聚α-烯烃齿轮油老化趋势及其再生处理研究

文 | 唐金伟，李烨峰，刘永洛，王娟，常治军，肖秀媛，冯丽萍

聚α-烯烃齿轮油老化趋势及其再生处理研究

文 | 唐金伟，李烨峰，刘永洛，王娟，常治军，肖秀媛，冯丽萍

风力发电机组的主齿轮箱主要采用聚α烯烃(PAO)全合成齿轮油作为润滑介质。PAO合成油的化学结构与矿物油最接近，长链分子结构单一，其侧链的长度（C8－C10）整齐，具有良好的黏温特性和低温流动性。主齿箱中PAO齿轮油占到风电机组用油量的3/4，是风力发电机组的关键润滑点，其油质的好坏将直接影响到齿轮箱是否能够安全和平稳的运行。风力发电机组多安装在偏远、空旷、多风地区，齿轮箱的工作环境温差大、沿海湿度大，加上较大的扭力负荷及负荷的不恒定性，导致齿轮油在运行中容易劣化变质。目前，国内外还没有风电机组齿轮油再生处理技术的相关报道，而国内有大批风电机组已经或将要超出质保期，风电场面临大量风电机组齿轮油的更换、废旧齿轮油处理以及更换新油所需的巨额费用等问题。因此，对于运行中齿轮油油质的老化趋势以及油质老化后可否通过再生处理技术延长其使用寿命，已成为了行业内关注的热点问题。本文主要针对上述问题，对运行PAO齿轮油老化程度与各个指标的变化关系进行了研究，并对某风电场投运三年后退出运行的PAO齿轮油进行再生处理试验。

图1 齿轮油开口杯老化前和老化3天、8天、15天、30天后的油样照片

试验方法

一、PAO齿轮油的老化试验

为了研究风电用齿轮油随着老化程度的加深，油液各个指标的变化趋势，选用某风电场运行中的PAO齿轮油为研究对象，分别对其进行了3天（72h）、8天（192h）、15天（360h）、30天（720h）开口杯老化试验（试验方法：DL 429.6-91），并对老化前后油的主要相关指标，依照GB 5903-2011《工业闭式齿轮油》中要求的试验方法进行了测试。采用EOUINOX55红外光谱仪对老化过程中PAO齿轮油进行红外光谱分析，扫描范围为500cm-1到4000cm-1，扫描速率为0.1 cm-1。

二、再生试验

PAO型齿轮油质再生处理试验采用接触法，即将一定量的微孔硅铝吸附剂加入试油中，在60℃恒温水浴下搅拌0.5h－1h，使吸附剂与试油充分接触以达到最佳吸附效果，吸附完成后将油与吸附剂的混合物过滤分离，并对再生后的齿轮油补加一定量的抗氧抗磨复合添加剂，依照GB 5903-2011《工业闭式齿轮油》中要求的试验方法进行了测试。

结果与讨论

一、聚α-烯烃齿轮油老化趋势

对某风电场运行中PAO齿轮油进行了3天（72h）、8天（192h）、15天（360h）、30天（720h）开口杯老化试验，并对老化前后油的主要相关指标进行了化验测试，结果见图1和表1。从图1可以看出，随着老化时间的增加，油液的颜色由棕黄色迅速加深，到第15天已经变为棕黑色。油液颜色的加深主要是由于齿轮油中的基础油及油中的极压抗磨剂和胺类抗氧剂，在氧气、高温、铜丝催化剂环境下，氧化生成了显色的大分子老化产物。

从表1中可以看出，随着齿轮油老化时间的增加，油液的各项指标中变化最为明显的为颜色、酸值、油泥。由于油液中抗氧剂的存在，油液的酸值在老化初期增加速度较慢，在老化192h后，随着抗氧剂的消耗，酸值增长速度逐渐加速，同时，在油泥析出试验中，油泥的析出量也在192h以后，由原油样的“痕迹”，逐渐表现为有明显析出。这是由于随着开口杯老化试验的持续，油液、氧气、铜丝，在150℃的环境温度下，油液中的添加剂和基础油聚α-烯烃，发生氧化反应生成大量极性老化产物，其中包括大量羧酸类物质，宏观上表现为酸值持续增大，同时老化产物之间也发生着复杂的缩合、交联反应，生成了大分子油泥。齿轮油发生劣化后，生成的这些羧酸类分子在有水分存在的情况下，齿轮箱中的金属部件就会发生微点蚀，严重影响金属部件的结构强度，同时这些腐蚀产物也会引起油液颗粒度不合格，部分硬质颗粒会加剧齿面磨损，从而影响齿轮油的润滑性能，若油质长时间得不到净化处理，甚至会发生卡齿、断齿故障，严重影响风电机组的安全平稳运行。该PAO齿轮油在经过30天的开口杯老化后油液的倾点、黏度指数基本没有发生变化，只有油的运动黏度在缓慢增加，这说明油液具有稳定的低温流动性和黏温特性，随着老化程度的加深，油中逐渐产生了大分子老化产物，使油液的运动黏度趋于增大。

图2 齿轮油酸值和旋转氧弹随着老化时间增加的变化趋势

表1 齿轮油开口杯老化前后主要油质指标分析试验结果

旋转氧弹是评价油液高温抗氧化性能的一项重要化学指标，其特点是高温、高压、纯氧的快速破坏性试验，当油液中的抗氧剂大量消耗或者油液本身已严重劣化时，氧弹中的氧气压力会快速降低。图2为齿轮油的酸值和旋转氧弹随着老化时间增加的变化趋势。从图2中可以看出，齿轮油在老化初期表现出了较好的抗氧化性能，200h以后油液的酸值呈现出迅速增加，旋转氧弹值呈快速减小的趋势。这是由于在老化初期PAO合成齿轮油中的抗氧剂与油液老化形成的R·或ROO·基团、过氧化物相互作用，形成了稳定的化合物，中断了氧化的链锁反应，从而大大减缓了油液的老化速度。随着抗氧剂的消耗，其浓度逐渐降低，油液的抗氧化性能也随之降低，表现为酸值迅速增大，旋转氧弹值也急剧减小。

为了考察齿轮油老化前后，其分子结构的变化，对齿轮油老化前和老化8天、30天后油液进行的的红外光谱检测结果见图3，可以看出，油液随着老化时间的增加，处于1740 cm-1位置的C=O伸缩振动峰、1180cm-1位置的C-O吸收峰和3414 cm-1位置的-OH伸缩振动峰的强度都在增强，表明开口杯老化过程中逐渐有羧酸类物质生成。这些酸性大分子会与油液中的添加剂相互反应生成显色大分子物质，老化生成的大分子会进一步交联形成油泥，进而增加油液的运动黏度（如表1所示），当油泥的浓度超过一定值时，其会在温度较低的金属表面析出，形成肉眼可见的油泥。

通过对某风电场320#全合成齿轮油进行老化趋势测试表明，齿轮油的各项指标在老化初期劣化速度缓慢，表现出了良好化学稳定性，然而，在老化192h后，油液的酸值、颜色、运动黏度、油泥指标的劣化速度加快。在整个老化试验进行的30天内，齿轮油的倾点、黏度指数和Timken OK值变化不大，表明了风电齿轮油具有稳定的低温流动性、黏温特性和较好极压抗磨性能。

图3 齿轮油开口杯老化前和老化8天、30天后的红外光谱

表2 运行PAO齿轮油再生处理前后试验结果

二、运行中聚α-烯烃齿轮油的再生处理试验

图4 齿轮油8%强极性吸附剂再生处理前后照片

为了考察PAO齿轮油老化后可否通过再生处理技术延长其使用寿命，对某公司在金风750型风电机组上投运3年后退出运行的美孚SHC XMP 320全合成PAO齿轮油进行了再生处理试验，处理前后油液的外观和油质化验结果分别见图4和表2。从图4可以看出，PAO齿轮油经过再生处理后，油液的颜色由棕黄变为浅黄，表明再生处理可以去除油液中部分显色的氧化产物。从表2可以看出，经过处理后油的酸值、水分和泡沫倾向指标得到大幅降低，说明油液中的大部分酸性老化产物、水分和油中容易起泡的表面活性剂类物质可以被具有强极性的吸附剂吸附去除；洁净度等级、旋转氧弹、Timken OK值和四球机磨损试验得到了很大的提高，同时油泥也被除去，表明再生处理试验中的过滤环节能有效滤除油液中的颗粒杂质，提高油液的清洁度水平，同时能吸附除去油中的老化产物—油泥，有效地提高油液的抗氧化性能和极压抗磨性能，并对油液的运动黏度和铜片腐蚀没有负面影响，处理后的齿轮油可以满足GB/T5903-2011《工业闭式齿轮油》中L-CKD的质量指标要求。

结论

通过对某风电场PAO齿轮油进行老化试验，结果表明：齿轮油的各项指标在老化试验初期劣化速度缓慢，表现出了良好化学稳定性，然而，在老化192h后，油液的酸值、颜色、运动黏度、油泥指标的劣化速度加快。在为期30天的老化试验期间，齿轮油的倾点、黏度指数和Timken OK值变化不大，表明风电齿轮油本身具有稳定的低温流动性、良好的黏温特性和极压抗磨性能。对某风电场投运3年后退出运行的齿轮油进行再生处理试验，表明风电齿轮油可以通过再生处理使油的酸值、水分、洁净度、泡沫倾向、旋转氧弹、Timken OK值、油泥和四球机试验指标得到恢复，使其达到GB 5903-2011《工业闭式齿轮油》中L-CKD的技术要求，达到了延长风电齿轮油使用寿命的目的。

（作者单位：西安热工研究院有限公司）

摄影：刘富卿