风电主齿轮箱润滑油清洁度检测与污染物分析

赵 丹，洪 超

（东方电气风电有限公司，四川 德阳 618000）

1 引言

主齿轮箱是双馈型风力发电机组的关键大部件之一，其使用性能和运行寿命与润滑油的清洁度及污染密切相关。大量实践数据表明，齿轮箱损害造成的风机故障占机组全部故障的比例可达20%，其中，润滑油污染导致的润滑故障又占有较高的比例[1][2]。

润滑油清洁度反映了固体颗粒污染物在油液中的含量与分布，用以表征油的清洁程度。齿轮箱在运转使用过程中，会不断产生污染物于润滑油液内。污染物对润滑油以及设备本身均危害较大，会严重影响油的润滑能力，引起零部件磨损失效，使齿轮箱发生故障，性能下降，寿命缩短。因此，研究探讨风电主齿轮箱润滑油清洁度及污染物，控制润滑油的清洁度，及时处理在用润滑油中的污染物，对于保证主齿轮箱安全可靠、高效经济地运行，延长设备使用寿命，有重要的实用价值和意义。

目前，风机润滑油的监控大多数仅限于常规检测[3][4]，仅有的清洁度结果往往不够，必要时还需对润滑油清洁度及污染物做进一步深入检测和分析，获取更加全面细致的油的污染及性能状况信息，而这方面的研究和应用也相对较少。

根据现场反馈，某风场刚投运不久的13#机组主齿轮箱润滑油常规监测结果异常，清洁度超标非常多。文中将通过显微拍照、扫面电镜和能谱分析等特殊的技术方法对其进行清洁度检测确认和污染物分析，以明确污染物主要成分及来源，找出异常情况产生的原因，为制定应对措施提供客观依据。

2 风电主齿轮箱油的清洁度及主要污染

2.1 风电主齿轮箱油的清洁度评级

对于风电行业中主齿轮箱润滑油清洁度等级，目前众多风机制造商和业主参考和采用由美国标准委员会、齿轮箱制造协会和风能协会联合制定的标准ANSI/AGMA/AWEA 6006-A03。该标准规定，主齿轮箱运行时的清洁度等级需达到ISO 17/15/12（详见表1）[5]。

表1 风电主齿轮箱润滑油清洁度要求

此外，ISO及IEC也对风电主齿轮箱润滑油清洁度做出了要求[6]，与ANSI/AGMA/AWEA 6006-A03的要求基本一致。

表2 ISO标准污染等级（部分摘录，每毫升颗粒数）

ISO清洁度等级（三位数系统）采用三个颗粒尺寸作为检测清洁度的特征颗粒，从左至右分别代表≥4μm≥6μm和≥14μm的颗粒的标准污染等级[7]，标准污染等级见表2所示[8]。

2.2 风电主齿轮箱油的主要污染及危害

影响润滑油清洁度的污染物主要来源有外界污染物、磨损颗粒物、润滑油氧化产物、润滑油添加剂析出物等。

颗粒污染物进入齿面和轴承间隙中，导致了轴承与齿轮的磨损与碾磨，是齿轮箱磨损和失效的主要因素。研究表明[9]，突然的崩溃通常由润滑油中尺寸≥14μm的颗粒引起，而因积累而引起的故障，如磨损和老化等，是由尺寸2μm～6μm的小颗粒物引起，风机运行数年之后，往往会发现一些齿轮齿面以及齿轮箱轴承磨损严重。

润滑油中氧化产物、添加剂析出物也会导致诸多危害，具体概括如下[10]：

（1）附着在机械工作表面，吸附颗粒物，加速零件的磨损；

（2）粘滞于机械表面，降低机械的表现；

（3）粘附于换热器及轴承和齿面上，降低了热交换效率，导致齿轮箱轴承超温的报警风险提高；

（4）在线过滤器堵塞，油在管路中流动受限；

（5）加速油变质和添加剂消耗，增加了成本。

正常情况下，主齿轮箱润滑油使用寿命为3年～5年，到期后更换。若检测到润滑油清洁度和污染物超标，需过滤净化；当油品老化、性能恶化时，则立即更换新油，以满足要求[11][12]。

3 风场13#机组主齿轮箱油的清洁度检测

3.1 现场过滤检测情况

取100ml油样样品，过滤通过φ50mm、绝对过滤精度为3μm的分析膜片。将上述制备的分析膜片放在100×显微镜下观察并与标准图片进行比较，得出油样的清洁度等级。

现场过滤检测时，所检的13#机组油样呈棕色液体，略微浑浊，如图1所示，将其与14#机组油样进行对比，可明显看出前者比较浑浊，后者则呈现棕色透明外观。

图1 现场过滤检测的油样外观及对比

现场过滤制备的分析膜片被灰黑色油膜附着覆盖，反复多次使用石油醚冲洗均无法使其溶解过滤走，难以读出确切清洁度等级，如图2所示。为排除外界干扰，现场检测时用两种取样瓶取了双份油样在同种条件下进行了测试，从图2中可以看出，两份油样的检测结果一致。

图2 现场过滤制备的分析膜片（双份油样）

3.2 实验室过滤检测情况

取25ml油样样品，过滤通过φ25mm、绝对过滤精度为1.2μm的分析膜片。将上述制备的分析膜片放在200×显微镜下观察并与标准图片进行比较，得出油样的清洁度等级。

实验室过滤检测时，所用的13#机组油样外观呈棕黄色，不透明（如图3中左图）。实验过程中发现，样品过滤速度非常慢，完全过滤25ml样品的分析膜片（如图3中右图）表面截留一层黑色污染物。

图3 实验室过滤检测的油样外观及分析膜片

实验室过滤检测的精度更高，其检测情况进一步印证了现场过滤检测结果，该油样清洁度极差，超出ISO 4406等级范围，无法读出具体数值。

4 风场13#机组主齿轮箱油的污染物分析

4.1 分析膜片显微拍照

用与显微镜相匹配的数码CCD进行图像采集，得到分析膜片上具有代表性的显微照片。

将2.2中完全过滤25ml样品得到的分析膜片置于200×显微镜下进行观察和拍照（如图4），发现黑色污染物是由胶状物夹杂颗粒物形成的一层滤饼，这是油样样品过滤速度极慢的原因。

图4 过滤25ml样品、200×放大倍数照片

为进一步分析污染物组成，取少量样品（约10ml）用过滤后的石油醚稀释后得到污染物分析膜片，置于500×显微镜下进行观察和拍照（如图5）。从照片中可以明显看出，油样中主要污染物为浅色胶状物和黑色金属颗粒。

图5 过滤10ml样品、500×放大倍数照片

4.2 污染物SEM/EDX扫描电镜和能谱分析

采用扫描电镜及拍照系统和能谱分析仪对分离提取出的污染物进行扫描和元素分析。

对2.2中完全过滤25ml样品得到的分析膜片表面截留污染物进行大面积扫面（如图6）的结果显示，污染物主要元素包含C、O、P、S、Ca、Fe（见表3），其中C、O元素所占比例最大，P、S、Ca元素其次，Fe元素比例最少。

图6 表3对应大面积扫描区域

表3 污染物大面积扫描主要元素表

过滤10ml样品与过滤25ml样品得到的分析膜片所截留的污染物扫面电镜和能谱分析结果基本一致，其中C、O元素所占比例依旧最大，P、S、Ca、Si元素其次，Fe元素比例最少。典型颗粒详细情况如图7～图8及表4～表5所示。

图7 表4对应扫描点

表4 典型颗粒点位1扫描主要元素表

图8 表5对应扫描点

表5 典型颗粒点位2扫描主要元素表

参考该款润滑油技术数据，C、O为其主要成分元素，其添加剂成分含有Ca、Mo、P、Si、S元素，故初步推断污染物中C、O元素主要源自油的老化产物，Si、P、Ca、S元素源自润滑油添加剂析出物，少量Fe元素来源于齿轮箱磨损颗粒。

5 结论及建议

根据上述油样检测及分析结果，得出结论及建议如下：

（1）该油清洁度极差，已严重超出标准限制值，不满足风电主齿轮箱正常运行要求；

（2）油中主要污染物为浅色胶状物和黑色金属颗粒，污染物主要包含C、O、Si、P、S、Ca、Fe元素，初步推断主要源自油的老化产物、添加剂析出物以及少量齿轮箱磨损产物，这些表明该油存在老化和添加剂析出现象，需予以特别关注，少量齿轮箱磨损产物显示该机组主齿轮箱无异常磨损；

（3）鉴于该油性能状态，建议更换油品、滤芯或采用更为适合的过滤措施，该机组主齿轮箱仍可继续正常运行；

（4）文中所用技术方法在风电主齿轮箱润滑油此次实际问题处理上获得了较好效果，可在类似情况机组中借鉴应用。