基礎(chǔ)油中芳烴對(duì)冷凍機(jī)油抗磨損性能的影響

張美瓊，張霞玲，王凱明，王燕，柯友勝

(中國(guó)石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司煉油化工研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

基礎(chǔ)油中芳烴對(duì)冷凍機(jī)油抗磨損性能的影響

張美瓊，張霞玲，王凱明，王燕，柯友勝

(中國(guó)石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司煉油化工研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

本研究采用四球摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)磨試驗(yàn)，用Falex試驗(yàn)儀進(jìn)行極壓性能試驗(yàn)，考察冷凍機(jī)油基礎(chǔ)油中芳烴含量對(duì)基礎(chǔ)油抗磨損性能的影響和對(duì)極壓抗磨劑感受性的影響。結(jié)果表明：芳烴有助于改善基礎(chǔ)油的抗磨性能和極壓性能；在基礎(chǔ)油黏度等級(jí)和溫度等物理因素相同的前提下，基礎(chǔ)油中的芳烴對(duì)極壓抗磨劑的抗磨能力有消極影響；芳烴含量適宜時(shí)，極壓抗磨劑的極壓性能最好，即芳烴含量太低或太高，均不利于極壓性能的發(fā)揮。

冷凍機(jī)油；芳烴；極壓抗磨劑感受性；抗磨性能；極壓性能

0 引言

冷凍機(jī)油在制冷壓縮機(jī)工作過(guò)程中起到清潔、密封、散熱和潤(rùn)滑作用，其中抗磨損性能表征冷凍機(jī)油的潤(rùn)滑能力，該性能由基礎(chǔ)油和極壓抗磨劑共同決定。

基礎(chǔ)油是冷凍機(jī)油產(chǎn)品的主要組分，通常比例達(dá)到90%以上。通過(guò)加入極壓抗磨劑，如含硫、磷、氯等的化合物改善冷凍機(jī)油基礎(chǔ)油抗磨損性能是潤(rùn)滑油研究與生產(chǎn)的主要方法，基礎(chǔ)油組成對(duì)冷凍機(jī)油的抗磨損性起到重要影響。本文主要考察冷凍機(jī)油基礎(chǔ)油中芳烴對(duì)基礎(chǔ)油抗磨損性能的影響和對(duì)極壓抗磨劑感受性的影響，并從抗磨性能和極壓性能兩方面分別分析抗磨損性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 基礎(chǔ)油

克拉瑪依某環(huán)烷基餾分油經(jīng)過(guò)兩種加氫工藝處理后，分別得到芳烴含量不同的基礎(chǔ)油A和B，將它們作為本實(shí)驗(yàn)用油品?；A(chǔ)油A和B的理化性質(zhì)如表1所示。

表1 基礎(chǔ)油A和B的性質(zhì)

表1(續(xù))

注：CA表示芳環(huán)碳原子占總碳原子數(shù)的百分?jǐn)?shù)，是間接表征油品芳烴含量高低的一種方法。

從表1分析數(shù)據(jù)可以看出：基礎(chǔ)油A和B的黏度等級(jí)相同；基礎(chǔ)油A的CA值為0.86%，屬低芳烴含量基礎(chǔ)油，基礎(chǔ)油B的CA值為18.77%，屬高芳烴含量基礎(chǔ)油。

本實(shí)驗(yàn)為考察基礎(chǔ)油中芳烴含量對(duì)冷凍機(jī)油抗磨損性能的影響，將基礎(chǔ)油A和B按質(zhì)量比進(jìn)行不同比例調(diào)合，得到芳烴含量不同的調(diào)合基礎(chǔ)油，調(diào)合方案及分析數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 A和B調(diào)合基礎(chǔ)油的運(yùn)動(dòng)黏度和碳型分布

從表2可以看出：A、B調(diào)合后的基礎(chǔ)油黏度等級(jí)相同，因此，在進(jìn)行這五組基礎(chǔ)油的抗磨損性能測(cè)試時(shí)，可以排除黏度對(duì)抗磨損性能的影響；CA值表明，五組基礎(chǔ)油的芳烴含量有明顯的區(qū)別，可以用來(lái)考察芳烴含量對(duì)抗磨損性能的影響。

1.2 極壓抗磨劑

本實(shí)驗(yàn)選用的極壓抗磨劑為磷酸三甲酚酯(T306)和硫代磷酸三苯酯(T309)，將兩種極壓抗磨劑分別加入到五組基礎(chǔ)油中，進(jìn)行添加劑感受性考察。

1.3 長(zhǎng)磨試驗(yàn)

試驗(yàn)儀器：濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司試驗(yàn)機(jī)廠制造的四球摩擦試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)MRS-10A。

試驗(yàn)方法概要：本試驗(yàn)方法修改采用SH/T 0189，具體操作方法為：在常溫和15 kg受力的條件下，旋轉(zhuǎn)置于由油樣覆蓋的3個(gè)固定鋼球頂部的一個(gè)同一直徑的鋼球，旋轉(zhuǎn)速度為1200 r/min，旋轉(zhuǎn)周期為60 min，試驗(yàn)結(jié)束后，用電子顯微鏡觀察下面三個(gè)鋼球磨損后的外觀(磨損痕跡)，即磨斑質(zhì)量，并測(cè)量下面三個(gè)磨斑的直徑，計(jì)算三個(gè)磨斑直徑的平均值。上下鋼球在摩擦過(guò)程中，下面的鋼球受到來(lái)自上面鋼球的擠壓，擠壓痕跡通過(guò)磨斑痕跡表現(xiàn)在磨斑質(zhì)量上，油品極壓性能越好，磨斑質(zhì)量越好，因此磨斑質(zhì)量在一定程度上體現(xiàn)了試驗(yàn)樣的極壓性能。本長(zhǎng)磨試驗(yàn)中，用磨斑質(zhì)量和磨斑平均直徑分別表示冷凍機(jī)油的極壓性能和抗磨性能。

1.4 Falex極壓性能試驗(yàn)

本研究中，除用長(zhǎng)磨的磨斑質(zhì)量表征冷凍機(jī)油的極壓性能外，還采用評(píng)定潤(rùn)滑油極壓性能的通用方法SH/T 0187來(lái)進(jìn)一步表征極壓性能。

試驗(yàn)儀器：Falex Corporation(美國(guó)Falex公司)的Friction & Wear Test Machine。

試驗(yàn)方法概要：用兩個(gè)靜止的V形塊夾住浸沒(méi)在試樣里的鋼制試驗(yàn)軸，以290 r/min±10 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)軸，通過(guò)棘輪機(jī)構(gòu)給V形塊連續(xù)施加負(fù)荷，所得到的試驗(yàn)失效負(fù)荷值是判斷極壓性能水平的標(biāo)準(zhǔn)(試驗(yàn)失效是指發(fā)生卡咬、鎖緊銷損壞或者試驗(yàn)軸急劇磨損而造成棘輪運(yùn)轉(zhuǎn)但不能使負(fù)荷增加的情況)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 芳烴含量對(duì)基礎(chǔ)油抗磨損性能的影響

2.1.1 抗磨性能

本實(shí)驗(yàn)首先對(duì)五組基礎(chǔ)油進(jìn)行了長(zhǎng)磨試驗(yàn)，芳烴含量對(duì)磨斑直徑的影響如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)油芳烴含量對(duì)磨斑直徑的影響

從圖1可以看出，隨芳烴含量增加，基礎(chǔ)油磨斑直徑減小，抗磨性能變好，說(shuō)明基礎(chǔ)油中的芳烴有助于改善基礎(chǔ)油的抗磨性能，這一結(jié)論與前人的大量研究結(jié)果一致[1-2]。

2.1.2 極壓性能

五組基礎(chǔ)油進(jìn)行長(zhǎng)磨試驗(yàn)后，磨斑質(zhì)量如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)油芳烴含量對(duì)磨斑質(zhì)量的影響(從左至右，芳烴含量逐漸增大)

從圖2可以看出，隨芳烴含量的增大，基礎(chǔ)油磨斑邊界趨于完整，擦傷痕跡變淺，磨斑顏色變淡，磨斑整體質(zhì)量變好，說(shuō)明極壓性能變好。

為驗(yàn)證“芳烴含量增大，基礎(chǔ)油極壓性能變好”這一結(jié)論，對(duì)五組基礎(chǔ)油分別進(jìn)行了Falex極壓性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 基礎(chǔ)油芳烴含量對(duì)Falex失效負(fù)荷的影響

從圖3可以看出，隨芳烴含量增大，基礎(chǔ)油的Falex失效負(fù)荷增大，極壓性能變好，這與由長(zhǎng)磨試驗(yàn)的磨斑質(zhì)量得到的結(jié)論一致。

從對(duì)基礎(chǔ)油進(jìn)行的長(zhǎng)磨試驗(yàn)和Falex極壓性能試驗(yàn)結(jié)果，可知基礎(chǔ)油中自帶的芳烴有助于改善基礎(chǔ)油的抗磨性能和極壓性能，即芳烴含量越高，基礎(chǔ)油的抗磨損性能越好。

2.2 芳烴含量對(duì)極壓抗磨劑感受性的影響

極壓抗磨劑是具有表面活性的極性物質(zhì)，首先吸附于金屬摩擦副表面，在高負(fù)荷條件下，分子中的硫、磷等活性元素與金屬反應(yīng)，并形成硫/磷化物保護(hù)膜，阻止磨損[3]。

為考察芳烴含量對(duì)極壓抗磨劑感受性的影響，筆者首先進(jìn)行了大量文獻(xiàn)調(diào)研。傅蓉[4]用XPS(X射線光電子能譜)進(jìn)行吸附能力實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同芳烴含量基礎(chǔ)油中極壓抗磨劑在鐵粉表面吸附進(jìn)行定量分析表明，基礎(chǔ)油中芳烴的存在減少了極壓抗磨劑在金屬表面的吸附量。大量文獻(xiàn)調(diào)研得出，前人對(duì)于基礎(chǔ)油的芳烴和極壓抗磨劑吸附性的關(guān)系有兩點(diǎn)認(rèn)識(shí)：競(jìng)爭(zhēng)吸附，芳烴也是極性物，容易吸附在金屬摩擦面，與極壓抗磨劑的吸附產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)；溶解，芳烴對(duì)極壓抗磨劑的溶解性能很好，芳烴含量越高，更多抗磨劑溶解在基礎(chǔ)油中，減少了抗磨劑在摩擦表面的吸附，從而減少油品的極壓抗磨性能[5]。Rong Fu等發(fā)現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)吸附不是影響其性能的關(guān)鍵因素，發(fā)現(xiàn)極壓抗磨劑和芳烴在油中的其他相互作用可能導(dǎo)致了添加劑性能下降[6]。綜合文獻(xiàn)調(diào)研資料可以看出，極壓抗磨劑和芳烴間作用力的具體形式比較復(fù)雜，導(dǎo)致芳烴含量對(duì)極壓抗磨劑性能的發(fā)揮可能不是單一趨勢(shì)的影響。

本文為定性考察冷凍機(jī)油基礎(chǔ)油中芳烴含量對(duì)極壓抗磨劑感受性的影響情況，在五組基礎(chǔ)油中均分別加入抗磨劑單劑1.0%T306、1.0%T309，對(duì)十組試驗(yàn)樣分別進(jìn)行長(zhǎng)磨試驗(yàn)和Falex極壓性能試驗(yàn)。

2.2.1 抗磨性能

長(zhǎng)磨試驗(yàn)的磨斑直徑如圖4所示。

圖4 芳烴含量對(duì)磨斑直徑的影響

從圖4可以看出：

(1)含1.0%T306和含1.0%T309的油品磨斑直徑，均隨芳烴含量的增加而增大，這與基礎(chǔ)油磨斑直徑隨芳烴含量增加而變小的變化趨勢(shì)完全相反；基礎(chǔ)油中芳烴達(dá)到一定量時(shí)，含極壓抗磨劑的油品磨斑直徑跟基礎(chǔ)油的相當(dāng)甚至更大。說(shuō)明芳烴含量越高，越不利于極壓抗磨劑抗磨性能的發(fā)揮，當(dāng)芳烴含量在一定范圍內(nèi)時(shí)，極壓抗磨劑對(duì)基礎(chǔ)油的抗磨性能才有改善作用。

(2)同一基礎(chǔ)油方案，含1.0%T306的磨斑直徑比含1.0%T309的磨斑直徑小，說(shuō)明T306的抗磨性能比T309好。

2.2.2 極壓性能

長(zhǎng)磨試驗(yàn)的磨斑質(zhì)量如圖5、圖6所示。

圖5 含1.0%T306油樣的磨斑質(zhì)量(從左至右，芳烴含量逐漸增大)

圖6 含1.0%T309油樣的磨斑質(zhì)量(從左至右，芳烴含量逐漸增大)

仔細(xì)觀察圖5和圖6，可以發(fā)現(xiàn)，含1.0%T306和含1.0%T309的油樣均隨芳烴含量增大，磨斑質(zhì)量先變好后變差，即CA值在一定范圍內(nèi)時(shí)，磨斑質(zhì)量最好，芳烴含量太低或太高，磨斑質(zhì)量即油品極壓性能均不好，為驗(yàn)證這一現(xiàn)象，對(duì)含1.0%T306和含1.0%T309的油樣進(jìn)行了Falex極壓性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 芳烴含量對(duì)含極壓抗磨劑油樣Falex失效負(fù)荷的影響

從圖7可以看出：隨芳烴含量的增加，含極壓抗磨劑油樣的Falex失效負(fù)荷先增大后減小，當(dāng)芳烴含量適宜(在本實(shí)驗(yàn)的研究體系內(nèi)，這一適宜值為14.29%)時(shí)，極壓性能最好，這與長(zhǎng)磨試驗(yàn)中由磨斑質(zhì)量得到的結(jié)論相吻合；同一基礎(chǔ)油方案，含1.0%T309油樣比含1.0%T306油樣的Falex失效負(fù)荷大，說(shuō)明T309的極壓性能比T306好。

從對(duì)含極壓抗磨劑油樣進(jìn)行的長(zhǎng)磨試驗(yàn)和Falex極壓性能試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，基礎(chǔ)油中芳烴含量對(duì)極壓抗磨劑的抗磨性能和極壓性能兩方面的感受性不協(xié)同：隨芳烴含量的增加，含極壓抗磨劑油樣的抗磨性能變差，而極壓性能先變好后變差。這將導(dǎo)致當(dāng)油樣的抗磨性能更好時(shí)，極壓性能可能更差，即可能出現(xiàn)直徑較小但摩擦痕跡很深的磨斑，也可能出現(xiàn)直徑較大但痕跡很淺的磨斑，從壓縮機(jī)系統(tǒng)的磨損嚴(yán)重程度看，應(yīng)更重視磨斑痕跡的深淺。也就是說(shuō)，抗磨損性能中，抗磨性能和極壓性能都很重要，但當(dāng)兩者的水平表現(xiàn)不一致時(shí)，應(yīng)更重視極壓性能。綜合抗磨性能和極壓性能，A和B調(diào)合油的CA值為14.29%時(shí)抗磨損能力最好。

3 結(jié)論

本研究在試驗(yàn)樣黏度等級(jí)和試驗(yàn)溫度等物理因素相同的前提下，考察了冷凍機(jī)油基礎(chǔ)油中的芳烴含量對(duì)基礎(chǔ)油抗磨損性能的影響以及芳烴含量對(duì)極壓抗磨劑感受性的影響，并從抗磨性能和極壓性能兩方面分別分析抗磨損性能，結(jié)論如下：

(1)冷凍機(jī)油基礎(chǔ)油中的芳烴有助于改善基礎(chǔ)油的抗磨損性能，芳烴含量越高，基礎(chǔ)油的抗磨性能和極壓性能均越好。

(2)冷凍機(jī)油基礎(chǔ)油中的芳烴對(duì)極壓抗磨劑抗磨性能的發(fā)揮有消極影響，即芳烴含量越高，極壓抗磨劑的抗磨性能越差；芳烴含量適宜時(shí)，極壓抗磨劑的極壓性能最好，即芳烴含量太低或太高，均不利于極壓性能的發(fā)揮。

(3)T306的抗磨性能比T309好，而極壓性能比T309差。

[1] 夏青虹.基礎(chǔ)油組成對(duì)內(nèi)燃機(jī)油抗磨性能的影響[J].潤(rùn)滑與密封,2009,34(9):84-88.

[2] 葉小娟,趙鎖奇,劉慶廉,等.基礎(chǔ)油組成對(duì)潤(rùn)滑脂抗磨性能的影響[J].潤(rùn)滑與密封,2007,32(9):122-124.

[3] 楊宏偉,楊士亮,孫世安,等.極壓抗磨劑的發(fā)展現(xiàn)狀及作用機(jī)理研究[J].當(dāng)代化工,2012,41(9):961-963.

[4] 傅蓉.不同芳烴含量潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油對(duì)添加劑感受性的研究[D].北京:石油化工科學(xué)研究院,1998:1-71.

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The Effect of Aromatic Content in Base Oil on Antiwear Properties of Refrigeration Lubricants

ZHANG Mei-qiong, ZHANG Xia-ling, WANG Kai-ming, WANG Yan, KE You-sheng

(Research Institute of PetroChina Karamay Petrochemical Company, Karamay 834000, China)

Antiwear properties of refrigeration lubricants were tested by four ball friction testing machine and Friction & Wear Test Machine to study the effect of aromatic content in base oil on antiwear properties and receptivity to EP additives. The results showed that, aromatic hydrocarbon is helpful to antiwear property and EP property of base oil. Aromatic hydrocarbon in base oil with the same viscosity grade and temperature and other physical factors, has negative effect on the antiwear property of EP additives. With an appropriate amount of aromatic hydrocarbon, EP property of additives is the best, that is to say, there is too much or too little aromatic hydrocarbon to support EP property.

refrigeration lubricant; aromatic hydrocarbon; receptivity to EP additive; antiwear property; EP property

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.02.006

1002-3119(2017)02-0023-04

TE626.37

A

2016-07-15。

張美瓊，工程師，2013年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)化學(xué)工程專業(yè)，現(xiàn)從事煉油工藝研究及油品開(kāi)發(fā)工作，已公開(kāi)發(fā)表論文3篇。E-mail:zmqksh@petrochina.com.cn