從美軍汽輪機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)變化看艦船汽輪機(jī)油發(fā)展趨勢(shì)

王建華++張博

摘要： 文章通過對(duì)30年內(nèi)不同時(shí)期發(fā)行3個(gè)版本的美軍汽輪機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)《汽輪機(jī)和齒輪潤(rùn)滑油性能規(guī)范》（MIL-PRF-17331）內(nèi)容的解讀，對(duì)比研究了美軍艦船汽輪機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容演變與發(fā)展趨勢(shì)，具體分析了理化性能及試驗(yàn)方法、特定指標(biāo)、汽輪機(jī)油發(fā)展要求等三個(gè)方面的內(nèi)容，提出了對(duì)我國(guó)汽輪機(jī)油發(fā)展變化的啟示。研究結(jié)果表明，美軍汽輪機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目增減是與裝備機(jī)械技術(shù)與油品技術(shù)水平緊密相關(guān)的，對(duì)理化性能的要求與軍用特點(diǎn)緊密結(jié)合，對(duì)通用性與環(huán)保要求提出了更高的要求。

關(guān)鍵詞： 美軍標(biāo)準(zhǔn)；汽輪機(jī)油；理化性能；發(fā)展趨勢(shì)

0 引言

我國(guó)蒸汽輪機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步對(duì)汽輪機(jī)油提出了更高的要求。美軍艦船汽輪機(jī)油質(zhì)量與通用化水平都較高，其評(píng)定技術(shù)和方法也代表了當(dāng)今世界艦船汽輪機(jī)油的最高發(fā)展水平。分析美軍汽輪機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)近30年的變化，了解美軍汽輪機(jī)油的發(fā)展趨勢(shì)，可對(duì)我國(guó)汽輪機(jī)油今后發(fā)展方向提供有益的參考。

1 汽輪機(jī)油的主要用途

美軍汽輪機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)為MIL-PRF-17331《汽輪機(jī)和齒輪潤(rùn)滑油性能規(guī)范》，該標(biāo)準(zhǔn)明確指出，汽輪機(jī)油用于美國(guó)海軍采用核動(dòng)力裝置的航母和戰(zhàn)略核潛艇上，使用部位涉及汽輪機(jī)組、齒輪傳動(dòng)裝置、空氣壓縮機(jī)和潛艇液壓裝置，起到對(duì)汽輪機(jī)組的支撐軸承、主軸承、推力軸承和減速器齒輪等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑、散熱與冷卻作用，并在調(diào)速系統(tǒng)中，作為液壓介質(zhì)，傳遞壓力，參與調(diào)速系統(tǒng)工作。

11 潤(rùn)滑與冷卻作用

艦船汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，一般轉(zhuǎn)速達(dá)3000～5000 r/min，摩擦產(chǎn)生熱量較大，蒸汽溫度高達(dá)300～420 ℃以上。盡管汽輪機(jī)軸承材料采用耐磨性好的巴氏合金，但其耐溫性差（軸承溫度必須保持在70 ℃以下）[1-2]。為解決既要保證潤(rùn)滑又不因溫度過高而燒毀軸承的矛盾，必須連續(xù)不斷地使汽輪機(jī)油循環(huán)充滿在軸頸和軸瓦之間，繼而形成彈性流體潤(rùn)滑，保證汽輪機(jī)組的正常運(yùn)行。

又由于艦船汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與螺旋槳之間的轉(zhuǎn)速差較大，需要通過減速齒輪箱減速的方式，達(dá)到汽輪機(jī)帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)的目的，由此也帶來了減速齒輪齒面負(fù)荷較高的問題。如果潤(rùn)滑油黏度較小，則不利于它在齒面形成穩(wěn)定油膜。為解決這一問題，利用潤(rùn)滑油黏度隨溫度而變化的規(guī)律，將汽輪機(jī)油通過冷卻器的兩次冷卻，溫度下降到35 ℃，使油黏度適合形成穩(wěn)定油膜，以保證減速齒輪的潤(rùn)滑。

12 調(diào)速作用

汽輪機(jī)組的調(diào)速裝置，也必須用汽輪機(jī)油作為液壓傳動(dòng)，控制其調(diào)速氣門。用于汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的汽輪機(jī)油，作為液壓介質(zhì)，能傳遞壓力，通過調(diào)速系統(tǒng)對(duì)汽輪機(jī)組的運(yùn)行起到了調(diào)速作用。

2 軍艦船汽輪機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)演變

MIL-PRF-17331[3-5]標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定了艦船汽輪機(jī)油常規(guī)理化性能指標(biāo)的評(píng)定方法，還對(duì)艦船汽輪機(jī)油的防銹蝕性、潤(rùn)滑性能、抗乳化性能、空氣釋放性、軸承適應(yīng)性、油品均勻性及閥黏結(jié)特性規(guī)定了專門試驗(yàn)方法。該標(biāo)準(zhǔn)每5年左右進(jìn)行一次修訂，至今已修訂10余次，最新版本為2013年版MIL-PRF-17331K（SH）。

21 理化性能及試驗(yàn)方法變化

依據(jù)美軍汽輪機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-17331對(duì)汽輪機(jī)油理化性能的要求及試驗(yàn)方法的變化，分析美軍汽輪機(jī)油規(guī)范的發(fā)展趨勢(shì)，可以了解美軍汽輪機(jī)油的發(fā)展方向。表1為1984年版、2003年版和2013年版MIL-PRF-17331標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)美軍汽輪機(jī)油化學(xué)和物理性質(zhì)的要求及試驗(yàn)方法的對(duì)比情況。在這三個(gè)版本標(biāo)準(zhǔn)中，理化性質(zhì)及試驗(yàn)方法變化主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）試驗(yàn)項(xiàng)目的增減

在2003年版和2013年版中，增加了“空氣釋放值”指標(biāo)，并要求該指標(biāo)“在50 ℃時(shí)不大于20 min”，試驗(yàn)方法采用ASTM D3427。在2003年版和2013年版中，刪減了 “顏色”、“無機(jī)酸酸度”、“碳余量”和“灰分”等指標(biāo)。在2013年版中，刪減了“軸承通用性”、“閥黏結(jié)特性”指標(biāo)。

（2）性能指標(biāo)的變化

水分：在2013年以前采用的ASTM D95方法，性能指標(biāo)要求“無水分”，而在2013年該指標(biāo)的試驗(yàn)方法修改為ASTM D6304，性能指標(biāo)要求變?yōu)椤八植淮笥?01%”。

運(yùn)動(dòng)黏度：在2013年版中，40 ℃（104 ℉）時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度指標(biāo)由以往的74～97 mm2/s，修改為77～97 mm2/s。

抗乳化性：1984年版對(duì)乳化層的表述為“花邊層”，性能指標(biāo)要求為“油層不大于40 mL”；2003年和2013年已將“花邊層”的表述修改為“乳化層”，且性能指標(biāo)要求“油層不大于41 mL”。

抗氧化性：2013年以前，采用“旋轉(zhuǎn)氧彈氧化試驗(yàn)”，指標(biāo)要求為“無限制”，2013年已將該性能試驗(yàn)方法由“旋轉(zhuǎn)氧彈氧化試驗(yàn)”變?yōu)椤靶D(zhuǎn)壓力管氧化試驗(yàn)”，指標(biāo)要求改為“失效時(shí)間不小于200 min”。

承載能力：1984年版試驗(yàn)方法采用ASTM D1947，指標(biāo)要求為“不低于2200 1b/in”；2003年和2013年均采用ASTM D5182，指標(biāo)要求“FZG 不低于9級(jí)”。

（3）試驗(yàn)方法的變化

“硫含量”的試驗(yàn)方法在1984年版中僅有ASTM D129，在2003年及以后的版本中，該指標(biāo)的試驗(yàn)方法增加為ASTM D129，D1522，D2622，D4927，D6443和D6481。

“比重”的試驗(yàn)方法在1984年版中有ASTM D287和D1298，2003年以后該指標(biāo)的試驗(yàn)方法增加為D287，D1298，D4052。

氧化試驗(yàn)中，“總淤渣物”、“總鐵量”和“總銅量”等性能指標(biāo)的測(cè)試方法在1984年版中并沒有標(biāo)出，2003年以后明確為ASTM D4310。

“抗磨性”的試驗(yàn)中，指標(biāo)要求一直為“磨損直徑不大于033 mm”，但試驗(yàn)方法發(fā)生變化，1984年是ASTM D6503，2003年是ASTM D2783，2013年是ASTM D4172。

“清潔度”的試驗(yàn)方法由F313改為ASTM D4898。

22 特殊性能指標(biāo)

在美軍汽輪機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-17331中，存在一些特殊性能指標(biāo)，它們對(duì)汽輪機(jī)油的某些方面提出了特殊要求。這些特殊性能指標(biāo)有的在2013年最新版本中剛剛?cè)コ?，有的還一直保留嚴(yán)格要求。

材料：該指標(biāo)要求汽輪機(jī)油應(yīng)是純凈的石油原料組成的穩(wěn)定、均勻的混合物，如果有必要，可以加入添加劑以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。然而不允許使用添加劑改善基礎(chǔ)油的黏溫特性，但可以加05%以下的添加劑以滿足潤(rùn)滑油的傾點(diǎn)要求。并要求添加劑中不應(yīng)有含氯或鋅元素的物質(zhì)。

軸承適應(yīng)性：該特殊性能指標(biāo)要求汽輪機(jī)油應(yīng)對(duì)設(shè)備的軸承材料無腐蝕性。油品除進(jìn)行銅片腐蝕性試驗(yàn)外，還要專門進(jìn)行軸承適應(yīng)性試驗(yàn)，只有二者的結(jié)果都符合要求，才能被視為對(duì)軸承材料無腐蝕性。

防銹性：該性能要求汽輪機(jī)油要經(jīng)過90 ℃下30 min的攪拌水洗過程，再對(duì)油水分離后的油樣進(jìn)行海水腐蝕試驗(yàn)，時(shí)間24 h。目的是考察汽輪機(jī)油經(jīng)水洗后的防銹性能。

均勻性：該性質(zhì)要求汽輪機(jī)油在使用時(shí)，在傾點(diǎn)溫度以上直至121 ℃（250 ）的所有溫度中，添加劑應(yīng)保持均勻地分布于整個(gè)汽輪機(jī)油中。如果汽輪機(jī)油被冷卻到低于其傾點(diǎn)，當(dāng)溫度回升一經(jīng)達(dá)到汽輪機(jī)油傾點(diǎn)以上6 ℃（10 ）時(shí)，應(yīng)立即回復(fù)其均勻性，直到121 ℃（250 ）都應(yīng)保持其均勻性。

可混性：要求試驗(yàn)油與參考油按1∶[KG-2/3]1混合后的混合物，其氧化（ASTM D943）、腐蝕（海水）、泡沫和乳化試驗(yàn)的結(jié)果均能通過，才能認(rèn)為該汽輪機(jī)油與參考油的可混性好。

毒性：要求汽輪機(jī)油在用于預(yù)定用途時(shí)，對(duì)人體健康不應(yīng)造成有害影響，且廢棄處理時(shí)，不得造成任何環(huán)境問題。

禁用消耗臭氧的物質(zhì)（ODS）和2，6二叔-丁基酚（DTBP）。標(biāo)準(zhǔn)中明確指出“禁止使用消耗臭氧的物質(zhì)作為汽輪機(jī)油的成分”和“禁止在帶有軍用代號(hào)2190和NATO代號(hào)0-250下生產(chǎn)的任何潤(rùn)滑油中添加DTBP，該規(guī)定同時(shí)適用于水面艦艇和潛艇”。

3 艦船汽輪機(jī)油的發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)美軍標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-17331中對(duì)美軍汽輪機(jī)油理化性質(zhì)要求及試驗(yàn)方法的變化，及對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于特殊性能指標(biāo)要求的內(nèi)容分析，艦船汽輪機(jī)油的發(fā)展趨勢(shì)可以歸納為以下幾點(diǎn)：

31 空氣釋放性要求提高

艦船汽輪機(jī)油系統(tǒng)回油部分處于微負(fù)壓狀態(tài)，這就為空氣的進(jìn)入創(chuàng)造了條件。隨同空氣進(jìn)入的灰塵、水分、漂浮的雜質(zhì)易造成油品變差。同時(shí)，進(jìn)入的空氣破壞了介質(zhì)的連續(xù)性和不可壓縮性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成艦船汽輪機(jī)油系統(tǒng)斷油事故。并且，隨著艦船汽輪機(jī)油循環(huán)倍率的提高，艦船汽輪機(jī)油在油箱中的停留時(shí)間縮短。因此，對(duì)艦船汽輪機(jī)油的空氣釋放性提出了更高的要求。MIL-PRF-17331標(biāo)準(zhǔn)在2003年就已增加了“空氣釋放值”指標(biāo)，并且要求50 ℃條件下，不大于20 min。

32 抗泡性要求提高

汽輪機(jī)回油時(shí)對(duì)油箱液面的沖擊以及油泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)油的作用產(chǎn)生的泡沫易使空氣進(jìn)入油中，也易使超聲波液位計(jì)產(chǎn)生虛假液位。因此，汽輪機(jī)油要有優(yōu)良的抗泡沫性。

MIL-PRF-17331標(biāo)準(zhǔn)要求艦船汽輪機(jī)油在泡沫特性試驗(yàn)的3個(gè)程序中，性能指標(biāo)均不大于65 mL（在電力系統(tǒng)，優(yōu)級(jí)品汽輪機(jī)油泡沫特性3個(gè)程序指標(biāo)要求分別為不大于450/100/450，該指標(biāo)來自GB 11120-2011；國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 8068-2006中為450/50/450）。

33 抗磨性要求提高

艦船汽輪機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)高達(dá)數(shù)千轉(zhuǎn)/分，而艦船螺旋槳的轉(zhuǎn)速只有200 r/min左右，轉(zhuǎn)速差較大。這使得在減速過程中，減速齒輪箱內(nèi)的齒輪所承受的載荷較大。汽輪機(jī)油的作用之一就是潤(rùn)滑減速齒輪，因此，抗磨性汽輪機(jī)油是很重要的指標(biāo)之一。在MIL-PRF-17331標(biāo)準(zhǔn)中，D1947試驗(yàn)方法已改為D5182，并提出不低于9級(jí)的要求，試驗(yàn)方法更接近實(shí)際裝備，抗磨性要求更高。

34 氧化安定性、長(zhǎng)壽命要求提高

艦船汽輪機(jī)組工作時(shí)，因軸承摩擦損耗所產(chǎn)生的熱量增大，其前、后軸承的溫度可達(dá)120 ℃，油品老化加快。并且，艦船汽輪機(jī)油運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，易與空氣、蒸汽和金屬接觸發(fā)生氧化反應(yīng)，生成的酸性物質(zhì)和沉淀物易腐蝕零件。如果艦船汽輪機(jī)油的抗氧化性能差，則易產(chǎn)生油泥，造成設(shè)備損壞。同時(shí)，艦船汽輪機(jī)技術(shù)發(fā)展促使機(jī)組檢修周期延長(zhǎng)。因此，要求艦船汽輪機(jī)油具有優(yōu)異的氧化安定性和更長(zhǎng)的使用壽命。

MIL-PRF-17331標(biāo)準(zhǔn)將無限制要求的旋轉(zhuǎn)氧彈氧化試驗(yàn)修改為旋轉(zhuǎn)壓力管氧化試驗(yàn)，并要求失效時(shí)間不小于200 min，可見對(duì)汽輪機(jī)油的氧化安定性和使用壽命均提出了更高的要求。

35 防銹性和防腐蝕性要求提高

如果油品的防銹性能不好，銹蝕產(chǎn)生的固體顆粒物會(huì)引起機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)失靈、機(jī)組振動(dòng)大、過量磨損等不良后果。其次，腐蝕產(chǎn)生的金屬離子，尤其是銅離子會(huì)加速油品的氧化。

MIL-PRF-17331標(biāo)準(zhǔn)在艦船汽輪機(jī)油組成材料中明確禁止使用含有氯或鋅元素的物質(zhì)，并要求艦船汽輪機(jī)油防銹性要通過水洗程序，再進(jìn)行24 h海水腐蝕試驗(yàn)，考察防銹效果。同時(shí)通過“軸承適應(yīng)性”指標(biāo)，嚴(yán)格要求油品的防腐蝕性。多項(xiàng)性能指標(biāo)限制均體現(xiàn)了對(duì)艦船汽輪機(jī)油防銹性和防腐蝕性的極高要求。

36 通用性和環(huán)保要求提高

MIL-PRF-17331標(biāo)準(zhǔn)指出，艦船汽輪機(jī)油不僅用于汽輪機(jī)組的潤(rùn)滑，還用于空氣壓縮機(jī)和潛艇液壓裝置，并對(duì)油品的均勻性和可混性提出明確要求，這都代表著MIL-PRF-17331標(biāo)準(zhǔn)對(duì)艦船汽輪機(jī)油通用性的要求。

MIL-PRF-17331標(biāo)準(zhǔn)還要求艦船汽輪機(jī)油中不能添加有毒性抗磨添加劑。艦船汽輪機(jī)油在機(jī)組工作產(chǎn)生高溫的情況下會(huì)揮發(fā)油氣，由于艦艇空間狹小，油氣會(huì)充滿艙室不易排放。如果油品中加入有毒物質(zhì)，則會(huì)對(duì)船員身體造成傷害，甚至引起非戰(zhàn)斗減員，降低戰(zhàn)斗力。此外，MIL-PRF-17331標(biāo)準(zhǔn)中還指出“艦船汽輪機(jī)油在作為廢油處理時(shí)，不得造成任何環(huán)境問題”?？梢姡陨咸攸c(diǎn)均對(duì)艦船汽輪機(jī)油的環(huán)境保護(hù)性提出更高要求。

4 結(jié)論及啟示

（1）美軍汽輪機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容隨美軍裝備實(shí)際使用情況進(jìn)行不斷地更新和修正，以滿足裝備的作戰(zhàn)使用需求。

（2）美軍汽輪機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)多項(xiàng)理化性能指標(biāo)的要求提高，預(yù)示著汽輪機(jī)油將向著通用化強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、功能多等方向發(fā)展。

（3）美軍對(duì)汽輪機(jī)油的環(huán)境保護(hù)提出了嚴(yán)格要求，汽輪機(jī)油的環(huán)保性能已成為評(píng)價(jià)汽輪機(jī)油使用性能的重要指標(biāo)之一。

隨著科技發(fā)展與使用需求變化，美軍標(biāo)準(zhǔn)對(duì)油品性能指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行必要的修改，減少不必要的性能要求，增加必需的檢測(cè)項(xiàng)目和試驗(yàn)方法，使之更貼近實(shí)際裝備使用情況。美國(guó)的裝備制造業(yè)具有標(biāo)準(zhǔn)化強(qiáng)的特點(diǎn)，從而使美軍裝備配套用油具有通用性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，使其裝備配套用油更易簡(jiǎn)化。裝備配套油品的通用性增強(qiáng)，可以大幅降低油品保障工作量，提高保障效率。

國(guó)內(nèi)裝備制造業(yè)在標(biāo)準(zhǔn)化方面與美國(guó)還存在一定差距，其與潤(rùn)滑油行業(yè)進(jìn)一步加強(qiáng)合作，大力推進(jìn)裝備用油的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，以增強(qiáng)裝備及油品的通用性。

參考文獻(xiàn)：

[1]

孟玉嬋，劉文凱，徐平我國(guó)運(yùn)行汽輪機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J]潤(rùn)滑油，2006（5）：1-9

[2] 楊俊杰，徐平汽輪機(jī)油使用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]潤(rùn)滑油，2007（4）：8-13

[3] 美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-17331K（SH）Performance Specification Lubrication Oil，Steam Turbineand Gear，Moderate Service[S]2013

[4] 美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-17331（H）Performance Specification Lubrication Oil，Steam Turbineand Gear，Moderate Service[S]2003

[5] 美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-17331（J）Performance Specification Lubrication Oil，Steam Turbineand Gear，Moderate Service[S]1984