汽轮机油分水性不同评价方法对比研究

张博等

摘要：以标准GB/T 7305-2003（搅拌法）和SH/T 0191-1992（蒸汽法）所述的试验方法，对比评价6个不同厂家生产的汽轮机油的分水性，使用卡尔费休水分仪测量分水后油层含水量，结合所得破乳化值和含水量结果，对6个油样分水性的优劣进行排序。利用研究级正置数字显微镜观察油层微观形貌，并借助专业图像分析软件分析油层内液珠直径、界面膜厚度范围等参数，分析油层内液珠絮凝、聚并、沉降的分离过程，研究“搅拌法”与“蒸汽法”评价结果的共同点与差别，探讨了两种评价方法之间的相关性。实验结果表明：以不同评价方法所得的汽轮机油分水性优劣排序主要以破乳化值为参考依据；在油水混合充分程度上，“搅拌法”要高于“蒸汽法”；以这两种方法评价不同汽轮机油分水性，仅在分水性优劣区分明显的范围内，所得结果具有相关性。

关键词：汽轮机油；分水性；评价方法；相关性

中图分类号：TE626.36文献标识码：A

Abstract：Oil-water separation characteristics of 6 different turbine oils were evaluated contrastively through the experiment methods which are described in the test standards GB/T 7305-2003 and SH/T 0191-1992. The Karl Fischer moisture meter was used to measure the water content of oil layers after oil-water separation. Oil-water separation characteristics were arranged from good to bad through combining the results of demulsification value and water content. The digital microscope for research was used to analyze the micro-image of oil layers， and the professional image analysis software was used to measure the drops'diameters and scopes of interphase film's thickness， in order to analyze the flocculation， coalescence， and sedimentation processes and study the same and different points of results from the test standards GB/T 7305-2003 and SH/T 0191-1992. Finally， the correlationship about GB/T 7305-2003 and SH/T 0191-1992 was discussed. The results show that the oil-water separation characteristics of different turbine oils are mainly based on the demulsification value for different test standards； the oil-water blending degree which is described in the test standards GB/T 7305-2003 is higher than it described in SH/T 0191-1992； the evaluating results of GB/T 7305-2003 and SH/T 0191-1992 have a correlationship， only when oil-water separation characteristics of different turbine oils are distinct obviously.

Key words：turbine oil； oil-water separation characteristic； evaluation method； correlationship

0引言

因使用环境的原因，汽轮机油进水，油品发生乳化，形成乳状液，是比较常见的情况[1]。为使设备正常运转，油品需要快速分水，将由进水带来的负面影响降至最低。针对不同应用领域，工业部门对汽轮机油的分水能力提出了具体要求[2]。分水性是表征汽轮机油抗乳化性的主要理化性能。在我国，能用于评定汽轮机油分水性的方法有国家标准GB/T 7305-2003《石油和合成液水分离性测定法》、GB/T 7605-2008《运行中汽轮机油破乳化度测定法》和行业标准SH/T 0191-1992《润滑油破乳化值测定法》、SH/T 0256-1992《润滑油破乳化时间测定法》[3-6]。同时，国际上公认的方法还有美国材料与试验协会标准ASTM D1401和ASTM D2711，联邦德国工业标准DIN 51599、DIN51589和DIN 51515，国际标准化组织标准ISO 6614、法国国家标准NF T60-125，英国国家标准BS 2000-19和BS 489，以及前苏联国家标准ГОСТ 9972等国家标准与评定汽轮机油分水性有关[7-10]。尽管评价汽轮机油分水性的标准方法较多，但根据乳状液形成方式（“油水机械搅拌混合”或“水蒸汽通入油品冷却混合”），可将主要的评价方法分为两大类，简单的称为“搅拌法”和“蒸汽法”。我国现用的GB/T 7305-2003和SH/T 0191-1992分别源自美国标准ASTM D1401和英国标准BS 2000-19，是“搅拌法”与“蒸汽法”的典型代表。

关于汽轮机油分水性方面的研究，国内外主要集中在研制新型破乳化剂、分析破乳化机理、研究分散相动力学性能、改进油水分离技术，探索乳状液内部结构等诸多方面[11-18]。多数研究均是根据油品所符工业标准要求，确定某一种评定方法进行分水性评价，而对于不同评价方法的对比，以及相关性的研究较少。

本文以不同厂家生产的汽轮机油作为研究对象，通过标准GB/T 7305-2003和SH/T 0191-1992所述的乳化与破乳化的试验方法，调整实验步骤，改进操作方案，对比研究汽轮机油在“搅拌法”与“蒸汽法”评定下的分水过程与分水性，探索不同试验条件的评价方法之间的相关性。

1实验

1.1仪器及软件

利用德国Petrotest公司产DCP 30破乳化值测定仪和大连凯博仪器生产的DKY-328破乳化值测定仪进行标准GB/T 7305-2003和SH/T 0191-1992所述的分水性评定试验。

利用瑞士梅特勒-托利多V30卡尔费休水分仪分析油水分离后油层内的含水量。

选用德国卡尔蔡司产Axio Scope. A1型研究级正置数字显微镜观察油层微观形貌，并利用Image-Pro Plus 6.0软件对油层微观形貌参数进行分析。

1.2油样

选用6种不同厂家生产的68#汽轮机油作为分水性研究对象，分别标示为A油～F油。

1.3试验方法

1.3.1搅拌法

GB/T 7305-2003《石油和合成液水分离性测定法》的油水混合方式为机械搅拌，故简称“搅拌法”。该法要求向洁净的测试量筒内依次装入40 mL蒸馏水和40 mL待测油样，并将其置于已恒温至（54±1）℃的水浴中。把搅拌桨垂直放入量筒内，并使桨端恰在量筒的6 mm刻度处。待体系恒温20 min后，启动搅拌机，固定转速（1500±15）r/min下搅拌5 min后立即关停搅拌机，迅速提起搅拌桨，并用玻璃棒将附着在桨上的乳状液刮回量筒中。仔细观察油、水分离情况，每0.5 min记录一次分水体积，当油、水分界面的乳状液层体积减小至3 mL或分出37 mL水，试验停止，此时即为分水时间（破乳化值），每个油样测量3次，每次试验限制在30 min，取平均值作为最终破乳化值。

1.3.2蒸汽法

SH/T 0191-1992《润滑油破乳化值测定法》的油水混合方式为将蒸汽通入油层，在液化过程中完成油水混合，故简称“蒸汽法”。该法要求将待测油样20 mL倒入盛油器，将盛油器放入温度为19～26 ℃的乳化浴中，从盛油器底部向待测油样缓慢通入水蒸汽，调节进气量，使待测油温在45～75 s内升至88～91 ℃，随后连续通入水蒸气，在4～6.5 min盛油器中的冷凝水和油的体积应达到（40±3）mL，该过程不能少于4 min，当乳状液体积达到要求，立即启动秒表，迅速将盛油器转移到93～95 ℃的分离浴中，每0.5 min记录一次分油体积，油层和水层体积不变的时间（min），即为破乳化时间。

2结果与讨论

2.1分水体积-时间与含水量分析

2.1.1搅拌法

图1是A油～F油以标准GB/T 7305-2003所述方法试验所得分水体积与时间关系曲线。设置37 mL为破乳化值记录标准，图1中虚线所示。将各油样每次试验的破乳化值结果记录在表1中，并以平均值作为A油～F油的破乳化值。A油～F油分水后油层含水量的测定结果如表2所示，以平均值为含水量值。

油水分离过程中，除C油外，A油～F油所得的分水体积与时间曲线重合性较好。A油在前3 min内分水速率最快，5 min内完成分水，破乳化值为4.3 min，油层含水量为3.431%。B油在前1.5 min内快速分水，第1.5 min至分水结束速率缓慢，9 min内达到分水体积37 mL，破乳化值为8.3 min，油层含水量为3.164%。C油出现一次曲线偏差，但完成分水时间相近，分水过程中分水体积随时间呈线性增长，不存在加速分水和缓慢分水阶段，12 min内完成分水，破乳化值为11.2 min，油层含水量为3.606%。D油分水与其他油样不同，其在前12 min没有明显水层分出，当水层出现后，分水体积与时间基本呈线性增长，分水速率稳定，在26.5 min内完成油水分离，破乳化值为25.7 min，油层含水量为2.360%。E油在3次试验破乳化过程中，在30 min内均没有完成分离出37 mL水，到试验终止时，分水体积分别为10 mL、8 mL和7mL，其破乳化值较高，大于30 min，为方便量化油水分离性能，拟定破乳化虚值为40 min，试验停止时油层含水量为11.867%。F油前半程分水速率较慢，后半程快速分水，快速分水阶段，分水速率稳定，在11.5 min内完成油水分离，破乳化值为11 min，油层含水量为4.36%。

图2是搅拌法下根据各油样的破乳化值与油层含水量所绘的关系图。A、B、C三个油样中，从A到C分水时间依次增加，分水时间最长的C油比分水时间最短的A油增加了160%，三个油样中含水量值均大于3%，小于4%，含水量接近，以破乳化值作为评定这三个油样分水性的标准，A油的分水性最佳，B油次之，C油第三；F油的破乳化值与C油接近，含水量高于C油20.9%，以含水量评定F油和C油的分水性，得出F油的分水性低于C油，排在C油之后；D油和E油分水时间均高于F油，分水时间和含水量D油均低于E油，D油的分水性高于E油，低于F油，E油的分水性最差。

在GB/T 7305-2003试验方法下，以破乳化值及含水量结果为依据，总结各油样的分水性按从高到低的顺序为：A→B→C→F→D→E。

2.1.2蒸汽法

图3是A油～F油以标准SH/T 0191-1992所述方法试验所得分油体积与时间关系曲线。将各油样每次试验的破乳化值结果记录在表3中，并以平均值为A油～F油的破乳化值。A油～F油分水后油层含水量的测定结果如表4所示，以平均值为含水量值。

油水分离过程中，A油～F油每个油样3次试验所得的分油体积与时间曲线虽然变化态势相同，但均存在不同程度分离情况。A油在破乳化前段表现出较快的分水速率，油层体积在1 min内快速下降，分离出大部分水分，1 min以后分水速率明显下降，并呈现出缓慢分水的现象，油层稳定体积分别为22 mL、21 mL、20 mL，破乳化值为2 min，油层含水量为1.340%。B油在前1.5 min内表现出快速分水，随后进入缓慢分水阶段，油层稳定体积分别为22 mL、21 mL、21.5 mL，破乳化值为2.83 min，油层含水量为2.109%。C油开始分水速度并不快，在第1～4.5 min进入分水速率快而稳定的阶段，随后直接进入稳定阶段，油层稳定体积分别为23 mL、23 mL、22 mL，破乳化值为4.33 min，油层含水量为1.632%。D油在前3 min内油层体积基本没变，此阶段是一个分水储备期，当油层内的水分聚结到一定程度后，进入快速分水阶段，表现为第3～5.5 min内，随后直接进入油水层稳定阶段，油层稳定体积分别为22 mL、20.5 mL、21 mL，破乳化值为6 min，油层含水量为1.635%。E油的分油体积与时间曲线分离程度比较明显，分水阶段表现出阶梯下降态势，即由多个油层体积稳定阶段突然跳跃下降组成的，每次试验油层体积稳定持续时间不等，3次试验之间油层体积稳定持续时间也不存在明显的相似性，油层稳定体积均为29 mL，破乳化值为16.8 min，油层含水量为11.620%，E油的破乳化性能很差，分水结束时仅分出11 mL水，油层内含有大量水。F油在前0.5 min内分水体积较少，应是一个分水储备期，快速分水阶段主要表现在第0.5～2.5 min内，随后的1 min左右进入缓慢分水阶段，油层稳定体积分别为22 mL、22.5 mL、21 mL，破乳化值为3.17 min，油层含水量为1.76%。

图4是蒸汽法下根据各油样的破乳化值与油层含水量所绘的关系图。A油、B油的破乳化值在全部油样中是最小的两个，B油的破乳化值大于A油，且含水量高于A油，所以B油的分水性低于A油。C油、D油和F油分水后油层含水量接近，以破乳化值确定其分水性优劣，其中，F油破乳化值最低，随后依次升高为C油、D油。全部油样中，破乳化值最高的油样是E，且其油层含水量也是所有油样中最高的，得出E油的分水性最差。

在SH/T 0191-1992试验方法下，以破乳化值及含水量结果为依据，总结各油样的分水性按从高到低的顺序为：A→B→F→C→D→E。

GB/T 7305-2003试验方法判断油样的分水性由高到低的顺序为：A→B→C→F→D→E。SH/T 0191-1992试验方判断油样的分水性由高到低的顺序为：A→B→F→C→D→E。对比发现，“搅拌法”与“蒸汽法”得出的结论有相同处，也有不同处：当油品分水性相对较好（A油和B油）或较差（D油和E油）时，即不同油品分水性存在明显优劣差异，不同评价方法会得出相同的性能优劣结果；当油品分水性相对居中，且不同油品的分水性接近时（C油和F油），方法不同，结果不同，不便于区分性能优劣。鉴于以上情况，选取分水性较好的A油，分水性较差的E油，和分水性相近的C油与F油作为油层微观形貌分析对象，对比“搅拌法”与“蒸汽法”在表征汽轮机油分水性时的特点。

2.2油层微观形貌分析

乳状液是高比界面积体系，多个小液珠合并成一个大液珠的过程是一个不可逆过程。它将导致液珠数目逐渐减少和液珠平均直径不断增大，经过絮凝、聚并、沉降三个过程，最后使乳状液完全破坏，油相和水相分离。液珠聚并主要受两个过程控制，一是液珠之间液体的排液，二是油水界面膜的破裂。油水分离过程中，乳状液中的液珠粒度越大，界面膜越薄，越利于破乳化。液膜的排液动力主要来自重力、弯曲界面压差、流动压差、布朗运动、液珠运动的惯性力，统称为聚并力。液膜的稳定性取决于上述各种作用力的方向、相对大小和液膜内液体的性质[19]。

2.2.1分水性差异明显情况

图5为“搅拌法”与“蒸汽法”评价A油和E油分水性后油层内剩余没有分离出的液珠微观形貌。利用Image-Pro Plus 6.0分析油层微观形貌，得出油层内液珠直径、界面膜厚度范围，记录于表5中。油水分离是通过油相内水相液珠的不可逆过程来完成的。当油水分离结束时，A油形貌以小液珠和由它们聚并而未沉降，并具有一定厚度界面膜的中、大液珠组成。经“搅拌法”评价的A油油层内以小直径液珠居多，呈现出分散或絮凝在中大液珠周围的状态，如图5（A1）所示；经“蒸汽法”评价后油层内液珠直径整体大于“搅拌法”，具有明显界面膜厚度的中大直径液珠布满油层，如图5（A2）所示。E油的分水性差，油水分离结束时，油层布满大量具有一定界面膜厚度的中、大直径液珠，如图5（E1）和图5（E2）所示。经“搅拌法”评价后油层内小液珠直径低于“蒸汽法”，液珠平均直径与“蒸汽法”相近（表5所示），含水量略高（表2和表4所示）。

分析形成该对比形貌的原因。水相从油相中分离是液珠直径由小到大，再到沉降的过程。A油经“搅拌法”评价后，油层含水量大于“蒸汽法”（表2和表4所示），油层内液珠直径小于“蒸汽法”，说明在“搅拌法”中，油相中水相的液珠直径变得更小，能更加充分地与油相混合，使得含水量增加幅度较大。同时，A油的分水性最好，油内的大部分水相可以很快分离，剩余未分出的液珠。E油经“搅拌法”评价所得的小液珠直径同样小于“蒸汽法”。同时，E油的分水性能差，经两种方法评价后，小液珠要经过一段时间絮凝，方能聚并成足够大的液珠沉降分出，不能分出的水则形成了具有较厚界面膜的中、大直径液珠悬浮在油层内，其破乳化性能低，界面膜不易快速破裂，以致分水速度明显下降，当到达试验时间限制时，E油油层内含有大量水分。

根据以上分析，得出“搅拌法”比“蒸汽法”提供的分散能量大，得到小液珠直径更小；当不同油品分水优劣性能差异明显时，不同方法可得到的相同的结论。

2.2.2分水性差异接近情况

图6为“搅拌法”与“蒸汽法”评价C油和F油分水性后油层内剩余没有分离出的液珠微观形貌。表6记录了C油和F油油层内液珠直径、界面膜厚度范围。表6记录结果显示，C油和F油的液珠直径在大、中、小三个范围内，以及液珠界面膜厚度范围在同种评价方法下，所得数值结果相近；表2和表4记录的结果表明，C油和F油在同评价方法下含水量接近，F油略高一点。该组数据表明C油和F油在不同评价方法下所得到的与分水性相关的参数具有相近性，验证了前文所得C油与F油的分水性差异接近的结论。

从油层微观形貌可以看出，不同评价方法下，2个油样的油层微观形貌存在相似性。“搅拌法”评价后油层内液珠直径较大，大直径液珠数目较多，图6（C1）和图6（F1）所示；“蒸汽法”评价后油层内液珠直径比“搅拌法”小，油层内中、小直径液珠数目较多，图6（C2）和图6（F2）所示；在不同评价方法下，F油油层内的液珠密度比C油稍高一点，F油的破乳化值比C油高一次，低一次。

结合油层参数和形貌所得结果与分析，得出当不同汽轮机油分水性差异接近时，单纯用“搅拌法”或“蒸汽法”不便分辨出哪个油品的分水性更加优异。此时，以不同评价方法评价不同汽轮机油分水性，所得结果之间的相关性不明显。

综上所述，“搅拌法”与“蒸汽法”在评价汽轮机油分水性时存在一定程度的相关性，该相关性与汽轮机油分水性优劣差异程度存在直接联系。当不同汽轮机油的分水性差异较大时，两种方法相关性明显，可以得到相似的分水优劣性排序；当分水性差异接近时，两种方法的相关性较弱，所得分水优劣性排序出现不同，不便以单一方法评定不同汽轮机油分水性的优劣排序。

3结论

（1）以“搅拌法”和“蒸汽法”评价汽轮机油分水性时，主要依据以破乳化值作为油样分水性能优劣的参考依据，油层含水量仅作为参考指标，不作主要判断依据。

（2）评价汽轮机油分水性过程中，“搅拌法”所提供的分散能量大于“蒸汽法”，使得油水混合程度更加充分。

（3）当不同汽轮机油的分水性差别较大时，采用“搅拌法”与“蒸汽法”评价油品分水性，可以得到相关性较好的评价结果，可以以单一评价方法确定油品分水性优劣顺序。

（4）当不同汽轮机油的分水性差别接近时，采用“搅拌法”与“蒸汽法”评价油品分水性，则无法得到相关性较好的评价结果，不便以单一评价方法确定油品分水性优劣顺序。

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