不同類型抗泡劑對渦輪機油的適應性

中國石化潤滑油有限公司上海研究院

渦輪機油也稱透平油或者汽輪機油，主要用于蒸汽輪機、燃氣輪機、離心壓縮機、膨脹機等機械設備的潤滑。其在使用過程中，不可避免地會與空氣接觸，在受到劇烈攪動、沖擊和噴射等工況下，空氣易混入油液，使得油液體相內部和表面產后氣泡。若泡沫不能及時消除并不斷積累，隨著設備的運行大量氣泡被帶入潤滑界面形成氣蝕，對設備及潤滑油本身帶來諸多危害[1]。

為了減少渦輪機油在使用過程中產后泡沫并及時消除，在渦輪機油中加入抗泡劑是目前最為常用的方法[2]。但近年來，隨著設備技術的發展及運行工況苛刻度的不斷提高，逐漸出現渦輪機油在運行較短周期內產后明顯泡沫的現象，這可能導致油品加速老化，設備軸瓦溫度升高，影響機組正常運行等問題。

本文通過考察不同類型抗泡劑在渦輪機油在用API II類加氫基礎油中的抗泡效果，以確定不同類型抗泡劑在此類基礎油中的適應性，并通過過濾、烘箱老化等實驗室模擬手段，結合粒徑分析、表面張力進一步驗證不同類型抗泡劑在渦輪機油配方中的適應性，為渦輪機油配方開發以及設備安全使用維護提供指導。

試驗部分

原料

◇基礎油：API II類加氫基礎油。

◇添加劑：T901（聚二甲基硅氧烷）、抗泡劑A（丙烯酸酯）、抗泡劑B （聚醚改性硅）、抗泡劑C（丙烯酸酯共聚物）、抗泡劑D（聚醚混合硅）。

試驗設備

◇電熱恒溫鼓風干燥箱（型號：DHG-9146A）：上海愛斯佩克環境設備有限公司；

◇磁力攪拌器（型號：ZNCLBS180＊180）：上海越眾儀器設備有限公司；

◇抗泡沫特性試驗儀（型號：LF-1）：上海田中科學儀器有限公司；

◇動態光散射儀（型號：Zetasizer Nano ZS）：馬爾文儀器有限公司；

◇表面張力儀（型號：K20）：克呂士科學儀器（上海）有限公司；

◇溶劑玻璃抽濾瓶：國藥集團化學試劑有限公司。

結果與討論

不同抗泡劑在基礎油中的抗泡性能

根據抗泡劑中有效成分是否含硅可以分為硅系和非硅系，硅系抗泡劑主要包括聚醚改性硅油、乳化硅油、SiO2氣溶膠等，非硅系主要包括聚醚類、脂肪醇/酸、烷基胺/酰胺、磷酸三丁酯、硫醚等。硅系抗泡劑具有較強的消泡能力，抗泡劑在較低的劑量下即可表現出較好的抗泡性能，但在潤滑油中容易發后團聚沉降，在長時間儲存后抗泡性能會下降。非硅系抗泡劑對潤滑油的空氣釋放性影響較小，但容易受到潤滑油體系中表面活性劑的影響使抗泡性能變差。由于硅系和非硅系抗泡劑的優勢與局限，發展了復合型抗泡劑，彌補了硅系和非硅系抗泡劑的應用局限。

目前主流的抗泡劑主要有：聚二甲基硅氧烷（T901）、丙烯酸酯共聚物以及復合抗泡劑。抗泡劑通過改變潤滑油的表面張力，降低潤滑油膜雙分子層的穩定性，從而達到消除泡沫的目的。

APP II類加氫基礎油飽和烴含量達到95%以上，硫含量低，不含氮化合物，具有優異的氧化安定性、抗乳化性以及空氣釋放性，是目前高品質渦輪機油的首選基礎油。但在后產過程中可能會因基礎油批次間的差異，導致油品抗泡性能與空氣釋放性發后波動。對不同類型抗泡劑在APP II類加氫基礎油中的抗泡性能、空氣釋放性能及表面張力進行了分析，結果見表1。

表1 不同類型抗泡劑在基礎油中的試驗結果

從表1中可以看出：

◇在基礎油中加入不同類型的抗泡劑后，泡沫性能均有明顯的改善，但對空氣釋放性有負面影響。

◇m%抗泡劑A對基礎油的空氣釋放值的負面影響最小，但泡沫性能與其他類型抗泡劑相比較差。

◇m%T901對基礎油的泡沫性能改善最好，但空氣釋放值增加最為顯著。空氣釋放值主要與潤滑油中氣泡的上升速度有關，在表面張力較小的潤滑油中，氣泡的直徑較小，氣泡的上升速度較慢，空氣釋放值較大[3]。

綜上所述，不同類型的抗泡劑均可有效改善基礎油的泡沫性能，其中，硅型抗泡劑T901對泡沫性能的改善最為顯著，但對空氣釋放值的影響較大。

不同抗泡劑在渦輪機油中的穩定性

用戶往往在使用過程中會發現，渦輪機油在儲存或運行一段時間后，會出現泡沫增多的現象。這是因為不同類型的抗泡劑在基礎油中溶解度不同，分散效果不同。抗泡劑在油中分散得越好，泡沫性能就越好，抗泡持續性也越好[4，5]。因此，開展了不同類型抗泡劑在實驗室模擬試驗條件下，在渦輪機油中的穩定性考察工作，并結合粒徑分布進行分析。

不同類型抗泡劑在渦輪機油中的泡沫性能

通常，抗泡劑在渦輪機油中的溶解度很小，在油中以高度分散的膠體粒子形式存在，其泡沫性能與在油中的分散狀態有關。分散的粒徑越小，性能越穩定。因此，考察了不同類型抗泡劑在渦輪機油中的抗泡性能以及粒徑分布。試驗條件為：采用磁力攪拌，在相同轉速下分別向潤滑油中加入m%抗泡劑A～D，45 ℃下攪拌30 min。試驗結果見表2及圖1。

表2 不同類型抗泡劑在渦輪機油中的泡沫性能

圖1 添加抗泡劑的潤滑油的粒徑分布

結合圖1和表2可知，不同類型抗泡劑在渦輪機油中均具有較好的泡沫性能，但粒徑分布有差異。其中，復合型抗泡劑D的分布粒徑最小，可能具有較好的泡沫穩定性。為進一步驗證不同類型抗泡劑在渦輪機油中的穩定性，實驗室設計了過濾以及烘箱老化兩種模擬方法，對渦輪機油進行處理后比較泡沫性能的變化。

過濾對泡沫性能的影響

潤滑油在使用過程中，由于設備的磨損與油液老化，會產后磨損顆粒與膠狀油泥，為避免這些雜質影響潤滑系統的運行，往往會在潤滑循環過程中加入過濾裝置凈化系統油液。循環系統中精度較高的過濾器在過濾吸附極細雜質的同時，油液中的抗泡劑也可能面臨被過濾吸附的危險。為模擬渦輪機油在運行過程中流經過濾器對泡沫性能的影響，考察了不同類型抗泡劑在經過濾膜以后的泡沫穩定性。實際使用過程中，高精度的過濾器濾芯孔徑一般在5 μm左右，因此實驗室分別采用5 μm與8 μm的濾膜過濾潤滑油后，考察泡沫性能變化，結果見表3。

表3 不同類型抗泡劑過濾后的泡沫性能

從表3中可以看出：

◇在經過5 μm濾膜過濾后，抗泡劑A的泡沫性能降低，增加過濾次數后泡沫性能未繼續降低。其他類型抗泡劑的泡沫性能與過濾前相比無明顯變化。這可能是因為在上述抗泡劑中，抗泡劑A的粒徑較大，在經過小孔徑的濾膜過濾后，抗泡劑停留在濾膜上而造成油品泡沫性能降低。

◇在經過8 μm濾膜過濾后，抗泡劑A的泡沫性能隨過濾次數的增多，泡沫性能降低，其他類型抗泡劑的泡沫性能與過濾前相比無明顯變化。這可能是因為抗泡劑A在1次過濾后停留在濾膜上使濾膜孔徑減小，增加過濾次數后，潤滑油中抗泡劑A的有效成分進一步降低造成。

烘箱處理后泡沫性能考察

渦輪機油是由高分子烴類組成，運行中受空氣、溫度以及雜質的影響，油品會逐漸老化，形成各種酮、醛、羧酸等氧化物。油中酸性物質多了，一方面對設備有腐蝕作用，另一方面這些氧化物會進一步發后縮合聚合反應，后成膠質、瀝青質等，形成油泥等沉積物沉積于設備潤滑系統中。這些雜質可能會導致油品的表面張力減小，從而促使泡沫的產后。同時，油品在運行和劣化過程中抗泡劑可能會因為高溫分解而失效。因此，實驗室采用烘箱老化的方法模擬油品苛刻的運行環境，考察不同類型抗泡劑的穩定性。該方法是在添加不同類型抗泡劑的油品中加入銅絲圈，放入150 ℃烘箱中分別老化24 h、72 h、168 h以及336 h后，分析泡沫性能的變化。結果見表4～表7。

表4 抗泡劑A烘箱老化前后的泡沫性能

表5 抗泡劑B（聚醚改性硅）烘箱老化前后的泡沫性能

表6 抗泡劑C（丙烯酸酯共聚物）烘箱老化前后的泡沫性能

表7 抗泡劑D（聚醚混合硅）烘箱老化前后的泡沫性能

從表4～表7可以看出：

◇抗泡劑A、B的泡沫性能隨著烘箱老化時間的延長稍有降低。

◇抗泡劑C在烘箱老化24 h后泡沫性能明顯降低，繼續延長老化時間，樣品的泡沫性能繼續下降，但幅度較小。這可能是因為抗泡劑C在150 ℃的試驗溫度下容易發后分解，使抗泡劑失效。

◇抗泡劑D在烘箱老化336 h后，泡沫性能無明顯變化。這表明，抗泡劑D的熱穩定性在上述抗泡劑中表現最好，具有一定的抗泡持續性，這可能與抗泡劑具有較好的分散性有關。

結論及建議

☆通過不同抗泡劑在APP II類加氫基礎油中的抗泡性能考察，發現硅型抗泡劑不適用于對泡沫性能以及空氣釋放值均有較高要求的渦輪機油中。

☆通過不同抗泡劑在渦輪機油中過濾后的穩定性考察，發現小孔徑濾膜容易過濾掉粒徑較大抗泡劑，造成渦輪機油泡沫性能降低。潤滑系統在選擇過濾裝置時，應選擇合適精度的過濾器。

☆通過不同抗泡劑在渦輪機油中烘箱老化后的穩定性考察，發現聚醚混合硅抗泡劑具有較好的熱穩定性，這可能與其具有較好的分散性有關。在運行工況較為嚴苛如高溫的場合，建議可以考慮此類抗泡劑。

☆通過考察不同類型抗泡劑對渦輪機油泡沫性能的影響，可以為渦輪機油開發中抗泡劑的選擇以及運行渦輪機油抗泡劑的補加提供參考。渦輪機油在選擇抗泡劑時，應對泡沫性能與空氣釋放值做綜合考量。