介电常数法评定舰用汽轮机油分水性能研究

王建华 张博

摘要：基于油水混合电介质的介电常数与水分离的变化规律，利用介电常数法评定主流舰用汽轮机油的分水性能，测定油样的破乳化时间和分水后油层的含水量，分析电容变化率与分水时间的关系，以及油层微观形貌，目的是研究介电常数法评定汽轮机油分水性的可靠性。研究发现，介电常数法能够判定舰用汽轮机油的破乳化时间，且具有较好的重复性;因某些汽轮机油组分的抗水洗性能差，油水混合后会在电介质中引入带电离子，致使电容器测量精度受到巨大影响。

关键词：介电常数;汽轮机油;分水性;评定方法

中图分类号：TE626.3 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）09-0130-08

0 引言

舰船汽轮机以水蒸气为工作介质，使得舰用汽轮机油在使用过程中不可避免地混人水分。分水性是表征舰用汽轮机油抗乳化性的主要理化性能指

收稿日期：2017-12-08;收到修改稿日期：2018-11-16

作者简介：王建华（1970-），男，江苏溧阳市人，研究员，博士，主要从事润滑设计、润滑剂研制以及润滑剂性能评定研究。标[1]。如果分水性能不好，水进入汽轮机油便会引起油品乳化，使得油水不易分离，将引发汽轮机油加速氧化变质及润滑部位腐蚀生锈，从而影响整个润滑系统的正常工作，给设备带来极大的危害。

目前，我國现用国家标准GB/T 7305-2003《石油和合成液水分离性测定法》和行业标准SH/T0191-1992《润滑油破乳化值测定法》评定舰用汽轮机油分水性能[2-5]。同时，国际上公认的用于评定汽轮机油分水性能的方法有美国材料与试验协会标准ASTM D1401，联邦德国工业标准DIN51589-1，国际标准化组织标准ISO6614，日本国家标准JISK2520，法国国家标准NFT60-125，英国国家标准BS2000-19，以及前苏联国家标准FOCT12068-66等多种评定方法[6-8]。我国现用的GB/T7305-2003和SH/T0191-1992分别源自美国标准ASTMD1401和英国标准BS2000-19，属于宏观定性分析分水性能，试验全过程由人工记录数据，依靠人眼判断分水体积从而得出试验节点，自动化程度较低，受人为影响因素大;有时，评价合格的油品在实际使用中破乳化后油内仍含有大量水分，无法反应油层内即时含水、分水速率等情况，无法表征油层内的游离水即时分离程度，对研制破乳剂配方提供分水性评定指标不直观。

在润滑油性能检测中，介电常数已被引入到性能检测或监测的技术中。以油液和引入杂质的混合介质的介电常数变化为依据，通过电容值表征油品指定性能的检测法叫做“介电常数法”。目前，利用介电常数法检测油品性能的研究已在多种油品、油品的多种性能检测等方法展开，研究结果表明，介电常数法能够明显表征出油品的颗粒污染物（包含铁、SiO₂等外来颗粒）、酸值、水分等指标的变化情况[9-14]。以上研究多集中于表征油品引入微量杂质条件下的性能变化。对于油品引入大量杂质，且混合介质发生变化和快速分离时，介电常数法能否继续适用，以及混合介质变化对传感器的设计提出何种要求等方面的研究并未深入讨论。

本文将依托电容器，结合试验仪器特点制定评定方法，利用油水介电常数相差大的特点，在引入大量水分情况下，考察舰用汽轮机油的分水性能，确定试验油样的破乳化时间，测量分水后油层含水量，观察油层微观形貌，分析用介电常数法评定舰用汽轮机油分水性能的可行性及需要改进的方面。

1 原理部分

1.1 电介质介电常数应用原理

1.1.1 电介质介电常数与测量电容值

介电常数，又称电容率，可通过测量平行板电容器的电容来计算介电常数。当电容器内充满介电常数为。的均匀电介质时，电容器的电容量与极板尺寸及其间电介质的介电常数存在以下关系：

式中：S——电容器单.极板的面积;

d——两个极板之间的间距;

ε₀——真空介电常数，ε₀=8.85×10^-12;

ε_r——电介质相对介电常数;

C₀——无电介质时电容器的电容。

可以看出，通过测量含有电介质时电容器的电容C的方法，可以得到该电介质的相对介电常数ε_r，表达式为：

当一个电容传感器制作好后，其电极板面积s和极板间距离d就是固定值，其在真空中的电容值C₀也是固定值。所以，电容值仅与电容内的电介质的介电常数有关。此时，电介质的介电常数可通过测量电容值进行表征，当电介质的介电常数变化时，所测电容值也随之变化。

1.1.2 电介质介电常数的变化

润滑油是一种复杂的混合物，可以看作是弱极性液体电介质，当润滑油中未引入污染物时，其介电常数约为2。此时，将润滑油作为电介质，电容两极加产生场强Eo的电压时，测得的电容值是一个固定值。当将水作为污染物引入润滑油时，将含水润滑油的混合物作为电介质，在电容器两极加场强E₀的电压，润滑油介质电子定向移动会产生一个与外加电场E₀方向相反的弱电场E₁，水在电场中也会激发一个与E₀反向的弱电场E₂，此时电容极板间的合电场E为E=E₀-E₁-E₂，此时可得电容内混合电介质的介电常数ε与电场强度的关系为：

由式（3）可以看出，在外加电场情况下，平板电容间的润滑油和水中的极化电子的定向移动所产生的两个电场削弱了外加电场，混合电介质中的极化成分越多，产生的反相电场强度越大，使得混合电介质的介电常数就越大。当油水混合电介质中的水从中分离时，混合电介质中的极化成分减少，反相电场强度变弱，混合电介质的介电常数变小。所以，油水混合电介质的介电常数会随水从混合液中分离而逐渐变小，当油水分离结束时，此时的电介质介电常数将稳定不变。

1.1.3 应用原理

本文所述的介电常数法是将舰船汽轮机油及水分作为电介质，在外加电场条件下，利用油（相对介电常数约为2）混入水（相对介电常数约为80）后所产生的反相场强较大，使得混合电介质的介电常数大于纯润滑油，再结合舰船汽轮机油具有分水性能的特点，在油水分离过程中，油液中的水分减少，引起混合介质的介电常数下降，使得测量电容值下降，根据电容值变化率由快到慢的时间来评定油品的分水性能。

1.2 实验仪器工作原理

1.2.1 仪器结构

本研究所用的是平行板结构电容器，为方便试验中油水混合搅拌，并减少搅拌结束至开始测量这段准备时间，特将12块矩形金属板环绕搅拌轴等距纵向排布，每相邻的两块金属板是正负极，相隔极板为同极;搅拌轴底端与电容器有一段分开距离，在此设有由高速电机驱动的搅拌桨，完成油水混合的搅拌工作，其外观结构如图1所示。另选用LCR测量仪（电感、电容及电阻测量仪）连接正负极接线柱测量电容值，选取工作频率为1kHz。试验油与水的混合介质置于容积约为200mL，直径略大于搅拌桨的不锈钢圆柱形盛油器，套于电容外并固定。

1.2.2 工作原理

在电容器两极加电场，所测电容值与电容极板间填充的油水混合相的介电常数有关。盛油器中的油水混合液在搅拌桨的搅拌下，形成均匀的乳状液（图2（a）所示）。当搅拌停止时，乳状液中的水相从油相开始脱离（图2（b）所示）。隨着时间增加，水层逐渐明显，乳化层高度降低，油层高度增加，整个混合相中的含水量在降低，此过程中电容器极板间的电介质介电常数在下降，所测电容值在下降。当破乳化完成，油层、水层、乳化层基本稳定时（图2（c）所示），油层将充满整个电容器的两极之间，此时油层内的水量较少，水相分离速度变得非常缓慢，介电常数会缓慢下降甚至稳定不动，表现为测得的电容值变化较小或稳定。当在一段时间内，所测电容值变化幅度达到实验设计要求，便停止测试，认定此时油水分离已经结束。

2 实验部分

2.1 实验材料

试验油选用符合美国、俄罗斯及我国军用产品规范的舰用汽轮机油，对试验油进行编号，以字母代表生产厂家，以数字代表生产批次，具体情况如表1所示。

2.2 实验方法

1）室温条件下，称量135mL的试验油和20mL的蒸馏水（设计此油水加入量是为满足油水分离后，水层和乳化层高度不会达到电容器极板的最底端，油层顶端要漫过整个电容器极板，使得极板之间充满且仅有均匀相，如图2（c）所示）注入盛油器，并套于电容器外固定。连接LCR测量仪，选取测量电容模式，设置工作频率为1kHz。打开搅拌器开关，以转速1000r/min，搅拌1min，关闭搅拌器。从关闭搅拌器开始，每1min记录一次LCR仪所示电容值，直到3次连续记录的电容值差不大于0.1pF，即可停止试验，此时的时间即为油样的破乳化值。以上实验步骤重复3次，取平均值作为试验油的最终破乳化值。

2）利用梅特勒V30水分仪，以卡尔·费休法（GB/T11133-89）测量油水分离后油层含水量，每个油样进行3次试验，取平均值。

3）选用德国卡尔蔡司产Axio Scope.Al型研究级正置数字显微镜观察油层微观形貌。

3 结果与分析

3.1 电容值-时间与含水量分析

图3（a）～（h）是用介电常数法测得A1油-E3油的电容值与时间关系曲线。将各油样每次试验的破乳化值结果记录在表2中，每个油样测定3次，以平均值作为破乳化值，E1、E2、E3油无法达到砌金要求的电容差值的结束条件，故未测得破乳化值。A1油～E3油分水后油层含水量的测定结果如表3所示，以平均值为含水量值，结合表2的破乳化值，C油分水速率最快，其分水后的油层含水量较高，达到了4.372%，B油分水速率较低，分水后油层含水量也较低，为2.434%。E1～E3因不满足试验结束要求的电容差值，故其含水量是在分水很长时候后测得，所以其含水量降到1.3%左右。

油水分离过程中，复合标准GJB 1601A-1998的油样所表现出的电容值变化情况类似，并区别于其他5个油样。A1油在前2min内分水速率较快，4min内完成分水，破乳化值为3min，油层含水量为3.450%，分水结束时3次试验所得电容值均比较稳定，电容稳定值存在略微差值，试验重复性较好，如图3（a）所示。A2油分水过程中所测电容值一直下降，5min内满足试验停止条件，破乳化值为4.7min，油层含水量为5.92%，分水稳定时3次试验所得电容值相差不大于0.9pF，试验重复性较好，如图3（b）所示。B油分水时间较长，在前30min一直处于快速分水阶段，30min以后分水速度下降趋于停止，40min内完成分水，破乳化值为37min，油层含水量为2.434%，分水结束稳定阶段，3次试验所得结果偏差在3 pF以内，其中第2次试验出现先下降又快速回升的情况，应该与设备测量误差有关，整体所得结果在测量误差允许范围内，如图3（c）所示。C油分水速度很快，2min内完成分水，破乳化值为1.3min，油层含水量为4.372%，分水结束时测得电容值稳定，幅度范围不大于0.1pF，如图3（d）所示。D油分水速度较快，2min内完成分水，破乳化值为2min，油层含水量为3.421%，分水结束时所得电容值稳定不变，3次试验重复性很好，如图3（e）所示。E1油分水时间较长，在进行100min时还未达到试验停止条件，人为停止试验，测得此时油层含水量为1.358%，判断实际油水分离应早就完成。其分水过程中所测电容值与时间关系与前4个油样存在明显区别（如图3①所示），主要表现在：1）电容值变化态势为随时间先上升后下降（前3个油样多为直接下降）;2）测得电容值偏高，试验未加样前测得电容值为12.8pF，分水过程中测得最高电容值超过3500pF，分水100min时，所得电容值最低也接近2000pF，按测试原理公式（1）计算，所得最小介电常数接近160，该值已超出水的介电常数（80）;3）试验所得电容值变化趋势虽然表现为总体下降，但经过很长分水时间后，一直没有达到设计试验结束条件;4）3次试验所得电容值曲线重合性不好，试验重复性较差。E2油和E3油分水过程中测得的电容值一时间曲线的变化趋势与E1油有相同之处，也有一定的差别。如图3（g）和图3（h）所示，相同之处在于：电容值均是先上升后下降，分水时间长，试验结束条件难以达到，试验重复性差;区别在于：E2油与E3油测得的电容值较E1油有所下降，以公式（1）计算得出的介电常数值在理论允许范围内。E2油与E3油时间结束时油层内含水量分别为1.303%和1.243%。

3.2 电容值变化复杂情况分析

分析发现，复合产品规范GJB1601A的油样在试验过程中均测得的电容值较大，并且电容值降低缓慢，长时间无法达到实验设计的结束条件，而其他油样则不存在这种现象。分析产品规范GJB1601A与非GJB1601A的汽轮机油的成分组成，得出规范GJB1601A的汽轮机油中添加了防锈剂十二烯基丁二酸（T746），而非GJB1601A的汽轮机油中没有添加这种防锈剂。为判断引发这种现象的原因是否由于油品中加入T746，进行以下测试：1）测量符合规范GJB1601A的油样油水混合前后水层的pH值;2）在非GJB1601A的油样内加入0.1%T746，之后测量油样混水前后水层pH值。表4是GJB1601A油样混水前后水层的pH值;表5是非GJB1601A油样油水混合前后水层的pH值。

表4所示，E1油、E2油和E3油在油水混合后，水层的pH值均发生不同程度的降低，呈弱酸性，说明这3个油样中含有能够遇水发生反应生成水溶性酸的物质，使得水层pH值下降。这3个油样中均含有T746，至于水层pH值变化程度不一的原因在于：一是不同批号的汽轮机油加入的T746量有区别;二是分水使得防锈剂T746被洗出，洗出程度不同。

表5可以看出，C油和D油在未加入T746以前，油水混合前后水层的pH值变化不大，基本保持中性，油水混合没有改变水层的酸碱性。而当这两种油中加入T746后，油水混合前后水层的pH值变化较大，pH值明显降低，呈现弱酸性，说明T746遇水形成了水溶性酸，给油水乳状液中引入了酸性离子。

结合以上分析，得出含有T746的汽轮机油在发生油水混合时，T746遇水会生成水溶性酸使得水层的pH值下降，水层内的游离H蹭加。同时，游离的H啥溶解在水中，同未分离的水滴一同存在于油层内。当油层在外加电场作用下，水滴内的H啥发生极化，产生定向移动，形成非常微弱的电流，连通电场两极。对于电容器而言，则表现为充电的同时发生放电，影响了电容值的变化规律，以至于出现电容值过大、变化缓慢、不稳定等现象的发生。

3.3 油层微观形貌分析

乳状液是高比界面积体系，多个小液珠合并成一个大液珠的过程是一个不可逆过程。它将导致液珠数目逐渐減少和液珠平均直径不断增大，经过絮凝、聚并、沉降3个过程，最后使乳状液完全破坏，油相和水相分离。液珠聚并主要受两个过程控制，一是液珠之间液体的排液，二是油水界面膜的破裂。油水分离过程中，乳状液中的液珠粒度越大，界面膜越薄，越利于破乳化。液膜的排液动力主要来自重力、弯曲界面压差、流动压差、布朗运动、液珠运动的惯性力，统称为聚并力。液膜的稳定性取决于上述各种作用力的方向、相对大小和液膜内液体的性质。

为确定舰用汽轮机油混水后的分水程度，分析了油层的微观形貌。图4是8个油样试验结束时油层的微观形貌。尽管分水试验已经结束，但油层中还含有不同数量的液滴，液滴的直径大小分布、形貌、数量有所不同，油层内仍然含水。

A1油与D油含水量接近，液滴直径大小分布接近，A1油液滴以圆形为主，D油中液滴多数以不规则椭圆形为主，液滴密度相近，图4（a）和图4（d）。A2油层内液滴密度较大，且液滴直径分布较窄，多数以大液滴为主，验证了AZ油含水量大的测量结果。B油的液滴密度与A1油接近，其中直径较大的液滴内含有较多直径较小的液滴，液滴含液滴的形貌比较明显，如图4（c）所示。说明B油形成了油包水，水又包油的乳状液形式，这种复杂乳状液的油水分离过程比较缓慢，解释了B油分水时间较长的现象，且大水滴中的油滴占据了一定的体积，验证了含水量略低于A1油的结果。C油含水量较大，油层内液滴直径明显大于其他油样，大直径液滴内含油滴较少甚至没有，液滴密度较大。C油分水结束时间最短，但油层内还有大量水分没有分出，其破乳化值并没有准确地表征C油的分水性。E1油、E2油和E3油采用该方法评价分水性时，并没有得到准确的破乳化值，试验进行了100min结束，该操作给油水分离提供了充分的时间。3个油样油层内液滴密度、液滴直径均小于其他油样，验证了含水量小于其他油样的结果。A2油油层内液滴密度较大，且液滴直径分布较窄，多数以大液滴为主，验证了A2油含水量大的测量结果。

介电常数法以破乳化值作为检验油品分水性能优劣的评判标准。A1油、A2油、B油、C油和D油可以用该方法评价其分水性能，但受电容器设计结构、试验方法及油品分水性能差异的限制和影响，当时间结束时，油层内依然含有大量水分，并不能准确表征油品的分水性能。而对于符合标准GJB1601A的油样（E1油、E2油和E3油）而言，因受引入外来离子的影响，以致试验一直没有达到结束条件，分水时间较长，如果以破乳化值作为分水性优劣评判标准，那么这3个油样的分水性能应是所有样品中最差的。但结合油层微观形貌分析结果，这3个油样是所有样品中含水量是最少的，油水分离效果最明显，所以无法用本方案中所用的电容器准确地评定符合产品规范GJB1601A油品的分水性。

4 结束语

1）介电常数法能够判定舰用汽轮机油的破乳化时间，且该方法具有较好的重复性，正确地使用介电常数法能够准确快速地评定汽轮机油的分水性能，减少传统评定方法因引入工操作引入的测量误差;同时，实验过程中能提供油水即时分离速率，为遴选、研制破乳化剂提供一种试验手段。

2）当复合产品规范GJB 1601A汽轮机油引入水分后，汽轮机油中的组分防锈剂（T746）因其抗水洗性能差，形成水溶性酸，使得电介质中含有游离H⁺，引发无绝缘设计的电容器测量精度受到巨大影响，无法完成破乳化时间的确定。

3）将介电常数法应用到舰用汽轮机油分水性能评定上，需要将电容器的结构设计、测量精度、工作频率与电压以及试验方法等多个方面视为应用研究的重要工作，以提高测量精度，将外界因素产生的各种影响降至最低。

参考文献

[1]王建华，李金龙，李春生，等.汽輪机油乳化与破乳机制[J].润滑与密封，2012，37（12）：89-95.

[2]石油和合成液水分离性测定法：GB/T 7305-2003[S].北京：中国标准出版社，2003.

[3]润滑油破乳化值测定法.SH/T 0191-1992[S].北京：中国石化工业出版社，1992.

[4]涡轮机油：GB11120-2011[S].北京：中国质检出版社，2011.

[5]舰用防锈汽轮机油规范：GJB1601x-98[S].北京：中国标准出版社，1998.

[6]Methods of test for petroleum and its products part 19：determination of demulsibility characteristics of lubricatingoil：BS 2000-19：2011[S].BSI Standards Publication，Incorporating corrigendum，2011.

[7]Petroleum products一determination of water separability ofpetroleum oils and synthetic fluids：ISO 6614-2002[S].BSIStandards Publication，Incorporating corrigendum，2001.

[8]石油製品-潤滑油-水分離性試驗方法JIS K2520-2000[S].日本工業規格，2000.

[9]王志宽.汽车机油品质劣化规律研究[J].内燃机与配件，2018（2）：53-54.

[10]王维舟，张侃健.基于介电特性的无人值守平台发电机润滑油自动更换系统设计[J].工业控制计算机2018，31（3）：134-135.

[11]黄建伟，刘学强.船舶柴油机滑油异常变质规律研究[J].船舶标准化工程师，2018，51（5）：54-57.

[12]白亚昊.利用柴油介电特性快速检测其润滑性的方法研究[D].济南：山东大学，2017.

[13]徐杰.嵌入式润滑油液特性监测分析系统[D].南京：东南大学，2017.

[14]毛绵庆，田洪祥，龚小龙，等.油液水分传感器的分辨率研究[J].计量与测试技术，2016，43（8）：61-62.

（编辑：徐柳）