提高油品清洁度对于延长齿轮箱寿命的研究

2022-09-21华能新能源股份有限公司辽宁分公司杨家兴齐春祥

电力设备管理 2022年16期

华能新能源股份有限公司辽宁分公司杨家兴提威齐春祥

截至2020年年底，我国风电装机容量达到2.81亿kWh，是全球风电大国。在国内已投产的风电机组中，双馈式风机占比超过70%。齿轮箱作为双馈式风机的主要传动部件，其运行工况复杂、环境恶劣，设备故障率高，一旦出现故障下架检修，将会产生不菲的维修费用和发电量损失。在所有齿轮箱故障中，因设计、制造、装配引起的故障占比约40%，因维护不当造成的故障占比约43%，另有17%的故障是因为相邻条件（如发电机、联轴器）的故障引起的。

而在运维不当产生的齿轮箱故障中，因为润滑原因占比超过80%。由此可见，要想降低齿轮箱的故障率、延长齿轮箱寿命，一方面需要改进设计、提高制造工艺和装配水平；另一方面，根据“木桶短板”理论，在机组投产后，设计、制造、装配等因素均已确定的状况下，通过补齐润滑管理这块“短板”，将其成为提高齿轮箱运行可靠性的有效途径。

本文分析了风机齿轮油污染物的主要来源和危害，以长期不被重视的油品清洁度问题作为切入点，通过加装离线过滤装置改善润滑并辅以相关管理手段，显著提高齿轮箱润滑油的清洁度，为延长齿轮箱寿命、指导齿轮箱的维护提供了一定依据和有益的工作建议。

1 齿轮油主要污染物来源和危害

1.1 齿轮油污染来源

外部污染。齿轮箱在制造（如机加工、研磨、热处理、喷漆等）、运输、装配过程中都会引入一定的污染物。尤其是在装配环节，由于重视程度不够、作业标准不高，产生的污染是机组投产前外部污染的主要来源。机组投运后，由于运行操作和维护不当，也会带入污染物，比如换油不规范、空滤更换不及时或者密封不严等。

内部污染。风机在磨合期以及日常运行中，不可避免会产生磨损、点蚀等，这些碎屑如果不能及时去除，会进入齿轮和轴承的油膜间隙，进一步加剧磨损，从而产生更多颗粒物。另外油品长期使用后，也会氧化降解产生污染[1]。

1.2 齿轮油污染物的危害

水分。水是机械失效的主要原因之一，水会明显降低油的润滑性能。当水分出现在高压处，比如齿轮和轴承，水滴破裂（爆裂）会导致金属表面的点蚀，更可能在水蒸汽暂时赶走油的时候出现金属和金属的直接接触，水中游离的氢离子会加剧这一现象。水还会导致腐蚀，进一步造成金属表面的损坏。此外，水会成为油品降解的催化剂，加速油品氧化和产生清漆和油泥。

颗粒物。固体颗粒物是油系统失效的最主要原因。尺寸相近或者略大于齿轮间容差的颗粒物危害较大，这种尺寸的颗粒物会对油膜造成破坏，初期会导致系统表面的微裂，进一步发展会使内部金属结构退化，从而影响齿轮箱的使用寿命。另外，大量的颗粒物会对油品中的各种添加剂造成挤压，如果颗粒物的污染问题得不到快速有效解决，油品中的添加剂特别是清洁剂和分散剂将会加速耗尽。

图1 油品中的颗粒物对齿轮面造成的早期磨损

氧化降解产物。由于风机齿轮油较为恶劣的运行环境，加之受到的各种污染，不可避免会出现油品氧化，产生酸、油泥和清漆。酸会腐蚀设备，油泥和清漆会在关键元器件表面产生沉积形成漆膜并难以去除。

氧化物的危害主要有：吸附颗粒物，加速轮齿件磨损；黏附于换热器表面，降低热交换效率，增加超温风险；堵塞过滤器、细油管和喷油嘴等，使油量不足造成润滑失效；加速油的变质，增加维护成本。

1.3 齿轮油清洁度标准

国际标准《液压传动油液固体颗粒污染等级代号法》（ISO4406-1999）所规定的风机齿轮箱润滑油清洁度见表1。国家标准《风力发电机组齿轮箱设计要求》（GB/T 19073-2018）和上述国际标准一致，并提出润滑油清洁度需要风机制造商、齿轮箱制造商以及轴承制造商达成一致，在连续运行时齿轮箱稳定的清洁度不得低于-/17/14（ISO4406）。而根据国内知名齿轮箱制造厂家的建议，齿轮箱清洁度标准不应低于-/15/12（ISO4406）。

表1 齿轮箱润滑油清洁度

表1中清洁度的3个数据分别代表不同颗粒计数级别：第1个数值代表每毫升样品中颗粒直径大于4µm 的杂质数量级别；第2个数值代表每毫升样品中颗粒直径大于6µm 的杂质数量级别；第3个数值代表每毫升样品中颗粒直径大于14µm 的杂质数量级别[2]。

从已有公开资料查询，国内很多风机在换油两年或更短时间内，颗粒物污染就已基本达到或超过21/19/16（ISO4406），齿轮箱润滑油清洁度不容乐观。主要原因是齿轮箱润滑油在线过滤装置精度一般为10µm 以上，对于水和低于10µm 的颗粒物无法过滤，也无法过滤油泥等氧化物，因此油品清洁度得不到可靠保障。欧洲和北美的一些主要OEM 厂商在十几年前就开始在齿轮箱加装离线精滤系统，以保证颗粒物污染控制在17/15/12（ISO4406）的水平，尽可能提高油品清洁度，以延长齿轮箱寿命。

TNA 总酸值代表油品老化程度。从表2可以看出，金属颗粒和水分的同时存在对酸值上升（即油品老化）有十分明显的加速作用。因此，既要防止水进入油中，同时也要及时滤除油系统中存在的金属颗粒物，以延缓油品老化速度，保障润滑效果。

表2 污染物对油品老化程度的影响（来源：Noria 公司）

图2 主齿轮箱润滑油异常情况因素统计分析

国内某油品检测机构通过对近5年来上万台风机大数据分析，主齿轮箱润滑油检测样品的主要问题就是磨损、油品污染超标。污染物主要为水和固体颗粒等，齿轮箱的磨损主要是钢质部件的磨损。

2 对某风电公司风机齿轮箱润滑油的跟踪研究

2.1 初始油品情况

对某风电公司下属风场的8台齿轮箱润滑油进行检测，其油品污染情况不容乐观（1、2、5号风机齿轮箱近1年内进行过部分换油，其他机组齿轮油均超过5年未换油）。具体见表3。

表3 某风电公司8台齿轮箱油品检测情况

2.1.1 黏度分析

黏度是齿轮箱润滑油最重要的指标，对于设备的安全运行起着至关重要的作用。该风电公司齿轮箱润滑油均选择运动黏度为320mm2/S 的齿轮油。通常规定齿轮油的运行黏度变化不应超过15%，黏度变化过大意味着齿轮油发生了较为严重的衰变。通过检测可知，该8台齿轮箱润滑油黏度与基准值相比变化不大。

2.1.2 酸值分析

齿轮箱润滑油在运行过程中长期受空气、水分、温度以及污染物等影响，容易发生氧化反应，生产一系列酸性氧化物，导致油品酸值增加。酸值含量过高会影响油品的润滑性能，同时对齿轮箱造成一定程度的腐蚀。酸值一般不允许比新油高+0.5AN，如果酸值增加到1AN 则需要立即采取措施。（例如：如果新油是0.5AN，那么1.0AN 就需要警惕，1.5AN 就是警报）[3-4]。从表3来看，共有5台齿轮油酸值超过1AN，说明齿轮油的酸值污染比较严重，应该采取措施（如加强过滤、清洗系统、换油等）来降低酸值，以减少腐蚀和润滑性能降低等带来的不利影响。

2.1.3 水分分析

水进入齿轮油的危害较大，该8台齿轮油的水分含量均低于100ppm，远低于300ppm 的报警线，处于一个良好的水平，说明齿轮箱上部安装的呼吸器工作情况良好，使水分进入呼吸器后被其内部的滤膜吸附，无法进入齿轮箱，从而达到控制油中水分的目的。

2.1.4 颗粒物分析

从表3可知，1、2、5号风机一年内进行过部分换油，其齿轮油颗粒物污染情况尽管相对较好，但也达到了换油标准。其他风机齿轮油清洁度全部严重超标，3、4、6、7号风机超过国标标准4个等级以上，这样长期运行下去对齿轮箱的伤害是可想而知的。

数据表明，在齿轮箱润滑油系统中，尺寸在1～5µm 的颗粒物约占70%～80%。因为齿轮油系统间容差十分精细（微米级），危害最大的就是尺寸相近或者略大于油系统齿轮间容差的颗粒物。当微小的磨料颗粒如沙粒和尘埃进入到油系统当中，随着油进入到系统关键部件当中，挤入精密间隙比如滚动接触区时，会导致系统表面的微裂，使表面产生凹坑，容易引发材料的磨损，产生并释放更大尺寸的碎片[5]，从而影响齿轮箱寿命。

2.2 加装离线过滤装置提高油品清洁度

鉴于齿轮箱在线过滤系统不能有效地过滤掉润滑油中的污染物，越来越多的风电企业开始加装离线过滤装置。齿轮箱离线精滤系统过滤精度一般为3～5µm，实际运行中，98.7%粒径大于3µm 的固体颗粒会被过滤掉，能使齿轮箱润滑油清洁度提高到17/15/12（ISO4406）。根据已有研究，将过滤精度由10µm 提高到3µm，轴承的寿命会增加50%。但过滤精度并不是越细越好，过于精细可能会过滤掉润滑油中的添加剂成分。

2.2.1 齿轮箱离线滤油装置的选择

齿轮箱离线滤油装置的选择应遵循以下原则：离线过滤器的精度应达到3µm（β3≥200）的水平；滤芯应具有较大的纳污能力，并保证更换周期不低于1年；要能吸收润滑油中的自由水分；过滤器的尺寸应合理设计并且采用与润滑油化学相容的材料制造，确保不会过滤掉油中的有效添加剂；该离线过滤装置是一个独立回路，不受系统是否启停的影响均可运行，且不会对油系统造成任何不良影响；要有一个自动开启的旁路。

2.2.2 齿轮箱离线滤油装置的试用

2021年4月底，对该批8台机组加装了离线滤油装置，经过45天的运行后，对齿轮油进行取样化验，结果见表4。

表4 加装离线滤油装置45天后油品检测情况

对比表3和表4，根据油样检测结果可知：从黏度来看，变化幅度较小，且绝大部分机组（只有4号机组齿轮油黏度从326变为328）都是向320靠近，说明该离线滤油装置对黏度指标有积极作用，其原因是离线滤油装置吸附了齿轮油中的部分氧化物，使其黏度指标向好；从酸值来看，和黏度类似，变化幅度很小且大部分是向好变化；从水分来看，是在一个很低的污染水平的基础上有所浮动，总体来说几乎没有变化；从颗粒物来看，1、2、5号风机齿轮油颗粒物含量得到一定改善，大致提高1～2个等级左右，这3台机组齿轮油初始情况良好，因此其变化幅度并不明显。3、4、7号机组齿轮油颗粒物含量大幅降低，污染情况得到大幅改善，污染物清洁等级大致提高了4～6个等级，可谓十分明显。6号和8号机组在离线过滤装置运行45天后的油品检测结果没有达到预期，分析可能是取样不规范引起的，经过再次取样检测后其颗粒物污染物也得到了比较明显的改善，大致提高了4个等级。

需要指出的是，为了关注油品清洁度变化趋势，特别对1号和6号风机齿轮油进行每周取样检测。从检测结果来看，其污染物降低并不是呈直线下降趋势，而是曲折下降，中间有过反弹现象（见图3、图4）。一般来说，如果齿轮油使用时间较久，且仅依靠齿轮箱自带过滤系统，如新安装离线过滤后油品质量出现反弹是一个正常现象。这是因为在过滤初期，油品质量明显好转，随着持续过滤，较干净的油会逐渐和随机带走（冲刷）原来黏结在齿轮箱、油管、油箱内壁和底角等处的污染物，从而导致油品污染度反弹。只有当系统元件和整个油系统彻底清洁后，油品才会真正好转并保持稳定。这需要一定的时间，且和油品污染程度、风机是否运转、过滤装置流量、添加剂消耗情况等因素密切相关。

图3 1号风机油品清洁度变化趋势（每周取样）

图4 6号风机油品清洁度变化趋势（每周取样）

2.2.3 油品清洁度与齿轮箱寿命的相关研究

当前，齿轮箱油品的清洁度已经受到越来越多的重视。根据润滑领域国际著名研究机构Noria 公司的研究成果表明：齿轮箱使用寿命和润滑油清洁度密切相关，通过提高油品清洁度，可以显著延长齿轮箱寿命。一些风机制造商认为，当控制齿轮箱中润滑油的污染程度不大于14/12/10（ISO4406）时，齿轮箱寿命可以达到20年。但实践发现，许多齿轮箱在运行3～5年后就开始频出故障，运行8～10年后则故障多发，甚至需要更换齿轮箱，这是因为在只有在线过滤系统的情况下，风机齿轮箱润滑油清洁度难以得到保证。

从图5可知，如果齿轮油清洁度等级从24/22/19（ISO4406，左侧第一列第2行）提高到17/15/12（ISO4406，左侧第六列）后，齿轮箱寿命可以延长3倍（不考虑齿轮箱原始制造工艺、材料、安装问题，投用后油品清洁度对其寿命的影响，下同）。剔除最近1年换过油的1、2、5号风机，可以看出：3号风机油品清洁度从24/22/19（ISO4406）提高到18/15/11（ISO4406），齿轮箱寿命大致可以延长3倍；4号风机油品清洁度从24/22/20（ISO4406）提高到20/18/16（ISO4406），齿轮箱寿命大致可以延长1.7倍；6号风机油品清洁度从24/22/18（ISO4406）提高到20/18/14（ISO4406），齿轮箱寿命大致可以延长1.7倍；7号风机油品清洁度从24/22/13（ISO4406）提高到21/18/16（ISO4406），齿轮箱寿命大致可以延长1.3倍；8号风机油品清洁度从23/19/14（ISO4406）提高到19/16/11（ISO4406），齿轮箱寿命大致可以延长1.5倍。