基礎油和防銹劑對渦輪機油防銹性能的影響

謝文秀

中國石化潤滑油有限公司上海研究院

本文考察了基礎油和不同類型防銹劑對渦輪機油防銹性能、酸值以及抗乳化性能的影響，為渦輪機油配方的開發提供參考。

渦輪機（也叫透平機械）包括蒸汽輪機、燃氣輪機和水輪機等，隨著設計制造技術及國家電力工業的快速發展，呈現出向大容量、高效率的蒸汽輪機組、大型聯合循環機組的趨勢發展。其中，蒸汽輪機的蒸汽溫度和工作壓力不斷增大，工作負荷越來越重，這些對使用的渦輪機油的抗氧化、防銹以及抗乳化等性能提出了更高的要求。

汽輪機組，特別是蒸汽輪機，在運行過程中蒸汽和冷凝水滲入油系統，不僅會促進油品乳化，還會引起腐蝕，嚴重時還會引起調速系統片失靈、機組振動、過量磨損等不良后果，所以渦輪機油要具有優異的防銹性能。

防銹劑多是一種極性物質，防銹劑的加入在改善油品防銹性的同時，可能會對油品的酸值和抗乳化能力造成不利影響。而根據渦輪機油標準GB11120的規定，酸值不大于0.2 mgKOH/g，抗乳化性（乳化液達到3 mL的時間，54 ℃）不大于15 min（VG32和VG46）。因此，有必要對防銹劑對渦輪機油的防銹性、酸值及抗乳化性能的影響進行考察。

試驗部分

原料

基礎油：HVI Ib150、API II類加氫基礎油a、API II類加氫基礎油b。

添加劑：防銹劑A（羧酸半酯）、防銹劑B（羧酸型）、防銹劑C（羧酸衍生物）、防銹劑D（氨基酸衍生物）、防銹劑E（有機酸酯）。

試驗設備

上海田中科學儀器有限公司KR-2石油和合成液破乳化性能測定儀；上海效德儀器有限公司RLP-6液相銹蝕試驗儀；Metrohm公司862自動酸值滴定儀；Cannon公司CAV2100全自動運動黏度測定儀；日本三菱IATRON公司MK-6s TLC-FID棒薄層色譜儀。

試驗內容

對API I、II類加氫基礎油和羧酸型、羧酸半酯型等不同類型防銹劑進行了考察，并采用以上試驗設備對基礎油族組成以及油品的防銹性能、酸值和抗乳化性能進行分析測試。

結果與討論

不同基礎油防銹性能考察

防銹劑多是一些極性物質，當含有防銹劑的油品與金屬接觸時，防銹劑分子中的極性基團對金屬表面有很強的吸附力，在金屬表面形成緊密的保護層，阻止腐蝕介質與金屬接觸，從而起到防銹作用[1]。

基礎油占到成品油的95%（質量分數）以上，起到載體作用和油效應作用。油分子通過和防銹劑碳氫鏈結合使防銹劑分子定向地排列在金屬表面，從而形成保護膜，見圖1[2]。

以國產HVI Ib150、API II類加氫基礎油a和API II類加氫基礎油b為例，添加m%T746防銹劑，考察其防銹性能，結果見表1。

從表1可以看出：

◇當基礎油中不加防銹劑時（樣品1至樣品4 為未加防銹劑的純基礎油），其液相銹蝕結果均為重銹。說明基礎油本身不具備足夠的防銹能力，不能夠滿足渦輪機油的質量指標，因此需要加入防銹劑。

◇當加入m%T746后，不同基礎油的防銹結果有所不同。HVI Ib150和API II類加氫基礎油b為無銹，API II類加氫基礎油a為輕銹，而HVI Ib150和API II類加氫基礎油a混合后的油樣為無銹。說明加入一定加劑量的T746后，不同基礎油的防銹性能不同，即基礎油對油品的防銹效果有一定影響。相同防銹劑在不同基礎油中的防銹性能不同，這主要是不同基礎油的組分不同所造成的[3]。T746為十二烯丁二酸，是一種極性物質，其極性基團能與金屬生成鹽形成化學吸附，在金屬表面吸附形成保護層，從而起到防銹作用，而基礎油中的極性物質（膠質和瀝青質）與防銹劑在金屬表面的競爭吸附，進而影響了油品的防銹性能。API II類加氫基礎油a中的極性物質最多，對防銹劑的干擾也最大，故其防銹性能越差。

圖1 防銹劑分子中極性分子與烴類在金屬表面的吸附示意

表1 基礎油的防銹性能

目前渦輪機油為了延長油品的使用壽命，通常采用API Ⅱ類、Ⅲ類加氫基礎油調制，其中API II類加氫基礎油使用較為廣泛。通過對不同基礎油的防銹性能考察發現，T746在API II類加氫基礎油a中的效果較差，而且，因此選擇API II類加氫基礎油a繼續研究不同類型防銹劑的作用及其對油品其他性能的影響。

不同防銹劑在API II類加氫基礎油中的防銹性能考察

液相銹蝕試驗考察

采用液相銹蝕試驗考察了不同防銹劑在API II類基礎油a中的防銹性，同時考察了油品的酸值、抗乳化性能，結果見表2，液相銹蝕結果見圖2。

從表2可以看出，在相同的基礎油條件下，不同類型防銹劑的防銹效果以及對油品酸值和抗乳化性能的影響有所不同：

◇當API II類加氫基礎油a不加防銹劑時，液相銹蝕為重銹；當加入m%防銹劑A、B、C和D時，油樣均為無銹，但加入m%防銹劑E后油品為輕銹，說明在此基礎油中有機酸酯防銹劑E的防銹效果略差。

◇加入羧酸型防銹劑B的油品酸值較高，半酯類和衍生物類的防銹劑酸值較低。這與添加劑的化學結構有關。酸值對渦輪機油中防銹劑加劑量和種類有一定的限制。

◇加入羧酸型防銹劑B和氨基酸衍生物防銹劑D的油品抗乳化性較差[4]，均超過10 min，補加0.01%破乳劑F后抗乳化性均可降低至5 min，說明可以通過補加適量的破乳劑來改善防銹劑對油品的抗乳化性能造成的影響。

水洗防銹試驗考察

由于渦輪機特別是蒸汽輪機的運行過程中可能會有水的混入，水分的增加不僅會增加設備腐蝕的風險，而且作為極性物質，還會影響防銹劑的作用。在API II類加氫基礎油a中加入m%防銹劑A、B、C和D液相銹蝕（合成海水，24 h）結果均為無銹，為了進一步探究不同防銹劑的防銹效果，使用試驗條件更為苛刻的水洗防銹試驗進行考察。該試驗是將300 g油樣于燒杯中，再加入50 g蒸餾水，并將燒杯放入90 ℃油浴中使用攪拌器攪拌30 min，冷卻至室溫后使用分液漏斗靜置分層，將下面的水層放出，上面的油層按照GB/T 11143（B法）方法測試。

表2 不同防銹劑在基礎油中的性能考察

圖2 不同防銹劑在API II類加氫基礎油a中的液相銹蝕結果

使用API II類加氫基礎油a作為基礎油，加入同等劑量的防銹劑，考察不同結構類型的渦輪機油常用防銹劑的水洗后防銹性能，結果見表3及圖3。

從表3可以看出，在API II類加氫基礎油a中，不同防銹劑的水洗后防銹結果不同：加入羧酸型防銹劑B、羧酸衍生物防銹劑C和氨基酸衍生物防銹劑D的油品為無銹，加入羧酸半酯防銹劑A的油樣為輕銹，加入有機酸酯防銹劑E的油樣為中銹。不同類型的防銹劑在II類加氫基礎油中的防銹效果以及對油品其他性能的影響有所不同，這與防銹劑的結構以及基礎油的感受性有關。羧酸型防銹劑的防銹效果較好，但對油品的酸值和抗乳化性能影響較大，有機酸酯防銹劑在此基礎油中防銹效果較差。

結論

☆基礎油中的極性化合物對油品的防銹性能有一定影響。一定劑量的防銹劑可以改善基礎油的防銹性能，但基礎油的極性化合物越多其改善效果略差，這可能與基礎油中的極性化合物和防銹劑產生競爭吸附有關。

表3 不同防銹劑的水洗防銹試驗結果

圖3 不同防銹劑的水洗后液相銹蝕結果

☆通過不同類型防銹劑在API II類加氫基礎油a中的考察，發現不同類型防銹劑的防銹效果以及對油品酸值和抗乳化性能的影響有所不同：加入m%防銹劑A、B和C，油品的防銹、酸值和抗乳化均滿足要求，但是相對而言加入防銹劑B的油品酸值較高；加入m%防銹劑B和D的油品較加入其他防銹劑的油品抗乳化能力略差，但可以通過加入適量破乳劑改善；加入m%防銹劑E的油品防銹性能略差，在實際使用時需要加大加劑量。

☆不同類型防銹劑在API II類加氫基礎油a中水洗防銹試驗結果表明：5種不同類型防銹劑中，有機酸酯和羧酸半酯型的防銹性能略差。

☆通過考察防銹劑在渦輪機油中的性能影響，可以為渦輪機油開發中防銹劑的篩選以及運行渦輪機油防銹劑的補加提供參考。在選擇防銹劑時，應綜合防銹性能以及對油品酸值和抗乳化能力的影響幾個方面進行綜合考量。