液壓支架用乳化油HFAE15-3的研究

陳志忠，尤龍剛，火鵬飛，張杰，郎需進(jìn)

(中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

液壓支架是一種利用液體壓力產(chǎn)生支撐力并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移架來(lái)進(jìn)行頂板支護(hù)和管理的一種液壓動(dòng)力裝置，是綜合機(jī)械化采煤不可缺少的配套設(shè)備。液壓支架液作為液壓支架的工作介質(zhì)，不僅起動(dòng)力傳遞作用，而且要起潤(rùn)滑、冷卻、防腐、防銹作用，是液壓支架能夠正常工作的最主要的部件，被稱為是液壓支架的“液體零件”[1]。

液壓支架實(shí)際工況非常惡劣，由此對(duì)液壓支架液的性能提出了較高的要求。具有優(yōu)異性能的液壓支架液對(duì)煤炭開采裝備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要，因此，我國(guó)煤炭行業(yè)制定了《液壓支架(柱)用乳化油、濃縮物及其高含水液壓液》強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，由國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志辦公室負(fù)責(zé)評(píng)審，包括生產(chǎn)的產(chǎn)品、生產(chǎn)廠家的資質(zhì)等多方面進(jìn)行評(píng)審，評(píng)審合格后，國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志辦公室將頒發(fā)“礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志證書”，獲得該證書的產(chǎn)品方能進(jìn)入煤礦井下使用[2]。

液壓支架液分為乳化油、微乳液和全合成液三種。微乳液由于防銹性差，且油基黏度偏大，因此較少應(yīng)用。煤礦液壓支架系統(tǒng)目前主要以乳化油和全合成濃縮液為主要傳動(dòng)介質(zhì)。研制的液壓支架用乳化油為HFAE15-3，是一款乳化油產(chǎn)品，可在水質(zhì)硬度不大于15 ℃的條件下使用，配液濃度為3%時(shí)即可達(dá)到使用要求。

1 液壓支架用乳化油HFAE15-3配方的研究

本文研制目標(biāo)為乳化型液壓支架液，由于乳化型的產(chǎn)品容易在高溫下發(fā)生析油析皂現(xiàn)象，而MT76-2011標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高含水液壓液的高低溫穩(wěn)定性有嚴(yán)苛的要求，因此，產(chǎn)品乳化劑和抗硬水劑的考察和選擇是一項(xiàng)難點(diǎn)。研制產(chǎn)品的配液濃度僅為3%，相較同類產(chǎn)品而言較低，這對(duì)其潤(rùn)滑性和防銹防腐性也是較大的考驗(yàn)。本研究重點(diǎn)介紹這幾項(xiàng)性能的考察。

1.1基礎(chǔ)油和乳化劑的選擇

基礎(chǔ)油的選擇主要依據(jù)兩方面：一是基礎(chǔ)油的乳化難易程度(即乳化效率)及形成的乳化液的穩(wěn)定性。相較于石蠟基、中間基基礎(chǔ)油，環(huán)烷基基礎(chǔ)油最容易乳化[3]，等量基礎(chǔ)油消耗的乳化劑量最低，且乳液穩(wěn)定性最佳，尤其是低黏度的環(huán)烷基油乳化性能更為優(yōu)異。二是基礎(chǔ)油價(jià)格合理，來(lái)源充足。綜合這兩方面的因素考慮，選擇40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度在10 mm2/s左右的環(huán)烷基油作為基礎(chǔ)油。

乳化劑的選擇上通常使用非離子-非離子復(fù)配，或非離子-陰離子復(fù)配的原則，這比單一乳化劑的乳化效果要顯著很多。通常來(lái)說(shuō)，非離子-非離子復(fù)配后的抗硬水性能較好，但乳化礦物油的效率較低。而非離子-陰離子復(fù)配則相反。綜合考慮乳化劑的價(jià)格、來(lái)源、乳化效率，本文選擇非離子-陰離子乳化劑復(fù)配來(lái)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)油的乳化效果。實(shí)驗(yàn)室主要考察了在簡(jiǎn)單體系(僅含基礎(chǔ)油、乳化劑和蒸餾水)下3組乳化劑對(duì)在不同HLB值和加量下濃縮液和稀釋液外觀的變化，以此來(lái)確定乳化劑組成，見(jiàn)表1。

表1 乳化劑的考察

通過(guò)表1可看出，在乳化劑加量一定的情況下，HLB值為10.5時(shí)，其濃縮液和稀釋液的外觀均為合格。在此基礎(chǔ)上分別考察了3組不同乳化劑復(fù)配時(shí)的最小加量。1、2、3號(hào)乳化劑組成可以形成穩(wěn)定濃縮液和稀釋液的最小加量分別為15%、17%、13%，可見(jiàn)，乳化劑1和乳化劑4復(fù)配時(shí)乳化效率最高，以其作為本體系的乳化劑組成，進(jìn)行后續(xù)的試驗(yàn)研究。

1.2潤(rùn)滑劑的選擇

液壓支架液要求必須具備一定的潤(rùn)滑性，技術(shù)指標(biāo)規(guī)定其潤(rùn)滑性能用PB值來(lái)衡量，要求為不小于392 N，以此作為依據(jù)，開展?jié)櫥瑒┑暮Y選。實(shí)驗(yàn)室主要考察了四組潤(rùn)滑劑組分在不同加量下的PB值，見(jiàn)表2。

表2 幾種潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑性能考察結(jié)果

從上述考察中看出，4種潤(rùn)滑劑在加量為1.5%時(shí)均不能滿足指標(biāo)要求，加量為2.0%時(shí)均能達(dá)到指標(biāo)要求，再提高其加量，4種潤(rùn)滑劑的PB值均提高不大。鑒于脂肪酸的價(jià)格最低，優(yōu)先選用其作為潤(rùn)滑劑的組成，最佳加量為2.0%。

1.3防銹防腐劑的選擇

防銹劑的確定是研發(fā)過(guò)程中的一大難點(diǎn)。在礦井作業(yè)條件下，液壓支架液的維護(hù)及操作環(huán)境較為苛刻，產(chǎn)品的防銹性能是保障液壓支架設(shè)備正常工作的關(guān)鍵因素。井下水質(zhì)硬度普遍較大，水中的鈣鎂會(huì)對(duì)乳液體系的潤(rùn)滑劑、防銹劑等產(chǎn)生一些耦合、沉降作用，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品的防銹性能大幅降低。同時(shí)水中的氯離子含量較高，對(duì)鑄鐵的腐蝕作用非常顯著。因此，高硬度水質(zhì)條件下的防銹性能是該類產(chǎn)品研制的最大難題。實(shí)驗(yàn)室考察了十幾種防銹劑復(fù)配后的防銹性能，具體試驗(yàn)方法見(jiàn)MT76-2011。結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同防銹劑復(fù)配后的防銹性能考察

從考察中發(fā)現(xiàn)，大多防銹劑復(fù)配后都無(wú)法滿足15號(hào)硬水條件下，3%濃度工作液的防銹性能要求。有機(jī)酸和無(wú)機(jī)鹽的復(fù)配表現(xiàn)出較好的防銹性能。同時(shí)，羧酸鹽和咪唑啉鹽在較高的加量下也能通過(guò)技術(shù)指標(biāo)的要求。

液壓支架液對(duì)防腐性的要求如下：油品與0.05 mol/L的氯化鈉溶液配成一定濃度(使用濃度的40%)的試樣，在鋼棒和銅棒同時(shí)存在的情況下，高溫70 ℃放置24 h，要求鋼棒和銅棒外觀無(wú)銹蝕，無(wú)色變。這項(xiàng)性能對(duì)液壓支架用濃縮液來(lái)說(shuō)是難度最大的一項(xiàng)考驗(yàn)，因?yàn)闈饪s液中一般含水高達(dá)50%以上，試驗(yàn)要求的配液濃度較低，而且水中含有大量的氯離子，特別容易引起鋼棒的點(diǎn)蝕。但乳化油中含水量一般不超過(guò)10%，故這項(xiàng)測(cè)試對(duì)乳化油來(lái)說(shuō)通過(guò)較為容易。在原來(lái)防銹劑的基礎(chǔ)上，引入少量苯三唑衍生物即可使得鋼棒和銅棒外觀合格。

1.4抗硬水劑的考察

抗硬水性對(duì)液壓支架用濃縮液來(lái)說(shuō)較容易通過(guò)，但對(duì)液壓支架用乳化油來(lái)說(shuō)考驗(yàn)非常大。尤其是高溫穩(wěn)定性最為苛刻，試驗(yàn)要求工作液在70 ℃的高溫下，放置7 d，要求析出物體積不超過(guò)0.1%。這就要求研制的乳化油抗硬水性和穩(wěn)定性能足夠好，能夠克服高溫引起的分層、析油等不穩(wěn)定現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)室主要考察了4種有機(jī)酸在不同加量下的抗硬水性，具體考察結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 引入不同抗硬水劑后稀釋液穩(wěn)定性考察結(jié)果(配液用水∶15號(hào)硬水)

從表4的考察中可看出，不同抗硬水劑的抗硬水性能差別很大。1號(hào)和4號(hào)抗硬水劑在加量高達(dá)7%時(shí)，體系的析油析皂現(xiàn)象依舊很嚴(yán)重。2號(hào)和3號(hào)抗硬水劑在一定的加量下能有效地解決體系油皂析出問(wèn)題，達(dá)到指標(biāo)要求。

1.5堿保持劑和殺菌劑的選擇

為保證pH值在7.5～10之間，同時(shí)具有較長(zhǎng)久的保持性，需在體系中加入一定量的堿保持劑。常用的堿保持劑有單乙醇胺、二甘醇胺、三乙醇胺、二異丙醇胺、二羥乙基甲胺(BHEMA)、環(huán)己胺等。由于二乙醇胺容易與亞硝酸物反應(yīng)生成硝胺，對(duì)操作人員的健康產(chǎn)生危害，目前一些歐洲國(guó)家已經(jīng)禁止了其在加工液中的使用，所以此處不予考慮。實(shí)驗(yàn)室通過(guò)考察不同醇胺復(fù)配后pH值的下降率，最終確定以兩種醇胺復(fù)配作為體系的堿保持劑。

MT 76-2011標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)殺菌性尚未做出要求。但鑒于乳化油在使用過(guò)程中容易生菌，為提高其使用壽命，引入了嗎啉類殺菌劑，無(wú)論對(duì)真菌還是細(xì)菌均有很好的殺菌作用。

1.6配方的確定

通過(guò)上述對(duì)基礎(chǔ)油和功能添加劑的詳細(xì)考察，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了配方優(yōu)化，最終確定以環(huán)烷基油為基礎(chǔ)油組分，以非離子和陰離子乳化劑復(fù)配作為乳化劑組成，并添加其他功能單劑和少量蒸餾水，在室溫下充分?jǐn)嚢?，調(diào)制出外觀透亮的乳化油HFAE15-3。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，研制的產(chǎn)品各方面性能均滿足MT 76-2011指標(biāo)的要求。

2 液壓支架用乳化油的性能

研制的HFAE15-3產(chǎn)品通過(guò)了權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量檢測(cè)，樣品所有性能全部符合MT 76-2011《液壓支架用乳化油、濃縮液及其高含水液壓液》的要求。部分關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)多種功能添加劑的精心篩選和評(píng)價(jià)，研制出具有良好高低溫穩(wěn)定性、防銹防腐性和潤(rùn)滑性的乳化油產(chǎn)品HFAE15-3，其各項(xiàng)指標(biāo)均符合MT 76-2011《液壓支架用乳化油、濃縮液及高含水液壓液》標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠滿足液壓支架在井下的作業(yè)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王進(jìn), 王玉超. 液壓支架用液壓液的研究現(xiàn)狀及發(fā)展研究[J]. 煤炭與化工, 2014, 37(10): 17-23.

[2] 曾擁軍. 液壓支架用乳化油、濃縮液的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 用油全方位, 2010(2): 12-15.

[3] 賈繼欣, 李茂生, 李朝圣, 等. 環(huán)烷基基礎(chǔ)油在金屬加工油液中的應(yīng)用研究[J]. 潤(rùn)滑與密封, 2016, 41(1): 109-114.