钻井机械中液压油的污染与控制
摘要：液压油的质量和清洁度是保证液压系统正常工作的首要条件,液压系统污染是液压故障的一个主要原因,为了保证钻井机械液压系统能够安全、可靠的运行,对液压系统中液压油污染的危害及原因进行分析,对液压油污染程度的检测及液压油污染的控制提出了方法和措施,以达到工作过程中的污染控制,主要包括：控制油温、定期过滤等措施
关键词：液压油,污染,控制
在现代的传动方式中，液压传动可以很好的实现远距离控制和自动控制，并且以其传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小等特点得到了较为广泛的应用。但是钻井设备由于多处于室外，工作中受外界环境的影响很大，在实际的使用过程中，很容易出现液压油的污染情况，严重影响了动力的传递，因此对液压油污染的控制就显得尤为重要。
一、液压油概述
液压油用于液压传动系统中作中间介质,起传递和转换能量的作用,同时还起着液压系统内各部间件的润滑、防腐蚀、冷却、冲洗等作用。其主要性能有:
1.合适的粘度，良好的粘温特性粘度是选择液压油时首先考虑的因素，在相同的工作压力下，粘度过高，液压部件运动阻力增加，升温加快液压泵的自吸能力下降，管道压力降和功率损失增大;若粘度过低，会增加液压泵的容积损失，元件内泄漏增大，并使滑动部件油膜变薄，支承能力下降。
2.良好的润滑性(抗磨性)液压系统有大量的运动部件需要润滑以防止相对运动表面的磨损，特别是压力较高的系统，对液压油的抗磨性要求要高得多。
3.良好的抗氧化性液压油在使用过程中也会发生氧化，液压油氧化后产生的酸性物质会增加对金属的腐蚀性，产生的油泥沉淀物会堵塞过滤器和细小缝隙，使液压系统工作不正常，因此要求具有良好的抗氧化性。
4.良好的抗剪切安定性由于液压油经过泵、阀节流口和缝隙时，要经受剧烈的剪切作用，导致油中的一些大分子聚合物如增粘剂的分子断裂，变成小分子，使粘度降低，当粘度降低到一定的程度油就不能用了，所以要求具有良好的抗剪切性能。
5.良好的防锈和防腐蚀性液压油在使用过程中不可避免地要接触水分和空气以及氧化后产生的酸性物质都会对金属生锈和腐蚀，影响液压系统的正常工作。
6.良好的抗乳化性和水解安定性液压油在工作过程中从不同途径混入的水分和冷凝水在受到液压泵和其他元件。
7.良好的抗泡沫性和空气释放性在液压油箱里，由于混入油中的气泡随油循环，不仅会使系统的压力降低，润滑条件变坏，还会产生异常的噪音、振动，此外气泡还增加了油与空气接触的面积，加速了油的氧化，因此要求液压油具有良好的抗泡沫性和空气释放性。
8.对密封材料的适应性由于液压油与密封材料的适应性不好，会使密封材料膨胀、软化或变硬失去密封性能，所以要求液压油与密封材料能相互适应。
二、液压油的污染与危害
液压油的污染，按照污染物的不同，可分为杂质(灰尘、金属颗粒、棉纱、氧化物等)、水分、空气、微生物及化学物污染。在钻采机械液压系统中，主要是杂质(大部份是金属颗粒)、水分和空气污染。
l、油液中混入水分
(1)油液中水分进入的途径
1)油箱盖因冷热交替而使空气中的水分凝结成水珠落人油中。
2)冷却器或热交换器密封损坏或冷却管破裂使水漏人油中。
3)通过液压缸活塞杆密封不严密处进入系统的潮湿空气凝聚成水珠。
4)用油时带人的水分以及油液暴露于潮湿环境中与水发生亲合作用而吸收的水。
(2)油液中混入水分后的危害
1)油液中混入一定量的水分后，会使液压油乳化呈白浊状态。如果液压油本身的抗乳化能力较差，静止一段时间后，水分也不能与油分离，使油总处于白浊状态。这种白浊的乳化油进入液压系统内部，不仅使液压元件内部生锈，同时降低其润滑性能，使零件的磨损加剧，系统的效率降低。
2)液压系统内的铁系金属生锈后，剥落的铁锈在液压系统管道和液压元件内流动，蔓延扩散下去，将导致整个系统内部生锈，产生更多的剥落铁锈和氧化物。
3)水还会与油中的某些添加剂作用产生沉淀和胶质等污染物，加速油的恶化。
4)水与油中的硫和氯作用产生硫酸和盐酸，使元件的磨蚀磨损加剧，也加速油液的氧化变质，甚至产生很多油泥。
5)这些水污染物和氧化生成物，随即成为进一步氧化的催化剂，最终导致液压元件堵塞或卡死，引起液压系统动作失灵、配油管堵塞、冷却器效率降低以及滤油器堵塞等一系列故障。
6)另外，在低温时，水凝结成微小冰粒，也容易堵塞控制元件的间隙和死口。
2、油中侵入空气
油液中的空气主要来源于松动的管接头，不紧密的元件接合面，暴露在油面上的油管以及密封失效处，油液暴露在大气中也会溶人空气。此外，当油箱内的油量较少时，加速了液压油的循环，使气泡排除困难，同时油泵吸油管“吃油”深度不够也使空气容易进入。
混入液压系统的空气，通常以直径为0.05～0.50mm的气泡状态悬浮于液压油中，对液压系统内液压油的体积弹性模量和液压油的粘度产生严重影响，随着液压系统的压力升高，部分混入空气溶人液压油中，其余仍以气相存在。当混入的空气量增大时，液压油的体积弹性系数急剧下降，液压油中的压力波传播速度减慢，油液的动力粘度呈线性增高。悬浮在油液中的空气与液压油结合成混合液，这种油液的稳定性决定于气泡的尺寸大小，对液压系统等产生重大的影响，可能出现振动、噪声、压力波动、液压元件不稳定、运动部件产生爬行、换向冲击，定位不准或动作错乱等故障，同时还使功耗上升，油液氧化加速以及油的润滑性能降低。
3、油中混入各种杂质颗粒
油液中的固态污染物主要以颗粒状存在。这些杂质有的是元件加工和装配过程中残留的，有的是液压元件在工作过程中产生的，有的源于外界杂质的侵入，其危害是：
(1)油中的各种颗粒杂质会对泵和马达造成危害。当杂质颗粒进入到齿轮泵或齿轮马达的齿轮端面和两端盖侧板、齿顶和壳体之间，或当杂质颗粒进入到叶片泵或叶片马达的叶片与叶片槽，转子端面和配油盘、定子与转子(叶片顶部)之间，或当杂质颗粒进入到柱塞泵或柱塞马达的柱塞与柱塞缸体孔，转子与配油盘、滑靴与倾斜盘、变量机构的滑动副之间时，均有可能造成卡死故障。即使不造成卡死故障，也会使磨损加剧。杂质颗粒还有可能堵塞泵前的进油滤油器，使泵产生气蚀或造成多种并发故障。
(2)油中各种颗粒杂质会对液压缸造成危害。颗粒杂质会使活塞与缸体、活塞杆与缸盖孔及密封元件产生拉伤和磨损，使泄油量增大，容积效率和有效推力(拉力)降低，如果颗粒杂质卡住活塞或活塞杆，将导致油缸不动作。
(3)油中的污染颗粒会对各种阀类元件造成危害。污染颗粒可能引起滑阀卡死或节流堵塞，造成阀动作失灵，即使不产生卡死或堵塞故障，污染颗粒也将使阀类元件运动副过早磨损，配合间隙加大，性能恶化。
(4)污染物繁殖细菌，加剧油液老化，使油液发黑发臭，更进一步产生污染。如此恶性循环，有可能产生以下后果：
1)污染物堵塞滤油器，导致油泵吸空，产生振动和噪声。
2)污染物使油缸或马达的摩擦力增大，产生爬行。
3)污物会完全使伺服阀等抗污染能力差的元件根本失效，至少是工作不稳定和滞后量增加，污物阻塞压力表前同定小孔，压力得不到正确传递和反映。
4)污染物堵塞压力表通道，使压力得不到正确传递和反应。
三、控制液压油污染的主要措施
为确保液压系统工作正常、可靠、减少故障和延长寿命，必须采取有效措施控制液压油的污染。
1、控制油温
油温过高往往会给液压系统带来以下不利影响：
(1)油液黏度下降，使活动部位的油膜破坏、磨擦阻力增大，引起系统发热、执行元件(例如液压缸)爬行。油液黏度下降可导致泄漏增加，系统工作效率显著降低。
(2)油液黏度下降后，经过节流器时其特性会发生变化，使活塞运动速度不稳定。
(3)油温过高引起机件热膨胀，使运动副之间的间隙发生变化，造成动作不灵或卡死，使其工作性能和精度下降。
(4)当油温超过55摄氏度时，油液氧化加剧，使用寿命缩短，据资料介绍，当油温超过55摄氏度后温度每升高9摄氏度，油的使用寿命缩短一半，因此，对不同用途和不同工作条件的机器。应有不同的允许工作油温。工程机械液压系统允许的正常工作油温为35-55摄氏度，最高为70摄氏度。
2、控制过滤精度
为了控制油液的污染度，要根据系统和元件的不同要求，分别在吸油口、压力管路、伺服调速阀的进油口等处，按照要求的过滤精度设置滤油器，以控制油液中的颗粒污染物，使液压系统性能可靠、工作稳定。滤油器过滤精度一般按系统中对过滤精度敏感性最大的元件来选择。
3、强化现场维护管理
强化现场维护管理是防止外界污染物侵入系统和滤除系统中污染物的有效措施。
(1)检查油液的清洁度
设备管理部门在检查设备的清洁度时，应同时检查系统油液、油箱和滤油器的清洁度，并建立液压设备清洁度上、中、下三级评分制度。对关键设备的液压系统都要抽查。
(2)建立液压系统一级保养制度
设备管理部门在制定设备一级保养内容时，要增加对液压装置方面的具体保养内容。
(3)定期对油液取样化验
应定期、定量提取油样，检查单位体积油样中杂质颗粒的大小和数量或称重量，并作定性定量分析，以便确定油液是否需要更换。
A、取油样时间：对已规定了换油周期的液压设备，可在换油前一周对正在使用的油液进行取样化验;对新换的油液，经过1000h连续工作后，应对其取样化验;企业中的大型精密液压设备使用的油液，在使用600h后，应取样化验。
B、取油样时，首先要把装油容器清洗干净，不许使用脏的容器，以确保数据准确，具体取油样的方法如下：
当液压系统不工作时(即在静止状态下)，可分别在油箱的上部、中部和下部各取相同数量的油样，搅拌后进行化验;液压系统正在工作时，可在系统的总回油管口取油样;化验所需要的油样数量，一般为300-500mL/次;按油料化验规程进行化验，将化验结果填入油料化验单，并存入设备档案。
4、定期清洗
控制油液污染的另一个有效方法是，定期清除滤网、滤芯、油箱、油管及元件内部的污垢。在拆装元件、油管时也要注意清洁，对所有油口都要加堵头或塑料布密封，防止脏物侵入系统。
5、定期过滤油液、控制其使用期限
油液的使用寿命或更换周期取决于很多因素，其中包括设备的环境条件与维修保养、液压系统油液的过滤精度和允许污染等级等因素。由于油液使用时间过长，油、水、灰尘、金属磨损物等会使油液变成含有多种污染物的混合液，若不及时更换，将会影响系统正常工作，并导致事故。
过滤是控制油液污染的重要手段，是一种强迫滤去油中杂质颗粒的方法。油液经过多次强迫过滤，能使杂质颗粒控制在要求的等级范围内，所以对各类液压设备需制定出强迫过滤油液的精度，以确保油液的清洁度。
是否换油取决于油液被污染的程度，目前有3种确定换油期的方法：
(1)目测换油法。它是凭维修人员的经验，根据目测到的一些油液常规状态变化(如油液变黑、发臭、变成乳白色等)，决定是否换油。
(2)定期换油法。根据设备所在场地的环境条件、工作条件和所用油品的换油周期，到期就进行更换。这种方法对液压设备较多的企业很适用。
(3)取样化验法。定期对油液进行取样化验，测定必要的项目(如黏度、酸值、水分、颗粒大小和含量以及腐蚀等)和指标，按油质的实际测量值与规定的油液劣化标准进行对比，确定油液该不该换。取样时间：对一般工程机械的液压系统应在换油周期前一周进行，关键设备的液压系统应每隔500小时进行一次取样化验，化验结果应填入设备技术档案。取样化验法适用于关键设备和大型液压设备。
换油时，要注意清洁，防止赃物侵入液压系统，不可混用和换错，主要有下列要求：
(1)更换的新油或补加的新油必须是本系统所规定使用的油，经过化验确认其油质已达到规定的性能指标，才能加入。
(2)为保持新油的清洁，换油时要将油箱内部及主要管道内旧油放尽，并把油箱、过滤网、软管清洗干净。加油时油液必须经过过滤，对已疲劳损坏的滤网应更换。
(3)加入的油量要达到油箱的油标位置，加油方法是：先加油至油箱最高油标线，开动油泵电动机，把油供至系统各管道，再加油至油箱油标线，再开动电动机，这样多次进行，直至油液保持在油标线内为止。
所以在日常的使用和设备保养过程中，要十分注意观察油的质量，避免油污染对设备造成的损害。
参考文献
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