基于分油机的船用油水分离性能研究

2023-07-11陆奕权

海洋石油 2023年2期

陆奕权

中国石化股份有限公司润滑油上海研究院

船用中速机油用于四冲程船用中速机曲轴箱和气缸的润滑，船用系统油为二冲程低速十字头型发动机的曲轴箱用油，两者都属于长期循环使用的油品，在使用过程中不可避免地与水接触，因此其水分离性能是一项十分重要的指标。水对润滑油的性能影响主要在两个方面：一是润滑油中的添加剂遇水析出或与水发生反应生成沉淀，从而造成添加剂的损失；二是润滑油和水可能在剪切作用下形成稳定的乳化液，这将使油水难以分离，将严重影响油品的使用性能[1]。

对船用油进行水分离性能的考察，常采用SH/T 0619—1995《船用油水分离性测定法》和GB/T 7305—2003《石油和石油合成液抗乳化性能测定法》，两种方法分别描述了低含水量和高含水量条件下油品的水分离性能[2]，但模式相对固定，在对市售产品的考察中发现，部分油品的水分离性能在现行方法中表现较差，但油品实际应用情况良好，未见不良反馈，以这两个方法表征的油品水分离性能与油品的实际应用表现并不完全一致。

分油机是止前航船中进行润滑油油水分离的主要设备，润滑油在润滑和冷却发动机后积聚在油底壳，通过管道泵送至分油机进行除水，最后回到油底壳，形成循环。分油机的工作机理是通过离心作用将密度不同的油和水进行分离分层，将水相排出，油相回归润滑油系统，从而减少油品中的含水量[3]。

本文基于分油机开展船用油分水试验，建立了船用油水分离数学模型，数据化表征船用油的水分离性能，为解释不同油品水分离性能的差异、提出改进措施提供参考。

试验部分

试验设备

◇碟式离心机，Manual Mab-103B，Alfa Laval 公司。

◇差示扫描量热仪，DSC 204 HP Phoenix，NETZSCH 公司。

试验用润滑油

本文选用5 种市售油品进行试验，分别为船用中速机油4030A、3030B、4015C、4012D 与系统油3005E。

试验概述

取10 kg 待试验油样在分油机中形成油路循环，离心转速（9 000 r/min）和温度稳定后在润滑油中加入5%质量比例的蒸馏水形成油水体系，以加水时间为起点计时，间隔一段时间从出油口采样，检测油样中残余含水量，考察不同油品在分油机中的水分离性能。水分离试验根据温度分为3 组，分别设置为95 ℃、80 ℃、60 ℃；采样时间取15 min、30 min、60 min、90 min、120 min。

本文基于分油机开展分水试验，模拟船用油在船舶上的实际使用工况，建立了船用油水分离模型，以分水效率和最终含水量2 个参数表征油品在分油机中的分水效果。通过所建模型对不同油品水分离能力进行了区分，提出了改进分离效果的措施。引入DSC 结晶法，根据结晶峰温度和面积与水相粒径和水分含量的关联，解释了不同油品水分离性能存在差异的原因。

结果与讨论

水分含量测定结果

通过分油机对油品开展分水试验，得到不同时间段的油样，然后通过水分测定（GB/T 260—2016）得到采集油样的含水量数据。为便于计算，水分测定判定为痕迹时，水分含量取0.03%。各试验油品的含水量随温度变化曲线如图1所示。

图1 油品含水量随温度变化曲线

如图1 所示，各试验油品的水分含量在循环脱水过程中先快速下降，后趋于平缓。不同油品的水分下降速率和平缓区含水量有所不同，这与油品的油水分离性能相关，可通过模型和曲线拟合数据化油品的水分离性能。

水分离模型的建立

油品的耐水性能与油品的黏度，添加剂的种类、加剂量都有关。从微观角度看，油水离心分离过程可以理解为不同密度的油相和水相以不同粒径的颗粒形式进行相对运动，其中油水混合物中单个水颗粒在离心中的迁移行为可用斯托克斯方程[4～6]描述：

式中，v为水滴沉降速率，D为单个水滴的直径，ρ和ρ0分别为油相和水相密度，ω为离心转速，R为转鼓半径，μ为油品黏度。在本试验中，水相直径、油相密度和黏度都是影响油品水分离性能的要素。

根据公式（1），当离心转速为ω时，在分油机中，时间t内油相中单个水滴的相对位移Δl可用公式（2）表达：

根据碟片结构与长度△lmax可由公式（3）推导出油水混合物完成分离所需要的临界水滴直径Dc：

将油相中水滴颗粒直径分布用概率学统计，可得公式（4），即分级效率方程[7,8]（式中A和n为经验参数）：

根据分布统计，为达到100%的分离效果，颗粒粒径需为临界分离粒径的2.5 倍[8]，即D/Dc＞2.5，因此油相中水滴直径D越大，油样破乳能力越强，水滴聚并速度更快，越有利于宏观上分水效率的提高和含水量的降低。

然而试验过程中转鼓内油水两相的粒径和分布都难以测量，在此通过含水量变化表征水分离能力差异。与之相关的主要参数有分水效率和最终含水量，分水效率描述了油品分水的速率快慢，最终含水量是指离心后油样能达到的最低含水量。在本试验中，为进一步描述油样在不同条件下的分水性能，量化分水效率和最终含水量，以循环时间t为变量，构造了以下模型：

式中，a为与初始加水量相关的常数；b为分水效率，受温度因素影响；c为最终含水量。通过试验中各采样点的时间和含水量数据，可以构建含水量变化曲线，并采用公式（5）拟合出相应水分离参数。

数据分析及讨论

将图1 中水分数据代入模型，即公式（5）中，计算得到不同油样在不同温度下的分水效率和最终含水量，结果列于表1。

表1 水分离性能模拟计算值

结合图1 和表1 中数据可知，温度对分水效率b的影响是显著的，在实际工况中，分油机设置温度往往与主机润滑油温度相近，常见的温度范围是60～95 ℃，因此油品在不同工况下表现的水分离性能差异明显。而最终含水量c体现了水在油样中的分散状态和稳定程度，与油品添加剂种类、配比等因素[9]相关。

为直观比较不同油品在不同温度下的分水效率优劣及其变化趋势，将表1中分水效率b关于温度作图，得到分水效率与温度的关系曲线，如图2 所示。

图2 分水效率与温度关系图

由图2 可见，对分水效率和温度进行线性拟合，线性相关系数分别为0.649 1、0.976 0、0.994 1、0.869 5 和0.989 7，可认为在分油机工作温度区间，分水效率与温度呈近似线性关系，斜率越大，说明该油品水分离性能对温度越敏感。

依据上述线性关系，可对各温度条件下的数据进行汇总平均（取各温度下b的算术平均值和c的几何平均值），得到b’和c’（列于表1），以此表征油品的水分离能力。b’越大，c’越小，则油样水分离能力越强。该数据对实际使用可提供指导作用，针对b’和c’的不同表现，可改变相应条件以提高水分离效果。将油品根据b’和c’的相对大小进行分类，对油品水分离性能进行差异性区分，如图3 所示。

图3 油品水分离性能差异及改善措施

由图3可见，四区的油品4012D 和3005E 水分离性能更为优越，分水效率高，分离效果好；其余3 个区间的油品水分离性能较弱，但原因可能不同，如三区的4030A，其水分离性能受温度影响更大，油水两相的界面张力是影响分水的主导因素，水相液滴更加稳定，难以聚并和沉降，提高温度有利于改善分离效果；而一区的3030B 容纳水分能力更强，水分含量高，增加离心时间能使更多液滴发生聚并，降低含水量。

油品水分离性能差异的机理探讨

由公式（4）可知，水相粒径是影响分水效率和分离程度的重要因素，对于图2 中油品水分离性能的差异性探究，可从DSC 结晶曲线进行分析[10,11]。其具体过程是将分水试验（SH/T 0619—1995）后的上层油液进行取样，在DSC 中开展20～50 ℃的结晶试验，降温速率为5 ℃/min。由于油样的水相粒径不同，结晶过冷度不同，粒径越小，结晶温度越低，从而得到图4、表3。

表3 各油品结晶峰面积统计

图4 DSC测试曲线及水相结晶温度

表3 中油品中水滴的结晶温度和结晶峰面积分别与水相粒径和水分含量相关，结晶温度越高，粒径越大，结晶峰面积越大，表示该粒径区间的水分含量越高。

根据各油样DSC 数据，可得到以下结论：4030A、3030B、4015C 和3005E 的高温峰温度较高，表明在这些油品中能稳定存在的水滴的粒径更大，油品乳化发白的现象更加明显。4012D 水相粒径分布广，无低温峰，易实现油水分离，含水量少，因此水分离性能最优；3030B 虽然仅有一个高温峰，但含水量较高，尽管其分水效率较高，却需要更多的时间达到分离要求，因此提高分离时间是改善其分离效果的有效因素，这与水分离试验结果符合；而4030A、4015C 和3005E 均存在低温峰，该部分水相粒径越小，分离越困难，因此理论上需要提高温度以促进油水分离，4030A 和4015C 在水分离试验中的表现符合此规律，但3005E 黏度较低，分水效率较高，有利于水相沉降，且低温区水分占比较少，更容易达到分离要求，因此其在水分离试验中仍具备较好表现。