合成型酯類空氣壓縮機油

苗新峰，朱江，王輝，逄翠翠，楊超，劉中國

(中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116031)

0 引言

空氣壓縮機是工業(yè)領(lǐng)域中的關(guān)鍵設(shè)備，是一種通過壓縮氣體來提高氣體壓力的通用機械。按工作原理主要分為往復(fù)式、螺桿式和離心式等，往復(fù)式空氣壓縮機的占比數(shù)量最大，其次是螺桿式，而離心式壓縮機通常使用汽輪機油。往復(fù)式壓縮機運行效率高、絕熱效率大于80%、壓比高、適應(yīng)性強、流量調(diào)節(jié)方便、適用范圍廣，產(chǎn)品市場占有率大約在30%～40%[1-3]，見圖1。2018年，中國壓縮機產(chǎn)量大約4億臺，壓縮機行業(yè)市場集中度較高，占數(shù)量較少的外資(阿特拉斯、英格索蘭等)及國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)擁有較大的市場份額。

壓縮機廣泛應(yīng)用到各個行業(yè)，主要在機械制造、石油化工、礦山冶金等。“十三五”期間，隨煤化工、乙烯等能源形勢的發(fā)展，機械制造、石油化工領(lǐng)域的需求依然強勁。機械制造業(yè)仍是國內(nèi)壓縮機行業(yè)最大下游應(yīng)用領(lǐng)域，占比工業(yè)壓縮機總需求量的35%，2016年下半年開始，受國內(nèi)工程機械、建筑機械、塑料機械等類型的制造業(yè)的回暖影響，壓縮機需求量呈增長趨勢。石油化工領(lǐng)域是工業(yè)壓縮機的第二大應(yīng)用下游，占比總需求量的25%。中國市場壓縮機保有量持續(xù)增加，壓縮機油的需求量約10萬t/a，2017年往復(fù)式壓縮機油的需求量約為3～4萬t。道達爾BarelfCH100、美孚拉力士等空壓機油售后價格較高，產(chǎn)品技術(shù)含量較高，附加值很高。

圖1 雙動式兩極往復(fù)式壓縮機

油氣田應(yīng)用領(lǐng)域往復(fù)式壓縮機占80%以上，石油化工、礦山開采及冶金等領(lǐng)域是往復(fù)式壓縮機需求較大的行業(yè)。合成酯型空壓機油產(chǎn)品在降低蒸發(fā)損失，減少積炭生成方面有明顯優(yōu)勢，特別推薦應(yīng)用于嚴苛工況下(高溫、高壓)的往復(fù)式空氣壓縮機，而且使用周期更長，性價比高，在國外空氣壓縮機行業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用。壓縮機初裝油大部分采用殼牌、美孚、道達爾等油品。

1 往復(fù)式空氣壓縮機油技術(shù)發(fā)展

空氣壓縮機的使用緊隨當今工業(yè)設(shè)備的發(fā)展趨勢：使用壽命延長，維護費用和停機時間減少，設(shè)備噪音更小，同時提供更清潔、溫度更高的壓縮氣體。嚴苛的工況對油品的使用性能提出了更高的要求，多級壓縮的往復(fù)式空氣壓縮機排氣溫度高達200 ℃以上，壓力最高達350 MPa，礦物油使用的上限溫度為160 ℃，在特定的工況下合成型空氣壓縮機油發(fā)揮熱安定性好的優(yōu)勢，可以滿足嚴苛條件下往復(fù)式空氣壓縮機的使用要求[4-6]。

往復(fù)式空氣壓縮機對潤滑油的性能要求：

(1)適當?shù)酿ざ取１ＷC良好的潤滑和壓縮氣體的密封。壓縮機油的黏度在高壓下會增大，黏度過大，不但浪費功率，而且表面油膜恢復(fù)速度慢，增加磨損，也容易造成油泥和積炭；黏度小，易使氣缸活

塞間無法形成可靠油膜，造成漏氣。所以選擇時要考慮排氣壓力、終壓溫度、壓縮機的級數(shù)等因素。

(2)良好的熱氧化安定性。保證在運行中少生成油泥和高溫下(220 ℃以上)不易產(chǎn)生積炭。歐洲壓縮機制造者規(guī)定VG32～68 POT值(老化試驗)最大2.0或2.5，VG100～150最大值為3.0。

(3)抗積炭性。這是影響壓縮機潤滑油在使用中產(chǎn)生積炭多少的重要指標。必須使用積炭小的油品，過多的積炭會引起排氣閥和排氣管處結(jié)焦和堵塞，致使排出氣體倒回缸內(nèi)，重復(fù)壓縮，使溫度迅速升高，高溫又加劇氧化，當溫度升到油的自燃點時，積存在積炭中的潤滑油開始燃燒，生成碳氫化合物和游離炭，與空氣混合達到爆炸界限。

(4)高閃點。閃點是壓縮機的安全性指標，因為壓縮空氣的溫度有可能超過油品閃點，壓縮機油閃點應(yīng)高于排氣溫度30～40 ℃，閃點隨壓力提高而提高，這就等于為處于壓力狀態(tài)下的潤滑油增加了安全系數(shù)。

(5)高燃點。燃點也是壓縮機油的安全性指標。壓縮機著火爆炸的主要原因就是積炭受熱分解達到自燃點而引起的。當空氣壓力增加到1 MPa時，燃點下降到250 ℃，當壓力增加到10 MPa時燃點下降到200 ℃。

高壓、高壓差、高排氣溫度的中高壓往復(fù)式壓縮機對潤滑油的要求相應(yīng)較高，需要更好的抗氧化性能，黏溫性能以及低溫流動性、高溫不易積炭等。如采用全合成PAO為基礎(chǔ)油，可應(yīng)用于重負荷往復(fù)式空氣壓縮機的氣缸與曲軸箱部位的潤滑，具有優(yōu)異的熱氧化安定性與抗磨性能，并且能降低排氣系統(tǒng)的積炭，但在極端工況下對積炭的溶解能力依然有限，因此有必要開發(fā)合成酯型空氣壓縮機油產(chǎn)品。

2 往復(fù)式空氣壓縮機油產(chǎn)品分析

從國內(nèi)主要品牌的往復(fù)式空氣壓縮機油產(chǎn)品線進行分析(見表1)，各品牌均有主流礦物型產(chǎn)品和頂級合成型產(chǎn)品，昆侖和長城均有半合成型產(chǎn)品，而合成型產(chǎn)品的基礎(chǔ)油類型略有不同。

表1 往復(fù)式空氣壓縮機油產(chǎn)品線對比

表2為國內(nèi)外往復(fù)式空氣壓縮機油A、B、C、D四種油品的主要理化性能分析，黏度等級均為100。通過分析對比， B70 min，A油品相對較差。D油的康氏殘?zhí)吭鲋?.71%，相對最大，A油康氏殘?zhí)吭鲋?.19%，相對最小。B油具有一定的極壓性。通過對合成酯型空氣壓縮機油核磁氫譜分析，如圖2所示，化學(xué)位移7～8 ppm處，A、B、C三個油品均出現(xiàn)明顯苯環(huán)上的H，所以基礎(chǔ)油類型很可能為芳烴類，D油含芳香基團較少。

表2 合成酯型往復(fù)式空氣壓縮機油競品性能對比

圖2 A、B、C、D合成酯型壓縮機油H NMR核磁氫譜

由圖3可知，四個油品在1750 cm-1附近均出現(xiàn)明顯C=O酯基峰，但D油在1000～1500 cm-1附近未出現(xiàn)明顯的苯環(huán)特征峰，因此D油的基礎(chǔ)油主要組成為非芳烴類酯類基礎(chǔ)油。

圖3 A、B、C、D合成酯型壓縮機油紅外譜圖

3 酯類基礎(chǔ)油性能對比

通常雙酯、多元醇酯類基礎(chǔ)油的苯胺點為-7～5 ℃，苯胺點越低，極性越強，對添加劑的溶解性越好。一般酯類潤滑油具有比同黏度的礦物油更好的潤滑性能，其原因在于酯類分子中的極性功能團在摩擦表面的強吸附作用，在摩擦表面上形成抗剪切性能更好的油膜，使摩擦表面受到保護。大部分酯類油毒性較低，生物降解性較好。

油品成焦傾向測定法：用加熱的潤滑油(油溫100 ℃)與高溫(310～320 ℃)鋁板短暫接觸測定結(jié)焦的傾向，見圖4。將油樣在規(guī)定溫度條件下用機械力濺到鋁制試驗板上。規(guī)定試驗周期后，稱重測定鋁板上沉積焦的量。在相同復(fù)合劑下，比較鄰苯二甲酸酯、偏苯三酸酯、季戊四醇酯的結(jié)焦性能，鄰苯二甲酸酯結(jié)焦劑量最大，為45 mg，季戊四醇酯的結(jié)焦劑量最低，為2 mg，偏苯三酸酯為32 mg。

圖4 不同基礎(chǔ)油下成焦傾向測定法外觀

鄰苯二甲酸酯具有沉積溶解性好的優(yōu)點，被應(yīng)用于往復(fù)式壓縮機油。普通芳香酯有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，所以黏度指數(shù)較低，其應(yīng)用范圍受到限制。

偏苯三酸酯具有優(yōu)良的高低溫性能，高溫蒸發(fā)小，結(jié)焦量低，與各種添加劑具有良好的相容性，是合成高溫鏈條油、合成螺桿式空氣壓縮機油等理想的合成基礎(chǔ)油。與同黏度季戊四醇酯相比，可降低增黏劑的用量，從而提高潤滑油的高溫性能；用于配制合成高黏度空氣壓縮機油時，

可以不采用增黏劑提高黏度，并且還可解決使用PAO出現(xiàn)的橡膠密封件相容性和添加劑溶解性問題。

季戊四醇酯由于酯基多，所以極性強，蒸發(fā)損失低，潤滑性好。多元醇酯具備優(yōu)異的熱氧化安定性和低蒸發(fā)性，可比雙酯在高50～100 ℃的工作溫度下使用。

4 結(jié)論

合成酯型空壓機油產(chǎn)品在降低蒸發(fā)損失，減少積炭生成方面有明顯優(yōu)勢，特別推薦應(yīng)用于高溫、高壓下的大型往復(fù)式空氣壓縮機。對比分析國內(nèi)市場上的頂級壓縮機油，均為芳烴類基礎(chǔ)油。通過油品成焦傾向測定法，分析三種類型酯類基礎(chǔ)油結(jié)焦性能，季戊四醇酯由于酯基多，極性更好，抗結(jié)焦性能最好，僅為2 mg，因此更適用于高溫高壓的苛刻工況。