艦船用燃氣輪機齒輪油的研制

張繼平，宋 敏，張 杰，續 景

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發中心中國石油天然氣集團公司潤滑油重點實驗室，蘭州 730060； 2. 海軍后勤技術裝備研究所)

艦船用燃氣輪機齒輪油的研制

張繼平1，宋 敏2，張 杰1，續 景1

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發中心中國石油天然氣集團公司潤滑油重點實驗室，蘭州 730060； 2. 海軍后勤技術裝備研究所)

為實現艦船燃氣輪機主減速器潤滑用油的國產化進行了替代油品的研制。使用PAO6、VHVI4和酯類基礎油，加入適當種類和比例的抗氧劑、極壓抗磨劑、防銹抗腐蝕劑等研制了滿足暫定質量指標的油品。該潤滑油具有良好的黏溫性能、氧化安定性、防銹抗腐蝕、抗高溫腐蝕、水解安定性以及適宜的極壓抗磨性。

艦船 燃氣輪機 齒輪油

艦船動力裝置的主流裝備是燃氣輪機，其功率總數日益增長，裝船使用范圍日益擴大。燃氣輪機主要包括壓氣機、燃燒室、渦輪、主減速器等四部分。其中主減速器用于將燃氣輪機的功率傳遞到艦船的推進器——螺旋槳。該燃氣輪機自國外進口，主減速器潤滑使用的是進口油品。隨著進口燃氣輪機保質期即將結束以及艦船用燃氣輪機國產化工作的進行，急需配套潤滑燃氣輪機主減速器的油品以替代國外產品。

艦船用燃氣輪機通常由航空渦輪發動機改造而來，因此其潤滑使用的油品也是在航空渦輪發動機潤滑油的基礎上發展起來的。發達國家船用燃氣輪機使用的是專門的船用燃氣輪機潤滑油，這種油品就是在航空渦輪發動機潤滑油的基礎上，對個別性能進行調整后形成的，防腐防銹性能比較好[1]。目前，國內沒有艦船燃氣輪機主減速器專用潤滑油品，而在用的進口油為航空發動機潤滑油，并不能完全適應海洋環境的要求。為了解決艦船用燃氣輪機主減速器潤滑用油國產化的問題，專門開展了艦船用燃氣輪機合成齒輪油的研制工作。根據艦船處于海洋環境的實際工況要求，在參照進口油性能的基礎上，重點提高了研制油的防銹、水解安定性和極壓抗磨性。

1 研制油品暫定質量指標

設備原用進口油滿足俄羅斯MH-7.5y航空潤滑油規格，滿足該規格的油品具有良好的黏溫性能、高溫氧化安定性，但缺少海洋環境下使用的油品應具備的防銹抗腐蝕、水解安定性、抗乳化等性能。現用進口油(以下記為FO)滿足DEF_STAN_91-98規格，但同樣存在上述的問題。因此，參照MH-7.5y和DEF_STAN_91-98質量規格并結合設備實際工況，制訂了適合研制油的暫定質量指標。具體標準見表1。

2 實 驗

2.1 原 料

油品研制使用的基礎油組分主要有PAO6、VHVI4、酯類油A等。使用的添加劑主要有胺類、酚類抗氧劑；磷氮型、硫磷氮型極壓抗磨劑；苯三唑、噻二唑型金屬減活劑；磺酸鹽類防銹劑等。其中基礎油的主要性質見表2。

2.2 實驗方法

油品研制過程中用到的標準方法見表1。自建方法及模擬試驗方法如下。

熱氧化安定性：取166 mL試油加入大試管中，蓋上帶有金屬圓片(將表面氧化層打磨掉，用沸程60～90 ℃的石油醚沖洗干凈，晾干稱重，記為m1，單位g)的空氣導管，確保金屬圓片沒入試油中。將大試管插入油浴中，升溫至175 ℃，調節空氣流量在10 Lh左右。保持恒溫恒流量50 h。測量實驗后試油的100 ℃運動黏度和酸值。同時用

表1 研制油暫定質量指標

表2 不同組分基礎油的主要理化性能

1)將酯類油A以20%的量調入到PAO6中檢測。

石油醚將金屬圓片清洗干凈，晾干稱重，記為m2，單位g。使用公式[(m1-m2)×1 000A]計算金屬圓片的腐蝕失重。其中A為試驗金屬圓片的表面積，單位cm2。

烘箱氧化：在250 mL燒杯中加入200 mL試油(測量試油的磷含量記為P1)，將磨好的45號鋼片用石油醚(沸程60～90 ℃)沖洗干凈，晾干秤重(記為m3，單位g)，然后將鋼片以和杯底30°角浸入油中，將燒杯置于150 ℃的恒溫烘箱中放置50 h，然后取出鋼片用石油醚沖洗干凈，晾干秤重(記為m4，單位g)，測量氧化后油品的磷含量記為P2。根據測量結果計算油品的磷保持和鋼片腐蝕失重。使用公式P2P1計算試油的磷保持率。使用公式[(m3-m4)×1 000A]計算鋼片腐蝕失重，其中，A為試驗鋼片的表面積，單位為cm2。

3 結果與討論

3.1 基礎油的選擇

FO使用的基礎油以酯類油為主，其目的是為了適應航空發動機工作溫度高的工況。艦船用燃氣輪機熱負荷小于同類航空發動機，因此研制油的基礎油沒有選用高溫性能良好但水解安定性差的酯類油，而是使用了具有良好熱氧化安定性和水解安定性的聚α-烯烴(PAO)，這樣能更好地適應海洋環境下潮濕和高鹽霧的工況。此外，研制油對黏溫性能要求高，單獨使用PAO黏度指數不能滿足指標要求。因此選擇了一種能夠提高黏度指數且剪切安定性良好的酯類油與PAO搭配，考慮到成本，在基礎油中還加入了適量礦物油。基礎油的主要性能見表3。

表3 基礎油主要理化性能

從表3的結果可知，使用PAO、酯類油A和礦物油調合的基礎油主要理化性能滿足暫定質量指標要求。

3.2 添加劑的篩選和配方的確定

3.2.1 抗氧劑的篩選 研制油在使用過程中不可避免地與氧氣接觸，隨著溫度的升高，油品氧化速率加快。油品氧化后產生大量的酸性物質和膠質沉淀，腐蝕性增大，使用性能下降，因此需要在油品中添加抗氧劑以提高其抗氧化性能。常用的抗氧劑有酚型(溫度在100 ℃以下使用效果良好)和胺型(100～200 ℃使用效果良好)。研制油的工作溫度范圍較寬(-40～150 ℃)，因此，需要酚型和胺型抗氧劑搭配使用才能有效抑制氧化作用。

油品的氧化除與自身化學結構有關外，還與使用條件息息相關。如溫度高低、空氣或氧氣的壓力、金屬的催化作用等，其中很重要的一個因素是金屬的催化作用，實踐證明在常用金屬中，銅對油品的催化作用最大[2]。為了考察不同抗氧劑在銅催化條件下的抗氧化性能，在實驗室使用旋轉氧彈，對加入不同抗氧劑的基礎油進行了考察(各實驗油不同抗氧劑以等質量加入，且總添加量相等)，同時使用烘箱氧化法考察了它們的抗高溫腐蝕性能，并與FO做了對比。調油方案及試驗結果見表4。

表4 不同抗氧劑抗氧化和抗高溫腐蝕性能考察方案及試驗結果

注：AO-1為液態胺型抗氧劑，AO-2為固態胺型抗氧劑，AO-3為酚型抗氧劑。

從表4的結果可知，不同抗氧劑搭配方案的旋轉氧彈時間都高于參比油FO。其中2號方案的旋轉氧彈時間最長，這是由于AO-1和AO-2均為胺型高溫抗氧劑，在150 ℃試驗條件下能發揮良好的抗氧化作用；3號方案時間長于4號方案，表明AO-1的抗氧化性能優于AO-2。1號方案時間長于3號和4號方案，表明AO-1、AO-2和AO-3共同使用起到了良好的協同效應；從腐蝕失重結果來看，3種抗氧劑以相同比例搭配沒有造成鋼片失重。考慮到油品使用溫度范圍較寬，既有高于100 ℃的高溫工況，也有低于100 ℃(此時AO-3能較好的發揮抗氧化性能)的較為緩和的工況，結合旋轉氧彈和腐蝕失重結果，確定1號方案作為研制油品使用的抗氧劑組合。

3.2.2 極壓抗磨劑的篩選 艦船用燃氣輪機主減速器的減速比低，負荷較小，因此研制油對極壓抗磨性能要求不高。將幾種常用添加劑以0.2%的劑量調入基礎油中進行極壓抗磨性能考察，由于油品對水解安定性、抗腐蝕性、抗高溫腐蝕(腐蝕失重)提出了較高的要求，而極壓抗磨劑是影響油品上述性能的主要因素，因此也同時考察了各極壓抗磨劑的上述性能。不同極壓抗磨劑性能考察試驗結果見表5。

表5 不同極壓抗磨劑性能考察試驗結果

注：AW-1為磷酸酯，AW-2為酸性磷酸酯胺鹽，AW-3為烷基硫代磷酸酯，AW-4為亞磷酸酯胺鹽，AW-5為含氮雜環磷酸酯胺鹽。

由表5的結果可知：AW-3，AW-4，AW-5具有較好的極壓抗磨性能，可以滿足暫定質量指標要求。但AW-4和AW-5的抗磨耐久性(磷保持)明顯低于AW-3，且AW-4和AW-5的鋼片腐蝕失重遠大于AW-3。因此選用AW-3作為配方研究使用的極壓抗磨劑。由于AW-3的活性高，它在具有良好極壓抗磨性的同時也對銅片造成了較為嚴重的腐蝕，同時水解安定性差。解決上述問題有兩條途徑：①復合配方研究時AW-3與其它功能添加劑復配，借助金屬減活劑抑制銅片腐蝕從而減緩極壓抗磨劑的水解；②與對銅片腐蝕小、水解安定性好的極壓抗磨劑復配使用。通常齒輪油中使用兩種或兩種以上極壓抗磨劑，以兼顧油品的極壓抗磨性、抗銅片腐蝕和水解安定性。

從表5的結果可知，AW-1的銅片腐蝕為1a，滿足暫定質量指標要求，同時它還具有良好的水解安定性，銅片失重和水層酸度均可滿足技術指標要求，可選擇AW-1和AW-3搭配使用。此外，AW-2也有良好的抗銅片腐蝕能力，且對鋼片腐蝕失重無影響，可選擇AW-2和AW-3搭配使用。根據以上分析，將AW-3，AW-2，AW-1納入研制油品選用的極壓抗磨劑范圍之內。

3.2.3 防銹劑的選擇 由于研制油在海洋環境使用，要求油品具有良好的防銹性能。因此需加入防銹劑以提高其防銹性能。常用的防銹劑包括磺酸鹽類、羧酸衍生物類、酯類等。考慮到酯類防銹劑的水解效應會降低整個油品的抗水解能力，羧酸衍生物類防銹劑的酸值較高，而研制油要求油品具有低的酸值，因此選用3種磺酸鹽類防銹劑和防銹抗腐蝕劑A調入基礎油中進行防銹性能測試，添加質量分數均為0.07%～0.10%，同時考察了防銹性能良好的添加劑的抗腐蝕性能。不同防銹劑性能考察試驗結果見表6。

表6 不同防銹劑性能考察試驗結果

注：AR-1為低堿值磺酸鋇，AR-2為中性磺酸鋇，AR-3為低堿值磺酸鈣。

從表6的結果可知，AR-1，AR-2，AR-3均不能滿足油品防銹性的要求，防銹抗腐蝕劑A可以解決油品的防銹性能同時也具有良好的抗腐蝕性能。因此選擇A作為油品研制使用的防銹劑和抗腐蝕劑。

3.2.4 不同添加劑復配性能考察 確定了主要添加劑的類型后，開展了它們之間復配性能的研究。固定基礎油、抗氧劑、防銹抗腐蝕劑的量，使用不同的極壓抗磨劑與之搭配，重點考察了抗氧化、水解安定性、極壓抗磨、抗腐蝕等性能。調油方案和試驗結果見表7。

表7 不同極壓抗磨劑組合與其它添加劑的復配試驗結果

由表7的結果可知，從熱氧化安定性結果看2號方案最好，主要體現在酸值最小、戊烷不溶物含量最低，該結果表明2號油在高溫氧化條件下產生的氧化雜質最少。從水解安定性結果看2號方案最好，主要體現在水層酸度最小，該結果表明2號油在含水條件下穩定，適用于海洋環境下的工況。從四球試驗結果看，3號方案具有最好的極壓抗磨性能，其PB值最高，磨斑直徑最小，1號方案的PB值不能滿足暫定質量指標要求，2號方案具有適中的極壓抗磨性能。綜合考慮油品對抗氧化、水解安定性和極壓抗磨性能的要求，選擇2號方案。

3.2.5 油品主要性能評價 通過對單劑和添加劑復配性能的考察，確定了油品的復合配方，按照確定的配方并加入適量的抗泡劑和抗乳化劑調制油品，并對其主要性能進行分析評定，同時與FO進行對比。評價結果見表8。

表8 研制油與FO主要性能分析評價

從表8的結果可知，研制的油品各項性能均滿足暫定質量指標要求。在防銹、抗泡、抗乳化、水解安定性和極壓抗磨性能等方面優于FO。

4 結 論

(1) 采用PAO6、VHVI4和酯類油A以適當比例調合而成的基礎油，滿足了油品高黏度指數、低傾點等苛刻的黏溫性能要求，同時具有良好水解安定性。

(2) 胺型和酚型抗氧劑以適當的比例搭配，使油品具有良好的抗高溫氧化的性能。

(3) 苯三唑衍生物、磺酸鹽和磷酸酯胺鹽以適當的比例搭配，使油品具有良好的防銹和防腐蝕性能。

(4) 將不同活性的極壓抗磨劑搭配使用，既滿足了油品的極壓抗磨性能需求，也使油品具有較好的水解安定性。

(5) 研制的油品各項性能滿足暫定質量指標要求。

[1] 岳國良，王欣，李楠.船用燃氣輪機潤滑油[J].合成潤滑材料，2011，38(3)：14-17

[2] 鄭發正，徐新，白雪亮.潤滑油的氧化與對策[J].合成潤滑材料，2008，35(4)：30-32

簡 訊

2021年世界催化劑市值將超過220億美元

市場研究機構Ceresana公司發表的最新研究結果顯示，到2021年催化劑的總市場價值將增加到220億美元以上。北美洲占世界催化劑市場份額的42%。加工大量原油的美國，是催化劑消費量最大的國家。

在Ceresana公司分析的20個國家中，中國的增長率最高，從而使得亞太地區成為一個快速增長的市場。中國催化劑的需求量將每年增加4.5%。由于南部歐盟國家受金融危機的影響使得西歐的催化劑需求量在下降。大約80%的催化劑消費量來自石油煉制，如催化裂化、加氫裂化或重整等過程。Ceresana公司預計，聚合催化劑是未來需求增長最具活力的領域，到2021年的年均增長率為3.1%，而聚乙烯和聚丙烯合成催化劑占主要份額。預計未來8年全球聚丙烯和聚乙烯類的生物塑料催化劑市場的年均增長率為近20%。在接下來的8年里，由于全球經濟的發展，由化學合成催化劑產生的收入將增加到約87億美元。

[許建耘摘譯自Focus on Catalysts，2014-08-01]

DEVELOPMENT OF GEAR OIL FOR GAS TURBINE OF NAVAL VESSEL

Zhang Jiping1， Song Min2， Zhang Jie1， Xu Jing1

(1.PetroChinaLanzhouLubricatingOilR&DInstitute，LubricatingOilKeyLaboratoryofChinaNationalPetroleumCorporation，Lanzhou730060； 2.NavyInstituteofLogisticalTechnology&Equipment)

To localize gas turbine gear oil for main retarder of naval vessel， alternative gas turbine gear oil was developed. The developed gear oil composes of PAO6， VHVI4， esters and appropriate antioxidant， antirust and anticorrosive， extreme pressure abrasion resistance additive and the quality of the gear oil meets the provisional qualification standard. The developed oil has an excellent performance in viscosity-temperature， oxidation stability， antirust and anticorrosion， anti-high temperature corrosion， hydrolytic stability and a suitable extreme pressure abrasion resistance.

naval vessel； gas turbine； gear oil

2014-05-09； 修改稿收到日期： 2014-07-30。

張繼平，碩士，2005年畢業于太原理工大學化學工程專業，主要從事齒輪油添加劑及配方的開發工作。

張繼平，E-mail： zhangjiping_rhy@petrochina. com.cn。