水分對汽輪機油使性能的影響

中國石化潤滑油有限公司上海研究院

汽輪機油在使用過程中常會出現水分混入潤滑系統的情況，水分增加至一定程度將對油品性能和設備潤滑系統的穩定性產后一定影響。水分對潤滑系統的影響可以分為瞬時影響和長期影響兩類，其中：瞬時影響表現在水分進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備管道的腐蝕等方面。為全面掌握水分進入潤滑系統后對油品和設備造成影響的規律，避免油品在使用中因混入水而帶來的不利影響，有必要開展汽輪機油中水分對油品的使用性能影響的研究，以期為設備的運行維護提供指導。

試驗方案

選用TSA46(A級)汽輪機油，針對水分對潤滑油存在瞬時和長期兩種影響，將試驗分成兩部分：一是考察水分對汽輪機油短期的影響，即將水分加入油品中，模擬實際工況，將油水混合物進行充分劇烈攪拌，形成油水乳液，考察乳液各項理化性能的改變；二是考察水分對汽輪機油長期的影響，即模擬實際工況，對油品進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理化性能之間的差異。通過對理化性能檢測結果的綜合對比分析，得到汽輪機油中水分對油品使用性能的影響。

水分對汽輪機油性能短期的影響

向100 mL離心管中分別加入TSA46（A級）汽輪機油和不同質量分數的蒸餾水（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的轉速強力攪拌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 加水攪拌后油品外觀

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

表1 加水攪拌后油中水含量

圖2 加水攪拌后油中水含量

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%。

潤滑油中水分超標會破壞潤滑油膜，降低潤滑效果，造成軸承異常磨損，進而可能引發機組振動異常，危及機組正常運行[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

最大無卡咬負荷PB和燒結負荷PD表示潤滑油的油膜強度，該值越大表示潤滑油的油膜強度越高，承載能力越強。為探究水含量對潤滑油油膜強度的影響，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度有關。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，所以當水進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度受到較大影響，金屬表面將很難再獲得足夠厚度和強度的吸附油膜來維持潤滑作業，在瞬間高溫高壓的作用下，油包水乳化液的內相—水相很可能沖破油水界面膜，導致油膜破裂，容易引起摩擦副表面個別接觸區處于干摩擦狀態，從而使摩擦副產后接觸疲勞導致疲勞磨損[5～8]，而且水含量越高，油膜強度越差，磨損就越嚴重。

水分對油品常規理化性能的影響

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）汽輪機油和加水量為2%的油品（上層乳狀液，實際含水量為0.39%）進行常規理化性能分析對比，結果見表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，油品的運動黏度、酸值、閃點和空氣釋放值有輕微的減小，密度、破乳化性時間、旋轉氧彈稍有增加，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）基本沒有發后改變。

水分對汽輪機油性能長期的影響

先將TSA46(A級)汽輪機油參照ASTM D7873(Dry TOST)的試驗條件（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數為6%（讓水和油達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)的試驗條件（溫度：95 ℃，氧氣流量：3 L/h，催化劑：銅絲鋼絲圈）進行模擬老化，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行表3中各項目的測試，取下層水分測定其酸值，試驗結果見表3。

表3 水分對TSA46(A級)汽輪機油老化過程的影響

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，隨著老化的進行，無論是加水還是不加水老化，油品的磨斑直徑均表現出增大的趨勢，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加水老化和無水老化油品的磨斑直徑，發現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出現逐漸減小趨勢，說明加水老化會降低潤滑油的油膜強度，使得潤滑油的承載能力變差；另外比較相同老化時間內加水老化和無水老化油品的最大無卡咬負荷PB，發現無水老化油品的最大無卡咬負荷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度有較大負面影響，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果可以看出，水分的加入使得油品的油膜厚度變小，油膜強度降低，承載能力變小，運行中將導致設備軸承磨損，振幅增加，影響設備長期穩定運行。

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，發現老化相同的時間，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，油品產后的酸性物質會有一部分溶解于水中，使得水層的酸值明顯增大，同時導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，在實際工況中，水進入潤滑系統后，會加快對設備金屬表面的腐蝕。

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后的油泥進行測定，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、導氣管壁和催化劑上面的油泥（統稱為管壁上的油泥），試驗結果見圖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出增大趨勢；比較老化相同時間的油品，發現加水老化產后的油泥總量均高于無水老化產后的油泥總量，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油品中不溶物的析出，使得較多的油泥附著在試管壁、導氣管壁和催化劑上。

水分子之間可以形成多個氫鍵，在潤滑油中形成交聯網狀結構的團聚體，從而水分子與潤滑油氧化產物分子更易形成氫鍵，并且形成的氫鍵穩定性很強，因此潤滑油中存在水分子可以促進潤滑油氧化產物分子的聚集，形成的聚集體中潤滑油氧化產物分子分布在水團聚體表面，其極性官能團朝向水團聚體[9]，從而導致有水存在時，油中后成的氧化產物更容易聚集形成油泥并從油中析出，吸附于管壁。因此在實際工況中，水進入潤滑系統后加快油泥后成速率，容易堵塞設備潤滑系統過濾器，導致供油不足、調速失靈等后果。

結論

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

☆當設備潤滑系統含水運行時，油品承載能力和抗磨損性能下降，酸性物質向水中聚集同時油泥后成速率增加，導致設備軸承磨損，振幅增加，加快對設備金屬表面的腐蝕，同時容易堵塞潤滑系統過濾器，影響設備長期穩定運行。