汽輪機中的潤滑油分析

汽輪機油要經受廣泛的條件-高溫，夾帶的空氣，濕氣，灰塵和碎屑污染，與不同機油的無意混合等。這些條件會降低烴類基礎油的完整性并消耗添加劑化學物質，導致不可逆的分子變化。渦輪機應用中有兩種主要的降解機理-氧化降解和熱降解。

氧化是一種化學過程，其中氧與油分子反應形成許多不同的化學產物，例如羧酸。發生這種情況的速度取決于許多因素。溫度可能是zui關鍵的溫度，因為每升高10攝氏度，氧化速率就會加倍。高于此溫度的溫度受油的氧化穩定性以及催化劑和助氧化劑條件（例如水）的存在的影響，空氣，某些金屬，流體攪動和壓力。

熱降解是油分子受熱（高溫）分解，形成不溶性化合物，通常被稱為軟污染物。通常，由于微柴油，靜電火花放電和熱點而發生熱降解。微柴油是內燃氣泡的燃燒，產生絕熱的壓縮熱（通常超過1000攝氏度以上的溫度）。

靜電火花放電是由內部分子摩擦產生的，該內部分子摩擦產生高壓電荷，例如油以高流速通過非常緊密的間隙，從而產生超過10,000攝氏度的溫度。

隨著時間的流逝，很明顯，不同基礎油料類別的氧化性能*不同。II類汽輪機油的高天然抗氧化性與所用的特定抗氧化劑（通常基于酚和胺化合物）相結合，就其分子隨時間的降解而言提供了非線性行為。

結果，隨著潤滑劑開始降解并產生系統沉積物，大多數標準油分析測試幾乎沒有提供警告。許多現代渦輪機油不會以線性和可預測的方式發生降解，而是迅速失效。

由于添加劑耗盡和不溶性微粒的發展而導致的油分子結構變化是影響設備性能的*油降解條件。順序過程將是污泥和清漆的形成，這在渦輪發電機中很常見。

除了這些氧化和熱降解副產物是導致渦輪機上清漆和沉積物問題發展的主要因素外，它們還會干擾蒸汽輪機潤滑劑中的其他重要性能，例如破乳性和空氣的流失。因此，執行適當的診斷分析以檢測關鍵和敏感潤滑系統中的這些條件至關重要。

不同基礎油的降解趨勢

鐵譜分析

鐵譜技術是一種通過對代表性潤滑劑樣品進行分析來提供有關機械磨損發展的有價值信息的技術。它是由弗農·韋斯科特（Vernon Westcott）于1970年代在美國海jun開發的一種狀態監測技術，已被數百名用戶應用到各種潤滑系統中。

分析鐵譜沉積圖案

鐵磁成像的潛力不僅限于預測性維護策略。它對摩擦學研究的重要貢獻，是通過幫助人們更好地了解磨損機理和接觸表面上的潤滑劑作用，使這項多功能技術成為評估機器健康狀況的zui*的診斷工具之一，可提供有關過去的寶貴信息，機器潤滑部件的當前和將來狀況。

測試過程冗長，并且需要訓練有素的分析師的技能。因此，執行分析鐵成像需要大量成本，而其他油分析測試則沒有。但是，如果花時間來充分了解分析性鐵素體學發現的內容，則大多數人都認為收益大大超過了成本，并在遇到異常磨損時選擇自動合并。

在分析鐵譜中，懸浮在潤滑劑樣品中的固體殘渣被分離，并在穿過雙極磁場時*沉積在載玻片上。

當樣品流完成時，溶劑“洗滌”循環將去除殘留在基材上的所有潤滑劑，形成“鐵譜圖”，其中所有粒子均按尺寸排列并yong久附著在載玻片上，以便使用生物彩色顯微鏡進行光學分析。然后檢查顆粒，并按尺寸，形狀，濃度和冶金學分類。磨損顆粒攜帶的該信息對于識別磨損模式和機理是有價值的。

汽輪機監控

該案例研究是關于當地纖維素工業工廠的蒸汽渦輪發電機中潤滑劑狀態的監測。該渦輪機是26 MW的Siemens G 800-2。它已經使用了22年，可以連續工作，其潤滑油儲藏室可容納8,500升ISO VG 46油，以潤滑和冷卻軸承，齒輪和油軸密封件，并用作調速器和蒸汽的液壓介質控制閥。

自1988年*運行以來，該渦輪機使用的是溶劑精煉基礎油（I組）。但是，由于制造商的升級，該油在2002年被加氫裂化基礎油（第二類）所替代。與此同時，添加了約6,000升補充液，并定期注滿了一些油，循環液是這兩種基礎油的混合物。

渦輪發電機正在運行并正常運行，并且未記錄到潤滑組件出現異常功能的情況。然而，通過定期分析渦輪機油可以確保對機油狀況的密切監控。

纖維素工業工廠的蒸汽渦輪發電機

渦輪機油分析

每季度應用一次潤滑劑分析程序，從儲油罐中抽取兩個樣本，并將其發送到獨立的實驗室。其中一個實驗室用來評估渦輪機油狀況的標準方法是：

• 40攝氏度時的運動粘度（ASTM D445）
• Karl Fisher的水（ASTM D6304）
• 不溶性微粒（ASTM D4898）
• 酸值（ASTM D664）
• 中和數（ASTM D974）
• 元素光譜法（ASTM D5185）
• 防銹（ASTM D665-A）
• 破乳性（IP 19）
• 泡沫（ASTM D892）
• 閃點（ASTM D92）
• 放氣（DIN 51636）
• 清潔度規范（ISO 4406）
• 線性掃描伏安法（LSV）（ASTM D6971）

同時，在另一個實驗室中，連同其他技術一起進行了鐵譜和傅立葉變換紅外（FTIR）分析。這些分析不僅可以對機油狀況而且可以對渦輪磨損率狀況進行補充診斷。

在本案例研究中，在獲得的所有標準測試結果中，顯示出流體降解跡象的那些是破乳性，空氣釋放，顆粒數和LSV。如上表所示，在一段時間內，油的粘度和酸值在該范圍內。水污染和泡沫傾向保持較低。但是，在整個評估期間，顆粒污染都很高，某些樣品中的酚含量降至臨界以下，并且反乳化性也受到很大影響。

油降解中的順序事件zui終導致抗氧化劑添加劑的消耗。胺/酚類抗氧化劑混合物可作為復雜系統啟動。胺類抑制劑起到中和引起油氧化的自由基的作用，但隨后被酚類物質再生，這是一個很好的自由基陷阱。

當酚含量降至臨界水平以下時，機油有迅速降解的危險，導致形成軟污染物和清漆。軟污染物的大小通常小于2微米，無法通過標準機械過濾除去。它們本質上是不溶和極性的，并且在非極性油環境（例如加氫裂化基礎油（II類））中不穩定。

標準機油測試的分析結果表明，一段時間內機油粘度和酸值均在此范圍內。

獲得的高ISO編碼，主要是小顆粒（小于4微米），可能與這種渦輪機油降解過程有關。極性污染物的存在也損害了抗乳化性。

對于潤滑渦輪發電機軸承，相對于油中顆粒的清潔度至關重要。因此，根據OEM建議（ISO 18/16/12），通過定期的在線機油凈化（24小時過濾）采取了積極行動，以實現系統清潔。但是，在該渦輪機的運行過程中，始終如一地驗證了ISO代碼的迅速提高。

同期完成的鐵素體分析發現了有關油中固體污染的有價值的信息。在所有鐵譜圖中，觀察到由于油的熱降解和添加劑消耗而導致的軟污染物的存在。

此信息對于確定在顆粒計數中獲得持續高ISO代碼的原因至關重要。盡管軟顆粒在磨損方面無害，但有助于形成表面沉積物，這是通過鐵譜法檢測得出的。

圖1顯示了在白/綠光和偏振照明下觀察到的沉積在鐵磁圖上的這些顆粒的兩張顯微照片。偏振光可以通過反射的光的亮度來識別非金屬顆粒（例如，晶體和非晶材料）。請注意，其中一些顆粒顯示出褐色圖案。

圖1.這兩個顯微照片顯示了渦輪機油的晶體污染物（放大1000倍）。

圖2的鐵磁圖中的粒子尺寸很小，由于極性，它們很容易沿鐵磁儀的磁場排列。這些顆粒具有形成附聚物的趨勢，該附聚物在被油過度應力時會通過分子聚合形成大的凝聚結構。

圖2.
在鐵磁圖中對準磁場的粒子

清漆的堆積似乎是這種物理化學過程的結果，可以通過在不同油樣中獲得的圖3的顯微照片來實現。

所有這些類型的微粒都具有極性親和力和高分子量，并且傾向于作為粘性物質吸附在偶極金屬表面上，當它們在系統中流動時，它們又捕獲了硬污染物。它們能夠關閉渦輪機或造成嚴重損壞，這通常與軸承和伺服應用有關。

監測油狀況的另一種技術是FTIR，該技術用于測量有機分子成分，監測添加劑的消耗（抗氧化劑）和識別有機降解副產物（氧化）。

監測廢潤滑油中特定抗氧化劑消耗的方法仍被認為是一個相對較新的研究領域。但是，一些研究表明，抗氧化劑的消耗速率與潤滑劑的降解有關，或受用于生產潤滑劑的抗氧化劑混合物或基礎油類型的影響。

廢油樣品是不同化學物質的復雜混合物，包括由基礎油及其添加劑的配方以及油降解產物和污染物衍生的化合物。結果，所使用的油光譜是復雜的，并且實質上是構成樣品的所有單個化合物的光譜的凈和。

實際上，由于這種復雜性，僅用過的油頻譜就具有有限的價值，必須將其與未使用的油頻譜進行比較以具有重要的分析價值。

圖4顯示了新舊渦輪機油的透射光譜快照。黑色光譜是新油（新基礎油– II組）的光譜，紅色光譜是在用混合油的光譜，仍占I組基礎油的一小部分。然而，光譜顯示相同的官能團。

在分析光譜疊加圖時，您可以清楚地看到氧化峰中的相對分子變化，以及通過硝化跡象使油熱降解。在表征酚類抗氧化劑的地方觀察到另一種分子變化。在使用過的油譜中檢測到的分解類型通常在發生熱擊穿的流體的FTIR分析中觀察到。

圖3.不同樣品中渦輪機油顆粒的鐵磁顯微照片（放大1000倍）

圖4.新舊渦輪機油的透射率/波數（cm-1）的FTIR光譜

篩選器分析

靜電產生的火花是渦輪發電機過濾系統中非常常見的事件。當油流過諸如過濾器介質之類的小間隙時，會出現分子摩擦現象。

由于機油和過濾介質都是電介質，因此會累積電能直至達到極限，然后在潤滑系統中向地面釋放火花。這些電弧可能具有*的局部溫度（大約20,000攝氏度），從而立即使烴分子破裂。

圖5.渦輪發電機
和濾網堵塞的過濾器，帶有黑色和棕色的
光澤殘留物（放大200倍）

由于在濾清器和其他位置產生的火花放電是造成清漆的關鍵根源，并且先前的某些油分析結果證實（通過添加劑消耗和高顆粒數），因此拆卸了一種雙聯濾清器并通過光學顯微鏡。

通過對過濾介質，過濾芯，過濾網和從過濾器帶走的碎屑進行微觀檢查，可以很容易地看到放電跡象。

圖5顯示了由于堵塞的過濾器警報而在定期維護操作中更換的堵塞的過濾器之一，并帶有過濾網的微觀視圖?？梢钥闯?，黑色和棕色的光澤沉積物（淤泥和清漆）以高濃度存在，堵塞了濾網。

收集用于清潔濾網的溶劑，并將其用于制備鐵譜圖，在其中識別出大量的鐵質球形磨損顆粒（圖6和7）。球形鐵屑的一種來源是由放電激活的腐蝕磨損。

鋼表面火花產生的高溫使鋼屑液化，由于在表面張力的作用下快速冷卻，鋼屑變成球形。

過濾器芯表面的微觀分析顯示，金屬表面上的高溫火花放電留下了幾個小的圓形燃燒孔。

總之，渦輪機油必須得到良好維護，以延長其使用壽命并同時提供zui大的渦輪機性能。但是，zui近渦輪機油配方的升級引起了一些爭議。較早的分析技術不再是能夠監視它們曾經存在的真實狀況的預測工具。

圖6.顯微照片顯示高濃度的鐵球（放大1000倍）對磁場的影響

圖7.表面過濾器芯上小燒孔的顯微照片（放大200倍和1,000倍）

軟污染物的產生和存在是實際渦輪機油降解過程的主要后果。可能有四個原因：

• 與老式基礎油（第I組）不同，當前使用的基礎油類型（第II組）不會將清漆前體保持懸浮狀態。這些不溶性顆?？赡苄纬沙练e物。
• I組和II組渦輪機油具有明顯不同的氧化性能和失效機理。
• 抗氧化劑沉淀，因為它們是生成不溶性微粒的優先氧化物。
• 新一代消泡劑的有效空氣釋放特性較低，并且這些小氣泡被絕熱壓縮，導致清漆出現。

在此案例研究中，我們認識到只有以下用于監視渦輪機油狀況的技術才能有效地預測與清漆和油泥產生有關的重大問題：

• 顆粒計數（ISO代碼）在監控顆粒污染方面很有效。盡管事實上大多數粒子計數器對極性粒子的小尺寸（小于2微米）不敏感。其效率的原因是，顆粒傾向于形成附聚物，增加了顆粒的尺寸，因此允許顆粒計數來檢測它們。
• 油的抗乳化性是評估的關鍵特性，因為它會受到極性顆粒的影響。這種性質的改變可能是顆粒污染的信號。
• LSV技術和FTIR都已被認為是監測現代渦輪機油狀況的重要技術。他們有效地監控了抗氧化劑包裝的狀況和軟污染物的產生。
• 鐵磁性分析法在檢測軟污染物及其性質方面很有效。在一名熟練的分析人員手中，分析型鐵譜分析技術是識別與汽輪機油相關的問題的有力技術，它基于不溶性顆粒的形態和特征提供根本原因，并監控清漆形成的機理。