蓄能电站调速器润滑油破乳化度超标分析及处理

柳艳红 张 娜 黄译锋 刘 俊

(1.南方电网调峰调频发电有限公司检修试验分公司 广东广州511440；2.广州机械科学研究院有限公司设备润滑与检测研究所 广东广州 510530)

调速器是水轮发电机关键的控制系统，起到对水轮机导叶在不同工况下开启和关闭速率的控制，由于抽水蓄能机组工况复杂，因而水轮机调速器对于保障水轮机的可靠运行十分关键。水轮机调速器本质上是一个液压系统，主要由油箱、油泵、阀、执行单位构成。润滑油是系统运行的关键介质，润滑油状况的好坏直接关系到调速器系统的运行，因而现场对调速器在用油进行定期取样检测，可以评估润滑油的各项性能指标[1]。破乳化是调速器在用油日常监测中的一项核心性能指标，该指标是否合格关系到油品遇水是否发生乳化。而导致油品破乳化不合格的原因有多种，不同的原因对应不同的处理措施。本文作者从油品破乳化相关机制研究出发，通过与破乳化相关联指标的分析，推断出导致调速器在用油破乳化不合格的原因，再通过采取相应的处理措施，使油品破乳化指标恢复正常，从而验证推断是正确的。

1 故障现象

调速器用到的润滑油型号为某进口品牌ISO VG46涡轮机油，在日常的取样检测中多次发现其破乳化指标不合格，超出标准控制范围值，相关检测数据示例见表1。破乳化指标衡量的是油品与水分离性能的好坏，破乳化指标不合格代表油品与水的分离能力差，这样一旦油中出现水分超标的情况，油中的水分可能分离不出来，从而导致油品乳化，影响油品的性能，进而影响调速器的运行，因而调速器在用油出现破乳化指标不合格是一个需要关注的问题[2]。

表1 相关检测指标数据Table 1 Related test indicator data

2 原因分析

润滑油的破乳化性能也称之为水分离性能，衡量的是润滑油在遇水的情况下，抵抗与水混合形成乳化液的能力。润滑油的破乳化性能越好，代表油品与水分离的时间越短，那么油中进水带来的影响也更小；反之，破乳化性能不合格代表油品在规定时间内无法与水分开，那么油品遇水时更易发生乳化，也对设备的润滑产生影响[3]。

2种液体之间能否形成稳定的乳状液取决于2种液体之间界面张力的大小，由于界面张力的影响，分散相总是倾向于缩小2种液体之间的接触面积以降低系统的总表面能，即分散相总是朝着由小液滴合并成大液滴的方向发展，以便以减少液滴的总表面积，乳化状态也就随之被破坏[4-5]。润滑油与水之间的界面张力大小取决于多项因素：

(1)对于新油而言，主要取决于基础油的精制程度和油中添加剂的情况。基础油精制程度越深，其与水之间的界面张力就越大，就越不容易与水形成稳定的乳状液，新油的破乳化性能也就越好。但对于润滑油而言，除了基础油，还添加有添加剂，而很多添加剂都是表面活性物质，如清净分散剂、极压剂等，这些添加剂都会减小润滑油与水之间的界面张力大小，从而使润滑油破乳化性能变差。基于此，润滑油中还添加有破乳剂，其作用就是提高润滑油的抗乳化性能[6-7]。

(2)对于在用油而言，主要取决于污染和破乳剂的消耗情况。例如，粉尘、油泥、油品氧化产物等污染物会降低油水界面张力，从而使得润滑油的破乳化性能变差；而如果油中破乳剂消耗殆尽，也会导致润滑油的破乳化性能降低。

调速器润滑油使用的是国外大品牌油品，基础油精制程度理论上较一般油品更优，其新油破乳化度检测结果也是合格的，因而可以排除因基础油精制程度的原因导致的破乳化性能不合格。那么，在用油破乳化不合格的原因可能有2个方面：一是润滑油中的破乳剂消耗严重导致破乳化不合格，二是油中污染物导致破乳化不合格[8]。通过查阅相关资料和咨询相关厂家，因破乳剂消耗导致油品破乳化度不合格的情况较少，因而文中重点分析污染导致油品破乳化不合格。

首先，从表1中可知，调速器在用油污染度等级为7级，在控制范围内(≤8)，说明在用油中较大颗粒(≥6 μm)污染物数量并不是很多[9]。其次发现在用油检测指标中，除了破乳化度不合格外，漆膜倾向指数(MPC)指标也超标。漆膜也称之为积碳、结胶、漆状物质、弹性氧化物、漆皮等，是一种可能为橙色、棕色或黑色非溶解性的膜状沉淀物，其主要成分为高分子烃类聚合物。漆膜在使用一段时间的机械设备的油液中普遍存在，尤其在高压液压系统或是温度较高的透平系统中。目前关于漆膜的形成有多种理论解释，其中有学者提出的软性污染物沉积理论得到较为广泛的认可，该理论认为漆膜的形成过程有以下4个步骤[10]：

(a)运行中的透平油先产生亚微米级别的降解产物，此产物在运行温度下可溶；

(b)由于产物是极性分子，随着其浓度的逐渐增高，产物分子之间相互作用，开始结合成较大的分子，超出了漆膜溶解的饱和点，逐渐从油中析出，温度的降低还会加快漆膜的析出速度；

(c)漆膜容易吸附在金属组件的表面，特别是低温处和缝隙处；

(d)一段时间之后，逐渐成膜、碳化，变得难以除去。

漆膜形成过程示意图如图1所示。

图1 漆膜形成过程Fig 1 Forming process of varnish

由于润滑油在使用过程中一直处于劣化变质过程，包括基础油的氧化，添加剂的降解，尤其是在一些高温或高压系统中这种进程相对更快，这些降解产物通常是亚微米级别的极性物质。当这些极性降解产物量较少时，其可以溶于润滑油中，对油品的性能影响较小；但当这些产物逐步积累较多时，一方面这些产物会充当油品劣化变质的催化剂，进一步加快油品的劣化变质速度，另一方面，这些产物开始对油品各方面的性能产生影响，如MPC指标升高，油品破乳化性能不合格。研究表明，漆膜与油品泡沫特性变差也存在关联，进一步发展会导致油品酸值增加，宏观上甚至会带来轴瓦温度的上升、阀件的卡涩，因为漆膜易附着在金属表面，导致表面散热不良和阀芯堵塞[11]。

3 处理措施

根据上述分析，基本推断出导致调速器在用油破乳化不合格的原因是油中积累的微小污染物(<1 μm)数量较多，这些污染物会导致油水界面张力下降，从而使得油品的水分离性能变差。从表1中可知，在用油酸值等表征油品氧化变质程度的指标仍处于控制范围，推断调速器在用油还处于劣化变质的早期阶段，通过采取相关措施可以恢复油品的正常性能。为此现场使用了一款静电滤油机对在用油开展过滤净化，如图2所示。该过滤装置的技术原理是将待过滤的润滑油分成两路并带上不同的电荷，然后把两份油品混合，使带不同电荷的软性污染物结合形成较大颗粒，聚合沉降，最后进行滤除，通过该过滤装置可以将油中较小颗粒的污染物滤除。

图2 现场过滤装置Fig 2 On-site filtering device

现场在检修期间对调速器油箱中的在用油开展了过滤，并在过滤的不同阶段取样检测，结果如表2所示。可看出，过滤160 h后，调速器润滑油的MPC大幅降低，污染度等级也降低，但破乳化仍然不合格；当过滤200 h后，调速器润滑油的破乳化指标恢复正常。这进一步验证了上述的分析判断，即调速器在用油破乳化指标不合格是由于油中亚微米级氧化污染物较多引起。需要说明的是，由于该类静电过滤装置属较精密过滤设备，因而流量较小，现场操作时需保障充足的循环过滤时间以便对油品进行充分的过滤。

表2 相关样品检测数据Table 2 Related test indicator data

4 结论及建议

(1)调速器在用油在日常取样检测中多次出现破乳化度指标不合格，分析其原因，一是破乳化添加剂消耗导致，一是污染物导致。结合在用油MPC指标也超标的情况，判断调速器在用油破乳化指标不合格的原因是油品自身劣化变质产物污染所致，这类亚微米级氧化颗粒污染物不能通过调速器在线滤芯或是普通离线滤芯去除，使得油水界面张力降低，从而导致油品更易乳化。通过采用静电过滤装置对调速器在用油进行过滤后，在用油破乳化指标恢复合格，这进一步验证了在用油破乳化指标不合格是由于油中微小污染物过多导致。

(2)在日常设备运行维护中如发现在用油破乳化不合格的情况，可以考虑综合相关指标的数据来分析导致破乳化不合格的原因，尤其是MPC指标。从文中可看出MPC指标与破乳化度指标存在强的关联性，具体来说可把MPC指标作为油品发生劣化变质的“先行”指标，即当油品发生劣化变质时，随着亚微米级氧化产物的积累首先表现出不合格的可能是MPC指标，然后这些污染物开始慢慢对油品破乳化这些指标产生影响。当对这些污染物开展过滤操作时，首先下降的也是MPC指标，接下来破乳化指标也跟着下降。当然这只是现场处理过程中的经验总结，并不能作为一般推论推广开，至于涡轮机油MPC指标与破乳化指标之间的确切关系值得相关科研机构开展研究，现场也可在以后的工作中积累相关的工程经验。