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基于分油機(jī)的船用油水分離性能研究

文檔作者：陸奕權(quán) 文檔來(lái)源：中國(guó)石化股份有限公司潤(rùn)滑油上海研究院		更新日期： 2026年06月13日	點(diǎn) 擊數(shù)：
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Test and Appraisal
測(cè)試與評(píng)定
6600
2023 April
第二期
船用中速機(jī)油用于四沖程船用
中速機(jī)曲軸箱和氣缸的潤(rùn)滑，船用
系統(tǒng)油為二沖程低速十字頭型發(fā)動(dòng)
機(jī)的曲軸箱用油，兩者都屬于長(zhǎng)期
循環(huán)使用的油品，在使用過(guò)程中不
可避免地與水接觸，因此其水分離
性能是一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)。水對(duì)
潤(rùn)滑油的性能影響主要在兩個(gè)方面：
一是潤(rùn)滑油中的添加劑遇水析出或
與水發(fā)生反應(yīng)生成沉淀，從而造成
添加劑的損失；二是潤(rùn)滑油和水可
能在剪切作用下形成穩(wěn)定的乳化液，
這將使油水難以分離，將嚴(yán)重影響
油品的使用性能 [1]。
對(duì) 船 用 油 進(jìn) 行 水 分 離 性 能 的
考 察，常采用SH/T 0619—1995
《船用油水分離性測(cè)定法》和GB/T 7305—2003《石油和石油合成液抗
乳化性能測(cè)定法》，兩種方法分別
描述了低含水量和高含水量條件下
油品的水分離性能 [2]，但模式相對(duì)
固定，在對(duì)市售產(chǎn)品的考察中發(fā)現(xiàn)，
部分油品的水分離性能在現(xiàn)行方法
中表現(xiàn)較差，但油品實(shí)際應(yīng)用情況
良好，未見(jiàn)不良反饋，以這兩個(gè)方
法表征的油品水分離性能與油品的
實(shí)際應(yīng)用表現(xiàn)并不完全一致。
分油機(jī)是目前航船中進(jìn)行潤(rùn)滑
油油水分離的主要設(shè)備，潤(rùn)滑油在
潤(rùn)滑和冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)后積聚在油底殼，
通過(guò)管道泵送至分油機(jī)進(jìn)行除水，
最后回到油底殼，形成循環(huán)。分油
機(jī)的工作機(jī)理是通過(guò)離心作用將密
度不同的油和水進(jìn)行分離分層，將
水相排出，油相回歸潤(rùn)滑油系統(tǒng)，
從而減少油品中的含水量 [3]。
本 文 基 于 分 油 機(jī) 開(kāi) 展 船 用 油
分水試驗(yàn)，建立了船用油水分離
數(shù)學(xué)模型，數(shù)據(jù)化表征船用油的
水分離性能，為解釋不同油品水
分離性能的差異、提出改進(jìn)措施
提供參考。
試驗(yàn)部分
試驗(yàn)設(shè)備
◇碟式離心機(jī)，Manual Mab-
103B，Alfa Laval 公司。
◇差示掃描量熱儀，DSC 204
HP Phoenix，NETZSCH 公司。
試驗(yàn)用潤(rùn)滑油
本文選用5種市售油品進(jìn)行試
驗(yàn)，分別為船用中速機(jī)油4030A、
3030B、4015C、4012D 與系統(tǒng)油
3005E。
試驗(yàn)概述
取 10 kg待試驗(yàn)油樣在分油機(jī)
中形成油路循環(huán)，離心轉(zhuǎn)速（9 000 r/min）和溫度穩(wěn)定后在潤(rùn)滑油中
加入 5%質(zhì)量比例的蒸餾水形成油
陸奕權(quán)
中國(guó)石化股份有限公司潤(rùn)滑油上海研究院
作者簡(jiǎn)介 ：陸奕權(quán)，碩士研究生，助理工
程師，現(xiàn)主要從事船用發(fā)動(dòng)機(jī)油產(chǎn)品開(kāi)
發(fā)工作。E-mail:luyq.lube@sinopec.com
基于分油機(jī)的船用油
水分離性能研究
Test and Appraisal
測(cè)試與評(píng)定
61
第一期 2023 April
第二期
61
水體系，以加水時(shí)間為起點(diǎn)計(jì)時(shí)，
間隔一段時(shí)間從出油口采樣，檢測(cè)
油樣中殘余含水量，考察不同油品
在分油機(jī)中的水分離性能。水分離
試驗(yàn)根據(jù)溫度分為 3組，分別設(shè)置
為 95 ℃、80 ℃、60 ℃；采樣時(shí)
間 取15 min、30 min、60 min、
90 min、120 min。
結(jié)果與討論
水分含量測(cè)定結(jié)果
通過(guò)分油機(jī)對(duì)油品開(kāi)展分水試
驗(yàn)，得到不同時(shí)間段的油樣，然后
通過(guò)水分測(cè)定（GB/T 260—2016）
得到采集油樣的含水量數(shù)據(jù)。為便
于計(jì)算，水分測(cè)定判定為痕跡時(shí)，
水分含量取 0.03%。各試驗(yàn)油品的
含水量隨溫度變化曲線如圖1所示。
如圖 1所示，各試驗(yàn)油品的水
分含量在循環(huán)脫水過(guò)程中先快速下
降，后趨于平緩。不同油品的水分
下降速率和平緩區(qū)含水量有所不同，
這與油品的油水分離性能相關(guān)，可
通過(guò)模型和曲線擬合數(shù)據(jù)化油品的
水分離性能。
水分離模型的建立
油品的耐水性能與油品的黏度，
添加劑的種類(lèi)、加劑量都有關(guān)。從
微觀角度看，油水離心分離過(guò)程可
以理解為不同密度的油相和水相以
不同粒徑的顆粒形式進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，
其中油水混合物中單個(gè)水顆粒在
離心中的遷移行為可用斯托克斯
方程 [4~6] 描述：
式中，v 為水滴沉降速率，D 為
單個(gè)水滴的直徑，ρ 和ρ0 分別為
油相和水相密度，ω 為離心轉(zhuǎn)速，
R 為轉(zhuǎn)鼓半徑，μ 為油品黏度。在
本試驗(yàn)中，水相直徑、油相密度和
黏度都是影響油品水分離性能的
要素。
根據(jù)公式（1），當(dāng)離心轉(zhuǎn)速為
ω 時(shí)，在分油機(jī)中，時(shí)間t 內(nèi)油相
中單個(gè)水滴的相對(duì)位移Δl 可用公式
（2）表達(dá)：
根據(jù)碟片結(jié)構(gòu)與長(zhǎng)度△ lmax 可
由公式（3）推導(dǎo)出油水混合物完成
分離所需要的臨界水滴直徑D c：
將油相中水滴顆粒直徑分布用
概率學(xué)統(tǒng)計(jì)，可得公式（4），即分
級(jí)效率方程 [7,8] （式中A 和n 為經(jīng)
驗(yàn)參數(shù)）：
f (D )=1-exp [- (AD/DcC )n] （4）
根據(jù)分布統(tǒng)計(jì)，為達(dá)到100%的
分離效果，顆粒粒徑需為臨界分離粒
徑的2.5倍 [8]，即 D/Dc ＞ 2.5，因此
油相中水滴直徑D 越大，油樣破乳能
v=
D 2 (ρ-ρ0 ) ω2 R )
18μ
（1）
Δl=vt= D 2 (ρ-ρ0 ) ω2 R )
18μ
（2） t
(ρ-ρ0 ) ω2 Rt
Dc =
18μ· Δl max （3）
本文基于分油機(jī)開(kāi)展分水試驗(yàn)，模擬船用油在船舶上的實(shí)際使用工
況，建立了船用油水分離模型，以分水效率和最終含水量 2個(gè)參數(shù)表征
油品在分油機(jī)中的分水效果。通過(guò)所建模型對(duì)不同油品水分離能力進(jìn)行
了區(qū)分，提出了改進(jìn)分離效果的措施。引入DSC結(jié)晶法，根據(jù)結(jié)晶峰
溫度和面積與水相粒徑和水分含量的關(guān)聯(lián)，解釋了不同油品水分離性能
存在差異的原因。
Test and Appraisal
測(cè)試與評(píng)定
6622
2023 April
第二期
力越強(qiáng)，水滴聚并速度更快，越有利
于宏觀上分水效率的提高和含水量
的降低。
然而試驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)鼓內(nèi)油水兩
相的粒徑和分布都難以測(cè)量，在此
通過(guò)含水量變化表征水分離能力差
異。與之相關(guān)的主要參數(shù)有分水效
率和最終含水量，分水效率描述了
油品分水的速率快慢，最終含水量
是指離心后油樣能達(dá)到的最低含水
量。在本試驗(yàn)中，為進(jìn)一步描述油
樣在不同條件下的分水性能，量化
分水效率和最終含水量，以循環(huán)時(shí)
間t 為變量，構(gòu)造了以下模型：
y =a ●exp- (b t ) +c （5）
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Test and Appraisal
測(cè)試與評(píng)定
6633
第一期 2023 April
第二期
63
式中，a 為與初始加水量相關(guān)
的常數(shù)；b 為分水效率，受溫度因
素影響；c 為最終含水量。通過(guò)試
驗(yàn)中各采樣點(diǎn)的時(shí)間和含水量數(shù)據(jù)，
可以構(gòu)建含水量變化曲線，并采用
公式（5）擬合出相應(yīng)水分離參數(shù)。
數(shù)據(jù)分析及討論
將圖 1中水分?jǐn)?shù)據(jù)代入模型，
即公式（5）中，計(jì)算得到不同油樣
在不同溫度下的分水效率和最終含
水量，結(jié)果列于表 1。
結(jié)合圖 1和表1中數(shù)據(jù)可知，
溫度對(duì)分水效率b 的影響是顯著的，
在實(shí)際工況中，分油機(jī)設(shè)置溫度往
往與主機(jī)潤(rùn)滑油溫度相近，常見(jiàn)的
溫度范圍是 60~95 ℃，因此油品在
不同工況下表現(xiàn)的水分離性能差異
明顯。而最終含水量c 體現(xiàn)了水在
油樣中的分散狀態(tài)和穩(wěn)定程度，與
油 品 添 加 劑 種 類(lèi)、配比等因素 [9]
相關(guān)。
為直觀比較不同油品在不同溫
度下的分水效率優(yōu)劣及其變化趨勢(shì)，
將表 1中分水效率b 關(guān)于溫度作圖，
得到分水效率與溫度的關(guān)系曲線，
如圖 2所示。
由圖 2可見(jiàn)，對(duì)分水效率和溫
度進(jìn)行線性擬合，線性相關(guān)系數(shù)分
別 為0.649 1、0.976 0、0.994 1、
0.869 5和0.989 7，可認(rèn)為在分油
機(jī)工作溫度區(qū)間，分水效率與溫度
呈近似線性關(guān)系，斜率越大，說(shuō)明
該油品水分離性能對(duì)溫度越敏感。
依據(jù)上述線性關(guān)系，可對(duì)各溫
度條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總平均（取
各溫度下b 的算術(shù)平均值和c 的幾
何平均值），得到b ’和c ’（列于
表 1），以此表征油品的水分離能力。
b ’越大，c ’越小，則油樣水分離
能力越強(qiáng)。該數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際使用可提
供指導(dǎo)作用，針對(duì)b ’和c ’的不同
表現(xiàn)，可改變相應(yīng)條件以提高水分
表1 水分離性能模擬計(jì)算值
項(xiàng)目 溫度/℃ a / % b / s-1 b ’/ s-1 c / % c ’/ % 相關(guān)系數(shù)
4030A
95 4.887 4 0.140 2
0.101 9
0.013 6
0.055 8
0.999 8
80 4.938 1 0.082 0 0.076 3 0.996 0
60 4.842 0 0.083 5 0.167 3 0.997 4
3030B
95 4.959 3 0.195 7
0.172 3
0.040 5
0.123 1
0.999 8
80 4.809 6 0.184 6 0.190 0 0.998 9
60 4.754 0 0.136 7 0.242 5 0.994 7
4015C
95 4.950 2 0.169 6
0.130 4
0.029 8
0.095 3
1.000 0
80 4.899 4 0.145 1 0.098 6 0.997 1
60 4.698 7 0.076 6 0.295 1 0.987 5
4012D
95 4.970 0 0.413 8
0.352 2
0.030 0
0.032 2
1.000 0
80 4.970 0 0.340 6 0.029 9 1.000 0
60 4.962 7 0.302 3 0.037 2 0.999 9
3005E
95 4.970 0 0.413 8
0.293 4
0.030 0
0.035 7
1.000 0
80 4.970 1 0.306 4 0.029 8 1.000 0
60 4.947 9 0.160 0 0.050 8 0.997 5
Test and Appraisal
測(cè)試與評(píng)定
6644
2023 April
第二期
離效果。將油品根據(jù)b ’和c ’的相
對(duì)大小進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)油品水分離性
能進(jìn)行差異性區(qū)分，如圖 3所示。
由 圖 3可見(jiàn)，四區(qū)的油品
4012D 和3005E水分離性能更為
優(yōu)越，分水效率高，分離效果好；
其 余 3個(gè)區(qū)間的油品水分離性能
較 弱，但原因可能不同，如三區(qū)
的 4030A，其水分離性能受溫度
影響更大，油水兩相的界面張力是
影響分水的主導(dǎo)因素，水相液滴更
加穩(wěn)定，難以聚并和沉降，提高溫
度有利于改善分離效果；而一區(qū)的
3030B容納水分能力更強(qiáng)，水分含
量高，增加離心時(shí)間能使更多液滴
發(fā)生聚并，降低含水量。
油品水分離性能差異的機(jī)理
探討
由 公 式（4）可知，水相粒徑
是影響分水效率和分離程度的重要
因素，對(duì)于圖2中油品水分離性能
的差異性探究，可從DSC結(jié)晶曲線
進(jìn)行分析 [10,11]。其具體過(guò)程是將分
水 試驗(yàn)（SH/T 0619—1995）后的
上層油液進(jìn)行取樣，在DSC中開(kāi)展
20~50 ℃的結(jié)晶試驗(yàn)，降溫速率為
5 ℃/min。由于油樣的水相粒徑不
同，結(jié)晶過(guò)冷度不同，粒徑越小，
結(jié)晶溫度越低，從而得到圖4、表3。
表 3中油品中水滴的結(jié)晶溫度
和結(jié)晶峰面積分別與水相粒徑和水
分含量相關(guān)，結(jié)晶溫度越高，粒徑
越大，結(jié)晶峰面積越大，表示該粒
徑區(qū)間的水分含量越高。
根 據(jù) 各 油 樣 DSC數(shù)據(jù)，可得
到 以下結(jié)論：4030A、3030B、
4015C 和3005E的高溫峰溫度較
高，表明在這些油品中能穩(wěn)定存在
的水滴的粒徑更大，油品乳化發(fā)白
的現(xiàn)象更加明顯。4012D水相粒徑
分布廣，無(wú)低溫峰，易實(shí)現(xiàn)油水分
離，含水量少，因此水分離性能最
優(yōu)；3030B雖然僅有一個(gè)高溫峰，
但含水量較高，盡管其分水效率較
高，卻需要更多的時(shí)間達(dá)到分離要
求，因此提高分離時(shí)間是改善其分
離效果的有效因素，這與水分離試
驗(yàn)結(jié)果符合；而4030A、4015C和
3005E均存在低溫峰，該部分水相
粒徑越小，分離越困難，因此理論
上需要提高溫度以促進(jìn)油水分離，
4030A 和4015C在水分離試驗(yàn)中的
表現(xiàn)符合此規(guī)律，但3005E黏度較
低，分水效率較高，有利于水相沉降，
且低溫區(qū)水分占比較少，更容易達(dá)
到分離要求，因此其在水分離試驗(yàn)
中仍具備較好表現(xiàn)。
結(jié)論
☆對(duì)不同試驗(yàn)油采用分油機(jī)進(jìn)
Test and Appraisal
測(cè)試與評(píng)定
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第一期 2023 April
第二期
65
行了分水試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，
油品水分含量均隨時(shí)間變化下降，
后趨于平緩；溫度對(duì)于油品脫水效
果的影響顯著。依據(jù)油水分離機(jī)理
建立了數(shù)學(xué)模型，可用分水效率和
最終含水量2個(gè)參數(shù)對(duì)不同油品的
水分離性能進(jìn)行有效表征，從而采
取針對(duì)性的措施加以改善，如提高
分離溫度、增加分離時(shí)間等。
☆依據(jù) DSC分析結(jié)果，油品的
水相粒徑大小及含水量的高低，是
引起不同油品水分離性能存在差異
的重要原因，水相粒徑越小、含水
量越高，一般而言，從油品中脫除
水分的難度也相對(duì)越大。
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表3 各油品結(jié)晶峰面積統(tǒng)計(jì)
項(xiàng)目 高溫峰面積/(J·g-1) 低溫峰面積/(J·g-1) 總面積/(J·g-1) 低溫峰占比/%
4030A 0.257 0 0.022 9 0.279 9 8.18
3030B 0.373 4 - 0.373 4 0
4015C 0.361 6 0.045 1 0.406 7 11.09
4012D 0.246 5 - 0.246 5 0
3005E 0.298 1 0.012 8 0.310 9 4.12
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