渦輪機組潤滑油抗氧化指標分析及壽命評估

于彥博，，楊磊，何偉

（1.廣州機械科學研究院有限公司，廣東廣州 510700；2.中國石油化工股份有限公司濟南分公司，山東濟南 250000）

習近平主席在第75屆聯合國大會上向國際社會作出了“碳達峰、碳中和”的鄭重承諾[1]，這對石油煉化企業的管理提出了新的挑戰，減少碳排放是其綠色發展、提升競爭力的內在要求[2]。維持設備正常運行使用的潤滑油在原油提煉和廢潤滑油的焚燒處理過程中也有碳的排放[3]。煉化企業大型透平式壓縮機、汽輪機組等設備用油量大，一般按規定在4年大修期更換油品，成本巨大且伴隨資源浪費。故分析優化潤滑油使用周期，是減少碳排放、節約石油資源的重要措施[4]。

目前，對潤滑油延長使用的研究大多集中在廢油再生技術[5，6]領域，通過處理設備更換下來的廢油以達到綜合利用目的，進而實現環保和經濟效益。如果可以分析評估潤滑油的運行狀態，科學延長其使用壽命，從源頭減少廢油或減緩廢油產生，將更有利于減少碳排放。目前對潤滑油的壽命評估多為模擬試驗[7，8]，分析油品氧化程度，進而分析剩余壽命，與設備實際運行聯系不夠緊密。該文通過連續監測石油煉化企業渦輪機組運行油狀態，分析油品氧化指標，評估使用壽命，制定相應的維護策略，實現節能減排。

1 渦輪機油抗氧化性能

渦輪機油主要成分是以烴類化合物為主的基礎油，在高溫及與氧氣接觸的情況下不可避免發生氧化，氧化后產生的酸、油泥和沉淀物質使油品變質，縮短油品壽命。潤滑油的氧化反應遵循自由基鏈反應機理進行[7]，烴類氧化形成了自由基和過氧化物。

潤滑油中的抗氧化劑能與油品氧化反應過程產生的R·和ROO·基團或過氧化物相互作用，從而中斷氧化的連鎖過程，起到延緩基礎油氧化的作用[9]。渦輪機油所添加的抗氧化劑主要是屏蔽酚型和芳胺型，兩種抗氧化劑各自作用的同時也具有明顯的協合效應[10]。胺型抗氧化劑捕獲ROO·的能力比酚型強；但是胺型抗氧化劑捕獲自由基ROO·后，生成的新自由基不穩定，會與酚型進一步反應，生成更穩定的自由基屏蔽酚使芳胺再生，因此渦輪機油中的酚型抗氧化劑最先被消耗完。

2 油品壽命評估實施

選取了某煉化企業催化主風機、富氣壓縮機、加氫循環氫壓縮機、發電汽輪機等12臺渦輪機組設備進行研究。設備最近一次大修時間為2016年6月，檢修期間更換某品牌L-TSA46汽輪機油（A級）新油，計劃分別于2021年10月和2025年6月分別進行一次檢修。假設油品繼續使用至2025年6月，預估其當時的抗氧化性能，從而調整2021年10月檢修時的換油計劃。由于設備運行參數、作用介質及潤滑系統不同，油品的氧化速率和添加劑消耗速率不同，因此每臺設備油品的氧化指標變化需要單獨分析。設備使用的油品牌號相同，油品旋轉氧彈時間和抗氧化劑含量的對應關系相同。

該次研究共對12臺設備用渦輪機油進行5次油品檢測，以第一次油品檢測時間2019年6月為T0，2019年7月為T1，以此類推，進行最后一次油品檢測時間2021年1月為T19，計劃檢修時間則為T72。

檢測油品抗氧化性的項目為旋轉氧彈法（RPVOT）抗氧化性測試和RULER法抗氧化劑含量檢測。

2.1 旋轉氧彈法（RPVOT）抗氧化性測試

旋轉氧彈法（RPVOT）是一種快速評定渦輪機油抗氧化性（氧化安定性）的方法。該方法利用氧彈產生一個氧壓力，在150℃、水和銅催化劑存在的條件下，加速油品老化過程，試驗達到規定的壓力降所需的時間（min）即為試樣的抗氧化性指標，時間越長說明油品抗氧化性能越好。

2.2 抗氧化劑含量（RULER法）檢測

抗氧化劑含量（RULER）檢測用于了解新油抗氧化劑組成和含量，也可以測定抗氧化劑的損耗情況。RULER檢測基于線性伏安法，在特定電壓值下，溶液中抗氧化劑的化學活性被激活，形成氧化電流，并得出一條氧化電流對電壓的曲線，即為RULER曲線。隨后通過儀器軟件將新油與舊油的RULER曲線峰面積相比，算出舊油的剩余抗氧化劑含量。

2.3 渦輪機油抗氧化性能評價標準

相關研究表明，渦輪機設備油品的部分理化指標隨使用時間增加逐漸劣化，通常其抗氧化性最先達到限值。《NB/SH/T 0636-2013 L-TSA汽輪機油換油指標》要求L-TSA46汽輪機油抗氧化性換油標準為旋轉氧彈測試結果＜60 min，《GB/T 7596-2017電廠運行中礦物渦輪機油質量》要求旋轉氧彈測試不低于新油的25%且≥100 min。因此該次研究要求渦輪機油旋轉氧彈值需≥100 min。

3 測試結果分析

3.1 旋轉氧彈測試結果分析

完成12臺機組潤滑油樣品的5次旋轉氧彈測試后，分別對每臺機組的數據進行線性關系分析，預測T72的旋轉氧彈值。

表1為樣品旋轉氧彈的檢測結果，分析可知：12臺機組中D機有緩慢下降趨勢；C機、F機、G機、I機、J機和K機下降趨勢明顯，其中I機和J機預測值＜100 min且J機預測值極低；A機、B機、E機、H機和L機的旋氧沒有下降趨勢，這與客觀事實不符，可能是由于油品抗氧化性能衰減速率較低或設備補充過新油。由此，不能僅根據旋氧測試結果來評估渦輪機油的剩余壽命，需結合抗氧化劑綜合分析。

表1 渦輪機旋氧測試結果及線性分析預測 min

3.2 抗氧化劑含量測試結果分析

抗氧化劑含量的檢測中發現，A機、F機、I機和J機的渦輪機油中僅檢出胺型抗氧化劑，其余的8臺機組檢測胺型和酚型抗氧化劑。由于兩種類型的添加劑中斷基礎油氧化反應的機理不同，且有協合作用，因此分別進行分析。

3.2.1 僅含有胺型抗氧化劑的油品

A機、F機、I機和J機的渦輪機油胺型抗氧化劑含量見表2，由檢測結果可知：其中A機、I機和J機的抗氧化劑含量呈下降趨勢；F機由于設備補充過新油，其抗氧化劑含量沒有明顯下降趨勢。

表2 油品抗氧化劑(僅含胺型)含量檢測結果 %

將表1和表2數據對應，剔除3個離散數據后，胺型抗氧化劑含量與抗氧化性關系見圖1。

圖1 油品（僅含胺型）抗氧化劑含量與抗氧化性關系

得出關系式如式（1）：

式中：R為旋轉氧彈測試結果，min；

s為胺型抗氧化劑含量數值。

對表2中各設備的抗氧化劑含量數據進行線性關系分析，預測其T72時的胺型抗氧化劑含量，再將這個預測值代入公式（1）得出旋轉氧彈的預測值，詳見表3。

表3 設備預測結果（僅含胺型）

3.2.2 同時含有兩種抗氧化劑的油品

對含有兩種抗氧化劑的8臺機組潤滑油品抗氧化劑含量測試結果見表4。

表4 含有兩種抗氧化劑的樣品檢測結果 %

利用Matlab對表4數據進行分析，如圖2所示。分析結果說明：①胺型抗氧化劑含量與抗氧化性有較強的相關性；②酚型抗氧化劑含量與抗氧化性相關性較弱；③當胺型抗氧化劑含量達到一定比例后抗氧化性穩定在一個相對水平區間內。

圖2 油品中兩種抗氧化劑含量與抗氧化性分布

為研究抗氧化劑含量與抗氧化性對應關系，選取胺型抗氧化劑≤120的數據，擬合后的圖形見圖3，R2＝0.835 1。

圖3 兩種抗氧化劑含量與抗氧化性關系

得出關系式（2）：

式中：s為胺型抗氧化劑含量數值；

p為酚型抗氧化劑含量數值；

R為抗氧化性數值；

0≤s≤120，p≥0，R≥0。

對表4中各組數據進行線性分析，預測T72的兩種抗氧化劑含量，再將抗氧化劑含量代入公式（2），得到預測的旋轉氧彈含量，詳細數據見表5。

表5 兩種抗氧化劑含量和旋轉氧彈含量

3.3 運行渦輪機油維護措施

為避免設備潤滑狀態發生異常，潤滑油品繼續使用的必要條件是在T72時油品的旋轉氧彈線性分析預測值和旋轉氧彈在模型中的預測值均≥100 min，結合對兩次計劃檢修時間各設備運行油氧化指標的預測分析，采取下列維護措施：

（1）至2021年10月檢修時，各設備運行油均可滿足要求；

（2）由于J機潤滑油旋轉氧彈測試數據的線性分析預測值嚴重偏低，在下一次大修時（2021年10月）更換油品；

（3）H機和I機在抗氧化劑與旋轉氧彈的模型中的預測值偏低，因此分別置換25%和40%的運行油，其中置換比例根據新油抗氧化劑含量、旋轉氧彈時間、運行油狀態計算壽命，并結合現場維護經驗綜合分析所得；

（4）其余設備運行油均可繼續使用一個周期，不必更換。

3.4 減少碳排放

參考《中國石油化工企業溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》中的碳排放核算方法，見公式（3）。

其中：ECO2燃燒為潤滑油（其他石油制品）碳排放，tCO2；

NCV為潤滑油低位發熱量，GJ/t；

EF為潤滑油單位熱值含碳量，tC/GJ；

AD為潤滑油消耗量，t；

OF為潤滑油的碳氧化率，%。

根據各設備運行油的維護策略，無需更換的潤滑油質量為66 575 kg，代入公式中，計算碳排放約為196 tCO2。

4 結論

（1）通過建立旋轉氧彈和抗氧化劑含量的對應關系模型，結合旋轉氧彈測試數據的線性分析，對運行油品剩余壽命進行分析評估，為某煉化企業12臺渦輪機組制定大修維護策略。A―G機運行油可繼續使用一個大修周期；H機置換25%；I機置換40%；J機整體更換。

（2）根據評估結果，可節省更換潤滑油66.6噸，減少二氧化碳排放196噸，為節能減排作出貢獻。