何天宇，張寬德，馬利花，吳健，袁婧銘

(1.中國石油潤滑油公司產品設計中心，上海 201800；2.中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

工業(yè)齒輪油的用量在工業(yè)應用中僅次于液壓油，是水泥、鋼鐵、船舶及設備加工制造行業(yè)廣泛使用的潤滑油產品之一。由于其應用領域寬廣，設備型號、工況及現場管理水平不同，工業(yè)齒輪油在應用中問題層出不窮，常見黏度下降、泡沫多、雜質多、變色快等問題；這些問題產生的根源多種多樣，但系統(tǒng)異常加熱導致的油品變色、氣味異常及黏度下降問題常被供應和使用雙方忽視，而深層次的隱患在于油品熱裂解生產的輕質組分對系統(tǒng)運行安全的影響。

1 工業(yè)齒輪油應用中常見問題

(1)黏度下降

黏度下降是工業(yè)齒輪油應用中最常見的問題之一，其原因多歸于齒輪系統(tǒng)的剪切因素或混入了其他低黏度油品，以至于稀油站異常受熱問題常被忽視，導致運行油黏度下降問題反復存在。現階段工業(yè)齒輪油生產中已很少使用稠化劑，所以因剪切而導致的運行油黏度下降幅度有限，對不同品牌N320工業(yè)齒輪油的實驗室齒輪剪切試驗結果表明其下降幅度多在5%以內；針對那些容積較大的油箱，運行油黏度大幅下降，則一定存在剪切或混油以外的因素。

(2)氣味異常問題

常見的工業(yè)齒輪油，由于含有硫化烯烴，油品均帶有一種特殊的氣味——即行業(yè)常說的“硫烯味”，常接觸這類產品的生產和操作人員很容易辨別，即使密封良好的油箱，也不能完全杜絕這種氣味溢出；由于稀油站環(huán)境的通風條件、冬夏溫差的不同，其氣味或濃或淡，但正是這種特殊的氣味掩蓋了工業(yè)齒輪油異常受熱時散發(fā)的異常氣味——相對正常氣味更強烈刺激性氣味。不少用戶反映其稀油站氣味太大，供應商也多以工業(yè)齒輪油本身就帶有較強烈氣味解釋，久而久之，運行中出現的異常氣味也成了“正常狀態(tài)”。實際上稀油站氣味異常往往伴隨著油箱加熱系統(tǒng)異常，資料顯示，多硫烯烴熱分解溫度為190～260 ℃，遠低于重質石油組分熱裂化溫度，即運行油氣味異常是稀油站加熱系統(tǒng)異常的前奏或預警。

(3)外觀顏色加深

相同的油品，在不同的油站使用，油品色度變化較快的系統(tǒng)往往伴隨著加熱系統(tǒng)異常及加熱管結焦問題，其表觀性狀為，油品外觀呈墨黑色，油箱泡沫相對較多，且泡沫呈青灰色(見圖1)，而正常油品泡沫一般呈白色；這種狀態(tài)下油箱沉積物一般較多(見圖2)，換油時若不能徹底清理，新油很快會變色。

圖1 異常的油箱外觀

圖2 油箱沉積物

2 低油溫下潛藏的危機

工業(yè)齒輪油在運行過程中，由于加熱與冷卻系統(tǒng)的相互作用，稀油站“表觀”油溫常顯示為40 ℃左右，從而導致了各方人員忽視了加熱系統(tǒng)異常問題。加熱管結焦是油液循環(huán)不良的產物，用戶現場反映CKD460、 CKD320結焦程度比較嚴重，而使用CKD220的油箱結焦現象較少，進一步說明加熱過程潤滑油黏度對油液循環(huán)的影響，黏度越高，循環(huán)性能越差，對此，如果不能調整油品黏度，就需要改變加熱方式，可以摸索分段加熱，同時啟動油箱內循環(huán)，漸次提高油箱溫度，從而避免局部過熱導致油品熱化學反應問題。

2018年4月，河南某鋼廠反映在用L-CKD320工業(yè)齒輪油黏度變稀，油液檢測結果見表1。

表1 不同稀油站在用油檢測結果

檢測數據表明：定尺剪、雙邊剪在用油黏度、閃點、密度及特征元素含量明顯下降，切頭剪在用油相對穩(wěn)定。現場設備分別配有獨立稀油站，油箱容積12 m3，在用油為2015年10月同期換用同品牌L-CKD320工業(yè)齒輪油。從表1的檢測結果得到的第一判斷就是混油污染，即運行油中混入了其他低黏度、低閃點，且關聯(lián)元素含量較低的油品，但由于現場油箱容積較大，且各類油液受控，基本可以排除向油箱中誤加大量低黏度、低閃點油品的可能性。

在另一案例中，西北某水泥廠水泥磨磨頭齒輪油箱發(fā)生閃爆，造成設備損壞，各方人員展開深度調查，發(fā)現其他幾臺設備在用L-CKD320齒輪油均存在異常，具體檢測數據見表2。

表2 水泥廠不同設備在用油檢測結果

檢測結果表明，除生料磨B在用油性能基本穩(wěn)定，其他設備在用油遠遠偏離L-CKD320正常指標。

為了進一步確認運行油組成變化，對在用油進行模擬蒸餾，并與新油數據進行對比，具體結果見表3。

表3 相關油品流程分析

注：就石油產品流程而言，沸點范圍≤200 ℃稱為低沸點餾分，碳鏈分布C5～C11主要是汽油、石腦油組分；沸點范圍在200～350 ℃稱為中間餾分，碳鏈分布為C11～C20，主要產品是煤油、柴油組分，而高于350 ℃的組分則稱為潤滑油餾分。

分析結果表明，幾個油箱在用油均出現不同程度“輕化”現象，特別是水泥磨磨頭油箱在用油，超過20%的成分為汽油、柴油組分。

調查與分析結果表明，油箱中輕質烴類組分積聚是事故發(fā)生的根本原因，那么，這些低分子烴類物質又是如何產生的呢？

3 工業(yè)齒輪油深度變質的反應機理

資料顯示：在400～600 ℃，重質石油組分就會發(fā)生熱裂化反應，即相對分子量較大、沸點較高的烴類斷裂為相對分子量較小、沸點較低的烴類的過程，其產物主要是裂化氣(低分子烷烴、烯烴)、汽油和柴油等輕質烴以及在反應過程中不易分解的復雜組分縮合而成的焦炭；而在溫度達600 ℃以上時，則以裂解反應為主，使長鏈烴斷裂生成裂解氣(其成分復雜，除乙烯丙烯外，還有異丁烯、甲烷、乙烷、丁烷、炔烴、硫化氫等)與碳的氧化物等。表1～表3所涉案例各方面證據表明，油箱閃爆及在用油黏度下降、閃點大幅下降、油箱底部大量炭化物，無不與重質石油組分熱裂化、裂解反應產物相對應。

良好的油循環(huán)系統(tǒng)可以保證加熱管表面維持在較低的溫度，一旦打破加熱與散熱平衡狀態(tài)，加熱管產生的熱量不能通過油液循環(huán)及時帶走，越來越高的溫度會導致油品發(fā)生裂化、裂解；在這一過程中，分解和縮合反應同時進行，輕組分溶解在運行油中，一方面導致油品黏度下降，同時，隨著積累程度不斷加深，危機也越來越近。

另一方面，結構復雜的烴類及非烴類物質縮合反應造成加熱管表面結焦，如圖3所示，焦層越厚，加熱管換熱效率越低，熱反應進一步加?。粺崃總鬟f不出去，有時還會發(fā)生加熱管燒損現象；結焦嚴重的系統(tǒng)中，?？稍谝恍┻\行油中或濾網上發(fā)現的黑色塊狀物，如圖4所示；而在系統(tǒng)控溫良好的油箱中，油品質量穩(wěn)定，檢維修過程中常會發(fā)現加熱管比較干凈，如圖5所示，只有輕微結焦現象；這就是工況條件相同的油箱，換用相同的油品，運行結果卻大相徑庭的原因。

圖5 干凈的加熱管

4 工業(yè)齒輪油應用管理

現階段，各大品牌VG460黏度等級及以下工業(yè)齒輪油中，基本不含高分子聚合物，可以排除剪切作用導致油品黏度大幅下降的因素，在用油黏度異常下降應與低黏度的油品混入或運行中異常熱反應相關。

正常的混油帶來的油品性狀變化是有跡可尋的，一般可以通過常規(guī)檢測逐項排除低黏度、低閃點的油品較大比例混入問題，若是液壓油、壓縮機油、內燃機油等常用產品混入，根據混入比例不同，在用油黏度或許會有比較明顯下降，但閃點正常應高于200 ℃；所以，對于工業(yè)齒輪油黏度明顯下降，且閃點低于200 ℃的情況，應引起設備管理人員足夠的重視和關注，其原因多為熱化學反應的結果，具體可以從以下幾方面確認和排除。

(1)油品黏度下降快：從混油或熱反應兩方面排除；

(2)閃點大幅度下降：以熱反應為主；

(3)油品變色快：排除系統(tǒng)污染，則以溫度異常導致油品氧化加劇為主；

(4)氣味異常：主要為異常加熱導致油品中含硫極壓添加劑氣味擴散或分解；

(5)密度變化：可作為一項重要的參考指標，排除現場可能混入的油品密度差異影響，異常下降以熱反應為主；

(6)典型元素含量變化：排除混油因素，元素含量大幅下降可推斷為異常加熱導致添加劑降解，元素局部富集的結果。

5 結論與建議

結論：對于工業(yè)齒輪油黏度下降，現場人員常歸于混油或剪切因素，排除這兩方面因素影響，對于黏度下降幅度較大，且伴隨著變色快、氣味異常、閃點大幅下降時，其根源主要是油箱加熱系統(tǒng)異常導致油品高溫裂化裂解所致，隨著輕烴組分在油箱累積，危險程度不斷增加，需及時檢查、整改，避免危機發(fā)生。

建議：對于高黏度工業(yè)齒輪油油箱，升溫時必須先啟動油箱循環(huán)，同時保證“程序升溫”，避免加熱系統(tǒng)處于常開狀態(tài)，特別是大型油站，必要時可重新設置和分配循環(huán)油泵吸油口位置(可將吸油口配置到加熱管附近，并多點配置)，以便加熱管附近的受熱油品能快速對流，提高換熱效率；同時加強油站、油箱通風，降低輕烴積聚，定期檢查、檢測油品表觀現狀，保證設備安全運行。