舰船用燃气轮机齿轮油的研制

张继平，宋 敏，张 杰，续 景

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心中国石油天然气集团公司润滑油重点实验室，兰州 730060； 2. 海军后勤技术装备研究所)

舰船用燃气轮机齿轮油的研制

张继平1，宋 敏2，张 杰1，续 景1

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心中国石油天然气集团公司润滑油重点实验室，兰州 730060； 2. 海军后勤技术装备研究所)

为实现舰船燃气轮机主减速器润滑用油的国产化进行了替代油品的研制。使用PAO6、VHVI4和酯类基础油，加入适当种类和比例的抗氧剂、极压抗磨剂、防锈抗腐蚀剂等研制了满足暂定质量指标的油品。该润滑油具有良好的黏温性能、氧化安定性、防锈抗腐蚀、抗高温腐蚀、水解安定性以及适宜的极压抗磨性。

舰船 燃气轮机 齿轮油

舰船动力装置的主流装备是燃气轮机，其功率总数日益增长，装船使用范围日益扩大。燃气轮机主要包括压气机、燃烧室、涡轮、主减速器等四部分。其中主减速器用于将燃气轮机的功率传递到舰船的推进器——螺旋桨。该燃气轮机自国外进口，主减速器润滑使用的是进口油品。随着进口燃气轮机保质期即将结束以及舰船用燃气轮机国产化工作的进行，急需配套润滑燃气轮机主减速器的油品以替代国外产品。

舰船用燃气轮机通常由航空涡轮发动机改造而来，因此其润滑使用的油品也是在航空涡轮发动机润滑油的基础上发展起来的。发达国家船用燃气轮机使用的是专门的船用燃气轮机润滑油，这种油品就是在航空涡轮发动机润滑油的基础上，对个别性能进行调整后形成的，防腐防锈性能比较好[1]。目前，国内没有舰船燃气轮机主减速器专用润滑油品，而在用的进口油为航空发动机润滑油，并不能完全适应海洋环境的要求。为了解决舰船用燃气轮机主减速器润滑用油国产化的问题，专门开展了舰船用燃气轮机合成齿轮油的研制工作。根据舰船处于海洋环境的实际工况要求，在参照进口油性能的基础上，重点提高了研制油的防锈、水解安定性和极压抗磨性。

1 研制油品暂定质量指标

设备原用进口油满足俄罗斯MH-7.5y航空润滑油规格，满足该规格的油品具有良好的黏温性能、高温氧化安定性，但缺少海洋环境下使用的油品应具备的防锈抗腐蚀、水解安定性、抗乳化等性能。现用进口油(以下记为FO)满足DEF_STAN_91-98规格，但同样存在上述的问题。因此，参照MH-7.5y和DEF_STAN_91-98质量规格并结合设备实际工况，制订了适合研制油的暂定质量指标。具体标准见表1。

2 实 验

2.1 原 料

油品研制使用的基础油组分主要有PAO6、VHVI4、酯类油A等。使用的添加剂主要有胺类、酚类抗氧剂；磷氮型、硫磷氮型极压抗磨剂；苯三唑、噻二唑型金属减活剂；磺酸盐类防锈剂等。其中基础油的主要性质见表2。

2.2 实验方法

油品研制过程中用到的标准方法见表1。自建方法及模拟试验方法如下。

热氧化安定性：取166 mL试油加入大试管中，盖上带有金属圆片(将表面氧化层打磨掉，用沸程60～90 ℃的石油醚冲洗干净，晾干称重，记为m1，单位g)的空气导管，确保金属圆片没入试油中。将大试管插入油浴中，升温至175 ℃，调节空气流量在10 Lh左右。保持恒温恒流量50 h。测量实验后试油的100 ℃运动黏度和酸值。同时用

表1 研制油暂定质量指标

表2 不同组分基础油的主要理化性能

1)将酯类油A以20%的量调入到PAO6中检测。

石油醚将金属圆片清洗干净，晾干称重，记为m2，单位g。使用公式[(m1-m2)×1 000A]计算金属圆片的腐蚀失重。其中A为试验金属圆片的表面积，单位cm2。

烘箱氧化：在250 mL烧杯中加入200 mL试油(测量试油的磷含量记为P1)，将磨好的45号钢片用石油醚(沸程60～90 ℃)冲洗干净，晾干秤重(记为m3，单位g)，然后将钢片以和杯底30°角浸入油中，将烧杯置于150 ℃的恒温烘箱中放置50 h，然后取出钢片用石油醚冲洗干净，晾干秤重(记为m4，单位g)，测量氧化后油品的磷含量记为P2。根据测量结果计算油品的磷保持和钢片腐蚀失重。使用公式P2P1计算试油的磷保持率。使用公式[(m3-m4)×1 000A]计算钢片腐蚀失重，其中，A为试验钢片的表面积，单位为cm2。

3 结果与讨论

3.1 基础油的选择

FO使用的基础油以酯类油为主，其目的是为了适应航空发动机工作温度高的工况。舰船用燃气轮机热负荷小于同类航空发动机，因此研制油的基础油没有选用高温性能良好但水解安定性差的酯类油，而是使用了具有良好热氧化安定性和水解安定性的聚α-烯烃(PAO)，这样能更好地适应海洋环境下潮湿和高盐雾的工况。此外，研制油对黏温性能要求高，单独使用PAO黏度指数不能满足指标要求。因此选择了一种能够提高黏度指数且剪切安定性良好的酯类油与PAO搭配，考虑到成本，在基础油中还加入了适量矿物油。基础油的主要性能见表3。

表3 基础油主要理化性能

从表3的结果可知，使用PAO、酯类油A和矿物油调合的基础油主要理化性能满足暂定质量指标要求。

3.2 添加剂的筛选和配方的确定

3.2.1 抗氧剂的筛选 研制油在使用过程中不可避免地与氧气接触，随着温度的升高，油品氧化速率加快。油品氧化后产生大量的酸性物质和胶质沉淀，腐蚀性增大，使用性能下降，因此需要在油品中添加抗氧剂以提高其抗氧化性能。常用的抗氧剂有酚型(温度在100 ℃以下使用效果良好)和胺型(100～200 ℃使用效果良好)。研制油的工作温度范围较宽(-40～150 ℃)，因此，需要酚型和胺型抗氧剂搭配使用才能有效抑制氧化作用。

油品的氧化除与自身化学结构有关外，还与使用条件息息相关。如温度高低、空气或氧气的压力、金属的催化作用等，其中很重要的一个因素是金属的催化作用，实践证明在常用金属中，铜对油品的催化作用最大[2]。为了考察不同抗氧剂在铜催化条件下的抗氧化性能，在实验室使用旋转氧弹，对加入不同抗氧剂的基础油进行了考察(各实验油不同抗氧剂以等质量加入，且总添加量相等)，同时使用烘箱氧化法考察了它们的抗高温腐蚀性能，并与FO做了对比。调油方案及试验结果见表4。

表4 不同抗氧剂抗氧化和抗高温腐蚀性能考察方案及试验结果

注：AO-1为液态胺型抗氧剂，AO-2为固态胺型抗氧剂，AO-3为酚型抗氧剂。

从表4的结果可知，不同抗氧剂搭配方案的旋转氧弹时间都高于参比油FO。其中2号方案的旋转氧弹时间最长，这是由于AO-1和AO-2均为胺型高温抗氧剂，在150 ℃试验条件下能发挥良好的抗氧化作用；3号方案时间长于4号方案，表明AO-1的抗氧化性能优于AO-2。1号方案时间长于3号和4号方案，表明AO-1、AO-2和AO-3共同使用起到了良好的协同效应；从腐蚀失重结果来看，3种抗氧剂以相同比例搭配没有造成钢片失重。考虑到油品使用温度范围较宽，既有高于100 ℃的高温工况，也有低于100 ℃(此时AO-3能较好的发挥抗氧化性能)的较为缓和的工况，结合旋转氧弹和腐蚀失重结果，确定1号方案作为研制油品使用的抗氧剂组合。

3.2.2 极压抗磨剂的筛选 舰船用燃气轮机主减速器的减速比低，负荷较小，因此研制油对极压抗磨性能要求不高。将几种常用添加剂以0.2%的剂量调入基础油中进行极压抗磨性能考察，由于油品对水解安定性、抗腐蚀性、抗高温腐蚀(腐蚀失重)提出了较高的要求，而极压抗磨剂是影响油品上述性能的主要因素，因此也同时考察了各极压抗磨剂的上述性能。不同极压抗磨剂性能考察试验结果见表5。

表5 不同极压抗磨剂性能考察试验结果

注：AW-1为磷酸酯，AW-2为酸性磷酸酯胺盐，AW-3为烷基硫代磷酸酯，AW-4为亚磷酸酯胺盐，AW-5为含氮杂环磷酸酯胺盐。

由表5的结果可知：AW-3，AW-4，AW-5具有较好的极压抗磨性能，可以满足暂定质量指标要求。但AW-4和AW-5的抗磨耐久性(磷保持)明显低于AW-3，且AW-4和AW-5的钢片腐蚀失重远大于AW-3。因此选用AW-3作为配方研究使用的极压抗磨剂。由于AW-3的活性高，它在具有良好极压抗磨性的同时也对铜片造成了较为严重的腐蚀，同时水解安定性差。解决上述问题有两条途径：①复合配方研究时AW-3与其它功能添加剂复配，借助金属减活剂抑制铜片腐蚀从而减缓极压抗磨剂的水解；②与对铜片腐蚀小、水解安定性好的极压抗磨剂复配使用。通常齿轮油中使用两种或两种以上极压抗磨剂，以兼顾油品的极压抗磨性、抗铜片腐蚀和水解安定性。

从表5的结果可知，AW-1的铜片腐蚀为1a，满足暂定质量指标要求，同时它还具有良好的水解安定性，铜片失重和水层酸度均可满足技术指标要求，可选择AW-1和AW-3搭配使用。此外，AW-2也有良好的抗铜片腐蚀能力，且对钢片腐蚀失重无影响，可选择AW-2和AW-3搭配使用。根据以上分析，将AW-3，AW-2，AW-1纳入研制油品选用的极压抗磨剂范围之内。

3.2.3 防锈剂的选择 由于研制油在海洋环境使用，要求油品具有良好的防锈性能。因此需加入防锈剂以提高其防锈性能。常用的防锈剂包括磺酸盐类、羧酸衍生物类、酯类等。考虑到酯类防锈剂的水解效应会降低整个油品的抗水解能力，羧酸衍生物类防锈剂的酸值较高，而研制油要求油品具有低的酸值，因此选用3种磺酸盐类防锈剂和防锈抗腐蚀剂A调入基础油中进行防锈性能测试，添加质量分数均为0.07%～0.10%，同时考察了防锈性能良好的添加剂的抗腐蚀性能。不同防锈剂性能考察试验结果见表6。

表6 不同防锈剂性能考察试验结果

注：AR-1为低碱值磺酸钡，AR-2为中性磺酸钡，AR-3为低碱值磺酸钙。

从表6的结果可知，AR-1，AR-2，AR-3均不能满足油品防锈性的要求，防锈抗腐蚀剂A可以解决油品的防锈性能同时也具有良好的抗腐蚀性能。因此选择A作为油品研制使用的防锈剂和抗腐蚀剂。

3.2.4 不同添加剂复配性能考察 确定了主要添加剂的类型后，开展了它们之间复配性能的研究。固定基础油、抗氧剂、防锈抗腐蚀剂的量，使用不同的极压抗磨剂与之搭配，重点考察了抗氧化、水解安定性、极压抗磨、抗腐蚀等性能。调油方案和试验结果见表7。

表7 不同极压抗磨剂组合与其它添加剂的复配试验结果

由表7的结果可知，从热氧化安定性结果看2号方案最好，主要体现在酸值最小、戊烷不溶物含量最低，该结果表明2号油在高温氧化条件下产生的氧化杂质最少。从水解安定性结果看2号方案最好，主要体现在水层酸度最小，该结果表明2号油在含水条件下稳定，适用于海洋环境下的工况。从四球试验结果看，3号方案具有最好的极压抗磨性能，其PB值最高，磨斑直径最小，1号方案的PB值不能满足暂定质量指标要求，2号方案具有适中的极压抗磨性能。综合考虑油品对抗氧化、水解安定性和极压抗磨性能的要求，选择2号方案。

3.2.5 油品主要性能评价 通过对单剂和添加剂复配性能的考察，确定了油品的复合配方，按照确定的配方并加入适量的抗泡剂和抗乳化剂调制油品，并对其主要性能进行分析评定，同时与FO进行对比。评价结果见表8。

表8 研制油与FO主要性能分析评价

从表8的结果可知，研制的油品各项性能均满足暂定质量指标要求。在防锈、抗泡、抗乳化、水解安定性和极压抗磨性能等方面优于FO。

4 结 论

(1) 采用PAO6、VHVI4和酯类油A以适当比例调合而成的基础油，满足了油品高黏度指数、低倾点等苛刻的黏温性能要求，同时具有良好水解安定性。

(2) 胺型和酚型抗氧剂以适当的比例搭配，使油品具有良好的抗高温氧化的性能。

(3) 苯三唑衍生物、磺酸盐和磷酸酯胺盐以适当的比例搭配，使油品具有良好的防锈和防腐蚀性能。

(4) 将不同活性的极压抗磨剂搭配使用，既满足了油品的极压抗磨性能需求，也使油品具有较好的水解安定性。

(5) 研制的油品各项性能满足暂定质量指标要求。

[1] 岳国良，王欣，李楠.船用燃气轮机润滑油[J].合成润滑材料，2011，38(3)：14-17

[2] 郑发正，徐新，白雪亮.润滑油的氧化与对策[J].合成润滑材料，2008，35(4)：30-32

简 讯

2021年世界催化剂市值将超过220亿美元

市场研究机构Ceresana公司发表的最新研究结果显示，到2021年催化剂的总市场价值将增加到220亿美元以上。北美洲占世界催化剂市场份额的42%。加工大量原油的美国，是催化剂消费量最大的国家。

在Ceresana公司分析的20个国家中，中国的增长率最高，从而使得亚太地区成为一个快速增长的市场。中国催化剂的需求量将每年增加4.5%。由于南部欧盟国家受金融危机的影响使得西欧的催化剂需求量在下降。大约80%的催化剂消费量来自石油炼制，如催化裂化、加氢裂化或重整等过程。Ceresana公司预计，聚合催化剂是未来需求增长最具活力的领域，到2021年的年均增长率为3.1%，而聚乙烯和聚丙烯合成催化剂占主要份额。预计未来8年全球聚丙烯和聚乙烯类的生物塑料催化剂市场的年均增长率为近20%。在接下来的8年里，由于全球经济的发展，由化学合成催化剂产生的收入将增加到约87亿美元。

[许建耘摘译自Focus on Catalysts，2014-08-01]

DEVELOPMENT OF GEAR OIL FOR GAS TURBINE OF NAVAL VESSEL

Zhang Jiping1， Song Min2， Zhang Jie1， Xu Jing1

(1.PetroChinaLanzhouLubricatingOilR&DInstitute，LubricatingOilKeyLaboratoryofChinaNationalPetroleumCorporation，Lanzhou730060； 2.NavyInstituteofLogisticalTechnology&Equipment)

To localize gas turbine gear oil for main retarder of naval vessel， alternative gas turbine gear oil was developed. The developed gear oil composes of PAO6， VHVI4， esters and appropriate antioxidant， antirust and anticorrosive， extreme pressure abrasion resistance additive and the quality of the gear oil meets the provisional qualification standard. The developed oil has an excellent performance in viscosity-temperature， oxidation stability， antirust and anticorrosion， anti-high temperature corrosion， hydrolytic stability and a suitable extreme pressure abrasion resistance.

naval vessel； gas turbine； gear oil

2014-05-09； 修改稿收到日期： 2014-07-30。

张继平，硕士，2005年毕业于太原理工大学化学工程专业，主要从事齿轮油添加剂及配方的开发工作。

张继平，E-mail： zhangjiping_rhy@petrochina. com.cn。