合成型酯類空氣壓縮機油

苗新峰，朱江，王輝，逄翠翠，楊超，劉中國

(中國石油大連潤滑油研究開發中心，遼寧 大連 116031)

0 引言

空氣壓縮機是工業領域中的關鍵設備，是一種通過壓縮氣體來提高氣體壓力的通用機械。按工作原理主要分為往復式、螺桿式和離心式等，往復式空氣壓縮機的占比數量最大，其次是螺桿式，而離心式壓縮機通常使用汽輪機油。往復式壓縮機運行效率高、絕熱效率大于80%、壓比高、適應性強、流量調節方便、適用范圍廣，產品市場占有率大約在30%～40%[1-3]，見圖1。2018年，中國壓縮機產量大約4億臺，壓縮機行業市場集中度較高，占數量較少的外資(阿特拉斯、英格索蘭等)及國內領先企業擁有較大的市場份額。

壓縮機廣泛應用到各個行業，主要在機械制造、石油化工、礦山冶金等。“十三五”期間，隨煤化工、乙烯等能源形勢的發展，機械制造、石油化工領域的需求依然強勁。機械制造業仍是國內壓縮機行業最大下游應用領域，占比工業壓縮機總需求量的35%，2016年下半年開始，受國內工程機械、建筑機械、塑料機械等類型的制造業的回暖影響，壓縮機需求量呈增長趨勢。石油化工領域是工業壓縮機的第二大應用下游，占比總需求量的25%。中國市場壓縮機保有量持續增加，壓縮機油的需求量約10萬t/a，2017年往復式壓縮機油的需求量約為3～4萬t。道達爾BarelfCH100、美孚拉力士等空壓機油售后價格較高，產品技術含量較高，附加值很高。

圖1 雙動式兩極往復式壓縮機

油氣田應用領域往復式壓縮機占80%以上，石油化工、礦山開采及冶金等領域是往復式壓縮機需求較大的行業。合成酯型空壓機油產品在降低蒸發損失，減少積炭生成方面有明顯優勢，特別推薦應用于嚴苛工況下(高溫、高壓)的往復式空氣壓縮機，而且使用周期更長，性價比高，在國外空氣壓縮機行業中已得到廣泛應用。壓縮機初裝油大部分采用殼牌、美孚、道達爾等油品。

1 往復式空氣壓縮機油技術發展

空氣壓縮機的使用緊隨當今工業設備的發展趨勢：使用壽命延長，維護費用和停機時間減少，設備噪音更小，同時提供更清潔、溫度更高的壓縮氣體。嚴苛的工況對油品的使用性能提出了更高的要求，多級壓縮的往復式空氣壓縮機排氣溫度高達200 ℃以上，壓力最高達350 MPa，礦物油使用的上限溫度為160 ℃，在特定的工況下合成型空氣壓縮機油發揮熱安定性好的優勢，可以滿足嚴苛條件下往復式空氣壓縮機的使用要求[4-6]。

往復式空氣壓縮機對潤滑油的性能要求：

(1)適當的黏度。保證良好的潤滑和壓縮氣體的密封。壓縮機油的黏度在高壓下會增大，黏度過大，不但浪費功率，而且表面油膜恢復速度慢，增加磨損，也容易造成油泥和積炭；黏度小，易使氣缸活

塞間無法形成可靠油膜，造成漏氣。所以選擇時要考慮排氣壓力、終壓溫度、壓縮機的級數等因素。

(2)良好的熱氧化安定性。保證在運行中少生成油泥和高溫下(220 ℃以上)不易產生積炭。歐洲壓縮機制造者規定VG32～68 POT值(老化試驗)最大2.0或2.5，VG100～150最大值為3.0。

(3)抗積炭性。這是影響壓縮機潤滑油在使用中產生積炭多少的重要指標。必須使用積炭小的油品，過多的積炭會引起排氣閥和排氣管處結焦和堵塞，致使排出氣體倒回缸內，重復壓縮，使溫度迅速升高，高溫又加劇氧化，當溫度升到油的自燃點時，積存在積炭中的潤滑油開始燃燒，生成碳氫化合物和游離炭，與空氣混合達到爆炸界限。

(4)高閃點。閃點是壓縮機的安全性指標，因為壓縮空氣的溫度有可能超過油品閃點，壓縮機油閃點應高于排氣溫度30～40 ℃，閃點隨壓力提高而提高，這就等于為處于壓力狀態下的潤滑油增加了安全系數。

(5)高燃點。燃點也是壓縮機油的安全性指標。壓縮機著火爆炸的主要原因就是積炭受熱分解達到自燃點而引起的。當空氣壓力增加到1 MPa時，燃點下降到250 ℃，當壓力增加到10 MPa時燃點下降到200 ℃。

高壓、高壓差、高排氣溫度的中高壓往復式壓縮機對潤滑油的要求相應較高，需要更好的抗氧化性能，黏溫性能以及低溫流動性、高溫不易積炭等。如采用全合成PAO為基礎油，可應用于重負荷往復式空氣壓縮機的氣缸與曲軸箱部位的潤滑，具有優異的熱氧化安定性與抗磨性能，并且能降低排氣系統的積炭，但在極端工況下對積炭的溶解能力依然有限，因此有必要開發合成酯型空氣壓縮機油產品。

2 往復式空氣壓縮機油產品分析

從國內主要品牌的往復式空氣壓縮機油產品線進行分析(見表1)，各品牌均有主流礦物型產品和頂級合成型產品，昆侖和長城均有半合成型產品，而合成型產品的基礎油類型略有不同。

表1 往復式空氣壓縮機油產品線對比

表2為國內外往復式空氣壓縮機油A、B、C、D四種油品的主要理化性能分析，黏度等級均為100。通過分析對比， B70 min，A油品相對較差。D油的康氏殘炭增值1.71%，相對最大，A油康氏殘炭增值0.19%，相對最小。B油具有一定的極壓性。通過對合成酯型空氣壓縮機油核磁氫譜分析，如圖2所示，化學位移7～8 ppm處，A、B、C三個油品均出現明顯苯環上的H，所以基礎油類型很可能為芳烴類，D油含芳香基團較少。

表2 合成酯型往復式空氣壓縮機油競品性能對比

圖2 A、B、C、D合成酯型壓縮機油H NMR核磁氫譜

由圖3可知，四個油品在1750 cm-1附近均出現明顯C=O酯基峰，但D油在1000～1500 cm-1附近未出現明顯的苯環特征峰，因此D油的基礎油主要組成為非芳烴類酯類基礎油。

圖3 A、B、C、D合成酯型壓縮機油紅外譜圖

3 酯類基礎油性能對比

通常雙酯、多元醇酯類基礎油的苯胺點為-7～5 ℃，苯胺點越低，極性越強，對添加劑的溶解性越好。一般酯類潤滑油具有比同黏度的礦物油更好的潤滑性能，其原因在于酯類分子中的極性功能團在摩擦表面的強吸附作用，在摩擦表面上形成抗剪切性能更好的油膜，使摩擦表面受到保護。大部分酯類油毒性較低，生物降解性較好。

油品成焦傾向測定法：用加熱的潤滑油(油溫100 ℃)與高溫(310～320 ℃)鋁板短暫接觸測定結焦的傾向，見圖4。將油樣在規定溫度條件下用機械力濺到鋁制試驗板上。規定試驗周期后，稱重測定鋁板上沉積焦的量。在相同復合劑下，比較鄰苯二甲酸酯、偏苯三酸酯、季戊四醇酯的結焦性能，鄰苯二甲酸酯結焦劑量最大，為45 mg，季戊四醇酯的結焦劑量最低，為2 mg，偏苯三酸酯為32 mg。

圖4 不同基礎油下成焦傾向測定法外觀

鄰苯二甲酸酯具有沉積溶解性好的優點，被應用于往復式壓縮機油。普通芳香酯有苯環結構，所以黏度指數較低，其應用范圍受到限制。

偏苯三酸酯具有優良的高低溫性能，高溫蒸發小，結焦量低，與各種添加劑具有良好的相容性，是合成高溫鏈條油、合成螺桿式空氣壓縮機油等理想的合成基礎油。與同黏度季戊四醇酯相比，可降低增黏劑的用量，從而提高潤滑油的高溫性能；用于配制合成高黏度空氣壓縮機油時，

可以不采用增黏劑提高黏度，并且還可解決使用PAO出現的橡膠密封件相容性和添加劑溶解性問題。

季戊四醇酯由于酯基多，所以極性強，蒸發損失低，潤滑性好。多元醇酯具備優異的熱氧化安定性和低蒸發性，可比雙酯在高50～100 ℃的工作溫度下使用。

4 結論

合成酯型空壓機油產品在降低蒸發損失，減少積炭生成方面有明顯優勢，特別推薦應用于高溫、高壓下的大型往復式空氣壓縮機。對比分析國內市場上的頂級壓縮機油，均為芳烴類基礎油。通過油品成焦傾向測定法，分析三種類型酯類基礎油結焦性能，季戊四醇酯由于酯基多，極性更好，抗結焦性能最好，僅為2 mg，因此更適用于高溫高壓的苛刻工況。