燃气发动机润滑油选用分析

蒲 斌，严文东

（中国石油西部管道新疆输油气分公司鄯善作业区，新疆鄯善 838202）

1 燃气发动机润滑油特点

1.1 天然气发动机润滑油的特点

天然气发动机以天然气为燃料，由于气体燃料与液体燃料性质不同，气体燃料不会对发动机润滑油产生稀释，因此，相对于汽、柴油等发动机，天然气发动机可以选用粘度相对低的润滑油，并且可以延长润滑油的使用更换周期。天然气作为燃料，辛烷值高达110，抗爆震性能非常好，发动机在运行时缸内是无爆震燃烧，对润滑油膜的影响较小，润滑的效果相对较好，活塞与缸壁也不会产生突爆性冲击，润滑油的承载能力也比汽柴油发动机的润滑油低。天然气发动机的特点有利于延长发动机的使用寿命和大修周期。

但是，天然气作为燃料，天然气中可能含有一定浓度硫化氢组分，硫化氢在缸内燃烧与天然气燃烧产生的凝析的水形成酸性化合物，会对发动机缸内各部件产生腐蚀，因此，天然气发动机润滑油需要有良好的抗硫性能。

1.2 燃气发动机润滑油的功能

燃气发动机润滑油具有的功能：①润滑功能，燃气发动机油进入阀和凸轮轴、气缸和活塞、曲轴和轴承等金属部件之间，在运动副之间形成一层油膜，从而将两个运动副分离开，起到润滑，减少摩擦的作用；②密封作用，燃气发动机油填充与气缸和活塞间的间隙，防止发动机燃烧室的压缩气体和燃气漏至曲轴箱，从而充分发挥发动机的功率；③冷却作用，通过在燃气发动机内外循环流动，及时地将运动产生的热量带出，防止运动机构温度过高；④清洗分散作用，燃气燃烧时会产生一些灰分和不溶成份，对发动机的正常运行带来威胁，燃气发动机油可将这些污染物吸收，使发动机内部保持干净；⑤防锈作用，机油附着在发动机金属部件的表面，有效隔绝水和空气，避免金属部件发生锈蚀和腐蚀。

1.3 润滑油灰分对燃气发动机的影响

润滑油灰分是指在规定的条件下，油品完全燃烧后剩下的残留物（不燃物）叫做灰分，灰分的含量以质量百分比来表示（表1）。润滑油完全燃烧产生的灰分主要是金属盐类和金属氧化物。润滑油的基础油中含有的灰分含量很小，因为某些特定需求，将基础油中添加某些高灰分的添加剂形成特定需求的润滑油，这些润滑油中的灰分就会增大。发动机燃料如果含有灰分过多，会加剧发动机缸体的磨损。润滑油如果选用不当，润滑油中的灰分含量过高，长期使用过程中，燃烧形成的灰分将在缸内各组件上形成“积炭”，造成发动机的故障和零部件的磨损。

表1 灰分含量分类

硫酸盐灰分是燃气发动机油的关键指标，汽、柴油中含有重组分，其燃烧后会产生烟炱，烟炱积累在排气门上，可以减少排气阀与气阀阀座的磨损，润滑和保护排气门，延长排气门的使用寿命。天然气中没有重组分，一般只有通过燃烧缸内润滑油来积累灰分形成沉淀物对排气门形成润滑和保护，这样形成的沉积物呈现蓝灰色，沉淀物的形成需要一定的时间，积累的速度与润滑油中灰分组分含量的高低、润滑油消耗、气门与气门座之间的角度等因素有关。发动机在正常运行中，排气门积累沉淀物的过程是动态平衡的过程，沉积物不断燃烧流失的同时，新的沉积物不断地形成和积累[1]。

气体燃料发动机燃烧室温度很高，从而分解润滑油中的金属添加剂，火花塞处容易积累灰分，火花塞积累过多的沉淀物将影响火花塞点火。天然气发动机润滑油中的灰分来自于两部分，一是作为润滑油清净剂的钙盐，由于镁盐清洁剂燃烧形成的沉积物硬度较大，对缸内组件形成磨粒磨损，因此润滑油中的清净剂一般不用镁盐；另外则是润滑油抗磨剂的锌盐。纯净的天然气燃料中不含硫、水分等，缸内产生的灰分主要由润滑油和润滑油中的添加剂。天然气发动机润滑油的灰分含量很重要，发动机油灰分含量过低，有可能因润滑不良而造成气门、气门座圈磨损加剧及气门阀嵌入阀座；发动机油灰分含量过高，则发动机在运转时，高灰分发动机油窜入燃烧室后，可能在燃烧室形成更多坚硬的沉积物，造成火花塞、阀系、燃烧室积炭严重，进而出现气门喷火烧蚀、阀系磨损、活塞擦伤、火花塞堵塞等一系列问题。因此，天然气发动机油应具有合适的灰分[2]。

2 润滑油使用简述

2.1 发动机润滑油性能要求

西部管道公司鄯乌压气首站发动机为Waukesha VHP L7042GSI型燃气发动机，Waukesha建议使用为燃气发动机特殊配制的机油，并且要根据发动机的结构和型号达到最小的灰分要求。灰分成分提供清洁作用，防腐作用，防磨损作用。另外，燃烧期间生成的灰分将防止气门和气门座接触面的磨损。如果发现每1000 h气门磨损超过0.05 mm，应考虑更换一种更高灰分燃气发动机机油。VHP L7042GSI涡轮增压燃气发动机要求灰分最小含量0.35%，为燃气发动机特别配制的机油，使用高纯度矿物油为基础原料，硫酸盐灰分最少占重量的0.35%，与金属和无尘添加剂配制而成。推荐锌最大含量为0.10%。润滑油灰分要求为0.35%～1.0%。新机油8～10的总碱值（TBN）对应于含硫低于0.4%的馏出燃料。

2.2 润滑油使用对比

自1996年投产以来，发动机一直使用Shell 0480 oil天然气发动机润滑油，2011年7月，润滑油更换为TOTAL NATERIA MJ40道达尔MJ40中灰燃气发动机油润滑油，2016年10月起，润滑油更换为TOTAL NATERIA MH40道达尔MH40低灰燃气发动机油润，3种润滑油相关油品物性如表2所示。

表2 润滑油油品物性

上述3种油品在倾点、灰分、总碱值有所差别，其余参数区别不大。

倾点是指油品在规定的试验条件下，被冷却的试样能够流动的最低温度。由于发动机有伴热系统，在最低气温时这3种油品的倾点均可满足使用要求。总碱值是指在规定的条件下滴定时，中和1 g试样中全部碱性组分所需高氯酸的量，总碱值以当量氢氧化钾毫克数表示。总碱值是测定润滑油中有效添加剂成分的一个指标，表示内燃机油的清净性与中和能力。主要用于中和燃料燃烧产生的酸性物资，总碱值过低不能中和燃料产生的酸性物质，有可能造成发动机酸腐蚀；总碱值过高有可能造成发动机的碱腐蚀。对发动机的燃料气进行跟踪分析，使用的燃料气不含硫，同时不含其他酸性组分，可以选择较低总碱脂的润滑油。

Shell 0480 oil灰分小于0.8%，TOTAL NATERIA MJ40灰分为0.82%，这两种油品灰分差别不大，MJ40的灰分略高。由于燃料气不含硫及酸性组分，可以选择较低的润滑油灰分，TOTAL NATERIA MH40的灰分为0.43%，灰分大幅度降低，大于最低含量要求的0.35%，符合选用的要求。

3 机组故障及油品分析

3.1 机组故障情况分析（表3）

鄯乌压气首站维护保养严格按照WAUKESHA VHPL7042GSI手册进行保养，润滑油更换周期为1500 h，火花塞检查周期为4000 h。机组在运行1500 h时更换润滑油，同时检查并调整火花塞电极间间距。在发生两次火花塞不点火故障后，将火花塞的更换周期变为1500 h，之后未发生不点火故障。但是根据历史故障情况，在1500 h清理积碳，未发生过火花塞积碳严重不点火故障。更换低灰润滑油后，检测火花塞积碳大量减少，将火花塞的更换周期调整为3000 h，部分状况好的火花塞延长至4500 h，并且未发生火花塞积碳导致不点火的故障。

表3 压缩机组故障

4#机组上次大修时间为2010年8月，右侧进气管发生回火时距离上次机组大修19 229 h。3#机组缸头发生故障时距离上次机组大修（2014年12月）后运行10 738 h。根据历史故障情况，在机组大修前未发生机组缸头故障情况。

3.2 机组大修状况

2014年12 月，开展3#压缩机组大修，2015年11月，开展2#压缩机组大修，2016年9月，开展1#压缩机组大修，3次大修中，1#～3#压缩机组在大修中打开缸头，均发现气门与座圈之间积碳严重，且长时间磨损导致气门下沉，不同程度发生密封不严。查看机组历史大修情况，气门与座圈之间也存在不同程度积碳情况，造成缸头泄漏。

4 结语

压缩机组在使用Shell 0480润滑油中，气门与座圈之间已经有明显积碳，但是积碳的动态过程未使机组发生故障，Shell 0480润滑油灰分稍微偏高，但不影响正常使用，但在润滑油更换为TOTAL NATERIA MJ 40后，灰分进一步增大，使缸头、气门、座圈等部位结碳进一步增多，造成了发动机的故障增多。更换低灰润滑油后，在对火花塞及缸头进行的12次保养中，缸头及火花塞的积炭情况显著缓解，未发生火花塞积炭导致机组故障的事件。

润滑油的正确选型与应用，可以有效降低设备故障率，提升设备运行的可靠性。

［1］姚文钊.低硫酸盐灰分、低磷和低硫发动机油添加剂发展现状及趋势［J］.润滑油，2009，24（1）：48-53

［2］朱和菊.固定式天然气发动机的特点及润滑要求［J］.石油商技，2012（5），22-23.