含油溶性聚醚的汽輪機油性能研究

程 亮，孫大新，王 輝，張東恒

(中國石油大連潤滑油研發(fā)中心，遼寧 大連 116031)

含油溶性聚醚的汽輪機油性能研究

程 亮，孫大新，王 輝，張東恒

(中國石油大連潤滑油研發(fā)中心，遼寧 大連 116031)

將油溶性聚醚(OSP)作為汽輪機油基礎(chǔ)油組分，考察了油品的抗氧化性、清凈性、油泥生成趨勢和抗乳化性能。研究結(jié)果表明：OSP具有很好的油溶性和獨特的醚鏈結(jié)構(gòu)，將OSP作為汽輪機油基礎(chǔ)油組分是改善汽輪機油性能的有效途徑；隨著基礎(chǔ)油中OSP含量的增加，新汽輪機油的黏度等級沒有發(fā)生改變，而黏度指數(shù)增加，傾點降低，其它指標沒有明顯變化；OSP與復合劑F-2的互配性較好，加入OSP的油品具有很好的抗氧化性、清凈性、抑制油泥生成性能和抗乳化性。

油溶性聚醚 汽輪機油 抗氧化性 清凈性 油泥生成趨勢 抗乳化性

汽輪機油從20世紀初誕生到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了一百多年，普遍用于蒸汽輪機、水力輪機、發(fā)電機軸承等機械設(shè)備中的潤滑系統(tǒng)，主要起潤滑、冷卻、調(diào)速和密封的作用。汽輪機油由基礎(chǔ)油與添加劑調(diào)合而成，基礎(chǔ)油一般采用礦物油，其組成占98%以上，然而礦物油氧化是產(chǎn)生沉淀、油泥和酸性產(chǎn)物，引起設(shè)備腐蝕、油品變稠、使用性能下降、壽命縮短的最根本原因，因此，汽輪機油基礎(chǔ)油的組成對汽輪機油的氧化安定性有很大的影響[1]。隨著各種添加劑技術(shù)的發(fā)展，在基礎(chǔ)油不變的條件下，汽輪機油的性能逐漸提高[2]。然而，由于現(xiàn)代超臨界、超超臨界機組的運行溫度大幅提高，使得汽輪機油更易氧化生成油泥，同時，機組制造精度的提高、伺服控制系統(tǒng)的應用均要求油品具有低的油泥析出趨勢和良好的清凈性。汽輪機油在使用過程中不可避免地會與水或蒸汽接觸，為了防止油與水形成穩(wěn)定的乳化液而破壞正常的潤滑，要求汽輪機油應具有良好的抗乳化性、分水性和與水的兼容性等性能。然而添加劑已不能從根本上改善油品的性能，因此需要使用性能更優(yōu)異的基礎(chǔ)油來滿足這些苛刻的使用要求。

聚α-烯烴(PAO)等合成油與礦物油混合作為汽輪機油的基礎(chǔ)油已經(jīng)被廣泛使用[3]。然而隨著汽輪機精密化程度的提高，對汽輪機油的要求也逐漸提高，因此有必要研制具有更好的氧化穩(wěn)定性、清凈性、抗乳化性的汽輪機油以滿足不同儀器制造商的需求。

油溶性聚醚(OSP)以其優(yōu)異的沉積物控制性能而備受關(guān)注[4]。作為新興的合成油產(chǎn)品[5]，OSP具有以下特點：①可使新配方油品具有卓越的油泥、積炭和煙炱等沉積物控制性能；②可使油品的空氣釋放性得到顯著改善；③與防銹劑、抗磨劑等添加劑起協(xié)同作用，為新配方油品帶來更為卓越的腐蝕抑制、摩擦控制等性能；④可改善酯類基礎(chǔ)油的水解安定性。這些突出的特性使得油溶性聚醚可以滿足汽輪機油的各種性能要求。本課題將OSP作為汽輪機油基礎(chǔ)油組分，考察油品的抗氧化性、清凈性、油泥生成趨勢和抗乳化性能。

1 試驗樣品及其理化指標

1.1 試驗樣品

OSP為實驗室產(chǎn)品，由環(huán)氧丁烷與環(huán)氧丙烷共聚制得；原汽輪機油基礎(chǔ)油采用礦物油(BS-1)，試驗中將OSP以基礎(chǔ)油混兌的方式加入到BS-1中；復合劑采用3種實驗室自主開發(fā)產(chǎn)品，編號分別為F-1，F(xiàn)-2，F(xiàn)-3，添加量(w)均為1%。油品組成見表1。

1.2 OSP的理化指標

OSP的主要理化指標見表2。

1.3 復合劑的理化指標

復合劑的主要理化指標見表3。

表1 油品組成

表2 OSP的主要理化指標

1) 室溫下，將50%油溶性聚醚與50%礦物油混合，觀察其溶解性。

1.4 汽輪機油的理化指標

加入OSP后組成的新汽輪機油的理化指標見表4。由表4可見，隨著BS-1中OSP加入量的增加，新汽輪機油的黏度等級沒有發(fā)生改變，而黏度指數(shù)增加，傾點降低，其它指標沒有明顯變化。加入OSP后組成的新汽輪機油的各項指標均滿足國家標準要求。

表3 復合劑的主要理化指標

1) 將試樣注入50 mL量筒中，在室溫下觀察。

表4 新汽輪機油的主要指標

2 性能評價試驗

2.1 抗氧化性能評價

采用旋轉(zhuǎn)氧彈測定法(SH/T 0193，旋轉(zhuǎn)氧彈測試儀：Tannas公司生產(chǎn))評價潤滑油的抗氧化性能。將50 g試樣、5 mL蒸餾水和銅線圈裝入氧彈體內(nèi)，在氧彈體內(nèi)充入620 kPa的氧氣后，放入150 ℃的油浴中旋轉(zhuǎn)，開始計時，當氧彈壓力從最高壓力處下降了0.17 MPa時，停止計時，試驗終止，通過這一時間的長短判斷試油的抗氧化能力。

2.2 清凈性能評價

采用熱管氧化試驗方法評價潤滑油的清凈性能。此方法為實驗室自建方法[6]，在280 ℃下，以1 mL/h的速率進樣2 h，空氣流速0.667 mL/s，通過玻璃管的顏色變化確定清凈性能的差別。

2.3 油泥生成趨勢評價

采用氧化油泥測定儀(大連智能儀器有限公司生產(chǎn))按照GB/T 12581—2006方法評價油品的油泥生成趨勢。試驗方法：將油品放入裝有水和鐵-銅催化劑的試管中，在95 ℃下與氧氣反應，試驗連續(xù)進行，直到油樣的酸值達到或超過2.0 mgKOH/g為止。使油樣酸值達到2.0 mgKOH/g所需要的試驗時間為“壽命時間”，過濾油樣得到油泥，稱重，通過油泥質(zhì)量判斷油品的油泥生成趨勢。

2.4 抗乳化性能評價

采用石油和合成液抗乳化性能測定儀(大連特安技術(shù)有限公司生產(chǎn))按照GB/T 7305—2003方法測試油品的抗乳化性能。試驗方法：室溫下向干凈量筒中慢慢倒入40 mL蒸餾水，然后倒入40 mL試樣至80 mL刻度處。將量筒放入(54±1) ℃恒溫浴中，將攪拌葉片放入量筒內(nèi)，用金屬夾具固定，靜置10 min，使量筒內(nèi)的油水溫度與浴溫一致。攪拌5 min，記錄油/水/乳化層分別達到40，37，3 mL時所需要的時間。通過分離時間的長短判斷油品抗乳化性能的差異。

3 結(jié)果與討論

3.1 抗氧化性能

OSP對含不同復合劑的汽輪機油抗氧化性能的影響分別見圖1～圖3。由圖1可見：OSP的旋轉(zhuǎn)氧彈時間小于100 min；在含復合劑F-1的油品中，TO-1的旋轉(zhuǎn)氧彈時間高達1 500 min；當加入質(zhì)量分數(shù)為5%的OSP時，TO-2的旋轉(zhuǎn)氧彈時間降低到700 min；隨著OSP加入量的增加，旋轉(zhuǎn)氧彈的時間逐漸下降，TO-3、TO-4的旋轉(zhuǎn)氧彈時間分別為618 min和563 min。由圖2可見，在含復合劑F-2的油品中，TO-5的旋轉(zhuǎn)氧彈時間僅為1 080 min，低于油品TO-1的旋轉(zhuǎn)氧彈時間，但是當油品中分別加入5%，10%，20%的OSP時，旋轉(zhuǎn)氧彈時間并沒有出現(xiàn)大幅度下降，這表明OSP與F-2復合劑有較好的互配性。由圖3可見，在含復合劑F-3的油品中，TO-9的旋轉(zhuǎn)氧彈時間高達1 520 min，但是加入OSP后，新油品的旋轉(zhuǎn)氧彈時間大幅度下降。以上結(jié)果說明：隨著OSP加入量的增加，油品的旋轉(zhuǎn)氧彈時間逐漸降低；OSP與復合劑F-2具有較好的互配性，這可能是由于復合劑F-2中的抗氧劑可以有效阻止OSP的氧化分解。

圖1 OSP對含F(xiàn)-1的汽輪機油抗氧化性能的影響

圖2 OSP對含F(xiàn)-2的汽輪機油抗氧化性能的影響

圖3 OSP對含F(xiàn)-3的汽輪機油抗氧化性能的影響

3.2 清凈性能

采用OSP與復合劑F-2互配，通過熱管氧化實驗考察了OSP在汽輪機油中的清凈性能，結(jié)果見圖4，圖中左邊為TO-5熱管氧化后玻璃管的外觀，右邊為TO-6熱管氧化后玻璃管的外觀。從圖4可以看到，TO-6與TO-5相比，玻璃管壁上的黑色沉積物明顯減少。這是由于OSP的醚鏈結(jié)構(gòu)導致其本身具有較大的極性，同時高溫可以使得醚鍵斷裂，生成一些易揮發(fā)的小分子化合物，可以將氧化生成的黑色沉積物溶解，起到清凈的作用。

圖4 油品的熱管氧化實驗結(jié)果

3.3 油泥生成趨勢

油泥是導致汽輪機停機、維修的最直接原因，傳統(tǒng)汽輪機油因油泥而導致伺服閥粘連、損壞。采用OSP與復合劑F-2互配，考察了油品的油泥生成趨勢。不同通氧氣時間下油品的旋轉(zhuǎn)氧彈試驗結(jié)果見圖5。由圖5可見：在未向油品通入氧氣時，TO-5與TO-6的旋轉(zhuǎn)氧彈時間均超過了1 000 min，且TO-5的旋轉(zhuǎn)氧彈時間略長于TO-6；當向油品中通入氧氣的時間達到540 h后，兩者的旋轉(zhuǎn)氧彈時間均有所下降，TO-5的旋轉(zhuǎn)氧彈時間下降幅度大于TO-6；繼續(xù)向油品中通入氧氣，達到672 h時，TO-5和TO-6的旋轉(zhuǎn)氧彈時間分別為25 min和186 min，TO-5的抗氧化性能已經(jīng)不能滿足國家標準的要求，而TO-6仍然保持了較好的抗氧化性能，這也說明OSP與F-2中的抗氧劑有良好的協(xié)同性。

圖5 不同通氧氣時間下油品的旋轉(zhuǎn)氧彈試驗結(jié)果■—TO-5； ■—TO-6

為了觀察油品的油泥趨勢及清凈性，在通氧氣時間達到672 h后，取出試驗油品，觀察剩余的油品、銅絲以及鐵絲的外觀，結(jié)果見圖6。由圖6A可見：TO-5油品在長時間氧化后，顏色變?yōu)楹谏?，同時在油品上部，玻璃管的內(nèi)壁上有褐色附著物存在；TO-6油品在長時間氧化后，顏色為紅色，在油品上部，玻璃管的內(nèi)壁上沒有附著物存在，說明OSP有較好的清凈性能。由圖6B可見：TO-5中的銅絲顯示紅棕色，玻璃管上部存在褐色附著物；TO-6中的銅絲顯示淺棕色，玻璃管上部為無色，進一步證明了OSP具有較好的清凈性能和防腐蝕性。由圖6 C可見，TO-5與TO-6中的油泥有明顯的顏色差別，質(zhì)量分別為50 mg和25 mg。以上結(jié)果說明OSP可以有效抑制油泥的產(chǎn)生，具有降低油泥傾向的能力和良好的清凈性。

圖6 油品的油泥生成趨勢試驗結(jié)果

3.4 抗乳化性能

OSP與水的兼容能力比礦物油和其它合成油優(yōu)異[7]。OSP對油品抗乳化性能的影響見表5。從表5可見，OSP的破乳化時間為5 min，TO-5的破乳化時間長達15 min，TO-6的破乳化時間為2 min。說明OSP可以有效提高油品的破乳化能力，延長油品的使用壽命。

表5 油品的抗乳化性能考察結(jié)果

4 結(jié) 論

(1) OSP具有很好的油溶性和獨特的醚鏈結(jié)構(gòu)，將OSP作為汽輪機油的基礎(chǔ)油組分是改善汽輪機油性能的有效途徑。隨著基礎(chǔ)油中OSP加入量的增加，新汽輪機油的黏度等級沒有發(fā)生改變，而黏度指數(shù)增加，傾點降低，其它指標沒有明顯變化。

(2) 隨著OSP加入量的增加，油品的旋轉(zhuǎn)氧彈時間逐漸降低；在含復合劑F-2的油品中加入OSP時，旋轉(zhuǎn)氧彈時間并沒有出現(xiàn)大幅度下降，表明OSP與F-2復合劑有較好的互配性。

(3) OSP的醚鏈結(jié)構(gòu)導致其本身具有較大的極性，同時高溫可以使得醚鍵斷裂，生成一些易揮發(fā)的小分子化合物，因而OSP具有較好的清凈性能，并可以有效提高油品的破乳化能力，延長油品的使用壽命。

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PERFORMANCE OF OIL SOLUBLE POLYETHER IN TURBINE OIL

Cheng Liang， Sun Daxin， Wang Hui， Zhang Dongheng

(PetroChinaDalianLubricatingOilR&DInstitute，Dalian，Liaoning116031)

Oil soluble polyether (OSP) has a good oil solubility and unique ether chain structure. Taking OSP as a base oil component of turbine oil is an efficient way to improve the performance of turbine oil. The performance of the oxidation resistance， detergency， and sludge generation trend and demulsification of the turbine oil with OSP was investigated. The test results indicate that with the increase of the OSP in base oil， the viscosity of the turbine oil does not change， but the viscosity index increases and the pour point decreases. The other indicators have no obvious change. It is concluded that OSP and the complex agent F-2 can match well. The turbine oil with OSP has a good oxidation resistance， detergency and demulsibility ability and can inhibit the sludge generation trend.

oil soluble polyether； turbine oil； antioxidation； detergency； sludge generation tendency； demulsibility

2014-01-03； 修改稿收到日期： 2014-04-18。

程亮，博士，工程師，從事潤滑油新材料與添加劑的研究工作。

程亮，E-mail：chengliang_rhy@petrochina.com.cn。