淺析往復(fù)式空壓機(jī)潤滑油選用

袁宗澤，宋朝琪，聶 方，張 超，龍 濤

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽621000）

1 引言

往復(fù)式空壓機(jī)用于氣缸、活塞、活塞環(huán)、填料等與壓縮空氣直接接觸的工作部件潤滑的，稱為氣缸潤滑[1-2]，多采用壓力潤滑方式，其原理主要依靠專門的注油器在壓力下注入氣缸強(qiáng)制潤滑，注油點(diǎn)和注油量均可控制，各潤滑點(diǎn)由單獨(dú)的油管供油。

往復(fù)式空壓機(jī)的潤滑，除采用自潤滑材料外，均要求在相對運(yùn)動運(yùn)動表面注入適量潤滑油，形成一定厚度油膜，以減少摩擦、磨損，降低功率損耗。此外，潤滑油還能起到阻塞、密封氣體以及清洗冷卻的作用。因此正確選擇潤滑油的牌號和注油量，是保證往復(fù)式空氣壓縮機(jī)安全、可靠運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。

潤滑油隨著基礎(chǔ)油及添加劑的發(fā)展、壓縮機(jī)的種類區(qū)別較大，實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)根據(jù)壓縮機(jī)的工況，結(jié)合潤滑油理化指標(biāo)，選型出適宜壓縮機(jī)的潤滑油。

2 潤滑油發(fā)展概略

往復(fù)式空壓機(jī)油主要分為礦物油型和合成油型，我國最早于20世紀(jì)60年代對照蘇聯(lián)ΓOCT 1861-54標(biāo)準(zhǔn)[3]，開始研究和生產(chǎn)礦物油型潤滑油，并發(fā)布了石油化工部標(biāo)準(zhǔn)SY-1216-66，該標(biāo)準(zhǔn)中僅有HY-13和HY-19兩個牌號，HY-13未加添加劑，HS-19增加了抗氧防腐劑，當(dāng)時的油品無法滿足高壓、高溫工況，易產(chǎn)生積碳，對活塞和氣閥損壞較大。之后在次基礎(chǔ)上修訂完善了SY-1216-77版標(biāo)準(zhǔn)，但牌號仍然較少。

1981年，ISO開始逐漸發(fā)布潤滑油標(biāo)準(zhǔn)族ISO 6743，1987年首個空氣壓縮機(jī)潤滑油國標(biāo)ISO6743-3A/3B（3B適用于冷凍壓縮機(jī)）發(fā)布。2003年，ISO發(fā)布6743-3：2003標(biāo)準(zhǔn)，取消了3A和3B之分[4]。

我國在1991年正式執(zhí)行GB 12691-90，于1992年正式替代SY-1216-77。該標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了礦物油型空氣壓縮機(jī)油的技術(shù)條件，其中根據(jù)排氣壓力、溫度、級壓力比和最終排氣壓力，分成了輕載荷（DAA）和中載荷（DAB）2類油品，適宜有油潤滑往復(fù)式空氣壓縮機(jī)，并按40℃運(yùn)動粘度分為32#、46#、68#、100#、150#5個牌號，較原標(biāo)準(zhǔn)增加了3個。

1992年，我國正式發(fā)布了GB/T 7631.9-92。1997年，對照ISO 6743-3A：1987和ISO6743-3B：1988對其進(jìn)行了第一次修訂，發(fā)布了GB/T7631.9-1997標(biāo)準(zhǔn)[5]。該標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)分了輕載荷（DAA）、中載荷（DAB）、重負(fù)荷（DAC）3個種類，5個牌號共計(jì)15種。標(biāo)準(zhǔn)中約定俗稱DAA和DAB為礦物質(zhì)油，DAC為合成油。2014年經(jīng)第二次修訂，發(fā)布GB/T7631.9-2014標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對標(biāo)ISO 6743-3：2003標(biāo)準(zhǔn)，取消了DAC分類，其中DAA和DAB除了載荷區(qū)分外，均包含礦物油和合成油[4]，DAA類主要包括深度精制的礦物油，半合成和全合成油，DAB類主要包括特殊配置的礦物油、半合成和全合成油。研究認(rèn)為，這與空氣壓縮機(jī)市場中螺桿式逐漸成為主流有較大關(guān)系。

目前，往復(fù)式空壓機(jī)工況逐漸向“三高”發(fā)展，即高壓、高壓差和高排溫[6]，空氣壓縮機(jī)潤滑油的發(fā)展趨勢為高可靠性、長壽命。隨著空氣壓縮機(jī)工況條件逐漸苛刻，對潤滑油的要求不斷增加，有高溫氧化安定性、積碳傾向性低、粘溫性能好、揮發(fā)性弱和壽命長的合成潤滑油品得到了較快的發(fā)展[7-8]。

3 空氣壓縮機(jī)油品理化指標(biāo)

3.1 粘度

粘度為潤滑油最主要的指標(biāo)，定義為一定溫度條件下內(nèi)摩擦系數(shù)與密度之比。粘度大表示潤滑時內(nèi)摩擦阻力大，將增大潤滑功率損耗；粘度過小，則不能生成適宜厚度的油膜，影響潤滑性能，增加摩擦功和磨損。

潤滑油粘度還會隨溫度變化而變化，一般潤滑油低溫時變化小，超過60℃時變化較大。表征粘度隨溫度變化的程度的是粘度指數(shù)，定義為40℃與100℃下粘度的比值，當(dāng)粘度指數(shù)高于80時，常認(rèn)為是高粘度指數(shù)潤滑油。由于壓縮機(jī)在使用中被反復(fù)冷卻和加熱，常要求粘度指數(shù)適宜的潤滑油，即粘度不能隨溫度變化而有太大變化。

3.2 閃點(diǎn)

當(dāng)潤滑油被加熱時，其表面即開始形成油蒸汽，當(dāng)油品在大氣壓力下加熱形成的蒸汽壓，達(dá)到用明火點(diǎn)燃的下限濃度時，發(fā)生瞬息燃燒時的溫度即為閃點(diǎn)。

閃點(diǎn)過高，說明油品餾分重、粘度大、瀝青質(zhì)等含量高，使用時易積碳；閃點(diǎn)過低，當(dāng)氣缸內(nèi)溫度過高時，易發(fā)生燃燒爆炸，造成人員傷害和設(shè)備損壞。閃點(diǎn)作為油品安全性的重要指標(biāo)，一定要適宜，一般文獻(xiàn)建議選型時閃點(diǎn)高于使用溫度20~30℃即可。

3.3 氧化安定性

氧化安定性表示油品抵抗大氣或氧氣作用保持其性質(zhì)不變的能力，在空氣壓縮機(jī)中，潤滑油在氣缸金屬表面形成的油膜，在金屬催化作用下與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)脂酸、焦油、瀝青等產(chǎn)物，使?jié)櫥蜕珴勺兒冢扯群退嶂翟黾樱⒛芪龀瞿z狀沉積物阻塞油道、濾油器、氣閥等。

氧化安定性差將會縮短潤滑油壽命周期，增大壓縮機(jī)故障或損壞概率，是一個需要控制的指標(biāo)，可通過選用合適的基礎(chǔ)油、添加抗氧化劑等措施調(diào)制出適宜的油品。

3.4 積碳傾向性

積碳傾向性以金屬壁面生產(chǎn)的薄膜積碳的百分?jǐn)?shù)來衡量，從氣缸和壓縮空氣一起排出的潤滑油，一部分以濕潤狀態(tài)附著在排氣閥和排氣管道表面，在高壓高溫下，在金屬表面易生成薄膜積碳，影響設(shè)備安全運(yùn)行。實(shí)踐證明，高粘度的油易產(chǎn)生積碳，低粘度的環(huán)烷基油有時也生成大量積碳[9]，為防止積碳產(chǎn)生，應(yīng)根據(jù)壓縮機(jī)負(fù)荷和壓力溫度條件，選擇適宜粘度的潤滑油。

3.5 其他

往復(fù)式空壓機(jī)油中抗磨性、抗乳化性等也是較為重要的指標(biāo)。抗磨性代表壓縮機(jī)在使用中的抗磨性能，實(shí)驗(yàn)室多用摩擦磨損試驗(yàn)儀，磨跡小說明壓縮機(jī)油的抗磨損能力、潤滑性好。抗乳化性多表征油品從液態(tài)水中分離的性能，分離的時間越短，抗乳化性越好。

4 CFA34往復(fù)式空壓機(jī)潤滑油選型案例

4.1 CFA34往復(fù)式空壓機(jī)

CFA34空氣壓縮機(jī)為美國卡麥隆（CAMERON）4列4級往復(fù)式空壓機(jī)，轉(zhuǎn)速1490 r/min，流量45 Nm3/min，最高排氣壓力32 MPa。1~4級排氣壓力分別為3.9 MPa、8.6 MPa、21 MPa和32 MPa，1~4級排氣溫度分別為142℃、140℃、148℃和92℃。氣缸為有油潤滑，通過CPI注油分配塊強(qiáng)制潤滑和控制油量，設(shè)無油流開關(guān)檢測手段。

表1 內(nèi)部潤滑油粘度選擇參考標(biāo)準(zhǔn)

4.2 潤滑油選型案例

在壓縮機(jī)調(diào)試投運(yùn)初期，根據(jù)廠家推薦使用了殼牌萬德利S2B 320#工業(yè)齒輪潤滑油，經(jīng)過近1年運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，活塞桿出現(xiàn)異常磨損，局部出現(xiàn)發(fā)藍(lán)現(xiàn)象。

經(jīng)查《殼牌潤滑油-用戶手冊》知，S2B系列是通用工業(yè)軸承和循環(huán)系統(tǒng)的潤滑油，主要用于循環(huán)系統(tǒng)、油潤滑軸承、錕頸軸承及工業(yè)用閉式齒輪系統(tǒng)。而CFA34往復(fù)壓縮機(jī)氣缸潤滑為非軸承、非循環(huán)潤滑系統(tǒng)，且活塞桿異常磨損，說明油膜厚度不足，潤滑油粘度不合適。

后選用加德士WS-460#潤滑油替代殼牌S2B 320#，該潤滑油使用了大約2年，未出現(xiàn)明顯的積碳，但活塞環(huán)的使用壽命相對較之前有所降低，考慮到WS-460#潤滑油粘度過高，易增加活塞桿與氣缸這對摩擦副引起的摩擦損耗。由于在往復(fù)壓縮機(jī)中，氣缸與活塞環(huán)引起的摩擦損耗約占總摩擦損耗的38%~45%，填料與活塞桿引起的摩擦損耗約占2%~10%[10]，對高速、高壓壓縮機(jī)中，這個比例還會更大。據(jù)此，針對CFA34往復(fù)式壓縮機(jī)的高轉(zhuǎn)速特點(diǎn)，同時考慮使用國內(nèi)空氣壓縮機(jī)專用潤滑油，重新按照郁永章主編《活塞式壓縮機(jī)》[11]標(biāo)準(zhǔn)選型，探索使用低粘度潤滑油（表1）。

根據(jù)《活塞式壓縮機(jī)》，結(jié)合CFA34往復(fù)式空氣壓縮機(jī)工況：排氣壓力32 MPa，壓縮級數(shù)4級，氣缸冷卻方式為水冷，發(fā)現(xiàn)并無完全符合標(biāo)準(zhǔn)的，但無論是從排氣壓力溫度和壓縮級數(shù)維度看，N150都為推薦牌號，因此選出中國石化長城LDAB-150 4502型空氣壓縮機(jī)油[12]。

在選型的同時，針對壓縮機(jī)使用中存在的積碳和磨損情況，委托國內(nèi)某研究所對WS-460#進(jìn)行深度分析，并對國內(nèi)某新型研制的150#空氣壓縮機(jī)油進(jìn)行對比試驗(yàn)。開展WS-460#和新型150#油高溫結(jié)焦試驗(yàn)，進(jìn)行活塞機(jī)后端除油設(shè)備中潤滑油ICP分析。

利用高溫斜板結(jié)焦器對WS-460#和新型150#在250℃下做6 h觀察實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，發(fā)現(xiàn)WS-460#生成結(jié)焦量大，顏色暗深，某型150#生成結(jié)焦量較少，說明WS-460#積碳傾向性能不好，在高壓高溫條件下容易產(chǎn)生積碳，影響設(shè)備安全運(yùn)行。

對活塞機(jī)后端除油設(shè)備中潤滑油進(jìn)行ICP分析后（表2），從廢油元素分析來看，其含有鐵元素含量較高，說明內(nèi)部存在磨損。

進(jìn)一步對比分析WS-460#和新型150#油抗磨性能，經(jīng)測WS-460#在摩擦磨損試驗(yàn)儀中四球磨斑半徑為0.464 mm，新型150#油為0.355 mm，說明新型150#油具有更好的耐磨性。

此外在粘度、閃點(diǎn)、傾點(diǎn)等其他理化指標(biāo)方面，新型150#油與WS-460#、長城LDAB-150 4502基本相同（表3）。因此認(rèn)為新型150#空氣壓縮機(jī)潤滑油在積碳傾向性、抗磨抗壓性方面優(yōu)于WS-460#潤滑油，有利于降低積碳產(chǎn)生、減緩摩擦損耗。

目前，中國石化長城LDAB-150 4502型空氣壓縮機(jī)油和新型150#空氣壓縮機(jī)潤滑油均在CFA34機(jī)型上試用，均已連續(xù)運(yùn)行約700臺時，目前各臺機(jī)組未發(fā)現(xiàn)明顯積碳，各級參數(shù)未發(fā)現(xiàn)因油品引起的異常。

表2 ICP分析結(jié)果

表3 4種潤滑油指標(biāo)對比

5 結(jié)語

本文梳理了往復(fù)式空壓機(jī)氣缸潤滑油發(fā)展歷程，尤其是各類標(biāo)準(zhǔn)、分類和牌號的變更過程和淵源。從粘度、閃點(diǎn)和積碳傾向性等關(guān)鍵性選型指標(biāo)入手，重點(diǎn)分析了CFA34往復(fù)式空壓機(jī)潤滑油選型過程，對比使用過國內(nèi)外不同牌號的4類油品，得出的一些結(jié)論可供有同行業(yè)借鑒。

從選型案例中可見，針對高轉(zhuǎn)速、高壓力的純進(jìn)口機(jī)型，進(jìn)口油品無論是殼牌320#還是加德士460#均有一定的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，但完全可被國產(chǎn)150#空氣壓縮機(jī)專用油替代，部分指標(biāo)甚至還優(yōu)于國外產(chǎn)品。下一步將深入對比中石化LDAB-150 4502型和新型150#空氣壓縮機(jī)潤滑油效果，繼續(xù)探索往復(fù)式空壓機(jī)潤滑油選型中的相關(guān)課題。