船用水冷空压机滑油乳化问题

唐 鑫，张 燚

（1. 海军装备部驻芜湖地区军事代表室，安徽芜湖 241000；2. 海军装备部驻杭州地区军事代表室，杭州 310000）

0 引言

船用空气压缩机处于高温高湿的特殊使用环境中，相比室内空压机而言，其润滑油更容易发生乳化现象。笔者针对滑油乳化问题发生的机理，提出常用的应对措施，并通过某船用进口空压机滑油乳化问题具体案例进行分析，得出滑油乳化问题的解决途径。

1 船用空压机介绍

1.1 基本功能

压缩机普遍应用于国民经济的各个部门，如化工、船舶、石油和航天等，其使用范围日益扩大，尤其是在各种等级与用途的船舶上，得到了广泛使用。船用空压机作为重要的船舶辅机，其基本功能是通过机械运动将输入的电能、机械能等转化成压缩空气的势能和动能，为船舶柴油机、内燃机等主机的启动和风动工具、高压水枪、警报系统等的运行提供压缩动力源，其工作性能将直接影响船舶的执行能力。

2.1 结构形式

为了满足船用条件下海上高温、高湿的特殊环境要求，目前船用空气压缩机普遍采用卧式、水冷和活塞式结构，且多为气缸立式或角度式布置型式。为了减少使用、维护的成本，多采用两级压缩，普通船用空气压缩机工作压力一般小于5 MPa，容积流量一般小于200 m³/h。当其容积流量小于100 m³/h时，多采用飞溅润滑；当容积流量大于100 m³/h时，一般采用压力润滑。同时，各级排气管路末端设置有油水分离器。

2 滑油乳化

滑油乳化是指滑油在使用一段时间后，由于混入不同的液体而发生乳化的现象。滑油发生乳化的3个必要条件如下[1]：

1）必须具有互不相溶或不完全相溶的2种液体。

2）2种混合液中应有乳化剂（能降低截面张力的表面活性剂）的存在。

3）要有形成乳化液的能量，如强烈的搅拌、循环、流动等。

为了改善和提高油品的性能，润滑油中经常加入了具有各种效能的添加剂，如清净剂、分散剂、抗氧化剂、抗磨剂、抗泡剂等[2]，这些添加剂的分子结构多为一端是具有亲油性的非极性基团，另一端是具有一定表面活化剂的亲水性基团；通常情况下，它们都溶于油而不溶于水，但当空压机在工作时，若滑油周边有大量水汽存在时，在曲轴搅拌、连杆摆动和活塞运动等强大机械外力作用下，以上各种添加剂的亲水基团将与水分充分接触，从而使水分和滑油牢固结合，产生乳化现象[1]。

需要说明的是，随着压缩机使用时间的延长，空气中的水分一定会进入润滑油中，这是正常现象，也是无法避免的。在工程应用中，当滑油中水分含量＞0.2%时，则需要结合黏度、酸度变化以及机械杂质含量等指标考虑是否予以更换；当水分含量＞0.5%时，必须立即予以更换。

对于压缩机来说，滑油乳化的主要危害有[2]：

1）导致油液氧化、酯化，降低油液的润滑能力和抗氧化性，加剧运动副零件的磨损，增加压缩机功耗。

2）水分与油液中的添加剂作用生成的酸性物质等，直接与金属材料及其氧化物发生腐蚀反应，如钢铁件中的铁、轴瓦中的铅等，加重零部件腐蚀和油质衰变。

3）削弱滑油的导热、洗涤能力，导致运动零件温度高、污物附着，导致发生运动件咬死、烧伤，拉缸、抱轴等事故。

4）排气中携带少量润滑油附着于排气阀、压阀盖、排气管等零件上，长期暴露在高温压缩空气中经氧化、分解、聚合最后形成积碳；乳化后的润滑油在高温高压条件下更容易蒸发与分解，加速积碳形成，从而发生自燃起火或爆炸。

3 常用应对措施

滑油乳化的后果是十分严重的，这就需要我们积极应对滑油乳化问题。笔者认为，应对滑油的核心思想是，减少水分产生，加强水分清除。在排除零件局部泄露的因素时，具体应对措施有：

1）从水分产生的源头上，通过加强空气流动和进气过滤等方法，减少压缩机运行环境中的水分含量，减少润滑油周边环境的水分存在。

2）在水分凝结过程中，通过提高使用效率和进气温度等方法，保持滑油自身温度始终处于较高水平，减少水分凝结。

3）在水分凝结后期，通过提高排污频率和提高油水分离效果等方法，加强排污强度，减少侵入滑油的压缩空气水分。

4）从滑油自身的角度而言，选用抗乳化效果好的船用空压机润滑油，可以在一定程度上防止滑油发生乳化。

4 某船用进口空压机滑油乳化问题

4.1 问题描述

某船的主空压组运行100 h后，发生滑油乳化问题。据了解，该空压机为进口机型，采用V型、2缸2级、活塞式和水冷的结构[3]；设计工作压力3 MPa，容积流量150 m3/h；在其排气系统中，1级气缸局部铸有凸起空腔作为油水分离、集污结构，空腔体积约0.49 L，2级排气设置有独立结构油水分离器；润滑油牌号为L-DAB150 GB 12691，内置油泵提供滑油对2级连杆大头薄壁轴瓦、曲轴滚动轴承进行润滑。设计使用时间按8 次/天×45分钟/次，排污设置按每15 min排污15 s。空压机所在船舱内部当月的平均气温高于32 ℃，最高温度达45 ℃；平均大于湿度80%，最高达95%。空压机经冷却后1级、2级进气温度分别约为35 ℃、45 ℃。机组情况见图1。机舱通风条件为：在电机侧前段开有通风口，对空压机组形成纵向通风冷却。

4.2 具体现象

1）连续检测滑油[4]水分含量，结果持续走高，加注新油运行2周后含水量即达到4%，更换滑油后问题重复出现，如表1所示。

表1 滑油含水量监测结果

2）打开曲轴箱盖板，发现有明显“冒汽”现象，且盖板内侧有明显水滴出现，曲轴箱内曲轴和连杆等铸铁件表面有明显浮锈；拆卸机组检查，发现2级气缸侧壁有明显水滴生成，且气缸侧壁、气阀外侧对应位置有锈蚀生成。如图1所示。

图1 空压机组

3）车间内模拟台架试验时，在机组单次排污15 s间隔内，1级排污管路仅在前2～3 s时有少量油污排出，体积约为0.45 L。

4.3 理论计算（按极限环境条件）

1）计算压缩后水蒸气分压

4.4 原因分析

根据车间模拟台架试验和理论计算结果，可以直接看出：该型空压机组在运行过程中，尚有大量水分没有随排污过程及时排出。结合该机一级油水分离结构可知：该机组1级气缸局部凸起空腔结构不能完全满足气和水分离的实际需要，在空压机运行时，由1级压缩、冷却析出的大量冷凝水不能通过1级油水分离器完全排出[5]，随1级排气进入2级气缸，在2级压力作用下从气缸、活塞和活塞环等处间隙处进入曲轴箱，在曲轴、连杆的机械外力作用下，导致滑油发生乳化；滑油受热后，其中大量水分蒸发后凝结，附着于曲轴、连杆铸件表面，形成浮锈。

4.5 解决措施

结合机舱内的通风、冷却水供应条件，提出以下具体解决措施：

1）全面检查零部件锈蚀、磨损情况，按照要求进行清洗、更换。

2）将曲轴箱内残油全部放净，清洗曲轴箱后加注新油。

3）在舱内通风管的合适区域增设通风口，对机组形成横向通风，减少机组吸气口处的水分累积。

4）将1级气缸排气口位置移至气缸最低处，在一级排气管路加装大容积旋风式油水分离器，提高水分排除效果。

4.6 结果验证

1）车间模拟台架验证试验时，机组1级排污管路排污时间增加至12 s，排污油污体积约1.3 L。

2）机组累计运行至10 h、30 h、50 h、70 h、100 h、150 h时，拆卸气缸，气缸壁均无水滴、锈蚀；打开曲轴箱，内部曲轴、连杆表面均无锈蚀；抽样检测滑油水分，均不含有水分，如表2所示。

表2 滑油含水量监测结果

5 结论

1）本题案例的发生根本原因是进口空压机能够适应本土温、湿度的环境条件，但不一定能够适应我国南海地区高温高湿的典型环境。在我国诸多进口空压机使用时，时有报道发生滑油乳化、曲轴抱轴和气缸拉伤的现象。因此，进口空压机在我国船用配套使用过程需要采取相应的措施，防止出现类似问题。

2）对比室内空压机，船用空压机需要面对的环境更为恶劣，主要体现在倾斜摇摆、高温高湿和盐雾海上环境，空压机易发生滑油乳化现象。在研究具体原因后，可以提出适宜的解决措施；在日常使用过程中，需根据经验结合滑油的颜色、零部件锈蚀和运行时间等因素关注滑油质量。