液壓支架用乳化油HFAE15-3的研究

陳志忠，尤龍剛，火鵬飛，張杰，郎需進

(中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

液壓支架是一種利用液體壓力產生支撐力并實現自動移架來進行頂板支護和管理的一種液壓動力裝置，是綜合機械化采煤不可缺少的配套設備。液壓支架液作為液壓支架的工作介質，不僅起動力傳遞作用，而且要起潤滑、冷卻、防腐、防銹作用，是液壓支架能夠正常工作的最主要的部件，被稱為是液壓支架的“液體零件”[1]。

液壓支架實際工況非常惡劣，由此對液壓支架液的性能提出了較高的要求。具有優異性能的液壓支架液對煤炭開采裝備運行的穩定性和可靠性至關重要，因此，我國煤炭行業制定了《液壓支架(柱)用乳化油、濃縮物及其高含水液壓液》強制性標準，由國家礦用產品安全標志辦公室負責評審，包括生產的產品、生產廠家的資質等多方面進行評審，評審合格后，國家礦用產品安全標志辦公室將頒發“礦用產品安全標志證書”，獲得該證書的產品方能進入煤礦井下使用[2]。

液壓支架液分為乳化油、微乳液和全合成液三種。微乳液由于防銹性差，且油基黏度偏大，因此較少應用。煤礦液壓支架系統目前主要以乳化油和全合成濃縮液為主要傳動介質。研制的液壓支架用乳化油為HFAE15-3，是一款乳化油產品，可在水質硬度不大于15 ℃的條件下使用，配液濃度為3%時即可達到使用要求。

1 液壓支架用乳化油HFAE15-3配方的研究

本文研制目標為乳化型液壓支架液，由于乳化型的產品容易在高溫下發生析油析皂現象，而MT76-2011標準對高含水液壓液的高低溫穩定性有嚴苛的要求，因此，產品乳化劑和抗硬水劑的考察和選擇是一項難點。研制產品的配液濃度僅為3%，相較同類產品而言較低，這對其潤滑性和防銹防腐性也是較大的考驗。本研究重點介紹這幾項性能的考察。

1.1基礎油和乳化劑的選擇

基礎油的選擇主要依據兩方面：一是基礎油的乳化難易程度(即乳化效率)及形成的乳化液的穩定性。相較于石蠟基、中間基基礎油，環烷基基礎油最容易乳化[3]，等量基礎油消耗的乳化劑量最低，且乳液穩定性最佳，尤其是低黏度的環烷基油乳化性能更為優異。二是基礎油價格合理，來源充足。綜合這兩方面的因素考慮，選擇40 ℃運動黏度在10 mm2/s左右的環烷基油作為基礎油。

乳化劑的選擇上通常使用非離子-非離子復配，或非離子-陰離子復配的原則，這比單一乳化劑的乳化效果要顯著很多。通常來說，非離子-非離子復配后的抗硬水性能較好，但乳化礦物油的效率較低。而非離子-陰離子復配則相反。綜合考慮乳化劑的價格、來源、乳化效率，本文選擇非離子-陰離子乳化劑復配來實現基礎油的乳化效果。實驗室主要考察了在簡單體系(僅含基礎油、乳化劑和蒸餾水)下3組乳化劑對在不同HLB值和加量下濃縮液和稀釋液外觀的變化，以此來確定乳化劑組成，見表1。

表1 乳化劑的考察

通過表1可看出，在乳化劑加量一定的情況下，HLB值為10.5時，其濃縮液和稀釋液的外觀均為合格。在此基礎上分別考察了3組不同乳化劑復配時的最小加量。1、2、3號乳化劑組成可以形成穩定濃縮液和稀釋液的最小加量分別為15%、17%、13%，可見，乳化劑1和乳化劑4復配時乳化效率最高，以其作為本體系的乳化劑組成，進行后續的試驗研究。

1.2潤滑劑的選擇

液壓支架液要求必須具備一定的潤滑性，技術指標規定其潤滑性能用PB值來衡量，要求為不小于392 N，以此作為依據，開展潤滑劑的篩選。實驗室主要考察了四組潤滑劑組分在不同加量下的PB值，見表2。

表2 幾種潤滑劑潤滑性能考察結果

從上述考察中看出，4種潤滑劑在加量為1.5%時均不能滿足指標要求，加量為2.0%時均能達到指標要求，再提高其加量，4種潤滑劑的PB值均提高不大。鑒于脂肪酸的價格最低，優先選用其作為潤滑劑的組成，最佳加量為2.0%。

1.3防銹防腐劑的選擇

防銹劑的確定是研發過程中的一大難點。在礦井作業條件下，液壓支架液的維護及操作環境較為苛刻，產品的防銹性能是保障液壓支架設備正常工作的關鍵因素。井下水質硬度普遍較大，水中的鈣鎂會對乳液體系的潤滑劑、防銹劑等產生一些耦合、沉降作用，進而導致產品的防銹性能大幅降低。同時水中的氯離子含量較高，對鑄鐵的腐蝕作用非常顯著。因此，高硬度水質條件下的防銹性能是該類產品研制的最大難題。實驗室考察了十幾種防銹劑復配后的防銹性能，具體試驗方法見MT76-2011。結果見表3。

表3 不同防銹劑復配后的防銹性能考察

從考察中發現，大多防銹劑復配后都無法滿足15號硬水條件下，3%濃度工作液的防銹性能要求。有機酸和無機鹽的復配表現出較好的防銹性能。同時，羧酸鹽和咪唑啉鹽在較高的加量下也能通過技術指標的要求。

液壓支架液對防腐性的要求如下：油品與0.05 mol/L的氯化鈉溶液配成一定濃度(使用濃度的40%)的試樣，在鋼棒和銅棒同時存在的情況下，高溫70 ℃放置24 h，要求鋼棒和銅棒外觀無銹蝕，無色變。這項性能對液壓支架用濃縮液來說是難度最大的一項考驗，因為濃縮液中一般含水高達50%以上，試驗要求的配液濃度較低，而且水中含有大量的氯離子，特別容易引起鋼棒的點蝕。但乳化油中含水量一般不超過10%，故這項測試對乳化油來說通過較為容易。在原來防銹劑的基礎上，引入少量苯三唑衍生物即可使得鋼棒和銅棒外觀合格。

1.4抗硬水劑的考察

抗硬水性對液壓支架用濃縮液來說較容易通過，但對液壓支架用乳化油來說考驗非常大。尤其是高溫穩定性最為苛刻，試驗要求工作液在70 ℃的高溫下，放置7 d，要求析出物體積不超過0.1%。這就要求研制的乳化油抗硬水性和穩定性能足夠好，能夠克服高溫引起的分層、析油等不穩定現象。實驗室主要考察了4種有機酸在不同加量下的抗硬水性，具體考察結果見表4。

表4 引入不同抗硬水劑后稀釋液穩定性考察結果(配液用水∶15號硬水)

從表4的考察中可看出，不同抗硬水劑的抗硬水性能差別很大。1號和4號抗硬水劑在加量高達7%時，體系的析油析皂現象依舊很嚴重。2號和3號抗硬水劑在一定的加量下能有效地解決體系油皂析出問題，達到指標要求。

1.5堿保持劑和殺菌劑的選擇

為保證pH值在7.5～10之間，同時具有較長久的保持性，需在體系中加入一定量的堿保持劑。常用的堿保持劑有單乙醇胺、二甘醇胺、三乙醇胺、二異丙醇胺、二羥乙基甲胺(BHEMA)、環己胺等。由于二乙醇胺容易與亞硝酸物反應生成硝胺，對操作人員的健康產生危害，目前一些歐洲國家已經禁止了其在加工液中的使用，所以此處不予考慮。實驗室通過考察不同醇胺復配后pH值的下降率，最終確定以兩種醇胺復配作為體系的堿保持劑。

MT 76-2011標準中，對殺菌性尚未做出要求。但鑒于乳化油在使用過程中容易生菌，為提高其使用壽命，引入了嗎啉類殺菌劑，無論對真菌還是細菌均有很好的殺菌作用。

1.6配方的確定

通過上述對基礎油和功能添加劑的詳細考察，并在此基礎上進行了配方優化，最終確定以環烷基油為基礎油組分，以非離子和陰離子乳化劑復配作為乳化劑組成，并添加其他功能單劑和少量蒸餾水，在室溫下充分攪拌，調制出外觀透亮的乳化油HFAE15-3。通過實驗室檢測，研制的產品各方面性能均滿足MT 76-2011指標的要求。

2 液壓支架用乳化油的性能

研制的HFAE15-3產品通過了權威檢測機構的質量檢測，樣品所有性能全部符合MT 76-2011《液壓支架用乳化油、濃縮液及其高含水液壓液》的要求。部分關鍵性能數據見表5。

3 結論

通過對多種功能添加劑的精心篩選和評價，研制出具有良好高低溫穩定性、防銹防腐性和潤滑性的乳化油產品HFAE15-3，其各項指標均符合MT 76-2011《液壓支架用乳化油、濃縮液及高含水液壓液》標準要求，能夠滿足液壓支架在井下的作業要求。

參考文獻：

[1] 王進, 王玉超. 液壓支架用液壓液的研究現狀及發展研究[J]. 煤炭與化工, 2014, 37(10): 17-23.

[2] 曾擁軍. 液壓支架用乳化油、濃縮液的現狀及發展趨勢[J]. 用油全方位, 2010(2): 12-15.

[3] 賈繼欣, 李茂生, 李朝圣, 等. 環烷基基礎油在金屬加工油液中的應用研究[J]. 潤滑與密封, 2016, 41(1): 109-114.