从美军汽轮机油标准变化看舰船汽轮机油发展趋势

王建华++张博

摘要： 文章通过对30年内不同时期发行3个版本的美军汽轮机油标准《汽轮机和齿轮润滑油性能规范》（MIL-PRF-17331）内容的解读，对比研究了美军舰船汽轮机油标准内容演变与发展趋势，具体分析了理化性能及试验方法、特定指标、汽轮机油发展要求等三个方面的内容，提出了对我国汽轮机油发展变化的启示。研究结果表明，美军汽轮机油标准的项目增减是与装备机械技术与油品技术水平紧密相关的，对理化性能的要求与军用特点紧密结合，对通用性与环保要求提出了更高的要求。

关键词： 美军标准；汽轮机油；理化性能；发展趋势

0 引言

我国蒸汽轮机制造技术的发展进步对汽轮机油提出了更高的要求。美军舰船汽轮机油质量与通用化水平都较高，其评定技术和方法也代表了当今世界舰船汽轮机油的最高发展水平。分析美军汽轮机油标准近30年的变化，了解美军汽轮机油的发展趋势，可对我国汽轮机油今后发展方向提供有益的参考。

1 汽轮机油的主要用途

美军汽轮机油标准为MIL-PRF-17331《汽轮机和齿轮润滑油性能规范》，该标准明确指出，汽轮机油用于美国海军采用核动力装置的航母和战略核潜艇上，使用部位涉及汽轮机组、齿轮传动装置、空气压缩机和潜艇液压装置，起到对汽轮机组的支撑轴承、主轴承、推力轴承和减速器齿轮等运动机构的润滑、散热与冷却作用，并在调速系统中，作为液压介质，传递压力，参与调速系统工作。

11 润滑与冷却作用

舰船汽轮机的转速较高，一般转速达3000～5000 r/min，摩擦产生热量较大，蒸汽温度高达300～420 ℃以上。尽管汽轮机轴承材料采用耐磨性好的巴氏合金，但其耐温性差（轴承温度必须保持在70 ℃以下）[1-2]。为解决既要保证润滑又不因温度过高而烧毁轴承的矛盾，必须连续不断地使汽轮机油循环充满在轴颈和轴瓦之间，继而形成弹性流体润滑，保证汽轮机组的正常运行。

又由于舰船汽轮机转子与螺旋桨之间的转速差较大，需要通过减速齿轮箱减速的方式，达到汽轮机带动螺旋桨转动的目的，由此也带来了减速齿轮齿面负荷较高的问题。如果润滑油黏度较小，则不利于它在齿面形成稳定油膜。为解决这一问题，利用润滑油黏度随温度而变化的规律，将汽轮机油通过冷却器的两次冷却，温度下降到35 ℃，使油黏度适合形成稳定油膜，以保证减速齿轮的润滑。

12 调速作用

汽轮机组的调速装置，也必须用汽轮机油作为液压传动，控制其调速气门。用于汽轮机调速系统的汽轮机油，作为液压介质，能传递压力，通过调速系统对汽轮机组的运行起到了调速作用。

2 军舰船汽轮机油标准演变

MIL-PRF-17331[3-5]标准不仅规定了舰船汽轮机油常规理化性能指标的评定方法，还对舰船汽轮机油的防锈蚀性、润滑性能、抗乳化性能、空气释放性、轴承适应性、油品均匀性及阀黏结特性规定了专门试验方法。该标准每5年左右进行一次修订，至今已修订10余次，最新版本为2013年版MIL-PRF-17331K（SH）。

21 理化性能及试验方法变化

依据美军汽轮机油标准MIL-PRF-17331对汽轮机油理化性能的要求及试验方法的变化，分析美军汽轮机油规范的发展趋势，可以了解美军汽轮机油的发展方向。表1为1984年版、2003年版和2013年版MIL-PRF-17331标准中对美军汽轮机油化学和物理性质的要求及试验方法的对比情况。在这三个版本标准中，理化性质及试验方法变化主要体现在以下3个方面：

（1）试验项目的增减

在2003年版和2013年版中，增加了“空气释放值”指标，并要求该指标“在50 ℃时不大于20 min”，试验方法采用ASTM D3427。在2003年版和2013年版中，删减了 “颜色”、“无机酸酸度”、“碳余量”和“灰分”等指标。在2013年版中，删减了“轴承通用性”、“阀黏结特性”指标。

（2）性能指标的变化

水分：在2013年以前采用的ASTM D95方法，性能指标要求“无水分”，而在2013年该指标的试验方法修改为ASTM D6304，性能指标要求变为“水分不大于001%”。

运动黏度：在2013年版中，40 ℃（104 ℉）时的运动黏度指标由以往的74～97 mm2/s，修改为77～97 mm2/s。

抗乳化性：1984年版对乳化层的表述为“花边层”，性能指标要求为“油层不大于40 mL”；2003年和2013年已将“花边层”的表述修改为“乳化层”，且性能指标要求“油层不大于41 mL”。

抗氧化性：2013年以前，采用“旋转氧弹氧化试验”，指标要求为“无限制”，2013年已将该性能试验方法由“旋转氧弹氧化试验”变为“旋转压力管氧化试验”，指标要求改为“失效时间不小于200 min”。

承载能力：1984年版试验方法采用ASTM D1947，指标要求为“不低于2200 1b/in”；2003年和2013年均采用ASTM D5182，指标要求“FZG 不低于9级”。

（3）试验方法的变化

“硫含量”的试验方法在1984年版中仅有ASTM D129，在2003年及以后的版本中，该指标的试验方法增加为ASTM D129，D1522，D2622，D4927，D6443和D6481。

“比重”的试验方法在1984年版中有ASTM D287和D1298，2003年以后该指标的试验方法增加为D287，D1298，D4052。

氧化试验中，“总淤渣物”、“总铁量”和“总铜量”等性能指标的测试方法在1984年版中并没有标出，2003年以后明确为ASTM D4310。

“抗磨性”的试验中，指标要求一直为“磨损直径不大于033 mm”，但试验方法发生变化，1984年是ASTM D6503，2003年是ASTM D2783，2013年是ASTM D4172。

“清洁度”的试验方法由F313改为ASTM D4898。

22 特殊性能指标

在美军汽轮机油标准MIL-PRF-17331中，存在一些特殊性能指标，它们对汽轮机油的某些方面提出了特殊要求。这些特殊性能指标有的在2013年最新版本中刚刚去除，有的还一直保留严格要求。

材料：该指标要求汽轮机油应是纯净的石油原料组成的稳定、均匀的混合物，如果有必要，可以加入添加剂以满足标准要求。然而不允许使用添加剂改善基础油的黏温特性，但可以加05%以下的添加剂以满足润滑油的倾点要求。并要求添加剂中不应有含氯或锌元素的物质。

轴承适应性：该特殊性能指标要求汽轮机油应对设备的轴承材料无腐蚀性。油品除进行铜片腐蚀性试验外，还要专门进行轴承适应性试验，只有二者的结果都符合要求，才能被视为对轴承材料无腐蚀性。

防锈性：该性能要求汽轮机油要经过90 ℃下30 min的搅拌水洗过程，再对油水分离后的油样进行海水腐蚀试验，时间24 h。目的是考察汽轮机油经水洗后的防锈性能。

均匀性：该性质要求汽轮机油在使用时，在倾点温度以上直至121 ℃（250 ）的所有温度中，添加剂应保持均匀地分布于整个汽轮机油中。如果汽轮机油被冷却到低于其倾点，当温度回升一经达到汽轮机油倾点以上6 ℃（10 ）时，应立即回复其均匀性，直到121 ℃（250 ）都应保持其均匀性。

可混性：要求试验油与参考油按1∶[KG-2/3]1混合后的混合物，其氧化（ASTM D943）、腐蚀（海水）、泡沫和乳化试验的结果均能通过，才能认为该汽轮机油与参考油的可混性好。

毒性：要求汽轮机油在用于预定用途时，对人体健康不应造成有害影响，且废弃处理时，不得造成任何环境问题。

禁用消耗臭氧的物质（ODS）和2，6二叔-丁基酚（DTBP）。标准中明确指出“禁止使用消耗臭氧的物质作为汽轮机油的成分”和“禁止在带有军用代号2190和NATO代号0-250下生产的任何润滑油中添加DTBP，该规定同时适用于水面舰艇和潜艇”。

3 舰船汽轮机油的发展趋势

根据美军标准MIL-PRF-17331中对美军汽轮机油理化性质要求及试验方法的变化，及对标准中关于特殊性能指标要求的内容分析，舰船汽轮机油的发展趋势可以归纳为以下几点：

31 空气释放性要求提高

舰船汽轮机油系统回油部分处于微负压状态，这就为空气的进入创造了条件。随同空气进入的灰尘、水分、漂浮的杂质易造成油品变差。同时，进入的空气破坏了介质的连续性和不可压缩性，严重时会造成舰船汽轮机油系统断油事故。并且，随着舰船汽轮机油循环倍率的提高，舰船汽轮机油在油箱中的停留时间缩短。因此，对舰船汽轮机油的空气释放性提出了更高的要求。MIL-PRF-17331标准在2003年就已增加了“空气释放值”指标，并且要求50 ℃条件下，不大于20 min。

32 抗泡性要求提高

汽轮机回油时对油箱液面的冲击以及油泵运转时对油的作用产生的泡沫易使空气进入油中，也易使超声波液位计产生虚假液位。因此，汽轮机油要有优良的抗泡沫性。

MIL-PRF-17331标准要求舰船汽轮机油在泡沫特性试验的3个程序中，性能指标均不大于65 mL（在电力系统，优级品汽轮机油泡沫特性3个程序指标要求分别为不大于450/100/450，该指标来自GB 11120-2011；国际标准ISO 8068-2006中为450/50/450）。

33 抗磨性要求提高

舰船汽轮机转数高达数千转/分，而舰船螺旋桨的转速只有200 r/min左右，转速差较大。这使得在减速过程中，减速齿轮箱内的齿轮所承受的载荷较大。汽轮机油的作用之一就是润滑减速齿轮，因此，抗磨性汽轮机油是很重要的指标之一。在MIL-PRF-17331标准中，D1947试验方法已改为D5182，并提出不低于9级的要求，试验方法更接近实际装备，抗磨性要求更高。

34 氧化安定性、长寿命要求提高

舰船汽轮机组工作时，因轴承摩擦损耗所产生的热量增大，其前、后轴承的温度可达120 ℃，油品老化加快。并且，舰船汽轮机油运转周期长，易与空气、蒸汽和金属接触发生氧化反应，生成的酸性物质和沉淀物易腐蚀零件。如果舰船汽轮机油的抗氧化性能差，则易产生油泥，造成设备损坏。同时，舰船汽轮机技术发展促使机组检修周期延长。因此，要求舰船汽轮机油具有优异的氧化安定性和更长的使用寿命。

MIL-PRF-17331标准将无限制要求的旋转氧弹氧化试验修改为旋转压力管氧化试验，并要求失效时间不小于200 min，可见对汽轮机油的氧化安定性和使用寿命均提出了更高的要求。

35 防锈性和防腐蚀性要求提高

如果油品的防锈性能不好，锈蚀产生的固体颗粒物会引起机组调速系统失灵、机组振动大、过量磨损等不良后果。其次，腐蚀产生的金属离子，尤其是铜离子会加速油品的氧化。

MIL-PRF-17331标准在舰船汽轮机油组成材料中明确禁止使用含有氯或锌元素的物质，并要求舰船汽轮机油防锈性要通过水洗程序，再进行24 h海水腐蚀试验，考察防锈效果。同时通过“轴承适应性”指标，严格要求油品的防腐蚀性。多项性能指标限制均体现了对舰船汽轮机油防锈性和防腐蚀性的极高要求。

36 通用性和环保要求提高

MIL-PRF-17331标准指出，舰船汽轮机油不仅用于汽轮机组的润滑，还用于空气压缩机和潜艇液压装置，并对油品的均匀性和可混性提出明确要求，这都代表着MIL-PRF-17331标准对舰船汽轮机油通用性的要求。

MIL-PRF-17331标准还要求舰船汽轮机油中不能添加有毒性抗磨添加剂。舰船汽轮机油在机组工作产生高温的情况下会挥发油气，由于舰艇空间狭小，油气会充满舱室不易排放。如果油品中加入有毒物质，则会对船员身体造成伤害，甚至引起非战斗减员，降低战斗力。此外，MIL-PRF-17331标准中还指出“舰船汽轮机油在作为废油处理时，不得造成任何环境问题”。可见，以上特点均对舰船汽轮机油的环境保护性提出更高要求。

4 结论及启示

（1）美军汽轮机油标准内容随美军装备实际使用情况进行不断地更新和修正，以满足装备的作战使用需求。

（2）美军汽轮机油标准中对多项理化性能指标的要求提高，预示着汽轮机油将向着通用化强、使用寿命长、功能多等方向发展。

（3）美军对汽轮机油的环境保护提出了严格要求，汽轮机油的环保性能已成为评价汽轮机油使用性能的重要指标之一。

随着科技发展与使用需求变化，美军标准对油品性能指标参数进行必要的修改，减少不必要的性能要求，增加必需的检测项目和试验方法，使之更贴近实际装备使用情况。美国的装备制造业具有标准化强的特点，从而使美军装备配套用油具有通用性强的优势，使其装备配套用油更易简化。装备配套油品的通用性增强，可以大幅降低油品保障工作量，提高保障效率。

国内装备制造业在标准化方面与美国还存在一定差距，其与润滑油行业进一步加强合作，大力推进装备用油的标准化进程，以增强装备及油品的通用性。

参考文献：

[1]

孟玉婵，刘文凯，徐平我国运行汽轮机油标准的发展与现状[J]润滑油，2006（5）：1-9

[2] 杨俊杰，徐平汽轮机油使用现状和发展趋势[J]润滑油，2007（4）：8-13

[3] 美国军用标准MIL-PRF-17331K（SH）Performance Specification Lubrication Oil，Steam Turbineand Gear，Moderate Service[S]2013

[4] 美国军用标准MIL-PRF-17331（H）Performance Specification Lubrication Oil，Steam Turbineand Gear，Moderate Service[S]2003

[5] 美国军用标准MIL-PRF-17331（J）Performance Specification Lubrication Oil，Steam Turbineand Gear，Moderate Service[S]1984