抗燃油泡沫特性超標(biāo)原因分析及處理措施

劉 俊，劉海元

（廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司 工業(yè)摩擦潤滑技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，廣東廣州 510535）

0 引言

抗燃油是大型汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)用油，廣泛用于各類以蒸汽透平發(fā)電的電廠，如各類火電廠、核電站。目前常用的抗燃油類型為磷酸酯型抗燃油，由于抗燃油使用在高溫、高壓條件下，加上磷酸酯抗燃油本身的特性，在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)抗燃油酸值、體積電阻率、泡沫特性等指標(biāo)超標(biāo)問題。但在泡沫特性指標(biāo)超標(biāo)問題上，現(xiàn)場在應(yīng)對措施上經(jīng)常沒找對方向，如發(fā)現(xiàn)泡沫特性超標(biāo)就想到添加抗泡劑，這種做法往往效果不理想，甚至還會(huì)帶來其他的“副作用”。下面以某大型燃煤火電廠抗燃油泡沫特性出現(xiàn)超標(biāo)為例，分析其泡沫特性超標(biāo)的原因及解決措施。

1 故障現(xiàn)象

某大型燃煤火電廠（4×600 MW）4 號(hào)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使用牌號(hào)為科聚亞Turbofluid 46SJ 磷酸酯的抗燃油，在2017 年3 月的日常檢測中發(fā)現(xiàn)泡沫特性指標(biāo)出現(xiàn)輕微超標(biāo)，一個(gè)月后再次取樣檢測發(fā)現(xiàn)泡沫特性指標(biāo)升高趨勢很明顯（表1）。

表1 相關(guān)檢測指標(biāo)數(shù)據(jù)

需要注意的是，抗燃油泡沫特性檢測超標(biāo)并未引起現(xiàn)場系統(tǒng)相關(guān)故障特征，如壓力波動(dòng)、油箱出現(xiàn)大量泡沫等，僅表現(xiàn)在檢測數(shù)據(jù)的異常。

2 原因分析

2.1 油品泡沫特性

油品泡沫特性由泡沫傾向性和泡沫穩(wěn)定性這兩個(gè)檢測指標(biāo)體現(xiàn)：前者是油品生成泡沫的傾向，檢測值越大代表油品越容易生成泡沫；后者是油品在生成泡沫后，在一定時(shí)間內(nèi)泡沫能否消解的能力，檢測值越小代表油品泡沫穩(wěn)定性越好，油中生成的泡沫越容易在短時(shí)間內(nèi)消去[1]。

以檢測數(shù)據(jù)“180/0”為例，“180”代表泡沫傾向性，“0”代表泡沫穩(wěn)定性。通常在泡沫特性檢測指標(biāo)中，需要確保的底線是數(shù)字泡沫穩(wěn)定性不超標(biāo)，這樣即使數(shù)字泡沫傾向性超標(biāo)，油品也具備在生成泡沫后快速消去的能力，對實(shí)際使用影響仍然可控。

2.2 油品泡沫特性相關(guān)機(jī)理

2.2.1 潤滑方式帶來的泡沫問題

油品生成泡沫是因?yàn)橛椭杏锌諝猓蚨諝饪梢钥醋髋菽a(chǎn)生的源頭。而有的潤滑方式注定會(huì)往油中不停帶入空氣，如齒輪飛濺潤滑，在齒輪與潤滑油的攪拌接觸中會(huì)不停地將空氣帶入潤滑油中，從而引起油中不停地生成泡沫。但是這種泡沫生成是不可避免的，不代表油品性能有問題，只要油品具備良好的消泡性能，對實(shí)際使用效果影響不大。

類似的情況還有油箱高處回油口。例如，有些循環(huán)潤滑系統(tǒng)的油箱回油管末端離油箱液面還有一段距離，這樣回油管中的油沖擊流入油箱中時(shí)也會(huì)帶入空氣、導(dǎo)致泡沫生成。這種情況需要避免油箱回油口離進(jìn)油口過近，因?yàn)橛推芳词咕邆浜细竦南菪阅埽菽珊笠残枰欢ǖ臅r(shí)間才能消去，而如果回油口距離進(jìn)油口很近就會(huì)導(dǎo)致生成的泡沫還來不及消去就被吸入了進(jìn)油口、給實(shí)際使用帶來影響。一個(gè)小的技巧就是在油箱回油口和進(jìn)油口之間設(shè)置一塊擋板，讓從回油口回來的油需要經(jīng)過一段路程的“奔襲”后才到達(dá)進(jìn)油口，讓油中的泡沫有足夠的時(shí)間消解。

2.2.2 抗泡劑消耗帶來的泡沫問題

潤滑油中添加有各類添加劑，而有些添加劑屬表面活性劑，這會(huì)帶來油品泡沫傾向性高；此外，很多使用場合要求潤滑油具備良好的消泡性能，如齒輪飛濺潤滑、油箱高處回油口等，這就要求潤滑油具備消泡屬性，因而常見的各類成品潤滑油中都添加有一定量的抗泡添加劑，如工業(yè)齒輪油、液壓油、渦輪機(jī)油等。目前常用的抗泡劑類型有三大類，分別是有機(jī)硅聚合物（T901）、非有機(jī)硅聚合物（T911）、復(fù)合抗泡劑（T921）。抗泡劑作用機(jī)理有兩個(gè)：一方面增加油品表面張力，從而降低油品生成泡沫的傾向；另一方面具有降低泡沫表面膜強(qiáng)度及韌性的性能，從而使得生成的泡沫容易消解[6]。

油品在使用過程中會(huì)不停地消耗抗泡劑，當(dāng)抗泡劑消耗殆盡時(shí)油品也就沒有了原來的泡沫特性。因而，有部分油品的泡沫特性會(huì)隨著抗泡添加劑的消耗而逐漸變差，但這種情況導(dǎo)致的油品泡沫特性不合格并不能通過簡單的向運(yùn)行油中添加抗泡劑來解決。因?yàn)橐环矫嬖絹碓蕉嗟奶砑觿購?fù)合型添加劑，成品潤滑油講究的是各類添加劑和基礎(chǔ)油的合理配比、性能的均衡，而單獨(dú)添加某一添加劑可能帶來潤滑油某一性能提升，而其他性能下降的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，不同類型抗泡劑對加入方法敏感度不一樣，有的敏感度很高，現(xiàn)場添加很難達(dá)到要求，因而會(huì)出現(xiàn)添加抗泡劑效果不理想的情況。

2.2.3 油品污染帶來的泡沫問題

在導(dǎo)致油品泡沫特性異常的原因中，污染是非常關(guān)鍵卻經(jīng)常被忽視的一個(gè)，污染導(dǎo)致抗燃油泡沫特性超標(biāo)的情況非常常見。污染導(dǎo)致油品泡沫特性異常的相關(guān)理論是“表面張力理論”。該理論認(rèn)為潤滑油的起泡能力與油液表面張力密切相關(guān)，從能量觀點(diǎn)考察，油液表面張力低對泡沫形成有利，因?yàn)樯梢欢偙砻娣e的泡沫需要做的功（表面功）較少；而在油液表面張力較大情況下需要做較多的功，不利于泡沫的形成。因此，增加油液與空氣界面的表面張力能夠降低潤滑油起泡的傾向。而油液表面張力與油液清潔度狀況密切相關(guān)，因?yàn)榇蟛糠治廴疚飳儆诒砻婊钚晕镔|(zhì)，它們易富集于氣液界面，其非極性基團(tuán)伸向氣泡內(nèi)、極性基團(tuán)指向液體，形成單分子層膜，這種膜能夠降低界面的張力而使起泡處于較穩(wěn)定的熱力學(xué)狀態(tài)。污染會(huì)引起液體易起泡比較直觀的例子是純物質(zhì)（如純凈水）是不易起泡的[6]。

2.3 抗燃油泡沫特性超標(biāo)原因分析

根據(jù)該電廠抗燃油兩次取樣檢測數(shù)據(jù)，結(jié)合油品泡沫特性生成機(jī)理，判斷導(dǎo)致抗燃油泡沫特性超標(biāo)的原因是污染，主要是抗燃油自身劣化變質(zhì)產(chǎn)物的污染，原因如下。

2.3.1 酸值等指標(biāo)出現(xiàn)同步劣化趨勢

抗燃油酸值指標(biāo)衡量的是油品劣化變質(zhì)的程度，由于抗燃油的運(yùn)行溫度較高，除去外界污染可能帶來的油品劣化變質(zhì)，其自身氧化變質(zhì)產(chǎn)生的影響占據(jù)更大比重。從表1 可以看出，酸值兩次檢測數(shù)據(jù)分別為0.15 mgKOH/g、0.16 mgKOH/g，根據(jù)DL/T 571—2014《電廠用磷酸酯抗燃油運(yùn)行維護(hù)導(dǎo)則》中對酸值指標(biāo)的控制值為≤0.15 mgKOH/g，酸值兩次檢測值處于臨界值，有持續(xù)升高趨勢。根據(jù)抗燃油酸值指標(biāo)的變化規(guī)律，當(dāng)酸值處于0.1 mgKOH/g 以下時(shí)，其升高趨勢會(huì)比較緩慢；當(dāng)酸值達(dá)到0.1 mgKOH/g 以上時(shí)，其升高趨勢會(huì)明顯加快[5]。這背后其實(shí)是量變到質(zhì)變的過程，任其發(fā)展下去，該油品的酸值指標(biāo)還會(huì)繼續(xù)快速升高。從酸值與泡沫特性指標(biāo)的兩次檢測值比較中可看出，酸值與泡沫特性呈現(xiàn)出同步超標(biāo)升高的趨勢，因而有理由推斷酸值與泡沫特性指標(biāo)間存在關(guān)聯(lián)，其背后機(jī)理很可能是抗燃油自身劣化變質(zhì)產(chǎn)物累積使酸值升高，而這些劣化變質(zhì)產(chǎn)物又會(huì)降低油液表面張力，使油品泡沫傾向性升高。

此外，體積電阻率指標(biāo)檢測值也支持這一推斷。體積電阻率衡量的是抗燃油絕緣的程度，也是間接體現(xiàn)抗燃油中各類污染物濃度的指標(biāo)[7]。從這兩次檢測數(shù)據(jù)看，體積電阻率指標(biāo)有降低的趨勢，雖然沒有超標(biāo)，但其值相對偏小，這表明抗燃油的絕緣程度在下降，油中的各類污染物在增加。

2.3.2 污染度等級(jí)未超標(biāo)

雖然從酸值、體積電阻率、泡沫特性等指標(biāo)超標(biāo)推斷抗燃油中污染物濃度高，但污染度等級(jí)指標(biāo)并未超標(biāo)，兩次檢測值都是5 級(jí)、屬于較理想值。對此的合理解釋是，污染度等級(jí)指標(biāo)檢測的顆粒尺寸范圍為≥6 μm（按照AS 4059 標(biāo)準(zhǔn)），而抗燃油自身氧化變質(zhì)產(chǎn)物的顆粒尺寸范圍通常在亞微米級(jí)（＜1 μm），不在污染度等級(jí)指標(biāo)檢測范圍內(nèi)，因而不能通過污染度等級(jí)指標(biāo)很好的指示抗燃油清潔度狀況。

對本案例中抗燃油泡沫特性超標(biāo)的路徑分析如圖1 所示。

圖1 抗燃油泡沫特性超標(biāo)路徑分析

3 處理措施

根據(jù)對抗燃油泡沫特性超標(biāo)的原因分析，建議現(xiàn)場采用精密過濾設(shè)備對抗燃油開展濾油作業(yè)，濾除抗燃油中微小的劣化變質(zhì)產(chǎn)物。現(xiàn)場按照建議采購了某廠家生成的KZTZ 型濾油機(jī)對抗燃油進(jìn)行過濾，經(jīng)過兩天的過濾，取得了明顯的效果，首先表現(xiàn)在油品的外觀上就有了很大改變，過濾前抗燃油呈黑色、過濾后呈透明黃色。更重要的是，抗燃油的各項(xiàng)性能指標(biāo)有了明顯改善（表2）：泡沫特性指標(biāo)大幅下降至合格范圍內(nèi)，表明油品表面張力提高；酸值指標(biāo)大幅下降至0.1 mgKOH/g 以下，表明油中劣化變質(zhì)產(chǎn)物濃度大幅下降；體積電阻率明顯升高，表明抗燃油的絕緣程度在提高包括泡沫特性指標(biāo)。這些指標(biāo)的變化情況符合前面的理論分析，進(jìn)一步印證了抗燃油泡沫特性超標(biāo)的原因是油品劣化變質(zhì)的產(chǎn)物污染所致。

表2 抗燃油過濾前后指標(biāo)變化

4 結(jié)論及建議

抗燃油泡沫特性出現(xiàn)超標(biāo)，尤其是只有泡沫傾向值偏高，并伴有酸值偏高、電阻率偏低的情況，往往是由于抗燃油自身劣化變質(zhì)產(chǎn)物污染所致，這時(shí)往抗燃油中加入抗泡劑往往起不到理想的效果。正確做法是采用高精密過濾設(shè)備濾除油中的微小污染顆粒物，泡沫特性、酸值等指標(biāo)自然會(huì)恢復(fù)正常。

圖2 抗燃油過濾前后