抗燃油泡沫特性超標原因分析及處理措施

劉 俊，劉海元

（廣州機械科學研究院有限公司 工業(yè)摩擦潤滑技術國家地方聯(lián)合工程研究中心，廣東廣州 510535）

0 引言

抗燃油是大型汽輪機調(diào)速系統(tǒng)用油，廣泛用于各類以蒸汽透平發(fā)電的電廠，如各類火電廠、核電站。目前常用的抗燃油類型為磷酸酯型抗燃油，由于抗燃油使用在高溫、高壓條件下，加上磷酸酯抗燃油本身的特性，在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)抗燃油酸值、體積電阻率、泡沫特性等指標超標問題。但在泡沫特性指標超標問題上，現(xiàn)場在應對措施上經(jīng)常沒找對方向，如發(fā)現(xiàn)泡沫特性超標就想到添加抗泡劑，這種做法往往效果不理想，甚至還會帶來其他的“副作用”。下面以某大型燃煤火電廠抗燃油泡沫特性出現(xiàn)超標為例，分析其泡沫特性超標的原因及解決措施。

1 故障現(xiàn)象

某大型燃煤火電廠（4×600 MW）4 號機調(diào)速系統(tǒng)，使用牌號為科聚亞Turbofluid 46SJ 磷酸酯的抗燃油，在2017 年3 月的日常檢測中發(fā)現(xiàn)泡沫特性指標出現(xiàn)輕微超標，一個月后再次取樣檢測發(fā)現(xiàn)泡沫特性指標升高趨勢很明顯（表1）。

表1 相關檢測指標數(shù)據(jù)

需要注意的是，抗燃油泡沫特性檢測超標并未引起現(xiàn)場系統(tǒng)相關故障特征，如壓力波動、油箱出現(xiàn)大量泡沫等，僅表現(xiàn)在檢測數(shù)據(jù)的異常。

2 原因分析

2.1 油品泡沫特性

油品泡沫特性由泡沫傾向性和泡沫穩(wěn)定性這兩個檢測指標體現(xiàn)：前者是油品生成泡沫的傾向，檢測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，在一定時間內(nèi)泡沫能否消解的能力，檢測值越小代表油品泡沫穩(wěn)定性越好，油中生成的泡沫越容易在短時間內(nèi)消去[1]。

以檢測數(shù)據(jù)“180/0”為例，“180”代表泡沫傾向性，“0”代表泡沫穩(wěn)定性。通常在泡沫特性檢測指標中，需要確保的底線是數(shù)字泡沫穩(wěn)定性不超標，這樣即使數(shù)字泡沫傾向性超標，油品也具備在生成泡沫后快速消去的能力，對實際使用影響仍然可控。

2.2 油品泡沫特性相關機理

2.2.1 潤滑方式帶來的泡沫問題

油品生成泡沫是因為油中有空氣，因而空氣可以看作泡沫產(chǎn)生的源頭。而有的潤滑方式注定會往油中不停帶入空氣，如齒輪飛濺潤滑，在齒輪與潤滑油的攪拌接觸中會不停地將空氣帶入潤滑油中，從而引起油中不停地生成泡沫。但是這種泡沫生成是不可避免的，不代表油品性能有問題，只要油品具備良好的消泡性能，對實際使用效果影響不大。

類似的情況還有油箱高處回油口。例如，有些循環(huán)潤滑系統(tǒng)的油箱回油管末端離油箱液面還有一段距離，這樣回油管中的油沖擊流入油箱中時也會帶入空氣、導致泡沫生成。這種情況需要避免油箱回油口離進油口過近，因為油品即使具備合格的消泡性能，泡沫生成后也需要一定的時間才能消去，而如果回油口距離進油口很近就會導致生成的泡沫還來不及消去就被吸入了進油口、給實際使用帶來影響。一個小的技巧就是在油箱回油口和進油口之間設置一塊擋板，讓從回油口回來的油需要經(jīng)過一段路程的“奔襲”后才到達進油口，讓油中的泡沫有足夠的時間消解。

2.2.2 抗泡劑消耗帶來的泡沫問題

潤滑油中添加有各類添加劑，而有些添加劑屬表面活性劑，這會帶來油品泡沫傾向性高；此外，很多使用場合要求潤滑油具備良好的消泡性能，如齒輪飛濺潤滑、油箱高處回油口等，這就要求潤滑油具備消泡屬性，因而常見的各類成品潤滑油中都添加有一定量的抗泡添加劑，如工業(yè)齒輪油、液壓油、渦輪機油等。目前常用的抗泡劑類型有三大類，分別是有機硅聚合物（T901）、非有機硅聚合物（T911）、復合抗泡劑（T921）?？古輨┳饔脵C理有兩個：一方面增加油品表面張力，從而降低油品生成泡沫的傾向；另一方面具有降低泡沫表面膜強度及韌性的性能，從而使得生成的泡沫容易消解[6]。

油品在使用過程中會不停地消耗抗泡劑，當抗泡劑消耗殆盡時油品也就沒有了原來的泡沫特性。因而，有部分油品的泡沫特性會隨著抗泡添加劑的消耗而逐漸變差，但這種情況導致的油品泡沫特性不合格并不能通過簡單的向運行油中添加抗泡劑來解決。因為一方面越來越多的添加劑屬復合型添加劑，成品潤滑油講究的是各類添加劑和基礎油的合理配比、性能的均衡，而單獨添加某一添加劑可能帶來潤滑油某一性能提升，而其他性能下降的風險；另一方面，不同類型抗泡劑對加入方法敏感度不一樣，有的敏感度很高，現(xiàn)場添加很難達到要求，因而會出現(xiàn)添加抗泡劑效果不理想的情況。

2.2.3 油品污染帶來的泡沫問題

在導致油品泡沫特性異常的原因中，污染是非常關鍵卻經(jīng)常被忽視的一個，污染導致抗燃油泡沫特性超標的情況非常常見。污染導致油品泡沫特性異常的相關理論是“表面張力理論”。該理論認為潤滑油的起泡能力與油液表面張力密切相關，從能量觀點考察，油液表面張力低對泡沫形成有利，因為生成一定總表面積的泡沫需要做的功（表面功）較少；而在油液表面張力較大情況下需要做較多的功，不利于泡沫的形成。因此，增加油液與空氣界面的表面張力能夠降低潤滑油起泡的傾向。而油液表面張力與油液清潔度狀況密切相關，因為大部分污染物屬于表面活性物質(zhì)，它們易富集于氣液界面，其非極性基團伸向氣泡內(nèi)、極性基團指向液體，形成單分子層膜，這種膜能夠降低界面的張力而使起泡處于較穩(wěn)定的熱力學狀態(tài)。污染會引起液體易起泡比較直觀的例子是純物質(zhì)（如純凈水）是不易起泡的[6]。

2.3 抗燃油泡沫特性超標原因分析

根據(jù)該電廠抗燃油兩次取樣檢測數(shù)據(jù)，結合油品泡沫特性生成機理，判斷導致抗燃油泡沫特性超標的原因是污染，主要是抗燃油自身劣化變質(zhì)產(chǎn)物的污染，原因如下。

2.3.1 酸值等指標出現(xiàn)同步劣化趨勢

抗燃油酸值指標衡量的是油品劣化變質(zhì)的程度，由于抗燃油的運行溫度較高，除去外界污染可能帶來的油品劣化變質(zhì)，其自身氧化變質(zhì)產(chǎn)生的影響占據(jù)更大比重。從表1 可以看出，酸值兩次檢測數(shù)據(jù)分別為0.15 mgKOH/g、0.16 mgKOH/g，根據(jù)DL/T 571—2014《電廠用磷酸酯抗燃油運行維護導則》中對酸值指標的控制值為≤0.15 mgKOH/g，酸值兩次檢測值處于臨界值，有持續(xù)升高趨勢。根據(jù)抗燃油酸值指標的變化規(guī)律，當酸值處于0.1 mgKOH/g 以下時，其升高趨勢會比較緩慢；當酸值達到0.1 mgKOH/g 以上時，其升高趨勢會明顯加快[5]。這背后其實是量變到質(zhì)變的過程，任其發(fā)展下去，該油品的酸值指標還會繼續(xù)快速升高。從酸值與泡沫特性指標的兩次檢測值比較中可看出，酸值與泡沫特性呈現(xiàn)出同步超標升高的趨勢，因而有理由推斷酸值與泡沫特性指標間存在關聯(lián)，其背后機理很可能是抗燃油自身劣化變質(zhì)產(chǎn)物累積使酸值升高，而這些劣化變質(zhì)產(chǎn)物又會降低油液表面張力，使油品泡沫傾向性升高。

此外，體積電阻率指標檢測值也支持這一推斷。體積電阻率衡量的是抗燃油絕緣的程度，也是間接體現(xiàn)抗燃油中各類污染物濃度的指標[7]。從這兩次檢測數(shù)據(jù)看，體積電阻率指標有降低的趨勢，雖然沒有超標，但其值相對偏小，這表明抗燃油的絕緣程度在下降，油中的各類污染物在增加。

2.3.2 污染度等級未超標

雖然從酸值、體積電阻率、泡沫特性等指標超標推斷抗燃油中污染物濃度高，但污染度等級指標并未超標，兩次檢測值都是5 級、屬于較理想值。對此的合理解釋是，污染度等級指標檢測的顆粒尺寸范圍為≥6 μm（按照AS 4059 標準），而抗燃油自身氧化變質(zhì)產(chǎn)物的顆粒尺寸范圍通常在亞微米級（＜1 μm），不在污染度等級指標檢測范圍內(nèi)，因而不能通過污染度等級指標很好的指示抗燃油清潔度狀況。

對本案例中抗燃油泡沫特性超標的路徑分析如圖1 所示。

圖1 抗燃油泡沫特性超標路徑分析

3 處理措施

根據(jù)對抗燃油泡沫特性超標的原因分析，建議現(xiàn)場采用精密過濾設備對抗燃油開展濾油作業(yè)，濾除抗燃油中微小的劣化變質(zhì)產(chǎn)物?，F(xiàn)場按照建議采購了某廠家生成的KZTZ 型濾油機對抗燃油進行過濾，經(jīng)過兩天的過濾，取得了明顯的效果，首先表現(xiàn)在油品的外觀上就有了很大改變，過濾前抗燃油呈黑色、過濾后呈透明黃色。更重要的是，抗燃油的各項性能指標有了明顯改善（表2）：泡沫特性指標大幅下降至合格范圍內(nèi)，表明油品表面張力提高；酸值指標大幅下降至0.1 mgKOH/g 以下，表明油中劣化變質(zhì)產(chǎn)物濃度大幅下降；體積電阻率明顯升高，表明抗燃油的絕緣程度在提高包括泡沫特性指標。這些指標的變化情況符合前面的理論分析，進一步印證了抗燃油泡沫特性超標的原因是油品劣化變質(zhì)的產(chǎn)物污染所致。

表2 抗燃油過濾前后指標變化

4 結論及建議

抗燃油泡沫特性出現(xiàn)超標，尤其是只有泡沫傾向值偏高，并伴有酸值偏高、電阻率偏低的情況，往往是由于抗燃油自身劣化變質(zhì)產(chǎn)物污染所致，這時往抗燃油中加入抗泡劑往往起不到理想的效果。正確做法是采用高精密過濾設備濾除油中的微小污染顆粒物，泡沫特性、酸值等指標自然會恢復正常。

圖2 抗燃油過濾前后