潤滑油漆膜傾向指數(shù)測試及應(yīng)用研究

林瑞玲，龐晉山，丘暉饒

(廣州機械科學(xué)研究院有限公司機械工業(yè)油品檢驗評定中心,廣東 廣州 510700)

潤滑油漆膜傾向指數(shù)測試及應(yīng)用研究

林瑞玲，龐晉山，丘暉饒

(廣州機械科學(xué)研究院有限公司機械工業(yè)油品檢驗評定中心,廣東 廣州 510700)

工業(yè)上用漆膜傾向指數(shù)來表征潤滑油使用過程中劣化并生成漆膜的趨勢。文章根據(jù)方法ASTM D7843，針對透平油、空壓機油等常用工業(yè)潤滑油，試驗并分析了加熱前處理、光照、老化溫度、金屬催化劑等因素對漆膜傾向指數(shù)的影響；分析了胺類抗氧劑、ZDDP對測試結(jié)果的影響機理；研究漆膜傾向指數(shù)測試在實際工況下不同類型油液監(jiān)測中的應(yīng)用方法。實際應(yīng)用表明，隨著機組運行時間的增加，潤滑油漆膜傾向指數(shù)會逐漸增加。

漆膜； 潤滑油；測試；應(yīng)用

0 引言

潤滑油漆膜是油品的氧化產(chǎn)物，也是一種極性高分子烴類聚合物。漆膜能減小間隙影響潤滑效果，增加摩擦，導(dǎo)致散熱不良，導(dǎo)致閥門堵塞以及設(shè)備磨損等[1]。目前潤滑油漆膜傾向指數(shù)測試方法為ASTM D7843—《膜片比色法測定在用透平油中不溶性有色物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)方法》，測試結(jié)果用ΔE表示，即按照CIELAB色彩空間學(xué)依據(jù)漆膜的明度、色調(diào)和彩度綜合定量樣品濾膜和空白濾膜之間的色差，通過該色差與物質(zhì)含量的關(guān)系得出相應(yīng)的漆膜傾向指數(shù)。大多數(shù)情況下，油液外觀亮度越大，濾膜顏色越深，漆膜傾向指數(shù)越大。方法ASTM D7843主要針對的油樣為透平油，但在實際使用中，其他種類油品如空壓機油、液壓系統(tǒng)用油等也會在有氧、水分、有機酸、高壓、金屬催化等條件下生成漆膜。如曾有國內(nèi)某化工企業(yè)大檢修發(fā)現(xiàn)的一臺合成氣壓縮機低壓缸驅(qū)動端推力軸承溫度波動上漲，出現(xiàn)軸承瓦塊燒蝕、剝落，油品出現(xiàn)“果凍”現(xiàn)象，通過測試，該設(shè)備用油的漆膜傾向指數(shù)高達68.8。結(jié)合實際情況深入研究潤滑油漆膜傾向指數(shù)測試的影響因素及其實際應(yīng)用，對優(yōu)化測試方法和指導(dǎo)科學(xué)用油、維護機械設(shè)備的正常使用意義重大。

1 試驗部分

1.1 方法概要

將油樣于65 ℃溫度下加熱24 h，靜置72 h后取樣溶于一定量的石油醚I中，攪拌均勻后抽真空過濾，濾膜風(fēng)干后進行漆膜傾向指數(shù)測定。

1.2 主要儀器

Fluitec iLab F475漆膜傾向指數(shù)測定儀。

1.3 影響因素試驗

1.3.1 加熱前處理試驗

分別對1#(殼牌汽輪機油)、2#(殼牌燃氣輪機油)和3#(美孚渦輪機油)三個油樣在經(jīng)過65 ℃加熱前處理和未加熱前處理的情況下進行漆膜傾向指數(shù)測試，研究加熱前處理對潤滑油漆膜傾向指數(shù)測試結(jié)果的影響。

1.3.2 靜置方式試驗

挑選3個不同牌號的油樣，保持其他條件一致的情況下，將加熱后的樣品分別于避光的專用實驗柜和日光充裕的地方靜置72 h后進行漆膜傾向指數(shù)的對比測試。4#、5#、6#油樣分別為道達爾汽輪機油、阿特拉斯空壓機油和殼牌燃氣輪機油。

1.3.3 老化溫度試驗

將殼牌渦輪機油分別在65 ℃和80 ℃溫度下進行閉口杯老化，對老化后的油樣分別做階段性的漆膜傾向指數(shù)測試，研究不同的老化溫度對油液漆膜生成的影響。

1.3.4 金屬催化劑試驗

以打磨光滑的45#鋼片(一片)和電解銅絲(10 g)作為殼牌渦輪機油老化試驗中的催化劑，分別在65 ℃和80 ℃的溫度下進行閉口杯老化，對老化后的油樣分別做階段性的漆膜傾向指數(shù)測試，研究金屬催化劑對油液漆膜生成的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 加熱前處理

黃素華[1]將漆膜的形成過程分為三步，第一步為不可逆的化學(xué)氧化過程即漆膜前驅(qū)物的形成；第二步為可逆的物理溶解-析出；第三步為可逆的附著-脫落。可見溫度是潤滑油氧化變質(zhì)和生成漆膜的關(guān)鍵因素，同時也是影響產(chǎn)物等溶解程度的重要因素。油液脫離機械設(shè)備后，其溫度和狀態(tài)發(fā)生了一定程度的變化，漆膜作為高分子聚合物與溫度之間有著密切關(guān)系。經(jīng)過加熱前處理與未加熱油樣的漆膜傾向指數(shù)的對比測試，測試結(jié)果如圖1、圖2。

圖1 加熱與未加熱對比測試

圖2 含PANA油樣加熱與未加熱濾膜

從對比測試結(jié)果可看出，1#和2#樣品經(jīng)過加熱前處理測得的漆膜傾向指數(shù)更大。燃氣輪機的工質(zhì)溫度較高，大多超過1000 ℃，因而燃氣輪機油通常處于較為惡劣的高溫環(huán)境中易發(fā)生氧化，且潤滑油氧化產(chǎn)物的溶解受溫度的影響較大，溫度升高時，溶解度增大，溫度降低時，溶解度減小[1-2]，2#樣品從使用現(xiàn)場送到檢測實驗室的過程中，漆膜等氧化產(chǎn)物在油中的溶解-析出平衡發(fā)生了較大變化。同時2#樣品為含有PANA(苯基-α-萘胺)抗氧化劑的燃氣輪機油， PANA雖可以延緩和抑制油液的氧化，但在高溫下持續(xù)使用能使油液顏色加深，曾有文獻表述：胺類抗氧化劑最大的缺點是具有變色性和污染性，會使聚合物變色[3]。從圖2可以看出，含有PANA抗氧化劑的2#樣品經(jīng)過加熱前處理，漆膜傾向指數(shù)更大。

3#樣品漆膜的生成狀態(tài)相對穩(wěn)定，加熱前處理對油樣的測試結(jié)果影響不大，同時由于漆膜為黏結(jié)性不溶物，濃度大時不易溶解和清洗，導(dǎo)致過濾時漆膜黏附在濾芯局部造成堵塞而使過濾效果不佳，漆膜傾向指數(shù)說明該油液可能已嚴(yán)重氧化或者設(shè)備存在某些誘引漆膜生成的故障。對于大多數(shù)潤滑油而言，漆膜傾向指數(shù)測試需嚴(yán)格規(guī)范加熱處理。而對于加熱前漆膜傾向指數(shù)已經(jīng)比較大的樣品，可將未加熱處理測得的ΔE值作為評估在用油質(zhì)量的參數(shù)。

2.2 靜置方式

考察光照條件對潤滑油漆膜的影響，對比測試結(jié)果如圖3。

圖3 避光與光照靜置對比測試

一般情況下，光照會使油液發(fā)生輕度氧化，光照對油液的影響主要表現(xiàn)為對基礎(chǔ)油的影響，如產(chǎn)生包括顏色、芳烴組分結(jié)構(gòu)等的變化。從圖3可以看到，加熱后的油樣在日光下靜置后測得的漆膜傾向指數(shù)均比避光靜置后測得的漆膜傾向指數(shù)大。隨著使用程度越來越高，加氫精制基礎(chǔ)油的光安定性等倍受關(guān)注。研究表明，相對于溶液精制基礎(chǔ)油來說，加氫處理基礎(chǔ)油對光有著更強的光敏感性。油液在有氧和光照條件下，會發(fā)生變質(zhì)(如光氧化和光降解等)，顏色變深，產(chǎn)生霧狀絮凝物最終生成沉淀等[4]。目前也有專家學(xué)者經(jīng)過試驗驗證油液中多環(huán)芳烴的存在對潤滑油光安定性的影響。黃為民[5]等通過對經(jīng)過加氫處理-白土補充精制、糠醛補充精制的油液進行光老化試驗，認(rèn)為多環(huán)芳烴是導(dǎo)致油液光安定性差的原因之一。目前加氫精制基礎(chǔ)油在潤滑油尤其汽輪機油中的使用非常普遍，在潤滑油漆膜傾向指數(shù)的實際測試中，光照對測試結(jié)果的影響不可忽略，應(yīng)當(dāng)按照標(biāo)準(zhǔn)方法要求避光靜置后過濾。

2.3 老化溫度

同一個油樣在65 ℃的溫度下老化和在80 ℃的溫度下老化后進行漆膜傾向指數(shù)的對比測試，測試結(jié)果如圖4。

圖4 溫度對漆膜生成的影響

長時間使用、溫度異?；蛘呔植窟^熱等會導(dǎo)致渦輪機油變質(zhì)甚至“失效”。周文新[6]對于潤滑油漆膜問題的研究指出：油液溫度每提高10 ℃，氧化速率增加一倍。漆膜作為油液的氧化產(chǎn)物之一，其形成程度和溫度密不可分。從兩個不同溫度的老化試驗后樣品的測試情況可以看到，樣品在80 ℃溫度下老化比在60 ℃溫度下老化漆膜生成傾向更嚴(yán)重，且隨著老化時間的增加，漆膜傾向指數(shù)呈逐漸增大的趨勢。即對于同一個油樣，溫度越高、老化時間越長，越有利于漆膜的生成，這也就意味著在實際使用該類油品時，需隨時關(guān)注設(shè)備及油液的溫度變化情況，而在設(shè)備潤滑磨損管理上，可依據(jù)不同油液的使用溫度和漆膜生成傾向狀況，優(yōu)化油液選型，合理延長換油周期，降低生產(chǎn)成本。

2.4 金屬催化劑

油品在使用過程中，當(dāng)接觸到金屬或潤滑油中含有金屬，如銅、鐵等，這些金屬，特別是金屬離子會加速油品的氧化速度，起到催化作用[7]。通常情況下，金屬對油品的催化作用主要是促使過氧化物分解，生成自由基從而加速氧化。鐵和銅具有一定的化學(xué)活性，普遍使用于各種機械設(shè)備中，如渦輪部件常用的材料除了以鎳或鈷為基礎(chǔ)的高溫耐熱合金，也包括鑄鐵、鑄錫青銅等，又如液壓油系統(tǒng)葉片泵的鋼材質(zhì)。以殼牌渦輪機油為代表，在65 ℃和80 ℃的溫度下分別以不加金屬催化劑、加入鋼片、加入銅絲三種方式進行老化，測試?yán)匣蟮钠崮A向指數(shù)，測試結(jié)果如圖5。

圖5 金屬催化劑對漆膜生成的影響

試驗結(jié)果表明，在65 ℃和80 ℃的溫度下，加了金屬催化劑的油樣均比未加入金屬催化劑的油樣老化后測得的漆膜傾向指數(shù)大，且老化時間相同時，加入電解銅絲的油樣比加入45#鋼片的油樣測得的漆膜傾向指數(shù)更大，尤其在老化后期(480～720 h)，電解銅絲的催化作用表現(xiàn)更為明顯，油樣在65 ℃老化720 h時漆膜傾向指數(shù)已接近行業(yè)參考值20.0，而在80 ℃老化720 h時油液的漆膜傾向指數(shù)已高達28.9。

3 潤滑油漆膜傾向指數(shù)測試的應(yīng)用

漆膜是潤滑油的有害產(chǎn)物，一定程度上威脅著設(shè)備的安全。方法ASTM D7843已被國內(nèi)外部分大型工況企業(yè)和檢測結(jié)構(gòu)用于汽輪機油漆膜傾向指數(shù)的測試，也有不少專家學(xué)者就漆膜的測試應(yīng)用進行了各種研究，比如鐘龍風(fēng)、李秋秋等將漆膜傾向指數(shù)列為壓縮機在用油檢測和評定的主要項目之一，將漆膜傾向指數(shù)用于設(shè)備故障診斷，建議漆膜傾向嚴(yán)重的設(shè)備啟用漆膜去除設(shè)備等[8-9]。立足油液檢測項目之間的關(guān)聯(lián)性，龐晉山[10]從溫度和水分兩個因素出發(fā)模擬油液運行工況研究運行工況對油液漆膜傾向等性能的影響，通過油液性能參數(shù)的分析側(cè)面反映油品及設(shè)備的狀況。鑒于油液性質(zhì)和使用工況的不同，從不同設(shè)備上選取7種不同的潤滑油，參照方法ASTM D7843進行漆膜傾向指數(shù)測試，測試結(jié)果如表1。

表1 不同種類潤滑油漆膜傾向指數(shù)測試結(jié)果

從以上的測試結(jié)果可以看到，不同設(shè)備上油液產(chǎn)生漆膜情況各異，漆膜傾向指數(shù)的測試可用于推斷油液或設(shè)備狀況，如使用于K133空壓機上的C2油樣，漆膜傾向指數(shù)77.7，設(shè)備用油漆膜生成情況較嚴(yán)重或需處理或需換油，以避免影響設(shè)備的正常使用。

大多數(shù)液壓油由于工作壓力、溫度、水分以及含有可促使油液氧化的極壓抗磨劑(如ZDDP)等性質(zhì)易氧化產(chǎn)生漆膜；發(fā)動機油在高溫、空氣、燃油蒸汽等工作環(huán)境中產(chǎn)生漆膜附著于活塞環(huán)區(qū)嚴(yán)重可導(dǎo)致活塞環(huán)卡死而拉缸等。因此，除了汽輪機油外，其他油液的漆膜傾向指數(shù)的測試也具有實際意義，但參考ASTM D7843進行這些油品的漆膜傾向指數(shù)測試需考慮其特殊性，如液壓油油泥較多會加大油液溶解和過濾的難度，通過方法SH/T 0573(在用潤滑油磨損顆粒試驗法)對液壓油進行測試分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)液壓油油泥等級≥2(0=無，1=個別，2=少量，3=較多，4=大量)時，漆膜傾向指數(shù)測試出現(xiàn)難溶解和難過濾現(xiàn)象。通過調(diào)整石油醚Ⅰ的加入方式即按石油醚Ⅰ加入體積(mL)的先后順序?qū)⒓尤敕绞礁臑?0-30-30 (ASTM D7843規(guī)定50-35-35)，同時延長攪拌和過濾時間，可改善過濾效果且不影響測試結(jié)果，見表2。

表2 石油醚Ⅰ加入方式對比試驗

表2(續(xù))

對于長期使用的設(shè)備尤其大型工況在用設(shè)備，漆膜的生成情況和生成趨勢分析也很有必要。

對某大型氣體公司3臺不同設(shè)備的在用油(46#渦輪機油，樣品編號為7～9#)按油品使用時間(以小時計)進行漆膜傾向指數(shù)階段性測試分析，測試結(jié)果如圖6。

圖6 漆膜傾向指數(shù)階段性測試結(jié)果

隨著使用時間的增加，三臺設(shè)備上在用渦輪機油的漆膜傾向指數(shù)呈逐漸增大的趨勢。依據(jù)油液漆膜傾向指數(shù)的變化規(guī)律為設(shè)備用油定制監(jiān)測計劃并依據(jù)測得結(jié)果為設(shè)備做視情維護和保養(yǎng)。

4 結(jié)論和建議

(1)加熱前處理和光照對潤滑油漆膜傾向指數(shù)的測試有一定程度的影響，測試時應(yīng)當(dāng)做好加熱前處理和避光靜置步驟。

(2)同一種油液在一定的時間內(nèi)，老化溫度越高，老化時間越長，潤滑油的漆膜傾向指數(shù)越大。

(3)金屬催化劑電解銅絲和45#鋼片在一定條件下能促使油品氧化生成漆膜，相比之下，電解銅絲的催化效果更明顯。

(4)漆膜傾向指數(shù)測試對于在用潤滑油的長期監(jiān)測有著重要意義，測試結(jié)果不僅可以反映油液的性質(zhì)更能反映設(shè)備的運行狀況。漆膜傾向指數(shù)測試作為油液監(jiān)測的重要技術(shù)之一可為油液檢測、設(shè)備潤滑磨損狀態(tài)監(jiān)測、潤滑管理和咨詢提供可視化、數(shù)據(jù)化的技術(shù)支持。建議參考方法ASTM D7843，深入研究和推廣潤滑油漆膜傾向指數(shù)測試技術(shù)及其應(yīng)用。

[1] 黃素華, 荊迪, 莊劼, 等. 燃氣輪機潤滑油系統(tǒng)的漆膜問題[J].電力與能源,2016, 37(5):628-631.

[2] 錢藝華, 孟維鑫, 汪紅梅. 大型調(diào)峰機組透平油漆膜問題研究現(xiàn)狀[J]. 潤滑與密封,2016, 41(10):103-106.

[3] 李忠山, 張玉峰, 馬宇姝. 潤滑油抗氧化劑的作用機理及抗氧化劑的選擇[J]. 液壓氣動與密封,2014, 34(6):50-51.

[4] 周亮, 張賢明, 梁新員, 等. 油液中光的影響及其應(yīng)用[J]. 重慶工商大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2012, 29(3):79-82.

[5] 黃為民, 崔雪梅, 卜曉宇. 潤滑油基礎(chǔ)油光安定性研究[J]. 石化技術(shù)與應(yīng)用, 2005, 23(1): 17-19.

[6] 周文新.工業(yè)潤滑油應(yīng)用中的漆膜問題[J].設(shè)備管理與維修,2007:(8):40-44.

[7] 鄭發(fā)正, 徐新, 白雪亮. 潤滑油的氧化與對策[J]. 合成潤滑材料, 2008, 35(4): 30-32.

[8] 鐘龍風(fēng), 康克家, 馮偉. 合成氣壓縮機視情診斷[J]. 潤滑與密封, 2013, 38(1): 104-10.

[9] 李秋秋, 馮偉, 趙暢暢, 等.油液分析在螺桿式空壓機潤滑故障診斷中的應(yīng)用[J]. 潤滑與密封,2016, 41(4):137-140.

[10] 龐晉山, 賀石中, 寧成云. 相關(guān)性分析在油液監(jiān)測及故障診斷中的應(yīng)用[J]. 潤滑與密封,2016, 41(4): 128-136.

Research on Testing and Application of VPR of Lubricating Oil

LIN Rui-ling, PANG Jin-shan, QIU Hui-rao

(Mechanical Industry Oil Testing and Accessing Center of Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co. Ltd., Guangzhou 510700, China)

VPR(Varnish Propensity Rate)is used to indicate the varnish generating tendency of in-used lubricating oil while degrading in industry. Based on ASTM D7843, the influence of some factors including the heat processing, light, aging temperature, and the metal catalyst on the VPR of common industrial lubricating oils such as turbine oil and air compressor oil was tested and analyzed. Furthermore, the influencial mechanism of the amine antioxidant and ZDDP on test results was analyzed. The application methods of VPR in the monitoring of different types of oil under actual working condition were studied. Actual application showed that, with the increase of unit operation time, VPR will increase gradually.

varnish; lubricating oil; testing; application

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.02.011

1002-3119(2017)02-0050-05

TE626.3

A

2016-12-14。

廣州市珠江新星項目(201506010043 )，黃埔區(qū)應(yīng)用基礎(chǔ)研究專項(20150000653 )。

林瑞玲，工程師，2008年畢業(yè)于廣東教育學(xué)院化學(xué)系，從事工業(yè)油品檢驗分析及方法研究工作。 E-mail:346650832@qq.com