基于油液监测的钻井服役柴油机油合理换油周期研究

蔡清游，曾文强，彭远春，何佳，余红杰，马升平，杨琳

(1.广州机械科学研究院有限公司，广东 广州 510535；2.川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院，四川 广汉 618300；3.川庆钻探工程有限公司，四川 成都 610051；4.四川宏大技术服务有限公司，四川 广汉 618300)

0 引言

发电用柴油机是野外钻井基地的关键设备之一，用来为基地提供生产和生活用电，外观见图1。柴油机油的更换是发电柴油机日常维护的重要内容之一，一直以来柴油机油的更换周期按照柴油机厂家给出的500 h来执行，但近来通过开展一段时间的服役柴油机油监测后发现，很多到了更换周期的柴油机油各主要性能指标仍保持良好，离相关标准给出的换油参考值还相差甚远。那么500 h更换是否合理？如果不按照500 h更换，又该调整到多少小时更换？这成了摆在钻井发电柴油机管理面前的现实难题。为此，挑选出3台发电柴油机开展试验，通过密切监测服役柴油机油各项性能指标的变化趋势，试图找出柴油机油的合理换油周期[1-2]。

图1 钻井基地发电柴油机

伴随着节能、环保、延长换油周期的趋势[3]，润滑油生产厂家在不断的对油品规格进行升级，而与此同时设备却一直执行厂家多年前给出的换油周期，这明显不合理。相关研究资料显示可以使用燃油比来考察一个国家或地区润滑油的用油水平，一个国家润滑油消耗量占燃油消耗量的百分比叫做燃油比，它从一个视角反映了一个国家或地区润滑油的使用水平。中国燃油比接近1.6%，远高于某些发达国家和地区(美国约1.0%，日本不到0.9%，欧洲约0.8%)水准[4]，说明中国润滑油的使用水平还较低，而中国发动机油使用量占到整体润滑油消耗量的一半以上[5]。因而延长柴油机油的换油周期，于企业而言是降低维护成本，同时也能助力实现绿色、低碳发展。

1 试验内容

1.1 试验柴油机

试验柴油机为某国际大品牌柴油机，其基本参数信息和服役年限都一致，试验柴油机型号和基本参数信息见表1。

表1 试验柴油机参数信息

1.2 试验用油

本次试验所用油品系柴油机厂家的专用油品，其典型理化性能数据见表2。

表2 试验油品典型理化性能数据

1.3 试验要求

试验柴油机开始试验前将上一周期使用的油品排放干净，更换机油滤芯、燃油滤芯、空气滤芯，尽可能保持试验条件的一致性，然后加入规定量的新油。试验过程中每100 h取样一次[6]，分析项目及换油参考值见表3。表3中，运动黏度100 ℃、闭口闪点、碱值、酸值、水分、Fe、Cu、Al、Si这些分析项目的换油参考值参考来源为GB/T 7607-2010《柴油机油换油指标》；氧化、硝化、烟炱换油参考值来源于国内某大型油液监测实验室内部标准[7-10]。

表3 试验过程取样分析项目及换油参考值

2 试验结果及讨论分析

2.1 100 ℃运动黏度的变化

3台试验柴油机服役油品在试验周期内100 ℃运动黏度变化趋势见图2，从图2可看出3台试验柴油机服役油品运动黏度在试验周期前半段都呈现降低的趋势，这主要是由于柴油机油新油中的黏度指数改进剂受到发动机摩擦副的截切作用变成小分子，所以油品黏度会有一定程度降低[11]。在试验周期后半段，运动黏度呈现两种变化趋势，2号柴油机和3号柴油机服役油品运动黏度呈现升高趋势，而1号柴油机则延续了下降趋势，对升高趋势的合理解释是随着油品服役时间的增加，油品因各种原因发生氧化生成胶质等大分子导致黏度升高开始占主导作用，对于1号柴油机在整个试验周期内运动黏度都呈现下降趋势则不好解释，很可能是个体差异导致的，2号和3号柴油机运动黏度的变化趋势更具有代表性。整体来看，运动黏度无论是下降还是升高，变化幅度都相对不大，下降幅度最大的为3号柴油机，运动黏度最大下降率为-5.3%，升高幅度最大的也是3号柴油机，运动黏度最大升高率为2.2%，这距离运动黏度换油参考值±20%的变化率都还有较大空间。

图2 100 ℃条件下运动黏度变化趋势

2.2 碱值的变化

柴油机油中含有各类碱性添加剂，如磺酸钙、磺酸镁、苯甲酸盐和水杨酸盐等，用于中和使用过程中产生的各类酸，因而柴油机油使用过程中碱值通常会慢慢下降，当碱值过低时，表明油中的碱性添加剂消耗严重，会导致油品清净分散性能下降，进而可能引起油泥、积炭增多等问题[12]。3台试验柴油机服役油品在试验周期内碱值变化趋势见图3，从图3可看出，3台试验柴油机碱值整体变化趋势是一致的，都呈现随服役时间逐渐下降的趋势，最大下降率为1号柴油机的16.5%，这距离碱值换油参考值50%的下降率仍有较大空间。

图3 碱值变化趋势

2.3 酸值的变化

酸值是柴油机油重要理化性能指标之一，柴油机油在高温条件下氧化生成各类酸性物质以及燃料燃烧产生的酸性物质都会促使柴油机油酸值升高，因而酸值是判断油品老化程度的重要依据。3台试验柴油机服役油品在试验周期内酸值变化趋势见图4，从图4可看出，3台试验柴油机酸值整体变化趋势是一致的，都呈现随服役时间逐渐上升的趋势，最大增加值为1号柴油机的2.13 mgKOH/g，这已经接近于酸值换油参考值增加值≥2.5 mgKOH/g，2号柴油机酸值最大增加值为1.37 mgKOH/g，3号柴油机酸值最大增加值为1.88 mgKOH/g，相对来说增加幅度小一些。

图4 酸值变化趋势

2.4 氧化值、硝化值的变化

在GB/T 7607-2010《柴油机油换油指标》中涉及柴油机油氧化变质的指标主要是酸值，而酸值并不能反映柴油机油氧化降解的全部信息，柴油机油氧化变质程度又是反映油品剩余寿命的重要因素，因而增加反映柴油机油氧化变质程度的指标就很有必要。红外光谱法测定的氧化值、硝化值主要是反映柴油机油在使用中受燃烧废气的影响，碳氧化物、氮氧化物等物质在一定条件下反应生成氧化物、硝化物等酸性产物的浓度，因而氧化值和硝化值是酸值指标外反映柴油机油氧化变质程度的有益补充。目前国外已将应用红外光谱法测定在用润滑油的变化列入标准方法ASTM E2412，例如卡特彼勒早在20世纪80年代就提出红外油液分析检测准则，利用红外光谱法定量测量服役柴油机油的氧化值、硝化值、燃油稀释等参数，但目前国内该项应用还不广泛[13]。

3台试验柴油机服役油品在试验周期内氧化值、硝化值变化趋势见图5，从图5可看出，3台试验柴油机氧化值、硝化值整体变化趋势是一致的，都呈现随服役时间逐渐上升的趋势，这与酸值的整体变化趋势是吻合的。在增长幅度方面，2号柴油机与3号柴油机增长幅度相当，且大于1号柴油机增长幅度，此外，氧化值与硝化值变化整体是同步的，即氧化值增长幅度大小与硝化值增长幅度大小基本一致。在换油参考值方面，目前没有相关标准给出服役柴油机油氧化值与硝化值的换油参考值，这里参考国内某大型油液监测实验室给出的氧化值与硝化值换油参考值，都为0.1～0.5 A/0.1 mm，3台试验柴油机在试验周期末氧化值与硝化值处在0.1 A/0.1 mm与0.15 A/0.1 mm上下，处在换油参考值的前半段，这也能从侧面说明服役柴油机油氧化变质程度处于可控区间。

图5 氧化和硝化值变化趋势

2.5 烟炱含量的变化

服役柴油机油中污染物的形式主要包括水、燃油、冷却液、粉尘、烟炱等，在正常运行工况下，烟炱是主要的污染物。烟炱是由多种物质组成的混合物，其主要成分是石墨化炭黑，直径大小约为20～50 nm，它在柴油机油中以固体不溶物的形式存在。烟炱通常形成于柴油机燃料的不完全燃烧，形成后会附着在气缸壁上，并随着活塞环上下的刮油运动进入到油底壳，会对柴油机油的润滑性能造成较严重的影响。很多研究表明，烟炱对于柴油机的危害主要表现在加剧柴油机相关摩擦副的磨粒磨损，导致柴油机油黏度增大、润滑性能下降，并可能堵塞过滤系统，从而影响柴油机正常工作和寿命，这些因素也会间接促进影响柴油机油的老化过程，因而对于服役柴油机油烟炱也是一项重要的监测指标[14-15]。

3台试验柴油机服役油品在试验周期内烟炱含量变化趋势见图6，从图6可看出3台试验柴油机烟炱含量整体变化趋势也是一致的，都呈现随服役时间逐渐上升的趋势。在增长幅度方面，2号柴油机与3号柴油机增长幅度相当，1号柴油机增长幅度相对较小。在换油参考值方面，目前没有相关标准给出服役柴油机油烟炱含量的换油参考值，这里参考国内某大型油液监测实验室给出的烟炱含量换油参考值，为≤0.5 A/0.1 mm，3台试验柴油机在整个试验周期内烟炱含量最大值在0.15 A/0.1 mm以内，表明服役柴油机油中烟炱含量整体还是可控的。

图6 烟炱含量变化趋势

2.6 元素含量变化

试验过程中对相关元素含量变化的监测可以掌握柴油机的磨损和污染情况。铁元素通常来源于缸套与活塞环的磨损，铜元素通常来源于柴油机轴承保持架的磨损，铝元素通常来源于活塞与气缸壁的磨损，硅元素通常来源于外界粉尘颗粒的污染。试验过程中3台柴油机服役油品铁、铜、硅元素变化情况见图7，铝元素变化情况见表4。

图7 Fe元素含量变化趋势

由Fe、Cu、Si元素含量变化趋势可看出，Fe元素含量呈现随服役时间逐渐上升的趋势，但整体上升幅度有限，试验末期Fe元素最高含量也在20 mg/kg以下，远低于换油标准值150 mg/kg；Cu元素含量变化趋势并不明显，呈现随服役时间缓慢增长的态势，但整体变化值很小，试验末期Cu元素最高含量也在4 mg/kg以下，远低于换油标准值50 mg/kg；Si元素含量变化趋势更加不明显，基本上是围绕2～3 mg/kg上下波动；Al元素在整个试验周期内都未变化，且其值一直<1 mg/kg。从上述元素监测结果可知，在整个试验周期内柴油机磨损情况较轻微，且外界粉尘污染物侵入情况也较轻微。

2.7 其他指标变化情况

3台试验柴油机服役油品其他指标在试验末期监测情况见表4。水分、闪点(闭口)这些指标也是影响服役柴油机油使用寿命的重要指标，但这些指标在试验期间一直保持与试验开始时接近的值未变化，表明试验期间未发生与这些指标超标相关的因素(水分侵入、燃油稀释等)，同时也可以看出这些指标与柴油机油服役时间相关性不强。

表4 其他指标在试验末期监测值

3 结果与讨论

(1)3台试验柴油机在1000 h试验周期内没有指标超出换油标准值，大部分指标在试验结束时还有相当的技术余量，只有个别指标开始接近换油标准值。变化幅度较大的是酸值、碱值，其次是氧化、硝化、烟炱、Fe元素含量等指标，水分、闪点、运动黏度100 ℃、Cu元素含量等指标在整个试验周期内无变化或是变化幅度很小。

(2)试验结果表明将钻井发电柴油机油品更换周期由原来的500 h延长至1000 h基本上是可行的，且本次试验选取的柴油机服役年限是8年，基本处于钻井柴油机服役年限的中位数水平，因而具有较好的代表性。同时，考虑到柴油机的相关故障与柴油机油之间可能存在滞后关联，因而也不宜立即将柴油机油新更换周期全面推广，较稳妥做法是选择部分柴油机执行新换油周期，待开展多个监测周期无异常或是通过大修确认无异常后，再将新的换油周期推广开来。

(3)通过对试验数据的分析，GB/T 7607-2010《柴油机油换油指标》对于钻井基地这种固定式发电柴油机适用性可能不是太强，一是有些指标可能不太适用，如监测数据显示钻井发电柴油机不太可能出现Si元素含量超标；二是指标的换油参考值整体还显得过于宽泛，指导性不强。未来，通过监测数据的积累，建立起钻井发电柴油机服役油品换油标准，通过更加精准指标和换油参考值的设置，保证在柴油机运行可靠的前提下，更经济地实现换油周期延长。