周康 蒲宸光 牛志勇 李靈威

1 中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心

2 中國(guó)石油上海潤(rùn)滑油產(chǎn)品設(shè)計(jì)分公司

主齒輪箱是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要機(jī)械部件，主要功能是將在風(fēng)力作用下產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)，齒輪箱長(zhǎng)期處于復(fù)雜的交變載荷下工作，所用齒輪潤(rùn)滑油對(duì)保障風(fēng)電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的作用。風(fēng)電機(jī)組齒輪油的監(jiān)測(cè)是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)保養(yǎng)的主要環(huán)節(jié)[1]。隨著風(fēng)機(jī)大型化發(fā)展，根據(jù)中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)CWEA數(shù)據(jù)，截至2018年底，全國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)中，1.5 MW風(fēng)電機(jī)組累計(jì)裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量的41.6%。1.5 MW風(fēng)機(jī)已成為市場(chǎng)主流機(jī)型，風(fēng)電齒輪油的換油周期達(dá)到5年甚至7年，對(duì)油品的承載能力、抗微點(diǎn)蝕和使用壽命等提出了嚴(yán)苛要求。長(zhǎng)期以來(lái)，風(fēng)電市場(chǎng)上主要采購(gòu)進(jìn)口潤(rùn)滑油品牌，存在價(jià)格高昂、供貨周期較長(zhǎng)等問(wèn)題，給風(fēng)場(chǎng)正常的運(yùn)行維護(hù)造成不利影響[2]。

為了實(shí)現(xiàn)大功率風(fēng)機(jī)用油的國(guó)產(chǎn)化，本研究采用某國(guó)產(chǎn)油品在兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行應(yīng)用研究，在一個(gè)完整的風(fēng)電齒輪油換油周期也就是5年內(nèi)持續(xù)跟蹤潤(rùn)滑油和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)影響齒輪油衰變和壽命的主要指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析油品在不同運(yùn)行時(shí)間下各個(gè)指標(biāo)的變化情況[3]，從而為兆瓦級(jí)風(fēng)電齒輪油的國(guó)產(chǎn)化替代提供案例。

試驗(yàn)方案

試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)及設(shè)備概況

試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)處于內(nèi)蒙古高寒地帶，冬季極端溫度可達(dá)零下40 ℃，長(zhǎng)期處于零下20 ℃。選用6臺(tái)恩德S77/1.5 MW風(fēng)機(jī)作為試驗(yàn)機(jī)組，編號(hào)分別為1～6號(hào)。該風(fēng)機(jī)使用的是南高齒齒輪箱，最大額定轉(zhuǎn)速1 750 r/min；額定功率1 660 kW；潤(rùn)滑方式為強(qiáng)制潤(rùn)滑與飛濺潤(rùn)滑相結(jié)合。

試驗(yàn)油品

在風(fēng)機(jī)主齒輪箱上使用國(guó)產(chǎn)風(fēng)電齒輪油FD3000N 320，為PAO型全合成產(chǎn)品，主要理化數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 FD3000N 320風(fēng)電齒輪油新油的測(cè)試數(shù)據(jù)

試驗(yàn)檢測(cè)周期及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

試驗(yàn)從2016年7月1日到2021年7月1日，一共5年，在換油1 個(gè)月后、6 個(gè)月后、12 個(gè)月后、24 個(gè)月后、36 個(gè)月后、48個(gè)月后、54個(gè)月后、60個(gè)月后共開(kāi)展8次油液監(jiān)測(cè)。油液監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及參考換油指標(biāo)（參考NB/SH/T 0973—2018《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主齒輪箱潤(rùn)滑油換油指標(biāo)》、NB/SH/T 0586—2010《工業(yè)閉式齒輪油換油指標(biāo)》和客戶在用國(guó)外產(chǎn)品相關(guān)指標(biāo)而制定）見(jiàn)表2。

結(jié)果與討論

運(yùn)動(dòng)黏度

運(yùn)動(dòng)黏度是衡量油品油膜強(qiáng)度和流動(dòng)性的重要指標(biāo)，適宜的黏度對(duì)保障機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定和安全運(yùn)行起到十分重要的作用。風(fēng)電設(shè)備的主齒輪箱通常選擇40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度為320 mm2/s 的油品[4]。監(jiān)測(cè)油品在使用過(guò)程中黏度的變化可以反映油品的抗剪切性能和氧化變質(zhì)程度。圖1列出了6臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪油運(yùn)動(dòng)黏度的變化。

圖1 不同運(yùn)行階段6臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪油運(yùn)動(dòng)黏度的變化

從圖1可以看出，6 臺(tái)風(fēng)機(jī)在5年的運(yùn)行過(guò)程中，齒輪油的40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度基本是保持穩(wěn)定的，約為322.5 mm2/s。這表明風(fēng)機(jī)齒輪油均未發(fā)生嚴(yán)重衰變，說(shuō)明該國(guó)產(chǎn)潤(rùn)滑油具有良好的黏度保持性，能夠滿足風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

酸值

酸值是表示潤(rùn)滑油中含有酸性物質(zhì)的總和的指標(biāo)，由于配方設(shè)計(jì)的不同，相同黏度的油品其酸值會(huì)有較大差別。風(fēng)機(jī)齒輪油在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，長(zhǎng)期受到空氣、水分、溫度等的影響，容易發(fā)生氧化反應(yīng)，生成一系列酸性氧化物導(dǎo)致油品酸值增加。酸值含量過(guò)高會(huì)對(duì)齒輪箱造成一定程度的腐蝕。若油品在使用周期過(guò)程中酸值增加值較小，則表明齒輪油的使用壽命未受風(fēng)機(jī)齒輪箱運(yùn)行的影響。油液監(jiān)測(cè)中，酸值是判斷設(shè)備潤(rùn)滑狀況和油品抗氧抗腐性能的重要指標(biāo)。圖2列出了6臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪油酸值的變化。

圖2 不同運(yùn)行階段6臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪油酸值的變化

從圖2 可以看出，6臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪油中在5年的運(yùn)行周期內(nèi)酸值含量基本在0. 45～0. 85 mgKOH/g 之間。參考NB/SH/T 0586《工業(yè)閉式齒輪油換油指標(biāo)》，當(dāng)在用油品的酸值增加值大于或等于1 mgKOH/g時(shí)，需要更換油品的要求，本試驗(yàn)國(guó)產(chǎn)風(fēng)電油在應(yīng)用周期內(nèi)酸值增加值僅為0.45 mgKOH/g，酸值增加值并不明顯，表明油品未發(fā)生明顯氧化。

銅片腐蝕

銅片腐蝕反映油品對(duì)含銅部件的腐蝕程度。風(fēng)電齒輪油配方設(shè)計(jì)時(shí)需要保持一定的極壓抗磨性，因此具有一定的化學(xué)活性，這就容易造成對(duì)金屬尤其是銅部件的腐蝕。此外，油品在長(zhǎng)期使用中因氧化作用也會(huì)產(chǎn)生一些酸性物質(zhì)，當(dāng)酸性物質(zhì)積累到一定程度時(shí)會(huì)對(duì)金屬產(chǎn)生腐蝕，腐蝕程度與油品質(zhì)量及工作狀況有關(guān)。風(fēng)機(jī)齒輪箱軸承的保持架多為銅材質(zhì)，對(duì)齒輪油的抗銅片腐蝕性能有較高要求，因此需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。表3列出了6臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪油銅片腐蝕的變化。

表3 不同運(yùn)行階段6臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪油銅片腐蝕的變化

由表3可以看出，5年的連續(xù)監(jiān)測(cè)中，國(guó)產(chǎn)FD3000N 320風(fēng)電齒輪油銅片腐蝕的評(píng)級(jí)為1a或1b，無(wú)異常上升情況，表明試驗(yàn)油品具有良好的抗銅腐蝕性能。

燒結(jié)負(fù)荷

風(fēng)電齒輪油的摩擦學(xué)性能特別是邊界潤(rùn)滑性能（極壓抗磨性能）主要決定于齒輪油中極壓抗磨劑（主要為含硫劑和含磷劑）。燒結(jié)負(fù)荷（PD值）通常是用來(lái)表征潤(rùn)滑油極壓抗磨性的一項(xiàng)指標(biāo)，在一定程度上反映了油品極壓性能的高低。油品在使用過(guò)程中，隨著功能添加劑的不斷使用消耗，油品的PD值會(huì)有變小的趨勢(shì)。表4列出了6臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪油燒結(jié)負(fù)荷的變化。

表4 不同運(yùn)行階段6臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪油燒結(jié)負(fù)荷的變化

從表4可以看出，國(guó)產(chǎn)FD3000N 320油品的PD值在5年試驗(yàn)過(guò)程中基本保持穩(wěn)定，說(shuō)明油品中的極壓抗磨添加劑保持性較好，油品的極壓性沒(méi)有明顯下降。

水分

潤(rùn)滑系統(tǒng)中水分的污染主要來(lái)源于密封件失效、空氣水分冷凝和外界經(jīng)呼吸口或密封系統(tǒng)進(jìn)入的水等。水的存在會(huì)造成油品乳化，軸承、齒輪腐蝕磨損和銹蝕，甚至?xí)邶X輪的微裂紋中產(chǎn)生氫脆化效應(yīng)，造成齒輪的疲勞剝落［5］。需要指出的是，水分含量是影響油品酸值大小的重要因素，油品使用過(guò)程中氧化生成的酸性物質(zhì)溶解到水中，會(huì)生成大量酸性物質(zhì)，這些酸性物質(zhì)會(huì)加速油品的劣化［6，7］，因此控制齒輪油中水分含量可以有效降低齒輪油的酸值。一般而言，用于風(fēng)機(jī)主齒輪箱的油品含有微量水（≤ 300 mg/kg）不會(huì)影響風(fēng)機(jī)齒輪箱的正常使用。表5列出了6臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪油水分的變化。

表5 不同運(yùn)行階段6臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪油水分的變化

從表5可以看出，在不同運(yùn)行時(shí)間6臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪油中水分含量均為痕跡，可見(jiàn)油品在使用試驗(yàn)中沒(méi)有受到水污染。

PQ指數(shù)

PQ指數(shù)是通過(guò)測(cè)試油品的磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)油品鐵磁性顆粒的濃度。PQ指數(shù)適合檢測(cè)大顆粒，對(duì)小顆粒不敏感，通常PQ指數(shù)大的情況下，鐵譜中磨粒也比較大。圖3列出了6臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪油PQ指數(shù)的變化。

圖3 不同運(yùn)行階段6臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪油PQ指數(shù)的變化

從圖3可以看出，在不同運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，6臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪油中表征油品磨損程度的PQ指數(shù)數(shù)值較小，在2～4之間波動(dòng)，可見(jiàn)油品在5年的應(yīng)用試驗(yàn)中沒(méi)有產(chǎn)生大的磨粒，表明油品的抗磨性能較好。

磨損金屬含量

鐵、銅元素是齒輪、軸承等摩擦副材質(zhì)的主要元素，通過(guò)磨損元素的含量可以推斷設(shè)備內(nèi)部的磨損情 況［8］。 根據(jù)NB/SH/T 0973—2018 《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主齒輪箱潤(rùn)滑油換油指標(biāo)》要求，當(dāng)油品中鐵含量超過(guò)150 mg/kg 或銅含量超過(guò)50 mg/kg 或后，油品的潤(rùn)滑保護(hù)性能會(huì)受到不利影響，需要更換油品。若油品在使用時(shí)間內(nèi)鐵、銅含量沒(méi)有明顯增加，表明齒輪油為風(fēng)機(jī)齒輪箱和軸承提供了良好的長(zhǎng)期抗磨損保護(hù)，圖4和圖5列出了6臺(tái)風(fēng)機(jī)鐵元素、銅元素含量的變化。

圖4 不同運(yùn)行階段6臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪油鐵元素含量變化

圖5 不同運(yùn)行階段6臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪油銅元素含量變化

從圖4和圖5可以看出，6臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪油中在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，鐵元素含量和銅元素含量同時(shí)有一定程度增加，但鐵元素含量最大不超過(guò)20 mg/kg，銅元素含量最大不超過(guò)12 mg/kg，說(shuō)明試驗(yàn)風(fēng)機(jī)的齒輪箱和軸承的磨損狀態(tài)處于正常水平，油品具有良好的極壓承載能力。

齒輪箱拆檢

5年的使用試驗(yàn)結(jié)束后，采用內(nèi)窺鏡對(duì)齒輪潤(rùn)滑狀況進(jìn)行檢測(cè)，圖6列舉了6臺(tái)風(fēng)電機(jī)組內(nèi)窺鏡檢查齒輪表面的照片。

圖6 試驗(yàn)結(jié)束后的風(fēng)機(jī)齒輪箱齒面照片

從圖6結(jié)果可以看出，齒輪潤(rùn)滑狀況良好，齒面未發(fā)生過(guò)度磨損、擦傷及點(diǎn)蝕現(xiàn)象。表明風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行以來(lái)，潤(rùn)滑處于正常水平。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)風(fēng)電齒輪油FD3000N 320在6臺(tái)1.5 MW風(fēng)機(jī)上 5 年使用期的黏度、酸值、銅片腐蝕、燒結(jié)負(fù)荷PD值、水分污染物及磨損金屬含量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析在用油品在不同運(yùn)行時(shí)間下指標(biāo)的變化情況，結(jié)果表明：油品各項(xiàng)主要性能指標(biāo)變化均處在正常變化范圍內(nèi)，風(fēng)電齒輪油尚未發(fā)生明顯劣化，滿足兆瓦級(jí)別風(fēng)電設(shè)備的潤(rùn)滑要求。國(guó)產(chǎn)風(fēng)電潤(rùn)滑油FD3000N 320可以代替進(jìn)口潤(rùn)滑油在兆瓦級(jí)風(fēng)電設(shè)備上進(jìn)行推廣應(yīng)用。