国内外变压器油技术发展及趋势分析

2019-03-21盛祖红

石油商技 2019年1期

盛祖红

中国石化润滑油有限公司上海分公司

变压器油是天然石油中经过蒸馏、精炼而获得的一种矿物油，是石油中的润滑油馏份经精制处理得到的纯净稳定、黏度小、绝缘性好、冷却性好的液体天然碳氢化合物的混合物。它属于润滑剂和有关产品分类标准GB/T 7631.15绝缘液体，主要应用于电气设备。

随着电力建设发展，电力电气设备需求空前增长。“十三五”期间我国电力工业进入“大电网、大机组、西电东送、南北互济、全国联网”的新时代，并正向高效、环保、安全、经济的更高目标迈进，规划建设“五纵五横”27条特高压线路已大面积开工，特高压技术目前已达到了世界领先水平。配电网投资不低于2万亿元建设改造以及预计投资4万亿元的轨道交通建设等都在如火如荼实施，这些给输配电设备企业带来了市场新蓝海。加之“一带一路”战略的启动，特高压项目在国外正不断落地、走出国门实现海外创收，而与其配套的变压器及变压器油需求量也在日趋上升。另外，随着电力设备安全运行要求的提高，对变压器油产品的性能也提出了更高的要求。我国已于2012年6月实施新修订的GB 2536—2011《变压器油》，国际电工委员会（IEC）于2012年2月实施新修订的IEC 60296:2012《电工用液体变压器和开关设备用的未使用过的矿物绝缘油》。这些最新标准的实施，对变压器油质量提出了新的要求，特别是国标GB 2536—2011中的酸值、氧化安定性指标的加严和国际IEC 60296：2012中的潜在腐蚀性硫、腐蚀性硫指标的提出等。从石油的化学组成或烃类构成上分析，标准中新增技术指标的控制（如，潜在腐蚀性硫为无腐蚀性、金属钝化剂为检测不出或协议规定）和加严指标的控制（如，酸值、氧化安定性、硫含量）也就是提高变压器油基础油的质量，不允许通过外加其他添加剂而实现。润滑油基础油工艺技术不断改进，特别是20世纪90年代后加氢工艺技术的应用，提高了基础油抗氧、抗腐等性能。在一些文献或资料上，还强调或规定环烷基基础油技术是变压器油的最佳选择，甚至出现加氢技术不适用生产变压器油的表述。为此，本文着重介绍了变压器油技术的发展历程及趋势，以希对变压器设计者和变压器油研究工作者有所帮助，更新或纠偏一些概念。

变压器油基础油生产工艺的发展

变压器油基础油传统生产工艺

变压器油基础油来自于炼油加工企业，随着炼油工艺的发展，其质量也在不断变化：

◇20世纪60～70年代，变压器油基础油生产工艺主要是酸-碱-白土工艺，其工序繁杂，时间长，产油率低，酸渣对环境有污染；

◇20世纪70～80年代，变压器油基础油生产工艺开始用以苯酚为主的溶剂精制-溶剂脱蜡-白土补充精制，提高了精制深度，使炼油工艺更加环保；

◇20世纪90年代，以糠醛精制工艺代替了苯酚精制工艺，进一步提高了基础油精制深度，使所得到的油品的黏温性能得到改善，并可以降低油品的残炭值和酸值，提高其化学稳定性。

这种老三套技术（溶剂精制-溶剂脱蜡-白土精制）的加工原理是通过物理方法将理想组分与非理想组分分离——通过原油常减压蒸馏，切取不同黏度的常减压馏分和减压渣油作为润滑油生产原料，而后通过溶剂脱沥青、溶剂精制、溶剂脱蜡、白土补充精制将润滑油基础油中的非理想组分脱除，得到理想组分即润滑油基础油。基础油的性能与炼油加工的原油性能密切相关，如环烷基原油的环烷烃含量较高，其基础油的倾点比石蜡基基础油低，比较适合生产低倾点的I-30℃变压器油（原45号变压器油），但环烷烃含量高的基础油黏度指数差，不适合生产内燃机油、汽轮机油等。20世纪90年代之前，物理加工技术的炼油加工工艺发展历程见图1。老三套加工技术生产的变压器油基础油典型数据见表1。

表1 老三套加工技术生产的变压器油基础油典型数据

从表1可以看出，除了倾点外，石蜡基基础油的其他性能优于环烷基基础油，具有密度小、闪点高、抗氧化性能好的特点。

变压器油与其他类型的润滑油不同，是以倾点高低来划分不同牌号的产品，如GB 2536—90标准就曾分为10号变压器油、25号变压器油、45号变压器油。如此，则物理方法炼油加工得到的石蜡基变压器油基础油只能生产10 号变压器油，而环烷基原油加工得到的环烷基变压器油基础油可以生产低倾点的45号变压器油。正因为环烷基基础油能生产低倾点变压器油，所以国内变压器制造商、用户用油指导文件上指定选择环烷基变压器油。但实际上，1981年12月，中国石化石蜡基原油生产的海光牌10号变压器油获国家质量银质奖。国外已有报道[1]，以埃及5种石蜡基原油为原料，先以传统的溶剂脱蜡工艺进行脱蜡，然后在一系列不同的加氢条件下进行加氢处理，所生产的变压器油产品符合IEC 60296标准要求。日本、法国也均有石蜡基变压器油的应用。

事实上，随着20世纪90年代炼油技术的发展，出现了化学加工或物理-化学联合的加工工艺方式，使基础油的性能发生了质的改变，更加适合国际、国内变压器油的先进标准。

变压器油基础油加氢生产工艺

润滑油基础油加氢工艺技术是采用化学加工方式，在一定压力、温度和催化剂作用下，将非理想组分转化为理想组分并除去杂质，如加氢裂化、异构脱蜡和加氢饱和/加氢补充精制。加氢裂化能使多环芳烃饱和、开环，转变为少环多侧链的环烷烃，可提高黏度指数，同时通过加氢将氧、氮、硫分别以H2O、NH3、SO2方式除去；异构脱蜡可以将正构烷烃异构成为润滑油的理想组分异构烷烃，降低倾点等；加氢饱和/加氢补充精制的作用是使芳烃化合物饱和，提高精制基础油光安定性。

在国外，1969年法国石油研究院IFP开发了润滑油加氢处理工艺，在西班牙普伟托利亚诺炼厂投产。美国海湾研究开发公司、雪佛龙和壳牌先后开发和工业化了自身的加氢处理工艺。1977年英国BP公司开发了第一套催化脱蜡装置，在美国德州贝敦炼厂投产。壳牌、雪佛龙和美孚开发了异构脱蜡催化剂和工艺，生产高黏度指数基础油。20世纪80年代中雪佛龙在旧金山里奇蒙炼厂实现了世界上第一条全氢润滑油基础油生产线。

在国内，20世纪90年代，中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院（简称石科院）完成了以溶剂精制和加氢技术相结合为特点的润滑油中压加氢处理RLT技术和润滑油催化脱蜡技术RDW的工业应用。1997年，兰炼引进了法国石油研究院IFP润滑油高压加氢技术生产基础油。1999年，大庆油田石油化工厂引进雪佛龙润滑油异构脱蜡技术投产。2000年，石科院高压加氢RHW技术在克拉玛依投产，2001年；石科院老三套与加氢组合RLT工艺在荆门投产。2004年，上海高桥石化引进雪佛龙异构脱蜡技术投产运行。后续中国石化在润滑油板块持续投资加氢技术，中海油近几年投资建设加氢技术。国内润滑油基础油制造商加氢技术见表2。

由表2可见，加氢技术在炼油工艺技术中得到了广泛应用，国内大型炼油企业为适应润滑油产品发展的需要，根据所加工原油的特点，引入了不同的加氢工艺。加氢工艺改变了传统炼油工艺难以逾越的受原油种类限制的资源瓶颈，缩小了不同原油炼制的变压器油基础油的烃类组分差异，改善了变压器油的性能，特别是变压器油倾点问题得到了解决。高桥石化加氢工艺和老三套工艺生产的变压器油基础油的性能对比见表3。

从表3可见：

◇加氢工艺变压器油基础油的倾点低，石蜡基基础油能直接生产原25号变压器油和45号变压器油。

◇加氢工艺变压器油基础油的硫含量低，酸值小，抗腐蚀性好。

◇加氢工艺变压器油基础油的旋转氧弹比老三套工艺变压器油基础油的旋转氧弹高50%，氧化安定性更好。

◇从烃类组成看，加氢工艺变压器油基础油环烷烃含量高、链烷烃含量低、芳烃含量低，可作为变压器油的理想原料。

加氢工艺的引进，使炼油工艺从物理加工技术向物理-化学加工技术或化学加工技术发展，从而使基础油的性能发生了变化，具有低酸值、低倾点、无腐蚀性和更优氧化安定性等，也更加适应变压器油产品标准的技术指标更新。同时，加氢技术的应用克服了“溶剂精制”工艺无法改变基础油结构的弱点，使各种烃类发生化学反应，从而生产出高质量的变压器油基础油；并突破了溶剂精制油品低温性能差的弱势，使石蜡基变压器油基础油具有低倾点、高抗氧化性等性能。

表2 国内润滑油基础油制造商加氢技术

表3 加氢工艺和老三套工艺生产的变压器油基础油的性能对比

变压器油的产品标准

国际和国外先进变压器油标准

目前采标率比较高的变压器油标准是IEC 60296和美国材料试验协会的ASTM D3487，这2个标准随电力设备的发展、变压器油基础油技术的提升而不断地进行修订更新：

◇IEC 60296从1982版、1982修订版（1986）、2003版至2012版，进行了一系列的技术性修订。IEC 60296的最新标准为2012年2月推出的IEC 60296：2012《电工用液体-变压器和开关设备用的未使用过的矿物绝缘油》。

◇ASTM D 3487从1982版、1988版、1988（93）确认版、2000版、2000（06）确认版、2009版、2016版，也进行了一系列的技术性修订。ASTM D3487的最新版本为2016年推出的《电气设备用矿物绝缘油的性能要求标准》。

从不同版本的质量指标的比较来看，每一次技术性修订，其变压器油质量、抗氧化安定性等关键指标都做了提升，以减少变压器油对变压器寿命的影响，同时也体现了与变压器油基础油加工工艺技术改进的一致性。IEC 60296：2003、IEC 60296：2012修订前后版本的性能指标差异见表4、表5。

从表4、表5可以看出，最新的IEC 60296：2012增加了潜在腐蚀性硫测试，不允许添加金属抑制剂，不允许添加DBDS（二苄基二硫醚）添加剂，加严了硫含量和糠醛及相关物质的指标等。这些新要求进一步提高对变压器油基础油的精制深度、降低硫含量和提高抗氧化性能。

同样，ASTMD 3487标准也不断在修订，但其修订不大，近几个版本的修订情况见表6。

从表6可以看出，ASTM D3487—2009取消了苯胺点范围指标控制，也就间接取消了原来的环烷基限制。因为只有环烷基含量高、芳烃含量高的烃类结构，其苯胺点才能达到63～84 ℃范围。ASTM D3487—2016增加了呋喃化合物的控制指标，对变压器油基础油提出了更高的控制要求，对此可解读为：一是控制采用老三套糠醛精制工艺生产的基础油制造变压器油；二是采用糠醛精制工艺生产变压器油的企业严格控制糠醛回收工艺和白土吸附工艺以满足指标要求。

表4 IEC 60296：2012比IEC 60296：2003新增项目

表5 IEC 60296：2012比IEC 60296：2003加严项目

表6 ASTM D3487近几个版本修订指标变化

国内变压器油标准的发展

目前，最新的变压器油国家标准为GB 2536—2011。该标准是修改采用IEC 60296：2003《电工流体变压器和开关设备用的未使用过的矿物绝缘油》制定的，而GB 2536—1990是参照采用IEC 296—82《用于变压器和油开关中的矿物绝缘油》中ⅡA技术要求制定的。新修订的GB 2536—2011标准与国际接轨，分为通用类、特殊类和低温开关油。该标准实施后，取缔了SH 0040—90（98）《超高压变压器油》、SH 0351—92（1998）《断路器油》，其新版和原版标准质量指标差异较大，修订较多，相关差异见表7～表10。

由表7～表10可以看出，GB 2536—2011标准中增加了PCA、PCB、糠醛含量等新指标，加严或提高了氧化安定性、酸值、腐蚀性硫、水分等控制指标，取消析气性指标控制值得要求。由此提出了对变压器油基础油的低多环芳烃、高抗氧化性能、低硫含量和低酸值的深度精制的炼油工艺技术。从上述炼油工艺发展可以证明，只有经过炼油加氢精制工艺技术的变压器油基础油更加符合最新的变压器油标准的技术要求。

表7 GB 2536—2011中变压器油（通用）与GB 2536—90相比新增项目

表8 GB 2536—2011中变压器油（通用）与GB 2536—90相比的变更或加严项目

表9 GB 2536—2011变压器油（特殊）与SH 0040—91相比的新增项目

表10 GB 2536—2011版本变压器油（特殊）与SH 0040—91相比的变更或加严项目

变压器油技术发展趋势

从技术进步上看，世界范围内传统炼油工艺十几年来没有出现大的进展，而加氢工艺和催化剂得到了较快的发展，国内外较多地采用加氢裂化/加氢处理－异构脱蜡－加氢饱和的全氢工艺生产变压器油基础油，也有少数采用加氢处理与传统工艺结合生产变压器油基础油。近2年，壳牌用天然气制油来研制变压器油。从基础油的加工工艺的发展来看，基础油结构组成的发展趋势是提高链烷烃含量、具有适宜的环烷烃含量或降低环烷烃含量、降低芳烃含量或不含芳烃，如此制得的变压器油基础油更适合变压器发展和变压器油技术发展的要求。这与传统的唯有环烷基基础油更适合生产变压器油的认识不相符了，为此需要随技术发展而更新一些固有的观点和概念。

从变压器油标准的修订更新来看，国外先进标准不断提高抗氧化性能、抗腐蚀性、低温流动性等要求，降低或不限制析气性要求。这些变化也与变压器油基础油的炼油工艺提升息息相关。据文献报道[2]，随着芳烃含量的增加，变压器油的析气性变小，抗氧化性能变差，这就是说变压器油的析气性与抗氧化性能是一对矛盾。如果要降低析气性，实质是以牺牲氧化安定性为代价，这无疑缩短了变压器油的使用寿命。考虑到变压器油的终身使用，氧化安定性差、析气性小的变压器油应该不是变压器制造企业的选择和追求。

国内现用最新标准GB 2536—2011是参照IEC 60296：2003制定的。由前述分析可知，IEC 60296—2012比IEC 60296：2003新增了很多项目，因此GB 2536—2011和IEC 60296：2012存在一定差距。近几年，变压器油制造企业相继推出了符合国际和国内标准的产品，方法起草单位也修订了符合IEC 60296—2012的试验方法。为了与国际接轨，GB 2536—2011的起草单位也在着手开展参考IEC 60296—2012修订GB 2536—2011标准的筹备工作。若GB 2536最新版本的修订完成，国内变压器油标准将与国际完全接轨。为此将需要进一步研究变压器油技术，确定国内变压器油质量指标，完善变压器油质量指标管理。