潤(rùn)滑油抗乳化性綜合評(píng)價(jià)方法研究*

耿 杰 張進(jìn)恒 范海明 魏志毅 劉 釗

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院 山東青島 266580；2.中國(guó)石油化工股份有限公司江漢油田分公司 湖北潛江 433121；3.中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華北分公司 河北滄州 062550)

潤(rùn)滑油廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，尤其是在鋼鐵、煤炭、建筑、運(yùn)輸以及電力等大型機(jī)械行業(yè)[1-5]。在使用過程中，由于潤(rùn)滑油自身或外部原因，在混入水分后，容易發(fā)生乳化[6-9]。如果不能迅速實(shí)現(xiàn)油水分離，將會(huì)惡化潤(rùn)滑油質(zhì)量，降低其潤(rùn)滑的功能性，會(huì)對(duì)儀器設(shè)備造成腐蝕、磨損、堵塞，降低其使用壽命等負(fù)面影響，因而潤(rùn)滑油抗乳化性是其重要理化指標(biāo)之一[10-14]。目前，測(cè)定抗乳化性能的評(píng)價(jià)方法主要有GB/T 8022—2019和GB/T 7305—2003，后者使用最為廣泛[15-20]。但GB/T 7305—2003規(guī)定的是在油水比為1∶1情況下潤(rùn)滑油的抗乳化性能的評(píng)價(jià)方法，而通過對(duì)潤(rùn)滑油在實(shí)際使用過程中混入水分的途徑以及水分存在的形式分析發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑油在使用過程中混入的水量較少，油水比遠(yuǎn)大于1∶1，與國(guó)標(biāo)中規(guī)定的油水比相差較大。另外，在受到強(qiáng)剪切作用時(shí)，潤(rùn)滑油會(huì)與水混合發(fā)生乳化，當(dāng)剪切作用消失時(shí)，又會(huì)與水分離，故潤(rùn)滑油在乳化與分離的狀態(tài)之間多次循環(huán)。正是由于GB/T 7305—2003評(píng)價(jià)方法中的油水比及乳化工況與實(shí)際使用時(shí)的不符，導(dǎo)致其測(cè)得的抗乳化性能結(jié)果與實(shí)際使用工況下的抗乳化性能相差較大。針對(duì)該問題，本文作者在原有國(guó)標(biāo)基礎(chǔ)上結(jié)合潤(rùn)滑油實(shí)際應(yīng)用中的乳化條件，開展不同油水比下的抗乳化實(shí)驗(yàn)，建立了一套能夠反映在實(shí)際使用工況下潤(rùn)滑油抗乳化性能的評(píng)價(jià)方法。

1 實(shí)驗(yàn)方法

文中模擬實(shí)際使用工況，對(duì)4種常用潤(rùn)滑油惠克HK、長(zhǎng)城A100、長(zhǎng)城A220與美孚MF525進(jìn)行不同油水比下乳化實(shí)驗(yàn)。除按GB/T 7305—2003評(píng)價(jià)方法進(jìn)行油水比為1∶1的乳化實(shí)驗(yàn)外，還增加油水比為5∶3、3∶1、7∶1的乳化實(shí)驗(yàn)。通過分析潤(rùn)滑油乳狀液的分水率、分水速度、油水界面情況,以及水相清潔度、水相含油量及油相含水量指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油的抗乳化性能。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)將水浴鍋加熱至(54±1)℃，保持恒溫；

(2)在量筒內(nèi)按油水比1∶1、5∶3、3∶1、7∶1，加入總體積為80 mL的油和水，將量筒放入(54±1)℃恒溫水浴鍋中靜置10 min，使量筒內(nèi)樣品溫度恒定在(54±1)℃；

(3)在轉(zhuǎn)速為(1 500±15) r/min下攪拌油水5 min，使其乳化。每隔一段時(shí)間記錄量筒內(nèi)的分水體積，直至1 h分水結(jié)束，觀察油水界面狀況及水相澄清度。

根據(jù)式(1)，計(jì)算乳化后30 min和1 h時(shí)分水率。

(1)

式中：c為最終分水率；Vw為最終分水體積；Vwt為總含水體積。

利用潤(rùn)滑油乳狀液分水率隨時(shí)間的變化fw(t)來(lái)表征潤(rùn)滑油乳狀液的分水速度，如式(2)所示。

(2)

式中：Vw(t)為乳狀液分水量隨時(shí)間的變化；Vwt為乳狀液總含水體積。

(4)潤(rùn)滑油在實(shí)際使用過程中要求其乳化后分出的下層水中含油量較少，減少潤(rùn)滑油被帶出量，降低損耗。GB/T 7305—2003評(píng)價(jià)方法中對(duì)下層水僅定性描述為透明、渾濁、乳白狀等，無(wú)法定量表征下層水中含油量。因而，有必要對(duì)潤(rùn)滑油乳化分離后的下層水中含油量進(jìn)行測(cè)定。按照SY/T 0530—2011油田采出水中含油量測(cè)定方法(分光光度法)，利用SP-754型紫外分光光度計(jì)對(duì)下層水相含油量進(jìn)行測(cè)定。

(5)潤(rùn)滑油在實(shí)際使用過程中要求乳化后分出的上層油中含水量較少，以保證潤(rùn)滑油的質(zhì)量，使其能夠保持較好的工作狀態(tài)，提高循環(huán)利用率，因此有必要對(duì)潤(rùn)滑油乳化分水后的上層油相含水量進(jìn)行測(cè)試分析。GB/T 7305—2003評(píng)價(jià)方法未對(duì)此項(xiàng)進(jìn)行測(cè)定分析，文中采用WS500C微量水分全自動(dòng)測(cè)定儀測(cè)定上層油中的含水量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 分水率

研究得到不同油水比下潤(rùn)滑油乳狀液在30 min和1 h時(shí)的分水率，結(jié)果見表1和表2所示。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 7305—2003評(píng)價(jià)方法，當(dāng)乳化層小于等于3 mL或分水體積大于37 mL時(shí)，所用時(shí)間小于等于30 min則產(chǎn)品的水分離性能達(dá)標(biāo)，即在30 min時(shí)乳狀液的分水率達(dá)到92.5%，油品的抗乳化性能合格。從表1和表2中可以看出，在油水比1∶1時(shí)，4種潤(rùn)滑油的抗乳化性能均達(dá)標(biāo)。但是，當(dāng)油水比升高至3∶1時(shí)MF525和A220潤(rùn)滑油乳狀液的分水率已經(jīng)低于90%；在油水比為7∶1時(shí)，MF525和A220潤(rùn)滑油乳狀液甚至不分水。因此，按國(guó)標(biāo)GB/T 7305—2003評(píng)價(jià)方法，在油水比1∶1下測(cè)得抗乳化性能合格的潤(rùn)滑油，在實(shí)際高油水比工況下出現(xiàn)不分水的情況，表現(xiàn)出極差的抗乳化性能。

表1 不同油水比下潤(rùn)滑油乳狀液在30 min的分水率

表2 不同油水比下潤(rùn)滑油乳狀液在1 h的分水率

2.2 分水速度

圖1所示為不同油水比下潤(rùn)滑油乳狀液的分水率曲線?？梢钥闯?，當(dāng)油水比為1∶1時(shí)，HK、A100及MF525潤(rùn)滑油乳狀液分出37 mL水所用時(shí)間均在6～7 min，A220潤(rùn)滑油所用時(shí)間在26 min左右。故依據(jù)GB/T 7305—2003評(píng)價(jià)方法，上述潤(rùn)滑油均達(dá)到了水分離性能要求，其中HK、A100及MF525潤(rùn)滑油的抗乳化性能最好且接近，A220潤(rùn)滑油的抗乳化性能明顯較差，此時(shí)4種潤(rùn)滑油之間的抗乳化性能差距較小。

圖1 不同油水比下潤(rùn)滑油乳狀液的分水率曲線

隨著油水比的增加，潤(rùn)滑油乳狀液的分水速度逐漸下降，且在高油水比(3∶1、7∶1)時(shí)的分水速度較低油水比(1∶1、5∶3)時(shí)明顯下降，尤其是MF525和A220潤(rùn)滑油，分水速度明顯較低。上述變化趨勢(shì)同潤(rùn)滑油乳狀液在30 min和1 h的分水率變化規(guī)律相似。

綜上可知，在低油水比時(shí)，4種潤(rùn)滑油乳狀液的分水速度均相對(duì)較快，適應(yīng)性較好；而在高油水比時(shí)，4種潤(rùn)滑油乳狀液的分水速度均變慢，其中HK和A100潤(rùn)滑油乳狀液的分水速度下降幅度較小，而MF525和A220潤(rùn)滑油乳狀液的分水速度下降明顯，抗乳化性無(wú)法適應(yīng)高油水比條件。

2.3 油水外觀及油水界面狀態(tài)

圖2展示了不同油水比下潤(rùn)滑油乳狀液靜置1 h后的油水界面齊整度、乳化層厚度及分出的油水外觀。HK和A100潤(rùn)滑油乳狀液在4種油水比下分出的油水界面均較齊整，無(wú)明顯乳化層，且水相較清澈，但在高油水比時(shí)存在油珠掛壁現(xiàn)象。MF525潤(rùn)滑油乳狀液分出的水相均較渾濁，且在油水為5∶3和3∶1時(shí)存在一層薄的乳化層;而在油水比為7∶1時(shí)，底部為油水乳化層，無(wú)明顯的水層分出。A220潤(rùn)滑油乳狀液在低油水比時(shí)分出的油水界面較整齊，無(wú)明顯乳化層，水相較清澈;在油水比為3∶1時(shí)，同樣無(wú)明顯乳化層，但油水界面不齊，水層相對(duì)低油水比時(shí)較渾濁，且存在油珠掛壁現(xiàn)象;在油水比為7∶1時(shí)，無(wú)明顯的水層分出。

圖2 不同油水比下潤(rùn)滑油乳狀液油水界面

2.4 水相含油量

不同油水比下潤(rùn)滑油乳狀液分離后的水相含油量結(jié)果，如圖3所示(MF525和A220潤(rùn)滑油在油水比為7∶1時(shí)無(wú)明顯水層分出，無(wú)法測(cè)定下層水相含油量)。由圖3可知，隨著油水比的增加，潤(rùn)滑油乳狀液靜置1 h分層后的水相含油量逐漸增加，其中A220潤(rùn)滑油在高油水比時(shí)上升幅度較大。在低油水比時(shí)，HK、A100及A220潤(rùn)滑油的水相含油量較低且相差不大，而MF525潤(rùn)滑油的水相含油量明顯較高；在油水比為3∶1時(shí)，HK和A100潤(rùn)滑油的水相含油量較低且接近，A220潤(rùn)滑油的水相含油量較高，MF525潤(rùn)滑油的水相含油量明顯最高，此時(shí)各潤(rùn)滑油乳狀液間的水相含油量差距較大；在油水比為7∶1時(shí)，HK潤(rùn)滑油的水相含油量較A100的略低。這與不同油水比下潤(rùn)滑油乳狀液分水后呈現(xiàn)的水相外觀規(guī)律基本相吻合。

圖3 不同油水比下潤(rùn)滑油乳狀液分層后的水相含油量

2.5 油相含水量

圖4示出了不同油水比下潤(rùn)滑油乳化分層后的油相含水量測(cè)試結(jié)果(MF525和A220潤(rùn)滑油在油水比為7∶1時(shí)無(wú)明顯水層分出，未對(duì)其上層油相含水量進(jìn)行測(cè)試)。

圖4 不同油水比下潤(rùn)滑油乳狀液分層后的油相含水量

從圖4可以看出，隨著油水比的增加，潤(rùn)滑油乳狀液分層后的油相含水量整體上增加。在低油水比(1∶1、5∶3)時(shí)，HK潤(rùn)滑油油相含水量最低，A100及MF525潤(rùn)滑油油相含水量較高且接近，而A220明顯最高；在油水比為3∶1時(shí)，HK及A100潤(rùn)滑油油相含水量較低且相差不大，MF525潤(rùn)滑油油相含水量相對(duì)較高，而A220的最高，此時(shí)不同潤(rùn)滑油乳狀液間的油相含水量差距較大；在油水比為7∶1時(shí)，HK與A220潤(rùn)滑油油相含水量相差不大。

綜上可以看出，惠克HK與長(zhǎng)城A100兩種潤(rùn)滑油抗乳化性能優(yōu)越。通過數(shù)據(jù)對(duì)比，潤(rùn)滑油在高油水比3∶1、總體積為80 mL的抗乳化性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中，1 h內(nèi)分出水體積大于18.5 mL，分水率大于92.5%，水相含油量低于4.54×102mg/L,油相含水量低于1.97×104mg/L，可認(rèn)為具有良好的抗乳化性能。

潤(rùn)滑油抗乳化性能差別主要由潤(rùn)滑油自身組成差異引起?；A(chǔ)油與添加劑的組成影響油品黏度、油水界面張力、乳狀液粒徑分布，以及油水界面黏彈性等[21-25]。上述因素決定了潤(rùn)滑油乳狀液穩(wěn)定性，進(jìn)而造成潤(rùn)滑油抗乳化性能的差異。總體而言，潤(rùn)滑油黏度越高，越不利于水分分離，導(dǎo)致潤(rùn)滑油抗乳化性能較差。潤(rùn)滑油油水界面張力小，乳狀液粒徑小，油水界面黏彈性大，均會(huì)造成潤(rùn)滑油乳狀液穩(wěn)定，油水分離能力減弱，抗乳化性能降低。

3 結(jié)論與建議

(1)國(guó)標(biāo)GB/T 7305—2003對(duì)潤(rùn)滑油抗乳化性評(píng)價(jià)方法中油水比設(shè)定及乳化工況與實(shí)際使用情況相差較大，不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油的抗乳化性能。

(2)對(duì)潤(rùn)滑油乳狀液的分水率、分水速度、水相含油量及油相含水量的分析表明，油水比上升時(shí)，潤(rùn)滑油乳狀液的分水速度和分水率均下降，水相含油量和油相含水量均上升，在高油水比時(shí)變化更加明顯。因而，隨著油水比的增加，潤(rùn)滑油的抗乳化性能逐漸下降，不同潤(rùn)滑油乳狀液間的抗乳化性能差距變大。

(3)GB/T 7305—2003評(píng)價(jià)方法不能完全反映出潤(rùn)滑油在實(shí)際使用工況下的抗乳化性，在該評(píng)價(jià)方法基礎(chǔ)上在實(shí)際工況油水比條件下，增加分水率、分水速度、水相含油量、油相含水量的定量評(píng)價(jià)，可全方位地綜合評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油的抗乳化性能。

(4)文中選取的4種常用潤(rùn)滑油具有廣泛代表性，該方法具有較好的適應(yīng)性，適用于其他潤(rùn)滑油的抗乳化性能評(píng)價(jià)。