周世德 姚文釗 楊倩

1 中國石油長慶油田公司采油一廠

2 西安石油大佳潤實業(yè)有限公司

本文對油田注水泵在用的15W-40 CD 柴油機油與自主研發(fā)的油田柱塞式注水泵專用潤滑油產(chǎn)品的各項性能進(jìn)行了對比研究，發(fā)現(xiàn)專用油產(chǎn)品具有良好的抗氧化、抗磨損，優(yōu)異的抗乳化、水分離性，在一定的含水量下長期放置不影響產(chǎn)品使用性能?，F(xiàn)場使用結(jié)果表明，1 號專用油（40 ℃運動黏度70～90 mm2/s）現(xiàn)場使用3 000 h 后油水仍能較好分離，可以滿足油田專用柱塞式注水泵在復(fù)雜環(huán)境條件下的使用要求。

油田注水是保持油層壓力、降低原油遞減率的主要措施，注水泵機組是油田注水的關(guān)鍵設(shè)備。柱塞泵具有揚程高、排量小、效率高、電力配套設(shè)施簡單等特點，適用于注水量低、注水壓力高的中低滲透油田或斷塊油田[1]。

長期以來注水泵進(jìn)水后導(dǎo)致潤滑油乳化，是困擾各油田公司的一大難題。注水泵傳輸?shù)慕橘|(zhì)主要是清水和含油污水，工作壓力較高，柱塞系統(tǒng)密封不良或者由于呼吸作用，極易造成潤滑油中混入水分，導(dǎo)致柱塞泵潤滑油乳化變質(zhì)。油品乳化后若不及時更換，使注水泵長時間得不到良好的潤滑，會造成軸承損壞、軸瓦腐蝕等現(xiàn)象，給油田造成巨大損失；油品乳化后若及時更換，則造成極大浪費。因此，抗乳化性能是注水泵油質(zhì)量控制的關(guān)鍵[2]。

本文通過對長慶油田柱塞式注水泵在用的15W-40 CD 柴油機油及新研制的油田柱塞式注水泵專用潤滑油（以下簡稱注水泵專用油）性能對比研究發(fā)現(xiàn)，研制開發(fā)的注水泵專用油產(chǎn)品以其良好的抗乳化性能，優(yōu)異的極壓抗磨性能、氧化安定性以及良好的耐腐蝕性能，可以極大延長油品使用壽命，減小因油品乳化而導(dǎo)致的設(shè)備腐蝕磨損，能更好地滿足油田柱塞式注水泵實際工況需求。

試驗用潤滑油

研究中針對長慶油田注水泵的使用工況，結(jié)合目前注水泵在用潤滑油有較寬的黏度使用范圍（在用的15W-40 CD 柴油機油 40 ℃運動黏度剪切前在100 mm2/s 左右，剪切后降低為70 mm2/s 左右）這一現(xiàn)狀，以精制礦物油、專用的復(fù)合劑為原料，開發(fā)研制了2 款不同黏度級別的注水泵專用油產(chǎn)品，40 ℃運動黏度分別為 70～90 mm2/s（1 號油），110～140 mm2/s（2 號油）。在用的15W-40 CD 柴油機油和2種注水泵專用油的典型數(shù)據(jù)見表1。

結(jié)果與討論

水分離性（抗乳化性）的主要影響因素考察

潤滑油的抗乳化性是指油品與水不乳化，或雖然乳化但經(jīng)靜置后油與水能迅速分離的性能。液壓油、齒輪油、船用油、汽輪機油等用于循環(huán)系統(tǒng)的潤滑油常常不可避免地要混入冷卻水，若其抗乳化性不好，油與水將形成乳化液，使水不易從油箱底部放出。在調(diào)和、使用、保管和儲運過程中亦要避免雜質(zhì)的混入和污染，否則若形成了乳化液，不僅會降低油品潤滑性能、損毀機件，而且易形成油泥。另外隨著時間的增長，油品的氧化、酸值的增加、雜質(zhì)的混入都會使抗乳化性變差?？谷榛缘臏y定方法是將40 mL 油與40 mL 水混合，在一定溫度下攪拌5 min 后靜置觀察，記錄油層—水層—乳化層達(dá)到（40—37—3）的時間，30 min 內(nèi)即為合格。

表1 試驗用潤滑油的典型數(shù)據(jù)

有關(guān)潤滑油水分離性（抗乳化）性能評價，國內(nèi)外已有成熟的評價方法。但使用中發(fā)現(xiàn)，抗乳化性能良好的潤滑油產(chǎn)品，實際使用中分水效果并不十分理想，尤其是隨著油品氧化變質(zhì)及雜物的引入，抗乳化性能衰減得很快甚至完全失效。研究中模擬現(xiàn)場使用條件，按比例往油品中分別加入一定量[1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))～10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))]的水分，參照GB/T 7305《石油和合成液水分離性測定法》的試驗條件，在82 ℃攪拌5 min 使之混合均勻，作為含水試驗油品，考察水分對產(chǎn)品綜合性能的影響。

水分含量對產(chǎn)品水分離性的影響

將含水量分別為1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 、5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的含水試驗油攪拌均勻后靜置一定時間，觀察油水分離情況。結(jié)果表明，當(dāng)注水泵專用油中含水量小于4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時，油水混合后在30 min 內(nèi)不能快速分離，但當(dāng)油品的含水量達(dá)到5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）以上時，靜置約10 min 后，油水可以快速分離，但油層透亮度變差，表明油品對水分有一定的包容性。

貯存時間對產(chǎn)品水分離性的影響

分別將含水量1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的含水試驗油在高溫（65 ℃，模擬注水泵油箱溫度）下貯存24 h、72 h，考察長時間靜止后產(chǎn)品的分水性，結(jié)果見圖1 、圖2。

由圖1、圖2 可以看出，不同油品的分水性能存在明顯的差異：

◇15W-40 CD 柴油機油加水后乳化狀況明顯，隨著含水量的增加，油品靜置后底部白色渾濁物呈增多趨勢；隨著靜置時間的延長，白色渾濁物量增加；對樣品進(jìn)行搖晃及儲樣瓶倒置后，白色渾濁物會緩慢分散于油液中，瓶壁留有大量殘留物。分析認(rèn)為，伴隨著油品的乳化加深，部分添加劑有可能發(fā)生水解析出固體細(xì)小顆粒物質(zhì)，沉積于底部。

◇注水泵專用油產(chǎn)品加水后也會出現(xiàn)微乳化狀態(tài)，產(chǎn)品透亮度降低。但樣品靜置后觀察，水分是以微小的液珠分散于油液中，即形成的是乳濁液。隨著水含量增加，靜置后油品中水珠及底部出現(xiàn)的水層增多；隨著靜置時間的延長，分散的水珠減少，而分出的水分增多。這說明注水泵專用油產(chǎn)品具有較好的水分離性，在一定的時間內(nèi)，大部分水分會從油品中分離出來，而少量水分會溶解或懸浮于油品中而穩(wěn)定存在。同時發(fā)現(xiàn)，樣品瓶上部及瓶蓋處有因高溫蒸發(fā)而出現(xiàn)的水珠，表明部分水分屬游離狀態(tài)，可自由沉降或蒸發(fā)。

圖1 貯存24 h后油品外觀

圖2 貯存72 h后油品外觀

油品中水分一般以3 種狀態(tài)存在：溶解水、乳化水、游離水。溶解水是以溶解狀態(tài)與油分子相結(jié)合形成的單一相，它以水分子狀態(tài)存在于烴類分子的間隙之間，其溶解量取決于油品的溫度和化學(xué)組成，不影響油品的透光特性[3，4]。不同種類型號的油液根據(jù)溫度和老化程度的不同可以含有200 ～ 600 mg /L范圍的溶解水，老化油可以容納溶解水的量大約是新油的3 ～4 倍。一旦油品的溶解水含量達(dá)到能容納的極限，水就會以微小液滴的形式分散在油中，形成油水兩相體系，外觀上油品呈現(xiàn)渾濁現(xiàn)象，這時水在油中懸浮成極小的液體水珠(這種水珠在顯微鏡下清晰可見)，難于從油品中分離出來，這就是乳化水。如果乳化水太多，就會出現(xiàn)相分離，導(dǎo)致分層，出現(xiàn)游離水、油水乳化液和油三層，而游離水是指沉降到容器底部或者附著在容器壁上的單一水相體系[5]。

老化程度對抗乳化性能的影響

隨著使用時間的延長，油品因自身氧化變質(zhì)而導(dǎo)致各項性能逐步衰減，而氧化后產(chǎn)生的酸性物質(zhì)及其他極性雜質(zhì)均會對油品的抗乳化性能產(chǎn)生負(fù)面影響。研究中采用把深度氧化后的廢油（旋轉(zhuǎn)氧彈試驗后的含水廢油）按比例添加到新油中，進(jìn)行抗乳化性能評價，以模擬現(xiàn)場油品老化實際情況?？疾旖Y(jié)果見表2、表3。

由表2、表3 可以看出，不同黏度的注水泵專用油產(chǎn)品均具有良好的抗乳化（油水分離）能力，5 min 內(nèi)即可實現(xiàn)油水快速分離，加入氧化以后的廢油后，不同產(chǎn)品的抗乳化能力顯示出明顯的差距。1 號油加入10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的廢油后，15 min 內(nèi)仍可分離，加入20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的廢油后需要25 min 才可實現(xiàn)油水較好的分離，加入25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的廢油后，30 min 內(nèi)仍不能有效分離；2 號油中含有5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的廢油后，30 min 內(nèi)即不能達(dá)到分離效果。這表明，1 號油具有更好的抗乳化性能。而對于15W-40 CD 柴油機油，即使新油也不能與水有效分離。

水分含量對油品使用性能的影響

將含水量1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的含水試驗油分別貯存于高溫烘箱中（65 ℃），并定時搖晃使油水混合均勻，分別在15 d、30 d、45 d、60 d 后按時取樣，搖晃均勻后考察水分對不同氧化深度油品抗氧化性能、極壓抗磨性（最大無卡咬負(fù)荷/PB，磨斑直徑）、防銹性、銅片腐蝕等綜合性能的影響。

對抗氧化性能的影響

含水量對油品抗氧化性能的影響見圖3。

由圖3 可以看出，相對于新油（不含水）：

◇在1 號油中加入2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）水后對其氧化誘導(dǎo)期有較大影響，但隨著貯存時間的延長，氧化誘導(dǎo)期基本穩(wěn)定在一定的誤差范圍內(nèi)。分析認(rèn)為1號油黏度較小，少量水分即可影響形成的油膜，因而對旋轉(zhuǎn)氧彈試驗用銅絲產(chǎn)生腐蝕而影響抗氧化性能結(jié)果。

表2 老化程度（1號油）對抗乳化性能的影響

表3 老化程度（2號油）對抗乳化性能的影響

◇2 號油新油加水后氧化誘導(dǎo)期沒有變化，表明該產(chǎn)品對水分有很好的包容性，適量的水分不會對產(chǎn)品的抗氧化性產(chǎn)生大的影響。

◇15W-40 CD 柴油機油中加水后氧化誘導(dǎo)期普遍縮短，尤其是含水量4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時隨著時間的延長，氧化誘導(dǎo)期有逐步縮短趨勢，這是因為柴油機油中的金屬清凈劑、抗氧抗腐劑在水作用下會有少許分解，因而影響了抗氧化性能。

對極壓抗磨性能的影響

含水量對油品磨斑直徑、最大無卡咬負(fù)荷PB的影響分別見圖4、圖5。

由圖3、圖4 可以看出：

◇1 號油、2 號油的磨斑直徑D沒有明顯突變，但15W-40CD 柴油機油的磨斑直徑在油品水含量達(dá)到2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）后明顯增大，抗磨性能變差，這主要是由于水分的存在導(dǎo)致抗氧抗腐劑ZDDP(二烷基二硫代磷酸鋅)發(fā)生水解所致，而注水泵專用油中不含ZDDP 等。

圖3 含水量對油品抗氧化性能的影響

圖4 含水量對油品磨斑直徑的影響

◇各油品最大無卡咬負(fù)荷PB結(jié)果均有較大程度下降，表明水分的存在嚴(yán)重影響了油膜的強度，在較高負(fù)荷下油膜會破裂而導(dǎo)致抗磨性變差。但注水泵專用油在抗摩擦磨損方面仍具有明顯的優(yōu)勢，隨著貯存時間的延長，油品中水分含量會有一定的減少，其PB值得以逐步恢復(fù)，這得益于產(chǎn)品中添加的極壓抗磨劑不發(fā)生水解，對水穩(wěn)定性良好。

對銅腐蝕性的影響

注水泵曲軸箱銅套屬易腐蝕部件，油品抗腐蝕性能差或者油品中含有水分，極易導(dǎo)致銅套腐蝕磨損，引起設(shè)備故障甚至安全事故。含水量對油品銅腐蝕性的影響見表4。

由表4 可見，在新油（不含水）銅腐蝕性相同的條件下，不同油品中加水后其銅腐蝕性明顯不同。2 號油基本不受影響；1 號油在水含量較低時不受影響，水含量達(dá)到2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）后有一定影響；15W-40 CD 柴油機油中加水后銅腐蝕性明顯變差，隨著儲存時間的延長由1b 增加到3a，這主要還是因為水分對添加劑產(chǎn)生影響所致。

圖5 含水量對油品最大無卡咬負(fù)荷PB的影響

表4 含水量對油品銅腐蝕性的影響

產(chǎn)品綜合性能及應(yīng)用效果評價

研究中對工業(yè)化專用油產(chǎn)品與15W-40CD 柴油機油進(jìn)行綜合性能評價，結(jié)果見表5。產(chǎn)品在油田柱塞式注水泵（中國石油裝備公司，型號：5ZB-20/43I；電機功率220 kW，吸入壓力0.03～1.5 MPa，排出壓力21 MPa，沖程130 mm，泵速350 r/min）使用 3 000 h 的抗乳化性能評價結(jié)果見表6。

由表5、表6 可以看出：

◇15W-40 CD 柴油機油無論在抗乳化性能還是抗氧化、抗磨損性能方面，均與注水泵專用油有較大的差距：其蒸發(fā)損失過大，會導(dǎo)致油品在使用過程中易揮發(fā)，造成工作環(huán)境油氣味大，影響操作人員身體健康；剪切后黏度降低幅度大、形成的油膜強度低、抗磨損性能差，會導(dǎo)致設(shè)備因磨損而損壞；氧化誘導(dǎo)期短，會影響油品使用；尤其是在抗乳化性能方面，15W-40CD 柴油機油新油遇水即乳化。

表5 產(chǎn)品綜合性能評價結(jié)果

表6 注水泵專用油在油田柱塞式注水泵使用3 000 h的抗乳化性能評價結(jié)果

◇2 號油現(xiàn)場使用500 h 還具有較好的分水性，但1 000 h 后就明顯變差，而1 號油現(xiàn)場使用3 000 h后油水仍能較好分離，油品使用壽命長，具有更加長效的潤滑性能。

結(jié)論

以精制礦物油、專用的復(fù)合劑為原料，開發(fā)研制的不同黏度級別的油田柱塞式注水泵專用油產(chǎn)品具有良好的抗氧化、抗磨損性能，優(yōu)異的抗乳化、水分離性能，在一定的含水量下長期放置不影響產(chǎn)品使用性能。黏度較低的1 號專用油（40 ℃運動黏度70～90 mm2/s）現(xiàn)場使用3 000 h 后油水仍能較好分離，油品使用壽命長，具有更加長效的潤滑性能，可以滿足油田專用柱塞式注水泵在復(fù)雜環(huán)境條件下的使用要求。