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中速柴油机滑油的氧化问题(oxidation)

氧化这一话题在前面几篇与滑油有关的文章中都有提及到,众所周知只要是滑油都会有发生氧化的机会。相比其他一般油品来说,船用润滑油中的中速柴油机滑油的工作温度比较高,并且会接触到氧气,所以发生氧化的概率大很多,在化验中速柴油机滑油时一般都会测试油品的氧化度(oxidation),我们在解读化验报告时偶尔也会有发现油品氧化度超标的现象,我们今天来简单介绍一下导致中速柴油机滑油氧化的原因、影响、测试方法以及如何处理氧化度超标的情况。

关键词: 氧化度,粘度,金属催化,漆膜,沉积物,油泥

1. 什么是氧化 

滑油氧化是油品在高温下暴露于空气(氧气)而引起的自由基过程,通俗的讲就是油品发生老化。氧化开始链反应,该反应开始于自由基的形成并逐渐形成多种氧化产物。而污染物如水、金属(柴油机中的金属部件以及金属磨料)、燃油、燃烧产物等会起到催化作用而加速油品的氧化进程。一般情况下,矿物质滑油的油温在60°C以上时,温度每升高10°C,氧化速度便会加倍。下图1所示的发生油品氧化的几个元素。当然油品氧化的速度很大程度上取决于滑油的自身品质。

图1:油品氧化的元素

滑油的氧化除了与自身品质外,与使用的工况条件有密切关系,如温度、压力、所接触金属的催化作用强弱等。其中很重要的一个因素是金属的催化作用。实验证明很多金属元素对滑油的氧化都有催化加速的作用,特别是某些金属的组合,使得油品的氧化速度呈几何级上升,如下图2所示不同金属组合对滑油氧化速度的影响,测试结果以总酸值和粘度的增加作为衡量指标。所以当在滑油化验报告中发现这些金属元素偏高时需要注意油品的氧化趋势,条件允许的话可以考虑缩短油样化验的频率以密切监控油品的氧化情况,避免长时间使用过度氧化的油品而对柴油机造成一些不良影响。

 

图2:金属催化加速滑油的氧化速度

这里需要提一下氧化(对应的是油品的抗氧化能力)和热裂解(对应的是油品的热稳定性)的区别:热裂解一般发生在300°C以上,这时滑油会发生分子裂解;而氧化需要有氧气的参与,温度也不用太高就会发生氧化,如下图3所示。热管测试可以评定油品的抗氧化能力以及热稳定性能,将试管放置在不同温度环境下以及是否加入氧气进行静止测试,油品的热管测试在之前几篇文章中有相关介绍。

图3:热裂解和氧化的区别

2. 氧化的原因

氧化的原因除了油品自身的品质以外,一般有以下原因:滑油工作温度过高,换油周期太长,来自燃油以及燃烧产物的污染,金属的催化作用,以及发生燃烧室窜气等原因。

某些原因可以参考【中速柴油机滑油里的烟炱问题(soot)】以及前几篇文章中的相关介绍。

而温度过高一般是由于以下原因造成的:

  • 柴油机长期超负荷运行

  • 缸套冷却不足

  • 滑油冷却器堵塞或滑油管路堵塞,失去了滑油的冷却作用

  • 曲轴箱油泥过多

  • 润滑油粘度不对

  • 泵或曲轴箱的油量不足

  • 循环的油量不足

  • 燃烧定时不对

3. 氧化的影响 

中速柴油机滑油氧化的结果是分子量不断增大,最终可能会形成漆膜(胶质)、沥青质(和燃油作用)、油泥和其他不溶沉淀物。滑油一旦发生氧化,就会导致油品质量下降,起不到基本的润滑保护作用,从而影响柴油机的安全运行。 

一般情况下润滑油是碳氢化合物,润滑油氧化后成为各类氧化物,粘度变稠,颜色往往变深,而且有可能会产生一些刺激性的气味。油品氧化后形成的酸性物质会腐蚀金属部件,并加剧磨损的发生,柴油机部件的使用寿命会受影响。

所以为了降低滑油的氧化速度,延长油品的使用寿命,一般都会在油品中添加抗氧化添加剂。关于抗氧化添加剂的分类(一般按原理可分成三大类)以及工作原理这里就不进行赘述,有兴趣的朋友可以上网搜索相关内容。

4. 氧化的测试

油品的氧化速度一般比较缓慢,并且不是线性加速的关系,因此检讨滑油氧化的状况应该看趋势,而不是看单个样品的化验结果。

那我们如何来判断和测试滑油的氧化程度呢,一般可以通过以下情况来判断:

  • 粘度,如果氧化程度比较严重,那粘度会升高的比较明显

  • 酸值,氧化产生的大量羧酸会导致滑油的酸度增加

  • 红外光谱FTIR,可以检测到含羰基化合物(醛,酮,羧酸等)的产生,从而判断氧化的程度

油品氧化的测试结果只是一个指数数值,需要对比使用不同时间的样品的氧化程度来判断滑油的氧化趋势。对于船用矿物质润滑油(如柴油机滑油)的氧化程度,一般会用红外光谱法来测试。不同实验室对油品的氧化指数设定的报警值有所区别,一般情况下对柴油机滑油的氧化指数的上限设定来说,20为黄色预警,30为红色警报。

我们对2万个中速柴油机滑油样本做了统计分析,只有9个样本在30以上,最高超过80;氧化度指数在20-29为41个;224个样本的氧化指数在15-19之间,分布情况如下图4所示。

图4:化验结果的分布情况

其他类型滑油的氧化程度测试方法会有所不同,如对于合成油来说一般会测试油品的酸值;而对于透平油来说可能会用到一些特殊方法,如RULER (RemainingUseful Life Evaluation Routine剩余寿命的评估)或是RPVOT (Rotating Pressure Vessel Oxidation Test 旋转氧弹测试法)等。而有些方法是不能用来评估柴油机机油的氧化程度,如RPVOT。

5. 纠正措施

纠正措施一般有:

  • 根据油品本身的品质以及柴油机的型号来指定合适的换油周期,避免长时间使用品质比较差的油品

  • 监控柴油机的运行温度,如温度发生异常需要及时找到原因并采取改善措施

  • 检查喷油嘴, 注意空气燃料比,减少燃油以及燃烧产物对滑油的污染

  • 检查是否发生过量的窜气,并进行及时调整,避免窜气对滑油氧化的影响。 

6. 案例分析

案列分析:

· 发动机为MAN 6L21/31

· 滑油为4040

· 燃油在2020之前用的是高硫重油,2020之后改用0.5%低硫调和燃油

化验报告如下图5所示,前4次的结果显示氧化程度一直呈上升趋势,而且升高的很快。并且烟炱含量、水含量(冷却水)、碱值等参数也一直在恶化。

图5:化验结果变化趋势

初步判定是柴油机发生了过量的窜气,并且燃烧状况不是很好,需要考量燃油质量、燃油的雾化情况(油头工况),活塞环和缸套的磨损状况等因素。船上只是在最近更换了滑油,并没有对潜在的原因进行检查和修正,所以在使用不久后,各类参数相比新油状况来说,又有了异常升高的征兆。所以建议船上需要找到根本原因,并进行及时补救,单单换油是不能解决问题的,只能是在不能停机情况下的应急措施。

7. 结束语

中速柴油机滑油的氧化情况虽然没有烟炱问题这么普遍,但也不能轻易忽视,因为油品一旦发生氧化而不及时采取有效措施,会导致柴油机发生严重故障。通过上述的简要介绍,我们大致了解了滑油氧化的可能原因,对柴油机的影响,以及如何来解决油品氧化的问题。以减少油品发生氧化的机率或是延缓氧化的趋势,从而延长油品的更换周期,并确保柴油机的稳定运行,从而达到减少柴油机总的运行维护的成本。

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