工业流体污染物的系统控制

工业流体污染物的系统控制

关键词：工业流体，颗粒物含量，流体污染，NAS1638，ISO4406，AIPA TM，HPUPS，GB/T-14039-2002

（一）引言

任何机械设备选定适当的油品牌号后要最大限度的延长设备使用寿命和流体寿命的关键就是保持流体的洁净和干燥, 那就必须要对流体的污染进行系统控制。洁净即流体中的污染颗粒物含量越少越好，干燥即流体中水的含量越少越好。保持流体的洁净和干燥涉及到一系列的问题，如设备的关键/重要程度、运行环境、运行部件的间隙、还有油品牌号、粘度、流量以及很多经济方面的考量。工业流体污染的系统控制是一项不折不扣的系统工程。本文只重点描述保持流体高度洁净对流体和机械设备的重要意义以及如何量化、如何量度流体中颗粒污染物的含量。这就有必要引入流体颗粒物含量标准。工业标准不仅仅是工业语言，是技术指南，更重要的是可以反映深远至意识形态高度的综合价值观。很遗憾的是迄今为止我们国家关于液压油颗粒污染物含量检测（国内称污染等级）的国家标准今年五月一日才实施（参照ISO4406：1999）。在此之前很多企业执行的是各自行业的标准（有前机械工业部标准，电力工业部标准等等，基本套用NAS1638:2011标准）。就我们所知认真运用这些行业标准的企业也并不多，而把颗粒物含量标准作为企业提升油品综合管理、设备运行安全管理指导纲领的企业更少。准确了解和有效控制流体中污染物不仅对流体和流体服务的设备本身有意义，更重要的是能带来更好的综合经济效益和环保效益。不能真实了解流体的污染程度也就不能准确把握设备流体系统（润滑系统，液压系统等等）运行的安全程度，潜在的危险性不言而喻；同样也就不可避免地存在盲目的或过于保守的更换流体和对流体系统的“过度”维护和/或维修造成浪费，增加停车时间，增加废油排放加剧环境污染。有些大型企业每年待处理的废油数以万吨计，处理废油需要大量资金投入，而迄今为止废油净化回收技术还很不成熟（如果不考虑环保政策压力，单纯从经济回报角度上讲是一项入不敷出的技术）。由此可见，保持流体的高度洁净既可以延长流体使用寿命-降低运行成本，又能减少废油排放-减少废油处理费用，一举两得。

（二）流体污染的微观世界

工业流体的失效根本原因除基础油额定工况下的正常老化衰变、添加剂的正常消耗外即源于流体污染。流体的污染可以分为二大类，所谓系统污染和非系统污染。非系统污染也可以称为外来污染，主要污染源是大气中的颗粒物、尘埃、水分和空气的侵入。这些颗粒物、尘埃、水分和空气通过种种途径进入流体系统对流体产生一定的污染，但毕竟污染途径是明确的，那么也就是通过主观努力可控的。本文对此不加详述，将重点对系统污染生成和变化的微观世界做一番描述。

系统污染又包含原始污染(原始存量)和系统运行中产生的污染（动态增量）。所谓原始污染即全新油品中已经含有的污染物总和或者一个的流体系统中既有的污染总量。有一个误区要在这里加以澄清，也希望能引起读者注意。“新油品是最好的，是最洁净的油品” 是很多人的认识，其实不然。任何油品都不可避免地含有或多或少的原始污染物，其污染程度取决于

油品供应商炼制、调和、净化、包装、存储、配送等等工艺和操作环节的优劣。随着现代机械设备变得越来越复杂，正朝着高转速、高精度、高强度及高智能化进化，对机械设备的运行效率、经济性、运行安全性、运行可靠性及可用性提出了越来越高的要求，越来越多的流体用户开始认识到他们需要比现有能得到的全新流体更好的流体为之服务，而且流体系统必须长期保持高度洁净状态。比如美国EATON公司就明确提出他们希望他们使用的工业流体颗粒物含量能常年保持或好于新流体的水准[1]。军事用户对此则有更迫切的愿望，比如欧盟某国的新型潜艇的液压系统在设计流体净化装置（液压系统）时就明确要求液压油的洁净度最好低于NAS 3 （NAS 1638：2011），而所能采购到的顶级品牌的全新油品中颗粒物含量理论值为NAS 6（或洁净度，国内也称污染度），实际到货的商品洁净度顶多为NAS7或NAS8。这些顶级的流体用户的诉求其实反映了一个不为人知的事实---三个“落后”：工业流体产品的研发落后于实际现代机械设备对工业流体洁净度越来越高的要求，现存的流体污染控制技术更是落后于越来越严苛的环保要求，同时颗粒物检测标准落后于现实需求。原始污染的程度改善更多的贡献要来自油品制造商的技术进步、工艺的革新和油品检测标准的提高，工业流体用户对此是无能为力的。当然我们也应该相信也有越来越多的油品制造商也在尝试新的技术、不断改进工艺，采用更先进的技术装备和更完善的质量控制体系以提高油品本身的品质。对于流体的用户而言应更多地关注机械设备在运行中产生的污染以及如何有效、低成本地控制流体污染更为重要。事实上尽管原始污染是不可忽视的因素，但就其绝对量和影响而言是远远小于机械设备运行中产生的污染的。

机械设备运行中产生的污染（动态增量）主要有几个来源：摩擦/研磨磨损、侵蚀性磨损、粘合性磨损和流体中复杂的生物化学反应。

前面讲述了来自系统外的污染物-主要是大气中的尘埃和颗粒污染物，其主要化学成分是硅和铝的氧化物，有时也伴随有钙，镁的氧化物。这些氧化物物和砂纸中磨料的化学成分相差无几，比大多数机械部件表面要硬得多。这些颗粒物进入流体系统后伴随设备制造组装过程中存留在设备内部的金属颗粒杂质将给机械设备带来一系列磨损。当尺寸大于相对运行的机械元件表面配合间隙时会产生研磨效应，从配合表面刮走金属。这些被刮下来的金属颗粒物会由于连锁效应产生更多的金属颗粒物。更严重的是这些金属颗粒物能断裂成更细小的颗粒物而成为侵蚀性磨损的磨料。在高速或高压或二者兼具的工况下细小的颗粒物会撞击机械元件的表面产生侵蚀性磨损。众所周知任何流体系统中细小的颗粒物又总是最多的，所以这些数量巨大的细小颗粒物尽管可能比机械元件配合表面间隙小很多也会由于高速或高压对机械元件造成巨大破坏。此类磨损通常发生在液压系统的伺服阀和比例阀中。另一类磨损发生在超重负荷，低速或流体粘度下降到不足以支撑相对运动的工作部件表面时金属与金属直接接触而产生。这种金属与金属的直接碰擦接触相当于“冷焊”，接触点会被焊接在一起，工作表面分离时，“焊点”会被剪切撕裂成磨损颗粒物进入流体系统后被立即冷却，相当于进行了“淬火处理”而崩裂成更细小，更硬的颗粒物。了解了以上磨损的成因后我觉得很有必要在这里澄清另一个认识误区：很多用户在给自己的油品颗粒物含量等级提要求的时候往往习惯性地提到一个具体的尺寸，比如5微米，10微米等等。这种提法是有问题的。首先流体中的颗粒物分布总是遵循20-80统计规律的，小的颗粒物要远远多于大的颗粒物。实验分析结果表明，不论什么油品，5微米以下的颗粒物数量大约是5微米级别颗粒物的十倍，数十倍甚至更多，比如2微米级的颗粒物通常是5微米级颗粒物的5-10倍。其次，是不是只有5微米，10微米或更大的颗粒物才能对油系统或流体本身带来磨损或破坏呢？不是！大尺寸级别颗粒物给系统带来的磨损主要是摩擦或研磨磨损，小级别的颗粒物却带来危害性同样严重的侵蚀性磨损。还有更重要的一点，数量占绝大多数的超细小颗粒物具有庞大的总表面积，还是水分得以顽强存留在流体中的重要成因，那么究竟巨量的超细微颗粒物是如何成为流体