聚α-烯烴齒輪油老化趨勢及其再生處理研究

文 | 唐金偉，李燁峰，劉永洛，王娟，常治軍，肖秀媛，馮麗萍

聚α-烯烴齒輪油老化趨勢及其再生處理研究

文 | 唐金偉，李燁峰，劉永洛，王娟，常治軍，肖秀媛，馮麗萍

風(fēng)力發(fā)電機組的主齒輪箱主要采用聚α烯烴(PAO)全合成齒輪油作為潤滑介質(zhì)。PAO合成油的化學(xué)結(jié)構(gòu)與礦物油最接近，長鏈分子結(jié)構(gòu)單一，其側(cè)鏈的長度（C8－C10）整齊，具有良好的黏溫特性和低溫流動性。主齒箱中PAO齒輪油占到風(fēng)電機組用油量的3/4，是風(fēng)力發(fā)電機組的關(guān)鍵潤滑點，其油質(zhì)的好壞將直接影響到齒輪箱是否能夠安全和平穩(wěn)的運行。風(fēng)力發(fā)電機組多安裝在偏遠、空曠、多風(fēng)地區(qū)，齒輪箱的工作環(huán)境溫差大、沿海濕度大，加上較大的扭力負荷及負荷的不恒定性，導(dǎo)致齒輪油在運行中容易劣化變質(zhì)。目前，國內(nèi)外還沒有風(fēng)電機組齒輪油再生處理技術(shù)的相關(guān)報道，而國內(nèi)有大批風(fēng)電機組已經(jīng)或?qū)⒁鲑|(zhì)保期，風(fēng)電場面臨大量風(fēng)電機組齒輪油的更換、廢舊齒輪油處理以及更換新油所需的巨額費用等問題。因此，對于運行中齒輪油油質(zhì)的老化趨勢以及油質(zhì)老化后可否通過再生處理技術(shù)延長其使用壽命，已成為了行業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點問題。本文主要針對上述問題，對運行PAO齒輪油老化程度與各個指標(biāo)的變化關(guān)系進行了研究，并對某風(fēng)電場投運三年后退出運行的PAO齒輪油進行再生處理試驗。

圖1 齒輪油開口杯老化前和老化3天、8天、15天、30天后的油樣照片

試驗方法

一、PAO齒輪油的老化試驗

為了研究風(fēng)電用齒輪油隨著老化程度的加深，油液各個指標(biāo)的變化趨勢，選用某風(fēng)電場運行中的PAO齒輪油為研究對象，分別對其進行了3天（72h）、8天（192h）、15天（360h）、30天（720h）開口杯老化試驗（試驗方法：DL 429.6-91），并對老化前后油的主要相關(guān)指標(biāo)，依照GB 5903-2011《工業(yè)閉式齒輪油》中要求的試驗方法進行了測試。采用EOUINOX55紅外光譜儀對老化過程中PAO齒輪油進行紅外光譜分析，掃描范圍為500cm-1到4000cm-1，掃描速率為0.1 cm-1。

二、再生試驗

PAO型齒輪油質(zhì)再生處理試驗采用接觸法，即將一定量的微孔硅鋁吸附劑加入試油中，在60℃恒溫水浴下攪拌0.5h－1h，使吸附劑與試油充分接觸以達到最佳吸附效果，吸附完成后將油與吸附劑的混合物過濾分離，并對再生后的齒輪油補加一定量的抗氧抗磨復(fù)合添加劑，依照GB 5903-2011《工業(yè)閉式齒輪油》中要求的試驗方法進行了測試。

結(jié)果與討論

一、聚α-烯烴齒輪油老化趨勢

對某風(fēng)電場運行中PAO齒輪油進行了3天（72h）、8天（192h）、15天（360h）、30天（720h）開口杯老化試驗，并對老化前后油的主要相關(guān)指標(biāo)進行了化驗測試，結(jié)果見圖1和表1。從圖1可以看出，隨著老化時間的增加，油液的顏色由棕黃色迅速加深，到第15天已經(jīng)變?yōu)樽睾谏?。油液顏色的加深主要是由于齒輪油中的基礎(chǔ)油及油中的極壓抗磨劑和胺類抗氧劑，在氧氣、高溫、銅絲催化劑環(huán)境下，氧化生成了顯色的大分子老化產(chǎn)物。

從表1中可以看出，隨著齒輪油老化時間的增加，油液的各項指標(biāo)中變化最為明顯的為顏色、酸值、油泥。由于油液中抗氧劑的存在，油液的酸值在老化初期增加速度較慢，在老化192h后，隨著抗氧劑的消耗，酸值增長速度逐漸加速，同時，在油泥析出試驗中，油泥的析出量也在192h以后，由原油樣的“痕跡”，逐漸表現(xiàn)為有明顯析出。這是由于隨著開口杯老化試驗的持續(xù)，油液、氧氣、銅絲，在150℃的環(huán)境溫度下，油液中的添加劑和基礎(chǔ)油聚α-烯烴，發(fā)生氧化反應(yīng)生成大量極性老化產(chǎn)物，其中包括大量羧酸類物質(zhì)，宏觀上表現(xiàn)為酸值持續(xù)增大，同時老化產(chǎn)物之間也發(fā)生著復(fù)雜的縮合、交聯(lián)反應(yīng)，生成了大分子油泥。齒輪油發(fā)生劣化后，生成的這些羧酸類分子在有水分存在的情況下，齒輪箱中的金屬部件就會發(fā)生微點蝕，嚴(yán)重影響金屬部件的結(jié)構(gòu)強度，同時這些腐蝕產(chǎn)物也會引起油液顆粒度不合格，部分硬質(zhì)顆粒會加劇齒面磨損，從而影響齒輪油的潤滑性能，若油質(zhì)長時間得不到凈化處理，甚至?xí)l(fā)生卡齒、斷齒故障，嚴(yán)重影響風(fēng)電機組的安全平穩(wěn)運行。該PAO齒輪油在經(jīng)過30天的開口杯老化后油液的傾點、黏度指數(shù)基本沒有發(fā)生變化，只有油的運動黏度在緩慢增加，這說明油液具有穩(wěn)定的低溫流動性和黏溫特性，隨著老化程度的加深，油中逐漸產(chǎn)生了大分子老化產(chǎn)物，使油液的運動黏度趨于增大。

圖2 齒輪油酸值和旋轉(zhuǎn)氧彈隨著老化時間增加的變化趨勢

表1 齒輪油開口杯老化前后主要油質(zhì)指標(biāo)分析試驗結(jié)果

旋轉(zhuǎn)氧彈是評價油液高溫抗氧化性能的一項重要化學(xué)指標(biāo)，其特點是高溫、高壓、純氧的快速破壞性試驗，當(dāng)油液中的抗氧劑大量消耗或者油液本身已嚴(yán)重劣化時，氧彈中的氧氣壓力會快速降低。圖2為齒輪油的酸值和旋轉(zhuǎn)氧彈隨著老化時間增加的變化趨勢。從圖2中可以看出，齒輪油在老化初期表現(xiàn)出了較好的抗氧化性能，200h以后油液的酸值呈現(xiàn)出迅速增加，旋轉(zhuǎn)氧彈值呈快速減小的趨勢。這是由于在老化初期PAO合成齒輪油中的抗氧劑與油液老化形成的R·或ROO·基團、過氧化物相互作用，形成了穩(wěn)定的化合物，中斷了氧化的鏈鎖反應(yīng)，從而大大減緩了油液的老化速度。隨著抗氧劑的消耗，其濃度逐漸降低，油液的抗氧化性能也隨之降低，表現(xiàn)為酸值迅速增大，旋轉(zhuǎn)氧彈值也急劇減小。

為了考察齒輪油老化前后，其分子結(jié)構(gòu)的變化，對齒輪油老化前和老化8天、30天后油液進行的的紅外光譜檢測結(jié)果見圖3，可以看出，油液隨著老化時間的增加，處于1740 cm-1位置的C=O伸縮振動峰、1180cm-1位置的C-O吸收峰和3414 cm-1位置的-OH伸縮振動峰的強度都在增強，表明開口杯老化過程中逐漸有羧酸類物質(zhì)生成。這些酸性大分子會與油液中的添加劑相互反應(yīng)生成顯色大分子物質(zhì)，老化生成的大分子會進一步交聯(lián)形成油泥，進而增加油液的運動黏度（如表1所示），當(dāng)油泥的濃度超過一定值時，其會在溫度較低的金屬表面析出，形成肉眼可見的油泥。

通過對某風(fēng)電場320#全合成齒輪油進行老化趨勢測試表明，齒輪油的各項指標(biāo)在老化初期劣化速度緩慢，表現(xiàn)出了良好化學(xué)穩(wěn)定性，然而，在老化192h后，油液的酸值、顏色、運動黏度、油泥指標(biāo)的劣化速度加快。在整個老化試驗進行的30天內(nèi)，齒輪油的傾點、黏度指數(shù)和Timken OK值變化不大，表明了風(fēng)電齒輪油具有穩(wěn)定的低溫流動性、黏溫特性和較好極壓抗磨性能。

圖3 齒輪油開口杯老化前和老化8天、30天后的紅外光譜

表2 運行PAO齒輪油再生處理前后試驗結(jié)果

二、運行中聚α-烯烴齒輪油的再生處理試驗

圖4 齒輪油8%強極性吸附劑再生處理前后照片

為了考察PAO齒輪油老化后可否通過再生處理技術(shù)延長其使用壽命，對某公司在金風(fēng)750型風(fēng)電機組上投運3年后退出運行的美孚SHC XMP 320全合成PAO齒輪油進行了再生處理試驗，處理前后油液的外觀和油質(zhì)化驗結(jié)果分別見圖4和表2。從圖4可以看出，PAO齒輪油經(jīng)過再生處理后，油液的顏色由棕黃變?yōu)闇\黃，表明再生處理可以去除油液中部分顯色的氧化產(chǎn)物。從表2可以看出，經(jīng)過處理后油的酸值、水分和泡沫傾向指標(biāo)得到大幅降低，說明油液中的大部分酸性老化產(chǎn)物、水分和油中容易起泡的表面活性劑類物質(zhì)可以被具有強極性的吸附劑吸附去除；潔凈度等級、旋轉(zhuǎn)氧彈、Timken OK值和四球機磨損試驗得到了很大的提高，同時油泥也被除去，表明再生處理試驗中的過濾環(huán)節(jié)能有效濾除油液中的顆粒雜質(zhì)，提高油液的清潔度水平，同時能吸附除去油中的老化產(chǎn)物—油泥，有效地提高油液的抗氧化性能和極壓抗磨性能，并對油液的運動黏度和銅片腐蝕沒有負面影響，處理后的齒輪油可以滿足GB/T5903-2011《工業(yè)閉式齒輪油》中L-CKD的質(zhì)量指標(biāo)要求。

結(jié)論

通過對某風(fēng)電場PAO齒輪油進行老化試驗，結(jié)果表明：齒輪油的各項指標(biāo)在老化試驗初期劣化速度緩慢，表現(xiàn)出了良好化學(xué)穩(wěn)定性，然而，在老化192h后，油液的酸值、顏色、運動黏度、油泥指標(biāo)的劣化速度加快。在為期30天的老化試驗期間，齒輪油的傾點、黏度指數(shù)和Timken OK值變化不大，表明風(fēng)電齒輪油本身具有穩(wěn)定的低溫流動性、良好的黏溫特性和極壓抗磨性能。對某風(fēng)電場投運3年后退出運行的齒輪油進行再生處理試驗，表明風(fēng)電齒輪油可以通過再生處理使油的酸值、水分、潔凈度、泡沫傾向、旋轉(zhuǎn)氧彈、Timken OK值、油泥和四球機試驗指標(biāo)得到恢復(fù)，使其達到GB 5903-2011《工業(yè)閉式齒輪油》中L-CKD的技術(shù)要求，達到了延長風(fēng)電齒輪油使用壽命的目的。

（作者單位：西安熱工研究院有限公司）

攝影：劉富卿