高抗硬水液壓支架用乳化油的研制

黃莉云 李 謹(jǐn)

中國石化潤滑油有限公司上海研究院

針對液壓支架用乳化油因水質(zhì)不適引發(fā)的常見問題，開發(fā)了一種水質(zhì)硬度適應(yīng)性較高的液壓支架用乳化油HFAE40-5。評價結(jié)果表明，開發(fā)產(chǎn)品具有較高的水質(zhì)硬度適應(yīng)性、熱穩(wěn)定性能、低溫及防銹防腐性能，可滿足高硬度水質(zhì)地區(qū)（水質(zhì)硬度≤2 000 mg/L）煤礦的液壓支架用液需要。

液壓支架液是液壓支架系統(tǒng)的“血液”，液壓支架的支撐、升降、移動等動作都需要借助液壓液來實現(xiàn)能量的傳遞和轉(zhuǎn)換。目前在井工煤礦開采作業(yè)中，均需要使用到液壓支架液產(chǎn)品。液壓支架用高含水液壓液包括兩類，即乳化型（HFAE）和溶液型（HFAS）。

國內(nèi)井工煤礦液壓支架用液市場目前仍以乳化型為主。早期市場習(xí)慣使用兌水稀釋后，稀釋液呈現(xiàn)奶白色的乳化型液壓支架乳化油，各類產(chǎn)品性能參差不齊，部分乳化液穩(wěn)定性差，水質(zhì)適應(yīng)性范圍小，常伴隨堵塞過濾網(wǎng)、濾芯，作業(yè)環(huán)境臟、設(shè)備銹蝕等問題。近年來，市場上出現(xiàn)了一類半合成乳化型液壓支架乳化油，稀釋液狀態(tài)呈現(xiàn)水白色，水中分散的乳化液滴分子顆粒度更小，更有助于產(chǎn)品穩(wěn)定性，且防銹潤滑性綜合性良好，越來越多地被市場所接受并應(yīng)用。隨著煤礦逐步開發(fā)，國內(nèi)某些地區(qū)如河南、內(nèi)蒙等部分地區(qū)，使用的當(dāng)?shù)氐叵滤|(zhì)硬度可達(dá)2 000 mg/L，水質(zhì)礦化程度高，一般規(guī)格的液壓支架液產(chǎn)品無法完全適應(yīng)該種特殊水質(zhì)。為了滿足這類高硬度水質(zhì)地區(qū)的使用要求，本文開發(fā)了液壓支架用乳化油HFAE40-5，為符合煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T 76—2011《液壓支架用乳化油、濃縮液及其高含水液壓液》標(biāo)準(zhǔn)中適用水質(zhì)硬度最高等級的產(chǎn)品。

液壓支架液對水質(zhì)適應(yīng)性差的常見問題

析油析皂

液壓支架液實際使用過程中一般常使用當(dāng)?shù)氐V水按3%～5%稀釋后使用，當(dāng)水質(zhì)鈣鎂離子、硫酸根離子等含量較大，硬度過高時，常常伴隨液壓支架液稀釋后不能良好分散，出現(xiàn)不同程度的油皂析出。一般情況，水質(zhì)硬度越高，稀釋液狀態(tài)越難保持穩(wěn)定狀態(tài)。一旦油皂析出，對液壓支架系統(tǒng)危害較大，主要表現(xiàn)為以下幾點：

◇黏稠物質(zhì)黏附在立柱、閥組等液壓元件表面和液壓系統(tǒng)中，易造成液壓支架液系統(tǒng)濾網(wǎng)堵塞[1]，影響系統(tǒng)正常作業(yè)。如過濾網(wǎng)過濾閥體過濾器堵塞、爆管[2]等。

◇部分煤礦作業(yè)面煤塵較大，稀釋液箱無良好防塵蓋或過濾網(wǎng)，致使煤塵等雜質(zhì)落入液槽中，被稀釋液中析出的皂所包裹團絮，共同形成大顆粒黏稠灰黑色顆粒沉淀在稀釋液箱底部或黏附在配液箱壁，致使現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境較臟。井下需要頻繁花費人力沖洗稀釋液箱，清除稀釋液箱內(nèi)沉淀及黏附物，大大提升了維護成本。

◇稀釋液發(fā)生析皂后，嚴(yán)重時會發(fā)生油液分層，造成稀釋液潤滑等功能劑組成分布不均。這將導(dǎo)致稀釋液潤滑性得不到保證，無法有效降低支架內(nèi)壁在支撐、升降、移動等動作中的磨損，發(fā)揮應(yīng)有的保護支柱的作用，增加了材料消耗的成本。

防銹防腐蝕性差

地下礦水除了含有鈣、鎂等各類離子外，還含有一定氯離子。雖然MT/T 76—2011中規(guī)定了人工測試硬水的氯化鈉含量（330 mg/L），且使用單位在配制所用水質(zhì)應(yīng)符合無機械雜質(zhì)、水中氯離子含量不大于200 mg/L的要求，但各煤礦實際用礦水是較為復(fù)雜的體系，部分離子含量均有差異。經(jīng)過長期監(jiān)測，河南等部分礦區(qū)作業(yè)面水質(zhì)氯離子含量甚至超過500 mg/L；淮南礦區(qū)大部分綜采工作面水質(zhì)不符合配液標(biāo)準(zhǔn)[2]。

氯離子含量高，會大大增加支架內(nèi)鋼件和銅材部件的銹蝕風(fēng)險，致使鋼材發(fā)生點蝕、銅材變色腐蝕等問題，進一步腐蝕設(shè)備，降低設(shè)備使用壽命。最明顯的是設(shè)備操作閥銹蝕卡死，往往液壓支架液對水質(zhì)離子變化適應(yīng)差，自身防銹性不理想或水中穩(wěn)定性差導(dǎo)致防銹性下降，操作閥因銹蝕需更換的頻率都會增加，提升了檢修頻次和耗材損耗。

因此，液壓支架液需具有較好的水質(zhì)適應(yīng)性，特別是一些高礦化程度、水質(zhì)較硬的地區(qū)，對液壓支架液的要求則更高。

液壓支架用乳化油HFAE40-5的研制

規(guī)格說明

MT/T 76—2011中將液壓支架液產(chǎn)品按使用時所適用水質(zhì)的最高硬度劃分為8個等級，等級代號分別 為 5、10、15、20、25、30、35、40。水質(zhì)適應(yīng)性越高，等級代號數(shù)值越大。國內(nèi)絕大多數(shù)煤礦一般10～15級的支架液產(chǎn)品都能良好覆蓋，但對于內(nèi)蒙、河南等部分地區(qū)，水質(zhì)硬度高達(dá)2 000 mg/L（40級），一般規(guī)格液壓支架液無法滿足用液要求。開發(fā)了液壓支架用乳化油HFAE40-5，能適應(yīng)水質(zhì)硬度不超過2 000 mg/L（使用濃度為5%，符合MT/T 76—2011中適用水質(zhì)硬度最高等級）。液壓支架用乳化油HFAE40-5的技術(shù)要求見表1。

根據(jù)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品在40級水質(zhì)下，需滿足如上標(biāo)準(zhǔn)。其中，除了常規(guī)理化特性外，根據(jù)支架液實際使用要求，針對性地制定了相關(guān)評價方法，與穩(wěn)定性密切相關(guān)的指標(biāo)有室溫穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、耐凍融性以及水中分散性和振蕩穩(wěn)定性，其穩(wěn)定性關(guān)鍵指標(biāo)在于常溫、高溫和低溫穩(wěn)定性。與防銹蝕密切相關(guān)的指標(biāo)有鋼棒銅棒防腐蝕性、鑄鐵防銹性。另外，產(chǎn)品還需兼具一定的潤滑性和密封材料相容性。

技術(shù)路線設(shè)計

考慮到以上指標(biāo)要求及產(chǎn)品類型特點，配方體系需要由基礎(chǔ)油與防銹劑、防腐蝕劑、表面活性劑、抗硬水劑、油性潤滑劑、消泡劑等多種添加劑組合。乳化油作為含油水溶性配方體系，是亞穩(wěn)定狀態(tài)，為滿足適用水質(zhì)硬度最高等級的要求，產(chǎn)品的技術(shù)難點在于如何保證乳化油本身以及在高礦化硬水中的持續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)。故本文重點在于配方穩(wěn)定性的綜合考察。

水溶性潤滑劑

液壓支架用乳化油為含油配方，配方中含一定基礎(chǔ)油組成，同時為了確保支護設(shè)備內(nèi)壁潤滑保護，滿足產(chǎn)品指標(biāo)一定的潤滑要求，還有必要補充加入油性潤滑劑。

針對高抗硬水液壓支架液，應(yīng)盡量避免使用對硬水適應(yīng)范圍小的油脂類，盡可能減少高硬度下油皂的析出，減少油皂分散劑等功能添加劑的負(fù)擔(dān)；也需要避免采用傾點過高的油性潤滑劑，減少對產(chǎn)品低溫穩(wěn)定性的負(fù)面影響。因此，油脂的選用應(yīng)從硬水適應(yīng)性好、低溫性佳著手。

關(guān)于油皂分散劑的考察

液壓支架液稀釋液中引起油皂析出的原因，主要是作為稀釋用水使用的是各礦當(dāng)?shù)氐叵碌V水，其中鈣鎂離子、硫酸根離子等含量過高，水混入乳化油后，迫使乳化油中油脂部分被皂化析出。我國南方地區(qū)水質(zhì)較軟，一般其自來水通常鈣鎂等離子含量較??；而大多煤礦水質(zhì)硬度低于15級（750 mg/L），實驗室該級用水評價標(biāo)準(zhǔn)為鈣鎂離子含量240 mg/L，硫酸根離子720 mg/L；而適用于40級（2 000 mg/L）水質(zhì)硬度礦水，實驗室該級用水評價標(biāo)準(zhǔn)為鈣鎂離子含量640 mg/L，硫酸根離子1 920 mg/L，水中離子含量較高。

表1 液壓支架用乳化油HFAE40-5的技術(shù)要求

為了良好地減少鈣皂在稀釋液中析出，一般通過添加功能劑來進行調(diào)整。常用的鈣皂分散抗硬水劑為EDTA（乙二胺四乙酸）絡(luò)合劑、烷氧基化脂肪醇、醇醚羧酸等。EDTA絡(luò)合劑主要是能和堿金屬形成性能穩(wěn)定的水溶性配合物，在液壓支架液使用過程中和配液用礦井水中的鈣/鎂離子螯合；烷氧基化脂肪醇、醇醚羧酸，主要是作為陰離子表面活性劑，與堿物質(zhì)中和反應(yīng)生成鹽，增強配方耐硬水、提升鈣、鎂皂化物的分散能力。

為滿足對40級水質(zhì)適應(yīng)性要求，配方中引入醇醚羧酸、烷氧基化脂肪醇及EDTA，分別考察了配方的抗鈣皂析出性能，結(jié)果見表2。

由表2可以看出，EDTA、烷氧基化脂肪醇B在40級人工硬水中，對配方抗鈣皂分散作用已不明顯，未見有效改善；烷氧基化脂肪醇A有一定作用，但溶液表面析皂層仍較為明顯；配方中引入多款醇醚羧酸，在40級人工硬水中油皂分散作用明顯，以醇醚羧酸A、B、D評級結(jié)果較優(yōu)良，因此在優(yōu)選醇醚羧酸配方中進一步調(diào)整和優(yōu)化。

在40級硬水中抗常溫、高溫穩(wěn)定性的配方考察調(diào)配

液壓支架液采用礦水稀釋后，使用過程中需要長期保持穩(wěn)定作業(yè)狀態(tài)，剛調(diào)配的稀釋液及稀釋液箱內(nèi)溫度往往不高，但支架作業(yè)壓力大，部分支護設(shè)備循環(huán)不暢，會造成局部位置液壓支架液過熱的問題，故需要考察液壓支架液高溫（70 ℃）及常溫下持續(xù)7 d的稀釋液狀態(tài)，此過程中，稀釋液應(yīng)無絮狀物、沉淀、表面析皂、油層分離等問題。

表2 油皂分散劑的考察

表3 40級硬水中高溫及常溫穩(wěn)定性配方篩選試驗

配方通過乳化劑、鈣皂分散劑等添加劑的配伍性考察，在40級人工硬水條件下開展了稀釋液高溫、常溫穩(wěn)定性測試，結(jié)果見表3。

從上述測試結(jié)果看，采用醇醚羧酸A和乳化劑合理組合，產(chǎn)品原液穩(wěn)定性及稀釋液高低溫性能都達(dá)到了最佳狀態(tài)。配方B在40級高硬度水質(zhì)下，再無油皂析出，原液和稀釋液透明度都較為理想，且加劑量也最為節(jié)省。故采用配方B作為液壓支架液主配方體系。

防銹蝕添加劑

為適應(yīng)礦井水中一定含量的氯離子，保護產(chǎn)品鋼件及有色金屬免遭銹蝕侵?jǐn)_，配方通過引入適量有色金屬腐蝕抑制劑、堿值保持劑、多元羧酸等多種防銹劑合理復(fù)配組合，良好解決了銹蝕問題。

通過對以上多種功能添加劑的組合考察，確定了研制的液壓支架用乳化油HFAE40-5的組成。

液壓支架用乳化油HFAE40-5性能檢驗

實驗室評價

研制的液壓支架用乳化油主要指標(biāo)的實驗室評價結(jié)果見表4。

試驗結(jié)果顯示：在5%試驗濃度下，用2 000 mg/L人工硬水稀釋所研制的HFAE40-5產(chǎn)品，性能數(shù)據(jù)完全符合MT/T 76—2011的產(chǎn)品規(guī)范要求。

工業(yè)應(yīng)用評價

采用配方產(chǎn)品在河南等現(xiàn)場水質(zhì)硬度2 000 mg/L的煤礦開展了工業(yè)考察。實際應(yīng)用結(jié)果顯示，產(chǎn)品對水質(zhì)適應(yīng)性好，能有效解決原用液壓支架乳化油堵塞濾芯、過濾閥卡死等問題。

結(jié)束語

通過對產(chǎn)品各類添加劑的篩選和考察，研制出了具有良好的熱穩(wěn)定性能、低溫及防銹防腐性能、水質(zhì)適應(yīng)性好的長城牌液壓支架用乳化油HFAE40-5，所有指標(biāo)符合MT/T 76—2011的水質(zhì)硬度最高等級要求，解決了煤礦高硬度水質(zhì)環(huán)境的液壓支架用液問題。

表4 研制的液壓支架用乳化油HFAE40-5的主要分析結(jié)果