包銳 張廣遼 谷連帥 陳先月 古小七

1 中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司天津分公司

2 水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心

針對(duì)水利工程啟閉機(jī)的工況特點(diǎn)和環(huán)保要求，通過(guò)對(duì)稠化劑、基礎(chǔ)油、添加劑的選擇，研制開(kāi)發(fā)了適用于啟閉機(jī)鋼絲繩的水利工程專(zhuān)用食品級(jí)鋼絲繩表面潤(rùn)滑脂。理化分析、第三方檢測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)工地試驗(yàn)結(jié)果表明，研制脂具有優(yōu)異的高低溫性能、抗水性、防銹性和黏附性，可滿足水利工程啟閉機(jī)鋼絲繩的潤(rùn)滑需要，同時(shí)可滿足環(huán)保要求，顯著降低對(duì)水源的污染和危害。

水利工程一般攔江河或依江河而建，這一特點(diǎn)決定了其開(kāi)發(fā)活動(dòng)對(duì)于當(dāng)?shù)厮h(huán)境的影響更為直接，施工期的影響尤為突出。目前水利工程中啟閉機(jī)鋼絲繩上使用的潤(rùn)滑脂為工業(yè)級(jí)別，而工業(yè)級(jí)潤(rùn)滑脂中含有重金屬及致癌物質(zhì)。鋼絲繩上的潤(rùn)滑脂多系采用人工涂抹方式進(jìn)行加注，鋼絲繩在工作過(guò)程中，繩體上附著的多余油脂會(huì)落入水中，造成當(dāng)?shù)睾拖掠嗡h(huán)境污染，給下游居民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生危害[1]。

目前，我國(guó)對(duì)飲用水水源污染防治問(wèn)題高度關(guān)注?！吨腥A人民共和國(guó)水污染防治法》、《飲用水水源保護(hù)區(qū)污染防治管理規(guī)定》、《生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范》、《生活飲用水檢驗(yàn)規(guī)范》等法律法規(guī)文件對(duì)飲用水水源保護(hù)區(qū)的管理及水中有害物質(zhì)種類(lèi)、限值等做出了明確規(guī)定。在水利工程中使用工業(yè)級(jí)潤(rùn)滑脂，將引發(fā)水體污染，不符合相關(guān)法規(guī)及國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。

鋼絲繩表面潤(rùn)滑脂（下稱(chēng)鋼絲繩表面脂）用于鋼絲繩生產(chǎn)過(guò)程中股和捻成后鋼絲繩的表面涂脂，其作用一方面是減少鋼絲繩在使用過(guò)程中股中鋼絲間的摩擦及鋼絲繩與繩輪槽的摩擦，以減小鋼絲繩的磨損；另一方面是保護(hù)鋼絲繩在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用過(guò)程中不受腐蝕。因此，鋼絲繩表面脂應(yīng)具有良好的潤(rùn)滑性、防銹性、附著性、抗老化性、耐溫性、易清洗性等性能。

水利工程中啟閉機(jī)鋼絲繩暴露于戶外，且長(zhǎng)期與水接觸，這就造成了鋼絲繩工作過(guò)程中高濕、工作溫度隨季節(jié)變化明顯、重負(fù)荷等工況特點(diǎn)[2]。因此，水利工程啟閉機(jī)鋼絲繩上使用的潤(rùn)滑脂應(yīng)具備良好的抗水性、防銹性、抗磨性及低溫性能，同時(shí)對(duì)水體無(wú)污染。本文介紹了水利工程專(zhuān)用食品級(jí)鋼絲繩表面脂的研制過(guò)程和應(yīng)用效果。

國(guó)內(nèi)外鋼絲繩表面脂概況

鋼絲繩表面脂按其成分類(lèi)型可分為烴基型、瀝青型和皂基型潤(rùn)滑脂等不同類(lèi)型。

早期研制的鋼絲繩表面脂為烴基潤(rùn)滑脂，一般采用廢舊石蠟、地蠟制備，滴點(diǎn)在45～55 ℃左右。夏天陽(yáng)光照射容易造成表面脂融化、流淌，冬季則因?yàn)闅鉁氐统霈F(xiàn)潤(rùn)滑脂的龜裂和脫落，并且此種鋼絲繩表面脂的用量較大，給施工人員、施工現(xiàn)場(chǎng)帶來(lái)油污污染，給生產(chǎn)作業(yè)帶來(lái)諸多不便。一些學(xué)者嘗試在烴基潤(rùn)滑脂的基礎(chǔ)脂中加入高分子聚合物、黏度調(diào)節(jié)劑等添加劑改善表面脂的黏附性、高低溫性能，并取得了一定成效。

瀝青型表面脂與膨潤(rùn)土一樣無(wú)滴點(diǎn)，必須加熱或者加入稀釋溶劑后使用，涂覆后固化容易形成黑色的堅(jiān)硬表面，檢查很不方便，但其黏附性好，適用于長(zhǎng)期儲(chǔ)存鋼絲繩，低溫下容易龜裂、破碎，主要用于煉鋼廠。

皂基型潤(rùn)滑脂通常具有半流體的柔韌性，但只能部分滲透入鋼絲繩內(nèi)部，不能使得繩芯得到充分潤(rùn)滑，適用于固定不動(dòng)或在潮濕、海風(fēng)、煙氣等環(huán)境下以及低速重載吊裝用鋼絲繩纜索的潤(rùn)滑，其優(yōu)點(diǎn)是滴點(diǎn)高、高溫性能好[3]。

研制過(guò)程

研制目標(biāo)

傳統(tǒng)鋼絲繩潤(rùn)滑脂是由有機(jī)類(lèi)稠化劑稠化高黏度精制礦油，并加有抗氧劑、防腐劑、防銹劑、極壓劑等多種添加劑精制而成的鋼纜潤(rùn)滑脂。研制產(chǎn)品設(shè)計(jì)用于各種氣候條件下工作的繩索及重載拉索的潤(rùn)滑與防護(hù)，對(duì)鋼絲繩內(nèi)外表面提供最佳的抗磨性、防腐蝕性和潤(rùn)滑性。石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0387—2014規(guī)定了鋼絲繩表面脂的一般性能標(biāo)準(zhǔn)，但該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋼絲繩表面脂滴點(diǎn)偏低，并且規(guī)定的低溫性能的溫度較高，不能滿足水利工程分布在我國(guó)南北方各地，在冬夏季溫差較大的潤(rùn)滑要求，同時(shí)并未對(duì)產(chǎn)品的重金屬、毒理學(xué)及涉水試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)規(guī)定。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，綜合考慮用脂要求，制定了水利工程專(zhuān)用食品級(jí)鋼絲繩表面脂的技術(shù)指標(biāo)，其與SH/T 0387—2014的對(duì)比見(jiàn)表1。

稠化劑的選擇

由于本產(chǎn)品可能會(huì)與水源接觸，因此稠化劑選擇依據(jù)FDA（美國(guó)食品和藥物管理局）21CFR178.3570-偶然接觸食品的潤(rùn)滑劑（Lubricants with incidental food contact），該法規(guī)列舉了可用于偶然和食品接觸的潤(rùn)滑劑稠化劑，主要有復(fù)合鋁、膨潤(rùn)土、聚脲、聚四氟乙烯、食品級(jí)蠟等稠化劑。而常見(jiàn)的稠化劑如鋰皂不符合FDA可作為食品級(jí)潤(rùn)滑劑稠化劑的規(guī)定，而鈣皂普遍滴點(diǎn)偏低，不符合當(dāng)前鋼絲繩防護(hù)需要寬溫范圍的工況要求。

復(fù)合鋁基潤(rùn)滑脂具有最小的纖維結(jié)構(gòu)，因而其具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，其性質(zhì)與該纖維結(jié)構(gòu)有關(guān)。單個(gè)皂纖維長(zhǎng)度和直徑比將決定潤(rùn)滑脂的特性，單位體積的膠束表面積則直接影響膠凝能力，皂顆粒和皂纖維結(jié)構(gòu)越小，則凝膠能力越強(qiáng)。概括來(lái)說(shuō)，微細(xì)皂纖維結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：

◇制備潤(rùn)滑脂時(shí)，需要的稠化劑量較少；

◇制備的潤(rùn)滑脂泵送性較好；

表1 水利工程專(zhuān)用食品級(jí)鋼絲繩表面潤(rùn)滑脂的技術(shù)指標(biāo)

◇可以較好地“固定”基礎(chǔ)油，與基礎(chǔ)油相容性較好。

一般的鋼絲繩表面脂選用有機(jī)稠化劑，幾乎不溶于水，不與水乳化，適于作防護(hù)與密封用脂，但最高使用溫度一般不超過(guò)60 ℃[4]。為了達(dá)到研制目標(biāo)，針對(duì)水利工程中啟閉機(jī)鋼絲繩暴露于戶外，且長(zhǎng)期與水接觸的工況特點(diǎn)，我們同時(shí)選用復(fù)合鋁及食品級(jí)有機(jī)稠化劑進(jìn)行復(fù)合，能夠達(dá)到滴點(diǎn)高，機(jī)械安定性、膠體安定性、抗水性和氧化安定性好的性能特點(diǎn)，并兼顧鋼絲繩脂的防護(hù)性能。

基礎(chǔ)油的選擇

對(duì)于鋼絲繩表面脂所選用的基礎(chǔ)油，一般來(lái)說(shuō)為了潤(rùn)滑脂黏附性好，起到更好的防護(hù)作用，應(yīng)該是黏度越大越好。但在復(fù)合鋁體系中，黏度越大越不容易成脂，而小黏度基礎(chǔ)油又不能滿足鋼絲繩的防護(hù)特性。因此，本文選擇小黏度基礎(chǔ)油與大黏度基礎(chǔ)油復(fù)配的形式，作為基礎(chǔ)油選擇的依據(jù)。選擇了3種基礎(chǔ)油，其典型數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

鋼絲繩表面脂要求具有較高的黏附性，需要提高基礎(chǔ)油黏度，但復(fù)合鋁皂對(duì)高黏度基礎(chǔ)油的稠化能力較弱，因此選用基礎(chǔ)油2和基礎(chǔ)油3復(fù)配的方式進(jìn)行反應(yīng)，在增加基礎(chǔ)油黏度的同時(shí)能夠提高復(fù)合鋁皂對(duì)基礎(chǔ)油的稠化能力。對(duì)基礎(chǔ)油的低溫性能通過(guò)相似黏度進(jìn)行了考察，考察結(jié)果在下文的“黏度指數(shù)改進(jìn)劑”部分有介紹。

添加劑的考察

黏度指數(shù)改進(jìn)劑

鋼絲繩表面脂要求能黏附在鋼絲繩上，不會(huì)被輕易擦掉，并在溫度變化時(shí)不影響潤(rùn)滑效果。這種黏附性能還對(duì)防止卷?yè)P(yáng)鼓輪打滑有一定作用，特別對(duì)提升纜繩的附著摩擦力起重要作用。鋼絲繩表面脂要求的工作溫度為-40～120 ℃。由于黏度指數(shù)改進(jìn)劑會(huì)對(duì)潤(rùn)滑脂的低溫性能產(chǎn)生影響，為此分別考察了在基礎(chǔ)油之中加入不同加劑量的黏度指數(shù)改進(jìn)劑A/黏度指數(shù)改進(jìn)劑B對(duì)潤(rùn)滑脂低溫性能的影響。不同基礎(chǔ)油及黏度指數(shù)改進(jìn)劑制備的潤(rùn)滑脂的低溫性能見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn)，采用基礎(chǔ)油1制得的潤(rùn)滑脂低溫性能差，尤其在加劑后已無(wú)法保證在-40 ℃下正常工作。方案2采用一定比例的基礎(chǔ)油2與基礎(chǔ)油3復(fù)配制備基礎(chǔ)脂測(cè)定相似黏度，方案5～方案7考察相同加劑量的黏度指數(shù)改進(jìn)劑對(duì)相似黏度的影響，其中方案7基礎(chǔ)油配比與方案4相同。由于黏度指數(shù)改進(jìn)劑B對(duì)潤(rùn)滑脂低溫性能影響較大，故確定選用黏度指數(shù)改進(jìn)劑A提高鋼絲繩表面脂的黏附性。最終確定方案7為本產(chǎn)品方案。

防銹劑

鋼絲繩的工作環(huán)境中經(jīng)常有雨水、冰雪、二氧化碳、含硫氣體、風(fēng)沙、鹽霧、鹽水及細(xì)菌等，對(duì)鋼絲及繩芯纖維有較大的腐蝕作用，直接影響到鋼絲繩的使用性能和壽命。潤(rùn)滑脂應(yīng)能阻斷這些有害物質(zhì)同鋼絲繩的直接接觸，減少電化學(xué)反應(yīng)和細(xì)菌的侵蝕，以有效保護(hù)繩芯和鋼絲。選擇防銹劑A和防銹劑B，考察了不同防銹劑加劑量對(duì)鋼絲繩表面脂防銹性能及高低溫性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出，添加防銹劑B的樣品均能通過(guò)測(cè)試，因此選用防銹劑B作為本產(chǎn)品方案。

產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)

理化性能

食品級(jí)鋼絲繩表面潤(rùn)滑脂經(jīng)過(guò)相關(guān)指標(biāo)檢測(cè)，制成的潤(rùn)滑脂完全能夠滿足我們制定的所有技術(shù)指標(biāo)要求。將研制的水利工程專(zhuān)用食品級(jí)鋼絲繩脂與其他同部位在用潤(rùn)滑脂基本性能進(jìn)行了比較，結(jié)果見(jiàn)表5。

表2 基礎(chǔ)油性能對(duì)比

表3 不同基礎(chǔ)油及黏度指數(shù)改進(jìn)劑制備的潤(rùn)滑脂的低溫性能

由表5可以看出：

◇水利工程專(zhuān)用食品級(jí)鋼絲繩表面脂滴點(diǎn)能夠達(dá)到279 ℃，與現(xiàn)用產(chǎn)品相比具有優(yōu)異的高溫性能；同時(shí)為了滿足產(chǎn)品低溫性要求，我們采用比標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格的-40 ℃以及80 ℃進(jìn)行低溫性能和滑落測(cè)試，本產(chǎn)品均能通過(guò)相關(guān)檢測(cè)，因此具有良好的高低溫性能，可滿足啟閉機(jī)鋼絲繩不同工作溫度下的使用要求。

◇水利工程專(zhuān)用食品級(jí)鋼絲繩表面脂能夠通過(guò)防腐蝕試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)，能夠有效防止鋼絲繩在惡劣工況下及多水環(huán)境中的銹蝕，延長(zhǎng)鋼絲繩使用壽命。同時(shí)，該產(chǎn)品通過(guò)了高溫下的滑落試驗(yàn)，能保證潤(rùn)滑脂在夏季高溫光照環(huán)境下不跌落水中，避免潤(rùn)滑失效及造成水資源污染。

安全性能

將制備的樣品送往第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行了理化性能、潤(rùn)滑脂食品安全性能及飲用水安全性能等檢測(cè)，包括重金屬、毒理學(xué)、飲用水等試驗(yàn)，食品級(jí)鋼絲繩專(zhuān)用潤(rùn)滑脂均通過(guò)測(cè)試，可滿足水利工程啟閉機(jī)鋼絲繩的潤(rùn)滑需要，同時(shí)能夠滿足食品級(jí)及飲用水要求。

表4 不同防銹劑加劑量對(duì)鋼絲繩表面脂防銹性能及高低溫性能的影響

表5 水利工程專(zhuān)用食品級(jí)鋼絲繩表面脂理化性能及比較

工地現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測(cè)合格的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步驗(yàn)證水利工程專(zhuān)用食品級(jí)鋼絲繩表面脂的可靠性、安全性和實(shí)用性，選擇了兩個(gè)工地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，均是國(guó)家優(yōu)化配置水資源的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施。試驗(yàn)工地現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖1。

工地現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要考核水利工程專(zhuān)用食品級(jí)鋼絲繩表面脂的可靠性、安全性、實(shí)用性、附著性、抗高溫性以及抗水性，主要考察現(xiàn)場(chǎng)裝脂后在長(zhǎng)時(shí)間日照條件下有無(wú)變軟流失、有無(wú)干結(jié)，冬季低溫條件下有無(wú)變硬現(xiàn)象，在水中浸泡后有無(wú)乳化流失現(xiàn)象等。

工地現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)歷經(jīng)8月份至12月份，試驗(yàn)周期包括夏天及冬天的極端天氣，對(duì)啟閉機(jī)進(jìn)行了負(fù)載作業(yè)及靜置考察，同時(shí)對(duì)暴露在空氣中及浸入水中的鋼絲繩部位進(jìn)行了跟蹤檢測(cè)。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，水利工程專(zhuān)用食品級(jí)鋼絲繩表面脂在鋼絲繩上油脂豐富，黏附性好，流失現(xiàn)象少，無(wú)遇水乳化現(xiàn)象，可以滿足水利工程啟閉機(jī)特別是大型門(mén)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)要求，使用效果已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前使用的競(jìng)品，得到了現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員的認(rèn)可。產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果見(jiàn)圖2。

結(jié)論

☆研制了一種水利工程專(zhuān)用食品級(jí)鋼絲繩表面潤(rùn)滑脂。產(chǎn)品具有優(yōu)異的高低溫性能，在-40 ℃低溫下不脆裂，同時(shí)具有較高的滴點(diǎn)，能夠滿足-40～120 ℃范圍的使用要求；具有優(yōu)異的抗水性、防銹性、黏附性，能夠保證潤(rùn)滑脂不被水沖刷掉而失去潤(rùn)滑效果，同時(shí)確保鋼絲繩在惡劣環(huán)境中不被銹蝕，有效保護(hù)繩芯和鋼絲，延長(zhǎng)鋼絲繩使用壽命。

☆采用水利工程專(zhuān)用食品級(jí)鋼絲繩表面脂在水利工程工地作了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)在戶外及水下長(zhǎng)時(shí)間考察，結(jié)果顯示產(chǎn)品的潤(rùn)滑防護(hù)效果良好，可以滿足水利工程啟閉機(jī)特別是大型門(mén)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)要求。

☆水利工程專(zhuān)用食品級(jí)鋼絲繩表面潤(rùn)滑脂通過(guò)了潤(rùn)滑脂食品安全性能及飲用水安全性能等檢測(cè)，所測(cè)指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，確保對(duì)水體無(wú)污染，是國(guó)內(nèi)首次針對(duì)水利工程鋼絲繩開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用食品級(jí)潤(rùn)滑脂，在提高飲用水質(zhì)安全、保障設(shè)備安全運(yùn)行上有創(chuàng)新性突破，符合當(dāng)前水利部提出的“科教興水”和“可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略”，顯著降低了潤(rùn)滑脂對(duì)水源的污染。