船用水冷空壓機(jī)滑油乳化問題

唐 鑫，張 燚

（1. 海軍裝備部駐蕪湖地區(qū)軍事代表室，安徽蕪湖 241000；2. 海軍裝備部駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州 310000）

0 引言

船用空氣壓縮機(jī)處于高溫高濕的特殊使用環(huán)境中，相比室內(nèi)空壓機(jī)而言，其潤滑油更容易發(fā)生乳化現(xiàn)象。筆者針對滑油乳化問題發(fā)生的機(jī)理，提出常用的應(yīng)對措施，并通過某船用進(jìn)口空壓機(jī)滑油乳化問題具體案例進(jìn)行分析，得出滑油乳化問題的解決途徑。

1 船用空壓機(jī)介紹

1.1 基本功能

壓縮機(jī)普遍應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個部門，如化工、船舶、石油和航天等，其使用范圍日益擴(kuò)大，尤其是在各種等級與用途的船舶上，得到了廣泛使用。船用空壓機(jī)作為重要的船舶輔機(jī)，其基本功能是通過機(jī)械運動將輸入的電能、機(jī)械能等轉(zhuǎn)化成壓縮空氣的勢能和動能，為船舶柴油機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等主機(jī)的啟動和風(fēng)動工具、高壓水槍、警報系統(tǒng)等的運行提供壓縮動力源，其工作性能將直接影響船舶的執(zhí)行能力。

2.1 結(jié)構(gòu)形式

為了滿足船用條件下海上高溫、高濕的特殊環(huán)境要求，目前船用空氣壓縮機(jī)普遍采用臥式、水冷和活塞式結(jié)構(gòu)，且多為氣缸立式或角度式布置型式。為了減少使用、維護(hù)的成本，多采用兩級壓縮，普通船用空氣壓縮機(jī)工作壓力一般小于5 MPa，容積流量一般小于200 m3/h。當(dāng)其容積流量小于100 m3/h時，多采用飛濺潤滑；當(dāng)容積流量大于100 m3/h時，一般采用壓力潤滑。同時，各級排氣管路末端設(shè)置有油水分離器。

2 滑油乳化

滑油乳化是指滑油在使用一段時間后，由于混入不同的液體而發(fā)生乳化的現(xiàn)象。滑油發(fā)生乳化的3個必要條件如下[1]：

1）必須具有互不相溶或不完全相溶的2種液體。

2）2種混合液中應(yīng)有乳化劑（能降低截面張力的表面活性劑）的存在。

3）要有形成乳化液的能量，如強(qiáng)烈的攪拌、循環(huán)、流動等。

為了改善和提高油品的性能，潤滑油中經(jīng)常加入了具有各種效能的添加劑，如清凈劑、分散劑、抗氧化劑、抗磨劑、抗泡劑等[2]，這些添加劑的分子結(jié)構(gòu)多為一端是具有親油性的非極性基團(tuán)，另一端是具有一定表面活化劑的親水性基團(tuán)；通常情況下，它們都溶于油而不溶于水，但當(dāng)空壓機(jī)在工作時，若滑油周邊有大量水汽存在時，在曲軸攪拌、連桿擺動和活塞運動等強(qiáng)大機(jī)械外力作用下，以上各種添加劑的親水基團(tuán)將與水分充分接觸，從而使水分和滑油牢固結(jié)合，產(chǎn)生乳化現(xiàn)象[1]。

需要說明的是，隨著壓縮機(jī)使用時間的延長，空氣中的水分一定會進(jìn)入潤滑油中，這是正常現(xiàn)象，也是無法避免的。在工程應(yīng)用中，當(dāng)滑油中水分含量＞0.2%時，則需要結(jié)合黏度、酸度變化以及機(jī)械雜質(zhì)含量等指標(biāo)考慮是否予以更換；當(dāng)水分含量＞0.5%時，必須立即予以更換。

對于壓縮機(jī)來說，滑油乳化的主要危害有[2]：

1）導(dǎo)致油液氧化、酯化，降低油液的潤滑能力和抗氧化性，加劇運動副零件的磨損，增加壓縮機(jī)功耗。

2）水分與油液中的添加劑作用生成的酸性物質(zhì)等，直接與金屬材料及其氧化物發(fā)生腐蝕反應(yīng)，如鋼鐵件中的鐵、軸瓦中的鉛等，加重零部件腐蝕和油質(zhì)衰變。

3）削弱滑油的導(dǎo)熱、洗滌能力，導(dǎo)致運動零件溫度高、污物附著，導(dǎo)致發(fā)生運動件咬死、燒傷，拉缸、抱軸等事故。

4）排氣中攜帶少量潤滑油附著于排氣閥、壓閥蓋、排氣管等零件上，長期暴露在高溫壓縮空氣中經(jīng)氧化、分解、聚合最后形成積碳；乳化后的潤滑油在高溫高壓條件下更容易蒸發(fā)與分解，加速積碳形成，從而發(fā)生自燃起火或爆炸。

3 常用應(yīng)對措施

滑油乳化的后果是十分嚴(yán)重的，這就需要我們積極應(yīng)對滑油乳化問題。筆者認(rèn)為，應(yīng)對滑油的核心思想是，減少水分產(chǎn)生，加強(qiáng)水分清除。在排除零件局部泄露的因素時，具體應(yīng)對措施有：

1）從水分產(chǎn)生的源頭上，通過加強(qiáng)空氣流動和進(jìn)氣過濾等方法，減少壓縮機(jī)運行環(huán)境中的水分含量，減少潤滑油周邊環(huán)境的水分存在。

2）在水分凝結(jié)過程中，通過提高使用效率和進(jìn)氣溫度等方法，保持滑油自身溫度始終處于較高水平，減少水分凝結(jié)。

3）在水分凝結(jié)后期，通過提高排污頻率和提高油水分離效果等方法，加強(qiáng)排污強(qiáng)度，減少侵入滑油的壓縮空氣水分。

4）從滑油自身的角度而言，選用抗乳化效果好的船用空壓機(jī)潤滑油，可以在一定程度上防止滑油發(fā)生乳化。

4 某船用進(jìn)口空壓機(jī)滑油乳化問題

4.1 問題描述

某船的主空壓組運行100 h后，發(fā)生滑油乳化問題。據(jù)了解，該空壓機(jī)為進(jìn)口機(jī)型，采用V型、2缸2級、活塞式和水冷的結(jié)構(gòu)[3]；設(shè)計工作壓力3 MPa，容積流量150 m3/h；在其排氣系統(tǒng)中，1級氣缸局部鑄有凸起空腔作為油水分離、集污結(jié)構(gòu)，空腔體積約0.49 L，2級排氣設(shè)置有獨立結(jié)構(gòu)油水分離器；潤滑油牌號為L-DAB150 GB 12691，內(nèi)置油泵提供滑油對2級連桿大頭薄壁軸瓦、曲軸滾動軸承進(jìn)行潤滑。設(shè)計使用時間按8 次/天×45分鐘/次，排污設(shè)置按每15 min排污15 s。空壓機(jī)所在船艙內(nèi)部當(dāng)月的平均氣溫高于32 ℃，最高溫度達(dá)45 ℃；平均大于濕度80%，最高達(dá)95%。空壓機(jī)經(jīng)冷卻后1級、2級進(jìn)氣溫度分別約為35 ℃、45 ℃。機(jī)組情況見圖1。機(jī)艙通風(fēng)條件為：在電機(jī)側(cè)前段開有通風(fēng)口，對空壓機(jī)組形成縱向通風(fēng)冷卻。

4.2 具體現(xiàn)象

1）連續(xù)檢測滑油[4]水分含量，結(jié)果持續(xù)走高，加注新油運行2周后含水量即達(dá)到4%，更換滑油后問題重復(fù)出現(xiàn)，如表1所示。

表1 滑油含水量監(jiān)測結(jié)果

2）打開曲軸箱蓋板，發(fā)現(xiàn)有明顯“冒汽”現(xiàn)象，且蓋板內(nèi)側(cè)有明顯水滴出現(xiàn)，曲軸箱內(nèi)曲軸和連桿等鑄鐵件表面有明顯浮銹；拆卸機(jī)組檢查，發(fā)現(xiàn)2級氣缸側(cè)壁有明顯水滴生成，且氣缸側(cè)壁、氣閥外側(cè)對應(yīng)位置有銹蝕生成。如圖1所示。

圖1 空壓機(jī)組

3）車間內(nèi)模擬臺架試驗時，在機(jī)組單次排污15 s間隔內(nèi)，1級排污管路僅在前2～3 s時有少量油污排出，體積約為0.45 L。

4.3 理論計算（按極限環(huán)境條件）

1）計算壓縮后水蒸氣分壓

4.4 原因分析

根據(jù)車間模擬臺架試驗和理論計算結(jié)果，可以直接看出：該型空壓機(jī)組在運行過程中，尚有大量水分沒有隨排污過程及時排出。結(jié)合該機(jī)一級油水分離結(jié)構(gòu)可知：該機(jī)組1級氣缸局部凸起空腔結(jié)構(gòu)不能完全滿足氣和水分離的實際需要，在空壓機(jī)運行時，由1級壓縮、冷卻析出的大量冷凝水不能通過1級油水分離器完全排出[5]，隨1級排氣進(jìn)入2級氣缸，在2級壓力作用下從氣缸、活塞和活塞環(huán)等處間隙處進(jìn)入曲軸箱，在曲軸、連桿的機(jī)械外力作用下，導(dǎo)致滑油發(fā)生乳化；滑油受熱后，其中大量水分蒸發(fā)后凝結(jié)，附著于曲軸、連桿鑄件表面，形成浮銹。

4.5 解決措施

結(jié)合機(jī)艙內(nèi)的通風(fēng)、冷卻水供應(yīng)條件，提出以下具體解決措施：

1）全面檢查零部件銹蝕、磨損情況，按照要求進(jìn)行清洗、更換。

2）將曲軸箱內(nèi)殘油全部放凈，清洗曲軸箱后加注新油。

3）在艙內(nèi)通風(fēng)管的合適區(qū)域增設(shè)通風(fēng)口，對機(jī)組形成橫向通風(fēng)，減少機(jī)組吸氣口處的水分累積。

4）將1級氣缸排氣口位置移至氣缸最低處，在一級排氣管路加裝大容積旋風(fēng)式油水分離器，提高水分排除效果。

4.6 結(jié)果驗證

1）車間模擬臺架驗證試驗時，機(jī)組1級排污管路排污時間增加至12 s，排污油污體積約1.3 L。

2）機(jī)組累計運行至10 h、30 h、50 h、70 h、100 h、150 h時，拆卸氣缸，氣缸壁均無水滴、銹蝕；打開曲軸箱，內(nèi)部曲軸、連桿表面均無銹蝕；抽樣檢測滑油水分，均不含有水分，如表2所示。

表2 滑油含水量監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)論

1）本題案例的發(fā)生根本原因是進(jìn)口空壓機(jī)能夠適應(yīng)本土溫、濕度的環(huán)境條件，但不一定能夠適應(yīng)我國南海地區(qū)高溫高濕的典型環(huán)境。在我國諸多進(jìn)口空壓機(jī)使用時，時有報道發(fā)生滑油乳化、曲軸抱軸和氣缸拉傷的現(xiàn)象。因此，進(jìn)口空壓機(jī)在我國船用配套使用過程需要采取相應(yīng)的措施，防止出現(xiàn)類似問題。

2）對比室內(nèi)空壓機(jī)，船用空壓機(jī)需要面對的環(huán)境更為惡劣，主要體現(xiàn)在傾斜搖擺、高溫高濕和鹽霧海上環(huán)境，空壓機(jī)易發(fā)生滑油乳化現(xiàn)象。在研究具體原因后，可以提出適宜的解決措施；在日常使用過程中，需根據(jù)經(jīng)驗結(jié)合滑油的顏色、零部件銹蝕和運行時間等因素關(guān)注滑油質(zhì)量。