征汽輪機油分水性時的特點。

2.2油層微觀形貌分析

乳狀液是高比界面積體系，多個小液珠合并成一個大液珠的過程是一個不可逆過程。它將導致液珠數目逐漸減少和液珠平均直徑不斷增大，經過絮凝、聚并、沉降三個過程，最后使乳狀液完全破壞，油相和水相分離。液珠聚并主要受兩個過程控制，一是液珠之間液體的排液，二是油水界面膜的破裂。油水分離過程中，乳狀液中的液珠粒度越大，界面膜越薄，越利于破乳化。液膜的排液動力主要來自重力、彎曲界面壓差、流動壓差、布朗運動、液珠運動的慣性力，統稱為聚并力。液膜的穩定性取決于上述各種作用力的方向、相對大小和液膜內液體的性質[19]。

2.2.1分水性差異明顯情況

圖5為“攪拌法”與“蒸汽法”評價A油和E油分水性后油層內剩余沒有分離出的液珠微觀形貌。利用Image-Pro Plus 6.0分析油層微觀形貌，得出油層內液珠直徑、界面膜厚度范圍，記錄于表5中。油水分離是通過油相內水相液珠的不可逆過程來完成的。當油水分離結束時，A油形貌以小液珠和由它們聚并而未沉降，并具有一定厚度界面膜的中、大液珠組成。經“攪拌法”評價的A油油層內以小直徑液珠居多，呈現出分散或絮凝在中大液珠周圍的狀態，如圖5（A1）所示；經“蒸汽法”評價后油層內液珠直徑整體大于“攪拌法”，具有明顯界面膜厚度的中大直徑液珠布滿油層，如圖5（A2）所示。E油的分水性差，油水分離結束時，油層布滿大量具有一定界面膜厚度的中、大直徑液珠，如圖5（E1）和圖5（E2）所示。經“攪拌法”評價后油層內小液珠直徑低于“蒸汽法”，液珠平均直徑與“蒸汽法”相近（表5所示），含水量略高（表2和表4所示）。

分析形成該對比形貌的原因。水相從油相中分離是液珠直徑由小到大，再到沉降的過程。A油經“攪拌法”評價后，油層含水量大于“蒸汽法”（表2和表4所示），油層內液珠直徑小于“蒸汽法”，說明在“攪拌法”中，油相中水相的液珠直徑變得更小，能更加充分地與油相混合，使得含水量增加幅度較大。同時，A油的分水性最好，油內的大部分水相可以很快分離，剩余未分出的液珠。E油經“攪拌法”評價所得的小液珠直徑同樣小于“蒸汽法”。同時，E油的分水性能差，經兩種方法評價后，小液珠要經過一段時間絮凝，方能聚并成足夠大的液珠沉降分出，不能分出的水則形成了具有較厚界面膜的中、大直徑液珠懸浮在油層內，其破乳化性能低，界面膜不易快速破裂，以致分水速度明顯下降，當到達試驗時間限制時，E油油層內含有大量水分。

根據以上分析，得出“攪拌法”比“蒸汽法”提供的分散能量大，得到小液珠直徑更?。划敳煌推贩炙畠灹有阅懿町惷黠@時，不同方法可得到的相同的結論。

2.2.2分水性差異接近情況

圖6為“攪拌法”與“蒸汽法”評價C油和F油分水性后油層內剩余沒有分離出的液珠微觀形貌。表6記錄了C油和F油油層內液珠直徑、界面膜厚度范圍。表6記錄結果顯示，C油和F油的液珠直徑在大、中、小三個范圍內，以及液珠界面膜厚度范圍在同種評價方法下，所得數值結果相近；表2和表4記錄的結果表明，C油和F油在同評價方法下含水量接近，F油略高一點。該組數據表明C油和F油在不同評價方法下所得到的與分水性相關的參數具有相近性，驗證了前文所得C油與F油的分水性差異接近的結論。

從油層微觀形貌可以看出，不同評價方法下，2個油樣的油層微觀形貌存在相似性。“攪拌法”評價后油層內液珠直徑較大，大直徑液珠數目較多，圖6（C1）和圖6（F1）所示；“蒸汽法”評價后油層內液珠直徑比“攪拌法”小，油層內中、小直徑液珠數目較多，圖6（C2）和圖6（F2）所示；在不同評價方法下，F油油層內的液珠密度比C油稍高一點，F油的破乳化值比C油高一次，低一次。

結合油層參數和形貌所得結果與分析，得出當不同汽輪機油分水性差異接近時，單純用“攪拌法”或“蒸汽法”不便分辨出哪個油品的分水性更加優異。此時，以不同評價方法評價不同汽輪機油分水性，所得結果之間的相關性不明顯。

綜上所述，“攪拌法”與“蒸汽法”在評價汽輪機油分水性時存在一定程度的相關性，該相關性與汽輪機油分水性優劣差異程度存在直接聯系。當不同汽輪機油的分水性差異較大時，兩種方法相關性明顯，可以得到相似的分水優劣性排序；當分水性差異接近時，兩種方法的相關性較弱，所得分水優劣性排序出現不同，不便以單一方法評定不同汽輪機油分水性的優劣排序。

3結論

（1）以“攪拌法”和“蒸汽法”評價汽輪機油分水性時，主要依據以破乳化值作為油樣分水性能優劣的參考依據，油層含水量僅作為參考指標，不作主要判斷依據。

（2）評價汽輪機油分水性過程中，“攪拌法”所提供的分散能量大于“蒸汽法”，使得油水混合程度更加充分。

（3）當不同汽輪機油的分水性差別較大時，采用“攪拌法”與“蒸汽法”評價油品分水性，可以得到相關性較好的評價結果，可以以單一評價方法確定油品分水性優劣順序。

（4）當不同汽輪機油的分水性差別接近時，采用“攪拌法”與“蒸汽法”評價油品分水性，則無法得到相關性較好的評價結果，不便以單一評價方法確定油品分水性優劣順序。

參考文獻：

[1] Fredrik Haglind. A Review on the Use of Gas and Steam Turbine Combined Cycles as Prime Movers for Large Ships. Part I： Background and Design[J]. Energy Conversion and Management， 2008， 49： 3458–3467.

[2] 曹敏芬，益梅蓉. 從ISO汽輪機油標準演變看汽輪機油發展趨勢[J].石油商技，2008，2（4）：68-73.

[3] GB/T 7305-2003.石油和合成液水分離性測定法[S]. 2003.

[4] GB/T 7605-2008.運行中汽輪機油破乳化度測定法[S].2008.

[5] SH/T 0191-1992.潤滑油破乳化值測定法[S].1992.

[6] SH/T 0256-1992.潤滑油破乳化時間測定法[S].1992.

[7] ASTM D 1401-2009. Standard Test Method for Water Separability of Petroleum Oils and Synthetic Fluids[S].2009.

[8] BS 2000-19：2011. Methods of Test for Petroleum and Its Products Part 19： Determination of Demulsibility Characteristics of Lubricating oil[S]. 2011.

[9] ISO 6614-2002. Petroleum Products-Determination of Water Separability of Petroleum Oils and Synthetic Fluids[S]. 2002.

[10] 孟玉嬋，劉文凱，徐平. 我國運行汽輪機油標準的發展與現狀[J].潤滑油，2006，21（5）：1-8.

[11] 劉閣，陳彬.張賢明，等.油水乳化液分散相動力學的研究進展[J].石油化工，2012，41（11）：1333-1336.

[12] Y H Kim， D T Wasan， P J Breen. A Study of Dynamic Interfacial Mechanisms for Demulsification of Water-in-oil Emulsions[J]. Colloids and Surfaces A， 1995， 95：235-247.

[13] Samuel J Maguire-Boyle， Andrew R Barron. A New Functionalization Strategy for Oil/Water Separation Membranes[J]. Journal of Membrane Science， 2011，382： 107-115.

[14] Hikmeat Abd Al-Raheem Ali. Preparation and Evaluation of Demulsifiers Agents for Basra Crude Oil [J]. Appl Petrochem Res， 2012， 1： 29-33.

[15] Lixin Xia， Shiwei Lu， Guoying Cao. Stability and Demulsification of Emulsions Stabilized by Asphaltenes or Resins [J]. Journal of Colloid and Interface Science， 2004， 271：504-506.

[16] Abdul-Raheim，Abdel-Azim A.Abdul-Raheim M， Reem K Kamel， et al. Demulsifier Systems Applied to Breakdown Petroleum Sludge[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2011， 78：364-370.

[17] Firouz Jahaniaval， Yukio Kakuda， Varghese Abraham. Characterization of a Double Emulsion System （oil-in-water-in-oil emulsion） with Low Solid Fats： Microstructure[J]. JAOCS， 2003， 80 （1）： 25-31.

[18] 鄭淑華，郭睿，喬宇，等. 新型聚硅氧烷原油破乳劑的合成與表征[J].石油化工，2013，42（9）：1009-1013.

[19] 李明遠，吳肇亮. 石油乳狀液[M]. 北京： 科學出版社， 2009： 28-32.