燃气轮机润滑油系统的漆膜问题

黄素华，荆 迪，庄 劼，范洪武

(1.上海明华电力技术工程有限公司，上海 200090；2.上海漕泾热电有限责任公司，上海 201507；3.上海罗泾燃机发电厂，上海 200949)



燃气轮机润滑油系统的漆膜问题

黄素华1，荆 迪2，庄 劼1，范洪武3

(1.上海明华电力技术工程有限公司，上海 200090；2.上海漕泾热电有限责任公司，上海 201507；3.上海罗泾燃机发电厂，上海 200949)

介绍了燃气轮机润滑油系统漆膜的危害，分析了漆膜产生的原因，指出对油的常规指标分析无法了解漆膜的生成趋势，而通过监测在用油的漆化倾向性指数可以有效掌握漆膜的生成情况。实践经验表明，平衡静电净化和离子电荷藕合(ICB)技术可以有效防治润滑油的漆膜问题。

漆膜；燃气轮机；漆膜前驱物；漆膜倾向指数

燃气轮机润滑油在使用过程中，会因各种外部因素如水分、灰尘、空气以及滑油系统内部磨损的金属颗粒的增加而造成污染，运行中的高温也会造成基础油挥发、分解及缓慢氧化，从而使油品性能变差。因此，燃气轮机润滑油系统运行一定时间后会有油泥和漆膜形成，进而影响燃气轮机的运行可靠性和可用率。

1 油系统漆膜的危害

油泥和漆膜是润滑油缓慢氧化的副产物，是一种高分子聚合物。油泥含有一定的水分，而漆膜更为致密、粘稠、有光泽，在较高的温度条件下经氧化、聚合形成。

近些年，有相当一部分燃气轮机受到润滑油中漆膜的困扰，造成机组启动失败或跳机。例如，开机时进气导叶(IGV)执行机构阀芯由于漆膜粘结，不能按指令要求及时调整到位，造成机组启动失败。而随着采用干式低氮燃烧技术的燃气轮机增多，这类机组的气体燃料系统的阀组动作精度要求更高，一旦阀芯被漆膜粘结，会导致这些阀门动作延缓，就可能造成跳机。某电厂一台GE公司的9FA燃机就因为阀芯漆膜问题，先后造成2次跳机，该厂为了避免类似事故的再次发生，后来在检修期间将全部润滑油进行了更换，给电厂造成了很大的经济损失，而跳机也给电网和热用户造成了很大的扰动。

润滑油中一旦有漆膜形成，危害极大，这已引起工业界高度关注。形态各异的油泥和漆膜会沉积在燃机油系统的各个部位，如黑色胶状物附着在巴氏合金的轴承上，金色的粘膜附着在阀体内壁及阀芯上，褐色胶状物沉积在过滤器上等。油系统漆膜的影响主要表现在以下几方面。

(1) 减小间隙影响润滑效果，加快泵、轴承、齿轮的磨损；

(2) 增加组件之间摩擦，导致阀门动作需要更多能量，严重时造成阀门粘结或咬死；

(3) 冷却器上沉积的漆膜导致散热不良、油温上升、油品氧化加速；

(4) 导致阀门、过滤器、滤网和节流孔堵塞；

(5) 漆膜附着坚硬颗粒，造成设备磨损。

燃气轮机随着运行效率及初温的提高，油系统的工作环境变得更加恶劣。特别是在很多情况下，燃气轮机润滑油与液压油系统是共用储油箱的，即使在停机盘车时还要向各轴承提供高压顶轴油。随着干式低碳排放(Dry Low NOx，DLN)燃烧技术的广泛采用，这些燃气轮机气体燃料系统的液压伺服机构对油系统中的漆膜更加敏感，由此而引起机组故障或机组启动困难等问题。

2 润滑油中漆膜的形成

漆膜的形成过程如图1所示。

图1 漆膜的形成过程

在正常运行条件下，燃机润滑油会缓慢氧化，从非极性的基础油中产生极性分子。这些极性分子是产生漆膜的前驱物，这个氧化过程是一个化学过程，这个过程是不可逆的。润滑油一旦暴露于空气中，这个氧化过程就开始了，不论该润滑油是否在使用中。为了减缓油的氧化，润滑油中都添加有酚型和胺型抗氧化剂。这些抗氧化剂本身也会降解，易形成油泥和漆膜状沉淀物[1-2]。

与许多化学过程类似，润滑油的氧化速度也符合阿累尼乌斯方程，即：当温度每升高10℃，氧化速度增加1倍[3]。基础油的氧化速度还随油中水分、空气、金属颗粒污染物含量的增加而加快。通常除轴承部位产生热量温度较高外，润滑油储油箱的运行温度不会超过60℃，但是油的氧化速度不仅是该温度下的反应速度。

局部过热是加快油品氧化的重要因素。其中一个造成局部过热的原因是，当液压油从低压区域经液压油泵进入高压区域时，油中的气泡会产生内爆，可造成局部超过1 000℃的高温，给局部油分子的氧化提供了足够的热量。另一个重要原因是火花放电产生局部高热，当润滑油高速流过滤网时会产生静电，而火花放电会释放能量造成局部高热，加剧油的氧化、加速抗氧化剂的降解形成漆膜。在很多7FA、9FA燃机的润滑油滤网上都发现了火花放电的痕迹，如图2所示。这种火花放电的痕迹只有在显微镜下才可以观察到。

图2 火花放电在滤网上留下的痕迹[1]

润滑油对这些基础油的氧化产物(漆膜前驱物)有一定的溶解力。在润滑油氧化初期，氧化产物还比较少，能够完全溶解于润滑油中。因此，漆膜形成的第一步是润滑油氧化形成少量能溶解于润滑油中的氧化产物，这是一个化学过程，是产生漆膜的根本。

由于润滑油对氧化产物的溶解度是有限的，随着氧化产物的不断增多，润滑油对氧化产物的溶解逐渐达到饱和状态。润滑油对氧化产物的溶解度受温度的影响较大，温度升高时，溶解度增大，而温度降低时，溶解度减小。燃气轮机油系统各个部位的温度是不一样的，当溶解氧化产物达到饱和的润滑油从温度较高的地方流到温度较低的地方时，就会由于温度降低，溶解度减小，会有氧化产物析出，形成不溶解的漆膜前驱物，这是形成漆膜的第二步，漆膜前驱物的溶解和析出是一个物理过程。

由于润滑油系统是连续不断有油流过滤网的，而液压油只有在执行机构动作时才有液压油流过滤网，所以润滑油滤网的火花放电现象要多于液压油滤网，同时造成液压油系统的管道和阀门温度要低于润滑油系统。这个特点会造成润滑油系统产生的可溶解漆膜前驱物，到达温度较低且少流动的液压油系统时析出不可溶解的漆膜前驱物，所以液压油系统受漆膜困扰更严重。

漆膜前驱物一旦析出，就会聚集形成沉淀物，这些沉淀物会优先附着到金属表面，形成漆膜状沉淀物，这是形成漆膜的第三步，漆膜状沉淀物的附着和脱落是一个物理过程。这些漆膜状沉淀物会引起燃气轮机跳机和启动失败。

因此，漆膜状沉淀物的形成根本原因是由于油的氧化，形成氧化产物即漆膜前驱物，这是一个化学过程，是不可逆的，有很多因素会影响氧化的速度。但是形成漆膜的第二、三步是物理过程，是可逆的，可以加以控制来抑制漆膜状沉淀物的生成。

3 润滑油系统漆膜的监测

由于形成漆膜状沉淀物会严重影响燃气轮机的运行可靠性，势必要对润滑油形成漆膜的趋势进行监测。实践表明，采用油的常规分析手段，如光谱、水分(D1744)、粘度(ASTM D445)、酸值(D974)、FTIR(Fourier Transform Infrared)、旋转氧蛋(ASTM D2272)、颗粒计数等无法有效监测润滑油中漆膜沉淀物的形成情况。

一些燃机厂商推荐监测油泥含量，指出油泥含量警戒值为≥5mg/100mL。然而某9FA燃机润滑油的油泥含量仅为1.7mg/100mL时，液压油系统就受到漆膜沉淀物的困扰，而造成多次跳机。傅里叶红外光谱法FTIR虽然能监测到硝化峰的增长，这是热降解产物的特征峰，与漆膜沉淀物的形成关系较大，但是该方法不能定量，不能预测油中漆膜的生产情况[2]。

目前，在国外被广泛接受的漆膜监测方法主要有2种。

(1) 量分光光度分析法(QSA)，是将经过室温放置后的油样用0.45 m的滤膜过滤，然后对滤膜沉淀物的色度进行评估，计算出漆膜倾向指数VPR，VPR取值为0～100，小于40是可接受范围，41～60是需要警戒的范围，而大于60则应立即采取措施避免漆膜沉淀物引起设备故障。

(2) 膜片比色法(MPC)(ASTM D7843)，该方法与QSA类似，已经由ASTM制订并颁布。在MPC中油样要与溶剂相混合来加速漆膜前驱物的沉淀，然后用膜片过滤，膜片颜色越深，则漆膜倾向指数VPR越高。MPC相对于QSA更简单，易于在现场实施。

这两种监测漆膜形成情况的方法，其检测结果漆膜倾向指数VPR明显受到油样静置时间的影响。一般在油样取样后最初72h内，油样静置时间越长，检测出的漆膜倾向指数VPR值越大，如图3所示，这表明油样取样后在取样瓶内继续氧化老化。正是因为这个原因ASTM的MPC法建议，油样应在加热到60℃持续24 h后，在室温环境下静置72 h，然后再检测其漆膜倾向指数VPR。ASTM的这个建议很好的保证了测试结果的重现性和实验室间测试结果的一致性。

图3 油样漆膜倾向指数随时间的变化[1]

4 润滑油系统漆膜的防治

根据漆膜沉淀物的形成原因，可以采取以下主要措施来进行防治。

(1) 选用氧化安定性好的润滑油，同时在使用中监测抗氧化剂的消耗情况，傅里叶红外光谱法虽然不能预测漆膜沉淀物的生产情况，但是可以监测油中抗氧化剂的消耗情况。润滑油的抗氧化能力主要是抗氧化剂的作用，所以油中抗氧化剂的剩余含量很好地代表了其抗氧化能力。

(2) 采取有效措施减少火花放电的可能性，例如可以将一备一用的双侧滤网同时投入使用，选用不容易产生静电的滤网材质等。

(3) 根据漆膜沉淀物成因的第二步，对油系统温度较低的液压油管道和阀门进行伴热或保温，可以有效减缓这些部位产生漆膜沉淀物的速率，减少液压油系统高精度阀门由于漆膜原因故障的可能性。当燃气轮机从运行状态转入盘车状态时，IGV的液压油管道温度下降近24℃。这也是很多调峰燃机出现IGV由于漆膜沉淀物故障导致启动失败的重要原因。

国内有9FA燃机电厂对润滑油系统进行改造，将液压油系统独立出来，不再与润滑油共用储油箱[4]。这一定程度上能够改善液压油的工作环境，同时也避免了油从相对高温的润滑油系统进入相对低温的液压油系统，可以减轻液压油系统产生漆膜沉淀物的风险，有利于提高燃气轮机运行的可靠性。

(4)通过深度过滤技术、平衡电荷聚集净化技术、静电颗粒油净化技术等方法可以将油中硬颗粒及已经析出悬浮于油中的漆膜沉淀物去除。其中，平衡电荷聚集净化技术是GE公司推荐其燃机用户使用的技术。这些技术统称为悬浮颗粒物油净化技术，只能除去第二步中产生的不溶解漆膜前驱物。

由于润滑油对氧化产物的溶解度随着温度的降低而减小，因此只有在燃机停运、油系统处于室温状态时，才会有较多不溶解的漆膜沉淀物析出，此时使用悬浮颗粒物油净化技术才更为有效。而且油净化技术只能去除悬浮颗粒，对于溶解于油中的漆膜前驱物则不能有效去除。这些溶解于油中的漆膜前驱物回到油系统温度较低的区域后又会析出，然后沉淀到金属表面形成漆膜沉淀物。因此，虽然使用了这些悬浮颗粒油净化技术，但是润滑油对漆膜前驱物的溶解一直处于饱和状态。随着氧化产物的不断生成，悬浮颗粒油净化系统通常不能同步将其去除。

(5)对于能够溶解于油中的漆膜前驱物，可以通过离子电荷藕合技术(ICB)去除，这是美国EPT公司的专利技术。ICB过滤器中的离子交换树脂包含数以亿计的极点可以吸附溶解于油中的漆膜前驱物极性分子。正如漆膜前驱物极性分子倾向于附着到金属表面一样，这些极性分子也倾向于吸附到ICB的树脂上。

采用ICB离子吸附方法去除油中溶解的有害氧化物可以在任意温度下进行，因此这种油清洁装置可以连续投入运行。通过连续去除可溶解的漆膜前驱物，保证了润滑油中氧化产物不会聚集，消除了燃机停运期间产生漆膜沉淀物的风险。通过连续去除可溶解的漆膜前驱物，使得润滑油始终处于非饱和状态，保持着对氧化产物极高的溶解度。由于产生不溶解的漆膜前驱物及其沉淀物的物理过程是可逆的，这些沉淀物与经ICB处理过的非饱和状态润滑油接触，可以迫使这些已经沉积到金属表面的漆膜沉淀物重新溶解到润滑油中，然后又被ICB中树脂吸附除去。随着ICB清洁过程的连续不断进行，油中的氧化产物慢慢的都会被除去，有效防止了漆膜的形成。

对于应用ICB离子吸附法防止漆膜形成的系统，通过对其漆膜倾向指数VPR的连续监测，可以发现随着时间的推移，存在两个明显的阶段。首先是“复原/清洁”阶段，在刚开始使用ICB离子吸附的几个月，由于原先形成的漆膜沉淀物会重新溶解到润滑油中，造成VPR明显的上下波动。但是随着油中溶解的漆膜前驱物不断被除去，原先形成的漆膜沉淀物慢慢消失。然后就进入“稳定”阶段，VPR趋于稳定，大约为10。在该阶段，油中含有极少量的氧化产物即漆膜前驱物，并对氧化产物保持较高的溶解度。在这种状态下，油即使从高温区进入低温区时，也不会有漆膜沉淀物析出。

5 结语

燃气轮机油系统的漆膜问题会给机组稳定运行带来安全隐患。近年来，大量燃机采用了DLN燃烧技术，其液压油系统对漆膜问题更加敏感。因此，有必要加强对油系统漆膜形成情况的监测和防治。漆膜倾向指数VPR是了解漆膜生成情况的关键指标，而平衡电荷聚集、离子电荷藕合等技术可以有效防治漆膜问题。

[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.燃气轮机运行中产生漆膜的原因及解决方案[J].石油商技,2009,27(1):42-45.

[3] 周文新.工业润滑油应用中的漆膜问题[J].设备管理与维修,2007(8):40-41.

[4] 邵璀荣.S209FA燃气轮机润滑油系统改造[J].浙江电力,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.

(本文编辑：赵艳粉)

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

黄素华(1970)，男 ，高级工程师，从事电厂节能及热能动力试验研究工作。

TK479.11

A

2095-1256(2016)05-0628-04

2016-05-26