水利工程專用食品級鋼絲繩表面潤滑脂的研制及應(yīng)用

包銳 張廣遼 谷連帥 陳先月 古小七

1 中國石化潤滑油有限公司天津分公司

2 水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗測試中心

針對水利工程啟閉機的工況特點和環(huán)保要求，通過對稠化劑、基礎(chǔ)油、添加劑的選擇，研制開發(fā)了適用于啟閉機鋼絲繩的水利工程專用食品級鋼絲繩表面潤滑脂。理化分析、第三方檢測及現(xiàn)場工地試驗結(jié)果表明，研制脂具有優(yōu)異的高低溫性能、抗水性、防銹性和黏附性，可滿足水利工程啟閉機鋼絲繩的潤滑需要，同時可滿足環(huán)保要求，顯著降低對水源的污染和危害。

水利工程一般攔江河或依江河而建，這一特點決定了其開發(fā)活動對于當?shù)厮h(huán)境的影響更為直接，施工期的影響尤為突出。目前水利工程中啟閉機鋼絲繩上使用的潤滑脂為工業(yè)級別，而工業(yè)級潤滑脂中含有重金屬及致癌物質(zhì)。鋼絲繩上的潤滑脂多系采用人工涂抹方式進行加注，鋼絲繩在工作過程中，繩體上附著的多余油脂會落入水中，造成當?shù)睾拖掠嗡h(huán)境污染，給下游居民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生危害[1]。

目前，我國對飲用水水源污染防治問題高度關(guān)注。《中華人民共和國水污染防治法》、《飲用水水源保護區(qū)污染防治管理規(guī)定》、《生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范》、《生活飲用水檢驗規(guī)范》等法律法規(guī)文件對飲用水水源保護區(qū)的管理及水中有害物質(zhì)種類、限值等做出了明確規(guī)定。在水利工程中使用工業(yè)級潤滑脂，將引發(fā)水體污染，不符合相關(guān)法規(guī)及國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。

鋼絲繩表面潤滑脂（下稱鋼絲繩表面脂）用于鋼絲繩生產(chǎn)過程中股和捻成后鋼絲繩的表面涂脂，其作用一方面是減少鋼絲繩在使用過程中股中鋼絲間的摩擦及鋼絲繩與繩輪槽的摩擦，以減小鋼絲繩的磨損；另一方面是保護鋼絲繩在運輸、儲存和使用過程中不受腐蝕。因此，鋼絲繩表面脂應(yīng)具有良好的潤滑性、防銹性、附著性、抗老化性、耐溫性、易清洗性等性能。

水利工程中啟閉機鋼絲繩暴露于戶外，且長期與水接觸，這就造成了鋼絲繩工作過程中高濕、工作溫度隨季節(jié)變化明顯、重負荷等工況特點[2]。因此，水利工程啟閉機鋼絲繩上使用的潤滑脂應(yīng)具備良好的抗水性、防銹性、抗磨性及低溫性能，同時對水體無污染。本文介紹了水利工程專用食品級鋼絲繩表面脂的研制過程和應(yīng)用效果。

國內(nèi)外鋼絲繩表面脂概況

鋼絲繩表面脂按其成分類型可分為烴基型、瀝青型和皂基型潤滑脂等不同類型。

早期研制的鋼絲繩表面脂為烴基潤滑脂，一般采用廢舊石蠟、地蠟制備，滴點在45～55 ℃左右。夏天陽光照射容易造成表面脂融化、流淌，冬季則因為氣溫低出現(xiàn)潤滑脂的龜裂和脫落，并且此種鋼絲繩表面脂的用量較大，給施工人員、施工現(xiàn)場帶來油污污染，給生產(chǎn)作業(yè)帶來諸多不便。一些學者嘗試在烴基潤滑脂的基礎(chǔ)脂中加入高分子聚合物、黏度調(diào)節(jié)劑等添加劑改善表面脂的黏附性、高低溫性能，并取得了一定成效。

瀝青型表面脂與膨潤土一樣無滴點，必須加熱或者加入稀釋溶劑后使用，涂覆后固化容易形成黑色的堅硬表面，檢查很不方便，但其黏附性好，適用于長期儲存鋼絲繩，低溫下容易龜裂、破碎，主要用于煉鋼廠。

皂基型潤滑脂通常具有半流體的柔韌性，但只能部分滲透入鋼絲繩內(nèi)部，不能使得繩芯得到充分潤滑，適用于固定不動或在潮濕、海風、煙氣等環(huán)境下以及低速重載吊裝用鋼絲繩纜索的潤滑，其優(yōu)點是滴點高、高溫性能好[3]。

研制過程

研制目標

傳統(tǒng)鋼絲繩潤滑脂是由有機類稠化劑稠化高黏度精制礦油，并加有抗氧劑、防腐劑、防銹劑、極壓劑等多種添加劑精制而成的鋼纜潤滑脂。研制產(chǎn)品設(shè)計用于各種氣候條件下工作的繩索及重載拉索的潤滑與防護，對鋼絲繩內(nèi)外表面提供最佳的抗磨性、防腐蝕性和潤滑性。石化行業(yè)標準SH/T 0387—2014規(guī)定了鋼絲繩表面脂的一般性能標準，但該標準規(guī)定的鋼絲繩表面脂滴點偏低，并且規(guī)定的低溫性能的溫度較高，不能滿足水利工程分布在我國南北方各地，在冬夏季溫差較大的潤滑要求，同時并未對產(chǎn)品的重金屬、毒理學及涉水試驗進行相關(guān)規(guī)定。針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，綜合考慮用脂要求，制定了水利工程專用食品級鋼絲繩表面脂的技術(shù)指標，其與SH/T 0387—2014的對比見表1。

稠化劑的選擇

由于本產(chǎn)品可能會與水源接觸，因此稠化劑選擇依據(jù)FDA（美國食品和藥物管理局）21CFR178.3570-偶然接觸食品的潤滑劑（Lubricants with incidental food contact），該法規(guī)列舉了可用于偶然和食品接觸的潤滑劑稠化劑，主要有復合鋁、膨潤土、聚脲、聚四氟乙烯、食品級蠟等稠化劑。而常見的稠化劑如鋰皂不符合FDA可作為食品級潤滑劑稠化劑的規(guī)定，而鈣皂普遍滴點偏低，不符合當前鋼絲繩防護需要寬溫范圍的工況要求。

復合鋁基潤滑脂具有最小的纖維結(jié)構(gòu)，因而其具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，其性質(zhì)與該纖維結(jié)構(gòu)有關(guān)。單個皂纖維長度和直徑比將決定潤滑脂的特性，單位體積的膠束表面積則直接影響膠凝能力，皂顆粒和皂纖維結(jié)構(gòu)越小，則凝膠能力越強。概括來說，微細皂纖維結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點：

◇制備潤滑脂時，需要的稠化劑量較少；

◇制備的潤滑脂泵送性較好；

表1 水利工程專用食品級鋼絲繩表面潤滑脂的技術(shù)指標

◇可以較好地“固定”基礎(chǔ)油，與基礎(chǔ)油相容性較好。

一般的鋼絲繩表面脂選用有機稠化劑，幾乎不溶于水，不與水乳化，適于作防護與密封用脂，但最高使用溫度一般不超過60 ℃[4]。為了達到研制目標，針對水利工程中啟閉機鋼絲繩暴露于戶外，且長期與水接觸的工況特點，我們同時選用復合鋁及食品級有機稠化劑進行復合，能夠達到滴點高，機械安定性、膠體安定性、抗水性和氧化安定性好的性能特點，并兼顧鋼絲繩脂的防護性能。

基礎(chǔ)油的選擇

對于鋼絲繩表面脂所選用的基礎(chǔ)油，一般來說為了潤滑脂黏附性好，起到更好的防護作用，應(yīng)該是黏度越大越好。但在復合鋁體系中，黏度越大越不容易成脂，而小黏度基礎(chǔ)油又不能滿足鋼絲繩的防護特性。因此，本文選擇小黏度基礎(chǔ)油與大黏度基礎(chǔ)油復配的形式，作為基礎(chǔ)油選擇的依據(jù)。選擇了3種基礎(chǔ)油，其典型數(shù)據(jù)見表2。

鋼絲繩表面脂要求具有較高的黏附性，需要提高基礎(chǔ)油黏度，但復合鋁皂對高黏度基礎(chǔ)油的稠化能力較弱，因此選用基礎(chǔ)油2和基礎(chǔ)油3復配的方式進行反應(yīng)，在增加基礎(chǔ)油黏度的同時能夠提高復合鋁皂對基礎(chǔ)油的稠化能力。對基礎(chǔ)油的低溫性能通過相似黏度進行了考察，考察結(jié)果在下文的“黏度指數(shù)改進劑”部分有介紹。

添加劑的考察

黏度指數(shù)改進劑

鋼絲繩表面脂要求能黏附在鋼絲繩上，不會被輕易擦掉，并在溫度變化時不影響潤滑效果。這種黏附性能還對防止卷揚鼓輪打滑有一定作用，特別對提升纜繩的附著摩擦力起重要作用。鋼絲繩表面脂要求的工作溫度為-40～120 ℃。由于黏度指數(shù)改進劑會對潤滑脂的低溫性能產(chǎn)生影響，為此分別考察了在基礎(chǔ)油之中加入不同加劑量的黏度指數(shù)改進劑A/黏度指數(shù)改進劑B對潤滑脂低溫性能的影響。不同基礎(chǔ)油及黏度指數(shù)改進劑制備的潤滑脂的低溫性能見表3。

由表3可見，采用基礎(chǔ)油1制得的潤滑脂低溫性能差，尤其在加劑后已無法保證在-40 ℃下正常工作。方案2采用一定比例的基礎(chǔ)油2與基礎(chǔ)油3復配制備基礎(chǔ)脂測定相似黏度，方案5～方案7考察相同加劑量的黏度指數(shù)改進劑對相似黏度的影響，其中方案7基礎(chǔ)油配比與方案4相同。由于黏度指數(shù)改進劑B對潤滑脂低溫性能影響較大，故確定選用黏度指數(shù)改進劑A提高鋼絲繩表面脂的黏附性。最終確定方案7為本產(chǎn)品方案。

防銹劑

鋼絲繩的工作環(huán)境中經(jīng)常有雨水、冰雪、二氧化碳、含硫氣體、風沙、鹽霧、鹽水及細菌等，對鋼絲及繩芯纖維有較大的腐蝕作用，直接影響到鋼絲繩的使用性能和壽命。潤滑脂應(yīng)能阻斷這些有害物質(zhì)同鋼絲繩的直接接觸，減少電化學反應(yīng)和細菌的侵蝕，以有效保護繩芯和鋼絲。選擇防銹劑A和防銹劑B，考察了不同防銹劑加劑量對鋼絲繩表面脂防銹性能及高低溫性能的影響，結(jié)果見表4。從表4可以看出，添加防銹劑B的樣品均能通過測試，因此選用防銹劑B作為本產(chǎn)品方案。

產(chǎn)品性能評價

理化性能

食品級鋼絲繩表面潤滑脂經(jīng)過相關(guān)指標檢測，制成的潤滑脂完全能夠滿足我們制定的所有技術(shù)指標要求。將研制的水利工程專用食品級鋼絲繩脂與其他同部位在用潤滑脂基本性能進行了比較，結(jié)果見表5。

表2 基礎(chǔ)油性能對比

表3 不同基礎(chǔ)油及黏度指數(shù)改進劑制備的潤滑脂的低溫性能

由表5可以看出：

◇水利工程專用食品級鋼絲繩表面脂滴點能夠達到279 ℃，與現(xiàn)用產(chǎn)品相比具有優(yōu)異的高溫性能；同時為了滿足產(chǎn)品低溫性要求，我們采用比標準更為嚴格的-40 ℃以及80 ℃進行低溫性能和滑落測試，本產(chǎn)品均能通過相關(guān)檢測，因此具有良好的高低溫性能，可滿足啟閉機鋼絲繩不同工作溫度下的使用要求。

◇水利工程專用食品級鋼絲繩表面脂能夠通過防腐蝕試驗、鹽霧試驗，能夠有效防止鋼絲繩在惡劣工況下及多水環(huán)境中的銹蝕，延長鋼絲繩使用壽命。同時，該產(chǎn)品通過了高溫下的滑落試驗，能保證潤滑脂在夏季高溫光照環(huán)境下不跌落水中，避免潤滑失效及造成水資源污染。

安全性能

將制備的樣品送往第三方權(quán)威機構(gòu)進行了理化性能、潤滑脂食品安全性能及飲用水安全性能等檢測，包括重金屬、毒理學、飲用水等試驗，食品級鋼絲繩專用潤滑脂均通過測試，可滿足水利工程啟閉機鋼絲繩的潤滑需要，同時能夠滿足食品級及飲用水要求。

表4 不同防銹劑加劑量對鋼絲繩表面脂防銹性能及高低溫性能的影響

表5 水利工程專用食品級鋼絲繩表面脂理化性能及比較

工地現(xiàn)場試驗

在第三方權(quán)威機構(gòu)檢測合格的基礎(chǔ)上，為了進一步驗證水利工程專用食品級鋼絲繩表面脂的可靠性、安全性和實用性，選擇了兩個工地進行現(xiàn)場試驗，均是國家優(yōu)化配置水資源的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施。試驗工地現(xiàn)場見圖1。

工地現(xiàn)場試驗主要考核水利工程專用食品級鋼絲繩表面脂的可靠性、安全性、實用性、附著性、抗高溫性以及抗水性，主要考察現(xiàn)場裝脂后在長時間日照條件下有無變軟流失、有無干結(jié)，冬季低溫條件下有無變硬現(xiàn)象，在水中浸泡后有無乳化流失現(xiàn)象等。

工地現(xiàn)場試驗歷經(jīng)8月份至12月份，試驗周期包括夏天及冬天的極端天氣，對啟閉機進行了負載作業(yè)及靜置考察，同時對暴露在空氣中及浸入水中的鋼絲繩部位進行了跟蹤檢測。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，水利工程專用食品級鋼絲繩表面脂在鋼絲繩上油脂豐富，黏附性好，流失現(xiàn)象少，無遇水乳化現(xiàn)象，可以滿足水利工程啟閉機特別是大型門機的運轉(zhuǎn)要求，使用效果已經(jīng)遠遠超過目前使用的競品，得到了現(xiàn)場維護人員的認可。產(chǎn)品現(xiàn)場試驗效果見圖2。

結(jié)論

☆研制了一種水利工程專用食品級鋼絲繩表面潤滑脂。產(chǎn)品具有優(yōu)異的高低溫性能，在-40 ℃低溫下不脆裂，同時具有較高的滴點，能夠滿足-40～120 ℃范圍的使用要求；具有優(yōu)異的抗水性、防銹性、黏附性，能夠保證潤滑脂不被水沖刷掉而失去潤滑效果，同時確保鋼絲繩在惡劣環(huán)境中不被銹蝕，有效保護繩芯和鋼絲，延長鋼絲繩使用壽命。

☆采用水利工程專用食品級鋼絲繩表面脂在水利工程工地作了現(xiàn)場試驗，經(jīng)過在戶外及水下長時間考察，結(jié)果顯示產(chǎn)品的潤滑防護效果良好，可以滿足水利工程啟閉機特別是大型門機的運轉(zhuǎn)要求。

☆水利工程專用食品級鋼絲繩表面潤滑脂通過了潤滑脂食品安全性能及飲用水安全性能等檢測，所測指標均達到標準，確保對水體無污染，是國內(nèi)首次針對水利工程鋼絲繩開發(fā)的專用食品級潤滑脂，在提高飲用水質(zhì)安全、保障設(shè)備安全運行上有創(chuàng)新性突破，符合當前水利部提出的“科教興水”和“可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略”，顯著降低了潤滑脂對水源的污染。