渦輪機油、液壓油、循環機油的油泥探討（一）

2008-03-05

渦輪機油、液壓油、循環機油的油泥探討（一）

吳世榮
在潤滑應用上，無論是循環機油、液壓油、空氣壓縮機油、渦輪機油等，溫度和濕氣是最常伴隨著系統而來的幾個影響潤滑油品質效能的主要因素。在潤滑系統中使用的油品，或者是系統裡的濾網、油槽、管線中，如果被發現有油泥或深色的膠結物質時，使用者的直接反應大都是油品的氧化穩定性不好或者是油品的熱穩定性不好所致。這種品質不良或不耐高溫作業的觀念，長期以來普遍的存在各業界，而潤滑油業者也跟隨著發展出一套對應的方法，不是考慮更高級的油品或者是更換不同的品牌來附和著客戶的看法。可是這真能解決問題嗎？況且其中多數的大型設備，如渦輪發電機等，都已經使用著原製造廠家指定的高級潤滑油品，這些作法的正當性更是薄弱。

維護良好、優質滑油的系統仍會有油泥積垢的困擾：

筆者曾經處理過一家全球頂尖的石化廠所擁有的知名品牌渦輪發電機，該廠座落於數十億投資金額的石化專業區裡頭，環境工況優良，設備運轉兩年，維護和保養按規定徹底執行。然而在一次定期的大保養中，發現電磁閥液壓系統的濾芯上覆蓋著一層褐色的油泥，或可說是近乎漆膜狀的物質（附圖為實際濾芯使用17520小時後的比較，GTG 1金屬部分明顯的漆膜），而這也是造成部分閥門的引動件作動不良，甚至偶有遲滯現象的主要因素。由於該液壓系統和渦輪機組本身都是使用原廠認可的單一優質渦輪機油作為液壓和潤滑應用，我們首先檢測了系統中的油品品質狀況，並且調閱油品的檢測追蹤監控紀錄，確認油品的各項特性和指標都一直維持在良好的狀況。那到底是什麼理由造成這些油泥積垢的現象呢？油品的檢驗、追蹤、監控等維護設備系統正常運作的手段，似乎無法有效的提供先期預警的功能。經過深入的研討分析這個案例，我們認為由於整個渦輪系統的潤滑油量高達兩萬公升以上，相對之下，上述產生油泥積垢堵塞現象的液壓系統濾芯顯得十分的微小，因而局部產生的積垢問題在絕對多量的整個系統油量的稀釋後，並無法明確的從油品檢測分析中顯現出來。還好，液壓系統的過濾設備組件其作動不良的警訊，讓監控的機制能及時找到問題，並適時給予改善。

油泥積垢的產生和監控：

接下來我們就從這局部形成的油泥積垢問題深入的探討，找出問題產生的原由。根據上述渦輪機製造廠家和幾個主要的渦輪機生產廠家近幾年來的報導記錄和經驗，燃氣渦輪機潤滑油


pGE Gas Turbine 6 FA - GTG 1電磁閥液壓油濾網經17,520小時運轉油泥狀況

品已遭遇到好些油泥和積垢的麻煩案例。這些燃氣渦輪機在尖峰負載的循環運轉模式下，渦輪機油承受極端高溫和氧化工況的挑戰。從過去對渦輪機問題的調查記錄和結論，極端高溫和氧化劣化是造成渦輪機油產生油泥積垢最主要也是最常見的原因；而高溫熱劣化可能是來自潤滑油遭遇到系統中的局部過熱點，或者是潤滑油中溶解空氣在高壓下產生的微型壓縮點火燃燒。氧化劣化則是因溫度的快速上昇時加上氧氣的幫助，而且在水分或金屬粒子的催化之下會更加劇其劣化。這些問題有可能無法依賴例行的油品檢驗分析來偵測出來，傳統的油品檢驗分析主要是提供使用中油品的一般特性、水分、清淨程度等狀況。然而，談到油泥積垢的監控，傳統的檢測一直無法有效的提供先期預警，原因是很多油泥漆膜的產生是來自油中的溶解空氣，這個空氣氣泡問題只有在局部的地點發生，並不會影響到整個系統的油品（或者說對整個系統的影響十分微小），油樣分析結果裡的黏度或酸價等無法看出其異狀。因應這方面的盲點，必須考慮選用特別的試驗方法來檢測使用中油品是否含有劣化後產生的不溶物質。這些生成物質極可能會累積在閥或濾器部位，也就是我們常受到困擾的油泥積垢現象。通常可考慮選擇的測試方法例如：

FTIR傅立葉轉換紅外線：
它可用於檢測這些油泥是屬於氧化劣化的產物，或者是高溫熱劣化後的硝化產物。（這些潤滑油的高溫劣化是因微型壓縮燃燒或局部過熱點而產生）
RBOT旋轉氧化彈試驗：
可以提供檢測油品氧化程度的比對指引。
這些測試的主要目的是用來判斷潤滑油是否產生有極細微的劣化不溶解物質，以及可能的劣化模式。針對明顯發生在液壓系統部分的問題，我們可先專注在微型壓縮燃燒的可能性。測試方法可以選擇ASTM D3427空氣釋放特性，測定潤滑油的空氣釋放能力的快慢。根據過去的經驗，良好的新油其釋放空氣的特性會小於4分鐘，而使用中的油品也應能維持在小於10分鐘以內。
潤滑油中的溶解空氣影響油泥積垢:


pGE Gas Turbine 6 FA - GTG 2電磁閥液壓油濾網經17,520 小時運轉

�詿E Gas Turbine 6 FA - GTG 2電磁閥液壓油濾網經17,520小時運轉為什麼空氣釋放特性的測試可以和油泥積垢問題牽扯上關係呢？談到這裡必須先就空氣進入潤滑油中所帶來的影響來探討。許多的液壓油品的技術資料中都詳細的說明了空氣對於液壓油和液壓系統的影響，基本上可區分為在油面上形成的泡沫和侵入油中的空氣。在潤滑循環系統裡，滑油過度的攪拌擾動、油槽的油位太低、回油管太高、油封受損、油槽太小、油量太低或者是外界的污染物等，都可能造成上述空氣侵入潤滑油裡頭。另外，油品受到水分濕氣的污染，或者是滑油使用時間過久，都可能使得滑油的表面張力衰減，以及在油裡頭形成的氣泡尺寸體積較小。愈為細小的氣泡，在油中愈不容易爬升至油面消失掉。如果又加上油槽設計太小或油量太低，那麼系統中循環的潤滑油回流到油槽處停置的時間太短，無法讓油中的氣泡有充分的時間離開油面。當這些仍含有較多量溶解空氣（含有細微氣泡）的滑油經油槽的濾網被泵送至出油管後，隨之進入潤滑循環系統裡。也就是說這些設備系統中所倚靠的潤滑油品含有多量的氣泡在裡頭。

1) 高壓產生的局部高溫熱劣化
真正的問題由此開始，由於這些滑油中含有過量的空氣氣泡，無論是進入重負荷的潤滑環境，或者是液壓系統的施壓區域，都是極可能產生油泥積垢的工作狀況。原因是在這些工況裡頭，潤滑油都會面臨到極度壓縮的情形。也就是說，滑油由低壓進入高壓處，油中的空氣會受到同樣的高壓縮負荷。這些空氣氣泡在急遽的高度壓縮之下，氣泡的體積會大幅縮小且在瞬間產生壓縮熱，整個氣泡的溫度會急速上升。

我們以熟知的空氣溫度和壓力關係來考量，在常溫常壓下的空氣經加壓到1000psi，其壓縮後的空氣溫度可達750℃以上；2000psi的壓力時可接近1000℃；3000psi的壓力時更是遠超過1000℃。試想一下，在實際運轉中的液壓系統，其中含有過量氣泡的滑油經油壓泵被壓縮至1000psi以上，或者是被擠入滾動元件軸承裡頭，其壓力達1000psi以上，在這個高壓產生的瞬間，油中的每個氣泡都是一個個750℃以上的細微高溫熱點，包覆在這些熱點外的滑油受到這極端高溫迅速的產生熱劣化。隨之，這一個個炙熱的微小氣泡因滑油高溫氧化分解，產生微細的碳化粒子。

這些細微油泥粒子無法溶解在油中，會呈懸浮狀跟隨滑油游走於系統內，在循環的過程中碰觸到溫度較低的組件金屬表面時，就很容易聚集在一起。隨著時間的累積，細微的油泥碳粒漸次的黏附在金屬的表層，尤其經過長時間溫度的影響後，原本可能是膠狀的黏稠油泥會慢慢的形成較硬且光亮的漆膜狀殘餘物。

綜合上述的現象，從研究中顯示，空氣的干擾是造成這些積垢問題的主要因素。埃克森美孚公司的技術服務調查檢測所作的結論說明：油槽或管線密封處的缺失，常常造成滑油中的空氣氣泡含量過多，對於液壓系統伺服閥造成故障失效的結果至為明顯。其中，多量的空氣存在滑油中是導致滑油劣化和伺服閥組件毛病的主要關鍵。在滑油劣化的過程是一步步持續進展的，油泥慢慢的生成聚集，接著積垢開始形成，所以對於這些空氣干擾的現象可以作為預測和先期避免系統和伺服閥門的毛病的監測參考。

在研究調查的過程中，就存在於油中氣泡的干擾對液壓油產生沉澱評定的試驗裡，由設定操作條件來比對的兩個液壓系統運轉狀況裡，其中一系統的油品在油槽裡所停留的時間是另一系統的兩倍。在模擬一年期的運轉狀況之後，後者明顯的在管線和油槽中發現油泥，而前者因為油品在油槽中有足夠的時間釋放油中的空氣，所以並無油泥的困擾。

2) 高壓產生的壓縮燃燒劣化
另一個更特殊、更嚴重的狀況是含有多量侵入空氣的滑油又加上高壓縮比的壓力負載，這種壓力誘導壓縮燃燒會發生於液壓系統及潤滑系統。先前討論的是發生在每一個氣泡的壓縮產生局部過熱而劣化的現象，而壓力誘導壓縮燃燒是因其所伴隨的高溫使得含有充分氧氣的油氣發生微型點火（或者稱為部分燃燒），這項問題在低黏度又有高揮發量的油品最為明顯（激烈）。這類油品的閃火點較低，所以包圍著高溫熱點的滑油輕餾分部分在類似的壓縮高溫下揮發量高，這些油氣混合在油中炙熱的氣泡裡，其現象就如同柴油引擎汽缸裡高壓噴油汽化，當然壓縮燃燒的問題也最明顯。

當到達壓縮點火的瞬間，顯微爆炸點的瞬間壓力可達該液壓系統工作壓力的五倍以上。壓力尖峰加上嚴酷熱量的破壞力可造成油封材質嚴重的焦化，從而損壞金屬表層。壓縮燃燒帶來的另一後果是油品的高溫碳化和不完全燃燒產生的殘餘物。這些就如同上述壓力誘導的熱劣化情形中，碳化的不溶物生成且經長時間的聚集在金屬表面上而成為油泥和漆膜。

氧化劣化的油泥產生:

談到潤滑油品的使用，氧化的情形便不可避免或多或少的產生。油品氧化後會形成多種分解物質，包含主要的酸性生成物。溫度和銅鐵等金屬粒子都會加速氧化的進行；同樣的，含有多量溶解空氣的滑油也極為容易氧化。在氧化的主要產物裡，如醛類及酮類等，經過一連串的自由基聯鎖反應而形成高分子量化合物；最終，潤滑油的黏度上升且濃稠的氧化懸浮物無法持續穩定的浮游於油中，這時滑油裡頭開始出現油泥並且形成積垢和漆膜等殘餘物。

這些黏附在金屬組件表面的積垢，初期可能較軟，呈褐色的膠狀物質，但隨著時間和高溫循環的影響，上述的膠狀物質開始變得較硬且更牢固的黏附在金屬表面上。這種積垢會阻礙機械組件的正常運轉，特別是渦輪發電機裡頭的調速控制系統。從過去的研究中顯示，水力發電廠中半數以上的閥門損壞，其原因都是來自溝槽中油泥的黏滯所致。由紅外線光譜的研究分析發現，這些油泥積垢主要為羧酸鹽和硫酸鹽等來自渦輪機油和機械設備防銹油的氧化劣化產物。

壓縮熱劣化和壓縮燃燒所導致的油品劣化其主要的關鍵都是高溫高熱的硝化反應而殘留著如同碳化的硝酸鹽類產物。可是，油品經由氧化途徑劣化後會生成羧酸及羧化金屬等主要產物。當然氧化的程度和油品配方對於油泥生成的嚴重性有著絕對的關係，例如環烷基礎油通常不會被選用作為優質的潤滑油原料，主要的考慮是其含有多量的芳香族成分，很容易產生有機的過氧化物，而這些過氧化物是油泥形成的前兆。利用上述這個特性，對於評估滑油抗拒氧化油泥漆膜的能力可選用ASTM D943渦輪機油穩定性試驗來分析判斷油品的氧化穩定效能。

邊界潤滑條件下的油膜焦化:

另一個常發生的油泥問題是邊界潤滑條件下的油膜焦化現象。有些工業設備的運轉處於高溫條件，在這高溫運轉區域的熱會經由金屬機組件傳導至滑油，如果系統中的滑油循環速度太慢或者系統使用的油量太低，嚴重的局部過熱現象會在高溫的金屬表層和滑油接觸面產生。局部過熱的問題層出不窮，但問題點大都包覆於機台的內部，很容易疏忽且不易準確的測得其高溫。時間一久則不可避免的黏附上一層油泥漆膜層。這常見於熱媒系統的電加熱管外表面，加熱鍋爐管線的內表層，或者是螺旋空壓機的螺旋轉子表層。
局部過熱現象也常發生在高摩擦阻力、重荷高速運轉、或潤滑設計不良的設備上。因為只要是有高溫高熱產生的設備或運轉條件，滑油會接觸到這些高溫區域，就會有過熱、氧化劣化、甚至是焦結的風險，其結果當然是油泥積垢和碳化殘餘物的聚集。這些問題常發生在高溫運轉的軸承，其潤滑設計是以滴落給油方式（而非以強制高壓給油、循環潤滑），或者以滑脂作為潤滑的方式。所以解決這些高溫重荷的潤滑要求就是提供充分足量的循環潤滑，以降低其中滑油的油溫。同時，選擇優質的潤滑油，例如高溫穩定性優異的油品，或者是適當的合成油品。

渦輪機油、液壓油、循環機油等油品產生異常積垢或氧化不溶物的原因，可以歸類成局部高溫過熱、氧化劣化和空氣進入滑油中，為最主要的根源。油品的檢驗分析，對於較大系統的局部嚴苛高溫所產生的問題，並無法有效的先期預警。而選用特定的檢測方法，在成本費用上是相當高的負擔，使用上不方變，且相當費時。即使從油樣分析中明顯觀察到油泥形成的傾向，在排除問題和實際設備改善上，也是一大考驗。最重要的仍舊是，預先防止油品可能碰上的劣化問題，例如:選用優質的滑油產品，避免運轉中的污染，確定足量的滑油潤滑。尤其是嚴苛部位，更要以強制給油，充分潤滑和散熱，並提高循環流速，減少局部過熱。設計上，更是要有足夠的油槽和油量，將可能產生油泥的原因完全的排除。