油田柱塞式注水泵專用潤滑油的基本性能研究

周世德 姚文釗 楊倩

1 中國石油長慶油田公司采油一廠

2 西安石油大佳潤實業有限公司

本文對油田注水泵在用的15W-40 CD 柴油機油與自主研發的油田柱塞式注水泵專用潤滑油產品的各項性能進行了對比研究，發現專用油產品具有良好的抗氧化、抗磨損，優異的抗乳化、水分離性，在一定的含水量下長期放置不影響產品使用性能。現場使用結果表明，1 號專用油（40 ℃運動黏度70～90 mm2/s）現場使用3 000 h 后油水仍能較好分離，可以滿足油田專用柱塞式注水泵在復雜環境條件下的使用要求。

油田注水是保持油層壓力、降低原油遞減率的主要措施，注水泵機組是油田注水的關鍵設備。柱塞泵具有揚程高、排量小、效率高、電力配套設施簡單等特點，適用于注水量低、注水壓力高的中低滲透油田或斷塊油田[1]。

長期以來注水泵進水后導致潤滑油乳化，是困擾各油田公司的一大難題。注水泵傳輸的介質主要是清水和含油污水，工作壓力較高，柱塞系統密封不良或者由于呼吸作用，極易造成潤滑油中混入水分，導致柱塞泵潤滑油乳化變質。油品乳化后若不及時更換，使注水泵長時間得不到良好的潤滑，會造成軸承損壞、軸瓦腐蝕等現象，給油田造成巨大損失；油品乳化后若及時更換，則造成極大浪費。因此，抗乳化性能是注水泵油質量控制的關鍵[2]。

本文通過對長慶油田柱塞式注水泵在用的15W-40 CD 柴油機油及新研制的油田柱塞式注水泵專用潤滑油（以下簡稱注水泵專用油）性能對比研究發現，研制開發的注水泵專用油產品以其良好的抗乳化性能，優異的極壓抗磨性能、氧化安定性以及良好的耐腐蝕性能，可以極大延長油品使用壽命，減小因油品乳化而導致的設備腐蝕磨損，能更好地滿足油田柱塞式注水泵實際工況需求。

試驗用潤滑油

研究中針對長慶油田注水泵的使用工況，結合目前注水泵在用潤滑油有較寬的黏度使用范圍（在用的15W-40 CD 柴油機油 40 ℃運動黏度剪切前在100 mm2/s 左右，剪切后降低為70 mm2/s 左右）這一現狀，以精制礦物油、專用的復合劑為原料，開發研制了2 款不同黏度級別的注水泵專用油產品，40 ℃運動黏度分別為 70～90 mm2/s（1 號油），110～140 mm2/s（2 號油）。在用的15W-40 CD 柴油機油和2種注水泵專用油的典型數據見表1。

結果與討論

水分離性（抗乳化性）的主要影響因素考察

潤滑油的抗乳化性是指油品與水不乳化，或雖然乳化但經靜置后油與水能迅速分離的性能。液壓油、齒輪油、船用油、汽輪機油等用于循環系統的潤滑油常常不可避免地要混入冷卻水，若其抗乳化性不好，油與水將形成乳化液，使水不易從油箱底部放出。在調和、使用、保管和儲運過程中亦要避免雜質的混入和污染，否則若形成了乳化液，不僅會降低油品潤滑性能、損毀機件，而且易形成油泥。另外隨著時間的增長，油品的氧化、酸值的增加、雜質的混入都會使抗乳化性變差。抗乳化性的測定方法是將40 mL 油與40 mL 水混合，在一定溫度下攪拌5 min 后靜置觀察，記錄油層—水層—乳化層達到（40—37—3）的時間，30 min 內即為合格。

表1 試驗用潤滑油的典型數據

有關潤滑油水分離性（抗乳化）性能評價，國內外已有成熟的評價方法。但使用中發現，抗乳化性能良好的潤滑油產品，實際使用中分水效果并不十分理想，尤其是隨著油品氧化變質及雜物的引入，抗乳化性能衰減得很快甚至完全失效。研究中模擬現場使用條件，按比例往油品中分別加入一定量[1%(質量分數)～10%(質量分數)]的水分，參照GB/T 7305《石油和合成液水分離性測定法》的試驗條件，在82 ℃攪拌5 min 使之混合均勻，作為含水試驗油品，考察水分對產品綜合性能的影響。

水分含量對產品水分離性的影響

將含水量分別為1%（質量分數）、2%（質量分數）、4%（質量分數） 、5%（質量分數）、10%（質量分數）的含水試驗油攪拌均勻后靜置一定時間，觀察油水分離情況。結果表明，當注水泵專用油中含水量小于4%（質量分數）時，油水混合后在30 min 內不能快速分離，但當油品的含水量達到5%（質量分數）以上時，靜置約10 min 后，油水可以快速分離，但油層透亮度變差，表明油品對水分有一定的包容性。

貯存時間對產品水分離性的影響

分別將含水量1%（質量分數）、2%（質量分數）、4%（質量分數）的含水試驗油在高溫（65 ℃，模擬注水泵油箱溫度）下貯存24 h、72 h，考察長時間靜止后產品的分水性，結果見圖1 、圖2。

由圖1、圖2 可以看出，不同油品的分水性能存在明顯的差異：

◇15W-40 CD 柴油機油加水后乳化狀況明顯，隨著含水量的增加，油品靜置后底部白色渾濁物呈增多趨勢；隨著靜置時間的延長，白色渾濁物量增加；對樣品進行搖晃及儲樣瓶倒置后，白色渾濁物會緩慢分散于油液中，瓶壁留有大量殘留物。分析認為，伴隨著油品的乳化加深，部分添加劑有可能發生水解析出固體細小顆粒物質，沉積于底部。

◇注水泵專用油產品加水后也會出現微乳化狀態，產品透亮度降低。但樣品靜置后觀察，水分是以微小的液珠分散于油液中，即形成的是乳濁液。隨著水含量增加，靜置后油品中水珠及底部出現的水層增多；隨著靜置時間的延長，分散的水珠減少，而分出的水分增多。這說明注水泵專用油產品具有較好的水分離性，在一定的時間內，大部分水分會從油品中分離出來，而少量水分會溶解或懸浮于油品中而穩定存在。同時發現，樣品瓶上部及瓶蓋處有因高溫蒸發而出現的水珠，表明部分水分屬游離狀態，可自由沉降或蒸發。

圖1 貯存24 h后油品外觀

圖2 貯存72 h后油品外觀

油品中水分一般以3 種狀態存在：溶解水、乳化水、游離水。溶解水是以溶解狀態與油分子相結合形成的單一相，它以水分子狀態存在于烴類分子的間隙之間，其溶解量取決于油品的溫度和化學組成，不影響油品的透光特性[3，4]。不同種類型號的油液根據溫度和老化程度的不同可以含有200 ～ 600 mg /L范圍的溶解水，老化油可以容納溶解水的量大約是新油的3 ～4 倍。一旦油品的溶解水含量達到能容納的極限，水就會以微小液滴的形式分散在油中，形成油水兩相體系，外觀上油品呈現渾濁現象，這時水在油中懸浮成極小的液體水珠(這種水珠在顯微鏡下清晰可見)，難于從油品中分離出來，這就是乳化水。如果乳化水太多，就會出現相分離，導致分層，出現游離水、油水乳化液和油三層，而游離水是指沉降到容器底部或者附著在容器壁上的單一水相體系[5]。

老化程度對抗乳化性能的影響

隨著使用時間的延長，油品因自身氧化變質而導致各項性能逐步衰減，而氧化后產生的酸性物質及其他極性雜質均會對油品的抗乳化性能產生負面影響。研究中采用把深度氧化后的廢油（旋轉氧彈試驗后的含水廢油）按比例添加到新油中，進行抗乳化性能評價，以模擬現場油品老化實際情況。考察結果見表2、表3。

由表2、表3 可以看出，不同黏度的注水泵專用油產品均具有良好的抗乳化（油水分離）能力，5 min 內即可實現油水快速分離，加入氧化以后的廢油后，不同產品的抗乳化能力顯示出明顯的差距。1 號油加入10%（質量分數）的廢油后，15 min 內仍可分離，加入20%（質量分數）的廢油后需要25 min 才可實現油水較好的分離，加入25%（質量分數）的廢油后，30 min 內仍不能有效分離；2 號油中含有5%（質量分數）的廢油后，30 min 內即不能達到分離效果。這表明，1 號油具有更好的抗乳化性能。而對于15W-40 CD 柴油機油，即使新油也不能與水有效分離。

水分含量對油品使用性能的影響

將含水量1%（質量分數）、2%（質量分數）、4%（質量分數）的含水試驗油分別貯存于高溫烘箱中（65 ℃），并定時搖晃使油水混合均勻，分別在15 d、30 d、45 d、60 d 后按時取樣，搖晃均勻后考察水分對不同氧化深度油品抗氧化性能、極壓抗磨性（最大無卡咬負荷/PB，磨斑直徑）、防銹性、銅片腐蝕等綜合性能的影響。

對抗氧化性能的影響

含水量對油品抗氧化性能的影響見圖3。

由圖3 可以看出，相對于新油（不含水）：

◇在1 號油中加入2%（質量分數）、4%（質量分數）水后對其氧化誘導期有較大影響，但隨著貯存時間的延長，氧化誘導期基本穩定在一定的誤差范圍內。分析認為1號油黏度較小，少量水分即可影響形成的油膜，因而對旋轉氧彈試驗用銅絲產生腐蝕而影響抗氧化性能結果。

表2 老化程度（1號油）對抗乳化性能的影響

表3 老化程度（2號油）對抗乳化性能的影響

◇2 號油新油加水后氧化誘導期沒有變化，表明該產品對水分有很好的包容性，適量的水分不會對產品的抗氧化性產生大的影響。

◇15W-40 CD 柴油機油中加水后氧化誘導期普遍縮短，尤其是含水量4%（質量分數）時隨著時間的延長，氧化誘導期有逐步縮短趨勢，這是因為柴油機油中的金屬清凈劑、抗氧抗腐劑在水作用下會有少許分解，因而影響了抗氧化性能。

對極壓抗磨性能的影響

含水量對油品磨斑直徑、最大無卡咬負荷PB的影響分別見圖4、圖5。

由圖3、圖4 可以看出：

◇1 號油、2 號油的磨斑直徑D沒有明顯突變，但15W-40CD 柴油機油的磨斑直徑在油品水含量達到2%（質量分數）后明顯增大，抗磨性能變差，這主要是由于水分的存在導致抗氧抗腐劑ZDDP(二烷基二硫代磷酸鋅)發生水解所致，而注水泵專用油中不含ZDDP 等。

圖3 含水量對油品抗氧化性能的影響

圖4 含水量對油品磨斑直徑的影響

◇各油品最大無卡咬負荷PB結果均有較大程度下降，表明水分的存在嚴重影響了油膜的強度，在較高負荷下油膜會破裂而導致抗磨性變差。但注水泵專用油在抗摩擦磨損方面仍具有明顯的優勢，隨著貯存時間的延長，油品中水分含量會有一定的減少，其PB值得以逐步恢復，這得益于產品中添加的極壓抗磨劑不發生水解，對水穩定性良好。

對銅腐蝕性的影響

注水泵曲軸箱銅套屬易腐蝕部件，油品抗腐蝕性能差或者油品中含有水分，極易導致銅套腐蝕磨損，引起設備故障甚至安全事故。含水量對油品銅腐蝕性的影響見表4。

由表4 可見，在新油（不含水）銅腐蝕性相同的條件下，不同油品中加水后其銅腐蝕性明顯不同。2 號油基本不受影響；1 號油在水含量較低時不受影響，水含量達到2%（質量分數）后有一定影響；15W-40 CD 柴油機油中加水后銅腐蝕性明顯變差，隨著儲存時間的延長由1b 增加到3a，這主要還是因為水分對添加劑產生影響所致。

圖5 含水量對油品最大無卡咬負荷PB的影響

表4 含水量對油品銅腐蝕性的影響

產品綜合性能及應用效果評價

研究中對工業化專用油產品與15W-40CD 柴油機油進行綜合性能評價，結果見表5。產品在油田柱塞式注水泵（中國石油裝備公司，型號：5ZB-20/43I；電機功率220 kW，吸入壓力0.03～1.5 MPa，排出壓力21 MPa，沖程130 mm，泵速350 r/min）使用 3 000 h 的抗乳化性能評價結果見表6。

由表5、表6 可以看出：

◇15W-40 CD 柴油機油無論在抗乳化性能還是抗氧化、抗磨損性能方面，均與注水泵專用油有較大的差距：其蒸發損失過大，會導致油品在使用過程中易揮發，造成工作環境油氣味大，影響操作人員身體健康；剪切后黏度降低幅度大、形成的油膜強度低、抗磨損性能差，會導致設備因磨損而損壞；氧化誘導期短，會影響油品使用；尤其是在抗乳化性能方面，15W-40CD 柴油機油新油遇水即乳化。

表5 產品綜合性能評價結果

表6 注水泵專用油在油田柱塞式注水泵使用3 000 h的抗乳化性能評價結果

◇2 號油現場使用500 h 還具有較好的分水性，但1 000 h 后就明顯變差，而1 號油現場使用3 000 h后油水仍能較好分離，油品使用壽命長，具有更加長效的潤滑性能。

結論

以精制礦物油、專用的復合劑為原料，開發研制的不同黏度級別的油田柱塞式注水泵專用油產品具有良好的抗氧化、抗磨損性能，優異的抗乳化、水分離性能，在一定的含水量下長期放置不影響產品使用性能。黏度較低的1 號專用油（40 ℃運動黏度70～90 mm2/s）現場使用3 000 h 后油水仍能較好分離，油品使用壽命長，具有更加長效的潤滑性能，可以滿足油田專用柱塞式注水泵在復雜環境條件下的使用要求。