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        采用加氫基礎(chǔ)油的L-DRG10全封閉冷凍機(jī)油研制

        2019-08-02 07:06:12
        潤(rùn)滑與密封 2019年7期

        (中海油氣(泰州)石化有限公司 江蘇泰州 225300)

        氟氯烴(CFCS)、氫氟氯烴(HCFCS)等含氟制冷劑的使用被證明是導(dǎo)致臭氧層被消耗的主要因素,也是造成全球氣候變暖的原因之一。為解決臭氧層被消耗的問(wèn)題和降低能耗,異丁烷(R600a)等綠色制冷劑的應(yīng)用快速增長(zhǎng)。R600a制冷劑憑借其全球變暖潛能值(GWP)和臭氧破壞潛能值(ODP)為0,無(wú)毒、制冷效率較高,與水不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),與銅質(zhì)管材和礦物潤(rùn)滑油完全兼容等優(yōu)勢(shì),在冰箱制冷壓縮機(jī)制造行業(yè)得到大力推廣與普及。而冷凍機(jī)油的選用與制冷劑的類(lèi)型密切相關(guān),因此R600a的使用,同時(shí)也對(duì)冷凍機(jī)油在節(jié)能降耗、環(huán)境保護(hù)、高效運(yùn)行方面提出了更高的需求。冰箱和空調(diào)壓縮機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是節(jié)能和環(huán)保,從節(jié)能方面考慮,采用低黏度油有利于降低低溫黏度,減少啟動(dòng)功率[1-6]。

        本文作者針對(duì)R600a制冷壓縮機(jī)使用工況的要求,以采用先進(jìn)的高壓加氫組合工藝技術(shù)[7-8]生產(chǎn)的環(huán)烷基和石蠟基輕潤(rùn)基礎(chǔ)油為原料,通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)油組成優(yōu)化研究,解決L-DRG10低黏度冷凍機(jī)油黏度與閃點(diǎn)之間的矛盾,再通過(guò)添加劑配方研究,改善L-DRG10低黏度冷凍機(jī)油在烴制冷劑稀釋條件下的潤(rùn)滑能力和高溫工況下的熱-化學(xué)穩(wěn)定性,從而提高冷凍機(jī)油在制冷設(shè)備中的制冷效率并延長(zhǎng)其使用壽命。

        1 L-DRG10全封閉冷凍機(jī)油技術(shù)要求

        根據(jù)GB/T 16630-2012《冷凍機(jī)油》的要求及用戶提出的質(zhì)量要求,研制的L-DRG10全封閉冷凍機(jī)油必須滿足表1所示的性能指標(biāo)。

        表1 全封閉冷凍機(jī)油性能指標(biāo)

        從L-DRG10全封閉冷凍機(jī)油指標(biāo)要求來(lái)看,研制低黏度冷凍機(jī)油的關(guān)鍵問(wèn)題是解決油品的低溫性能,以及與制冷劑的熱/化學(xué)穩(wěn)定性等問(wèn)題。在L-DRG10全封閉冷凍機(jī)油中,基礎(chǔ)油的低溫性能決定了成品油的低溫性能,添加劑的配方?jīng)Q定了成品油的化學(xué)穩(wěn)定性、抗磨性能和抗泡性能。

        2 L-DRG10全封閉冷凍機(jī)油研制

        L-DRG10全封閉冷凍機(jī)油研究的關(guān)鍵指標(biāo)是黏度、閃點(diǎn)、低溫性能和潤(rùn)滑性,因此L-DRG10全封閉冷凍機(jī)油的研究,需著重解決以下關(guān)鍵問(wèn)題:

        (1)解決基礎(chǔ)油黏度要求低、閃點(diǎn)要求高的矛盾。因此要優(yōu)化輕質(zhì)基礎(chǔ)油組分的比例和油品的黏度,在滿足基礎(chǔ)油黏度指標(biāo)的前提下,盡可能提高油品的閃點(diǎn)。

        (2)解決基礎(chǔ)油組成與熱-化學(xué)穩(wěn)定性之間的關(guān)系,使油品與添加劑有良好的溶解性和穩(wěn)定性。

        (3)解決油品與制冷劑R600a的潤(rùn)滑性匹配問(wèn)題。R600a屬于非含氯型環(huán)保制冷劑,不能與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成抗磨層;另一方面為滿足壓縮機(jī)高效節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì),對(duì)低黏度冷凍機(jī)油產(chǎn)品而言,抗磨性能的需求更加苛刻,因此在冷凍機(jī)油中要針對(duì)性地進(jìn)行功能添加劑的復(fù)配。

        文中以某高壓加氫組合工藝深度精制的環(huán)烷基和石蠟基輕潤(rùn)基礎(chǔ)油為原料,通過(guò)調(diào)整基礎(chǔ)油中的烴組成,控制基礎(chǔ)油的沸程,以及與不同功能劑復(fù)配,解決了礦物型低黏度度冷凍機(jī)油閃點(diǎn)低、潤(rùn)滑性不理想的問(wèn)題,開(kāi)發(fā)出滿足質(zhì)量要求的L-DRG10全封閉冷凍機(jī)油。

        2.1 L-DRG10基礎(chǔ)油配方篩選

        以某高壓加氫組合工藝深度精制的環(huán)烷基和石蠟基輕潤(rùn)基礎(chǔ)油為原料,通過(guò)對(duì)不同基屬加氫基礎(chǔ)油組分的理化性質(zhì)分析,篩選出L-DRG10全封閉冷凍機(jī)油的適宜組分。

        2.1.1 加氫基礎(chǔ)油性質(zhì)分析

        表2給出了5種潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油性能,其中1~3號(hào)是環(huán)烷基加氫基礎(chǔ)油, 4~5號(hào)是石蠟基加氫基礎(chǔ)油??梢钥闯觯?/p>

        (1)環(huán)烷基加氫基礎(chǔ)油的黏度指數(shù)較低、低溫性能較好,傾點(diǎn)、絮凝點(diǎn)和兩相互溶溫度較低,但1號(hào)和2號(hào)環(huán)烷基加氫基礎(chǔ)油的閃點(diǎn)低。

        (2)石蠟基加氫基礎(chǔ)油的黏溫性能較環(huán)烷基基礎(chǔ)油好。由于少量蠟分子的存在,5號(hào)石蠟基加氫基礎(chǔ)油表現(xiàn)出較高的傾點(diǎn)、絮凝點(diǎn)和互溶溫度,但其低溫性能比環(huán)烷基基礎(chǔ)油差。

        可見(jiàn),不同基屬加氫基礎(chǔ)油性能各有優(yōu)缺點(diǎn),合理利用環(huán)烷基基礎(chǔ)油優(yōu)良的低溫性能和石蠟基基礎(chǔ)油優(yōu)良的黏溫性能,可以優(yōu)選出合格的L-DRG10全封閉冷凍機(jī)油基礎(chǔ)油配方。

        表2 潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油性能參數(shù)

        2.1.2 L-DRG10基礎(chǔ)油組成優(yōu)化試驗(yàn)

        根據(jù)L-DRG10全封閉冷凍機(jī)油的黏度要求,采用環(huán)烷基石蠟基和加氫基礎(chǔ)油進(jìn)行L-DRG10小樣調(diào)合,考察了表3所示的5種方案的調(diào)合基礎(chǔ)油的運(yùn)動(dòng)黏度、閃點(diǎn)、傾點(diǎn)和絮凝點(diǎn),以得出滿足技術(shù)要求的最優(yōu)方案。

        表3 不同調(diào)和方案L-DRG10基礎(chǔ)油關(guān)鍵性能參數(shù)

        與表1所示的性能指標(biāo)要求相比較,可知:表3中方案1調(diào)合基礎(chǔ)油的閃點(diǎn)低于指標(biāo)要求;方案3調(diào)和基礎(chǔ)油的閃點(diǎn)在指標(biāo)下限;方案4、方案5的低溫性能不好,傾點(diǎn)高于指標(biāo)要求,且方案4絮凝點(diǎn)高于指標(biāo)要求;方案2調(diào)和基礎(chǔ)油的關(guān)鍵性能都能滿足要求。因此,文中選擇方案2為基礎(chǔ)油調(diào)合方案。

        2.2 添加劑復(fù)配研究

        冰箱和空調(diào)壓縮機(jī)向小型化發(fā)展,同時(shí)為保證冷凍機(jī)油使用壽命與壓縮機(jī)同步,這就對(duì)冷凍機(jī)油要求更加苛刻。文中從冷凍機(jī)油的3種主要功能添加劑抗氧化劑、抗磨劑和抗泡劑[9-10]中,評(píng)選出與制冷劑共存下具有更加優(yōu)異的熱-化學(xué)穩(wěn)定性能產(chǎn)品。

        2.2.1 抗氧劑的篩選

        抗氧劑可以抑制或延緩油品氧化而延長(zhǎng)使用壽命。如表4所示,文中選擇胺型抗氧劑A和酚型抗氧劑B 2種抗氧劑,設(shè)計(jì)了5種方案,考察了抗氧劑A和B以不同比例加入油品中的氧化安定性和化學(xué)穩(wěn)定性,結(jié)果如表5所示。

        從表5可以看出:對(duì)比方案1,基礎(chǔ)油中加入抗氧劑后,可以明顯提高油品氧化安定性;對(duì)比胺型抗氧劑A和酚型抗氧劑B的抗氧化效果,加入酚型抗氧劑B后油品的顏色變化最小、酸值更低、催化劑無(wú)腐蝕,油品的穩(wěn)定性更好;抗氧劑B隨加入量的增加,油品氧化安定性、熱化學(xué)穩(wěn)定性提高。在油品中抗氧劑含量達(dá)到一定量后,抗氧劑與分子氧的反應(yīng)概率增大而發(fā)生氧化強(qiáng)化效應(yīng),這樣就會(huì)減弱抗氧劑的性能,因此抗氧劑加入量要適量。從氧化安定性、熱化學(xué)穩(wěn)定性的試驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)濟(jì)性出發(fā),加入量為0.3 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為最佳方案。

        表4 抗氧劑試驗(yàn)方案

        表5 抗氧劑試驗(yàn)方案測(cè)試結(jié)果

        2.2.2 抗泡劑的篩選

        冷凍機(jī)油基礎(chǔ)油和添加劑中會(huì)有少量的極性物質(zhì),易產(chǎn)生發(fā)泡現(xiàn)象,進(jìn)而對(duì)潤(rùn)滑油的泵送性能造成影響,破壞膜強(qiáng)度及穩(wěn)定性,造成不應(yīng)有的磨損事故。抗泡劑的作用是抑制泡沫的產(chǎn)生,以免形成穩(wěn)定的泡沫[11]。文中選用硅型抗泡劑C和復(fù)合抗泡劑D 2種不同類(lèi)型的抗泡劑,設(shè)計(jì)了如表6所示的4種試驗(yàn)方案,進(jìn)行油品的抗泡沫性能測(cè)試,結(jié)果如表7所示。

        由表7可知:在加入抗泡劑后,油品的抗泡沫傾向和穩(wěn)定性有不同程度的降低,其中抗泡劑D的抗泡沫性改善效果最佳;當(dāng)加入10 μg/g的抗泡劑D時(shí),L-DRG10冷凍機(jī)油抗泡沫性達(dá)到指標(biāo)要求。

        表6 抗泡劑試驗(yàn)方案

        表7 抗泡劑評(píng)選試驗(yàn)結(jié)果

        2.2.3 極壓抗磨添加劑的篩選

        在制冷系統(tǒng)中,R600a制冷劑不能夠像R12一樣提供加壓特性,冷凍機(jī)油混入一定量的制冷劑后會(huì)造成黏度和潤(rùn)滑性能的下降,因此需要加入抗磨添加劑來(lái)提高冷凍機(jī)油的性能,保證制冷壓縮機(jī)的潤(rùn)滑。文中選用硫磷類(lèi)抗磨劑E、磷類(lèi)抗磨劑F和硫類(lèi)抗磨劑G,設(shè)計(jì)了如表8所示的5種試驗(yàn)方案,通過(guò)法萊克斯(Falex)極壓負(fù)荷試驗(yàn)和密封管試驗(yàn),綜合評(píng)選合適的抗磨劑,結(jié)果如表9所示。

        表8 抗磨劑試驗(yàn)方案

        表9 冷凍機(jī)油抗磨劑評(píng)選試驗(yàn)結(jié)果

        對(duì)比表9中方案1和2的Falex失效負(fù)荷和抗腐蝕性試驗(yàn)結(jié)果,可知在相同比例下,硫磷類(lèi)抗磨劑E性能更加優(yōu)異;通過(guò)考察加入不同比例抗磨劑E的Falex失效負(fù)荷和抗腐蝕性試驗(yàn)結(jié)果,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%的抗磨劑E后,可以顯著提高L-DRG10冷凍機(jī)油的的抗磨性能,與市場(chǎng)上同類(lèi)產(chǎn)品性能相當(dāng)。

        2.3 產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)

        根據(jù)基礎(chǔ)油調(diào)合方案添加劑復(fù)配研究表明,評(píng)選出的L-DRG10冷凍機(jī)油的方案是:通過(guò)基礎(chǔ)油組分的評(píng)選及添加劑復(fù)配研究,采用最優(yōu)的環(huán)烷基石蠟基和加氫基礎(chǔ)油調(diào)合方案,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3 %的抗氧劑B,10 μg/g抗泡劑D,質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%的抗磨劑E,研制出L-DRG10全封閉冷凍機(jī)油,其性能評(píng)價(jià)結(jié)果如表10所示。該產(chǎn)品滿足表1所示的GB/T 16630-2012冷凍機(jī)油質(zhì)量指標(biāo)。

        表10 L-DRG10全封閉冷凍機(jī)油性能

        對(duì)研制的L-DRG10全封閉冷凍機(jī)油產(chǎn)品進(jìn)行冰箱壓縮機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)定,結(jié)果如圖1所示。試驗(yàn)后壓縮機(jī)的活塞、曲軸、閥片、連桿、活塞銷(xiāo)等機(jī)械零件磨損正常,L-DRG10全封閉冷凍機(jī)新油裝機(jī)后冰箱壓縮機(jī)運(yùn)行良好,臺(tái)架試驗(yàn)后無(wú)積碳和沉淀產(chǎn)生,這說(shuō)明產(chǎn)品具有優(yōu)良的熱/化學(xué)穩(wěn)定性和潤(rùn)滑性,可以完全滿足全封閉冰箱壓縮機(jī)的實(shí)際工況要求。

        圖1 冰箱壓縮機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)定

        3 結(jié)論

        以中海油氣(泰州)石化有限公司高壓加氫組合工藝生產(chǎn)的環(huán)烷基/石蠟基加氫基礎(chǔ)油為原料,利用環(huán)烷基加氫基礎(chǔ)油優(yōu)良的低溫性能和石蠟基加氫基礎(chǔ)油優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、黏溫性能,再通過(guò)功能添加劑的補(bǔ)強(qiáng),賦予油品良好的抗磨性和抗氧化安定性,研制出符合GB/T 16630-2012的適用于R600a全封閉壓縮機(jī)的L-DRG10全封閉冷凍機(jī)油。該產(chǎn)品滿足冰箱制冷循環(huán)的工況要求,并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用,市場(chǎng)前景廣闊。

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