苗新峰，朱江，王輝，逄翠翠，楊超，劉中國(guó)

(中國(guó)石油大連潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116031)

0 引言

空氣壓縮機(jī)是工業(yè)領(lǐng)域中的關(guān)鍵設(shè)備，是一種通過壓縮氣體來提高氣體壓力的通用機(jī)械。按工作原理主要分為往復(fù)式、螺桿式和離心式等，往復(fù)式空氣壓縮機(jī)的占比數(shù)量最大，其次是螺桿式，而離心式壓縮機(jī)通常使用汽輪機(jī)油。往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行效率高、絕熱效率大于80%、壓比高、適應(yīng)性強(qiáng)、流量調(diào)節(jié)方便、適用范圍廣，產(chǎn)品市場(chǎng)占有率大約在30%～40%[1-3]，見圖1。2018年，中國(guó)壓縮機(jī)產(chǎn)量大約4億臺(tái)，壓縮機(jī)行業(yè)市場(chǎng)集中度較高，占數(shù)量較少的外資(阿特拉斯、英格索蘭等)及國(guó)內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)擁有較大的市場(chǎng)份額。

壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)，主要在機(jī)械制造、石油化工、礦山冶金等。“十三五”期間，隨煤化工、乙烯等能源形勢(shì)的發(fā)展，機(jī)械制造、石油化工領(lǐng)域的需求依然強(qiáng)勁。機(jī)械制造業(yè)仍是國(guó)內(nèi)壓縮機(jī)行業(yè)最大下游應(yīng)用領(lǐng)域，占比工業(yè)壓縮機(jī)總需求量的35%，2016年下半年開始，受國(guó)內(nèi)工程機(jī)械、建筑機(jī)械、塑料機(jī)械等類型的制造業(yè)的回暖影響，壓縮機(jī)需求量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。石油化工領(lǐng)域是工業(yè)壓縮機(jī)的第二大應(yīng)用下游，占比總需求量的25%。中國(guó)市場(chǎng)壓縮機(jī)保有量持續(xù)增加，壓縮機(jī)油的需求量約10萬t/a，2017年往復(fù)式壓縮機(jī)油的需求量約為3～4萬t。道達(dá)爾BarelfCH100、美孚拉力士等空壓機(jī)油售后價(jià)格較高，產(chǎn)品技術(shù)含量較高，附加值很高。

圖1 雙動(dòng)式兩極往復(fù)式壓縮機(jī)

油氣田應(yīng)用領(lǐng)域往復(fù)式壓縮機(jī)占80%以上，石油化工、礦山開采及冶金等領(lǐng)域是往復(fù)式壓縮機(jī)需求較大的行業(yè)。合成酯型空壓機(jī)油產(chǎn)品在降低蒸發(fā)損失，減少積炭生成方面有明顯優(yōu)勢(shì)，特別推薦應(yīng)用于嚴(yán)苛工況下(高溫、高壓)的往復(fù)式空氣壓縮機(jī)，而且使用周期更長(zhǎng)，性價(jià)比高，在國(guó)外空氣壓縮機(jī)行業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用。壓縮機(jī)初裝油大部分采用殼牌、美孚、道達(dá)爾等油品。

1 往復(fù)式空氣壓縮機(jī)油技術(shù)發(fā)展

空氣壓縮機(jī)的使用緊隨當(dāng)今工業(yè)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)：使用壽命延長(zhǎng)，維護(hù)費(fèi)用和停機(jī)時(shí)間減少，設(shè)備噪音更小，同時(shí)提供更清潔、溫度更高的壓縮氣體。嚴(yán)苛的工況對(duì)油品的使用性能提出了更高的要求，多級(jí)壓縮的往復(fù)式空氣壓縮機(jī)排氣溫度高達(dá)200 ℃以上，壓力最高達(dá)350 MPa，礦物油使用的上限溫度為160 ℃，在特定的工況下合成型空氣壓縮機(jī)油發(fā)揮熱安定性好的優(yōu)勢(shì)，可以滿足嚴(yán)苛條件下往復(fù)式空氣壓縮機(jī)的使用要求[4-6]。

往復(fù)式空氣壓縮機(jī)對(duì)潤(rùn)滑油的性能要求：

(1)適當(dāng)?shù)酿ざ取１ＷC良好的潤(rùn)滑和壓縮氣體的密封。壓縮機(jī)油的黏度在高壓下會(huì)增大，黏度過大，不但浪費(fèi)功率，而且表面油膜恢復(fù)速度慢，增加磨損，也容易造成油泥和積炭；黏度小，易使氣缸活

塞間無法形成可靠油膜，造成漏氣。所以選擇時(shí)要考慮排氣壓力、終壓溫度、壓縮機(jī)的級(jí)數(shù)等因素。

(2)良好的熱氧化安定性。保證在運(yùn)行中少生成油泥和高溫下(220 ℃以上)不易產(chǎn)生積炭。歐洲壓縮機(jī)制造者規(guī)定VG32～68 POT值(老化試驗(yàn))最大2.0或2.5，VG100～150最大值為3.0。

(3)抗積炭性。這是影響壓縮機(jī)潤(rùn)滑油在使用中產(chǎn)生積炭多少的重要指標(biāo)。必須使用積炭小的油品，過多的積炭會(huì)引起排氣閥和排氣管處結(jié)焦和堵塞，致使排出氣體倒回缸內(nèi)，重復(fù)壓縮，使溫度迅速升高，高溫又加劇氧化，當(dāng)溫度升到油的自燃點(diǎn)時(shí)，積存在積炭中的潤(rùn)滑油開始燃燒，生成碳?xì)浠衔锖陀坞x炭，與空氣混合達(dá)到爆炸界限。

(4)高閃點(diǎn)。閃點(diǎn)是壓縮機(jī)的安全性指標(biāo)，因?yàn)閴嚎s空氣的溫度有可能超過油品閃點(diǎn)，壓縮機(jī)油閃點(diǎn)應(yīng)高于排氣溫度30～40 ℃，閃點(diǎn)隨壓力提高而提高，這就等于為處于壓力狀態(tài)下的潤(rùn)滑油增加了安全系數(shù)。

(5)高燃點(diǎn)。燃點(diǎn)也是壓縮機(jī)油的安全性指標(biāo)。壓縮機(jī)著火爆炸的主要原因就是積炭受熱分解達(dá)到自燃點(diǎn)而引起的。當(dāng)空氣壓力增加到1 MPa時(shí)，燃點(diǎn)下降到250 ℃，當(dāng)壓力增加到10 MPa時(shí)燃點(diǎn)下降到200 ℃。

高壓、高壓差、高排氣溫度的中高壓往復(fù)式壓縮機(jī)對(duì)潤(rùn)滑油的要求相應(yīng)較高，需要更好的抗氧化性能，黏溫性能以及低溫流動(dòng)性、高溫不易積炭等。如采用全合成PAO為基礎(chǔ)油，可應(yīng)用于重負(fù)荷往復(fù)式空氣壓縮機(jī)的氣缸與曲軸箱部位的潤(rùn)滑，具有優(yōu)異的熱氧化安定性與抗磨性能，并且能降低排氣系統(tǒng)的積炭，但在極端工況下對(duì)積炭的溶解能力依然有限，因此有必要開發(fā)合成酯型空氣壓縮機(jī)油產(chǎn)品。

2 往復(fù)式空氣壓縮機(jī)油產(chǎn)品分析

從國(guó)內(nèi)主要品牌的往復(fù)式空氣壓縮機(jī)油產(chǎn)品線進(jìn)行分析(見表1)，各品牌均有主流礦物型產(chǎn)品和頂級(jí)合成型產(chǎn)品，昆侖和長(zhǎng)城均有半合成型產(chǎn)品，而合成型產(chǎn)品的基礎(chǔ)油類型略有不同。

表1 往復(fù)式空氣壓縮機(jī)油產(chǎn)品線對(duì)比

表2為國(guó)內(nèi)外往復(fù)式空氣壓縮機(jī)油A、B、C、D四種油品的主要理化性能分析，黏度等級(jí)均為100。通過分析對(duì)比， B70 min，A油品相對(duì)較差。D油的康氏殘?zhí)吭鲋?.71%，相對(duì)最大，A油康氏殘?zhí)吭鲋?.19%，相對(duì)最小。B油具有一定的極壓性。通過對(duì)合成酯型空氣壓縮機(jī)油核磁氫譜分析，如圖2所示，化學(xué)位移7～8 ppm處，A、B、C三個(gè)油品均出現(xiàn)明顯苯環(huán)上的H，所以基礎(chǔ)油類型很可能為芳烴類，D油含芳香基團(tuán)較少。

表2 合成酯型往復(fù)式空氣壓縮機(jī)油競(jìng)品性能對(duì)比

圖2 A、B、C、D合成酯型壓縮機(jī)油H NMR核磁氫譜

由圖3可知，四個(gè)油品在1750 cm-1附近均出現(xiàn)明顯C=O酯基峰，但D油在1000～1500 cm-1附近未出現(xiàn)明顯的苯環(huán)特征峰，因此D油的基礎(chǔ)油主要組成為非芳烴類酯類基礎(chǔ)油。

圖3 A、B、C、D合成酯型壓縮機(jī)油紅外譜圖

3 酯類基礎(chǔ)油性能對(duì)比

通常雙酯、多元醇酯類基礎(chǔ)油的苯胺點(diǎn)為-7～5 ℃，苯胺點(diǎn)越低，極性越強(qiáng)，對(duì)添加劑的溶解性越好。一般酯類潤(rùn)滑油具有比同黏度的礦物油更好的潤(rùn)滑性能，其原因在于酯類分子中的極性功能團(tuán)在摩擦表面的強(qiáng)吸附作用，在摩擦表面上形成抗剪切性能更好的油膜，使摩擦表面受到保護(hù)。大部分酯類油毒性較低，生物降解性較好。

油品成焦傾向測(cè)定法：用加熱的潤(rùn)滑油(油溫100 ℃)與高溫(310～320 ℃)鋁板短暫接觸測(cè)定結(jié)焦的傾向，見圖4。將油樣在規(guī)定溫度條件下用機(jī)械力濺到鋁制試驗(yàn)板上。規(guī)定試驗(yàn)周期后，稱重測(cè)定鋁板上沉積焦的量。在相同復(fù)合劑下，比較鄰苯二甲酸酯、偏苯三酸酯、季戊四醇酯的結(jié)焦性能，鄰苯二甲酸酯結(jié)焦劑量最大，為45 mg，季戊四醇酯的結(jié)焦劑量最低，為2 mg，偏苯三酸酯為32 mg。

圖4 不同基礎(chǔ)油下成焦傾向測(cè)定法外觀

鄰苯二甲酸酯具有沉積溶解性好的優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于往復(fù)式壓縮機(jī)油。普通芳香酯有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，所以黏度指數(shù)較低，其應(yīng)用范圍受到限制。

偏苯三酸酯具有優(yōu)良的高低溫性能，高溫蒸發(fā)小，結(jié)焦量低，與各種添加劑具有良好的相容性，是合成高溫鏈條油、合成螺桿式空氣壓縮機(jī)油等理想的合成基礎(chǔ)油。與同黏度季戊四醇酯相比，可降低增黏劑的用量，從而提高潤(rùn)滑油的高溫性能；用于配制合成高黏度空氣壓縮機(jī)油時(shí)，

可以不采用增黏劑提高黏度，并且還可解決使用PAO出現(xiàn)的橡膠密封件相容性和添加劑溶解性問題。

季戊四醇酯由于酯基多，所以極性強(qiáng)，蒸發(fā)損失低，潤(rùn)滑性好。多元醇酯具備優(yōu)異的熱氧化安定性和低蒸發(fā)性，可比雙酯在高50～100 ℃的工作溫度下使用。

4 結(jié)論

合成酯型空壓機(jī)油產(chǎn)品在降低蒸發(fā)損失，減少積炭生成方面有明顯優(yōu)勢(shì)，特別推薦應(yīng)用于高溫、高壓下的大型往復(fù)式空氣壓縮機(jī)。對(duì)比分析國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的頂級(jí)壓縮機(jī)油，均為芳烴類基礎(chǔ)油。通過油品成焦傾向測(cè)定法，分析三種類型酯類基礎(chǔ)油結(jié)焦性能，季戊四醇酯由于酯基多，極性更好，抗結(jié)焦性能最好，僅為2 mg，因此更適用于高溫高壓的苛刻工況。