陸奕權(quán)

中國石化股份有限公司潤滑油上海研究院

船用中速機(jī)油用于四沖程船用中速機(jī)曲軸箱和氣缸的潤滑，船用系統(tǒng)油為二沖程低速十字頭型發(fā)動機(jī)的曲軸箱用油，兩者都屬于長期循環(huán)使用的油品，在使用過程中不可避免地與水接觸，因此其水分離性能是一項十分重要的指標(biāo)。水對潤滑油的性能影響主要在兩個方面：一是潤滑油中的添加劑遇水析出或與水發(fā)生反應(yīng)生成沉淀，從而造成添加劑的損失；二是潤滑油和水可能在剪切作用下形成穩(wěn)定的乳化液，這將使油水難以分離，將嚴(yán)重影響油品的使用性能[1]。

對船用油進(jìn)行水分離性能的考察，常采用SH/T 0619—1995《船用油水分離性測定法》和GB/T 7305—2003《石油和石油合成液抗乳化性能測定法》，兩種方法分別描述了低含水量和高含水量條件下油品的水分離性能[2]，但模式相對固定，在對市售產(chǎn)品的考察中發(fā)現(xiàn)，部分油品的水分離性能在現(xiàn)行方法中表現(xiàn)較差，但油品實際應(yīng)用情況良好，未見不良反饋，以這兩個方法表征的油品水分離性能與油品的實際應(yīng)用表現(xiàn)并不完全一致。

分油機(jī)是止前航船中進(jìn)行潤滑油油水分離的主要設(shè)備，潤滑油在潤滑和冷卻發(fā)動機(jī)后積聚在油底殼，通過管道泵送至分油機(jī)進(jìn)行除水，最后回到油底殼，形成循環(huán)。分油機(jī)的工作機(jī)理是通過離心作用將密度不同的油和水進(jìn)行分離分層，將水相排出，油相回歸潤滑油系統(tǒng)，從而減少油品中的含水量[3]。

本文基于分油機(jī)開展船用油分水試驗，建立了船用油水分離數(shù)學(xué)模型，數(shù)據(jù)化表征船用油的水分離性能，為解釋不同油品水分離性能的差異、提出改進(jìn)措施提供參考。

試驗部分

試驗設(shè)備

◇碟式離心機(jī)，Manual Mab-103B，Alfa Laval 公司。

◇差示掃描量熱儀，DSC 204 HP Phoenix，NETZSCH 公司。

試驗用潤滑油

本文選用5 種市售油品進(jìn)行試驗，分別為船用中速機(jī)油4030A、3030B、4015C、4012D 與系統(tǒng)油3005E。

試驗概述

取10 kg 待試驗油樣在分油機(jī)中形成油路循環(huán)，離心轉(zhuǎn)速（9 000 r/min）和溫度穩(wěn)定后在潤滑油中加入5%質(zhì)量比例的蒸餾水形成油水體系，以加水時間為起點計時，間隔一段時間從出油口采樣，檢測油樣中殘余含水量，考察不同油品在分油機(jī)中的水分離性能。水分離試驗根據(jù)溫度分為3 組，分別設(shè)置為95 ℃、80 ℃、60 ℃；采樣時間 取15 min、30 min、60 min、90 min、120 min。

本文基于分油機(jī)開展分水試驗，模擬船用油在船舶上的實際使用工況，建立了船用油水分離模型，以分水效率和最終含水量2 個參數(shù)表征油品在分油機(jī)中的分水效果。通過所建模型對不同油品水分離能力進(jìn)行了區(qū)分，提出了改進(jìn)分離效果的措施。引入DSC 結(jié)晶法，根據(jù)結(jié)晶峰溫度和面積與水相粒徑和水分含量的關(guān)聯(lián)，解釋了不同油品水分離性能存在差異的原因。

結(jié)果與討論

水分含量測定結(jié)果

通過分油機(jī)對油品開展分水試驗，得到不同時間段的油樣，然后通過水分測定（GB/T 260—2016）得到采集油樣的含水量數(shù)據(jù)。為便于計算，水分測定判定為痕跡時，水分含量取0.03%。各試驗油品的含水量隨溫度變化曲線如圖1所示。

圖1 油品含水量隨溫度變化曲線

如圖1 所示，各試驗油品的水分含量在循環(huán)脫水過程中先快速下降，后趨于平緩。不同油品的水分下降速率和平緩區(qū)含水量有所不同，這與油品的油水分離性能相關(guān)，可通過模型和曲線擬合數(shù)據(jù)化油品的水分離性能。

水分離模型的建立

油品的耐水性能與油品的黏度，添加劑的種類、加劑量都有關(guān)。從微觀角度看，油水離心分離過程可以理解為不同密度的油相和水相以不同粒徑的顆粒形式進(jìn)行相對運動，其中油水混合物中單個水顆粒在離心中的遷移行為可用斯托克斯方程[4～6]描述：

式中，v為水滴沉降速率，D為單個水滴的直徑，ρ和ρ0分別為油相和水相密度，ω為離心轉(zhuǎn)速，R為轉(zhuǎn)鼓半徑，μ為油品黏度。在本試驗中，水相直徑、油相密度和黏度都是影響油品水分離性能的要素。

根據(jù)公式（1），當(dāng)離心轉(zhuǎn)速為ω時，在分油機(jī)中，時間t內(nèi)油相中單個水滴的相對位移Δl可用公式（2）表達(dá)：

根據(jù)碟片結(jié)構(gòu)與長度△lmax可由公式（3）推導(dǎo)出油水混合物完成分離所需要的臨界水滴直徑Dc：

將油相中水滴顆粒直徑分布用概率學(xué)統(tǒng)計，可得公式（4），即分級效率方程[7,8]（式中A和n為經(jīng)驗參數(shù)）：

根據(jù)分布統(tǒng)計，為達(dá)到100%的分離效果，顆粒粒徑需為臨界分離粒徑的2.5 倍[8]，即D/Dc＞2.5，因此油相中水滴直徑D越大，油樣破乳能力越強(qiáng)，水滴聚并速度更快，越有利于宏觀上分水效率的提高和含水量的降低。

然而試驗過程中轉(zhuǎn)鼓內(nèi)油水兩相的粒徑和分布都難以測量，在此通過含水量變化表征水分離能力差異。與之相關(guān)的主要參數(shù)有分水效率和最終含水量，分水效率描述了油品分水的速率快慢，最終含水量是指離心后油樣能達(dá)到的最低含水量。在本試驗中，為進(jìn)一步描述油樣在不同條件下的分水性能，量化分水效率和最終含水量，以循環(huán)時間t為變量，構(gòu)造了以下模型：

式中，a為與初始加水量相關(guān)的常數(shù)；b為分水效率，受溫度因素影響；c為最終含水量。通過試驗中各采樣點的時間和含水量數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建含水量變化曲線，并采用公式（5）擬合出相應(yīng)水分離參數(shù)。

數(shù)據(jù)分析及討論

將圖1 中水分?jǐn)?shù)據(jù)代入模型，即公式（5）中，計算得到不同油樣在不同溫度下的分水效率和最終含水量，結(jié)果列于表1。

表1 水分離性能模擬計算值

結(jié)合圖1 和表1 中數(shù)據(jù)可知，溫度對分水效率b的影響是顯著的，在實際工況中，分油機(jī)設(shè)置溫度往往與主機(jī)潤滑油溫度相近，常見的溫度范圍是60～95 ℃，因此油品在不同工況下表現(xiàn)的水分離性能差異明顯。而最終含水量c體現(xiàn)了水在油樣中的分散狀態(tài)和穩(wěn)定程度，與油品添加劑種類、配比等因素[9]相關(guān)。

為直觀比較不同油品在不同溫度下的分水效率優(yōu)劣及其變化趨勢，將表1中分水效率b關(guān)于溫度作圖，得到分水效率與溫度的關(guān)系曲線，如圖2 所示。

圖2 分水效率與溫度關(guān)系圖

由圖2 可見，對分水效率和溫度進(jìn)行線性擬合，線性相關(guān)系數(shù)分別為0.649 1、0.976 0、0.994 1、0.869 5 和0.989 7，可認(rèn)為在分油機(jī)工作溫度區(qū)間，分水效率與溫度呈近似線性關(guān)系，斜率越大，說明該油品水分離性能對溫度越敏感。

依據(jù)上述線性關(guān)系，可對各溫度條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總平均（取各溫度下b的算術(shù)平均值和c的幾何平均值），得到b’和c’（列于表1），以此表征油品的水分離能力。b’越大，c’越小，則油樣水分離能力越強(qiáng)。該數(shù)據(jù)對實際使用可提供指導(dǎo)作用，針對b’和c’的不同表現(xiàn)，可改變相應(yīng)條件以提高水分離效果。將油品根據(jù)b’和c’的相對大小進(jìn)行分類，對油品水分離性能進(jìn)行差異性區(qū)分，如圖3 所示。

圖3 油品水分離性能差異及改善措施

由圖3可見，四區(qū)的油品4012D 和3005E 水分離性能更為優(yōu)越，分水效率高，分離效果好；其余3 個區(qū)間的油品水分離性能較弱，但原因可能不同，如三區(qū)的4030A，其水分離性能受溫度影響更大，油水兩相的界面張力是影響分水的主導(dǎo)因素，水相液滴更加穩(wěn)定，難以聚并和沉降，提高溫度有利于改善分離效果；而一區(qū)的3030B 容納水分能力更強(qiáng)，水分含量高，增加離心時間能使更多液滴發(fā)生聚并，降低含水量。

油品水分離性能差異的機(jī)理探討

由公式（4）可知，水相粒徑是影響分水效率和分離程度的重要因素，對于圖2 中油品水分離性能的差異性探究，可從DSC 結(jié)晶曲線進(jìn)行分析[10,11]。其具體過程是將分水試驗（SH/T 0619—1995）后的上層油液進(jìn)行取樣，在DSC 中開展20～50 ℃的結(jié)晶試驗，降溫速率為5 ℃/min。由于油樣的水相粒徑不同，結(jié)晶過冷度不同，粒徑越小，結(jié)晶溫度越低，從而得到圖4、表3。

表3 各油品結(jié)晶峰面積統(tǒng)計

圖4 DSC測試曲線及水相結(jié)晶溫度

表3 中油品中水滴的結(jié)晶溫度和結(jié)晶峰面積分別與水相粒徑和水分含量相關(guān)，結(jié)晶溫度越高，粒徑越大，結(jié)晶峰面積越大，表示該粒徑區(qū)間的水分含量越高。

根據(jù)各油樣DSC 數(shù)據(jù)，可得到以下結(jié)論：4030A、3030B、4015C 和3005E 的高溫峰溫度較高，表明在這些油品中能穩(wěn)定存在的水滴的粒徑更大，油品乳化發(fā)白的現(xiàn)象更加明顯。4012D 水相粒徑分布廣，無低溫峰，易實現(xiàn)油水分離，含水量少，因此水分離性能最優(yōu)；3030B 雖然僅有一個高溫峰，但含水量較高，盡管其分水效率較高，卻需要更多的時間達(dá)到分離要求，因此提高分離時間是改善其分離效果的有效因素，這與水分離試驗結(jié)果符合；而4030A、4015C 和3005E 均存在低溫峰，該部分水相粒徑越小，分離越困難，因此理論上需要提高溫度以促進(jìn)油水分離，4030A 和4015C 在水分離試驗中的表現(xiàn)符合此規(guī)律，但3005E 黏度較低，分水效率較高，有利于水相沉降，且低溫區(qū)水分占比較少，更容易達(dá)到分離要求，因此其在水分離試驗中仍具備較好表現(xiàn)。

結(jié)論

☆對不同試驗油采用分油機(jī)進(jìn)行了分水試驗，試驗過程中發(fā)現(xiàn)，油品水分含量均隨時間變化下降，后趨于平緩；溫度對于油品脫水效果的影響顯著。依據(jù)油水分離機(jī)理建立了數(shù)學(xué)模型，可用分水效率和最終含水量2 個參數(shù)對不同油品的水分離性能進(jìn)行有效表征，從而采取針對性的措施加以改善，如提高分離溫度、增加分離時間等。

☆依據(jù)DSC 分析結(jié)果，油品的水相粒徑大小及含水量的高低，是引起不同油品水分離性能存在差異的重要原因，水相粒徑越小、含水量越高，一般而言，從油品中脫除水分的難度也相對越大。