渦輪機油的選擇和維護(三)

2010-06-05

渦輪機油的選擇和維護(三)

作者 吳世榮

░ 旋轉壓力容器氧化試驗(RPVOT)-ASTM D2272:

RPVOT 是用來監控使用中油品氧化穩定性衰減的警示。氧化主要是熱的驅使和污染物如水分的影響。當渦輪機油劣化時,會形成有機酸和氧化不溶物黏附在調速組件、軸承表面、和冷卻器。嚴重氧化的渦輪機油可能在軸承高溫表面形成漆膜,阻礙熱傳導,使得軸頸軸承高溫過熱。嚴重氧化的渦輪機油也會導致渦輪控制元件和熱交換器故障。
這個加速氧化的測試是用來認定使用中渦輪機油氧化穩定性問題的工業標準。ASTM D4378-97 認定 RPVOT 降到只有原本新油數值的 25%時,加上酸價(AN)的增加為警告限值。許多渦輪機製造廠商簡單的採用 25%的原先 RPVOT 數值而不考慮酸價(AN) 的變化。有些製造廠商則訂定最低 100 分鐘的RPVOT 數值。如果真要等 AN 增加來作為警訊,則可能會因沒有適時的更換渦輪機油而存在渦輪機軸承咬死的風險。
所謂『放油-進料』的部分換油作法是可能讓渦輪機油壽命延長有限的時間,但要瞭解已經嚴重氧化的油品,其 RPVOT 的降低超出新油和使用油混合的比率,這些已氧化的油品更扮演觸媒的催化作用,快速的消耗新油所帶來的抗氧化添加劑。最終,補充的新油所能貢獻的效果,可能是不成比率的。另外,試圖在已嚴重氧化的油品中加入抗氧化劑,對設備是很大的風險。從理論的角度來說,油品的RPVOT 數值如果降至 100 分鐘以下,應該已逐漸耗盡其基礎油本身所具有的氧化穩定性,額外補充添加劑是不太實際的作法。在這種狀況下,補充新油中的添加劑可讓 RPVOT 暫時提高,但基礎油特性枯竭的事實,可能使氧化穩定性短時間內急遽降低,甚至在油泥和漆膜尚未形成之前即已觸底。
一般的蒸汽和燃氣渦輪機,RPVOT 建議每年檢測。如果測得的數值接近原本數值的25%時,也可考慮縮短檢測的間隔。

░ 渦輪機油穩定試驗(TOST)-ASTM D943:

TOST 是將油樣在氧化觸媒的催化下,增加油泥和酸值的形成,用以作為渦輪機油期待壽命的參考。這個試驗用來評估新的渦輪機油的預期效能。因為實驗室裡的測驗無法模擬實際使用油的狀況,測試結果和現場實際運轉效能難以建立相互對應的關係。這是加速氧化的試驗,所以實際操作運轉遠遠超過測試的時數。渦輪機製造廠商用 TOST 作為規範來過濾篩選風險較高的渦輪機油。
多數燃氣渦輪機製造廠商的 TOST 規範為 2,000~4,000 小時,新的渦輪技術規範則達7,000 小時。有些 TOST 測試報告達 10,000 小時以上,不過這些都是採用修改過的測試方法,並非 ASTM 試驗方法的測試結果,因而其數值可能無法正確的反應渦輪機油的效能。以 ASTM D943 的測試程序,TOST 測試數值是不可能超過 10,000 小時的,因為受限於初始測試的 300 ml 測試油樣數量在 AN 的測試中消耗。TOST 的測試可能長達一年以上,所以不可能用來作使用油的檢測。

░ 水 分 (Karl Fischer 滴 定 ) - ASTM D1744:

水分的檢測很重要,它可以免除不易察覺到的渦輪機油氧化和銹蝕的風險。污染水分會促進氧化作用,產生酸性氧化物和油泥,使得黏度上升。渦輪機油的水分在溫暖的儲存槽裡會滋生微生物,造成過濾系統的堵塞和細微間隙受阻,以及電磁閥的毛病。
ASTM D4378-97 訂定水分 1,000 ppm或 0.1%為警告限值,部分蒸汽和燃氣渦輪機製造廠商則訂為 500 ppm。氫冷卻式的發電機組,則需維持上限為 250 ppm。水分應最少每季檢測。

░ 酸價(AN)-ASTM D664:

酸價(AN)的大幅增加是污染或嚴重氧化的跡象。氧化產生的有機酸會腐蝕軸承金屬, 需要及時採取必要措施。
ASTM D4378-97 提供的指標是高於原本數值 0.3~0.4 mgKOH/g 為警告上限。有些人甚至以 AN 0.1 的增加值來密切監控油品的變化。AN 應最少每季檢測。

░ ISO 清淨度代碼 4406:

渦輪機的軸頸軸承間隙和液壓伺服閥間隙皆需要潔淨的滑油。如果無法維持設計的緊密間隙,會造成軸承過度的磨損和伺服閥的黏滯。
有些製造廠商所訂的渦輪機油平均清淨度為 ISO 18/16/13 或 NAS 1638 清淨度 7 級。ISO 三組數字的清淨度代號分別對應尺寸4、6、和 14 微米的污染粒子的數量。渦輪機製造廠商會提供特定的清淨度建議指標。ISO 清淨度應最少每季檢測。

░ 防銹試驗-ASTM D665 A:

銹蝕的產生的顆粒會有氧化觸媒的作用,也會造成軸頸軸承的磨料磨損。油中含有 適量的防銹添加劑,藉由附著在金屬表面來提 供防銹保護。過多的防銹添加劑會影響油品的水分離效果,所以不建議額外的添加防銹劑。使用中的滑油防銹試驗應選用 D665 A以蒸餾水作試驗,而非 D665 B 的合成海水作試驗。合成海水的試驗適用於新油的評定和使用中的船舶潤滑油品。ASTM D4378-97 以『輕微失效』的試驗結果作為警告的限制標準。油品的防銹性相當穩定,通常不必檢測。如果滑油受到明顯的水分污染的環境時,防銹試驗應每年檢測。

░ 抗乳化-ASTM D1401:

對於可能直接和水接觸到的潤滑系統, 水分離特性就顯得非常重要。如果能夠讓水就其密度的差別,自然的從油中分離並且由槽底排除,這可改善渦輪機油的氧化穩定性。渦輪機油如果受到大量的水污染或者是少量的引擎曲軸箱機油污染,都會使其抗乳化性受到很大的折扣。只需含 300 ppm 或 0.03%的引擎曲軸箱機油,就證實會使抗乳化性變差。這是說重型引擎機油添加劑裡頭所含的鈣、鋅、和鎂成分,只要混入渦輪機油中幾個( 個位數)ppm,就足以造成抗乳化特性的負面問題。所以再次強調,渦輪機油的配送、儲存、和管理,各桶槽、容器、和管線等必須清潔、乾燥、和無異味,以確保無污染的顧慮。
ASTM 並不提供抗乳化性的警告限值。有些渦輪機製造廠商訂定新油的水準為經過30 分鐘靜置後 3 ml 的乳化層。使用中的油品為 30 分鐘靜置後 15 ml 或更高的乳化層,這個警告限值被認為相當合理。抗乳化性的影響需看系統內油品能靜置的時間和預期水污染的程度而定。在實驗室裡頭的滑油分析,抗乳化性可能不合格;但如果給予足夠的靜置時間,系統中的油能將水分離到可接受的狀況, 則不會影響到作為渦輪機油的效能。小容量油槽設計的系統,油品能靜置沉澱的時間短,就需要選擇抗乳化性較好的油品。油品在運轉使用中,抗乳化性多少會有一定程度的變化,但不會有太大的影響,通常不必檢測。如果滑油受到明顯的水分污染的環境時,抗乳化試驗應每年檢測。

░ 泡沫傾向-ASTM D892 Sequence 2:

根據經驗記錄,渦輪機油樣的泡沫檢測,常出現結果高於渦輪機製造廠商所建議的新油標準,但使用現場並未有泡沫的困擾,這是因為油泵吸入口裝置在較低位置。即便油槽有泡沫的現象,只要油槽中泡沫高度低於 15 公分且不會溢出油槽或造成油位的誤判,基本上這樣的泡沫應沒什麼問題。渦輪機油槽裡的滑油表面,至少要能看到一小區域油面無泡沫覆蓋,這個區域就能很快速的消泡作用,油面上的泡沫也就不會持續累積增加。
ASTM D4378-97 的泡沫傾向警告限制為 450 ml 和泡沫穩定警告限制 10 ml。泡沫傾向是在一有刻度的量筒內將空氣打入油樣裡 5 分鐘後,測量其泡沫量的高度。泡沫穩定則將上述泡沫靜置 10 分鐘後,記錄其殘餘的泡沫量。如果一渦輪機油的泡沫穩定數值小於5 ml,表示泡沫可以很迅速的消失,渦輪機的運轉不會有泡沫困擾的問題。
當渦輪機油有泡沫問題產生時,應針對油品的潔淨程度、污染物、或機械原因詳加調查,找出可能的污染或軸承密封上的缺失。然而,極微量的外界或系統本身的污染物質,都會造成泡沫的問題,所以多數的情形是污染源很難以明確的察出。但千萬切記,冒然的加入額外的抗泡劑,可能會增加空氣進入油中的大麻煩。塵土污物是導致泡沫的主要原因,應可以檢測 ISO 的潔淨度來探討可能的原因。
通常僅在泡沫造成操作運轉上的問題時才需作泡沫試驗,以及產品相容性試驗時作泡沫試驗。

░ 空氣釋放-ASTM D3427:

有些蒸汽和燃氣渦輪機製造廠商將空氣釋放特性限值放在新油規範裡。這限值甚至低到 4 分鐘,對於多數的 ISO 32 渦輪機油並不是問題,可是 ISO 46 的渦輪機油可能就有問題了。對於油槽容量設計較小的渦輪機,滑油在油槽靜置的時間短,進入油中的空氣很容易被送到軸承和重要的液壓控制元件,這對於潤滑的效能和油泥的形成都是負面的影響。油槽容量應按正確的設計建造,絕不可以任意的縮減其尺寸容量,還有運轉時維持足夠的高油位,都是確保良好空氣釋放特性的基本作法。要特別注意的是,額外的添加劑會影響空氣釋放特性,尤其是抗泡劑是最為常見的禍源,不該使用。
渦輪機油的空氣釋放特性在運轉使用中應不會改變,所以,使用油狀況的監控分析中可不需要檢測。

░ FZG 齒輪試驗-DIN 51354:

渦輪機如有齒輪轉軸聯結發電機時,需要倚賴抗磨或極壓添加劑來支撐輪齒的負載。FZG 齒輪試驗是作為檢測齒輪負載效能的工業標準試驗,試驗結果以負載失效(FLS) 的階段來報告。典型的 R&O ISO 32 渦輪機油的 FZG 負載失效(FLS)的階段為 6 或 7。ISO VG 32 R&O 油品加上抗磨或極壓添加劑,FZG 負載失效(FLS)的階段可達 10,這級數符合所有主要渦輪機製造廠商的規範。
渦輪機油的FZG 齒輪測試在運轉使用中並不會改變,所以,使用油狀況的監控分析中不需要檢測。

░ 閃火點-ASTM D92:

閃火點的檢測主要是為確定油品沒有受到污染。ASTM D4378-97 認定閃火點從原先油品的數值降低 17C(30F)視為警告限值。閃火點的檢測僅在油品被懷疑有其他油品或溶劑的污染時才需進行檢測。

░ 渦輪機潤滑油的套裝測試分析:

基本上,油品的檢測分析是一門專業技術,渦輪機油的套裝分析檢測所涵蓋的組合, 要能提供適切、經濟、和有效的參考資訊。長久以來,潤滑和相關應用工業一直延續著不太實際的觀念,對『舊油分析』的目的、頻率、項目、各階段參考數值等,按其個別喜好或需求期待不一。經常碰到使用者所要求的是『一堆數據』,而得到的是『誤導』;適用的檢測項目和正確的判斷解讀,才有助於設備機組的順暢運轉。油品的監控檢測分析需根據設備、運轉狀況、主要目的、經濟效益、和油品種類等, 來考量取樣間隔、取樣點、檢測項目、結果數值的解讀。渦輪機油定期的趨勢分析和持續適用性的套裝測試,表列說明如下:







 

░ 現場的檢查:

其實,最有價值且最及時的資訊是在取樣時。現場的日常運轉監控和定期的油品取樣時,都不應該忽略或放棄這些檢視評定渦輪機油的機會。經常觀察視窗油品的狀況和使用透明、乾淨的取樣容器,都可以在第一時間快速且簡單的檢查下列幾項油況:

色澤
滑油外觀是否清澈? 如果異常或短時間變黑,是有污染或過度劣化的跡象。

氣味
酸味或強烈異味,顯示有污染或過度劣化的跡象。

空氣
檢視懸浮於油樣中的氣泡,應可在 15~20 分鐘內消散。

泡沫
快速搖動油樣後,油面上的泡沫應能在 10 分鐘內消散。

水分
渦輪機油外觀應呈透明清澈。些微的混濁,其水分可能在 500ppm 或更高。

固態污染粒子
靜置後如有固態物質沉澱,顯示內部或外來的污染。