熱氧化安定性試驗在空氣壓縮機油中的適用性研究

高傳奎，朱江，劉中國

(1.駐中國石油大連石化分公司軍事代表室，遼寧 大連 116031；2.中國石油大連潤滑油研究開發中心，遼寧 大連 116031)

0 引言

壓縮機在石油、化工等工業部門的工藝流程及諸多行業的氣動設備中應用廣泛[1-3]，其中以空氣為壓縮介質的稱為空氣壓縮機。根據設備結構與工作原理不同，壓縮機可分為活塞式、回轉式等類型。活塞式空氣壓縮機的壓力范圍較廣，排氣溫度更高，多級設備壓力能達到350 MPa，溫度通常在200 ℃以上，潤滑油極易結焦產生積炭[4]；螺桿式空氣壓縮機一般為噴油潤滑[5]，油品與空氣直接接觸，易受空氣中氧氣、水分、雜質等影響而導致氧化老化加速。空氣壓縮機油變質產生的氧化物積累過度，會降低油品使用壽命，嚴重者將造成設備故障，甚至引發著火等安全問題。

工業化的持續發展[6]使得各行業對大型空氣壓縮機設備的需求不斷升級，溫度、壓力、級壓比等工作條件會更加苛刻，對空氣壓縮機油的使用性能要求必將提高，油品熱氧化安定性的優劣能夠較直觀地反映出其使用性能，因此適宜的評價方法十分重要。本文通過分析潤滑油常用的熱氧化安定性試驗方法，對其在空氣壓縮機油中的適用性進行了研究。

1 空氣壓縮機油標準中的試驗方法

我國關于空氣壓縮機油的標準包括《GB 12691空氣壓縮機油》和《GB 5904 輕負荷噴油回轉式空氣壓縮機油》兩項，其中涉及的熱氧化安定性試驗方法為《GB/T 12581 加抑制劑礦物油氧化特性測定法》(TOST)和《SH/T 0192 潤滑油老化特性測定法》，這兩種方法建立時間較早，主要用于測試礦物油型空氣壓縮機油，質量指標要求如表1所示，但對于合成型空氣壓縮機油，目前還未建立相關標準。

表1 空氣壓縮機油標準中規定的熱氧化安定性質量指標要求

按照上述試驗方法，對A、B、C、D、E、F六種空氣壓縮機油(油品信息如表2)進行評價，結果如表3所示，TOST時間均遠大于1000 h，合成型油品更是達到10000 h以上，超出方法的測定上限(超過10000 h以后，由于不斷采樣導致金屬催化劑線圈暴露到空氣中，而這種暴露對油品氧化壽命的影響還未確定)，康氏殘炭增值均小于1%。現行空氣壓縮機油標準中熱氧化安定性試驗方法對各類產品的區分性較差，很難評價產品性能優劣，已無法滿足產品發展需求。

表2 試驗油品

表3 TOST與老化特性試驗結果

2 潤滑油中常用的試驗方法

除上述國標中規定的熱氧化安定性試驗方法外，國內外依據潤滑油使用特點與設備工作條件設計了不同的油品熱氧化安定性試驗，建立了20多項相關標準。費逸偉等[7]根據使用儀器的不同，將它們分為氧化管試驗法、旋轉氧彈試驗法、儀器分析試驗法和設備模擬試驗法等四類。孔令杰等[8]采用壓力差示掃描量熱法(PDSC)等4種方法，對5種脂肪酸酯型難燃液壓油進行了氧化安定性評價，結果顯示評價方法不同，油品的氧化安定性表現具有一定的差異性。因此，根據設備及油品性能特點使用合適的試驗方法，才能更準確地測定油品熱氧化安定性，表征油品使用壽命。

2.1 氧化管試驗法

氧化管試驗法是評價潤滑油熱氧化安定性最為普遍的一種方法，通常是在金屬催化條件下，向油樣中通入一定流量的空氣或氧氣，在規定溫度及時間下，用酸值、黏度、殘炭增值等理化性能指標評價潤滑油的熱氧化安定性。該類方法側重于評價油品的某一項指標，試驗結果僅能反映油品氧化的一個方面，而無法全面反映油品的氧化程度。

氧化管試驗法雖然相關標準最多，但試驗條件基本類似，主要利用氧化管尺寸、形狀、冷凝方式的不同及金屬片的種類，模擬不同機械設備的工況，這里不再逐一列舉。

除國標要求的2種方法外，常用于評價空氣壓縮機油的方法還有《SH/T 0450 合成油氧化腐蝕測定法》，對C、D、E、F四種合成型空氣壓縮機油進行測試，結果如表4所示，各金屬片外觀良好、均無明顯腐蝕，試驗結果只能反映出油品酸值及黏度的變化情況，無法對油品的熱氧化安定性優劣做出綜合評價。

表4 各油品氧化腐蝕試驗結果

2.2 旋轉氧彈試驗法

旋轉氧彈法是將油樣、水和銅催化劑線圈放入玻璃容器內，并置于氧彈中，充入620 kPa(90 psi)壓力的氧氣，試驗溫度一般為150 ℃，達到規定壓力降所需時間即為油樣的氧化安定性。它是目前評價空氣壓縮機油氧化安定性尤其是合成型產品較為快速有效的一種方法，但同樣也具有一定的局限性。

參照SH/T 0193標準方法，對A、B、C、D、E、F六種空氣壓縮機油進行測試，結果如圖1所示，礦物型油品A和B實際使用壽命均為4000 h，但氧彈結果差別較大；實際使用壽命達12000 h的PAO型油品D，氧彈結果反而低于C；聚醚型油品E、F氧彈結果明顯較低。這說明旋轉氧彈法不適合測定聚醚型空氣壓縮機油，且使用該方法測定的空氣壓縮機油氧化安定性，與其實際表現存在一定的差異性，無法完全反映油品實際的抗氧化性能及使用壽命。

圖1 各油品旋轉氧彈試驗結果

2.3 儀器分析試驗法

儀器分析法是指利用現代儀器手段對油品進行分析，具有微量、快速、準確、重復性好等優點[9]。空氣壓縮機油常用壓力差示掃描量熱法(PDSC)評價氧化安定性，該方法通過測量一定條件下油品氧化放熱曲線的外推拐點，確定其氧化誘導期，時間越長，代表油品氧化安定性越好。但需要指出的是，PDSC法并非模擬設備及其用油的工況進行試驗，因此試驗結果與油品使用性能之間的相關性還有待驗證。

參照SH/T 0719標準方法，試驗溫度200 ℃、壓力2.45 MPa，對A、B、C、D、E、F六種空氣壓縮機油進行測試，結果如圖2所示，礦物型油品的氧化誘導期短于合成型油品，不同類型的空氣壓縮機油具備較好的區分性，但PAO型油品的氧化誘導期短于聚醚型油品，與產品實際表現存在一定的差異性，無法完全反映油品實際的抗氧化性能及使用壽命。

圖2 各油品PDSC試驗結果

2.4 設備模擬試驗法

設備模擬法與儀器分析法不同，它是根據設備結構特點及潤滑油實際工況，在實驗室建立相關試驗機，以此模擬的使用環境，并根據漆膜膠重、金屬失重、沉積物質量等，評價油品的熱氧化衰變程度，如通過建立曲軸箱模擬試驗機(SH/T 0300)和漆狀物形成器(SH/T 0259)評定內燃機油熱氧化安定性，通過建立齒輪箱(SH/T 0520)評定車輛齒輪油熱氧化安定性等，但目前空氣壓縮機油還未建立相關的模擬設備評定油品熱氧化安定性。苗新峰等[10]利用曲軸箱模擬試驗機建立了油品成焦傾向測定法，通過分析三種類型酯類基礎油結焦性能，評價其熱氧化安定性，開發出合成酯型空壓機油，應用于高溫、高壓下的大型往復式空氣壓縮機。

3 新的試驗方法研究

現有潤滑油熱氧化安定性標準方法在評價部分類別油品時，存在一定的局限性，且此類油品短期內很難建立起新的標準方法，進行使用試驗則周期過長、耗費巨大，嚴重影響產品開發進程。為解決此類難題，研發人員利用各標準方法的特點進行互補，對滿足相關油品評價需求的方案進行了研究。左鳳等[11]以液壓油和汽輪機油為研究對象，將TOST試驗與PDSC和RULER(潤滑油剩余壽命評定儀)結合，定期取樣測定油品的酸值、氧化誘導期和抗氧劑相對含量，以此建立TOST試驗時間與氧化誘導期和抗氧劑相對含量之間的關聯性。蘇愷[12]針對常規旋轉氧彈法并不適用于預測聚醚型空氣壓縮機油使用壽命的問題進行研究，通過改進旋轉氧彈試驗方法和引入RULER測試，建立了旋轉氧彈循環耐久壽命試驗，取得良好效果。

參照上述旋轉氧彈循環耐久壽命試驗，對E、F兩種聚醚型空氣壓縮機油進行測試，結果如圖3所示，使用壽命在8000 h以上的E、F油，循環周期分別為9次、10次，試驗結果與使用壽命基本對應，取得較好的模擬效果。

圖3 各油品循環耐久壽命試驗結果

4 總結

空氣壓縮機油國標中規定的熱氧化安定性試驗方法TOST和老化特性，以及合成油氧化腐蝕等氧化管類試驗，對各類產品的區分性較差，很難評價產品性能優劣、已無法滿足產品發展需求。旋轉氧彈法和PDSC法是目前評價空氣壓縮機油氧化安定性尤其是合成型產品較為快速有效的方法，但均具有一定的局限性。旋轉氧彈循環耐久壽命試驗結果與油品使用壽命基本對應，模擬效果較好。利用曲軸箱模擬試驗機建立的油品成焦傾向測定法，可用于評價應用在高溫、高壓下大型往復式空氣壓縮機設備的合成酯型空壓機油。