高抗硬水液壓支架用乳化油的研制

黃莉云 李 謹

中國石化潤滑油有限公司上海研究院

針對液壓支架用乳化油因水質不適引發的常見問題，開發了一種水質硬度適應性較高的液壓支架用乳化油HFAE40-5。評價結果表明，開發產品具有較高的水質硬度適應性、熱穩定性能、低溫及防銹防腐性能，可滿足高硬度水質地區（水質硬度≤2 000 mg/L）煤礦的液壓支架用液需要。

液壓支架液是液壓支架系統的“血液”，液壓支架的支撐、升降、移動等動作都需要借助液壓液來實現能量的傳遞和轉換。目前在井工煤礦開采作業中，均需要使用到液壓支架液產品。液壓支架用高含水液壓液包括兩類，即乳化型（HFAE）和溶液型（HFAS）。

國內井工煤礦液壓支架用液市場目前仍以乳化型為主。早期市場習慣使用兌水稀釋后，稀釋液呈現奶白色的乳化型液壓支架乳化油，各類產品性能參差不齊，部分乳化液穩定性差，水質適應性范圍小，常伴隨堵塞過濾網、濾芯，作業環境臟、設備銹蝕等問題。近年來，市場上出現了一類半合成乳化型液壓支架乳化油，稀釋液狀態呈現水白色，水中分散的乳化液滴分子顆粒度更小，更有助于產品穩定性，且防銹潤滑性綜合性良好，越來越多地被市場所接受并應用。隨著煤礦逐步開發，國內某些地區如河南、內蒙等部分地區，使用的當地地下水水質硬度可達2 000 mg/L，水質礦化程度高，一般規格的液壓支架液產品無法完全適應該種特殊水質。為了滿足這類高硬度水質地區的使用要求，本文開發了液壓支架用乳化油HFAE40-5，為符合煤炭行業標準MT/T 76—2011《液壓支架用乳化油、濃縮液及其高含水液壓液》標準中適用水質硬度最高等級的產品。

液壓支架液對水質適應性差的常見問題

析油析皂

液壓支架液實際使用過程中一般常使用當地礦水按3%～5%稀釋后使用，當水質鈣鎂離子、硫酸根離子等含量較大，硬度過高時，常常伴隨液壓支架液稀釋后不能良好分散，出現不同程度的油皂析出。一般情況，水質硬度越高，稀釋液狀態越難保持穩定狀態。一旦油皂析出，對液壓支架系統危害較大，主要表現為以下幾點：

◇黏稠物質黏附在立柱、閥組等液壓元件表面和液壓系統中，易造成液壓支架液系統濾網堵塞[1]，影響系統正常作業。如過濾網過濾閥體過濾器堵塞、爆管[2]等。

◇部分煤礦作業面煤塵較大，稀釋液箱無良好防塵蓋或過濾網，致使煤塵等雜質落入液槽中，被稀釋液中析出的皂所包裹團絮，共同形成大顆粒黏稠灰黑色顆粒沉淀在稀釋液箱底部或黏附在配液箱壁，致使現場作業環境較臟。井下需要頻繁花費人力沖洗稀釋液箱，清除稀釋液箱內沉淀及黏附物，大大提升了維護成本。

◇稀釋液發生析皂后，嚴重時會發生油液分層，造成稀釋液潤滑等功能劑組成分布不均。這將導致稀釋液潤滑性得不到保證，無法有效降低支架內壁在支撐、升降、移動等動作中的磨損，發揮應有的保護支柱的作用，增加了材料消耗的成本。

防銹防腐蝕性差

地下礦水除了含有鈣、鎂等各類離子外，還含有一定氯離子。雖然MT/T 76—2011中規定了人工測試硬水的氯化鈉含量（330 mg/L），且使用單位在配制所用水質應符合無機械雜質、水中氯離子含量不大于200 mg/L的要求，但各煤礦實際用礦水是較為復雜的體系，部分離子含量均有差異。經過長期監測，河南等部分礦區作業面水質氯離子含量甚至超過500 mg/L；淮南礦區大部分綜采工作面水質不符合配液標準[2]。

氯離子含量高，會大大增加支架內鋼件和銅材部件的銹蝕風險，致使鋼材發生點蝕、銅材變色腐蝕等問題，進一步腐蝕設備，降低設備使用壽命。最明顯的是設備操作閥銹蝕卡死，往往液壓支架液對水質離子變化適應差，自身防銹性不理想或水中穩定性差導致防銹性下降，操作閥因銹蝕需更換的頻率都會增加，提升了檢修頻次和耗材損耗。

因此，液壓支架液需具有較好的水質適應性，特別是一些高礦化程度、水質較硬的地區，對液壓支架液的要求則更高。

液壓支架用乳化油HFAE40-5的研制

規格說明

MT/T 76—2011中將液壓支架液產品按使用時所適用水質的最高硬度劃分為8個等級，等級代號分別 為 5、10、15、20、25、30、35、40。水質適應性越高，等級代號數值越大。國內絕大多數煤礦一般10～15級的支架液產品都能良好覆蓋，但對于內蒙、河南等部分地區，水質硬度高達2 000 mg/L（40級），一般規格液壓支架液無法滿足用液要求。開發了液壓支架用乳化油HFAE40-5，能適應水質硬度不超過2 000 mg/L（使用濃度為5%，符合MT/T 76—2011中適用水質硬度最高等級）。液壓支架用乳化油HFAE40-5的技術要求見表1。

根據煤炭行業標準，產品在40級水質下，需滿足如上標準。其中，除了常規理化特性外，根據支架液實際使用要求，針對性地制定了相關評價方法，與穩定性密切相關的指標有室溫穩定性、熱穩定性、耐凍融性以及水中分散性和振蕩穩定性，其穩定性關鍵指標在于常溫、高溫和低溫穩定性。與防銹蝕密切相關的指標有鋼棒銅棒防腐蝕性、鑄鐵防銹性。另外，產品還需兼具一定的潤滑性和密封材料相容性。

技術路線設計

考慮到以上指標要求及產品類型特點，配方體系需要由基礎油與防銹劑、防腐蝕劑、表面活性劑、抗硬水劑、油性潤滑劑、消泡劑等多種添加劑組合。乳化油作為含油水溶性配方體系，是亞穩定狀態，為滿足適用水質硬度最高等級的要求，產品的技術難點在于如何保證乳化油本身以及在高礦化硬水中的持續穩定狀態。故本文重點在于配方穩定性的綜合考察。

水溶性潤滑劑

液壓支架用乳化油為含油配方，配方中含一定基礎油組成，同時為了確保支護設備內壁潤滑保護，滿足產品指標一定的潤滑要求，還有必要補充加入油性潤滑劑。

針對高抗硬水液壓支架液，應盡量避免使用對硬水適應范圍小的油脂類，盡可能減少高硬度下油皂的析出，減少油皂分散劑等功能添加劑的負擔；也需要避免采用傾點過高的油性潤滑劑，減少對產品低溫穩定性的負面影響。因此，油脂的選用應從硬水適應性好、低溫性佳著手。

關于油皂分散劑的考察

液壓支架液稀釋液中引起油皂析出的原因，主要是作為稀釋用水使用的是各礦當地地下礦水，其中鈣鎂離子、硫酸根離子等含量過高，水混入乳化油后，迫使乳化油中油脂部分被皂化析出。我國南方地區水質較軟，一般其自來水通常鈣鎂等離子含量較小；而大多煤礦水質硬度低于15級（750 mg/L），實驗室該級用水評價標準為鈣鎂離子含量240 mg/L，硫酸根離子720 mg/L；而適用于40級（2 000 mg/L）水質硬度礦水，實驗室該級用水評價標準為鈣鎂離子含量640 mg/L，硫酸根離子1 920 mg/L，水中離子含量較高。

表1 液壓支架用乳化油HFAE40-5的技術要求

為了良好地減少鈣皂在稀釋液中析出，一般通過添加功能劑來進行調整。常用的鈣皂分散抗硬水劑為EDTA（乙二胺四乙酸）絡合劑、烷氧基化脂肪醇、醇醚羧酸等。EDTA絡合劑主要是能和堿金屬形成性能穩定的水溶性配合物，在液壓支架液使用過程中和配液用礦井水中的鈣/鎂離子螯合；烷氧基化脂肪醇、醇醚羧酸，主要是作為陰離子表面活性劑，與堿物質中和反應生成鹽，增強配方耐硬水、提升鈣、鎂皂化物的分散能力。

為滿足對40級水質適應性要求，配方中引入醇醚羧酸、烷氧基化脂肪醇及EDTA，分別考察了配方的抗鈣皂析出性能，結果見表2。

由表2可以看出，EDTA、烷氧基化脂肪醇B在40級人工硬水中，對配方抗鈣皂分散作用已不明顯，未見有效改善；烷氧基化脂肪醇A有一定作用，但溶液表面析皂層仍較為明顯；配方中引入多款醇醚羧酸，在40級人工硬水中油皂分散作用明顯，以醇醚羧酸A、B、D評級結果較優良，因此在優選醇醚羧酸配方中進一步調整和優化。

在40級硬水中抗常溫、高溫穩定性的配方考察調配

液壓支架液采用礦水稀釋后，使用過程中需要長期保持穩定作業狀態，剛調配的稀釋液及稀釋液箱內溫度往往不高，但支架作業壓力大，部分支護設備循環不暢，會造成局部位置液壓支架液過熱的問題，故需要考察液壓支架液高溫（70 ℃）及常溫下持續7 d的稀釋液狀態，此過程中，稀釋液應無絮狀物、沉淀、表面析皂、油層分離等問題。

表2 油皂分散劑的考察

表3 40級硬水中高溫及常溫穩定性配方篩選試驗

配方通過乳化劑、鈣皂分散劑等添加劑的配伍性考察，在40級人工硬水條件下開展了稀釋液高溫、常溫穩定性測試，結果見表3。

從上述測試結果看，采用醇醚羧酸A和乳化劑合理組合，產品原液穩定性及稀釋液高低溫性能都達到了最佳狀態。配方B在40級高硬度水質下，再無油皂析出，原液和稀釋液透明度都較為理想，且加劑量也最為節省。故采用配方B作為液壓支架液主配方體系。

防銹蝕添加劑

為適應礦井水中一定含量的氯離子，保護產品鋼件及有色金屬免遭銹蝕侵擾，配方通過引入適量有色金屬腐蝕抑制劑、堿值保持劑、多元羧酸等多種防銹劑合理復配組合，良好解決了銹蝕問題。

通過對以上多種功能添加劑的組合考察，確定了研制的液壓支架用乳化油HFAE40-5的組成。

液壓支架用乳化油HFAE40-5性能檢驗

實驗室評價

研制的液壓支架用乳化油主要指標的實驗室評價結果見表4。

試驗結果顯示：在5%試驗濃度下，用2 000 mg/L人工硬水稀釋所研制的HFAE40-5產品，性能數據完全符合MT/T 76—2011的產品規范要求。

工業應用評價

采用配方產品在河南等現場水質硬度2 000 mg/L的煤礦開展了工業考察。實際應用結果顯示，產品對水質適應性好，能有效解決原用液壓支架乳化油堵塞濾芯、過濾閥卡死等問題。

結束語

通過對產品各類添加劑的篩選和考察，研制出了具有良好的熱穩定性能、低溫及防銹防腐性能、水質適應性好的長城牌液壓支架用乳化油HFAE40-5，所有指標符合MT/T 76—2011的水質硬度最高等級要求，解決了煤礦高硬度水質環境的液壓支架用液問題。

表4 研制的液壓支架用乳化油HFAE40-5的主要分析結果