抗燃油泡沫特性超标原因分析及处理措施

刘 俊，刘海元

（广州机械科学研究院有限公司 工业摩擦润滑技术国家地方联合工程研究中心，广东广州 510535）

0 引言

抗燃油是大型汽轮机调速系统用油，广泛用于各类以蒸汽透平发电的电厂，如各类火电厂、核电站。目前常用的抗燃油类型为磷酸酯型抗燃油，由于抗燃油使用在高温、高压条件下，加上磷酸酯抗燃油本身的特性，在使用过程中经常出现抗燃油酸值、体积电阻率、泡沫特性等指标超标问题。但在泡沫特性指标超标问题上，现场在应对措施上经常没找对方向，如发现泡沫特性超标就想到添加抗泡剂，这种做法往往效果不理想，甚至还会带来其他的“副作用”。下面以某大型燃煤火电厂抗燃油泡沫特性出现超标为例，分析其泡沫特性超标的原因及解决措施。

1 故障现象

某大型燃煤火电厂（4×600 MW）4 号机调速系统，使用牌号为科聚亚Turbofluid 46SJ 磷酸酯的抗燃油，在2017 年3 月的日常检测中发现泡沫特性指标出现轻微超标，一个月后再次取样检测发现泡沫特性指标升高趋势很明显（表1）。

表1 相关检测指标数据

需要注意的是，抗燃油泡沫特性检测超标并未引起现场系统相关故障特征，如压力波动、油箱出现大量泡沫等，仅表现在检测数据的异常。

2 原因分析

2.1 油品泡沫特性

油品泡沫特性由泡沫倾向性和泡沫稳定性这两个检测指标体现：前者是油品生成泡沫的倾向，检测值越大代表油品越容易生成泡沫；后者是油品在生成泡沫后，在一定时间内泡沫能否消解的能力，检测值越小代表油品泡沫稳定性越好，油中生成的泡沫越容易在短时间内消去[1]。

以检测数据“180/0”为例，“180”代表泡沫倾向性，“0”代表泡沫稳定性。通常在泡沫特性检测指标中，需要确保的底线是数字泡沫稳定性不超标，这样即使数字泡沫倾向性超标，油品也具备在生成泡沫后快速消去的能力，对实际使用影响仍然可控。

2.2 油品泡沫特性相关机理

2.2.1 润滑方式带来的泡沫问题

油品生成泡沫是因为油中有空气，因而空气可以看作泡沫产生的源头。而有的润滑方式注定会往油中不停带入空气，如齿轮飞溅润滑，在齿轮与润滑油的搅拌接触中会不停地将空气带入润滑油中，从而引起油中不停地生成泡沫。但是这种泡沫生成是不可避免的，不代表油品性能有问题，只要油品具备良好的消泡性能，对实际使用效果影响不大。

类似的情况还有油箱高处回油口。例如，有些循环润滑系统的油箱回油管末端离油箱液面还有一段距离，这样回油管中的油冲击流入油箱中时也会带入空气、导致泡沫生成。这种情况需要避免油箱回油口离进油口过近，因为油品即使具备合格的消泡性能，泡沫生成后也需要一定的时间才能消去，而如果回油口距离进油口很近就会导致生成的泡沫还来不及消去就被吸入了进油口、给实际使用带来影响。一个小的技巧就是在油箱回油口和进油口之间设置一块挡板，让从回油口回来的油需要经过一段路程的“奔袭”后才到达进油口，让油中的泡沫有足够的时间消解。

2.2.2 抗泡剂消耗带来的泡沫问题

润滑油中添加有各类添加剂，而有些添加剂属表面活性剂，这会带来油品泡沫倾向性高；此外，很多使用场合要求润滑油具备良好的消泡性能，如齿轮飞溅润滑、油箱高处回油口等，这就要求润滑油具备消泡属性，因而常见的各类成品润滑油中都添加有一定量的抗泡添加剂，如工业齿轮油、液压油、涡轮机油等。目前常用的抗泡剂类型有三大类，分别是有机硅聚合物（T901）、非有机硅聚合物（T911）、复合抗泡剂（T921）。抗泡剂作用机理有两个：一方面增加油品表面张力，从而降低油品生成泡沫的倾向；另一方面具有降低泡沫表面膜强度及韧性的性能，从而使得生成的泡沫容易消解[6]。

油品在使用过程中会不停地消耗抗泡剂，当抗泡剂消耗殆尽时油品也就没有了原来的泡沫特性。因而，有部分油品的泡沫特性会随着抗泡添加剂的消耗而逐渐变差，但这种情况导致的油品泡沫特性不合格并不能通过简单的向运行油中添加抗泡剂来解决。因为一方面越来越多的添加剂属复合型添加剂，成品润滑油讲究的是各类添加剂和基础油的合理配比、性能的均衡，而单独添加某一添加剂可能带来润滑油某一性能提升，而其他性能下降的风险；另一方面，不同类型抗泡剂对加入方法敏感度不一样，有的敏感度很高，现场添加很难达到要求，因而会出现添加抗泡剂效果不理想的情况。

2.2.3 油品污染带来的泡沫问题

在导致油品泡沫特性异常的原因中，污染是非常关键却经常被忽视的一个，污染导致抗燃油泡沫特性超标的情况非常常见。污染导致油品泡沫特性异常的相关理论是“表面张力理论”。该理论认为润滑油的起泡能力与油液表面张力密切相关，从能量观点考察，油液表面张力低对泡沫形成有利，因为生成一定总表面积的泡沫需要做的功（表面功）较少；而在油液表面张力较大情况下需要做较多的功，不利于泡沫的形成。因此，增加油液与空气界面的表面张力能够降低润滑油起泡的倾向。而油液表面张力与油液清洁度状况密切相关，因为大部分污染物属于表面活性物质，它们易富集于气液界面，其非极性基团伸向气泡内、极性基团指向液体，形成单分子层膜，这种膜能够降低界面的张力而使起泡处于较稳定的热力学状态。污染会引起液体易起泡比较直观的例子是纯物质（如纯净水）是不易起泡的[6]。

2.3 抗燃油泡沫特性超标原因分析

根据该电厂抗燃油两次取样检测数据，结合油品泡沫特性生成机理，判断导致抗燃油泡沫特性超标的原因是污染，主要是抗燃油自身劣化变质产物的污染，原因如下。

2.3.1 酸值等指标出现同步劣化趋势

抗燃油酸值指标衡量的是油品劣化变质的程度，由于抗燃油的运行温度较高，除去外界污染可能带来的油品劣化变质，其自身氧化变质产生的影响占据更大比重。从表1 可以看出，酸值两次检测数据分别为0.15 mgKOH/g、0.16 mgKOH/g，根据DL/T 571—2014《电厂用磷酸酯抗燃油运行维护导则》中对酸值指标的控制值为≤0.15 mgKOH/g，酸值两次检测值处于临界值，有持续升高趋势。根据抗燃油酸值指标的变化规律，当酸值处于0.1 mgKOH/g 以下时，其升高趋势会比较缓慢；当酸值达到0.1 mgKOH/g 以上时，其升高趋势会明显加快[5]。这背后其实是量变到质变的过程，任其发展下去，该油品的酸值指标还会继续快速升高。从酸值与泡沫特性指标的两次检测值比较中可看出，酸值与泡沫特性呈现出同步超标升高的趋势，因而有理由推断酸值与泡沫特性指标间存在关联，其背后机理很可能是抗燃油自身劣化变质产物累积使酸值升高，而这些劣化变质产物又会降低油液表面张力，使油品泡沫倾向性升高。

此外，体积电阻率指标检测值也支持这一推断。体积电阻率衡量的是抗燃油绝缘的程度，也是间接体现抗燃油中各类污染物浓度的指标[7]。从这两次检测数据看，体积电阻率指标有降低的趋势，虽然没有超标，但其值相对偏小，这表明抗燃油的绝缘程度在下降，油中的各类污染物在增加。

2.3.2 污染度等级未超标

虽然从酸值、体积电阻率、泡沫特性等指标超标推断抗燃油中污染物浓度高，但污染度等级指标并未超标，两次检测值都是5 级、属于较理想值。对此的合理解释是，污染度等级指标检测的颗粒尺寸范围为≥6 μm（按照AS 4059 标准），而抗燃油自身氧化变质产物的颗粒尺寸范围通常在亚微米级（＜1 μm），不在污染度等级指标检测范围内，因而不能通过污染度等级指标很好的指示抗燃油清洁度状况。

对本案例中抗燃油泡沫特性超标的路径分析如图1 所示。

图1 抗燃油泡沫特性超标路径分析

3 处理措施

根据对抗燃油泡沫特性超标的原因分析，建议现场采用精密过滤设备对抗燃油开展滤油作业，滤除抗燃油中微小的劣化变质产物。现场按照建议采购了某厂家生成的KZTZ 型滤油机对抗燃油进行过滤，经过两天的过滤，取得了明显的效果，首先表现在油品的外观上就有了很大改变，过滤前抗燃油呈黑色、过滤后呈透明黄色。更重要的是，抗燃油的各项性能指标有了明显改善（表2）：泡沫特性指标大幅下降至合格范围内，表明油品表面张力提高；酸值指标大幅下降至0.1 mgKOH/g 以下，表明油中劣化变质产物浓度大幅下降；体积电阻率明显升高，表明抗燃油的绝缘程度在提高包括泡沫特性指标。这些指标的变化情况符合前面的理论分析，进一步印证了抗燃油泡沫特性超标的原因是油品劣化变质的产物污染所致。

表2 抗燃油过滤前后指标变化

4 结论及建议

抗燃油泡沫特性出现超标，尤其是只有泡沫倾向值偏高，并伴有酸值偏高、电阻率偏低的情况，往往是由于抗燃油自身劣化变质产物污染所致，这时往抗燃油中加入抗泡剂往往起不到理想的效果。正确做法是采用高精密过滤设备滤除油中的微小污染颗粒物，泡沫特性、酸值等指标自然会恢复正常。

图2 抗燃油过滤前后