燃?xì)廨啓C(jī)潤滑油系統(tǒng)的漆膜問題

黃素華，荊 迪，莊 劼，范洪武

(1.上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海 200090；2.上海漕涇熱電有限責(zé)任公司，上海 201507；3.上海羅涇燃機(jī)發(fā)電廠，上海 200949)

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燃?xì)廨啓C(jī)潤滑油系統(tǒng)的漆膜問題

黃素華1，荊 迪2，莊 劼1，范洪武3

(1.上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海 200090；2.上海漕涇熱電有限責(zé)任公司，上海 201507；3.上海羅涇燃機(jī)發(fā)電廠，上海 200949)

介紹了燃?xì)廨啓C(jī)潤滑油系統(tǒng)漆膜的危害，分析了漆膜產(chǎn)生的原因，指出對油的常規(guī)指標(biāo)分析無法了解漆膜的生成趨勢，而通過監(jiān)測在用油的漆化傾向性指數(shù)可以有效掌握漆膜的生成情況。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，平衡靜電凈化和離子電荷藕合(ICB)技術(shù)可以有效防治潤滑油的漆膜問題。

漆膜；燃?xì)廨啓C(jī)；漆膜前驅(qū)物；漆膜傾向指數(shù)

燃?xì)廨啓C(jī)潤滑油在使用過程中，會因各種外部因素如水分、灰塵、空氣以及滑油系統(tǒng)內(nèi)部磨損的金屬顆粒的增加而造成污染，運(yùn)行中的高溫也會造成基礎(chǔ)油揮發(fā)、分解及緩慢氧化，從而使油品性能變差。因此，燃?xì)廨啓C(jī)潤滑油系統(tǒng)運(yùn)行一定時(shí)間后會有油泥和漆膜形成，進(jìn)而影響燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行可靠性和可用率。

1 油系統(tǒng)漆膜的危害

油泥和漆膜是潤滑油緩慢氧化的副產(chǎn)物，是一種高分子聚合物。油泥含有一定的水分，而漆膜更為致密、粘稠、有光澤，在較高的溫度條件下經(jīng)氧化、聚合形成。

近些年，有相當(dāng)一部分燃?xì)廨啓C(jī)受到潤滑油中漆膜的困擾，造成機(jī)組啟動失敗或跳機(jī)。例如，開機(jī)時(shí)進(jìn)氣導(dǎo)葉(IGV)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥芯由于漆膜粘結(jié)，不能按指令要求及時(shí)調(diào)整到位，造成機(jī)組啟動失敗。而隨著采用干式低氮燃燒技術(shù)的燃?xì)廨啓C(jī)增多，這類機(jī)組的氣體燃料系統(tǒng)的閥組動作精度要求更高，一旦閥芯被漆膜粘結(jié)，會導(dǎo)致這些閥門動作延緩，就可能造成跳機(jī)。某電廠一臺GE公司的9FA燃機(jī)就因?yàn)殚y芯漆膜問題，先后造成2次跳機(jī)，該廠為了避免類似事故的再次發(fā)生，后來在檢修期間將全部潤滑油進(jìn)行了更換，給電廠造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失，而跳機(jī)也給電網(wǎng)和熱用戶造成了很大的擾動。

潤滑油中一旦有漆膜形成，危害極大，這已引起工業(yè)界高度關(guān)注。形態(tài)各異的油泥和漆膜會沉積在燃機(jī)油系統(tǒng)的各個(gè)部位，如黑色膠狀物附著在巴氏合金的軸承上，金色的粘膜附著在閥體內(nèi)壁及閥芯上，褐色膠狀物沉積在過濾器上等。油系統(tǒng)漆膜的影響主要表現(xiàn)在以下幾方面。

(1) 減小間隙影響潤滑效果，加快泵、軸承、齒輪的磨損；

(2) 增加組件之間摩擦，導(dǎo)致閥門動作需要更多能量，嚴(yán)重時(shí)造成閥門粘結(jié)或咬死；

(3) 冷卻器上沉積的漆膜導(dǎo)致散熱不良、油溫上升、油品氧化加速；

(4) 導(dǎo)致閥門、過濾器、濾網(wǎng)和節(jié)流孔堵塞；

(5) 漆膜附著堅(jiān)硬顆粒，造成設(shè)備磨損。

燃?xì)廨啓C(jī)隨著運(yùn)行效率及初溫的提高，油系統(tǒng)的工作環(huán)境變得更加惡劣。特別是在很多情況下，燃?xì)廨啓C(jī)潤滑油與液壓油系統(tǒng)是共用儲油箱的，即使在停機(jī)盤車時(shí)還要向各軸承提供高壓頂軸油。隨著干式低碳排放(Dry Low NOx，DLN)燃燒技術(shù)的廣泛采用，這些燃?xì)廨啓C(jī)氣體燃料系統(tǒng)的液壓伺服機(jī)構(gòu)對油系統(tǒng)中的漆膜更加敏感，由此而引起機(jī)組故障或機(jī)組啟動困難等問題。

2 潤滑油中漆膜的形成

漆膜的形成過程如圖1所示。

圖1 漆膜的形成過程

在正常運(yùn)行條件下，燃機(jī)潤滑油會緩慢氧化，從非極性的基礎(chǔ)油中產(chǎn)生極性分子。這些極性分子是產(chǎn)生漆膜的前驅(qū)物，這個(gè)氧化過程是一個(gè)化學(xué)過程，這個(gè)過程是不可逆的。潤滑油一旦暴露于空氣中，這個(gè)氧化過程就開始了，不論該潤滑油是否在使用中。為了減緩油的氧化，潤滑油中都添加有酚型和胺型抗氧化劑。這些抗氧化劑本身也會降解，易形成油泥和漆膜狀沉淀物[1-2]。

與許多化學(xué)過程類似，潤滑油的氧化速度也符合阿累尼烏斯方程，即：當(dāng)溫度每升高10℃，氧化速度增加1倍[3]。基礎(chǔ)油的氧化速度還隨油中水分、空氣、金屬顆粒污染物含量的增加而加快。通常除軸承部位產(chǎn)生熱量溫度較高外，潤滑油儲油箱的運(yùn)行溫度不會超過60℃，但是油的氧化速度不僅是該溫度下的反應(yīng)速度。

局部過熱是加快油品氧化的重要因素。其中一個(gè)造成局部過熱的原因是，當(dāng)液壓油從低壓區(qū)域經(jīng)液壓油泵進(jìn)入高壓區(qū)域時(shí)，油中的氣泡會產(chǎn)生內(nèi)爆，可造成局部超過1 000℃的高溫，給局部油分子的氧化提供了足夠的熱量。另一個(gè)重要原因是火花放電產(chǎn)生局部高熱，當(dāng)潤滑油高速流過濾網(wǎng)時(shí)會產(chǎn)生靜電，而火花放電會釋放能量造成局部高熱，加劇油的氧化、加速抗氧化劑的降解形成漆膜。在很多7FA、9FA燃機(jī)的潤滑油濾網(wǎng)上都發(fā)現(xiàn)了火花放電的痕跡，如圖2所示。這種火花放電的痕跡只有在顯微鏡下才可以觀察到。

圖2 火花放電在濾網(wǎng)上留下的痕跡[1]

潤滑油對這些基礎(chǔ)油的氧化產(chǎn)物(漆膜前驅(qū)物)有一定的溶解力。在潤滑油氧化初期，氧化產(chǎn)物還比較少，能夠完全溶解于潤滑油中。因此，漆膜形成的第一步是潤滑油氧化形成少量能溶解于潤滑油中的氧化產(chǎn)物，這是一個(gè)化學(xué)過程，是產(chǎn)生漆膜的根本。

由于潤滑油對氧化產(chǎn)物的溶解度是有限的，隨著氧化產(chǎn)物的不斷增多，潤滑油對氧化產(chǎn)物的溶解逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)。潤滑油對氧化產(chǎn)物的溶解度受溫度的影響較大，溫度升高時(shí)，溶解度增大，而溫度降低時(shí)，溶解度減小。燃?xì)廨啓C(jī)油系統(tǒng)各個(gè)部位的溫度是不一樣的，當(dāng)溶解氧化產(chǎn)物達(dá)到飽和的潤滑油從溫度較高的地方流到溫度較低的地方時(shí)，就會由于溫度降低，溶解度減小，會有氧化產(chǎn)物析出，形成不溶解的漆膜前驅(qū)物，這是形成漆膜的第二步，漆膜前驅(qū)物的溶解和析出是一個(gè)物理過程。

由于潤滑油系統(tǒng)是連續(xù)不斷有油流過濾網(wǎng)的，而液壓油只有在執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作時(shí)才有液壓油流過濾網(wǎng)，所以潤滑油濾網(wǎng)的火花放電現(xiàn)象要多于液壓油濾網(wǎng)，同時(shí)造成液壓油系統(tǒng)的管道和閥門溫度要低于潤滑油系統(tǒng)。這個(gè)特點(diǎn)會造成潤滑油系統(tǒng)產(chǎn)生的可溶解漆膜前驅(qū)物，到達(dá)溫度較低且少流動的液壓油系統(tǒng)時(shí)析出不可溶解的漆膜前驅(qū)物，所以液壓油系統(tǒng)受漆膜困擾更嚴(yán)重。

漆膜前驅(qū)物一旦析出，就會聚集形成沉淀物，這些沉淀物會優(yōu)先附著到金屬表面，形成漆膜狀沉淀物，這是形成漆膜的第三步，漆膜狀沉淀物的附著和脫落是一個(gè)物理過程。這些漆膜狀沉淀物會引起燃?xì)廨啓C(jī)跳機(jī)和啟動失敗。

因此，漆膜狀沉淀物的形成根本原因是由于油的氧化，形成氧化產(chǎn)物即漆膜前驅(qū)物，這是一個(gè)化學(xué)過程，是不可逆的，有很多因素會影響氧化的速度。但是形成漆膜的第二、三步是物理過程，是可逆的，可以加以控制來抑制漆膜狀沉淀物的生成。

3 潤滑油系統(tǒng)漆膜的監(jiān)測

由于形成漆膜狀沉淀物會嚴(yán)重影響燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行可靠性，勢必要對潤滑油形成漆膜的趨勢進(jìn)行監(jiān)測。實(shí)踐表明，采用油的常規(guī)分析手段，如光譜、水分(D1744)、粘度(ASTM D445)、酸值(D974)、FTIR(Fourier Transform Infrared)、旋轉(zhuǎn)氧蛋(ASTM D2272)、顆粒計(jì)數(shù)等無法有效監(jiān)測潤滑油中漆膜沉淀物的形成情況。

一些燃機(jī)廠商推薦監(jiān)測油泥含量，指出油泥含量警戒值為≥5mg/100mL。然而某9FA燃機(jī)潤滑油的油泥含量僅為1.7mg/100mL時(shí)，液壓油系統(tǒng)就受到漆膜沉淀物的困擾，而造成多次跳機(jī)。傅里葉紅外光譜法FTIR雖然能監(jiān)測到硝化峰的增長，這是熱降解產(chǎn)物的特征峰，與漆膜沉淀物的形成關(guān)系較大，但是該方法不能定量，不能預(yù)測油中漆膜的生產(chǎn)情況[2]。

目前，在國外被廣泛接受的漆膜監(jiān)測方法主要有2種。

(1) 量分光光度分析法(QSA)，是將經(jīng)過室溫放置后的油樣用0.45 m的濾膜過濾，然后對濾膜沉淀物的色度進(jìn)行評估，計(jì)算出漆膜傾向指數(shù)VPR，VPR取值為0～100，小于40是可接受范圍，41～60是需要警戒的范圍，而大于60則應(yīng)立即采取措施避免漆膜沉淀物引起設(shè)備故障。

(2) 膜片比色法(MPC)(ASTM D7843)，該方法與QSA類似，已經(jīng)由ASTM制訂并頒布。在MPC中油樣要與溶劑相混合來加速漆膜前驅(qū)物的沉淀，然后用膜片過濾，膜片顏色越深，則漆膜傾向指數(shù)VPR越高。MPC相對于QSA更簡單，易于在現(xiàn)場實(shí)施。

這兩種監(jiān)測漆膜形成情況的方法，其檢測結(jié)果漆膜傾向指數(shù)VPR明顯受到油樣靜置時(shí)間的影響。一般在油樣取樣后最初72h內(nèi)，油樣靜置時(shí)間越長，檢測出的漆膜傾向指數(shù)VPR值越大，如圖3所示，這表明油樣取樣后在取樣瓶內(nèi)繼續(xù)氧化老化。正是因?yàn)檫@個(gè)原因ASTM的MPC法建議，油樣應(yīng)在加熱到60℃持續(xù)24 h后，在室溫環(huán)境下靜置72 h，然后再檢測其漆膜傾向指數(shù)VPR。ASTM的這個(gè)建議很好的保證了測試結(jié)果的重現(xiàn)性和實(shí)驗(yàn)室間測試結(jié)果的一致性。

圖3 油樣漆膜傾向指數(shù)隨時(shí)間的變化[1]

4 潤滑油系統(tǒng)漆膜的防治

根據(jù)漆膜沉淀物的形成原因，可以采取以下主要措施來進(jìn)行防治。

(1) 選用氧化安定性好的潤滑油，同時(shí)在使用中監(jiān)測抗氧化劑的消耗情況，傅里葉紅外光譜法雖然不能預(yù)測漆膜沉淀物的生產(chǎn)情況，但是可以監(jiān)測油中抗氧化劑的消耗情況。潤滑油的抗氧化能力主要是抗氧化劑的作用，所以油中抗氧化劑的剩余含量很好地代表了其抗氧化能力。

(2) 采取有效措施減少火花放電的可能性，例如可以將一備一用的雙側(cè)濾網(wǎng)同時(shí)投入使用，選用不容易產(chǎn)生靜電的濾網(wǎng)材質(zhì)等。

(3) 根據(jù)漆膜沉淀物成因的第二步，對油系統(tǒng)溫度較低的液壓油管道和閥門進(jìn)行伴熱或保溫，可以有效減緩這些部位產(chǎn)生漆膜沉淀物的速率，減少液壓油系統(tǒng)高精度閥門由于漆膜原因故障的可能性。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)入盤車狀態(tài)時(shí)，IGV的液壓油管道溫度下降近24℃。這也是很多調(diào)峰燃機(jī)出現(xiàn)IGV由于漆膜沉淀物故障導(dǎo)致啟動失敗的重要原因。

國內(nèi)有9FA燃機(jī)電廠對潤滑油系統(tǒng)進(jìn)行改造，將液壓油系統(tǒng)獨(dú)立出來，不再與潤滑油共用儲油箱[4]。這一定程度上能夠改善液壓油的工作環(huán)境，同時(shí)也避免了油從相對高溫的潤滑油系統(tǒng)進(jìn)入相對低溫的液壓油系統(tǒng)，可以減輕液壓油系統(tǒng)產(chǎn)生漆膜沉淀物的風(fēng)險(xiǎn)，有利于提高燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的可靠性。

(4)通過深度過濾技術(shù)、平衡電荷聚集凈化技術(shù)、靜電顆粒油凈化技術(shù)等方法可以將油中硬顆粒及已經(jīng)析出懸浮于油中的漆膜沉淀物去除。其中，平衡電荷聚集凈化技術(shù)是GE公司推薦其燃機(jī)用戶使用的技術(shù)。這些技術(shù)統(tǒng)稱為懸浮顆粒物油凈化技術(shù)，只能除去第二步中產(chǎn)生的不溶解漆膜前驅(qū)物。

由于潤滑油對氧化產(chǎn)物的溶解度隨著溫度的降低而減小，因此只有在燃機(jī)停運(yùn)、油系統(tǒng)處于室溫狀態(tài)時(shí)，才會有較多不溶解的漆膜沉淀物析出，此時(shí)使用懸浮顆粒物油凈化技術(shù)才更為有效。而且油凈化技術(shù)只能去除懸浮顆粒，對于溶解于油中的漆膜前驅(qū)物則不能有效去除。這些溶解于油中的漆膜前驅(qū)物回到油系統(tǒng)溫度較低的區(qū)域后又會析出，然后沉淀到金屬表面形成漆膜沉淀物。因此，雖然使用了這些懸浮顆粒油凈化技術(shù)，但是潤滑油對漆膜前驅(qū)物的溶解一直處于飽和狀態(tài)。隨著氧化產(chǎn)物的不斷生成，懸浮顆粒油凈化系統(tǒng)通常不能同步將其去除。

(5)對于能夠溶解于油中的漆膜前驅(qū)物，可以通過離子電荷藕合技術(shù)(ICB)去除，這是美國EPT公司的專利技術(shù)。ICB過濾器中的離子交換樹脂包含數(shù)以億計(jì)的極點(diǎn)可以吸附溶解于油中的漆膜前驅(qū)物極性分子。正如漆膜前驅(qū)物極性分子傾向于附著到金屬表面一樣，這些極性分子也傾向于吸附到ICB的樹脂上。

采用ICB離子吸附方法去除油中溶解的有害氧化物可以在任意溫度下進(jìn)行，因此這種油清潔裝置可以連續(xù)投入運(yùn)行。通過連續(xù)去除可溶解的漆膜前驅(qū)物，保證了潤滑油中氧化產(chǎn)物不會聚集，消除了燃機(jī)停運(yùn)期間產(chǎn)生漆膜沉淀物的風(fēng)險(xiǎn)。通過連續(xù)去除可溶解的漆膜前驅(qū)物，使得潤滑油始終處于非飽和狀態(tài)，保持著對氧化產(chǎn)物極高的溶解度。由于產(chǎn)生不溶解的漆膜前驅(qū)物及其沉淀物的物理過程是可逆的，這些沉淀物與經(jīng)ICB處理過的非飽和狀態(tài)潤滑油接觸，可以迫使這些已經(jīng)沉積到金屬表面的漆膜沉淀物重新溶解到潤滑油中，然后又被ICB中樹脂吸附除去。隨著ICB清潔過程的連續(xù)不斷進(jìn)行，油中的氧化產(chǎn)物慢慢的都會被除去，有效防止了漆膜的形成。

對于應(yīng)用ICB離子吸附法防止漆膜形成的系統(tǒng)，通過對其漆膜傾向指數(shù)VPR的連續(xù)監(jiān)測，可以發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的推移，存在兩個(gè)明顯的階段。首先是“復(fù)原/清潔”階段，在剛開始使用ICB離子吸附的幾個(gè)月，由于原先形成的漆膜沉淀物會重新溶解到潤滑油中，造成VPR明顯的上下波動。但是隨著油中溶解的漆膜前驅(qū)物不斷被除去，原先形成的漆膜沉淀物慢慢消失。然后就進(jìn)入“穩(wěn)定”階段，VPR趨于穩(wěn)定，大約為10。在該階段，油中含有極少量的氧化產(chǎn)物即漆膜前驅(qū)物，并對氧化產(chǎn)物保持較高的溶解度。在這種狀態(tài)下，油即使從高溫區(qū)進(jìn)入低溫區(qū)時(shí)，也不會有漆膜沉淀物析出。

5 結(jié)語

燃?xì)廨啓C(jī)油系統(tǒng)的漆膜問題會給機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行帶來安全隱患。近年來，大量燃機(jī)采用了DLN燃燒技術(shù)，其液壓油系統(tǒng)對漆膜問題更加敏感。因此，有必要加強(qiáng)對油系統(tǒng)漆膜形成情況的監(jiān)測和防治。漆膜傾向指數(shù)VPR是了解漆膜生成情況的關(guān)鍵指標(biāo)，而平衡電荷聚集、離子電荷藕合等技術(shù)可以有效防治漆膜問題。

[1] [1]Livingstone G J,Prescott J,Wooton D.Detecting and solving lube oil varnish problems[J]. Power,2007，151(8):74.

[2] 益梅蓉.燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生漆膜的原因及解決方案[J].石油商技,2009,27(1):42-45.

[3] 周文新.工業(yè)潤滑油應(yīng)用中的漆膜問題[J].設(shè)備管理與維修,2007(8):40-41.

[4] 邵璀榮.S209FA燃?xì)廨啓C(jī)潤滑油系統(tǒng)改造[J].浙江電力,2014,33(4):42-44.

SHAO Cuirong. Transformation of lubricating oil system of s209fa gas turbine[J].Zhejiang Electric Power, 2014, 33(4): 42-44.

(本文編輯：趙艷粉)

Varnish Problems of Gas Turbine Lubrication Oil System

HUANG Su-hua1, JING Di2, ZHUANG Jie1, FAN Hong-wu3

(1. Shanghai Minghua Power Technology Engineering Co., Ltd., Shanghai 200090, China；2. Shanghai Caojing Cogeneration Co., Ltd., Shanghai 201507, China；3. Shanghai Luojing Gas Turbine Power Plant，Shanghai 200949, China)

This paper introduces the harms of varnish of gas turbine lubricating oil system, and analyzes the causes of varnish formation. The current oil analysis testing is uneffective to predict the formation trend of varnish. Monitoring the varnish potential rating (VPR) of the oil in service can effectively help to master the formation of varnish. Practical experience indicates that the balanced charge agglomeration purification and ion charge bonding(ICB) technology can effectively prevent lubricating oil from varnishing.

varnish; gas turbine; varnish precursors; sludge; varnish potential rating (VPR)

10.11973/dlyny201605022

黃素華(1970)，男 ，高級工程師，從事電廠節(jié)能及熱能動力試驗(yàn)研究工作。

TK479.11

A

2095-1256(2016)05-0628-04

2016-05-26