噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)油氧化安定性及關(guān)聯(lián)指標(biāo)評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)介

陳林中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司合成脂研究院

噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)是常用的關(guān)鍵通用機(jī)械設(shè)備之一，在制造業(yè)中發(fā)揮了重要作用。本文對(duì)目前在用的噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)油的氧化安定性及關(guān)聯(lián)指標(biāo)油泥、沉積物、漆膜的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了介紹。

壓縮空氣的使用頻率比較高，在各工業(yè)領(lǐng)域尤其是制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2020年中國(guó)的空氣壓縮機(jī)產(chǎn)量超過(guò)260萬(wàn)臺(tái)。目前工業(yè)中應(yīng)用廣泛的壓縮機(jī)主要有螺桿式壓縮機(jī)、往復(fù)式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī)。從壓縮機(jī)工作原理、壓縮空氣與壓縮機(jī)油是否充分接觸、壓縮機(jī)油是否循環(huán)使用和潤(rùn)滑方式來(lái)看，作為噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)的“血液”，噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)油涉及的工況條件最為苛刻，即在滿(mǎn)足空氣壓縮機(jī)排氣量的要求和油品換油周期的條件下，高溫和高壓條件下循環(huán)的空氣壓縮機(jī)油與空氣充分接觸和混合，以帶走壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的熱量[2]，同時(shí)還需要潤(rùn)滑軸承和（或）齒輪、密封陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子之間的間隙以防止空氣泄漏而導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)的效率降低。

在空氣壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，循環(huán)使用的空氣壓縮機(jī)油在壓縮腔內(nèi)與源源不斷的壓縮空氣中的氧氣充分混合接觸，導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)油逐漸發(fā)生氧化。壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱量以及操作不當(dāng)造成的排氣溫度升高又會(huì)加速油品氧化過(guò)程。氧化過(guò)程中，油品的黏度和酸值會(huì)逐漸增大直至油品失效。因此，氧化安定性是空氣壓縮機(jī)油最重要的性能之一。氧化安定性好的空氣壓縮機(jī)油在實(shí)際使用過(guò)程中到達(dá)指定要求的黏度變化率或酸值變化所需時(shí)間更長(zhǎng)（即具有更長(zhǎng)的換油周期）。同時(shí)空氣壓縮機(jī)油在使用過(guò)程中因熱分解或者氧化會(huì)在空氣壓縮機(jī)內(nèi)部形成不易被發(fā)現(xiàn)的油泥（sludge）、沉積物（deposit）和漆膜（varnish），從而給空氣壓縮機(jī)的正常平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)一些隱患。因此，本文對(duì)評(píng)價(jià)空氣壓縮機(jī)油的氧化安定性、油泥、沉積物和漆膜的試驗(yàn)方法進(jìn)行介紹，為后續(xù)的具有長(zhǎng)換油周期的高性能空氣壓縮機(jī)油的開(kāi)發(fā)提供一定的參考。

空氣壓縮機(jī)油的氧化機(jī)理

循環(huán)使用的空氣壓縮機(jī)油和壓縮空氣在高溫、高壓及金屬催化的作用下充分接觸混合，會(huì)導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)油中的基礎(chǔ)油、抗氧劑出現(xiàn)消耗和氧化，這些變化會(huì)體現(xiàn)在空氣壓縮機(jī)油的運(yùn)動(dòng)黏度變化和酸值變化。潤(rùn)滑油的氧化遵循自由基引發(fā)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理，主要分為鏈引發(fā)、鏈增長(zhǎng)（包含鏈枝化）、鏈終止等階段，最終的氧化反應(yīng)產(chǎn)物分為兩大類(lèi)，一種是油溶性產(chǎn)物（例如過(guò)氧化物、醇類(lèi)、酸類(lèi)、酯類(lèi)、醛類(lèi)、酮類(lèi)物質(zhì)），另一種是油不溶性產(chǎn)物（主要是相對(duì)分子質(zhì)量大的物質(zhì)）[3]。抗氧劑常見(jiàn)的分類(lèi)有自由基去除劑、氫過(guò)氧化物分解劑和金屬減活劑，其主要作用是阻止酸性物質(zhì)、漆膜和沉積物的生成，抑制黏度的增長(zhǎng)。其作用機(jī)理為消滅氧化反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的自由基、分解氧化反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的氫過(guò)氧化物、減弱潤(rùn)滑部位金屬部件對(duì)氧化反應(yīng)的催化作用?？諝鈮嚎s機(jī)油中常用的抗氧劑為胺型抗氧劑、酚型抗氧劑和含磷-硫的抗氧劑，不同類(lèi)型的抗氧劑的作用機(jī)理不同。對(duì)于胺型抗氧劑而言，在不同的氧化溫度下，其氧化機(jī)理也存在較大差異[3]。不同種類(lèi)、不同加劑量的抗氧劑和不同結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)油復(fù)配，形成了不同的空氣壓縮機(jī)油的抗氧劑體系，其氧化安定性也存在較大差異。

氧化安定性及關(guān)聯(lián)指標(biāo)評(píng)價(jià)方法

氧化安定性

旋轉(zhuǎn)氧彈試驗(yàn)法

試驗(yàn)方法ASTM D2272 是評(píng)價(jià)空氣壓縮機(jī)油氧化安定性的方法之一。該方法是將油樣、蒸餾水和銅催化劑線(xiàn)圈放到一個(gè)帶蓋的玻璃盛樣器內(nèi)，然后將其放入裝有壓力表的氧彈中。在室溫下將氧彈充入620 kPa 氧氣，然后將氧彈放入150 ℃的油浴中。當(dāng)氧彈壓力降至規(guī)定的壓力降時(shí)，停止試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)時(shí)間作為旋轉(zhuǎn)氧彈試驗(yàn)結(jié)果。部分學(xué)者認(rèn)為該方法與油品的酸值、氧化程度、油泥和漆膜具有一定的相關(guān)性。旋轉(zhuǎn)氧彈的實(shí)測(cè)結(jié)果與空氣壓縮機(jī)油的實(shí)際換油周期之間的關(guān)聯(lián)性還有待進(jìn)一步的研究。部分不同類(lèi)型的螺桿式空氣壓縮機(jī)油的旋轉(zhuǎn)氧彈分析結(jié)果[4]見(jiàn)表1。

由表1 可知，不同類(lèi)型的空氣壓縮機(jī)油的旋轉(zhuǎn)氧彈結(jié)果存在差異，對(duì)應(yīng)的換油周期也存在較大差異。

表1 不同油品的旋轉(zhuǎn)氧彈測(cè)試結(jié)果

TOST（Turbine Oil Oxidation Stability Test）試驗(yàn)方法

該方法是借鑒汽輪機(jī)油氧化安定性ASTM D943 的試驗(yàn)方法，即將試樣在有水和鐵-銅催化劑存在條件下，在95 ℃下與氧氣反應(yīng)，連續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)并在試驗(yàn)過(guò)程中采集樣品分析樣品的酸值，當(dāng)樣品酸值達(dá)到或超過(guò)2.0 mgKOH/g 時(shí)所需要的時(shí)間即為“氧化壽命”。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TS 6521-2《Specifications of categories DAG, DAH and DAJ(Lubricants for flooded rotary air compressors)》（《DAG，DAH和DAJ 類(lèi)油品規(guī)范（噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)油）》）中采用了ISO 4263-3（Dry-TOST 方 法， 試 驗(yàn)溫度為95 ℃）來(lái)評(píng)價(jià)噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)油的氧化安定性，其中對(duì)DAG、DAH 和DAJ 的 指 標(biāo) 要求分別是不小于2 000 h、不小于3 500 h 和不小于4 000 h。部分油品的TOST試驗(yàn)結(jié)果可達(dá)到10 000 h（ASTM D943）。該方法的試驗(yàn)周期較長(zhǎng)。Sandy Reid-Peters 采用TOST 方 法（ASTM D943） 分析了空氣壓縮機(jī)油的氧化安定性，采用PAO 和酯類(lèi)油混合基礎(chǔ)油作為基礎(chǔ)油的空氣壓縮機(jī)油在試驗(yàn)的第1 000 h 時(shí)出現(xiàn)了酸值開(kāi)始增長(zhǎng)的現(xiàn)象；將配方中的酯類(lèi)油更換為相同比例的烷基萘的空氣壓縮機(jī)油在試驗(yàn)的第3 000 h 仍未出現(xiàn)酸值增長(zhǎng)的現(xiàn)象[2]。

Dry-TOST 結(jié)合旋轉(zhuǎn)氧彈試驗(yàn)方法

KITAGAWA Mai 等[5]采 用Dry-TOST 試驗(yàn)結(jié)合旋轉(zhuǎn)氧彈試驗(yàn)方法來(lái)評(píng)價(jià)空氣壓縮機(jī)油的氧化安定性，并給出了油品氧化安定性好和不好的判據(jù)。即采用ASTM D7873 試驗(yàn)方法對(duì)油品進(jìn)行Dry-TOST 試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為120 ℃和168 h。然后測(cè)試試驗(yàn)后油品的旋轉(zhuǎn)氧彈時(shí)間。通過(guò)比較Dry-TOST試驗(yàn)后油品的旋轉(zhuǎn)氧彈時(shí)間和新油的旋轉(zhuǎn)氧彈時(shí)間的比值來(lái)判斷油品的氧化安定性。當(dāng)油品的測(cè)試結(jié)果≥85%，則認(rèn)為油品的氧化安定性較好；當(dāng)油品的測(cè)試結(jié)果＜85%，則認(rèn)為油品的氧化安定性不好。

ROCOT 方法

專(zhuān)利[6]中提到采用ROCOT 方法（Rotary Compressor Oxidation Test，回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)試驗(yàn)）來(lái)評(píng)價(jià)空氣壓縮機(jī)油的氧化安定性。將試樣在催化劑及通入空氣的條件下，在一定溫度下和一定時(shí)間下老化一定時(shí)間，然后按相應(yīng)方法測(cè)試試驗(yàn)油品蒸發(fā)損失、油品40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化、酸值變化和油泥產(chǎn)生量。試驗(yàn)條件：油品重量40 g，環(huán)烷酸鐵催化劑，試驗(yàn)溫度140 ℃，試驗(yàn)時(shí)間168 h，空氣流量15 L/h。

油泥

潤(rùn)滑油在持續(xù)高溫下運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致油品出現(xiàn)熱分解，進(jìn)一步導(dǎo)致油品發(fā)生聚合[7]，這種類(lèi)似漆膜的半固體的物質(zhì)會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為油泥[8]，這種不溶且具有黏性的物質(zhì)會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)部累積[9]。油泥會(huì)導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)油濾出現(xiàn)堵塞和油濾壓差增大并過(guò)早出現(xiàn)油濾壓差報(bào)警，甚至需要提前更換空氣壓縮機(jī)油濾，從而增加了空氣壓縮機(jī)維護(hù)成本。油泥會(huì)導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)的效率降低。油泥一旦在空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部形成以后，會(huì)比較難以去除干凈，去除空氣壓縮機(jī)內(nèi)部的油泥會(huì)導(dǎo)致維護(hù)成本的進(jìn)一步提高。研究[10，11]表明基礎(chǔ)油對(duì)抗氧劑變質(zhì)后產(chǎn)物的溶解度不佳會(huì)更容易導(dǎo)致油泥的形成，抗氧劑PAN（phenyl-αnaphthylamine，苯基-α-萘胺）不僅不能抑制油泥的生成，反而會(huì)導(dǎo)致油泥量增加。

目前評(píng)價(jià)空氣壓縮機(jī)油油泥的試驗(yàn)方法有以下3 種：

◇試驗(yàn)方法ASTM D2070。該方法是用于測(cè)試液壓油的熱穩(wěn)定性，也可被用來(lái)評(píng)價(jià)空氣壓縮機(jī)油的熱穩(wěn)定性。將拋光后的鋼棒和銅棒置入含有200 mL 油品的250 mL 燒杯中，然后將燒杯放入設(shè)置溫度為135 ℃的烘箱中恒溫168 h，試驗(yàn)結(jié)束后按試驗(yàn)方法要求報(bào)告油泥的重量及銅棒和鋼棒的變色程度。

◇ISOT 氧 化 試 驗(yàn)（Indian Sterling Oxidation Test）試驗(yàn)方法[5]。試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法JIS K2514 中一致。將鋼板和銅板作為催化劑放入油樣中，在油樣中通入一定流量的空氣并以一定的轉(zhuǎn)速攪拌油樣。控制油溫和試驗(yàn)時(shí)間分別為150 ℃和72 h。試驗(yàn)結(jié)束后采用過(guò)濾裝置對(duì)試驗(yàn)后油品進(jìn)行過(guò)濾，采用溶劑正己烷對(duì)油泥進(jìn)行清洗，然后對(duì)油泥進(jìn)行稱(chēng)重。當(dāng)油泥重量在0～10 mg/100 mL 之 間， 則 認(rèn) 為結(jié)果優(yōu)異；當(dāng)油泥重量在10～70 mg/100 mL 之間，則認(rèn)為結(jié)果好；當(dāng)油泥重量大于70 mg/100 mL 時(shí)，則認(rèn)為結(jié)果不好。

◇CIGRE 試驗(yàn)方法[6]。將試樣在通入氧氣的條件下，在一定溫度下和一定時(shí)間下老化一定時(shí)間，然后按相應(yīng)方法測(cè)試試驗(yàn)后油品總油泥重量和試樣頂部油泥的比例，此外還需要分析揮發(fā)性酸度、溶解性酸度和總氧化產(chǎn)物。試驗(yàn)條件：油品重量40 g，試驗(yàn)溫度120 ℃，試驗(yàn)時(shí)間168 h，氧氣流量1 L/h。

沉積物

沉積物主要與潤(rùn)滑油有關(guān)，一般被稱(chēng)為黏合劑，主要來(lái)自潤(rùn)滑油的熱分解和氧化分解[12]。高溫氧化過(guò)程是沉積物形成的主要原因，在薄層氧化條件下，例如在金屬表面的潤(rùn)滑油膜會(huì)形成類(lèi)似漆膜的沉積物[12]?？諝鈮嚎s機(jī)油在氧化過(guò)程中，也會(huì)產(chǎn)生沉積物。相對(duì)于其他基礎(chǔ)油類(lèi)型的空氣壓縮機(jī)油，以聚醚和酯類(lèi)油為混合基礎(chǔ)油的空氣壓縮機(jī)油能夠抑制沉積物的生成[13]。Martin Greaves 認(rèn)為[14]，對(duì)于螺桿式空氣壓縮機(jī)而言，聚醚型空氣壓縮機(jī)油比礦物型空氣壓縮機(jī)油產(chǎn)生的沉積物更少，如圖1 所示。

圖1 聚醚型空氣壓縮機(jī)油和礦物油型空氣壓縮機(jī)油在螺桿表面形成沉積物的對(duì)比

對(duì)于沉積物形成的合理解釋是，礦物潤(rùn)滑油產(chǎn)生的氧化副產(chǎn)物的極性更強(qiáng)，在烴類(lèi)基礎(chǔ)油中不溶解導(dǎo)致了沉積物的生成[15]。沉積物會(huì)在噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子表面累積，當(dāng)累積到一定量后會(huì)造成陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子之間的間隙變小，可能會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)機(jī)頭故障甚至機(jī)頭抱死等嚴(yán)重故障。

專(zhuān)利[16]提到了沉積物測(cè)試方法。試驗(yàn)方法為Modified IOT（Modified Indiana Oxidation Stability Test，改進(jìn)的IOT 氧化穩(wěn)定性試驗(yàn)方法）。將試樣在催化劑及通入氧氣的條件下，在一定溫度下和一定時(shí)間下老化一定時(shí)間，然后按相應(yīng)方法測(cè)試試驗(yàn)油品沉積物的量。試驗(yàn)條件：油品體積300 mL，催化劑為銅線(xiàn)圈和鐵線(xiàn)圈，氧氣流量3 L/h，試驗(yàn)溫度130 ℃，試驗(yàn)時(shí)間240～960 h。試驗(yàn)后對(duì)油品進(jìn)行過(guò)濾（過(guò)濾方法：Millipore Filter Test，SAE-ARP-785-63，微孔過(guò)濾試驗(yàn)），對(duì)濾膜進(jìn)行稱(chēng)重確定沉積物重量。部分潤(rùn)滑油生產(chǎn)廠(chǎng)家會(huì)采用專(zhuān)有測(cè)試方法薄膜氧化試驗(yàn)方法（TFO）來(lái)評(píng)價(jià)空氣壓縮機(jī)油的沉積物產(chǎn)生情況，試驗(yàn)過(guò)程為將熱的試驗(yàn)油品和空氣連續(xù)注入加熱至約300 ℃的旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)85 min。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，拍攝圓盤(pán)的照片，根據(jù)圓盤(pán)表面的沉積物情況對(duì)空氣壓縮機(jī)油產(chǎn)生沉積物的情況進(jìn)行評(píng)級(jí)（潔凈圓盤(pán)的TFO 評(píng)級(jí)=100）。

漆膜

當(dāng)空氣壓縮機(jī)油中的抗氧劑消耗殆盡時(shí)，空氣壓縮機(jī)油中的羰基化合物含量會(huì)急劇上升，伴隨著二次氧化會(huì)產(chǎn)生高濃度的酸性物質(zhì)，非極性的加氫礦物油和聚α 烯烴油（PAO）對(duì)于酸性物質(zhì)的溶解度有限，導(dǎo)致這些酸性物質(zhì)在基礎(chǔ)油中不溶。酸性物質(zhì)容易從基礎(chǔ)油中分離出來(lái)，沉積在空氣壓縮機(jī)的分離器和冷卻器的金屬表面，逐漸富集形成的不溶的聚合物漆膜[17]，這種漆膜與沉積物有很大的不同。

在壓縮機(jī)孔道以及通往壓縮機(jī)機(jī)頭軸承通道處的漆膜會(huì)導(dǎo)致軸承潤(rùn)滑不足，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重故障；在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和定子上的漆膜會(huì)導(dǎo)致影響轉(zhuǎn)子的間隙，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致摩擦損失、能量消耗和排氣溫度的增加；在油氣分離器上的漆膜會(huì)縮短油氣分離器的更換周期，增加壓差，進(jìn)而導(dǎo)致壓縮機(jī)的效率降低[18]。

目前常用漆膜傾向指數(shù)[試驗(yàn)方 法 為ASTM D7843《Standard Test Method for Measurement of Lubricant Generated Insoluble Color Bodies in In-Service Turbine Oils using Membrane Patch Colorimetry》(《膜片比色法測(cè)定在用透平油中不溶性有色物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)方法》）]來(lái)評(píng)價(jià)離心式空氣壓縮機(jī)油的漆膜傾向性[19，20]，但采用該方法來(lái)評(píng)價(jià)噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)油的漆膜的報(bào)道較少。評(píng)估噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)油的漆膜主要依靠螺桿式空氣壓縮機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，將空氣壓縮機(jī)油放入指定的空氣壓縮機(jī)上運(yùn)行一段時(shí)間，待試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)比分析試驗(yàn)前后壓縮機(jī)的壓縮腔體、陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子、分離器、冷卻器表面的顏色來(lái)判斷油品是否容易產(chǎn)生漆膜。鑒于臺(tái)架試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，為了縮短試驗(yàn)周期，部分壓縮機(jī)廠(chǎng)家在開(kāi)展臺(tái)架試驗(yàn)的過(guò)程中，會(huì)提高壓縮機(jī)的排氣溫度。相對(duì)于檢測(cè)螺桿式空氣壓縮機(jī)油理化性能的試驗(yàn)而言，空氣壓縮機(jī)臺(tái)架評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果更可靠和更適用[21]。

結(jié)束語(yǔ)

氧化安定性作為噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)油最重要的性能，得到了廣泛的關(guān)注和研究，但公開(kāi)報(bào)道的評(píng)價(jià)噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)油的氧化安定性的試驗(yàn)方法相對(duì)較少，不同的評(píng)價(jià)方法的試驗(yàn)結(jié)果也存在一定的差異?？筛玫胤从秤推穼?shí)際應(yīng)用中的抗氧化性能的氧化安定性試驗(yàn)方法還有待進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)。

目前評(píng)價(jià)噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)油油泥和沉積物試驗(yàn)方法主要集中在熱穩(wěn)定性試驗(yàn)和熱氧化試驗(yàn)上，評(píng)價(jià)噴油螺桿式空氣壓縮機(jī)油漆膜的試驗(yàn)方法主要依靠壓縮機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，后續(xù)可考慮將熱穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果、熱氧化試驗(yàn)結(jié)果與壓縮機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合起來(lái)，即通過(guò)對(duì)比分析熱穩(wěn)定性試驗(yàn)后油品、熱氧化試驗(yàn)后油品、壓縮機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)后油品等油品中油泥和沉積物的量、形態(tài)和組成，以明確熱穩(wěn)定性試驗(yàn)、熱氧化試驗(yàn)和壓縮機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)性。