含油溶性聚醚的汽轮机油性能研究

程 亮，孙大新，王 辉，张东恒

(中国石油大连润滑油研发中心，辽宁 大连 116031)

含油溶性聚醚的汽轮机油性能研究

程 亮，孙大新，王 辉，张东恒

(中国石油大连润滑油研发中心，辽宁 大连 116031)

将油溶性聚醚(OSP)作为汽轮机油基础油组分，考察了油品的抗氧化性、清净性、油泥生成趋势和抗乳化性能。研究结果表明：OSP具有很好的油溶性和独特的醚链结构，将OSP作为汽轮机油基础油组分是改善汽轮机油性能的有效途径；随着基础油中OSP含量的增加，新汽轮机油的黏度等级没有发生改变，而黏度指数增加，倾点降低，其它指标没有明显变化；OSP与复合剂F-2的互配性较好，加入OSP的油品具有很好的抗氧化性、清净性、抑制油泥生成性能和抗乳化性。

油溶性聚醚 汽轮机油 抗氧化性 清净性 油泥生成趋势 抗乳化性

汽轮机油从20世纪初诞生到现在已经发展了一百多年，普遍用于蒸汽轮机、水力轮机、发电机轴承等机械设备中的润滑系统，主要起润滑、冷却、调速和密封的作用。汽轮机油由基础油与添加剂调合而成，基础油一般采用矿物油，其组成占98%以上，然而矿物油氧化是产生沉淀、油泥和酸性产物，引起设备腐蚀、油品变稠、使用性能下降、寿命缩短的最根本原因，因此，汽轮机油基础油的组成对汽轮机油的氧化安定性有很大的影响[1]。随着各种添加剂技术的发展，在基础油不变的条件下，汽轮机油的性能逐渐提高[2]。然而，由于现代超临界、超超临界机组的运行温度大幅提高，使得汽轮机油更易氧化生成油泥，同时，机组制造精度的提高、伺服控制系统的应用均要求油品具有低的油泥析出趋势和良好的清净性。汽轮机油在使用过程中不可避免地会与水或蒸汽接触，为了防止油与水形成稳定的乳化液而破坏正常的润滑，要求汽轮机油应具有良好的抗乳化性、分水性和与水的兼容性等性能。然而添加剂已不能从根本上改善油品的性能，因此需要使用性能更优异的基础油来满足这些苛刻的使用要求。

聚α-烯烃(PAO)等合成油与矿物油混合作为汽轮机油的基础油已经被广泛使用[3]。然而随着汽轮机精密化程度的提高，对汽轮机油的要求也逐渐提高，因此有必要研制具有更好的氧化稳定性、清净性、抗乳化性的汽轮机油以满足不同仪器制造商的需求。

油溶性聚醚(OSP)以其优异的沉积物控制性能而备受关注[4]。作为新兴的合成油产品[5]，OSP具有以下特点：①可使新配方油品具有卓越的油泥、积炭和烟炱等沉积物控制性能；②可使油品的空气释放性得到显著改善；③与防锈剂、抗磨剂等添加剂起协同作用，为新配方油品带来更为卓越的腐蚀抑制、摩擦控制等性能；④可改善酯类基础油的水解安定性。这些突出的特性使得油溶性聚醚可以满足汽轮机油的各种性能要求。本课题将OSP作为汽轮机油基础油组分，考察油品的抗氧化性、清净性、油泥生成趋势和抗乳化性能。

1 试验样品及其理化指标

1.1 试验样品

OSP为实验室产品，由环氧丁烷与环氧丙烷共聚制得；原汽轮机油基础油采用矿物油(BS-1)，试验中将OSP以基础油混兑的方式加入到BS-1中；复合剂采用3种实验室自主开发产品，编号分别为F-1，F-2，F-3，添加量(w)均为1%。油品组成见表1。

1.2 OSP的理化指标

OSP的主要理化指标见表2。

1.3 复合剂的理化指标

复合剂的主要理化指标见表3。

表1 油品组成

表2 OSP的主要理化指标

1) 室温下，将50%油溶性聚醚与50%矿物油混合，观察其溶解性。

1.4 汽轮机油的理化指标

加入OSP后组成的新汽轮机油的理化指标见表4。由表4可见，随着BS-1中OSP加入量的增加，新汽轮机油的黏度等级没有发生改变，而黏度指数增加，倾点降低，其它指标没有明显变化。加入OSP后组成的新汽轮机油的各项指标均满足国家标准要求。

表3 复合剂的主要理化指标

1) 将试样注入50 mL量筒中，在室温下观察。

表4 新汽轮机油的主要指标

2 性能评价试验

2.1 抗氧化性能评价

采用旋转氧弹测定法(SH/T 0193，旋转氧弹测试仪：Tannas公司生产)评价润滑油的抗氧化性能。将50 g试样、5 mL蒸馏水和铜线圈装入氧弹体内，在氧弹体内充入620 kPa的氧气后，放入150 ℃的油浴中旋转，开始计时，当氧弹压力从最高压力处下降了0.17 MPa时，停止计时，试验终止，通过这一时间的长短判断试油的抗氧化能力。

2.2 清净性能评价

采用热管氧化试验方法评价润滑油的清净性能。此方法为实验室自建方法[6]，在280 ℃下，以1 mL/h的速率进样2 h，空气流速0.667 mL/s，通过玻璃管的颜色变化确定清净性能的差别。

2.3 油泥生成趋势评价

采用氧化油泥测定仪(大连智能仪器有限公司生产)按照GB/T 12581—2006方法评价油品的油泥生成趋势。试验方法：将油品放入装有水和铁-铜催化剂的试管中，在95 ℃下与氧气反应，试验连续进行，直到油样的酸值达到或超过2.0 mgKOH/g为止。使油样酸值达到2.0 mgKOH/g所需要的试验时间为“寿命时间”，过滤油样得到油泥，称重，通过油泥质量判断油品的油泥生成趋势。

2.4 抗乳化性能评价

采用石油和合成液抗乳化性能测定仪(大连特安技术有限公司生产)按照GB/T 7305—2003方法测试油品的抗乳化性能。试验方法：室温下向干净量筒中慢慢倒入40 mL蒸馏水，然后倒入40 mL试样至80 mL刻度处。将量筒放入(54±1) ℃恒温浴中，将搅拌叶片放入量筒内，用金属夹具固定，静置10 min，使量筒内的油水温度与浴温一致。搅拌5 min，记录油/水/乳化层分别达到40，37，3 mL时所需要的时间。通过分离时间的长短判断油品抗乳化性能的差异。

3 结果与讨论

3.1 抗氧化性能

OSP对含不同复合剂的汽轮机油抗氧化性能的影响分别见图1～图3。由图1可见：OSP的旋转氧弹时间小于100 min；在含复合剂F-1的油品中，TO-1的旋转氧弹时间高达1 500 min；当加入质量分数为5%的OSP时，TO-2的旋转氧弹时间降低到700 min；随着OSP加入量的增加，旋转氧弹的时间逐渐下降，TO-3、TO-4的旋转氧弹时间分别为618 min和563 min。由图2可见，在含复合剂F-2的油品中，TO-5的旋转氧弹时间仅为1 080 min，低于油品TO-1的旋转氧弹时间，但是当油品中分别加入5%，10%，20%的OSP时，旋转氧弹时间并没有出现大幅度下降，这表明OSP与F-2复合剂有较好的互配性。由图3可见，在含复合剂F-3的油品中，TO-9的旋转氧弹时间高达1 520 min，但是加入OSP后，新油品的旋转氧弹时间大幅度下降。以上结果说明：随着OSP加入量的增加，油品的旋转氧弹时间逐渐降低；OSP与复合剂F-2具有较好的互配性，这可能是由于复合剂F-2中的抗氧剂可以有效阻止OSP的氧化分解。

图1 OSP对含F-1的汽轮机油抗氧化性能的影响

图2 OSP对含F-2的汽轮机油抗氧化性能的影响

图3 OSP对含F-3的汽轮机油抗氧化性能的影响

3.2 清净性能

采用OSP与复合剂F-2互配，通过热管氧化实验考察了OSP在汽轮机油中的清净性能，结果见图4，图中左边为TO-5热管氧化后玻璃管的外观，右边为TO-6热管氧化后玻璃管的外观。从图4可以看到，TO-6与TO-5相比，玻璃管壁上的黑色沉积物明显减少。这是由于OSP的醚链结构导致其本身具有较大的极性，同时高温可以使得醚键断裂，生成一些易挥发的小分子化合物，可以将氧化生成的黑色沉积物溶解，起到清净的作用。

图4 油品的热管氧化实验结果

3.3 油泥生成趋势

油泥是导致汽轮机停机、维修的最直接原因，传统汽轮机油因油泥而导致伺服阀粘连、损坏。采用OSP与复合剂F-2互配，考察了油品的油泥生成趋势。不同通氧气时间下油品的旋转氧弹试验结果见图5。由图5可见：在未向油品通入氧气时，TO-5与TO-6的旋转氧弹时间均超过了1 000 min，且TO-5的旋转氧弹时间略长于TO-6；当向油品中通入氧气的时间达到540 h后，两者的旋转氧弹时间均有所下降，TO-5的旋转氧弹时间下降幅度大于TO-6；继续向油品中通入氧气，达到672 h时，TO-5和TO-6的旋转氧弹时间分别为25 min和186 min，TO-5的抗氧化性能已经不能满足国家标准的要求，而TO-6仍然保持了较好的抗氧化性能，这也说明OSP与F-2中的抗氧剂有良好的协同性。

图5 不同通氧气时间下油品的旋转氧弹试验结果■—TO-5； ■—TO-6

为了观察油品的油泥趋势及清净性，在通氧气时间达到672 h后，取出试验油品，观察剩余的油品、铜丝以及铁丝的外观，结果见图6。由图6A可见：TO-5油品在长时间氧化后，颜色变为黑色，同时在油品上部，玻璃管的内壁上有褐色附着物存在；TO-6油品在长时间氧化后，颜色为红色，在油品上部，玻璃管的内壁上没有附着物存在，说明OSP有较好的清净性能。由图6B可见：TO-5中的铜丝显示红棕色，玻璃管上部存在褐色附着物；TO-6中的铜丝显示浅棕色，玻璃管上部为无色，进一步证明了OSP具有较好的清净性能和防腐蚀性。由图6 C可见，TO-5与TO-6中的油泥有明显的颜色差别，质量分别为50 mg和25 mg。以上结果说明OSP可以有效抑制油泥的产生，具有降低油泥倾向的能力和良好的清净性。

图6 油品的油泥生成趋势试验结果

3.4 抗乳化性能

OSP与水的兼容能力比矿物油和其它合成油优异[7]。OSP对油品抗乳化性能的影响见表5。从表5可见，OSP的破乳化时间为5 min，TO-5的破乳化时间长达15 min，TO-6的破乳化时间为2 min。说明OSP可以有效提高油品的破乳化能力，延长油品的使用寿命。

表5 油品的抗乳化性能考察结果

4 结 论

(1) OSP具有很好的油溶性和独特的醚链结构，将OSP作为汽轮机油的基础油组分是改善汽轮机油性能的有效途径。随着基础油中OSP加入量的增加，新汽轮机油的黏度等级没有发生改变，而黏度指数增加，倾点降低，其它指标没有明显变化。

(2) 随着OSP加入量的增加，油品的旋转氧弹时间逐渐降低；在含复合剂F-2的油品中加入OSP时，旋转氧弹时间并没有出现大幅度下降，表明OSP与F-2复合剂有较好的互配性。

(3) OSP的醚链结构导致其本身具有较大的极性，同时高温可以使得醚键断裂，生成一些易挥发的小分子化合物，因而OSP具有较好的清净性能，并可以有效提高油品的破乳化能力，延长油品的使用寿命。

[1] Day L.The Secret’s[J].Tribology and Lubrication Technology，2008，2(1)：33-38

[2] Gatto V J，Elnagar H Y，Moehle W E，et al.Redesigning alkylated diphenylamine antioxidants for modern lubricants[J].Lubrication Science，2007，19(1)：25-40

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[4] McGraw P.Traction fluid composition：WO，2004061057[P].2004-07-22

[5] Greaves M.Oil soluble synthetic polyalkylene glycols[J].Lube Magazine，2011，104(77)：21-24

[6] 张杰，翟月奎，于军，等.船载在线调合系统专用气缸油复合剂的性能评价[J].石油炼制与化工，2013，44(5)：67-70

[7] Cracknell R.Oil soluble polyethers in crankcase lubricants[J].Journal of Synthetic Lubrication，1993，10(1)：47-66

PERFORMANCE OF OIL SOLUBLE POLYETHER IN TURBINE OIL

Cheng Liang， Sun Daxin， Wang Hui， Zhang Dongheng

(PetroChinaDalianLubricatingOilR&DInstitute，Dalian，Liaoning116031)

Oil soluble polyether (OSP) has a good oil solubility and unique ether chain structure. Taking OSP as a base oil component of turbine oil is an efficient way to improve the performance of turbine oil. The performance of the oxidation resistance， detergency， and sludge generation trend and demulsification of the turbine oil with OSP was investigated. The test results indicate that with the increase of the OSP in base oil， the viscosity of the turbine oil does not change， but the viscosity index increases and the pour point decreases. The other indicators have no obvious change. It is concluded that OSP and the complex agent F-2 can match well. The turbine oil with OSP has a good oxidation resistance， detergency and demulsibility ability and can inhibit the sludge generation trend.

oil soluble polyether； turbine oil； antioxidation； detergency； sludge generation tendency； demulsibility

2014-01-03； 修改稿收到日期： 2014-04-18。

程亮，博士，工程师，从事润滑油新材料与添加剂的研究工作。

程亮，E-mail：chengliang_rhy@petrochina.com.cn。