第二节　油的基本性质和分析化验

一、油的基本性质及其对运行的影响

油的性质分为物理、化学、电气性质和安定性。物理性质包括黏度、闪点、凝固点、水分、机械杂质、透明度和灰分含量等;化学性质包括酸值、水溶性酸或碱及苛性钠抽出物等;电气性质包括绝缘强度、介质损失角;安定性包括抗氧化安定性和抗乳化度,这里介绍部分与水电站设备运行直接相关的基本性质。

1.黏度

(1)含义:液体受外力作用移动时,在液体分子间产生的阻力(即液体的内摩擦力)称为黏度。黏度是流体抵抗变形的能力,也表示流体黏稠的程度。

(2)度量指标:油的黏度分为绝对黏度和相对黏度,绝对黏度又包括动力黏度和运动黏度。

1)动力黏度:液体中面积为1cm2、相距1cm的两层液体,发生速度为1cm/s的相对移动时,液体分子间产生的阻力称为此液体的动力黏度,用μ表示,单位为Pa·s。对于20.2℃的水,其动力黏度为μ=0.001Pa·s。

2)运动黏度:在相同的温度下,液体的动力黏度μ与它的密度ρ之比,称为液体的运动黏度,用ν表示,即ν=μ/ρ,单位为m2/s或mm2/s。

3)相对黏度:也称比黏度,任一液体的动力黏度与20.2℃时水的动力黏度之比值,称为该液体的相对黏度,用η表示,显然,η为一个无量纲数。

我国习惯使用的相对黏度为恩氏黏度,即在规定的条件下,试油从恩氏黏度计流出200mL与20℃蒸馏水流出200mL所需的时间之比,称为恩氏黏度,用°E表示。恩氏黏度的测定温度一般为20℃、50℃和100℃。

恩氏黏度值可按乌别洛德近似公式换算成运动黏度值:

(3)影响因素:油品的黏度主要取决于油中烷烃、环烷烃、芳香烃及不饱和烃的含量。油品以烷烃为主时,黏度较低,黏温性能较好;当环烷烃或芳香烃较多时,黏度较高,黏温性能变差;当含有不饱和烃时,易氧化生成胶质,黏度较高,黏温性能极差。油品的黏度随着分子量和沸点的增加而增大,也随着温度和压力变化。一般情况下,黏度随温度升高而降低,随压力增加而增高,在高压时(>50MPa)尤为显著,但在实际使用中,由于工作压力一般不大,可不考虑压力对黏度的影响。

(4)对运行的影响:黏度是油品的重要特性之一,是润滑油牌号划分的依据,也是油品选用的重要依据。

对于绝缘油,黏度宜小一些,因为黏度小则流动性大,有利于变压器对流散热,也有利于油断路器切断负荷时电弧热量的快速散出,提高灭弧能力,但黏度过小时闪点也低,因此绝缘油的黏度要适中。

对于透平油,黏度大时易附着在金属表面不易被压出,易保持油膜厚度,有利于保持液体摩擦状态,但黏度过大时,油的流动性差,会产生较大的摩擦阻力,增加磨损,且散热能力降低。一般根据油膜承受的压力和设备转速来确定,压力大而转速低时选用黏度大的油,反之则选用黏度小的油。

运行中的绝缘油和透平油会逐步变质,其黏度也会随之增加。

2.闪点

(1)含义:闪点是试油在规定条件下被加热至某一温度,油蒸气与空气混合后遇火呈现蓝色火焰并瞬间自行熄灭(闪光)时的最低温度,用℃表示。并不是任何油气与空气的混合气都能闪光,混合气中油气的浓度要在一定范围内,浓度过低或过高均不能闪光,此范围称为闪光范围。

闪点不是自燃点(火焰产生后不再熄灭),一般润滑油的自燃点比闪点高50～100℃。油品的危险等级是根据闪点来划分的,闪点在45℃以下的为易燃品,45℃以上的为可燃品。在储运和使用中,禁止将油品加热到闪点,加热的最高温度应低于闪点20～30℃。

(2)影响因素:闪点的高低不仅取决于油的化学成分,特别是沸点低、易挥发碳氢化合物的数量,油沸点越低,闪点也越低,而且还与物理条件有关,如测定方法、仪器、温度和压力等,所以闪点是在特殊仪器内测定的条件性数值。透平油通常在开口容器中工作,因此用开口式仪器测定闪点,要求新透平油的闪点不低于180℃;而绝缘油一般是在闭口容器中工作,故用闭口式仪器测定,要求新变压器油的闪点不低于135℃。在测定闪点时,若油面越高,蒸发空间越小,越容易达到闪点浓度,闪点也越低。对同一油品,开口式闪点高于闭口式闪点。

(3)对运行的影响:闪点反映了油在高温下的稳定性,是保证油品在规定温度范围内储运和使用的安全指标,用以控制油中轻馏分含量不超过规定限度和蒸发损失,保证在闪点之下,不致发生火灾和爆炸。

对于运行中的绝缘油和透平油,在正常情况下,随着使用时间的延长,闪点会逐渐升高,但是若有局部过热或电弧作用等情况时,闪点会因油品高温分解而显著降低。如果发现运行中绝缘油闪点降低,往往是由于电气设备内部故障造成过热高温,使绝缘油热裂解,产生易挥发、可燃的低分子碳氢化合物。因此,可通过对运行油闪点的测定,及时发现设备内部是否有过热故障。

油品的闪点过低,容易引起设备火灾或爆炸事故。

3.凝固点

(1)含义:油品失去流动性时的最高温度值为凝固点,以℃表示。对于含蜡很少或不含蜡的油,油品失去流动性是由黏温凝固所致,即随着温度的降低,油的黏度上升到一定值时,油品变为无定形的玻璃状物质而失去流动性;对于含蜡油,油品失去流动性则是由构造凝固所致,即随着温度的降低,油品中的蜡逐渐结晶出来,分散在油中,使透明油品中出现云雾状混浊现象,若进一步降温,则结晶大量生成并逐渐扩大,靠分子引力连接成网,形成结晶骨架,把当时尚处于液态的油包在其中,使整个油品失去流动性,含蜡越多,油品的凝固点越高。

(2)影响因素:油的凝固点除与油中含蜡量有关外,还受油中水分和苯等高结晶点的烃类影响。当油中含有千分之几的水时便可使凝固点上升,当油中含有胶质或沥青质时,则会妨碍石蜡结晶的长大,并破坏石蜡结晶的构造,使其不能形成网状骨架,从而使凝固点有所降低。

(3)测定方法:油品是一种复杂的混合物,没有固定的凝固点,因此一般用如下方法来测定:试油在规定条件下冷却到某一温度,将盛油试管倾斜45°角,1min后观察油面是否流动,停止流动时的最高温度称为该油品的凝固点。

(4)对运行的影响:油在低温时的流动性是评价油品使用性能的重要指标之一,对油品的使用、储存和运输均有重要意义。油凝固后不能在管道及设备中流动,会破坏润滑油的油膜,降低绝缘油的散热和灭弧作用,增大油断路器操作阻力。因此,要求油品具有较低的凝固点。

用于寒冷地区的绝缘油,对凝固点有较严格的要求。一般选用DB-25,在月平均气温不低于-10℃的地区,可选用DB-10;当月平均气温低于-25℃的地区,宜选用DB-45。室外断路器油在长江以南可采用DB-10,而东北、西北严寒地区则需要用DU-45。

对于润滑油,一般要求使用温度必须比凝固点高5～7℃,否则机组启动时容易产生干摩擦现象。由于透平油是在厂房内机组中使用,对凝固点要求较宽。为便于运输、储存、保管和使用中低温的极限,要求透平油的凝固点低于-7℃。

为降低凝固点,未经深度脱蜡的油可加入降凝剂,如加入0.5%～1%的烷基萘(801)后,凝固点可下降10～20℃。

4.水分

(1)来源:油品中的水分一是外界侵入,如运行中水混入、空气中水汽吸入等;二是油氧化而生成的水。

(2)水的存在形态。

1)游离水:多为外界侵入的水分。油劣化不严重时,油和水为两相,这种水容易去除,危害不大。

2)溶解水:一般为空气中进入的水分。水溶于油中,水和油为均匀的单相,这种水会急剧降低油的耐压,需用真空雾化法去除。

3)结合水:这种水为油氧化生成,是油初期老化的象征。

4)乳化水:油品精制不良,或长期运行造成老化,或被乳化物污染,都会降低油水之间的界面张力,使油水混合在一起,形成乳化状态。乳化水以极小的颗粒分布于油中,很难去除,危害极大。

(3)测定方法:油中水分的测定方法分定性(有或无)和定量(百分数%)两种,而且都是有条件的。

1)定性测定:将油注入干燥的试管中,把油加热,当加热到150℃左右时,如听到响声,且油表面产生泡沫,这时若摇动试管,则试管中的油变成混浊状,说明油中含有水分,否则认为油中不含水分。

2)定量测定:用试油与低沸点无水溶剂混合,使用特定仪器用蒸馏方法测定油的水分含量,结果用重量百分数(%)表示。

微量水分测定法有库仑法和气象色谱法。

(4)危害:润滑油中含有水分会助长有机酸的腐蚀能力,生成金属皂化物;使油膜强度降低,影响油的润滑性能;使添加剂分解沉淀,性能降低甚至失效;产生泡沫或乳化变质,加速油的氧化。

绝缘油中含有水分会大大降低耐压能力,如变压器油中含水分0.01%时,其绝缘强度会降低到1/8以下;增大油的介质损失角;加速绝缘纤维老化。

规定不论是新油还是运行油中均不允许含有水分。

5.机械杂质

(1)含义:机械杂质是指油中的各种固体悬浮物,如灰尘、金属屑、泥沙、纤维物和结晶性盐类等,用%表示。

(2)来源:有的机械杂质是在地下油层中固有的,有的是开采时带上来的,有的是加工精制过程中遗留下来的,有的是在运输、保存和运行中混入的。

(3)测定方法:将100g试油用汽油稀释,用干燥和称量过的滤纸过滤,残留物用汽油洗净后,将滤纸烘干称量,得到机械杂质重量,以占油重量的百分数表示。

(4)危害:机械杂质会阻碍油的流动,破坏油膜,加速零件磨损,使摩擦部件过热,堵塞油管或滤网,降低油的抗乳化度,促使油劣化,增大残炭和灰分数量,降低绝缘性能。

规定透平油和绝缘油均不含机械杂质。

6.酸值

(1)含义:油中游离的有机酸含量称为油的酸值,也称酸价,用中和1g试油中所含酸性组分所需的氢氧化钾毫克数来表示酸值的大小,即mgKOH/g。从试油中测得的酸值,是有机酸和无机酸的总和,故也称总酸值。中和100mL油中酸性组分所需的氢氧化钾毫克数称为酸度。

酸值是保证储油容器和用油设备不受腐蚀的指标之一,也是评定新油品和判断运行中油质氧化程度的重要化学指标之一。一般来说,酸值越高,油品中所含的酸性物质就越多,新油中含酸性物质的数量,随原料与油的精制程度而变化。

在有水分存在的条件下,金属会被氧化生成金属氢氧化物,金属氢氧化物又易与高分子有机酸作用生成盐类,这些盐类又会成为油品氧化的催化剂,进一步加速油品氧化。

(2)来源:新油中的酸性组分,是油品在精制过程中由于操作不善或精制、清洗不够而残留在油中的酸性物质,如无机酸、环烷酸等;使用中的油品则是由于氧化而产生的酸性物质,如脂肪酸、羟基酸和酚类等。

油品在使用过程中酸值一般是逐渐升高的,习惯上常用酸值来衡量或表示油的氧化程度。

(3)测定方法:用热乙醇将油中的有机酸抽提出来,然后滴定,测出中和时所需的氢氧化钾数。

(4)危害:油中的酸性组分会腐蚀金属,尤其是对铜、铝及其合金的腐蚀更为严重,高温时还会使纤维绝缘材料老化,油中所形成的环烷酸皂化物会堵塞管道,降低油的润滑性能、抗乳化能力和绝缘强度,引起机件磨损发热,缩短设备的使用寿命,在有水分存在的条件下,其腐蚀性会增大,造成机组振动,调速系统卡涩,严重威胁机组的安全运行。因此,油的酸值要严格控制在一定范围内。

由于添加剂如防锈剂、抗氧化剂等都是酸性的,故添加剂的使用会增大油品的酸值,使油品的酸值指标有所放宽。

7.水溶性酸或碱

(1)含义:油品中的水溶性酸或碱是指能溶于水的无机酸或碱,以及低分子有机酸和碱性化合物等物质。

(2)来源:一般是油品酸碱精制过程不当、储运中被污染或使用中氧化变质造成的。

(3)测定方法:以等体积的蒸馏水和试油混合摇动后,根据其水抽出液的酸性或碱性反应来判断的。如抽出液对甲基橙不变色,则认为不含水溶性酸;如抽出液对酚酞不变色,则认为不含水溶性碱。

(4)危害:油中水溶性酸或碱的存在会强烈腐蚀金属,酸会腐蚀铁和铁合金,碱会腐蚀有色金属,在受热情况下会加速油品氧化、胶化和分解。

绝缘油中的水溶性酸对变压器的绝缘材料老化影响很大,会直接影响变压器的运行寿命。

要求油品为中性,无酸碱反应。

8.绝缘强度

(1)含义:在规定条件下,绝缘油承受击穿电压的能力称为绝缘强度,以平均击穿电压(kV)或绝缘强度(kV/cm)表示,它是评定绝缘油电气性能的主要指标之一。

(2)影响因素:击穿电压的大小与电极的形状和大小和间距、油中的水分、纤维、酸和杂质、油的压力和温度、施加的电压特征等多种因素有关,但决定性的因素是含水量,微量的溶解水会使油品绝缘强度大大降低。提及击穿电压时一定要注明其电极形式和间距。

(3)测定方法:在绝缘油容器内放一对标准电极(间距0.25cm),并施加电压,当电压升到一定数值时,电流突然增大而发生火花,绝缘油被击穿,这个开始击穿的电压即为平均击穿电压,绝缘强度由平均击穿电压换算得到。

(4)对运行的影响:绝缘油是充油电气设备的主要绝缘部分,油的击穿电压是保证设备安全运行的重要条件。如油中含有杂质和吸收空气中的水分而受潮,或油品老化变质,均会使油的击穿电压下降,影响设备的绝缘性能,甚至击穿设备,造成事故。所以在运行油质标准中,按不同设备的电压等级,对油的击穿电压都有具体的指标要求,并定期或不定期取样,进行击穿电压测定,以便发现问题,及时处理,防止设备事故,保证运行安全。

9.介质损失角正切tanδ

(1)含义:当绝缘油受到交流电作用时,会消耗一些电能而转变为热能,单位时间内消耗的电能称为介质损失。若无介质损失,则加在绝缘油的电压U与所产生的电流I的相位差为90°。

1)吸收电流:由于绝缘油中含有极性分子,这种极性分子在交流电场的作用下会不断运动,从而产生热量,造成电能损失,这种原因消耗的电流称为吸收电流IRC,此电流是电阻电容电流,如图2-1所示。

2)传导电流:绝缘油中有部分电流直接穿过介质,即泄漏电流,也造成电能损失,称为传导电流IR。

由于有这两部分介质损失,使电压U与电流I的相位差总小于90°,90°与实际相角之差δ称为介质损失角,它是绝缘油电气性能中的一个重要指标。通常以tanδ表示,称为介质损失角正切,也称介质损耗因素,其大小等于通过绝缘油电流的有功分量与无功分量之比。对于正常的绝缘油,通过其电流的有功分量很小,可忽略不计,因此,绝缘油才能绝缘。但当油劣化时,tanδ相应地增大,电能损失增加,绝缘性能下降。

(2)用途:用tanδ可以很灵敏地判断油的绝缘性能,油质的轻微变化在化学分析试验尚无从辨别时,tanδ却能明显地发生变化,即tanδ能比其他指标较早地显示出油的污染程度,可用于判断绝缘油的极性物质(如胶质和酸类)含量和受潮程度,是检验绝缘油干燥、精制程度及老化程度的重要指标。

10.抗氧化安定性

(1)含义:在较高温度下,油品抵抗和氧发生化学反应的性能称为抗氧化安定性,以试油在氧化条件下所生成的沉淀物含量(%)和酸值(mgKOH/g)来表示试油的抗氧化安定性。

抗氧化安定性是油品最重要的化学性能之一。油在使用和储存过程中,不可避免会与空气中的氧接触而发生化学反应,产生一些新的氧化产物,这些氧化产物在油中会促使油品变坏。

(2)影响因素:油的化学组成、温度、与空气接触的程度、氧化时间、水分、金属与其他物质的催化作用等均会影响油品的抗氧化安定性。

(3)测定方法:对透平油和断路器油,在铜铁催化剂作用下,当温度达到125℃时通入氧气8h,然后进行测定;对变压器油,在铜铁催化剂作用下,当温度达到100℃(含添加剂为110℃)时通入氧气164h,然后进行测定。

(4)对运行的影响:油的抗氧化安定性越好,酸值和沉淀物数量就越小,危害也越小,油的使用寿命就越长。油被氧化后,沉淀物增加,酸值升高,使油劣化,有机酸会腐蚀金属,缩短金属设备使用寿命,酸与金属作用生成的皂化物会加速油的氧化,油中的胶质和沥青质会加深油的颜色,增大黏度,影响正常润滑和散热,沉淀物过多时会堵塞油路,威胁机组安全运行。

对于变压器油,油中的酸性产物会使纤维材料变坏,降低油及纤维材料的绝缘强度,氧化产物还会析出较多的沉淀物,沉积在变压器线圈表面,堵塞线圈冷却通道,造成过热,甚至烧坏设备,如果沉淀物在变压器的散热管中析出,还会影响油的对流散热作用。

油的抗氧化安定性能要求较高,一般需要对油进行深度精制,以获得良好的抗氧化安定性。由于黏度小的油抗氧化安定性也好,有利于酸值的控制,因此,在规定的范围内宜尽量采用黏度较小的油。为了减缓运行中油的氧化速度,延长使用期,常在油中添加适量的抗氧化剂,如芳香胺、T501、721等,它能破坏烃类氧化过程中的连锁反应,抑制有机酸的生成,加入量一般为0.1%～0.3%。

11.抗乳化度

(1)含义:在规定的试验条件下,将水蒸气通入试油中所形成的乳浊液达到完全分层所需要的时间,称为抗乳化度,也称破乳化时间,以分钟(min)表示。

(2)影响因素:精制深度不当,存在环烷酸皂类等残留物;运输和储存中混入金属腐蚀物、油漆和尘埃等杂质;运行中油老化生成环烷酸皂类和胶质物等乳化剂。

抗乳化度是鉴别透平油精制深度、受污染程度及老化深度等的一项重要指标。

(3)对运行的影响:抗乳化度是透平油的一项重要性能指标。水电站中使用的透平油难免与水直接接触,所以容易形成乳化液。油被乳化后黏度增高,泡沫增多,机械杂质不易沉淀,加速油劣化;析出的水分会破坏油膜,影响润滑效果,加速部件磨损,引起轴承过热,造成调速系统失灵,引起设备损坏事故;油中乳状物会腐蚀金属,乳状物沉淀时会妨碍油循环,使流速减小,造成油量供应不足。

要求透平油具有良好的抗乳化度,以利于迅速分离水分,定期排水后循环使用。由于黏度小的油抗乳化度好,因此在规定的范围内宜尽量采用黏度较小的油。

12.其他参数

(1)透明度:用于判断油的清洁和被污染程度。油中含有水分和机械杂质后透明度将发生变化,油中胶质或沥青质含量增大时颜色将变深。要求油呈橙黄色透明。

(2)灰分:燃烧后剩下的无机矿物性杂质(盐类和氧化物)含量,以%表示。当灰分含量过多时,会增大机械磨损,使油膜不均匀,润滑性能变差,产生的油泥沉淀物不易清除,在高温下易形成硬垢。

(3)苛性钠抽出物酸化测定:用于判断油的精制程度。定性判断油中高分子有机酸、金属盐和脂的存在量,分为1～4级。量越大,级数越高,油的抗氧化安定性、抗乳化度及抗腐蚀性能越差。

绝缘油在使用上要求安全可靠,连续工作时间长,要求具有很高的耐压能力和良好的抗氧化安定性,而透平油则要求具有良好的抗氧化安定性和抗乳化度。

二、油的质量标准

油品的质量对运行设备影响很大,因此对其性能有严格的要求。不论是新油还是运行油都要符合国家标准。透平油的新油和运行油质量标准参见表2-1和表2-2,绝缘油的新油和运行油质量标准参见表2-3和表2-4。

三、油的分析化验

为了及时了解油的质量,防止因油劣化而造成设备事故,应按规定进行取样试验。在新油或运行油装入设备后,运行一个月内,每10天要求采样试验一次;运行一个月后,每15天要求采样试验一次。

当运行中油劣化速度加快时,应适当增加取样试验次数,找出原因,采取补救措施。在发生事故后,应对油进行试验,以便找出原因。此外,在大修结束机组启动前,透平油必须做简化分析。油的任一性质突然改变,都必须加以研究,它可能是油老化的结果,也可能预示用油设备内某种危险征兆。

按规定,中小型水电站一般按简化分析项目配置化验设备,见表2-5,对于中心油务所或偏僻地区的大型电站,可按全分析项目配置,而对于一些用油量很少的小型电站,可不设油化验设备,但需定期取样到油务中心进行试验。