一種極壓型渦輪機油油泥控制方案的研究

趙佳佳

中國石化潤滑油有限公司上海研究院

渦輪機油主要用于電站發電渦輪機、船舶以及工業渦輪機驅動裝置。根據應用場合、設備不同可分為非極壓和極壓型渦輪機油。極壓型渦輪機油主要用于渦輪機配套系統中帶有齒輪減速箱等調速裝置、工業驅動裝置及其相匹配的控制系統的潤滑，使用工況較為苛刻。因此，除了要求具有極佳的氧化安定性、防銹性和抗乳化性能之外，還應具有優異的極壓抗磨性能，保證渦輪機長期穩定運行。

極壓型渦輪機油一般使用含有活性元素的硫磷類極壓抗磨劑，其作用機理一般認為是添加劑分子首先吸附于金屬摩擦副表面，在高溫高負荷的條件下，分子中的活性元素與金屬反應，形成具有低剪切強度的消耗保護層，從而達到減少金屬摩擦副表面摩擦和損耗的目的[1]。但由于其活性較高，在一定程度上可能影響油品的氧化安定性能[2]。與非極壓型渦輪機油相比，極壓型渦輪機油易出現油泥析出速率快、軸瓦溫度升高、結焦快等問題，影響油品的使用壽命。因此，有必要開展一種油泥控制性能更優的極壓型渦輪機油的方案研究。

本文采用四球機試驗法對渦輪機油常用的極壓抗磨劑進行潤滑性能評定，并采用烘箱快速模擬老化試驗方法重點考察對油品油泥控制性能的影響，以確定極壓型渦輪機油油泥控制性能更好的技術方案，為極壓型渦輪機油油泥控制性能提升及產品開發提供參考。

試驗部分

原材料

渦輪機油母液（按現有渦輪機油配方調制，不含極壓抗磨劑），市售極壓型渦輪機油；不同極壓抗磨劑，元素分析情況見表1。

表1 極壓抗磨劑類型和元素分析

試驗儀器

電熱恒溫鼓風干燥箱（型號：DHG-9146A）：上海愛斯佩克環境設備有限公司；四球摩擦試驗機（型號：MQ-800）：濟南試金集團有限公司；MPC Color 漆膜傾向指數測試儀（型號：RM200-C4QC）：Fluitec；磁力攪拌器（型號：ZNCL-BS180＊180）：上海越眾儀器設備有限公司；等離子發射光譜儀（SPECTRO ARCOS）：德國斯派克分析儀器公司。

試驗方法

最大無卡咬負荷PB值測試

采用GB/T 3142-82（同ASTM D2783）進行測試。所用鋼球為上海鋼球廠生產的二級GCr15 標準鋼球（AISI-52100），直徑12.7 mm，硬度59～61 HRC，主要成分（質量 分 數） 為：0.95%～1.05%C，0.15%～0.35%Si， 0.20%～0.40%Mn，＜0.020%S， ＜0.027%P， ＜0.30%Ni，＜0.25%Cu， 1.30%～1.65%Cr。測定試驗時間10 s，用讀數顯微鏡（精度：0.01 mm）測量3 個下試球的磨斑直徑，取平均值，兩次試驗磨斑直徑誤差不超過5%。

極壓抗磨劑在渦輪機油中起到提高油品極壓抗磨性能的作用，同時，作為一種極性物質對油品的氧化安定性尤其是油泥的控制會產生負面影響。本文通過四球機試驗法對渦輪機油常用的極壓抗磨劑（硫代磷酸酯A、硫磷氮劑B、酸性磷酸酯胺鹽C、磷酸三甲苯酯D 和苯三唑脂肪胺鹽E）進行極壓性能評定，并采用烘箱快速模擬老化試驗方法重點考察對油品油泥控制性能的影響。試驗結果表明，極壓抗磨劑活性越高，潤滑性能越好，對油品油泥析出量的影響越大。高活性的硫代磷酸酯劑（S/P）與磷酸三甲苯酯劑（P）或苯三唑脂肪胺鹽劑（N）復配使用具有協同效應，能夠使油品在潤滑性能和油泥控制方面實現較好的平衡。本研究可為極壓型渦輪機油油泥控制性能提升及產品開發提供參考。

烘箱模擬老化試驗

參考油品熱穩定性測試試驗方法BEM 274-Nippon Oil Company（NOC）Thermal Stability （modified）測定油品油泥生成情況。本試驗使用電熱恒溫鼓風干燥箱，溫度設定在150 ℃，燒杯中裝入350 g 油品放置168 h，進行模擬老化試驗。

油泥測定

參考Dry-Tost 試驗方法ASTM D7873 中油泥測試方法。樣品經過烘箱模擬老化后，取100 g 油樣，通過恒重后的0.1 μm 濾膜進行過濾，用200～300 mL 石油醚沖洗濾膜，對過濾后的濾膜再次進行恒重，稱重計算油泥量。

漆膜傾向指數ΔE（MPC）測定

測定標準為ASTM D7843。樣品經過烘箱模擬老化后，取50 mL溶劑和 50 mL 油進行充分混合，通過0.45 μm 濾膜進行過濾，由MPC Color 手持分光光度計進行測量。

結果與討論

極壓抗磨劑的選擇

根據所含活性元素的不同，極壓抗磨劑可分為氯型、硫型、磷型、有機金屬型、硼型、稀土化合物型、納米粒子型、離子液體和含氮雜環化合物等幾類。含氯型極壓抗磨劑因環保問題和遇水易產生HCl，已逐漸被淘汰。有機金屬鹽型、硼酸鹽型極壓抗磨劑為含灰分添加劑，不宜在渦輪機油中使用，納米型和離子液態型極壓抗磨劑是研究的熱點，但目前市面上成熟的產品較少。

一般含磷極壓劑在低速高扭矩下效果最好，其作用機理主要有“化學拋光”理論[3]和 “亞磷酸鐵保護膜”原理[4]，但該膜在高速沖擊下表現差，而硫元素在高速沖擊下效果突出，因此現有技術通常將活性硫元素引入到含磷劑分子結構中得到硫磷型化合物[5]，應用廣泛。含氮雜環化合物，尤其是苯三唑脂肪胺鹽衍生物，同時具有潤滑、防銹和抗氧等多效性能，與含硫極壓劑復合有很好的協同作用[6，7]，應用前景良好。酸性磷酸酯胺鹽又稱磷氮劑，是由合適的酸性磷酸酯和相應有機氮化合物反應而制得，具有優良的極壓抗磨性、抗腐蝕性、防銹性和抗氧化性[8]，克服了活性磷酸酯酸性高、腐蝕性強、磷保持能力差的缺點[9，10]。

因此，重點考察硫代磷酸酯A、硫磷氮劑B、酸性磷酸酯胺鹽C、磷酸三甲苯酯D 和苯三唑脂肪胺鹽E 五類極壓抗磨劑在渦輪機油中的性能表現。

不同極壓抗磨劑極壓性能的考察

實驗室通過四球機試驗法（GB/T 3142）對不同極壓抗磨劑以不同加劑量加入渦輪機油母液中的極壓性能PB值進行測試，同時與市售相同質量等級、牌號的極壓型渦輪機油的PB值進行對比。根據測試，市售極壓型渦輪機油的PB值保持在800～900 N 水平。考察結果見圖1。

從圖1 可以看出，加入一定加劑量的硫代磷酸酯A、硫磷氮劑B、酸性磷酸酯胺鹽C，均能有效提高渦輪機油的PB值，并且隨著加劑量的增加而進一步提升，達到市售極壓型渦輪機油的水平。其中硫代磷酸酯A（S/P 型）效果最佳，這可能與S 型極壓抗磨劑效果及其活性大小有關，通常高S 含量的添加劑比低S 含量添加劑對于提升極壓性能更有效。單獨使用磷酸三甲苯酯D和苯三唑脂肪胺鹽E 時，無法達到市售極壓型渦輪機油的性能水平。

圖1 不同極壓抗磨劑極壓性能考察結果

不同極壓抗磨劑對渦輪機油油泥生成控制影響的考察

本文采用烘箱模擬老化試驗方法（150 ℃，168 h）對不同類型極壓抗磨劑等量加入渦輪機油母液老化后產生的油泥量進行考察，結果見表2，與極壓劑潤滑性能對應關系見圖2，油品老化后外觀，燒杯底部油泥沉積情況以及油品MPC 膜片外觀見圖3～圖5。

圖2 極壓抗磨劑潤滑性能與油泥生成量關系

圖3 老化油樣瓶底外觀

圖4 老化油樣冷卻后外觀

圖5 老化油品MPC膜片外觀

表2 不同極壓抗磨劑在渦輪機油母液中的油泥情況考察結果

從上述考察結果可以看出，在相同的試驗條件和加劑量下，不同類型的極壓抗磨劑對油品的油泥生成量影響程度不同，這與不同極壓抗磨劑在油品中易受熱分解，產生自由基等活性物質，促進油品劣化，或自身降解析出沉淀的情況不同有關。其中，加入硫代磷酸酯A、硫磷氮劑B、酸性磷酸酯胺鹽C 的油品的變化更明顯，老化后燒杯底部油泥量和MPC 值更大；補加磷酸三甲苯酯D 和苯三唑脂肪胺鹽E 的油品老化后外觀、油泥析出和MPC 值變化較小。

綜上所述，硫代磷酸酯A、硫磷氮劑B、酸性磷酸酯胺鹽C 在顯著提升油品的極壓抗磨性能的同時，對油泥生成量的影響也更大。其中，硫代磷酸酯A 與硫磷氮劑B、酸性磷酸酯胺鹽C 相比，對PB值的提升效率相對更大，且提高單位PB值所增加的油泥生成量更低，優于硫磷氮劑B、酸性磷酸酯胺鹽C，磷酸三甲苯酯D 和苯三唑脂肪胺鹽E 油泥生成量較少。

平衡油泥生成量和極壓抗磨效果，將進一步對磷酸三甲苯酯D 或苯三唑脂肪胺鹽E 與硫代磷酸酯類A 復配進行考察，在保障油品極壓性能的同時，降低硫代磷酸酯類A的加劑量，減小油泥生成量，進一步減少極壓抗磨劑對油品氧化安定性的影響。

極壓抗磨劑復配對渦輪機油油泥生成控制影響的考察

根據以上考察結果，對硫代磷酸酯A 分別與磷酸三甲苯酯D、苯三唑脂肪胺鹽E 復配方案的極壓抗磨性能和油泥生成情況進行考察，并與市售極壓型渦輪機油產品進行對比，分析結果見表3，MPC 膜片外觀見圖6。

圖6 老化油品MPC膜片外觀

從表3 可以看出，硫代磷酸酯A 與磷酸三甲苯酯D 或苯三唑脂肪胺鹽E 復配使用，可以通過降低硫代磷酸酯A 的使用量降低油泥析出量。通過復配比例的進一步調整，可以達到滿足油品的極壓抗磨性能的要求的同時，提升油品的油泥控制性能。與市售極壓型渦輪機油產品相比，復配方案調制的極壓型渦輪機油產品在油泥生成控制和MPC控制性能方面具有顯著優勢。

表3 極壓抗磨劑復配考察結果

極壓抗磨劑復配對渦輪機油其他理化性能影響的考察

根據以上研究結果，9 號和11號方案在極壓抗磨和油泥析出控制性能表現最好。為進一步驗證復配方案的配方適應性，繼續考察這2個方案對渦輪機油其他理化性能的影響，結果見表4。

從表4 可以看出，采用硫代磷酸酯A 與磷酸三甲苯酯D 或苯三唑脂肪胺鹽E 復配方案調制的油品與市售極壓型渦輪機油各理化性能數據相當，且旋轉氧彈值有一定程度的提升，說明該極壓抗磨劑復配方案具有良好的配方適應性。

表4 9號及11號方案理化性能分析

結論

通過對不同極壓抗磨劑對渦輪機油油泥析出控制性能影響的考察及提升優化，表明采用硫代磷酸酯A（S/P 型）與磷酸三甲苯酯D（P 型）或苯三唑脂肪胺鹽E（N 型）按一定比例復配使用可以有效降低極壓型渦輪機油油泥生成量，并具有良好的配方適應性，為提升極壓型渦輪機油抗氧化及油泥生成控制性能提供了方案參考，為電站發電渦輪機、船舶以及工業渦輪機驅動裝置安全平穩運行提供了良好的潤滑技術支撐。

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