高傳奎，朱江，劉中國(guó)

(1.駐中國(guó)石油大連石化分公司軍事代表室，遼寧 大連 116031；2.中國(guó)石油大連潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116031)

0 引言

壓縮機(jī)在石油、化工等工業(yè)部門的工藝流程及諸多行業(yè)的氣動(dòng)設(shè)備中應(yīng)用廣泛[1-3]，其中以空氣為壓縮介質(zhì)的稱為空氣壓縮機(jī)。根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)與工作原理不同，壓縮機(jī)可分為活塞式、回轉(zhuǎn)式等類型?；钊娇諝鈮嚎s機(jī)的壓力范圍較廣，排氣溫度更高，多級(jí)設(shè)備壓力能達(dá)到350 MPa，溫度通常在200 ℃以上，潤(rùn)滑油極易結(jié)焦產(chǎn)生積炭[4]；螺桿式空氣壓縮機(jī)一般為噴油潤(rùn)滑[5]，油品與空氣直接接觸，易受空氣中氧氣、水分、雜質(zhì)等影響而導(dǎo)致氧化老化加速?？諝鈮嚎s機(jī)油變質(zhì)產(chǎn)生的氧化物積累過度，會(huì)降低油品使用壽命，嚴(yán)重者將造成設(shè)備故障，甚至引發(fā)著火等安全問題。

工業(yè)化的持續(xù)發(fā)展[6]使得各行業(yè)對(duì)大型空氣壓縮機(jī)設(shè)備的需求不斷升級(jí)，溫度、壓力、級(jí)壓比等工作條件會(huì)更加苛刻，對(duì)空氣壓縮機(jī)油的使用性能要求必將提高，油品熱氧化安定性的優(yōu)劣能夠較直觀地反映出其使用性能，因此適宜的評(píng)價(jià)方法十分重要。本文通過分析潤(rùn)滑油常用的熱氧化安定性試驗(yàn)方法，對(duì)其在空氣壓縮機(jī)油中的適用性進(jìn)行了研究。

1 空氣壓縮機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法

我國(guó)關(guān)于空氣壓縮機(jī)油的標(biāo)準(zhǔn)包括《GB 12691空氣壓縮機(jī)油》和《GB 5904 輕負(fù)荷噴油回轉(zhuǎn)式空氣壓縮機(jī)油》兩項(xiàng)，其中涉及的熱氧化安定性試驗(yàn)方法為《GB/T 12581 加抑制劑礦物油氧化特性測(cè)定法》(TOST)和《SH/T 0192 潤(rùn)滑油老化特性測(cè)定法》，這兩種方法建立時(shí)間較早，主要用于測(cè)試礦物油型空氣壓縮機(jī)油，質(zhì)量指標(biāo)要求如表1所示，但對(duì)于合成型空氣壓縮機(jī)油，目前還未建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 空氣壓縮機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的熱氧化安定性質(zhì)量指標(biāo)要求

按照上述試驗(yàn)方法，對(duì)A、B、C、D、E、F六種空氣壓縮機(jī)油(油品信息如表2)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表3所示，TOST時(shí)間均遠(yuǎn)大于1000 h，合成型油品更是達(dá)到10000 h以上，超出方法的測(cè)定上限(超過10000 h以后，由于不斷采樣導(dǎo)致金屬催化劑線圈暴露到空氣中，而這種暴露對(duì)油品氧化壽命的影響還未確定)，康氏殘?zhí)吭鲋稻∮?%?，F(xiàn)行空氣壓縮機(jī)油標(biāo)準(zhǔn)中熱氧化安定性試驗(yàn)方法對(duì)各類產(chǎn)品的區(qū)分性較差，很難評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能優(yōu)劣，已無法滿足產(chǎn)品發(fā)展需求。

表2 試驗(yàn)油品

表3 TOST與老化特性試驗(yàn)結(jié)果

2 潤(rùn)滑油中常用的試驗(yàn)方法

除上述國(guó)標(biāo)中規(guī)定的熱氧化安定性試驗(yàn)方法外，國(guó)內(nèi)外依據(jù)潤(rùn)滑油使用特點(diǎn)與設(shè)備工作條件設(shè)計(jì)了不同的油品熱氧化安定性試驗(yàn)，建立了20多項(xiàng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。費(fèi)逸偉等[7]根據(jù)使用儀器的不同，將它們分為氧化管試驗(yàn)法、旋轉(zhuǎn)氧彈試驗(yàn)法、儀器分析試驗(yàn)法和設(shè)備模擬試驗(yàn)法等四類。孔令杰等[8]采用壓力差示掃描量熱法(PDSC)等4種方法，對(duì)5種脂肪酸酯型難燃液壓油進(jìn)行了氧化安定性評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示評(píng)價(jià)方法不同，油品的氧化安定性表現(xiàn)具有一定的差異性。因此，根據(jù)設(shè)備及油品性能特點(diǎn)使用合適的試驗(yàn)方法，才能更準(zhǔn)確地測(cè)定油品熱氧化安定性，表征油品使用壽命。

2.1 氧化管試驗(yàn)法

氧化管試驗(yàn)法是評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油熱氧化安定性最為普遍的一種方法，通常是在金屬催化條件下，向油樣中通入一定流量的空氣或氧氣，在規(guī)定溫度及時(shí)間下，用酸值、黏度、殘?zhí)吭鲋档壤砘阅苤笜?biāo)評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油的熱氧化安定性。該類方法側(cè)重于評(píng)價(jià)油品的某一項(xiàng)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果僅能反映油品氧化的一個(gè)方面，而無法全面反映油品的氧化程度。

氧化管試驗(yàn)法雖然相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)最多，但試驗(yàn)條件基本類似，主要利用氧化管尺寸、形狀、冷凝方式的不同及金屬片的種類，模擬不同機(jī)械設(shè)備的工況，這里不再逐一列舉。

除國(guó)標(biāo)要求的2種方法外，常用于評(píng)價(jià)空氣壓縮機(jī)油的方法還有《SH/T 0450 合成油氧化腐蝕測(cè)定法》，對(duì)C、D、E、F四種合成型空氣壓縮機(jī)油進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表4所示，各金屬片外觀良好、均無明顯腐蝕，試驗(yàn)結(jié)果只能反映出油品酸值及黏度的變化情況，無法對(duì)油品的熱氧化安定性優(yōu)劣做出綜合評(píng)價(jià)。

表4 各油品氧化腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

2.2 旋轉(zhuǎn)氧彈試驗(yàn)法

旋轉(zhuǎn)氧彈法是將油樣、水和銅催化劑線圈放入玻璃容器內(nèi)，并置于氧彈中，充入620 kPa(90 psi)壓力的氧氣，試驗(yàn)溫度一般為150 ℃，達(dá)到規(guī)定壓力降所需時(shí)間即為油樣的氧化安定性。它是目前評(píng)價(jià)空氣壓縮機(jī)油氧化安定性尤其是合成型產(chǎn)品較為快速有效的一種方法，但同樣也具有一定的局限性。

參照SH/T 0193標(biāo)準(zhǔn)方法，對(duì)A、B、C、D、E、F六種空氣壓縮機(jī)油進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1所示，礦物型油品A和B實(shí)際使用壽命均為4000 h，但氧彈結(jié)果差別較大；實(shí)際使用壽命達(dá)12000 h的PAO型油品D，氧彈結(jié)果反而低于C；聚醚型油品E、F氧彈結(jié)果明顯較低。這說明旋轉(zhuǎn)氧彈法不適合測(cè)定聚醚型空氣壓縮機(jī)油，且使用該方法測(cè)定的空氣壓縮機(jī)油氧化安定性，與其實(shí)際表現(xiàn)存在一定的差異性，無法完全反映油品實(shí)際的抗氧化性能及使用壽命。

圖1 各油品旋轉(zhuǎn)氧彈試驗(yàn)結(jié)果

2.3 儀器分析試驗(yàn)法

儀器分析法是指利用現(xiàn)代儀器手段對(duì)油品進(jìn)行分析，具有微量、快速、準(zhǔn)確、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)[9]?？諝鈮嚎s機(jī)油常用壓力差示掃描量熱法(PDSC)評(píng)價(jià)氧化安定性，該方法通過測(cè)量一定條件下油品氧化放熱曲線的外推拐點(diǎn)，確定其氧化誘導(dǎo)期，時(shí)間越長(zhǎng)，代表油品氧化安定性越好。但需要指出的是，PDSC法并非模擬設(shè)備及其用油的工況進(jìn)行試驗(yàn)，因此試驗(yàn)結(jié)果與油品使用性能之間的相關(guān)性還有待驗(yàn)證。

參照SH/T 0719標(biāo)準(zhǔn)方法，試驗(yàn)溫度200 ℃、壓力2.45 MPa，對(duì)A、B、C、D、E、F六種空氣壓縮機(jī)油進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖2所示，礦物型油品的氧化誘導(dǎo)期短于合成型油品，不同類型的空氣壓縮機(jī)油具備較好的區(qū)分性，但PAO型油品的氧化誘導(dǎo)期短于聚醚型油品，與產(chǎn)品實(shí)際表現(xiàn)存在一定的差異性，無法完全反映油品實(shí)際的抗氧化性能及使用壽命。

圖2 各油品PDSC試驗(yàn)結(jié)果

2.4 設(shè)備模擬試驗(yàn)法

設(shè)備模擬法與儀器分析法不同，它是根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及潤(rùn)滑油實(shí)際工況，在實(shí)驗(yàn)室建立相關(guān)試驗(yàn)機(jī)，以此模擬的使用環(huán)境，并根據(jù)漆膜膠重、金屬失重、沉積物質(zhì)量等，評(píng)價(jià)油品的熱氧化衰變程度，如通過建立曲軸箱模擬試驗(yàn)機(jī)(SH/T 0300)和漆狀物形成器(SH/T 0259)評(píng)定內(nèi)燃機(jī)油熱氧化安定性，通過建立齒輪箱(SH/T 0520)評(píng)定車輛齒輪油熱氧化安定性等，但目前空氣壓縮機(jī)油還未建立相關(guān)的模擬設(shè)備評(píng)定油品熱氧化安定性。苗新峰等[10]利用曲軸箱模擬試驗(yàn)機(jī)建立了油品成焦傾向測(cè)定法，通過分析三種類型酯類基礎(chǔ)油結(jié)焦性能，評(píng)價(jià)其熱氧化安定性，開發(fā)出合成酯型空壓機(jī)油，應(yīng)用于高溫、高壓下的大型往復(fù)式空氣壓縮機(jī)。

3 新的試驗(yàn)方法研究

現(xiàn)有潤(rùn)滑油熱氧化安定性標(biāo)準(zhǔn)方法在評(píng)價(jià)部分類別油品時(shí)，存在一定的局限性，且此類油品短期內(nèi)很難建立起新的標(biāo)準(zhǔn)方法，進(jìn)行使用試驗(yàn)則周期過長(zhǎng)、耗費(fèi)巨大，嚴(yán)重影響產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程。為解決此類難題，研發(fā)人員利用各標(biāo)準(zhǔn)方法的特點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)，對(duì)滿足相關(guān)油品評(píng)價(jià)需求的方案進(jìn)行了研究。左鳳等[11]以液壓油和汽輪機(jī)油為研究對(duì)象，將TOST試驗(yàn)與PDSC和RULER(潤(rùn)滑油剩余壽命評(píng)定儀)結(jié)合，定期取樣測(cè)定油品的酸值、氧化誘導(dǎo)期和抗氧劑相對(duì)含量，以此建立TOST試驗(yàn)時(shí)間與氧化誘導(dǎo)期和抗氧劑相對(duì)含量之間的關(guān)聯(lián)性。蘇愷[12]針對(duì)常規(guī)旋轉(zhuǎn)氧彈法并不適用于預(yù)測(cè)聚醚型空氣壓縮機(jī)油使用壽命的問題進(jìn)行研究，通過改進(jìn)旋轉(zhuǎn)氧彈試驗(yàn)方法和引入RULER測(cè)試，建立了旋轉(zhuǎn)氧彈循環(huán)耐久壽命試驗(yàn)，取得良好效果。

參照上述旋轉(zhuǎn)氧彈循環(huán)耐久壽命試驗(yàn)，對(duì)E、F兩種聚醚型空氣壓縮機(jī)油進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖3所示，使用壽命在8000 h以上的E、F油，循環(huán)周期分別為9次、10次，試驗(yàn)結(jié)果與使用壽命基本對(duì)應(yīng)，取得較好的模擬效果。

圖3 各油品循環(huán)耐久壽命試驗(yàn)結(jié)果

4 總結(jié)

空氣壓縮機(jī)油國(guó)標(biāo)中規(guī)定的熱氧化安定性試驗(yàn)方法TOST和老化特性，以及合成油氧化腐蝕等氧化管類試驗(yàn)，對(duì)各類產(chǎn)品的區(qū)分性較差，很難評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能優(yōu)劣、已無法滿足產(chǎn)品發(fā)展需求。旋轉(zhuǎn)氧彈法和PDSC法是目前評(píng)價(jià)空氣壓縮機(jī)油氧化安定性尤其是合成型產(chǎn)品較為快速有效的方法，但均具有一定的局限性。旋轉(zhuǎn)氧彈循環(huán)耐久壽命試驗(yàn)結(jié)果與油品使用壽命基本對(duì)應(yīng)，模擬效果較好。利用曲軸箱模擬試驗(yàn)機(jī)建立的油品成焦傾向測(cè)定法，可用于評(píng)價(jià)應(yīng)用在高溫、高壓下大型往復(fù)式空氣壓縮機(jī)設(shè)備的合成酯型空壓機(jī)油。