image
energas.ru

Газовая промышленность № 01 2018

Транспортировка газа и газового конденсата

01.01.2018 11:00 ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭФИРНОГО МАСЛА ВНИИ НП 50-1-4У ТУРБО СХТ-32 В МАСЛОСИСТЕМАХ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ ПАО «ГАЗПРОМ»
В статье рассмотрены особенности эксплуатации масла ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 на основе термостабильного диоктилового эфира себациновой кислоты в маслосистемах газоперекачивающих агрегатов в сравнении с традиционно применяемыми углеводородными маслами. В ходе эксплуатации технологического оборудования на компрессорных станциях работа газоперекачивающих агрегатов чередуется с нахождением их в резерве. В это время находящееся в негерметичном маслобаке масло контактирует с внешней средой, подвергаясь негативному воздействию внешних факторов. Необходимость данных исследований связана с поступлением жалоб от эксплуатантов газоперекачивающего оборудования на резкий рост кислотного числа эфирного масла при нахождении газоперекачивающего агрегата в резерве. В лабораторных условиях смоделированы процессы, возникающие при эксплуатации газоперекачивающего агрегата в реальных условиях компрессорной станции. Приведены результаты лабораторного эксперимента по моделированию воздействия воды в виде жидкой фазы при повышенной температуре в течение различных промежутков времени на эфирное масло. Представлены результаты, полученные в ходе лабораторного моделирования эксплуатации масел (эфирного и углеводородного) с учетом нахождения оборудования в резерве. Полученные в лабораторных условиях экспериментальные данные качественно совпадают с результатами эксплуатации, которые наблюдались в условиях компрессорных станций. Установлено, что частично окисленное масло подвергалось ускоренному гидролизу, чем объясняется рост кислотного числа масла при нахождении агрегата в резерве. Рассмотрены токсикологические аспекты применения масел на эфирной и углеводородной основах. Сделаны выводы о нецелесообразности использования масел на эфирной основе для эксплуатации технологического оборудования ПАО «Газпром».
Ключевые слова: ЭФИРНОЕ МАСЛО, ТЕПЛОНАПРЯЖЕННЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЙ АГРЕГАТ, ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ.
Открыть PDF


В системах смазки газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с повышенным уровнем теплонапряженности, к которым относятся в первую очередь конвертированные авиационные двигатели четвертого поколения, применяют масло «Петрим» по ТУ 38.401-58-245–99 [1].

Первоначально для данного типа ГПА предусматривалось применение авиационного масла ИПМ-10 по ТУ 38.1011299–2006 [2], но в период с 1993 по 1998 г. в России производство авиационного масла ИПМ-10 было прекращено по ряду технических и экономических причин. Именно тогда проводились работы по разработке масла «Петрим» с целью замены дорогого и дефицитного масла ИПМ-10 в приводах авиационного типа, используемых в ГПА.

1.jpg

В требованиях по разработке масла «Петрим» были заложены следующие положения:

• масло должно превосходить по уровню термоокислительной стабильности (ТОС) минеральное авиационное масло МС-8П (максимальная рабочая температура до 150 ºС), но может уступать авиационному маслу ИПМ-10 (максимальная рабочая температура до 200 ºС);

• низкотемпературные реологические свойства нового масла могут уступать данным свойствам авиационного масла ИПМ-10;

• достигнутый компромисс по предыдущим пунктам должен обеспечить снижение себестоимости масла.

Опыт эксплуатации выявил недостатки данного масла. Установлено, что уровень ТОС масла «Петрим», обеспечивающий эксплуатацию при 175 ºС, находится на пределе возможностей. Отмечены случаи увеличенного нагарообразования на горячих деталях маслосистемы [3, 4].

1.png

В качестве выхода было предложено использовать синтетическое масло на основе сложных эфиров ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32, выпускаемое по ТУ 38.401-58-12–91 [5], которое является улучшенной маркой масла ВНИИ НП 50-1-4у. Основные физико-химические и эксплуатационные показатели этого масла приведены в табл. 1 в сравнении с маслами ИПМ-10 и «Петрим».

Масло «Петрим» значительно уступает маслу ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 и маслу ИПМ-10 по уровню ТОС, что проявляется в интенсивном образовании осадка после окисления при температуре 200 ºС. Это закономерно, так как рабочая температура масла «Петрим» составляет 175 ºС.

1_1.png

По многим физико-химическим показателям масло ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 существенно превосходит масло ИПМ-10. Тем не менее на авиационной технике масло ИПМ-10 используется как основная марка, а масло ВНИИ НП 50-1-4ф (у) – как дублирующая, что объясняется определенными недостатками масел на основе сложных эфиров карбоновых кислот, связанными с их химическим строением.

Основой масла ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 является ди-2-этил-гексиловый эфир себациновой кислоты – диоктилсебацинат термостабильный (ДОСт), имеющий повышенную гигроскопичность (способность увлажняться при контакте с атмосферой). Сравнительные данные по оценке гигроскопичности масел (по алгебраической сумме изменения массы насыщенного и осушенного образца масла) в соответствии
с квалификационным методом следующие:

• масло «Петрим» – 0,0077 %;

• масло ИПМ-10 – 0,0297 %;

• масло ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 – 0,1704 %.

Гигроскопичность масла ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 больше, чем у других масел, на 1–2 порядка.

Другим существенным недостатком масел на основе ДОСт является склонность к гидролизу (разложение эфира на спирт и кислоту при контакте с водой). На рис. 1 показана реакция гидролиза эфира ДОСт с образованием себациновой кислоты и спирта – 2-этилгексанола.

1_1_1.png

Степень гидролиза большей части эфиров двухосновных кислот в течение 24 ч составляет до 0,02–0,03 %. Гидролиз эфирной основы приводит к ухудшению многих эксплуатационных показателей: повышенному осадкообразованию при термоокислительной деструкции, возможности возникновения коррозионного воздействия масла на детали маслосистемы ГПА, изменению реологических характеристик и другим негативным проявлениям. Характерным признаком процессов гидролиза эфирной основы масла является увеличение кислотного числа масла. Следует отметить, что именно непредсказуемый рост кислотного числа данного эфирного масла в реальной эксплуатации на компрессорных станциях (КС) вызвал серьезные нарекания со стороны обслуживающего персонала, так как именно кислотное число эксплуатационного масла является одним из браковочных показателей, которые постоянно контролируются при эксплуатации агрегата.

1_1_2.png 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для количественной оценки влияния повышенной гигроскопичности эфирного масла на его эксплуатационные свойства поставлен ряд лабораторных экспериментов, где в качестве объектов сравнения применялись традиционные углеводородные масла.

В ООО «Газпром ВНИИГАЗ» проведен эксперимент, создающий условия для гидролиза эфирного масла. В течение семи дней масло ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 выдерживалось при температуре
95 ºС в контакте с водой. Контрольный образец масла выдерживался в аналогичных условиях, но в отсутствие влаги.

Получены данные по изменению инфракрасных (ИК) спектров масла ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32, контактирующего с водой (рис. 2). В ИК-спектрах масла отмечается существенное увеличение поглощения в области частот 3000–3400 см–1, связанное с наличием абсорбированной воды. При этом на седьмой день кислотное число для масла, имевшего контакт с водой, составляло 13,6 мг КОН/г, а для масла, не контактировавшего с водой, – 0,37 мг КОН/г.

Гидролиз эфирных масел осложняет их эксплуатацию в условиях негерметичности маслосистем оборудования, а также при хранении, особенно при резком изменении погодных условий (температуры, влажности и т. д.).

Особенность эксплуатации масел на объектах ПАО «Газпром» заключается в том, что работа ГПА чередуется с периодами относительно длительного нахождения оборудования в резерве. При этом значительные объемы маслобаков ГПА и их негерметичность дополнительно создают благоприятные условия для гидролиза эфирного масла. Из-за указанных особенностей применение масла ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 и других аналогичных продуктов в ПАО «Газпром» технологически неудобно. Для подтверждения этого в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» проведен эксперимент, имитирующий реальные условия работы масла в ГПА.

1_1_3.png

В качестве объекта исследований были выбраны три масла: масло на основе эфиров (ДОСт) – ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32, масло на основе полиальфаолефинов – Газпромнефть ИПМ-12ГП и масло на смесевой основе (90 % полиальфаолефинов, 10 % ДОСт) – ИПМ-10.

По условиям эксперимента, длившегося 454 дня, сочетались периоды хранения масел в течение 90 дней в открытой таре (имитация нахождения агрегата в резерве) и окисления масла в течение 5 ч (имитация работы агрегата). Окисление масел проводили в соответствии с ГОСТ 23797 [6] при температуре 200 ºС и расходе воздуха 10 л/ч. Результаты эксперимента представлены на рис. 3. Масло «Петрим» в данном эксперименте не участвовало ввиду недостаточной ТОС (не выдерживает окисление при 200 ºС).

Все масла имеют разные исходные значения кислотного числа, поэтому на графике (рис. 3) представлены данные по приросту кислотного числа относительно исходного значения для каждого масла. Из приведенных данных видно:

• скорость изменения кислотного числа для масла ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 существенно выше, чем для масел Газпромнефть ИПМ-12ГП и ИПМ-10;

• для масла ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 в отличие от масел Газпромнефть ИПМ-12ГП и ИПМ-10 наблюдается увеличение кислотного числа как в процессе хранения (участки А на графике), так и при окислении масла (вертикальные участки Б).

Суммарное время окисления масел составило 20 ч (менее половины от полного цикла окисления по [6] – 50 ч), но при этом абсолютное значение кислотного числа для масла ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 составило 1,6 мг КОН/г, что сопоставимо со значением для полного цикла окисления – 1,72 мг КОН/г (табл. 1). Это позволяет утверждать, что процесс гидролиза масла ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32, протекающий при его хранении (участок А), сокращает запас ТОС масла более чем в два раза. У масел ИПМ-12ГП и ИПМ-10 такое явление не наблюдается, и в процессе хранения между окислениями кислотное число не увеличивается.

Аналогичная картина отслеживается при мониторинге данных в процессе эксплуатации масла ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 в двигателях АЛ-31СТ на компрессорных станциях (КС) ПАО «Газпром».

Данные по изменению кислотного числа в процессе мониторинга эксплуатации масел «Петрим» (июнь 2011 г. – сентябрь 2012 г.) и ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 (октябрь 2012 г. – сентябрь
2014 г.) в маслосистеме двигателя АЛ-31СТ в составе ГПА ст. № 32 на КС-18А ООО «Газпром трансгаз Уфа» представлены на рис. 4.

Более интенсивное изменение кислотного числа для масла ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 по сравнению с маслом «Петрим» при одинаковой наработке не является очевидным свидетельством того, что процессы окисления масла в этом случае протекают более интенсивно, поскольку разные основы масла имеют различный механизм термоокислительных процессов. Но при этом явно просматривается вертикальная часть графика для масла ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32. С марта по сентябрь 2014 г. ГПА простаивал, и наработка в этот период отсутствовала. В то же время резко возросло кислотное число масла с 0,39 до 1,10 мг КОН/г, что свидетельствует о процессе гидролиза базового компонента.

На рис. 5 представлены данные по изменению кислотного числа в процессе мониторинга эксплуатации масла ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 (июнь 2011 г. – сентябрь 2014 г.) в маслосистеме двигателя АЛ-31СТ в составе ГПА ст. № 11 на КС-5 ООО «Газпром трансгаз Уфа». На графике (рис. 5) отмечены нормы предельных значений по кислотному числу, определяемому в процессе эксплуатации масла: 1 – нормы предельных значений в соответствии с [7]; 2 – нормы предельных значений в соответствии с Решением об изменении физико-химических показателей качества масла ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 ОАО «УМПО» от 23 апреля 2015 г. (далее – Решение); 3 – нормы предельных значений в соответствии с [8].

При наработке двигателя около 60 ч за один календарный месяц кислотное число резко возросло с 1,48 до 3,20 мг КОН/г (рис. 5). Последующее за этим резкое уменьшение кислотного числа, как и в предыдущем случае (наработка ГПА около 10 тыс. ч), обусловлено доливом свежего смазочного масла при восполнении безвозвратных потерь. Увеличенная в соответствии с Решением эксплуатационная норма по кислотному числу формально позволяет эксплуатировать двигатель дальше без замены масла. Основная проблема заключается не в оптимальном установлении предельного значения контролируемого показателя качества масла, что, безусловно, должно опираться на взаимосвязь свойств масла и технического состояния двигателя, а в непредсказуемом и резком изменении кислотного числа. В этом случае на эксплуатанта ложатся дополнительная нагрузка и риски, связанные с неопределенностью поведения масла.

В целом все рассматриваемые масла относятся к 4-му классу опасности (малоопасные вещества) по ГОСТ 12.1.007–76 [9]. Но по сравнению с маслами на основе углеводородов состав и концентрация компонентов эфирного масла ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 делают его более токсичным по предельно допустимым концентрациям (ПДК) вредных веществ (паров и аэрозолей) в воздухе рабочей зоны (табл. 2).

ПДК паров и аэрозолей в рабочей зоне базового компонента масла ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 – ДОСт на два порядка меньше, чем у полиальфаолефиновых масел (ПАОМ). Существенный вклад в повышенную токсичность масел ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 также вносит повышенное содержание противоизносной присадки – трикрезилфосфата, имеющей наибольший класс опасности. Технический трикрезилфосфат представлен смесью орто-, мета- и параизомеров, наиболее токсичным из которых является ортоизомер.

 

ВЫВОДЫ

Результаты, полученные ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в ходе лабораторных экспериментов по моделированию реальных условий эксплуатации масел в ГПА, качественно совпадают с данными мониторинга их поведения в реальной эксплуатации на КС и позволяют ставить вопрос о нецелесообразности применения масел на основе эфиров себациновой кислоты (ДОСт), в частности ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32, при эксплуатации технологического оборудования КС ПАО «Газпром».

Это обусловлено высокой стоимостью эфирных масел, непредсказуемым изменением физико-химических свойств, таких как кислотное число, в процессе нахождения оборудования в резерве, что снижает эксплуатационный ресурс, повышенной токсичностью (ПДК – 10 мг/м3) по сравнению с углеводородными маслами (ПДК – 900 мг/м3). Все это в совокупности ухудшает технико-экономическую эффективность применения данных масел на объектах ПАО «Газпром».

Вместе с тем следует отметить, что применяемое в настоящий момент масло «Петрим» используется на пределе своих возможностей вследствие недостаточной ТОС (175 ºС). Целесообразно рассмотреть вопрос его замены на углеводородное масло с повышенной ТОС (200 ºС). 


Таблица 1. Физико-химические и эксплуатационные показатели эфирного масла ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 в сравнении с маслами ИПМ-10 и «Петрим» 

Table 1. Physicochemical and operational parameters of essential oil VNII NP 50-1-4U TURBO SHT-32 in comparison with the IPM-10 and Petrim oils

Показатель 

Parameter

Наименование масла 

Oil brand

ИПМ-10 по [2] 

IPM-10 by [2]

«Петрим» по [1] 

Petrim by [1]

ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 по [5] 

VNII NP 50-1-4U TURBO SHT-32 by [5]

Вязкость кинематическая, мм2/с 

Kinematic viscosity, mm2/s

• при 100 ºС (at 100 ºС)

• при –40 ºС (at –40 ºС)

 

 

3,50

2441

 

 

3,65

3203

 

 

3,27

1813

Температура застывания, ºС 

Chilling temperature, ºC

–60

–64

–60

Температура вспышки в открытом тигле, ºС 

Open flash-point, ºС

208

198

235

Кислотное число, мг КОН/г 

Acid number, mgKOH/g

0,07

0,02

0,05

Плотность при 20 ºС, кг/м3 

Density at 20 ºС, kg/m3

829

830

924

Трибологические характеристики на четырехшариковой машине трения при температуре окружающей среды: 

Tribological characteristics on a four-ball friction machine at environmental temperature:

• критическая нагрузка, Рк, Н (failure load, Рк, N)

• диаметр пятна износа при осевой нагрузке 196 Н, Dи, мм (wear scar diameter at axial load 196 N, Dи, mm)

 

 

 

 

696

0,35

 

 

 

 

617

0,30

 

 

 

 

735

0,30

Испаряемость в чашечках при 175 ºС в течение 3 ч: 

Evaporation in bowls at 175 ºС during 3 h:

• потери от испарения, % (evaporation losses, %)

1,4

3,71

0,55

Показатели ТОС при 200 ºС в течение 50 ч (расход воздуха 10 л/ч): 

Indicators of thermal oxidation stability at 200 ºС during 50 h (airflow 10 l/h):

• вязкость кинематическая при 100 ºС, мм2/с (kinematic viscosity at 100 ºС, mm2/s)

• прирост кинематической вязкости после окисления, % (growth of kinematic viscosity after oxidation, %)

• кислотное число, мг КОН/г (acid number, mgKOH/g)

• массовая доля осадка, % (mass fraction of sediments, %)

       

5,781

 

65,18

 

5,56

0,017

       

4,56

 

18,00

 

2,91

1,12

      

3,38

 

3,10

 

1,72

0,012

Склонность масел к образованию высокотемпературных отложений на установке «наклонная плита», мг 

Propensity of oils to formation of high-temperature sediments on the sloping plate stand, mg

48,8

75,6

12,9


Таблица 2. Содержание компонентов в маслах и максимальная разовая ПДК согласно ГН 2.2.5.1313-03 [10]
Table 2. Content of components in oils and single maximum permissible concentration (MPC) according to GN 2.2.5.1313–03 [10]

Вещество

Substance

ИПМ-10

IPM-10

«Петрим»

Petrim

ИПМ-12ГП

IPM-12GP

 ВНИИ НП 50-1-4у Турбо СХТ-32 

VNII NP 50-1-4U TURBO SHT-32

Содержание, %

Content, %

ПДК, мг/м3

MPC, mg/m3

Содержание, % Content, %

ПДК, мг/м3

MPC, mg/m3

Содержание, %

Content, %

ПДК, мг/м3

MPC, mg/m3

Содержание, %

Content, %

ПДК, мг/м3

MPC, mg/m3

ПАОМ (4-й класс – малоопасные)

Polyalphaolefin oils (4th class – low-risk)

90

900

70

900

100

900

ДОСт (3-й класс – опасные) 

Heat-stable dioctyl sebacate (3rd class – hazardous)

10

10

100

10

Трикрезилфосфат (2-й класс – высокоопасные)

Tricresyl phosphate (2nd class – highly hazardous)

1,2–1,4

0,5

1,2–1,4

0,5

1,2

0,5

4

0,5

 



← Назад к списку