汽輪機(jī)潤滑油中添加劑對過濾性的影響

胡 軼，吳世雄，李少萍，

(1.新疆師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，烏魯木齊 830054；2.華東理工大學(xué)石油加工研究所)

隨著汽輪機(jī)設(shè)備及各零部件的精度不斷提高，使得過濾器的精度也不斷提高，從而對油品的過濾性能要求越來越苛刻[1-3]。由于油品調(diào)合過程以及出廠前油品基本都能達(dá)到干法過濾性標(biāo)準(zhǔn)，但在實(shí)際使用過程中，油品常常會(huì)受到水的污染，導(dǎo)致水與潤滑油混合后形成乳液，破壞成品油體系，甚至產(chǎn)生沉積物，堵塞過濾器，影響汽輪機(jī)機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因而對汽輪機(jī)油的濕法過濾性要求越來越嚴(yán)格，濕法過濾性成為衡量汽輪機(jī)油使用性能的一個(gè)重要參數(shù)，各大添加劑和油品公司也越來越重視油品的過濾性能[4]。

本研究考察2種不同復(fù)合添加劑對8種基礎(chǔ)油過濾性的影響，添加劑中各單劑對基礎(chǔ)油過濾性的影響，乳液粒徑與過濾性之間的關(guān)系，以及2種醚類助溶劑的含量對基礎(chǔ)油過濾性的影響，為分析添加劑對汽輪機(jī)潤滑油過濾性的影響提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

選擇不同產(chǎn)地、不同種類的8種基礎(chǔ)油進(jìn)行試驗(yàn)?；A(chǔ)油性質(zhì)見表1。

表1 基礎(chǔ)油性質(zhì)

添加劑X、Y，由不同生產(chǎn)廠家提供，含有抗氧劑、防銹劑、金屬減活劑、聚醚型溶劑等。

1.2 試驗(yàn)方法

過濾性試驗(yàn)采用Lawler公司生產(chǎn)的Lawler 377-4型過濾性自動(dòng)測試儀，按SH/T 0805—2008(即ISO 13357)方法進(jìn)行。干法過濾性測定：適用于評價(jià)在干燥的情況下潤滑油的過濾性，在規(guī)定條件下，試樣通過直徑為47 mm、平均孔徑為0.8 μm的酯類纖維素膜，記錄過濾規(guī)定體積試樣所用的時(shí)間。計(jì)算最初的過濾速率和最后100 mL的過濾速率，兩者的比率即為過濾性。濕法過濾性測定：適用于評價(jià)在有水存在的情況下潤滑油的過濾性，將(300±5) mL試樣與(0.66±0.02) mL水加入500 mL廣口瓶內(nèi)，蓋上瓶蓋后置于(70±2) ℃的烘箱中存放(120±5) min，然后自烘箱中取出，控制攪拌器轉(zhuǎn)速為(1 500±50) r/min，攪拌(300±2) s。再將廣口瓶移至(70±2) ℃的烘箱中靜置(70±1) h，取出后經(jīng)過24 h的避光、室溫儲(chǔ)存，便開始過濾性試驗(yàn)。在(60±10) s時(shí)間內(nèi)顛倒晃動(dòng)廣口瓶30次，使試樣混合均勻，每次顛倒晃動(dòng)之間要有間隔，然后將試樣立即倒入過濾容器，用橡皮塞堵住過濾器出油口，防止油品流出，(60±10) s后移去橡皮塞，打開控制閥，調(diào)整到正確的壓力，當(dāng)試樣滴入量筒開始計(jì)時(shí)，依次記錄量筒內(nèi)試樣達(dá)到10，50，200，300 mL時(shí)的時(shí)間，計(jì)算最初的過濾速率和最后100 mL的過濾速率，兩者的比率即為過濾性。每種油樣重復(fù)測定3次，取3次過濾性的平均值為該油樣的過濾性。

乳液粒徑測定采用馬爾文公司生產(chǎn)的Nano ZS(ZEN3600)動(dòng)態(tài)光散射儀，對過濾性試驗(yàn)中攪拌后在一定條件下放置4天的乳液進(jìn)行測定，試驗(yàn)溫度為25 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 添加劑對基礎(chǔ)油過濾性的影響

圖1為添加劑X對基礎(chǔ)油干法和濕法過濾性的影響。由圖1可以看出：加入添加劑X后，8種不同基礎(chǔ)油的干法過濾性由原來的100以上下降到95～100，仍處在較好的水平；濕法過濾性則出現(xiàn)較大幅度的下降，黏度等級(jí)為68的5～8號(hào)基礎(chǔ)油的濕法過濾性由原來的70～80下降到50～55，下降幅度在24.31%～31.94%，而黏度等級(jí)為32的1～4號(hào)基礎(chǔ)油的濕法過濾性下降幅度居中；加入添加劑X后，1～8號(hào)基礎(chǔ)油的濕法過濾性的變化趨勢和純基礎(chǔ)油濕法過濾性的變化趨勢基本一致。

圖2為添加劑Y對基礎(chǔ)油干法和濕法過濾性的影響。由圖2可以看出：加入添加劑Y后，8種不同基礎(chǔ)油的干法過濾性由原來的100以上下降到90～100，仍表現(xiàn)較好；濕法過濾性則下降幅度較大，1號(hào)基礎(chǔ)油濕法過濾性下降幅度最小，3號(hào)基礎(chǔ)油濕法過濾性下降幅度最大，且1～4號(hào)基礎(chǔ)油的下降幅度在2.40%～28.72%，不同樣品下降幅度相差較大，而黏度較大的5～8號(hào)基礎(chǔ)油的濕法過濾性由75左右下降到65左右，下降幅度在8.21%～18.82%，不同樣品下降幅度相差較小，比較穩(wěn)定。

圖1 添加劑X對基礎(chǔ)油過濾性的影響■—基礎(chǔ)油(干法)； ●—基礎(chǔ)油+添加劑X(干法)； ▲—基礎(chǔ)油(濕法)； 基礎(chǔ)油+添加劑X(濕法)

圖2 添加劑Y對基礎(chǔ)油過濾性的影響■—基礎(chǔ)油(干法)； ●—基礎(chǔ)油+添加劑Y(干法)；▲—基礎(chǔ)油(濕法)； 基礎(chǔ)油+添加劑Y(濕法)

添加劑Y使得8種不同基礎(chǔ)油的濕法過濾性出現(xiàn)不同程度的下降，但都保持在60以上，而添加劑X使得5～8號(hào)基礎(chǔ)油的濕法過濾性出現(xiàn)了很大程度的下降，其濕法過濾性在50左右，這在汽輪機(jī)油生產(chǎn)和應(yīng)用中是絕對不允許的，因此重點(diǎn)研究添加劑X導(dǎo)致基礎(chǔ)油濕法過濾性下降的原因。

2.2 添加劑X中各單劑對基礎(chǔ)油濕法過濾性的影響

為了探討添加劑X加入后導(dǎo)致基礎(chǔ)油濕法過濾性出現(xiàn)顯著下降的原因，選用黏度等級(jí)為32的HVIⅡ6基礎(chǔ)油(3號(hào))和黏度等級(jí)為68的HVIⅡ 10基礎(chǔ)油(5號(hào))進(jìn)行單劑影響考察試驗(yàn)。同時(shí)考察濕法過濾性與乳液平均粒徑間的關(guān)系，找出導(dǎo)致濕法過濾性下降的主要成分，從而進(jìn)一步探究濕法過濾性下降的機(jī)理。

試驗(yàn)中所用的添加劑X是由烷基二苯胺抗氧劑A、酚型抗氧劑B、烷基苯α萘胺抗氧劑C、烯烴基丁二酸酯防銹劑D、苯并三唑衍生物金屬減活劑E以及聚醚型助溶劑F共6種單劑按一定比例復(fù)配而成。

表2為添加劑X中各單劑加入到HVIⅡ 6基礎(chǔ)油后各油樣的濕法過濾性以及乳液平均粒徑。

表2 添加劑X中各單劑對HVI Ⅱ 6基礎(chǔ)油濕法過濾性和平均粒徑的影響

注：平均粒徑為在濕法過濾實(shí)驗(yàn)中，加入體積分?jǐn)?shù)為0.2%的水?dāng)嚢韬笮纬傻挠桶腿橐旱钠骄?。?同。

比較表2中的1號(hào)、2號(hào)數(shù)據(jù)可以看出，添加劑X的加入使得HVIⅡ6基礎(chǔ)油的濕法過濾性由原來的85.96下降到64.10，下降幅度達(dá)到25.43%。從3～9號(hào)數(shù)據(jù)可以看出，抗氧劑C以及金屬減活劑E的加入對濕法過濾性基本沒有影響，但助溶劑F的加入使得HVIⅡ6基礎(chǔ)油的濕法過濾性由85.96下降到58.60，下降幅度高達(dá)31.83%。分別加入抗氧劑A、B和防銹劑D后，HVIⅡ6基礎(chǔ)油的濕法過濾性下降幅度均不大。當(dāng)同時(shí)將抗氧劑A，B，C，防銹劑D以及金屬減活劑E共5種添加劑加入到HVIⅡ6基礎(chǔ)油中，濕法過濾性由85.96下降到71.34，下降幅度為17.01%，遠(yuǎn)小于助溶劑F使得基礎(chǔ)油濕法過濾性下降的幅度。所以添加劑X中使得基礎(chǔ)油過濾性變差的主要成分是助溶劑F。

從表2可以看出：1號(hào)、3～8號(hào)油樣的濕法過濾性為71.34～85.96，其對應(yīng)的乳液平均粒徑為120～290 nm；2號(hào)、9號(hào)油樣的濕法過濾性分別為64.10和58.60，其對應(yīng)的乳液平均粒徑分別為419.3 nm和443.9 nm。

表3為添加劑X中各單劑加入到HVIⅡ10基礎(chǔ)油后各油樣的濕法過濾性以及乳液平均粒徑。

表3 添加劑X中單劑對HVIⅡ10基礎(chǔ)油濕法過濾性及平均粒徑的影響

比較表3中1號(hào)、2號(hào)數(shù)據(jù)可以看出：添加劑X的加入使得HVIⅡ10基礎(chǔ)油的濕法過濾性由原來的75.38下降到52.53；從3～9號(hào)數(shù)據(jù)可以看出，抗氧劑A對HVIⅡ10基礎(chǔ)油的濕法過濾性基本沒有影響，但助溶劑F的加入使得HVIⅡ10基礎(chǔ)油的過濾性由75.38下降到50.35；分別加入抗氧劑A，B，C，防銹劑D以及金屬減活劑E后，濕法過濾性下降幅度均比較?。划?dāng)將抗氧劑A，B，C，防銹劑D以及金屬減活劑E同時(shí)加入到HVIⅡ10基礎(chǔ)油中，濕法過濾性由75.38變?yōu)?4.39，基本保持不變。所以使得HVIⅡ10基礎(chǔ)油過濾性變差的主要成分也是助溶劑F。

從表3可以看出：1號(hào)、3～8號(hào)油樣的濕法過濾性為66.82～75.38，其對應(yīng)的乳液平均粒徑都維持在200 nm左右；2號(hào)、9號(hào)油樣濕法過濾性分別為52.53和50.35，其對應(yīng)的乳液平均粒徑分別為525.0 nm和468.1 nm。

從上述數(shù)據(jù)可以看出，2種基礎(chǔ)油形成的不同油品的濕法過濾性與其對應(yīng)乳液的平均粒徑有直接聯(lián)系，并且乳液平均粒徑越大，對應(yīng)油品濕法過濾性越差。這主要是由于油包水型乳液中顆粒平均粒徑越大，乳液通過過濾膜時(shí)膜越容易被堵塞和污染，膜阻力增加得越快，過濾性也就越差。

2.3 醚類助溶劑含量對基礎(chǔ)油過濾性的影響

汽輪機(jī)油添加劑中常見的醚類助溶劑有四乙二醇單甲基醚(TGME)和四乙二醇二甲基醚(TGDE)，添加劑X中的助溶劑F即為四乙二醇單甲基醚。故有必要考察TGME和TGDE的含量對基礎(chǔ)油濕法過濾的影響。

圖3為TGME、TGDE的含量對HVIⅡ6基礎(chǔ)油濕法過濾性的影響。由圖3可知：隨TGME含量的增加，HVIⅡ6基礎(chǔ)油的濕法過濾性出現(xiàn)急劇下降，并且當(dāng)TGME含量(w)達(dá)到0.08%及以上時(shí)，便出現(xiàn)“不可過濾”現(xiàn)象；當(dāng)TGDE含量(w)不超過0.04%時(shí)，HVIⅡ6基礎(chǔ)油的濕法過濾性沒有出現(xiàn)明顯變化，基本維持在85左右，而當(dāng)TGDE含量繼續(xù)增加，達(dá)到0.06%及以上時(shí)，HVIⅡ6基礎(chǔ)油的濕法過濾性也出現(xiàn)了明顯下降，但下降趨勢沒有TGME顯著，并且當(dāng)TGDE含量(w)高達(dá)0.1%時(shí)，濕法過濾性為68.37，并沒有出現(xiàn)“不可過濾”現(xiàn)象。

圖3 助溶劑含量對HVIⅡ6基礎(chǔ)油濕法過濾性的影響■—TGME； ●—TGDE

圖4為TGME、TGDE的含量對HVIⅡ10基礎(chǔ)油濕法過濾性的影響。從圖4可以看出：當(dāng)TGME、TGDE含量(w)為0.02%時(shí)，兩者對HVIⅡ10基礎(chǔ)油的濕法過濾性均沒有明顯影響；但當(dāng)TGME、TGDE含量(w)超過0.02%后，基礎(chǔ)油的對比圖3和圖4可知：TGME和TGDE的添加均會(huì)使得HVIⅡ6和HVIⅡ10基礎(chǔ)油的濕法過濾性變差，并且TGME對兩種基礎(chǔ)油濕法過濾性的影響都比TGDE的影響更加顯著；TGDE含量的增加會(huì)明顯導(dǎo)致基礎(chǔ)油濕法過濾性下降，且下降幅度也相當(dāng)大，故用TGDE替換添加劑X中的TGME來提供成品油的濕法過濾性也不可行。

圖4 助溶劑含量對HVIⅡ10基礎(chǔ)油濕法過濾性的影響■—TGME； ●—TGDE

濕法過濾性均出現(xiàn)明顯下降，并且TGME的含量對HVIⅡ10基礎(chǔ)油濕法過濾性的影響更加顯著；當(dāng)TGME含量(w)達(dá)到0.1%時(shí)，出現(xiàn)“不可過濾”現(xiàn)象。

圖5為TGME和TGDE的分子結(jié)構(gòu)簡式。從圖5可以看出，TGME和TGDE的分子結(jié)構(gòu)中都含有極性的C—O鍵，故TGME和TGDE不僅可以與油互溶，還可以與水互溶。由于濕法過濾性實(shí)驗(yàn)中要加入0.2%的水并高速攪拌5 min，親水、親油性的TGME或TGDE加入到基礎(chǔ)油中后，便會(huì)充當(dāng)表面活性劑的作用，使得體系形成較穩(wěn)定的油包水型乳液。添加劑的親水性越好，形成的乳液越穩(wěn)定，乳液的平均粒徑越大，這樣就越容易污染和堵塞過濾膜，過濾時(shí)阻力增加得也就越快，這也導(dǎo)致TGME或TGDE加入基礎(chǔ)油后使得基礎(chǔ)油的濕法過濾性明顯下降。與TGDE相比，TGME分子在末端有一個(gè)羥基，其有更好的親水性，這也就導(dǎo)致TGME對HVI Ⅱ 6基礎(chǔ)油和HVI Ⅱ 10基礎(chǔ)油的濕法過濾性的影響比TGDE的影響更加顯著[5-6]。

圖5 TGME和TGDE分子結(jié)構(gòu)簡式

3 結(jié) 論

(1)加入添加劑后，8種基礎(chǔ)油的干法過濾性都出現(xiàn)了小幅度的下降，下降后的干法過濾性也都在90以上，仍表現(xiàn)較好。添加劑X對基礎(chǔ)油干法過濾性的影響比添加劑Y大。

(2)加入添加劑后，8種基礎(chǔ)油的濕法過濾性則出現(xiàn)較大幅度的下降，其中添加劑X對黏度等級(jí)為68的5～8號(hào)基礎(chǔ)油的影響尤其顯著。

(3)添加劑X中使得HVIⅡ6和HVIⅡ10基礎(chǔ)油過濾性變差的主要成分是助溶劑F(四乙二醇單甲基醚)。加入添加劑后，油品的濕法過濾性與其乳液的平均粒徑有明顯的相關(guān)性，乳液平均粒徑越大，濕法過濾性越差。

(4)醚類助溶劑TGME和TGDE的添加均會(huì)使得HVIⅡ6和HVIⅡ10基礎(chǔ)油的濕法過濾性變差，且醚類助溶劑的含量越高，濕法過濾性越差，當(dāng)TGME達(dá)到一定含量時(shí)，2種基礎(chǔ)油均會(huì)出現(xiàn)“不可過濾”現(xiàn)象并且TGME對兩種基礎(chǔ)油濕法過濾性的影響都比TGDE的影響更加顯著。