采用加氫基礎油的L-DRG10全封閉冷凍機油研制

(中海油氣(泰州)石化有限公司 江蘇泰州 225300)

氟氯烴(CFCS)、氫氟氯烴(HCFCS)等含氟制冷劑的使用被證明是導致臭氧層被消耗的主要因素，也是造成全球氣候變暖的原因之一。為解決臭氧層被消耗的問題和降低能耗，異丁烷(R600a)等綠色制冷劑的應用快速增長。R600a制冷劑憑借其全球變暖潛能值(GWP)和臭氧破壞潛能值(ODP)為0，無毒、制冷效率較高，與水不發生化學反應，與銅質管材和礦物潤滑油完全兼容等優勢，在冰箱制冷壓縮機制造行業得到大力推廣與普及。而冷凍機油的選用與制冷劑的類型密切相關，因此R600a的使用，同時也對冷凍機油在節能降耗、環境保護、高效運行方面提出了更高的需求。冰箱和空調壓縮機技術的發展趨勢是節能和環保，從節能方面考慮，采用低黏度油有利于降低低溫黏度，減少啟動功率[1-6]。

本文作者針對R600a制冷壓縮機使用工況的要求，以采用先進的高壓加氫組合工藝技術[7-8]生產的環烷基和石蠟基輕潤基礎油為原料，通過對基礎油組成優化研究，解決L-DRG10低黏度冷凍機油黏度與閃點之間的矛盾，再通過添加劑配方研究，改善L-DRG10低黏度冷凍機油在烴制冷劑稀釋條件下的潤滑能力和高溫工況下的熱-化學穩定性，從而提高冷凍機油在制冷設備中的制冷效率并延長其使用壽命。

1 L-DRG10全封閉冷凍機油技術要求

根據GB/T 16630-2012《冷凍機油》的要求及用戶提出的質量要求，研制的L-DRG10全封閉冷凍機油必須滿足表1所示的性能指標。

表1 全封閉冷凍機油性能指標

從L-DRG10全封閉冷凍機油指標要求來看，研制低黏度冷凍機油的關鍵問題是解決油品的低溫性能，以及與制冷劑的熱/化學穩定性等問題。在L-DRG10全封閉冷凍機油中，基礎油的低溫性能決定了成品油的低溫性能，添加劑的配方決定了成品油的化學穩定性、抗磨性能和抗泡性能。

2 L-DRG10全封閉冷凍機油研制

L-DRG10全封閉冷凍機油研究的關鍵指標是黏度、閃點、低溫性能和潤滑性，因此L-DRG10全封閉冷凍機油的研究，需著重解決以下關鍵問題：

(1)解決基礎油黏度要求低、閃點要求高的矛盾。因此要優化輕質基礎油組分的比例和油品的黏度，在滿足基礎油黏度指標的前提下，盡可能提高油品的閃點。

(2)解決基礎油組成與熱-化學穩定性之間的關系，使油品與添加劑有良好的溶解性和穩定性。

(3)解決油品與制冷劑R600a的潤滑性匹配問題。R600a屬于非含氯型環保制冷劑，不能與金屬發生化學反應形成抗磨層；另一方面為滿足壓縮機高效節能的發展趨勢，對低黏度冷凍機油產品而言，抗磨性能的需求更加苛刻，因此在冷凍機油中要針對性地進行功能添加劑的復配。

文中以某高壓加氫組合工藝深度精制的環烷基和石蠟基輕潤基礎油為原料，通過調整基礎油中的烴組成，控制基礎油的沸程，以及與不同功能劑復配，解決了礦物型低黏度度冷凍機油閃點低、潤滑性不理想的問題，開發出滿足質量要求的L-DRG10全封閉冷凍機油。

2.1 L-DRG10基礎油配方篩選

以某高壓加氫組合工藝深度精制的環烷基和石蠟基輕潤基礎油為原料，通過對不同基屬加氫基礎油組分的理化性質分析，篩選出L-DRG10全封閉冷凍機油的適宜組分。

2.1.1 加氫基礎油性質分析

表2給出了5種潤滑油基礎油性能，其中1～3號是環烷基加氫基礎油， 4～5號是石蠟基加氫基礎油。可以看出：

(1)環烷基加氫基礎油的黏度指數較低、低溫性能較好，傾點、絮凝點和兩相互溶溫度較低，但1號和2號環烷基加氫基礎油的閃點低。

(2)石蠟基加氫基礎油的黏溫性能較環烷基基礎油好。由于少量蠟分子的存在，5號石蠟基加氫基礎油表現出較高的傾點、絮凝點和互溶溫度，但其低溫性能比環烷基基礎油差。

可見，不同基屬加氫基礎油性能各有優缺點，合理利用環烷基基礎油優良的低溫性能和石蠟基基礎油優良的黏溫性能，可以優選出合格的L-DRG10全封閉冷凍機油基礎油配方。

表2 潤滑油基礎油性能參數

2.1.2 L-DRG10基礎油組成優化試驗

根據L-DRG10全封閉冷凍機油的黏度要求，采用環烷基石蠟基和加氫基礎油進行L-DRG10小樣調合，考察了表3所示的5種方案的調合基礎油的運動黏度、閃點、傾點和絮凝點，以得出滿足技術要求的最優方案。

表3 不同調和方案L-DRG10基礎油關鍵性能參數

與表1所示的性能指標要求相比較，可知：表3中方案1調合基礎油的閃點低于指標要求；方案3調和基礎油的閃點在指標下限；方案4、方案5的低溫性能不好，傾點高于指標要求，且方案4絮凝點高于指標要求；方案2調和基礎油的關鍵性能都能滿足要求。因此，文中選擇方案2為基礎油調合方案。

2.2 添加劑復配研究

冰箱和空調壓縮機向小型化發展，同時為保證冷凍機油使用壽命與壓縮機同步，這就對冷凍機油要求更加苛刻。文中從冷凍機油的3種主要功能添加劑抗氧化劑、抗磨劑和抗泡劑[9-10]中，評選出與制冷劑共存下具有更加優異的熱-化學穩定性能產品。

2.2.1 抗氧劑的篩選

抗氧劑可以抑制或延緩油品氧化而延長使用壽命。如表4所示，文中選擇胺型抗氧劑A和酚型抗氧劑B 2種抗氧劑，設計了5種方案，考察了抗氧劑A和B以不同比例加入油品中的氧化安定性和化學穩定性，結果如表5所示。

從表5可以看出：對比方案1，基礎油中加入抗氧劑后，可以明顯提高油品氧化安定性；對比胺型抗氧劑A和酚型抗氧劑B的抗氧化效果，加入酚型抗氧劑B后油品的顏色變化最小、酸值更低、催化劑無腐蝕，油品的穩定性更好；抗氧劑B隨加入量的增加，油品氧化安定性、熱化學穩定性提高。在油品中抗氧劑含量達到一定量后，抗氧劑與分子氧的反應概率增大而發生氧化強化效應，這樣就會減弱抗氧劑的性能，因此抗氧劑加入量要適量。從氧化安定性、熱化學穩定性的試驗結果和經濟性出發，加入量為0.3 %(質量分數)為最佳方案。

表4 抗氧劑試驗方案

表5 抗氧劑試驗方案測試結果

2.2.2 抗泡劑的篩選

冷凍機油基礎油和添加劑中會有少量的極性物質，易產生發泡現象，進而對潤滑油的泵送性能造成影響，破壞膜強度及穩定性，造成不應有的磨損事故。抗泡劑的作用是抑制泡沫的產生，以免形成穩定的泡沫[11]。文中選用硅型抗泡劑C和復合抗泡劑D 2種不同類型的抗泡劑，設計了如表6所示的4種試驗方案，進行油品的抗泡沫性能測試，結果如表7所示。

由表7可知：在加入抗泡劑后，油品的抗泡沫傾向和穩定性有不同程度的降低，其中抗泡劑D的抗泡沫性改善效果最佳；當加入10 μg/g的抗泡劑D時，L-DRG10冷凍機油抗泡沫性達到指標要求。

表6 抗泡劑試驗方案

表7 抗泡劑評選試驗結果

2.2.3 極壓抗磨添加劑的篩選

在制冷系統中，R600a制冷劑不能夠像R12一樣提供加壓特性，冷凍機油混入一定量的制冷劑后會造成黏度和潤滑性能的下降，因此需要加入抗磨添加劑來提高冷凍機油的性能，保證制冷壓縮機的潤滑。文中選用硫磷類抗磨劑E、磷類抗磨劑F和硫類抗磨劑G，設計了如表8所示的5種試驗方案，通過法萊克斯(Falex)極壓負荷試驗和密封管試驗，綜合評選合適的抗磨劑，結果如表9所示。

表8 抗磨劑試驗方案

表9 冷凍機油抗磨劑評選試驗結果

對比表9中方案1和2的Falex失效負荷和抗腐蝕性試驗結果，可知在相同比例下，硫磷類抗磨劑E性能更加優異；通過考察加入不同比例抗磨劑E的Falex失效負荷和抗腐蝕性試驗結果，加入質量分數1.2%的抗磨劑E后，可以顯著提高L-DRG10冷凍機油的的抗磨性能，與市場上同類產品性能相當。

2.3 產品性能評價

根據基礎油調合方案添加劑復配研究表明，評選出的L-DRG10冷凍機油的方案是：通過基礎油組分的評選及添加劑復配研究，采用最優的環烷基石蠟基和加氫基礎油調合方案，加入質量分數0.3 %的抗氧劑B，10 μg/g抗泡劑D，質量分數1.2%的抗磨劑E，研制出L-DRG10全封閉冷凍機油，其性能評價結果如表10所示。該產品滿足表1所示的GB/T 16630-2012冷凍機油質量指標。

表10 L-DRG10全封閉冷凍機油性能

對研制的L-DRG10全封閉冷凍機油產品進行冰箱壓縮機臺架試驗評定，結果如圖1所示。試驗后壓縮機的活塞、曲軸、閥片、連桿、活塞銷等機械零件磨損正常，L-DRG10全封閉冷凍機新油裝機后冰箱壓縮機運行良好，臺架試驗后無積碳和沉淀產生，這說明產品具有優良的熱/化學穩定性和潤滑性，可以完全滿足全封閉冰箱壓縮機的實際工況要求。

圖1 冰箱壓縮機臺架試驗評定

3 結論

以中海油氣(泰州)石化有限公司高壓加氫組合工藝生產的環烷基/石蠟基加氫基礎油為原料，利用環烷基加氫基礎油優良的低溫性能和石蠟基加氫基礎油優良的熱穩定性、黏溫性能，再通過功能添加劑的補強，賦予油品良好的抗磨性和抗氧化安定性，研制出符合GB/T 16630-2012的適用于R600a全封閉壓縮機的L-DRG10全封閉冷凍機油。該產品滿足冰箱制冷循環的工況要求，并實現工業化生產和應用，市場前景廣闊。