海上燃?xì)廨啓C(jī)潤滑油系統(tǒng)漆膜的清除研究

張 蒙

（中海石油（中國）有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300452）

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)在海上油田開發(fā)中被廣泛使用，是海上油田電網(wǎng)中最關(guān)鍵的設(shè)備，必須確保海上油田燃?xì)廨啓C(jī)的穩(wěn)定可靠，一旦出現(xiàn)設(shè)備故障，不僅維修費(fèi)用較高，還會對海上油田生產(chǎn)開發(fā)造成嚴(yán)重影響。漆膜問題一直是燃?xì)廨啓C(jī)普遍存在的問題，燃?xì)廨啓C(jī)需要持續(xù)在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的工況下運(yùn)行，這種工況易產(chǎn)生漆膜。

1 漆膜的產(chǎn)生及危害

漆膜的產(chǎn)生實(shí)際上是油品在設(shè)備中經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致油品變質(zhì)，最后形成的一種高分子烴類聚合物。通常在油箱、冷卻器、軸瓦、伺服閥和電磁閥等部位能夠觀察到棕色甚至褐色的附著物，這種附著物不易清除，看起來像一層防腐漆，所以稱之為漆膜。

1.1 漆膜的產(chǎn)生

通過對潤滑油漆膜產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行研究，可以發(fā)現(xiàn)漆膜產(chǎn)生原因主要可以分為油品氧化失效和油液“微燃燒”。

1.1.1 油品氧化失效

烴類油品氧化遵循自由基鏈反應(yīng)機(jī)制，氧化后生成羧酸、酯、醇等過氧化物。這些過氧化物進(jìn)一步縮聚反應(yīng)生成高分子量的聚合物：漆膜和油泥。外界帶來的水、部件磨損帶來的金屬顆粒以及運(yùn)行產(chǎn)生的高溫等因素均會加速油品的氧化失效，燃?xì)廨啓C(jī)高溫、高壓、高速轉(zhuǎn)動的運(yùn)行工況，更易于漆膜的形成。

1.1.2 油液“微燃燒”

燃?xì)廨啓C(jī)的高溫燃燒和高強(qiáng)度的摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，需要油品來冷卻，在無氧的環(huán)境中，當(dāng)油品溫度升高到200 ℃以上時，油品中的基礎(chǔ)油和添加劑就會熱降解，降解的產(chǎn)物會形成漆膜。另外，當(dāng)油品中溶解的氣泡從低壓區(qū)進(jìn)入高壓區(qū)的過程中，體積會迅速壓縮，從而產(chǎn)生絕熱壓縮，導(dǎo)致油液微區(qū)溫度的急劇上升，有時甚至可以超過1100 ℃，產(chǎn)生油液局部的“微燃燒”。“微燃燒”可以產(chǎn)生極小的不溶物，這些不溶物粘附到金屬表面從而形成漆膜。

當(dāng)油品通過很細(xì)小的縫隙例如閥芯，精密濾芯時，分子間摩擦?xí)a(chǎn)生靜電，隨著靜電的不斷積累從而導(dǎo)致放電，放電產(chǎn)生的微區(qū)高溫會使油品氧化，產(chǎn)生“微燃燒”的效果。

1.2 漆膜的危害

漆膜對設(shè)備可靠運(yùn)行的危害影響是巨大的，特別是針對像GE MS5001 這樣的燃?xì)廨啓C(jī)，潤滑油系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)共用一種油品，嚴(yán)重的漆膜會導(dǎo)致機(jī)組可靠性大大降低。

（1）漆膜附著在伺服閥、電磁閥的閥芯上，增大閥芯與閥座的摩擦力甚至發(fā)生粘結(jié)卡滯，導(dǎo)致液壓控制系統(tǒng)失效，機(jī)組操作失靈。

（2）漆膜附著在軸瓦上，減少軸瓦與軸之間的間隙，增大軸瓦與軸之間的摩擦，從而產(chǎn)生更多的摩擦熱，導(dǎo)致軸瓦的溫度升高。

（3）油箱、冷卻器內(nèi)壁附著漆膜會導(dǎo)致油品冷卻效率降低，散熱不良，從而進(jìn)一步加劇油品的氧化變質(zhì)。

（4）漆膜能夠吸附油品中的固體顆粒，附著在摩擦副表面，造成設(shè)備的磨粒磨損。

（5）漆膜堆積可以堵塞精細(xì)過濾器，導(dǎo)致供油不足、設(shè)備潤滑不良。

2 漆膜消除方案

渤海油田某平臺透平機(jī)組型號為GE MS5001，使用某品牌工業(yè)系統(tǒng)清洗劑對燃?xì)鉁u輪機(jī)進(jìn)行了在線清洗，有效地去除了渦輪機(jī)中的油泥、漆膜等沉積物，并更換了高性能抗漆膜燃?xì)廨啓C(jī)油，有效改善液壓系統(tǒng)電磁閥、伺服閥堵塞卡滯，保持較低的漆膜傾向指數(shù)。

2.1 過濾器壓差

潤滑油經(jīng)過過濾器后，壓力會有一定降低。渦輪機(jī)潤滑系統(tǒng)必須通過過濾器始終保持足夠的流體清潔度，隨著過濾器在整個使用壽命期間積聚污染物，過濾器上的壓差會增加（圖1），該壓差通常用于確定過濾器濾芯的使用壽命。

圖1 過濾器壓差變化

2020 年9 月8 日上午加清洗劑后，系統(tǒng)壓差迅速上升隨后有3 d 左右的平臺期，表明工業(yè)清洗劑加入后立即發(fā)揮功效，有效去除軟性漆膜。隨后壓差穩(wěn)步上升，表明系統(tǒng)中不易清除部位和硬質(zhì)漆膜開始被清洗下來。10 月12 日滑油系統(tǒng)停止6 h 后，重新啟動滑油系統(tǒng)時濾器壓差升高約27 kPa，更換了濾芯。這是因?yàn)橄到y(tǒng)停止運(yùn)行后，油品中洗下來的溶解和懸浮的沉積物聚集，再次運(yùn)行后被濾芯攔截。11 月再次更換了濾芯，表明工業(yè)清洗劑一直在持續(xù)發(fā)揮作用。

2.2 漆膜傾向指數(shù)

漆膜傾向指數(shù)的檢測是通過將油中不溶于石油醚且尺寸>0.45 μm 的顆粒物質(zhì)沉積在濾膜上進(jìn)行比色光度法測量，濾膜上沉積物越多，顏色越深，漆膜傾向指數(shù)越大（圖2）。

圖2 漆膜傾指數(shù)示意

漆膜傾向指數(shù)是一個預(yù)防性指標(biāo)，和其他油液監(jiān)測參數(shù)一樣，當(dāng)超出警戒值時，意味著設(shè)備“生成漆膜”的風(fēng)險增加，這時就需要建議現(xiàn)場密切關(guān)注各項(xiàng)溫度、振動的變化情況，并結(jié)合其他監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合判斷設(shè)備運(yùn)行情況。漆膜傾向指數(shù)反映的是設(shè)備生成漆膜的風(fēng)險，其值越大，生成漆膜的風(fēng)險越高，與實(shí)際是否形成漆膜并沒有絕對的對應(yīng)關(guān)系，即低于警戒值不一定是完全安全的，而高于警戒值也不一定是存在漆膜的。

加清洗劑后油品漆膜傾向指數(shù)從27.6 迅速回落到了2 左右并保持穩(wěn)定（圖3）。漆膜指數(shù)的回落說明工業(yè)清洗劑有效地分散了油中的原有或洗脫的沉積物。2020年11 月30 日油桶中新油漆膜傾向指數(shù)為0.9，12 月12 日系統(tǒng)中運(yùn)行油品漆膜傾向指數(shù)為2。2021 年3 月取樣漆膜傾向指數(shù)為6.7，6 月取樣的油品漆膜傾向指數(shù)為7.1。自2020 年9 月加劑后，靜電吸附裝置就沒有投入使用。相比以前換油后2 個月左右，在靜電吸附裝置投入使用時，漆膜傾向指數(shù)恢復(fù)到10 以上指標(biāo)，此次更換的高性能抗漆膜燃?xì)廨啓C(jī)油EP 表現(xiàn)出良好的抑制漆膜生成的趨勢。

圖3 漆膜傾指數(shù)變化趨勢

2.3 抗氧化性能

氧化是潤滑劑在使用中最主要的反應(yīng)，它會導(dǎo)致許多潤滑劑問題，包括黏度增加，漆膜、油泥和沉積物的形成，添加劑消耗，基礎(chǔ)油降解，過濾器堵塞，泡沫控制損失，酸值（Acid Number，AN）增加，生銹和腐蝕等。因此，對抗氧化性能的評估是潤滑油使用中的重要環(huán)節(jié)。

2.3.1 氧化值

在紅外（IR）光譜中，使用輻射源、檢測器和計算機(jī)來分析光與物質(zhì)之間的相互作用。在紅外光譜中，氧化產(chǎn)物在1600 cm-1波數(shù)之間出現(xiàn)峰。將加了清洗劑后的渦輪機(jī)油與加劑前的渦輪機(jī)油相比，其氧化值均為0（圖4），表明工業(yè)清洗劑加入系統(tǒng)中后，對系統(tǒng)在用油的氧化性能沒有任何影響。

圖4 氧化值與加劑前對比

2.3.2 黏度

黏度是指油品對流動所表現(xiàn)的阻力，是潤滑油最重要的指標(biāo)，在使用過程中，保持穩(wěn)定的黏度，對系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行十分重要。黏度的變化和潤滑油的狀態(tài)直接相關(guān)，如黏度上升，表明可能存在潤滑油氧化或者有水污染，而黏度下降則可能是潤滑油長分子被剪斷或者受到輕質(zhì)油品的污染。

從圖5 可以看出，剛添加工業(yè)清洗劑后，黏度略有上升，這是因?yàn)榍逑磩┳陨眇ざ缺仍谟糜宛ざ嚷愿摺＜觿┖蠖啻螜z測，黏度幾乎保持在一條直線上，說明工業(yè)清洗劑運(yùn)行穩(wěn)定，即不會在運(yùn)轉(zhuǎn)中被中斷，也進(jìn)一步說明了不會造成在用油的氧化。更換高性能抗漆膜燃?xì)廨啓C(jī)油EP 后黏度同樣非常穩(wěn)定。

圖5 運(yùn)動黏度

2.3.3 酸值

新油和使用過的油里，酸性成分包括有機(jī)酸、無機(jī)酸、酯類、酚類化合物、樹脂和金屬鹽類、多元酸的酸式鹽以及某些添加劑如抗氧化劑和清凈劑。酸值檢測是測定非水溶液中含有的酸性物質(zhì)濃度，在潤滑油運(yùn)用領(lǐng)域，可以判斷油中含酸性物質(zhì)的量，酸值的大小是指中和1 g 潤滑油中全部酸性組分所需要的堿（氫氧化鉀）的量，用“mgKOH/g”表示。顯然潤滑油里的酸性物質(zhì)越多，需要更多的氫氧化鉀來中和，因此酸值就大。對于在用油來說，酸值表示油氧化變質(zhì)的程度越大，油品在使用過程中，有一定的溫度，與空氣中的氧氣反應(yīng)生成有機(jī)酸，或由于添加劑的消耗，油品酸值會發(fā)生變化。總酸值（TAN）是對潤滑油中酸性有機(jī)成分的衡量指標(biāo)。在用油的總酸值（TAN）可能因?yàn)闈櫥凸ぷ髌陂g發(fā)生的氧化過程而增高。

添加工業(yè)清洗劑后，總酸值沒有任何上升，說明了清洗劑不會造成在用油的氧化。更換高性能抗漆膜燃?xì)廨啓C(jī)油EP 后，油品的總酸值恢復(fù)到了新油狀態(tài)，并且一直沒有上升（圖6），說明新更換的油品抗氧化性能保持得很好。

圖6 換油后的總酸值

2.3.4 RULER

RULER 測試是一種線性掃描伏安法，通常稱為剩余使用壽命評估程序，測量潤滑油中抗氧化劑含量。

該測試定量分析新油和舊油中抗氧化劑的相對濃度，以監(jiān)測油中抗氧化劑的消耗率。通過測量這些抗氧化劑化合物的消耗量和可用反應(yīng)性，同時進(jìn)行其他常規(guī)性能測試，可以有效地監(jiān)控用過的潤滑劑的使用壽命。

使用7 個月后，RULLER 檢測的抗氧化添加劑含量為新油的98.9%（圖7），表明高性能抗漆膜燃?xì)廨啓C(jī)油EP 抗氧化性能依然與新油相仿。

圖7 使用7 個月后的總酸值

2.4 抗泡與分水性能

起泡是潤滑油的基本物理特性，泡沫會降低流體的壽命和性能以及被潤滑設(shè)備的壽命和性能，潤滑油起泡會導(dǎo)致嚴(yán)重的操作問題，最常見的是潤滑不足、氣蝕和潤滑損失。然而，潤滑油氧化、微柴油、控制閥損失和油泵壓力損失的增加也可能是嚴(yán)重起泡的結(jié)果。加劑后抗泡性未見明顯變化，新?lián)Q的油品抗泡性能一直保持優(yōu)秀。

分水特性（表1）衡量潤滑油釋放水的能力，分水特性對于可能與水直接接觸的潤滑油系統(tǒng)很重要，過度的水污染或極性污染物和雜質(zhì)的存在會損害抗乳化性，進(jìn)入潤滑系統(tǒng)的水會乳化（油和水的混合），并促進(jìn)灰塵、砂礫和污垢的收集，這會對閥門、伺服系統(tǒng)和泵的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，它還可以增加磨損和腐蝕，促進(jìn)流體氧化，消耗添加劑和堵塞過濾器。燃?xì)廨啙櫥陀捎谳S承溫度較高，分水特性并非重要指標(biāo)。分水特性在剛加劑后有所提升，在48 h 后下降，這是因?yàn)榍鍧崉┫聪聛淼臉O性物質(zhì)，部分溶解在油中引起的，換油后，油品的分水性能一直保持優(yōu)秀。

表1 分水特性

2.5 色度

石油產(chǎn)品顏色測定法把石油產(chǎn)品的顏色分為16 個色號，依次加深為1.0，1.5，2.0……顏色最深的為8.0，潤滑油的顏色從淡黃色到深褐色。在用油顏色的加深，通常是由于油品氧化造成的。加劑后油品顏色迅速變深，從初始的5.5 上升到了6.5，隨后保持穩(wěn)定，表明清潔劑發(fā)揮了作用，清洗出不少油泥/漆膜并溶解在油中（圖8、圖9）。

圖8 色度

圖9 對色瓶照片

2.6 金屬元素

潤滑油中的金屬有多種來源，例如磨損、污染和添加劑，磨損金屬是由渦輪機(jī)部件的摩擦或腐蝕引起的，例如，運(yùn)行期間的齒輪和軸承。污染可能來自污垢、泄漏或殘留的金屬碎片，定期監(jiān)測機(jī)油中的磨損金屬，可以診斷渦輪機(jī)磨損狀態(tài)。電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜（ICP）是一種有效的潤滑油分析技術(shù)，從圖10 可以看出，各金屬元素均穩(wěn)定在極低水平，說明工業(yè)清洗劑未對設(shè)備造成任何磨損和腐蝕，更換的抗漆膜渦輪機(jī)油對系統(tǒng)元件的保護(hù)同樣優(yōu)異。

圖10 金屬元素

3 結(jié)論

工業(yè)漆膜清洗劑清潔能力卓越，與在用油完全相溶，并有詳細(xì)的通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的操作流程輔助，從壓差、色度、漆膜指數(shù)等參數(shù)來看，工業(yè)清潔劑起到了對機(jī)組滑油及液壓油系統(tǒng)清潔效果，其他檢測指標(biāo)表明其未對系統(tǒng)內(nèi)在用油品和設(shè)備產(chǎn)生負(fù)面影響。更換后的高性能抗漆膜燃?xì)廨啓C(jī)油各項(xiàng)性能優(yōu)異，抗氧化性能突出，通過使用工業(yè)系統(tǒng)清洗劑在線清洗和更換了高性能抗漆膜燃?xì)廨啓C(jī)油的方式，能夠有效清除機(jī)組漆膜，提高燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。