润滑油在盐雾环境下评价方法的研究
摘 要：不断发展的海上风电使得海上盐雾问题受到普遍重视，本文从润滑的角度介绍了风力发电机组润滑油的防腐防锈机理，并通过EMCOR实验评价了四种风电机组主齿箱润滑油。
关键词：海上风电；盐雾；EMCOR实验
一、海上风电的发展及其盐雾问题
海上风电装机量在近10年内将不断地攀升。数据显示，2018年全球海上风电装机容量达4，988MW，创造了海上风能市场风机新增装机容量的纪录。截至2018年底，海上风电累计装机容量增至22，045MW。虽与陆上装机容量仍有很大差距，但海上风电是可再生能源发展的重要领域，海上风电相比陆上风电，具有几点优势：海上风速高；海上风能资源丰富；海上风主导风向一般稳定；海上风电单机容量较大；不占用陆地宝贵的土地资源等。海上风电是推动风电技术进步和产业升级的重要力量，是促进能源结构调整的重要措施。我国海上风能资源十分丰富，加快海上风能市场的开发与风电项目建设，对于促进沿海地区能源清洁化、空气清洁化、能源结构化和转变经济发展方式都具有重要意义[1]。到2020年，全国海上风电开工建设规模达到1，000万千瓦，力争累计并网容量达到500万千瓦以上[2]。
但海上风电面临的挑战也是显而易见的，除了海上风机不易安装等缺点外，从风机润滑角度来讲：海上潮湿与盐雾腐蚀对风力发电机组的齿轮箱造成影响。据监测，我国南海、东海和北海海面上空盐雾根据海上风速，波浪高低不同含量约为0.33-23.6mg/m3，而向内陆大约在80km-1600km内，盐雾含量随离海岸距离的增大而减小[3]。盐雾对风机齿轮箱等零部件中的金属材料的腐蚀，主要是由于导电的盐溶液渗入，金属内部会发生电化学反应，从而形成“低电位金属-电解质溶液-高电位杂质”电池系统。氯离子在盐雾腐蚀破坏过程中起主要原因，氯离子容易被吸附在金属表面，取代保护金属的氧化层中的氧，使金属受到破坏[4]。除氯离子外，盐雾腐蚀机理还受溶解于盐溶液里氧的影响。而腐蚀产物的形成，使渗入金属缺陷里的盐溶液的体积膨胀，因此增加了金属的内部应力，引起了应力腐蚀[5]。高浓度的盐雾极有可能渗入齿轮箱内部，而齿轮增速箱是风力发电机组关键组件，齿轮箱平稳、长寿命的运行是保证机组平稳发电的要素之一，齿箱内部的腐蚀破坏影响齿轮传动的平稳性与可靠性。
二、润滑油防腐防锈机理
从设备润滑的角度来讲，在满足陆上风电机组润滑需求外，润滑油品的盐雾通过性能在海上风机的盐雾问题中显得尤为重要[6]。风机主齿轮箱润滑油是由基础油和复合添加剂按一定比例调和而成，其中，基础油和添加剂都会对风机齿箱中的金属起到保护作用。
1.基础油防腐性机理
基础油的防腐（包括防锈性）在于用油膜覆盖或浸泡使金属隔绝周围环境，以防止化学污染和大气、水的电化学作用产生的破坏。基础油的防腐作用另外还体现在基础油的自身良好氧化安定性，即在油品使用中，能抑制氧化生成的腐蚀物质倾向，从而起到防腐作用。尽管一些油品中均另有防腐或防锈剂，可以增强油品的防腐效果，但即使在加有这些添加剂的油中，基础油从机理上对防腐（防锈）效果不可或缺[7]。
2.添加剂防锈机理
防锈剂多是一些极性物质，其分子结构特点是：一端是极性很强的基团，其具有亲水作用；另一端是非极性的烷基，具有疏水作用。当含有防锈剂的油品与金属接触时，防锈剂分子中的极性基团对金属表面有很强的吸附力，在金属表面形成紧密的单分子或多分子保护层，阻止腐蚀介质与金属接触，故起到防锈作用，如图1所示。防锈剂还对水及一些腐蚀性物质有增溶作用，将其增溶于胶束中，起到分散或金属减活的作用，从而消除腐蚀性物质对金属的腐蚀[8]。
图1 防锈油膜结构图
三、动态防锈实验EMCOR试验法的介绍
1.风电油品的常用防锈防腐标准
面对海上复杂多变的潮湿环境以及盐雾影响，为了最大化的延长齿轮箱运行时间，防止齿箱内部金属零件生锈是十分必要的，性能优异的润滑油脂可以保障轴承在极端条件下不易生锈。目前国内对于风电齿轮油润滑油品测试标准GB/T33540.3-2017《风力发电机组专用润滑剂第3部分：变速箱齿轮油》，其中对于腐蚀的测试有液相锈蚀（24h），采用的方法是GB/T11143（B法）；以及铜片腐蚀（100℃，3h），采用的方法是GB/T5096。目前市售的风电齿轮油品也都提供液相锈蚀及铜片腐蚀的参数。为了验证不同风机主齿箱齿轮油的抗盐雾性能，选取市面上4种风力发电齿轮箱润滑油产品A、B、C、D进行分析测试：
表1 四种风力发电齿轮箱润滑油产品抗盐雾性能
从以上表格可以看出，目前标准的测试方法并不能有效针对海上盐雾问题有效区分油品的防腐防锈品质，需要寻找一种新的测试方法来进行区分。
2.EMCOR试验简介
针对润滑脂的防锈性检测，一般采用SHT0700-2000《润滑脂防锈性测定法》即等效采用国际标准ISO11007:1997《石油产品和润滑剂-润滑脂防锈性测定法》进行EMCOR实验，有效地区分润滑脂的防锈性能。对于润滑油来讲，国际和国内没有相应的标准，一般参考SKF公司对于润滑油的EMCOR试验测试。整个EMCOR实验是以动态的方式完成的，可以比较真实的模拟现场实际工况。下面介绍一下针对润滑油的EMCOR测试方法，如图2示为EMCOR实验台架：
图2 EMCOR实验台架
在特制的工作台上，按规定条件，以8h周期将安装了注有待测混有蒸馏水或去矿物质水，盐水或合成海水的润滑油的轴承运行3次，结束后，检查轴台中轴承外滚道，观测锈蚀度。锈蚀度判级如表2及图3所示：
表2 锈蚀判级表
图3 锈蚀判级图
3.EMCOR实验对比
将A、B、C、D四款产品进行EMCOR实验对比。如表3所示为轴承外环滚道内部锈蚀状况照片，根据实验结果进行判级：
表3 EMCOR实验后轴承外环滚道内部锈蚀状况
在四种油品对比中我们发现，A、B判定等级为1级，说明抗盐雾腐蚀能力较强，C判定2级，抗盐雾腐蚀能力一般；D判定3级，抗盐雾腐蚀能力较差。从实验对比中我们可以发现，EMCOR实验可以有效判别润滑油的防腐防锈能力。
四、总结
海上风电是风电行业发展的趋势。润滑油作为风机齿箱润滑上必不可少的“零件”，其适应海上盐雾环境的能力十分重要。目前风电润滑标准不能很全面的评价油品盐雾通过性，本文通过对比市面常见的风机润滑产品，发现在铜腐及液相锈蚀指标均满足国家标准的前提下，EMCOR试验在一定程度上可以有效对油品的抗盐雾能力进行测试及评价，从而能更好的区分风机润滑产品品质，保证风机在海上平稳可靠的运转，这对于布局海上风电市场的厂商是一个重要的判定依据。