一種極壓型渦輪機(jī)油油泥控制方案的研究

趙佳佳

中國石化潤滑油有限公司上海研究院

渦輪機(jī)油主要用于電站發(fā)電渦輪機(jī)、船舶以及工業(yè)渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合、設(shè)備不同可分為非極壓和極壓型渦輪機(jī)油。極壓型渦輪機(jī)油主要用于渦輪機(jī)配套系統(tǒng)中帶有齒輪減速箱等調(diào)速裝置、工業(yè)驅(qū)動(dòng)裝置及其相匹配的控制系統(tǒng)的潤滑，使用工況較為苛刻。因此，除了要求具有極佳的氧化安定性、防銹性和抗乳化性能之外，還應(yīng)具有優(yōu)異的極壓抗磨性能，保證渦輪機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行。

極壓型渦輪機(jī)油一般使用含有活性元素的硫磷類極壓抗磨劑，其作用機(jī)理一般認(rèn)為是添加劑分子首先吸附于金屬摩擦副表面，在高溫高負(fù)荷的條件下，分子中的活性元素與金屬反應(yīng)，形成具有低剪切強(qiáng)度的消耗保護(hù)層，從而達(dá)到減少金屬摩擦副表面摩擦和損耗的目的[1]。但由于其活性較高，在一定程度上可能影響油品的氧化安定性能[2]。與非極壓型渦輪機(jī)油相比，極壓型渦輪機(jī)油易出現(xiàn)油泥析出速率快、軸瓦溫度升高、結(jié)焦快等問題，影響油品的使用壽命。因此，有必要開展一種油泥控制性能更優(yōu)的極壓型渦輪機(jī)油的方案研究。

本文采用四球機(jī)試驗(yàn)法對(duì)渦輪機(jī)油常用的極壓抗磨劑進(jìn)行潤滑性能評(píng)定，并采用烘箱快速模擬老化試驗(yàn)方法重點(diǎn)考察對(duì)油品油泥控制性能的影響，以確定極壓型渦輪機(jī)油油泥控制性能更好的技術(shù)方案，為極壓型渦輪機(jī)油油泥控制性能提升及產(chǎn)品開發(fā)提供參考。

試驗(yàn)部分

原材料

渦輪機(jī)油母液（按現(xiàn)有渦輪機(jī)油配方調(diào)制，不含極壓抗磨劑），市售極壓型渦輪機(jī)油；不同極壓抗磨劑，元素分析情況見表1。

表1 極壓抗磨劑類型和元素分析

試驗(yàn)儀器

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（型號(hào)：DHG-9146A）：上海愛斯佩克環(huán)境設(shè)備有限公司；四球摩擦試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)：MQ-800）：濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司；MPC Color 漆膜傾向指數(shù)測(cè)試儀（型號(hào)：RM200-C4QC）：Fluitec；磁力攪拌器（型號(hào)：ZNCL-BS180＊180）：上海越眾儀器設(shè)備有限公司；等離子發(fā)射光譜儀（SPECTRO ARCOS）：德國斯派克分析儀器公司。

試驗(yàn)方法

最大無卡咬負(fù)荷PB值測(cè)試

采用GB/T 3142-82（同ASTM D2783）進(jìn)行測(cè)試。所用鋼球?yàn)樯虾ｄ撉驈S生產(chǎn)的二級(jí)GCr15 標(biāo)準(zhǔn)鋼球（AISI-52100），直徑12.7 mm，硬度59～61 HRC，主要成分（質(zhì)量 分 數(shù)） 為：0.95%～1.05%C，0.15%～0.35%Si， 0.20%～0.40%Mn，＜0.020%S， ＜0.027%P， ＜0.30%Ni，＜0.25%Cu， 1.30%～1.65%Cr。測(cè)定試驗(yàn)時(shí)間10 s，用讀數(shù)顯微鏡（精度：0.01 mm）測(cè)量3 個(gè)下試球的磨斑直徑，取平均值，兩次試驗(yàn)?zāi)グ咧睆秸`差不超過5%。

極壓抗磨劑在渦輪機(jī)油中起到提高油品極壓抗磨性能的作用，同時(shí)，作為一種極性物質(zhì)對(duì)油品的氧化安定性尤其是油泥的控制會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。本文通過四球機(jī)試驗(yàn)法對(duì)渦輪機(jī)油常用的極壓抗磨劑（硫代磷酸酯A、硫磷氮?jiǎng)〣、酸性磷酸酯胺鹽C、磷酸三甲苯酯D 和苯三唑脂肪胺鹽E）進(jìn)行極壓性能評(píng)定，并采用烘箱快速模擬老化試驗(yàn)方法重點(diǎn)考察對(duì)油品油泥控制性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，極壓抗磨劑活性越高，潤滑性能越好，對(duì)油品油泥析出量的影響越大。高活性的硫代磷酸酯劑（S/P）與磷酸三甲苯酯劑（P）或苯三唑脂肪胺鹽劑（N）復(fù)配使用具有協(xié)同效應(yīng)，能夠使油品在潤滑性能和油泥控制方面實(shí)現(xiàn)較好的平衡。本研究可為極壓型渦輪機(jī)油油泥控制性能提升及產(chǎn)品開發(fā)提供參考。

烘箱模擬老化試驗(yàn)

參考油品熱穩(wěn)定性測(cè)試試驗(yàn)方法BEM 274-Nippon Oil Company（NOC）Thermal Stability （modified）測(cè)定油品油泥生成情況。本試驗(yàn)使用電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，溫度設(shè)定在150 ℃，燒杯中裝入350 g 油品放置168 h，進(jìn)行模擬老化試驗(yàn)。

油泥測(cè)定

參考Dry-Tost 試驗(yàn)方法ASTM D7873 中油泥測(cè)試方法。樣品經(jīng)過烘箱模擬老化后，取100 g 油樣，通過恒重后的0.1 μm 濾膜進(jìn)行過濾，用200～300 mL 石油醚沖洗濾膜，對(duì)過濾后的濾膜再次進(jìn)行恒重，稱重計(jì)算油泥量。

漆膜傾向指數(shù)ΔE（MPC）測(cè)定

測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D7843。樣品經(jīng)過烘箱模擬老化后，取50 mL溶劑和 50 mL 油進(jìn)行充分混合，通過0.45 μm 濾膜進(jìn)行過濾，由MPC Color 手持分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

結(jié)果與討論

極壓抗磨劑的選擇

根據(jù)所含活性元素的不同，極壓抗磨劑可分為氯型、硫型、磷型、有機(jī)金屬型、硼型、稀土化合物型、納米粒子型、離子液體和含氮雜環(huán)化合物等幾類。含氯型極壓抗磨劑因環(huán)保問題和遇水易產(chǎn)生HCl，已逐漸被淘汰。有機(jī)金屬鹽型、硼酸鹽型極壓抗磨劑為含灰分添加劑，不宜在渦輪機(jī)油中使用，納米型和離子液態(tài)型極壓抗磨劑是研究的熱點(diǎn)，但目前市面上成熟的產(chǎn)品較少。

一般含磷極壓劑在低速高扭矩下效果最好，其作用機(jī)理主要有“化學(xué)拋光”理論[3]和 “亞磷酸鐵保護(hù)膜”原理[4]，但該膜在高速?zèng)_擊下表現(xiàn)差，而硫元素在高速?zèng)_擊下效果突出，因此現(xiàn)有技術(shù)通常將活性硫元素引入到含磷劑分子結(jié)構(gòu)中得到硫磷型化合物[5]，應(yīng)用廣泛。含氮雜環(huán)化合物，尤其是苯三唑脂肪胺鹽衍生物，同時(shí)具有潤滑、防銹和抗氧等多效性能，與含硫極壓劑復(fù)合有很好的協(xié)同作用[6，7]，應(yīng)用前景良好。酸性磷酸酯胺鹽又稱磷氮?jiǎng)怯珊线m的酸性磷酸酯和相應(yīng)有機(jī)氮化合物反應(yīng)而制得，具有優(yōu)良的極壓抗磨性、抗腐蝕性、防銹性和抗氧化性[8]，克服了活性磷酸酯酸性高、腐蝕性強(qiáng)、磷保持能力差的缺點(diǎn)[9，10]。

因此，重點(diǎn)考察硫代磷酸酯A、硫磷氮?jiǎng)〣、酸性磷酸酯胺鹽C、磷酸三甲苯酯D 和苯三唑脂肪胺鹽E 五類極壓抗磨劑在渦輪機(jī)油中的性能表現(xiàn)。

不同極壓抗磨劑極壓性能的考察

實(shí)驗(yàn)室通過四球機(jī)試驗(yàn)法（GB/T 3142）對(duì)不同極壓抗磨劑以不同加劑量加入渦輪機(jī)油母液中的極壓性能PB值進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)與市售相同質(zhì)量等級(jí)、牌號(hào)的極壓型渦輪機(jī)油的PB值進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)測(cè)試，市售極壓型渦輪機(jī)油的PB值保持在800～900 N 水平?？疾旖Y(jié)果見圖1。

從圖1 可以看出，加入一定加劑量的硫代磷酸酯A、硫磷氮?jiǎng)〣、酸性磷酸酯胺鹽C，均能有效提高渦輪機(jī)油的PB值，并且隨著加劑量的增加而進(jìn)一步提升，達(dá)到市售極壓型渦輪機(jī)油的水平。其中硫代磷酸酯A（S/P 型）效果最佳，這可能與S 型極壓抗磨劑效果及其活性大小有關(guān)，通常高S 含量的添加劑比低S 含量添加劑對(duì)于提升極壓性能更有效。單獨(dú)使用磷酸三甲苯酯D和苯三唑脂肪胺鹽E 時(shí)，無法達(dá)到市售極壓型渦輪機(jī)油的性能水平。

圖1 不同極壓抗磨劑極壓性能考察結(jié)果

不同極壓抗磨劑對(duì)渦輪機(jī)油油泥生成控制影響的考察

本文采用烘箱模擬老化試驗(yàn)方法（150 ℃，168 h）對(duì)不同類型極壓抗磨劑等量加入渦輪機(jī)油母液老化后產(chǎn)生的油泥量進(jìn)行考察，結(jié)果見表2，與極壓劑潤滑性能對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖2，油品老化后外觀，燒杯底部油泥沉積情況以及油品MPC 膜片外觀見圖3～圖5。

圖2 極壓抗磨劑潤滑性能與油泥生成量關(guān)系

圖3 老化油樣瓶底外觀

圖4 老化油樣冷卻后外觀

圖5 老化油品MPC膜片外觀

表2 不同極壓抗磨劑在渦輪機(jī)油母液中的油泥情況考察結(jié)果

從上述考察結(jié)果可以看出，在相同的試驗(yàn)條件和加劑量下，不同類型的極壓抗磨劑對(duì)油品的油泥生成量影響程度不同，這與不同極壓抗磨劑在油品中易受熱分解，產(chǎn)生自由基等活性物質(zhì)，促進(jìn)油品劣化，或自身降解析出沉淀的情況不同有關(guān)。其中，加入硫代磷酸酯A、硫磷氮?jiǎng)〣、酸性磷酸酯胺鹽C 的油品的變化更明顯，老化后燒杯底部油泥量和MPC 值更大；補(bǔ)加磷酸三甲苯酯D 和苯三唑脂肪胺鹽E 的油品老化后外觀、油泥析出和MPC 值變化較小。

綜上所述，硫代磷酸酯A、硫磷氮?jiǎng)〣、酸性磷酸酯胺鹽C 在顯著提升油品的極壓抗磨性能的同時(shí)，對(duì)油泥生成量的影響也更大。其中，硫代磷酸酯A 與硫磷氮?jiǎng)〣、酸性磷酸酯胺鹽C 相比，對(duì)PB值的提升效率相對(duì)更大，且提高單位PB值所增加的油泥生成量更低，優(yōu)于硫磷氮?jiǎng)〣、酸性磷酸酯胺鹽C，磷酸三甲苯酯D 和苯三唑脂肪胺鹽E 油泥生成量較少。

平衡油泥生成量和極壓抗磨效果，將進(jìn)一步對(duì)磷酸三甲苯酯D 或苯三唑脂肪胺鹽E 與硫代磷酸酯類A 復(fù)配進(jìn)行考察，在保障油品極壓性能的同時(shí)，降低硫代磷酸酯類A的加劑量，減小油泥生成量，進(jìn)一步減少極壓抗磨劑對(duì)油品氧化安定性的影響。

極壓抗磨劑復(fù)配對(duì)渦輪機(jī)油油泥生成控制影響的考察

根據(jù)以上考察結(jié)果，對(duì)硫代磷酸酯A 分別與磷酸三甲苯酯D、苯三唑脂肪胺鹽E 復(fù)配方案的極壓抗磨性能和油泥生成情況進(jìn)行考察，并與市售極壓型渦輪機(jī)油產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)果見表3，MPC 膜片外觀見圖6。

圖6 老化油品MPC膜片外觀

從表3 可以看出，硫代磷酸酯A 與磷酸三甲苯酯D 或苯三唑脂肪胺鹽E 復(fù)配使用，可以通過降低硫代磷酸酯A 的使用量降低油泥析出量。通過復(fù)配比例的進(jìn)一步調(diào)整，可以達(dá)到滿足油品的極壓抗磨性能的要求的同時(shí)，提升油品的油泥控制性能。與市售極壓型渦輪機(jī)油產(chǎn)品相比，復(fù)配方案調(diào)制的極壓型渦輪機(jī)油產(chǎn)品在油泥生成控制和MPC控制性能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

表3 極壓抗磨劑復(fù)配考察結(jié)果

極壓抗磨劑復(fù)配對(duì)渦輪機(jī)油其他理化性能影響的考察

根據(jù)以上研究結(jié)果，9 號(hào)和11號(hào)方案在極壓抗磨和油泥析出控制性能表現(xiàn)最好。為進(jìn)一步驗(yàn)證復(fù)配方案的配方適應(yīng)性，繼續(xù)考察這2個(gè)方案對(duì)渦輪機(jī)油其他理化性能的影響，結(jié)果見表4。

從表4 可以看出，采用硫代磷酸酯A 與磷酸三甲苯酯D 或苯三唑脂肪胺鹽E 復(fù)配方案調(diào)制的油品與市售極壓型渦輪機(jī)油各理化性能數(shù)據(jù)相當(dāng)，且旋轉(zhuǎn)氧彈值有一定程度的提升，說明該極壓抗磨劑復(fù)配方案具有良好的配方適應(yīng)性。

表4 9號(hào)及11號(hào)方案理化性能分析

結(jié)論

通過對(duì)不同極壓抗磨劑對(duì)渦輪機(jī)油油泥析出控制性能影響的考察及提升優(yōu)化，表明采用硫代磷酸酯A（S/P 型）與磷酸三甲苯酯D（P 型）或苯三唑脂肪胺鹽E（N 型）按一定比例復(fù)配使用可以有效降低極壓型渦輪機(jī)油油泥生成量，并具有良好的配方適應(yīng)性，為提升極壓型渦輪機(jī)油抗氧化及油泥生成控制性能提供了方案參考，為電站發(fā)電渦輪機(jī)、船舶以及工業(yè)渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行提供了良好的潤滑技術(shù)支撐。

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