涡轮机组润滑油抗氧化指标分析及寿命评估

于彦博，，杨磊，何伟

（1.广州机械科学研究院有限公司，广东广州 510700；2.中国石油化工股份有限公司济南分公司，山东济南 250000）

习近平主席在第75届联合国大会上向国际社会作出了“碳达峰、碳中和”的郑重承诺[1]，这对石油炼化企业的管理提出了新的挑战，减少碳排放是其绿色发展、提升竞争力的内在要求[2]。维持设备正常运行使用的润滑油在原油提炼和废润滑油的焚烧处理过程中也有碳的排放[3]。炼化企业大型透平式压缩机、汽轮机组等设备用油量大，一般按规定在4年大修期更换油品，成本巨大且伴随资源浪费。故分析优化润滑油使用周期，是减少碳排放、节约石油资源的重要措施[4]。

目前，对润滑油延长使用的研究大多集中在废油再生技术[5，6]领域，通过处理设备更换下来的废油以达到综合利用目的，进而实现环保和经济效益。如果可以分析评估润滑油的运行状态，科学延长其使用寿命，从源头减少废油或减缓废油产生，将更有利于减少碳排放。目前对润滑油的寿命评估多为模拟试验[7，8]，分析油品氧化程度，进而分析剩余寿命，与设备实际运行联系不够紧密。该文通过连续监测石油炼化企业涡轮机组运行油状态，分析油品氧化指标，评估使用寿命，制定相应的维护策略，实现节能减排。

1 涡轮机油抗氧化性能

涡轮机油主要成分是以烃类化合物为主的基础油，在高温及与氧气接触的情况下不可避免发生氧化，氧化后产生的酸、油泥和沉淀物质使油品变质，缩短油品寿命。润滑油的氧化反应遵循自由基链反应机理进行[7]，烃类氧化形成了自由基和过氧化物。

润滑油中的抗氧化剂能与油品氧化反应过程产生的R·和ROO·基团或过氧化物相互作用，从而中断氧化的连锁过程，起到延缓基础油氧化的作用[9]。涡轮机油所添加的抗氧化剂主要是屏蔽酚型和芳胺型，两种抗氧化剂各自作用的同时也具有明显的协合效应[10]。胺型抗氧化剂捕获ROO·的能力比酚型强；但是胺型抗氧化剂捕获自由基ROO·后，生成的新自由基不稳定，会与酚型进一步反应，生成更稳定的自由基屏蔽酚使芳胺再生，因此涡轮机油中的酚型抗氧化剂最先被消耗完。

2 油品寿命评估实施

选取了某炼化企业催化主风机、富气压缩机、加氢循环氢压缩机、发电汽轮机等12台涡轮机组设备进行研究。设备最近一次大修时间为2016年6月，检修期间更换某品牌L-TSA46汽轮机油（A级）新油，计划分别于2021年10月和2025年6月分别进行一次检修。假设油品继续使用至2025年6月，预估其当时的抗氧化性能，从而调整2021年10月检修时的换油计划。由于设备运行参数、作用介质及润滑系统不同，油品的氧化速率和添加剂消耗速率不同，因此每台设备油品的氧化指标变化需要单独分析。设备使用的油品牌号相同，油品旋转氧弹时间和抗氧化剂含量的对应关系相同。

该次研究共对12台设备用涡轮机油进行5次油品检测，以第一次油品检测时间2019年6月为T0，2019年7月为T1，以此类推，进行最后一次油品检测时间2021年1月为T19，计划检修时间则为T72。

检测油品抗氧化性的项目为旋转氧弹法（RPVOT）抗氧化性测试和RULER法抗氧化剂含量检测。

2.1 旋转氧弹法（RPVOT）抗氧化性测试

旋转氧弹法（RPVOT）是一种快速评定涡轮机油抗氧化性（氧化安定性）的方法。该方法利用氧弹产生一个氧压力，在150℃、水和铜催化剂存在的条件下，加速油品老化过程，试验达到规定的压力降所需的时间（min）即为试样的抗氧化性指标，时间越长说明油品抗氧化性能越好。

2.2 抗氧化剂含量（RULER法）检测

抗氧化剂含量（RULER）检测用于了解新油抗氧化剂组成和含量，也可以测定抗氧化剂的损耗情况。RULER检测基于线性伏安法，在特定电压值下，溶液中抗氧化剂的化学活性被激活，形成氧化电流，并得出一条氧化电流对电压的曲线，即为RULER曲线。随后通过仪器软件将新油与旧油的RULER曲线峰面积相比，算出旧油的剩余抗氧化剂含量。

2.3 涡轮机油抗氧化性能评价标准

相关研究表明，涡轮机设备油品的部分理化指标随使用时间增加逐渐劣化，通常其抗氧化性最先达到限值。《NB/SH/T 0636-2013 L-TSA汽轮机油换油指标》要求L-TSA46汽轮机油抗氧化性换油标准为旋转氧弹测试结果＜60 min，《GB/T 7596-2017电厂运行中矿物涡轮机油质量》要求旋转氧弹测试不低于新油的25%且≥100 min。因此该次研究要求涡轮机油旋转氧弹值需≥100 min。

3 测试结果分析

3.1 旋转氧弹测试结果分析

完成12台机组润滑油样品的5次旋转氧弹测试后，分别对每台机组的数据进行线性关系分析，预测T72的旋转氧弹值。

表1为样品旋转氧弹的检测结果，分析可知：12台机组中D机有缓慢下降趋势；C机、F机、G机、I机、J机和K机下降趋势明显，其中I机和J机预测值＜100 min且J机预测值极低；A机、B机、E机、H机和L机的旋氧没有下降趋势，这与客观事实不符，可能是由于油品抗氧化性能衰减速率较低或设备补充过新油。由此，不能仅根据旋氧测试结果来评估涡轮机油的剩余寿命，需结合抗氧化剂综合分析。

表1 涡轮机旋氧测试结果及线性分析预测 min

3.2 抗氧化剂含量测试结果分析

抗氧化剂含量的检测中发现，A机、F机、I机和J机的涡轮机油中仅检出胺型抗氧化剂，其余的8台机组检测胺型和酚型抗氧化剂。由于两种类型的添加剂中断基础油氧化反应的机理不同，且有协合作用，因此分别进行分析。

3.2.1 仅含有胺型抗氧化剂的油品

A机、F机、I机和J机的涡轮机油胺型抗氧化剂含量见表2，由检测结果可知：其中A机、I机和J机的抗氧化剂含量呈下降趋势；F机由于设备补充过新油，其抗氧化剂含量没有明显下降趋势。

表2 油品抗氧化剂(仅含胺型)含量检测结果 %

将表1和表2数据对应，剔除3个离散数据后，胺型抗氧化剂含量与抗氧化性关系见图1。

图1 油品（仅含胺型）抗氧化剂含量与抗氧化性关系

得出关系式如式（1）：

式中：R为旋转氧弹测试结果，min；

s为胺型抗氧化剂含量数值。

对表2中各设备的抗氧化剂含量数据进行线性关系分析，预测其T72时的胺型抗氧化剂含量，再将这个预测值代入公式（1）得出旋转氧弹的预测值，详见表3。

表3 设备预测结果（仅含胺型）

3.2.2 同时含有两种抗氧化剂的油品

对含有两种抗氧化剂的8台机组润滑油品抗氧化剂含量测试结果见表4。

表4 含有两种抗氧化剂的样品检测结果 %

利用Matlab对表4数据进行分析，如图2所示。分析结果说明：①胺型抗氧化剂含量与抗氧化性有较强的相关性；②酚型抗氧化剂含量与抗氧化性相关性较弱；③当胺型抗氧化剂含量达到一定比例后抗氧化性稳定在一个相对水平区间内。

图2 油品中两种抗氧化剂含量与抗氧化性分布

为研究抗氧化剂含量与抗氧化性对应关系，选取胺型抗氧化剂≤120的数据，拟合后的图形见图3，R2＝0.835 1。

图3 两种抗氧化剂含量与抗氧化性关系

得出关系式（2）：

式中：s为胺型抗氧化剂含量数值；

p为酚型抗氧化剂含量数值；

R为抗氧化性数值；

0≤s≤120，p≥0，R≥0。

对表4中各组数据进行线性分析，预测T72的两种抗氧化剂含量，再将抗氧化剂含量代入公式（2），得到预测的旋转氧弹含量，详细数据见表5。

表5 两种抗氧化剂含量和旋转氧弹含量

3.3 运行涡轮机油维护措施

为避免设备润滑状态发生异常，润滑油品继续使用的必要条件是在T72时油品的旋转氧弹线性分析预测值和旋转氧弹在模型中的预测值均≥100 min，结合对两次计划检修时间各设备运行油氧化指标的预测分析，采取下列维护措施：

（1）至2021年10月检修时，各设备运行油均可满足要求；

（2）由于J机润滑油旋转氧弹测试数据的线性分析预测值严重偏低，在下一次大修时（2021年10月）更换油品；

（3）H机和I机在抗氧化剂与旋转氧弹的模型中的预测值偏低，因此分别置换25%和40%的运行油，其中置换比例根据新油抗氧化剂含量、旋转氧弹时间、运行油状态计算寿命，并结合现场维护经验综合分析所得；

（4）其余设备运行油均可继续使用一个周期，不必更换。

3.4 减少碳排放

参考《中国石油化工企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》中的碳排放核算方法，见公式（3）。

其中：ECO2燃烧为润滑油（其他石油制品）碳排放，tCO2；

NCV为润滑油低位发热量，GJ/t；

EF为润滑油单位热值含碳量，tC/GJ；

AD为润滑油消耗量，t；

OF为润滑油的碳氧化率，%。

根据各设备运行油的维护策略，无需更换的润滑油质量为66 575 kg，代入公式中，计算碳排放约为196 tCO2。

4 结论

（1）通过建立旋转氧弹和抗氧化剂含量的对应关系模型，结合旋转氧弹测试数据的线性分析，对运行油品剩余寿命进行分析评估，为某炼化企业12台涡轮机组制定大修维护策略。A―G机运行油可继续使用一个大修周期；H机置换25%；I机置换40%；J机整体更换。

（2）根据评估结果，可节省更换润滑油66.6吨，减少二氧化碳排放196吨，为节能减排作出贡献。