蔡清游,曾文強(qiáng),彭遠(yuǎn)春,何佳,余紅杰,馬升平,楊琳
(1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司,廣東 廣州 510535;2.川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院,四川 廣漢 618300;3.川慶鉆探工程有限公司,四川 成都 610051;4.四川宏大技術(shù)服務(wù)有限公司,四川 廣漢 618300)
發(fā)電用柴油機(jī)是野外鉆井基地的關(guān)鍵設(shè)備之一,用來為基地提供生產(chǎn)和生活用電,外觀見圖1。柴油機(jī)油的更換是發(fā)電柴油機(jī)日常維護(hù)的重要內(nèi)容之一,一直以來柴油機(jī)油的更換周期按照柴油機(jī)廠家給出的500 h來執(zhí)行,但近來通過開展一段時(shí)間的服役柴油機(jī)油監(jiān)測后發(fā)現(xiàn),很多到了更換周期的柴油機(jī)油各主要性能指標(biāo)仍保持良好,離相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出的換油參考值還相差甚遠(yuǎn)。那么500 h更換是否合理?如果不按照500 h更換,又該調(diào)整到多少小時(shí)更換?這成了擺在鉆井發(fā)電柴油機(jī)管理面前的現(xiàn)實(shí)難題。為此,挑選出3臺(tái)發(fā)電柴油機(jī)開展試驗(yàn),通過密切監(jiān)測服役柴油機(jī)油各項(xiàng)性能指標(biāo)的變化趨勢,試圖找出柴油機(jī)油的合理換油周期[1-2]。
圖1 鉆井基地發(fā)電柴油機(jī)
伴隨著節(jié)能、環(huán)保、延長換油周期的趨勢[3],潤滑油生產(chǎn)廠家在不斷的對(duì)油品規(guī)格進(jìn)行升級(jí),而與此同時(shí)設(shè)備卻一直執(zhí)行廠家多年前給出的換油周期,這明顯不合理。相關(guān)研究資料顯示可以使用燃油比來考察一個(gè)國家或地區(qū)潤滑油的用油水平,一個(gè)國家潤滑油消耗量占燃油消耗量的百分比叫做燃油比,它從一個(gè)視角反映了一個(gè)國家或地區(qū)潤滑油的使用水平。中國燃油比接近1.6%,遠(yuǎn)高于某些發(fā)達(dá)國家和地區(qū)(美國約1.0%,日本不到0.9%,歐洲約0.8%)水準(zhǔn)[4],說明中國潤滑油的使用水平還較低,而中國發(fā)動(dòng)機(jī)油使用量占到整體潤滑油消耗量的一半以上[5]。因而延長柴油機(jī)油的換油周期,于企業(yè)而言是降低維護(hù)成本,同時(shí)也能助力實(shí)現(xiàn)綠色、低碳發(fā)展。
試驗(yàn)柴油機(jī)為某國際大品牌柴油機(jī),其基本參數(shù)信息和服役年限都一致,試驗(yàn)柴油機(jī)型號(hào)和基本參數(shù)信息見表1。
表1 試驗(yàn)柴油機(jī)參數(shù)信息
本次試驗(yàn)所用油品系柴油機(jī)廠家的專用油品,其典型理化性能數(shù)據(jù)見表2。
表2 試驗(yàn)油品典型理化性能數(shù)據(jù)
試驗(yàn)柴油機(jī)開始試驗(yàn)前將上一周期使用的油品排放干凈,更換機(jī)油濾芯、燃油濾芯、空氣濾芯,盡可能保持試驗(yàn)條件的一致性,然后加入規(guī)定量的新油。試驗(yàn)過程中每100 h取樣一次[6],分析項(xiàng)目及換油參考值見表3。表3中,運(yùn)動(dòng)黏度100 ℃、閉口閃點(diǎn)、堿值、酸值、水分、Fe、Cu、Al、Si這些分析項(xiàng)目的換油參考值參考來源為GB/T 7607-2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》;氧化、硝化、煙炱換油參考值來源于國內(nèi)某大型油液監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)[7-10]。
表3 試驗(yàn)過程取樣分析項(xiàng)目及換油參考值
3臺(tái)試驗(yàn)柴油機(jī)服役油品在試驗(yàn)周期內(nèi)100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化趨勢見圖2,從圖2可看出3臺(tái)試驗(yàn)柴油機(jī)服役油品運(yùn)動(dòng)黏度在試驗(yàn)周期前半段都呈現(xiàn)降低的趨勢,這主要是由于柴油機(jī)油新油中的黏度指數(shù)改進(jìn)劑受到發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副的截切作用變成小分子,所以油品黏度會(huì)有一定程度降低[11]。在試驗(yàn)周期后半段,運(yùn)動(dòng)黏度呈現(xiàn)兩種變化趨勢,2號(hào)柴油機(jī)和3號(hào)柴油機(jī)服役油品運(yùn)動(dòng)黏度呈現(xiàn)升高趨勢,而1號(hào)柴油機(jī)則延續(xù)了下降趨勢,對(duì)升高趨勢的合理解釋是隨著油品服役時(shí)間的增加,油品因各種原因發(fā)生氧化生成膠質(zhì)等大分子導(dǎo)致黏度升高開始占主導(dǎo)作用,對(duì)于1號(hào)柴油機(jī)在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)黏度都呈現(xiàn)下降趨勢則不好解釋,很可能是個(gè)體差異導(dǎo)致的,2號(hào)和3號(hào)柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)黏度的變化趨勢更具有代表性。整體來看,運(yùn)動(dòng)黏度無論是下降還是升高,變化幅度都相對(duì)不大,下降幅度最大的為3號(hào)柴油機(jī),運(yùn)動(dòng)黏度最大下降率為-5.3%,升高幅度最大的也是3號(hào)柴油機(jī),運(yùn)動(dòng)黏度最大升高率為2.2%,這距離運(yùn)動(dòng)黏度換油參考值±20%的變化率都還有較大空間。
圖2 100 ℃條件下運(yùn)動(dòng)黏度變化趨勢
柴油機(jī)油中含有各類堿性添加劑,如磺酸鈣、磺酸鎂、苯甲酸鹽和水楊酸鹽等,用于中和使用過程中產(chǎn)生的各類酸,因而柴油機(jī)油使用過程中堿值通常會(huì)慢慢下降,當(dāng)堿值過低時(shí),表明油中的堿性添加劑消耗嚴(yán)重,會(huì)導(dǎo)致油品清凈分散性能下降,進(jìn)而可能引起油泥、積炭增多等問題[12]。3臺(tái)試驗(yàn)柴油機(jī)服役油品在試驗(yàn)周期內(nèi)堿值變化趨勢見圖3,從圖3可看出,3臺(tái)試驗(yàn)柴油機(jī)堿值整體變化趨勢是一致的,都呈現(xiàn)隨服役時(shí)間逐漸下降的趨勢,最大下降率為1號(hào)柴油機(jī)的16.5%,這距離堿值換油參考值50%的下降率仍有較大空間。
圖3 堿值變化趨勢
酸值是柴油機(jī)油重要理化性能指標(biāo)之一,柴油機(jī)油在高溫條件下氧化生成各類酸性物質(zhì)以及燃料燃燒產(chǎn)生的酸性物質(zhì)都會(huì)促使柴油機(jī)油酸值升高,因而酸值是判斷油品老化程度的重要依據(jù)。3臺(tái)試驗(yàn)柴油機(jī)服役油品在試驗(yàn)周期內(nèi)酸值變化趨勢見圖4,從圖4可看出,3臺(tái)試驗(yàn)柴油機(jī)酸值整體變化趨勢是一致的,都呈現(xiàn)隨服役時(shí)間逐漸上升的趨勢,最大增加值為1號(hào)柴油機(jī)的2.13 mgKOH/g,這已經(jīng)接近于酸值換油參考值增加值≥2.5 mgKOH/g,2號(hào)柴油機(jī)酸值最大增加值為1.37 mgKOH/g,3號(hào)柴油機(jī)酸值最大增加值為1.88 mgKOH/g,相對(duì)來說增加幅度小一些。
圖4 酸值變化趨勢
在GB/T 7607-2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》中涉及柴油機(jī)油氧化變質(zhì)的指標(biāo)主要是酸值,而酸值并不能反映柴油機(jī)油氧化降解的全部信息,柴油機(jī)油氧化變質(zhì)程度又是反映油品剩余壽命的重要因素,因而增加反映柴油機(jī)油氧化變質(zhì)程度的指標(biāo)就很有必要。紅外光譜法測定的氧化值、硝化值主要是反映柴油機(jī)油在使用中受燃燒廢氣的影響,碳氧化物、氮氧化物等物質(zhì)在一定條件下反應(yīng)生成氧化物、硝化物等酸性產(chǎn)物的濃度,因而氧化值和硝化值是酸值指標(biāo)外反映柴油機(jī)油氧化變質(zhì)程度的有益補(bǔ)充。目前國外已將應(yīng)用紅外光譜法測定在用潤滑油的變化列入標(biāo)準(zhǔn)方法ASTM E2412,例如卡特彼勒早在20世紀(jì)80年代就提出紅外油液分析檢測準(zhǔn)則,利用紅外光譜法定量測量服役柴油機(jī)油的氧化值、硝化值、燃油稀釋等參數(shù),但目前國內(nèi)該項(xiàng)應(yīng)用還不廣泛[13]。
3臺(tái)試驗(yàn)柴油機(jī)服役油品在試驗(yàn)周期內(nèi)氧化值、硝化值變化趨勢見圖5,從圖5可看出,3臺(tái)試驗(yàn)柴油機(jī)氧化值、硝化值整體變化趨勢是一致的,都呈現(xiàn)隨服役時(shí)間逐漸上升的趨勢,這與酸值的整體變化趨勢是吻合的。在增長幅度方面,2號(hào)柴油機(jī)與3號(hào)柴油機(jī)增長幅度相當(dāng),且大于1號(hào)柴油機(jī)增長幅度,此外,氧化值與硝化值變化整體是同步的,即氧化值增長幅度大小與硝化值增長幅度大小基本一致。在換油參考值方面,目前沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出服役柴油機(jī)油氧化值與硝化值的換油參考值,這里參考國內(nèi)某大型油液監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室給出的氧化值與硝化值換油參考值,都為0.1~0.5 A/0.1 mm,3臺(tái)試驗(yàn)柴油機(jī)在試驗(yàn)周期末氧化值與硝化值處在0.1 A/0.1 mm與0.15 A/0.1 mm上下,處在換油參考值的前半段,這也能從側(cè)面說明服役柴油機(jī)油氧化變質(zhì)程度處于可控區(qū)間。
圖5 氧化和硝化值變化趨勢
服役柴油機(jī)油中污染物的形式主要包括水、燃油、冷卻液、粉塵、煙炱等,在正常運(yùn)行工況下,煙炱是主要的污染物。煙炱是由多種物質(zhì)組成的混合物,其主要成分是石墨化炭黑,直徑大小約為20~50 nm,它在柴油機(jī)油中以固體不溶物的形式存在。煙炱通常形成于柴油機(jī)燃料的不完全燃燒,形成后會(huì)附著在氣缸壁上,并隨著活塞環(huán)上下的刮油運(yùn)動(dòng)進(jìn)入到油底殼,會(huì)對(duì)柴油機(jī)油的潤滑性能造成較嚴(yán)重的影響。很多研究表明,煙炱對(duì)于柴油機(jī)的危害主要表現(xiàn)在加劇柴油機(jī)相關(guān)摩擦副的磨粒磨損,導(dǎo)致柴油機(jī)油黏度增大、潤滑性能下降,并可能堵塞過濾系統(tǒng),從而影響柴油機(jī)正常工作和壽命,這些因素也會(huì)間接促進(jìn)影響柴油機(jī)油的老化過程,因而對(duì)于服役柴油機(jī)油煙炱也是一項(xiàng)重要的監(jiān)測指標(biāo)[14-15]。
3臺(tái)試驗(yàn)柴油機(jī)服役油品在試驗(yàn)周期內(nèi)煙炱含量變化趨勢見圖6,從圖6可看出3臺(tái)試驗(yàn)柴油機(jī)煙炱含量整體變化趨勢也是一致的,都呈現(xiàn)隨服役時(shí)間逐漸上升的趨勢。在增長幅度方面,2號(hào)柴油機(jī)與3號(hào)柴油機(jī)增長幅度相當(dāng),1號(hào)柴油機(jī)增長幅度相對(duì)較小。在換油參考值方面,目前沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出服役柴油機(jī)油煙炱含量的換油參考值,這里參考國內(nèi)某大型油液監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室給出的煙炱含量換油參考值,為≤0.5 A/0.1 mm,3臺(tái)試驗(yàn)柴油機(jī)在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)煙炱含量最大值在0.15 A/0.1 mm以內(nèi),表明服役柴油機(jī)油中煙炱含量整體還是可控的。
圖6 煙炱含量變化趨勢
試驗(yàn)過程中對(duì)相關(guān)元素含量變化的監(jiān)測可以掌握柴油機(jī)的磨損和污染情況。鐵元素通常來源于缸套與活塞環(huán)的磨損,銅元素通常來源于柴油機(jī)軸承保持架的磨損,鋁元素通常來源于活塞與氣缸壁的磨損,硅元素通常來源于外界粉塵顆粒的污染。試驗(yàn)過程中3臺(tái)柴油機(jī)服役油品鐵、銅、硅元素變化情況見圖7,鋁元素變化情況見表4。
圖7 Fe元素含量變化趨勢
由Fe、Cu、Si元素含量變化趨勢可看出,F(xiàn)e元素含量呈現(xiàn)隨服役時(shí)間逐漸上升的趨勢,但整體上升幅度有限,試驗(yàn)?zāi)┢贔e元素最高含量也在20 mg/kg以下,遠(yuǎn)低于換油標(biāo)準(zhǔn)值150 mg/kg;Cu元素含量變化趨勢并不明顯,呈現(xiàn)隨服役時(shí)間緩慢增長的態(tài)勢,但整體變化值很小,試驗(yàn)?zāi)┢贑u元素最高含量也在4 mg/kg以下,遠(yuǎn)低于換油標(biāo)準(zhǔn)值50 mg/kg;Si元素含量變化趨勢更加不明顯,基本上是圍繞2~3 mg/kg上下波動(dòng);Al元素在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)都未變化,且其值一直<1 mg/kg。從上述元素監(jiān)測結(jié)果可知,在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)柴油機(jī)磨損情況較輕微,且外界粉塵污染物侵入情況也較輕微。
3臺(tái)試驗(yàn)柴油機(jī)服役油品其他指標(biāo)在試驗(yàn)?zāi)┢诒O(jiān)測情況見表4。水分、閃點(diǎn)(閉口)這些指標(biāo)也是影響服役柴油機(jī)油使用壽命的重要指標(biāo),但這些指標(biāo)在試驗(yàn)期間一直保持與試驗(yàn)開始時(shí)接近的值未變化,表明試驗(yàn)期間未發(fā)生與這些指標(biāo)超標(biāo)相關(guān)的因素(水分侵入、燃油稀釋等),同時(shí)也可以看出這些指標(biāo)與柴油機(jī)油服役時(shí)間相關(guān)性不強(qiáng)。
表4 其他指標(biāo)在試驗(yàn)?zāi)┢诒O(jiān)測值
(1)3臺(tái)試驗(yàn)柴油機(jī)在1000 h試驗(yàn)周期內(nèi)沒有指標(biāo)超出換油標(biāo)準(zhǔn)值,大部分指標(biāo)在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)還有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)余量,只有個(gè)別指標(biāo)開始接近換油標(biāo)準(zhǔn)值。變化幅度較大的是酸值、堿值,其次是氧化、硝化、煙炱、Fe元素含量等指標(biāo),水分、閃點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)黏度100 ℃、Cu元素含量等指標(biāo)在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)無變化或是變化幅度很小。
(2)試驗(yàn)結(jié)果表明將鉆井發(fā)電柴油機(jī)油品更換周期由原來的500 h延長至1000 h基本上是可行的,且本次試驗(yàn)選取的柴油機(jī)服役年限是8年,基本處于鉆井柴油機(jī)服役年限的中位數(shù)水平,因而具有較好的代表性。同時(shí),考慮到柴油機(jī)的相關(guān)故障與柴油機(jī)油之間可能存在滯后關(guān)聯(lián),因而也不宜立即將柴油機(jī)油新更換周期全面推廣,較穩(wěn)妥做法是選擇部分柴油機(jī)執(zhí)行新?lián)Q油周期,待開展多個(gè)監(jiān)測周期無異?;蚴峭ㄟ^大修確認(rèn)無異常后,再將新的換油周期推廣開來。
(3)通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,GB/T 7607-2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》對(duì)于鉆井基地這種固定式發(fā)電柴油機(jī)適用性可能不是太強(qiáng),一是有些指標(biāo)可能不太適用,如監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示鉆井發(fā)電柴油機(jī)不太可能出現(xiàn)Si元素含量超標(biāo);二是指標(biāo)的換油參考值整體還顯得過于寬泛,指導(dǎo)性不強(qiáng)。未來,通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累,建立起鉆井發(fā)電柴油機(jī)服役油品換油標(biāo)準(zhǔn),通過更加精準(zhǔn)指標(biāo)和換油參考值的設(shè)置,保證在柴油機(jī)運(yùn)行可靠的前提下,更經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)換油周期延長。