風電主齒輪箱潤滑油清潔度檢測與污染物分析

趙 丹，洪 超

（東方電氣風電有限公司，四川 德陽 618000）

1 引言

主齒輪箱是雙饋型風力發電機組的關鍵大部件之一，其使用性能和運行壽命與潤滑油的清潔度及污染密切相關。大量實踐數據表明，齒輪箱損害造成的風機故障占機組全部故障的比例可達20%，其中，潤滑油污染導致的潤滑故障又占有較高的比例[1][2]。

潤滑油清潔度反映了固體顆粒污染物在油液中的含量與分布，用以表征油的清潔程度。齒輪箱在運轉使用過程中，會不斷產生污染物于潤滑油液內。污染物對潤滑油以及設備本身均危害較大，會嚴重影響油的潤滑能力，引起零部件磨損失效，使齒輪箱發生故障，性能下降，壽命縮短。因此，研究探討風電主齒輪箱潤滑油清潔度及污染物，控制潤滑油的清潔度，及時處理在用潤滑油中的污染物，對于保證主齒輪箱安全可靠、高效經濟地運行，延長設備使用壽命，有重要的實用價值和意義。

目前，風機潤滑油的監控大多數僅限于常規檢測[3][4]，僅有的清潔度結果往往不夠，必要時還需對潤滑油清潔度及污染物做進一步深入檢測和分析，獲取更加全面細致的油的污染及性能狀況信息，而這方面的研究和應用也相對較少。

根據現場反饋，某風場剛投運不久的13#機組主齒輪箱潤滑油常規監測結果異常，清潔度超標非常多。文中將通過顯微拍照、掃面電鏡和能譜分析等特殊的技術方法對其進行清潔度檢測確認和污染物分析，以明確污染物主要成分及來源，找出異常情況產生的原因，為制定應對措施提供客觀依據。

2 風電主齒輪箱油的清潔度及主要污染

2.1 風電主齒輪箱油的清潔度評級

對于風電行業中主齒輪箱潤滑油清潔度等級，目前眾多風機制造商和業主參考和采用由美國標準委員會、齒輪箱制造協會和風能協會聯合制定的標準ANSI/AGMA/AWEA 6006-A03。該標準規定，主齒輪箱運行時的清潔度等級需達到ISO 17/15/12（詳見表1）[5]。

表1 風電主齒輪箱潤滑油清潔度要求

此外，ISO及IEC也對風電主齒輪箱潤滑油清潔度做出了要求[6]，與ANSI/AGMA/AWEA 6006-A03的要求基本一致。

表2 ISO標準污染等級（部分摘錄，每毫升顆粒數）

ISO清潔度等級（三位數系統）采用三個顆粒尺寸作為檢測清潔度的特征顆粒，從左至右分別代表≥4μm≥6μm和≥14μm的顆粒的標準污染等級[7]，標準污染等級見表2所示[8]。

2.2 風電主齒輪箱油的主要污染及危害

影響潤滑油清潔度的污染物主要來源有外界污染物、磨損顆粒物、潤滑油氧化產物、潤滑油添加劑析出物等。

顆粒污染物進入齒面和軸承間隙中，導致了軸承與齒輪的磨損與碾磨，是齒輪箱磨損和失效的主要因素。研究表明[9]，突然的崩潰通常由潤滑油中尺寸≥14μm的顆粒引起，而因積累而引起的故障，如磨損和老化等，是由尺寸2μm～6μm的小顆粒物引起，風機運行數年之后，往往會發現一些齒輪齒面以及齒輪箱軸承磨損嚴重。

潤滑油中氧化產物、添加劑析出物也會導致諸多危害，具體概括如下[10]：

（1）附著在機械工作表面，吸附顆粒物，加速零件的磨損；

（2）粘滯于機械表面，降低機械的表現；

（3）粘附于換熱器及軸承和齒面上，降低了熱交換效率，導致齒輪箱軸承超溫的報警風險提高；

（4）在線過濾器堵塞，油在管路中流動受限；

（5）加速油變質和添加劑消耗，增加了成本。

正常情況下，主齒輪箱潤滑油使用壽命為3年～5年，到期后更換。若檢測到潤滑油清潔度和污染物超標，需過濾凈化；當油品老化、性能惡化時，則立即更換新油，以滿足要求[11][12]。

3 風場13#機組主齒輪箱油的清潔度檢測

3.1 現場過濾檢測情況

取100ml油樣樣品，過濾通過φ50mm、絕對過濾精度為3μm的分析膜片。將上述制備的分析膜片放在100×顯微鏡下觀察并與標準圖片進行比較，得出油樣的清潔度等級。

現場過濾檢測時，所檢的13#機組油樣呈棕色液體，略微渾濁，如圖1所示，將其與14#機組油樣進行對比，可明顯看出前者比較渾濁，后者則呈現棕色透明外觀。

圖1 現場過濾檢測的油樣外觀及對比

現場過濾制備的分析膜片被灰黑色油膜附著覆蓋，反復多次使用石油醚沖洗均無法使其溶解過濾走，難以讀出確切清潔度等級，如圖2所示。為排除外界干擾，現場檢測時用兩種取樣瓶取了雙份油樣在同種條件下進行了測試，從圖2中可以看出，兩份油樣的檢測結果一致。

圖2 現場過濾制備的分析膜片（雙份油樣）

3.2 實驗室過濾檢測情況

取25ml油樣樣品，過濾通過φ25mm、絕對過濾精度為1.2μm的分析膜片。將上述制備的分析膜片放在200×顯微鏡下觀察并與標準圖片進行比較，得出油樣的清潔度等級。

實驗室過濾檢測時，所用的13#機組油樣外觀呈棕黃色，不透明（如圖3中左圖）。實驗過程中發現，樣品過濾速度非常慢，完全過濾25ml樣品的分析膜片（如圖3中右圖）表面截留一層黑色污染物。

圖3 實驗室過濾檢測的油樣外觀及分析膜片

實驗室過濾檢測的精度更高，其檢測情況進一步印證了現場過濾檢測結果，該油樣清潔度極差，超出ISO 4406等級范圍，無法讀出具體數值。

4 風場13#機組主齒輪箱油的污染物分析

4.1 分析膜片顯微拍照

用與顯微鏡相匹配的數碼CCD進行圖像采集，得到分析膜片上具有代表性的顯微照片。

將2.2中完全過濾25ml樣品得到的分析膜片置于200×顯微鏡下進行觀察和拍照（如圖4），發現黑色污染物是由膠狀物夾雜顆粒物形成的一層濾餅，這是油樣樣品過濾速度極慢的原因。

圖4 過濾25ml樣品、200×放大倍數照片

為進一步分析污染物組成，取少量樣品（約10ml）用過濾后的石油醚稀釋后得到污染物分析膜片，置于500×顯微鏡下進行觀察和拍照（如圖5）。從照片中可以明顯看出，油樣中主要污染物為淺色膠狀物和黑色金屬顆粒。

圖5 過濾10ml樣品、500×放大倍數照片

4.2 污染物SEM/EDX掃描電鏡和能譜分析

采用掃描電鏡及拍照系統和能譜分析儀對分離提取出的污染物進行掃描和元素分析。

對2.2中完全過濾25ml樣品得到的分析膜片表面截留污染物進行大面積掃面（如圖6）的結果顯示，污染物主要元素包含C、O、P、S、Ca、Fe（見表3），其中C、O元素所占比例最大，P、S、Ca元素其次，Fe元素比例最少。

圖6 表3對應大面積掃描區域

表3 污染物大面積掃描主要元素表

過濾10ml樣品與過濾25ml樣品得到的分析膜片所截留的污染物掃面電鏡和能譜分析結果基本一致，其中C、O元素所占比例依舊最大，P、S、Ca、Si元素其次，Fe元素比例最少。典型顆粒詳細情況如圖7～圖8及表4～表5所示。

圖7 表4對應掃描點

表4 典型顆粒點位1掃描主要元素表

圖8 表5對應掃描點

表5 典型顆粒點位2掃描主要元素表

參考該款潤滑油技術數據，C、O為其主要成分元素，其添加劑成分含有Ca、Mo、P、Si、S元素，故初步推斷污染物中C、O元素主要源自油的老化產物，Si、P、Ca、S元素源自潤滑油添加劑析出物，少量Fe元素來源于齒輪箱磨損顆粒。

5 結論及建議

根據上述油樣檢測及分析結果，得出結論及建議如下：

（1）該油清潔度極差，已嚴重超出標準限制值，不滿足風電主齒輪箱正常運行要求；

（2）油中主要污染物為淺色膠狀物和黑色金屬顆粒，污染物主要包含C、O、Si、P、S、Ca、Fe元素，初步推斷主要源自油的老化產物、添加劑析出物以及少量齒輪箱磨損產物，這些表明該油存在老化和添加劑析出現象，需予以特別關注，少量齒輪箱磨損產物顯示該機組主齒輪箱無異常磨損；

（3）鑒于該油性能狀態，建議更換油品、濾芯或采用更為適合的過濾措施，該機組主齒輪箱仍可繼續正常運行；

（4）文中所用技術方法在風電主齒輪箱潤滑油此次實際問題處理上獲得了較好效果，可在類似情況機組中借鑒應用。