API614在工業(yè)透平潤滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

謝小軍，張 楠

（上海交通大學(xué) 上海汽輪機(jī)廠有限公司工業(yè)透平部 上海 200240）

API614在工業(yè)透平潤滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

謝小軍，張 楠

（上海交通大學(xué) 上海汽輪機(jī)廠有限公司工業(yè)透平部 上海 200240）

文章介紹了潤滑油系統(tǒng)的基本組成和在電廠運(yùn)行中的重要作用，概略分析了潤滑油系統(tǒng)可能出現(xiàn)的油質(zhì)問題及其成因，并概述了API614針對(duì)油系統(tǒng)潛在問題的規(guī)范與設(shè)計(jì)要求，以使設(shè)計(jì)人員對(duì)潤滑油系統(tǒng)有更深入的了解，對(duì)API614設(shè)計(jì)規(guī)范有更加深入的認(rèn)識(shí)。

潤滑油；API614；軸承

油系統(tǒng)對(duì)于工業(yè)透平這一高速回轉(zhuǎn)設(shè)備來說至關(guān)重要。使用正確的設(shè)計(jì)規(guī)范是保證油系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提。在化工領(lǐng)域以及部分發(fā)電領(lǐng)域，要求油系統(tǒng)符合API614的標(biāo)準(zhǔn)。

目前尚未有對(duì)API614設(shè)計(jì)中使用的系統(tǒng)的總結(jié)與解讀。本文嘗試通過對(duì)油系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體介紹以及API614的歸納，使初次接觸API614規(guī)范的設(shè)計(jì)者對(duì)油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及API614整體有一定的認(rèn)識(shí)與把握。

1 工業(yè)汽輪機(jī)潤滑油系統(tǒng)分析概述

1.1 系統(tǒng)組成

工業(yè)透平的潤滑油系統(tǒng)需要跟透平所用的軸承匹配，以提供參數(shù)合適的潤滑油。因各廠家的軸承技術(shù)不同，潤滑油系統(tǒng)的參數(shù)也不相同，但基本是以下形式：

系統(tǒng)供油主要由交流油泵從油箱中抽取，依次通過冷油器和濾油器送至供油母管。供油母管送至透平軸承，以及透平所驅(qū)動(dòng)的減速箱、發(fā)電機(jī)軸承和盤車裝置?；赜屯ㄟ^回油母管匯集后返回油箱,油箱上設(shè)排油煙風(fēng)機(jī)以保證回油母管的負(fù)壓，同時(shí)能夠及時(shí)排除由于溫度升高產(chǎn)生的油煙及夾雜在潤滑油中的空氣，保證油系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1.2 系統(tǒng)作用

潤滑油系統(tǒng)是一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，在汽輪發(fā)電機(jī)組的各個(gè)系統(tǒng)中相對(duì)較封閉。其作用主要有：

潤滑作用：汽輪發(fā)電機(jī)組的軸承與軸頸的表面加工都較為精細(xì)，都具有較高的光潔度。但無潤滑狀態(tài)下，大軸移動(dòng)時(shí)，兩表面處于固體磨擦狀態(tài)，產(chǎn)生的高溫高熱瞬間便會(huì)毀壞設(shè)備。潤滑油系統(tǒng)啟動(dòng)后，在接觸面上連續(xù)供油，形成了油膜層，以液體磨擦代替了固體磨擦，有效防止了軸的磨損和毀壞。

圖1 潤滑油系統(tǒng)簡(jiǎn)圖1危急油泵EOP，2主油泵MOP，3輔助交流油泵AOP，4冷油器，5濾油器，6逆止閥，7節(jié)流閥，8排油煙凈化裝置

散熱作用：潤滑油在系統(tǒng)啟動(dòng)后不斷循環(huán)，油溫持續(xù)升高。潤滑油不斷將軸承內(nèi)油品的內(nèi)磨擦產(chǎn)生的熱量、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子傳來的熱量帶出。冷油器不斷將油系統(tǒng)熱量排除，保證油溫。因此油系統(tǒng)具有散熱作用。

沖洗作用：機(jī)械加工的精度不可能無限高，所以高速回轉(zhuǎn)設(shè)備的碰磨會(huì)不可避免的產(chǎn)生少量碎屑磨擦產(chǎn)主的金屬碎屑，透平油會(huì)起到?jīng)_洗作用，將這些碎屑帶走。

潤滑油油質(zhì)的好壞，會(huì)直接影響汽輪機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。故長期以來對(duì)潤滑油的油質(zhì)、性能都有較高的要求：

抗氧化安定性：機(jī)組運(yùn)行中，潤滑油的循環(huán)次數(shù)多，速度快，工作時(shí)間長并且在一定溫度下暴露在空氣中與金屬接觸。因此要求潤滑油壽命長且具有較好的熱穩(wěn)定性，在運(yùn)行中生成的氧化物要少，且酸值不應(yīng)顯著增長。

較好的潤滑性能和適當(dāng)?shù)恼扯龋簼櫥偷恼扯扔绊懥擞湍さ暮穸纫约坝拖到y(tǒng)的出力。選擇的透平油粘度適當(dāng)，油粘度隨溫度變化小，就可以在不同溫度下保證機(jī)組的潤滑。在保證潤滑性能的前提下，因粘度較小的油散熱性及抗乳化性能均好一些，一般盡可能選用粘度較小的油。

較好的抗乳化性能：在機(jī)組運(yùn)行中，蒸汽會(huì)從軸封處泄漏至軸承，從而進(jìn)入油系統(tǒng)使油水混合而成乳化液。乳化液的形成影響油的潤滑性能和機(jī)組的安全運(yùn)行，故要求透平油具有良好的抗乳化性能，容易與水分離。使漏入潤滑系統(tǒng)內(nèi)的水分在油箱內(nèi)能迅速分離排出，以保持油質(zhì)的正常潤滑和冷卻作用。

具有良好的清潔度：如果油中所含顆粒物較多，形成的油膜的質(zhì)量會(huì)很差，容易在摩擦面上形成干摩擦，造成設(shè)備損壞[1]。

1.3 油質(zhì)劣化的原因與后果

油質(zhì)劣化的主要原因是水分和金屬微粒對(duì)其造成污染，同時(shí)，由于空氣的混入，加速了油液氧化，產(chǎn)生二次污染物[2]。水分主要來自汽輪機(jī)前后軸封漏氣竄入前后軸承箱，油系統(tǒng)密封不嚴(yán)，冷油器泄漏，空氣中水蒸氣的冷凝，以及由于油溫較低導(dǎo)致的溶解水的析出。雜質(zhì)的來源是摩擦產(chǎn)生的金屬顆粒，空氣中的塵埃，以及各種運(yùn)行產(chǎn)生的乳化物氧化物，維修清潔度檢查不合格殘留的碎屑。

透平油中含水，進(jìn)一步使油乳化，產(chǎn)生乳化物及油泥；另一方面，水分起著促進(jìn)氧化的作用，油氧化后，產(chǎn)生不溶性物質(zhì)和有機(jī)酸，在系統(tǒng)內(nèi)形成膠質(zhì)和油泥。其主要危害：進(jìn)入潤滑系統(tǒng)的乳化液，破壞了正常油膜，容易導(dǎo)致干摩擦，進(jìn)而引起局部過熱、軸承磨損、機(jī)組振動(dòng)及銹蝕等。嚴(yán)重乳化的油可能于油路中產(chǎn)生沉積，致使油路不暢。對(duì)于調(diào)節(jié)油系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致油壓不穩(wěn)，工作點(diǎn)漂移，甚至影響正常運(yùn)行，也會(huì)造成冷油器熱效率降低，各部濾網(wǎng)堵塞，轉(zhuǎn)子軸頸磨損過大。乳狀液中的水分會(huì)銹蝕有關(guān)金屬。透平油中的雜質(zhì)不但增大了機(jī)械磨損，還會(huì)引起調(diào)速系統(tǒng)部套卡澀[3]。

油系統(tǒng)不正常，可引起軸頸、軸承非正常磨損、“燒瓦”、“抱瓦”等電廠常見的事故，又會(huì)引起汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)失控，導(dǎo)致汽輪機(jī)超速，甚至造成整個(gè)透平轉(zhuǎn)子報(bào)廢的嚴(yán)重惡性事故。軸承故障和調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障都是導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)時(shí)間最長的故障[4]。隨著機(jī)組單機(jī)容量增大，為適應(yīng)對(duì)汽輪機(jī)效率、控制精度及可靠性要求的提高，對(duì)汽輪機(jī)的油系統(tǒng)的要求也在不斷提高。

在設(shè)計(jì)工作中嚴(yán)格遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)保證系統(tǒng)安全，維持透平穩(wěn)定運(yùn)行，縮短大修工期至關(guān)重要。API614就在從設(shè)備采購到交付，提出了一系列的要求規(guī)范，甚至提供了文件格式。規(guī)范化的操作流程更能夠保護(hù)業(yè)主和制造商的切身利益。

2 API614的解讀分析

API614是美國石油學(xué)會(huì)（American Petroleum Institute，簡(jiǎn)稱API）編制的關(guān)于石油、石油化學(xué)和天然氣工業(yè)用潤滑、軸密封和控制油系統(tǒng)及輔助設(shè)備的規(guī)范。現(xiàn)在在電廠油系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也有所應(yīng)用。在某些國外項(xiàng)目中，業(yè)主會(huì)要求潤滑油系統(tǒng)需滿足API614的要求。因此了解API614的要求對(duì)于中國打開國際市場(chǎng)，有重要的戰(zhàn)略意義。

API614共分為三部分“概述，特殊油系統(tǒng)，一般用途的油系統(tǒng)”。其中特殊用途油是指可供密封用的油。工業(yè)透平的潤滑油系統(tǒng)屬于第三類，一般用途的油系統(tǒng)。在工業(yè)透平潤滑油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中主要參照第一部分和第三部分。API614頒布以來歷經(jīng)各次修訂更新，現(xiàn)API614-2008為其最新版本。

API614總體上與ISO10438等同，在很多部分可以與ISO10438通用。API614規(guī)定設(shè)備的安裝設(shè)計(jì)應(yīng)該符合API686。管路的設(shè)計(jì)加工、檢驗(yàn)和檢查，應(yīng)符合ISO15649的有關(guān)規(guī)定。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與材料選用

API614將工質(zhì)分為輔助流程液體，蒸汽或空氣，冷卻水，潤滑油、控制油和密封油四類并對(duì)應(yīng)每一種類將不同的管件、墊片等進(jìn)行了材質(zhì)的規(guī)定。但應(yīng)注意在與國外業(yè)主配合時(shí)使用的材料牌號(hào)應(yīng)為ASME標(biāo)準(zhǔn)或等同的ASME牌號(hào)。特別是API614中對(duì)于儀表閥、截止閥、螺塞都有細(xì)致的材料規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)中多處提及“除非另有規(guī)定”，這時(shí)應(yīng)以雙方的具體技術(shù)協(xié)議為準(zhǔn)，若無明確規(guī)定的，當(dāng)以API614作為參考。

在正常回油工況的溫度下在最大流量條件時(shí)，回流管的尺寸應(yīng)使得油量不充滿油管的一半，其布置應(yīng)保證良好的排放。（要考慮到起泡沫的可能性）。水平管應(yīng)以40mm/m（1/2 in/ft）的斜度，連續(xù)傾斜地朝向油箱。如果可能，分支油管（在任何橫向平面不多于1個(gè)），應(yīng)以油流方向的45°角進(jìn)入回油管。管子的傾斜度較國內(nèi)多數(shù)成熟設(shè)計(jì)有所差別，應(yīng)按照API的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

2.1.1 油系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

前文提到，API614的第三部分針對(duì)的是非密封用一般油系統(tǒng)。在第三部分中，API614將一般用途的油系統(tǒng)按照表1建立了標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)模型。按照表1確定的模型即可查閱表2確定選用設(shè)備的參考標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

國內(nèi)主流潤滑油系統(tǒng)配置的大部分為離心泵，這與API的規(guī)定的容積泵是有出入的，需要在技術(shù)協(xié)議中與業(yè)主明確，以雙方簽署的技術(shù)協(xié)議為準(zhǔn)。在API614中也規(guī)定了，油泵的具體形式是由買方規(guī)定的。若用離心油泵，離心泵的正常工作流量應(yīng)在其最佳效率點(diǎn)的50%～110%范圍內(nèi)。從正常工作點(diǎn)到停機(jī)，離心揚(yáng)程至少連續(xù)升高5%，而且裝上新葉輪后，揚(yáng)程能夠進(jìn)一步提高至少10%。

API614中提及油箱及油箱附件需采用不銹鋼材質(zhì)，這也是應(yīng)該在設(shè)計(jì)中需要注意的。

冷油器、過濾器、高位油箱、排凝收集器、蓄能器以及其他的壓力容器需要符合壓力容器制造規(guī)范，除非必須，濾油器下游不要安裝截止閥。主要部件應(yīng)直接安裝在鋼制結(jié)構(gòu)件上，作為一個(gè)獨(dú)立油站或整體設(shè)備的底座。底座上應(yīng)該設(shè)有排液的檐，應(yīng)配備四個(gè)吊耳或其他適用的方法，需要員工通過的區(qū)域需敷設(shè)防滑金屬蓋板。在每個(gè)接近地腳螺栓的地方，應(yīng)提供可供水平調(diào)整用的螺釘。冷油器的材質(zhì)沒有硬性規(guī)定，但需保證油測(cè)工作壓力大于水側(cè)工作壓力。

系統(tǒng)應(yīng)使用對(duì)粒徑10μm以上顆粒最低有90%過濾效率的雙聯(lián)可切換全流量過濾器，對(duì)15μm以上粒徑顆粒應(yīng)最低有99.5%過濾效率。過濾器應(yīng)位于冷油器下游，不應(yīng)使用金屬濾網(wǎng)或燒結(jié)材料作為濾芯。油應(yīng)從外向里流經(jīng)濾芯，一組層疊濾芯最多是兩個(gè)。濾油器端蓋重量大于15 kg時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)吊耳。

2.2 控制與報(bào)警

除停機(jī)傳感器外的所有儀表及其部件能夠在設(shè)備運(yùn)行中進(jìn)行替換。所有與流體接觸的儀表零件應(yīng)為300奧氏體不銹鋼材質(zhì)。到達(dá)任何報(bào)警參數(shù)，達(dá)到報(bào)警點(diǎn)應(yīng)按規(guī)定啟動(dòng)一個(gè)刺耳的報(bào)警聲響或閃爍的燈光或聲光兼有。

應(yīng)為報(bào)警系統(tǒng)的故障設(shè)置報(bào)警措施。停機(jī)系統(tǒng)的元件故障無法識(shí)別故障條件時(shí)，設(shè)備應(yīng)自動(dòng)停機(jī)并報(bào)警。停機(jī)系統(tǒng)的故障報(bào)警應(yīng)與其他故障報(bào)警有明顯區(qū)別。

所有與流程介質(zhì)相接觸的溫度計(jì)/傳感元件,位于加壓的或溢流的管線中的溫度計(jì)/傳感元件,應(yīng)配備DN20(NPS3/4)300系列不銹鋼的可拆卸式整體溫度計(jì)套管。

表1 帶有標(biāo)準(zhǔn)配置選項(xiàng)的一般用途油系統(tǒng)等級(jí)模型

表2 一般根據(jù)設(shè)備推薦的最低一般用途（GP）系統(tǒng)

2.3 試驗(yàn)

在首次計(jì)劃的試驗(yàn)之前至少6周，賣方應(yīng)將計(jì)劃提交給買方。水壓試驗(yàn)壓力為1.3倍最高容許工作壓力。承壓零件（包括輔件）應(yīng)該用液體在最小為1.5倍最高容許工作壓力作水壓試驗(yàn)。最低的水壓試驗(yàn)壓力不應(yīng)小于150 kPa。

試驗(yàn)部分應(yīng)該注意的是，整個(gè)油系統(tǒng)應(yīng)在賣方車間進(jìn)行試車以便對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)和清潔度進(jìn)行檢查。所用的油應(yīng)共同商定，并且應(yīng)與系統(tǒng)油相匹配。試車應(yīng)在正常工況下至少進(jìn)行2小時(shí)，可以在2小時(shí)之內(nèi)同時(shí)做運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)的計(jì)劃應(yīng)提前6周報(bào)給買方。在進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)之前，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)的清潔度情況。如果為了改善工作狀態(tài)而需要進(jìn)行拆卸油系統(tǒng)時(shí)，則原來的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)不能作為驗(yàn)收，應(yīng)在修改之后進(jìn)行最終運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。無論在任何情況下，清潔度驗(yàn)證只應(yīng)在最終組裝后進(jìn)行。

3 小結(jié)

文中簡(jiǎn)略介紹了潤滑油系統(tǒng)的基本組成和在電廠運(yùn)行中的重要作用，分析了潤滑油系統(tǒng)可能出現(xiàn)的油質(zhì)問題及其成因，并概述了API614設(shè)計(jì)規(guī)范在日常工作使用中應(yīng)注意的一些特殊要求，以使設(shè)計(jì)人員對(duì)潤滑油系統(tǒng)有更深入的了解。

API614的使用需要參照ISO的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和API的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)工作前，應(yīng)仔細(xì)閱讀技術(shù)協(xié)議，確定自己所設(shè)計(jì)的油系統(tǒng)的模型。查閱相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，并理清總體思路。從一開始就要從細(xì)節(jié)上依據(jù)API614的規(guī)定。大到油箱材料，小到管件尺寸，都應(yīng)該有清楚的認(rèn)識(shí)。

[1]李 海,武宏偉.發(fā)電廠透平油的性能及作用分析[J].內(nèi)蒙古石油化工，2007,(12)：239.

[2]胡 飛.談汽輪機(jī)油系統(tǒng)清潔度的控制[J].山西建筑，2009,35(14)：340-341.

[3]魏守有，劉曉晨.汽輪機(jī)潤滑油油質(zhì)對(duì)運(yùn)行的影響及改進(jìn)措施[J].科技慵報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2008，18(2)：226-227.

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Analysis of API614 during design of industrial turbine lubrication oil system

XIE Xiao-jun,ZHANG Nan
（Shanghai Turbine Works Corporation,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai200240,China）

This paper generally introduces the constitution and the importance of the oil system,analyses the possible oil quality problems and the reasons.The latter part introduces the requirement of API614 about the problems in the former part. This paper is useful for further understanding ofAPI614.

lube oil;API614;bearing

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：1004-4329（2016）04-027-05

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329(2016)04-027-05

2016-09-07

謝小軍（1989- ），男，碩士生，助理工程師，研究方向：汽輪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。