基础油中芳烃对冷冻机油抗磨损性能的影响

张美琼，张霞玲，王凯明，王燕，柯友胜

(中国石油克拉玛依石化有限责任公司炼油化工研究院，新疆 克拉玛依 834000)

基础油中芳烃对冷冻机油抗磨损性能的影响

张美琼，张霞玲，王凯明，王燕，柯友胜

(中国石油克拉玛依石化有限责任公司炼油化工研究院，新疆 克拉玛依 834000)

本研究采用四球摩擦试验机进行长磨试验，用Falex试验仪进行极压性能试验，考察冷冻机油基础油中芳烃含量对基础油抗磨损性能的影响和对极压抗磨剂感受性的影响。结果表明：芳烃有助于改善基础油的抗磨性能和极压性能；在基础油黏度等级和温度等物理因素相同的前提下，基础油中的芳烃对极压抗磨剂的抗磨能力有消极影响；芳烃含量适宜时，极压抗磨剂的极压性能最好，即芳烃含量太低或太高，均不利于极压性能的发挥。

冷冻机油；芳烃；极压抗磨剂感受性；抗磨性能；极压性能

0 引言

冷冻机油在制冷压缩机工作过程中起到清洁、密封、散热和润滑作用，其中抗磨损性能表征冷冻机油的润滑能力，该性能由基础油和极压抗磨剂共同决定。

基础油是冷冻机油产品的主要组分，通常比例达到90%以上。通过加入极压抗磨剂，如含硫、磷、氯等的化合物改善冷冻机油基础油抗磨损性能是润滑油研究与生产的主要方法，基础油组成对冷冻机油的抗磨损性起到重要影响。本文主要考察冷冻机油基础油中芳烃对基础油抗磨损性能的影响和对极压抗磨剂感受性的影响，并从抗磨性能和极压性能两方面分别分析抗磨损性能。

1 实验部分

1.1 基础油

克拉玛依某环烷基馏分油经过两种加氢工艺处理后，分别得到芳烃含量不同的基础油A和B，将它们作为本实验用油品。基础油A和B的理化性质如表1所示。

表1 基础油A和B的性质

表1(续)

注：CA表示芳环碳原子占总碳原子数的百分数，是间接表征油品芳烃含量高低的一种方法。

从表1分析数据可以看出：基础油A和B的黏度等级相同；基础油A的CA值为0.86%，属低芳烃含量基础油，基础油B的CA值为18.77%，属高芳烃含量基础油。

本实验为考察基础油中芳烃含量对冷冻机油抗磨损性能的影响，将基础油A和B按质量比进行不同比例调合，得到芳烃含量不同的调合基础油，调合方案及分析数据如表2所示。

表2 A和B调合基础油的运动黏度和碳型分布

从表2可以看出：A、B调合后的基础油黏度等级相同，因此，在进行这五组基础油的抗磨损性能测试时，可以排除黏度对抗磨损性能的影响；CA值表明，五组基础油的芳烃含量有明显的区别，可以用来考察芳烃含量对抗磨损性能的影响。

1.2 极压抗磨剂

本实验选用的极压抗磨剂为磷酸三甲酚酯(T306)和硫代磷酸三苯酯(T309)，将两种极压抗磨剂分别加入到五组基础油中，进行添加剂感受性考察。

1.3 长磨试验

试验仪器：济南试金集团有限公司试验机厂制造的四球摩擦试验机，型号MRS-10A。

试验方法概要：本试验方法修改采用SH/T 0189，具体操作方法为：在常温和15 kg受力的条件下，旋转置于由油样覆盖的3个固定钢球顶部的一个同一直径的钢球，旋转速度为1200 r/min，旋转周期为60 min，试验结束后，用电子显微镜观察下面三个钢球磨损后的外观(磨损痕迹)，即磨斑质量，并测量下面三个磨斑的直径，计算三个磨斑直径的平均值。上下钢球在摩擦过程中，下面的钢球受到来自上面钢球的挤压，挤压痕迹通过磨斑痕迹表现在磨斑质量上，油品极压性能越好，磨斑质量越好，因此磨斑质量在一定程度上体现了试验样的极压性能。本长磨试验中，用磨斑质量和磨斑平均直径分别表示冷冻机油的极压性能和抗磨性能。

1.4 Falex极压性能试验

本研究中，除用长磨的磨斑质量表征冷冻机油的极压性能外，还采用评定润滑油极压性能的通用方法SH/T 0187来进一步表征极压性能。

试验仪器：Falex Corporation(美国Falex公司)的Friction & Wear Test Machine。

试验方法概要：用两个静止的V形块夹住浸没在试样里的钢制试验轴，以290 r/min±10 r/min的转速旋转试验轴，通过棘轮机构给V形块连续施加负荷，所得到的试验失效负荷值是判断极压性能水平的标准(试验失效是指发生卡咬、锁紧销损坏或者试验轴急剧磨损而造成棘轮运转但不能使负荷增加的情况)。

2 实验结果与讨论

2.1 芳烃含量对基础油抗磨损性能的影响

2.1.1 抗磨性能

本实验首先对五组基础油进行了长磨试验，芳烃含量对磨斑直径的影响如图1所示。

图1 基础油芳烃含量对磨斑直径的影响

从图1可以看出，随芳烃含量增加，基础油磨斑直径减小，抗磨性能变好，说明基础油中的芳烃有助于改善基础油的抗磨性能，这一结论与前人的大量研究结果一致[1-2]。

2.1.2 极压性能

五组基础油进行长磨试验后，磨斑质量如图2所示。

图2 基础油芳烃含量对磨斑质量的影响(从左至右，芳烃含量逐渐增大)

从图2可以看出，随芳烃含量的增大，基础油磨斑边界趋于完整，擦伤痕迹变浅，磨斑颜色变淡，磨斑整体质量变好，说明极压性能变好。

为验证“芳烃含量增大，基础油极压性能变好”这一结论，对五组基础油分别进行了Falex极压性能试验，试验结果如图3所示。

图3 基础油芳烃含量对Falex失效负荷的影响

从图3可以看出，随芳烃含量增大，基础油的Falex失效负荷增大，极压性能变好，这与由长磨试验的磨斑质量得到的结论一致。

从对基础油进行的长磨试验和Falex极压性能试验结果，可知基础油中自带的芳烃有助于改善基础油的抗磨性能和极压性能，即芳烃含量越高，基础油的抗磨损性能越好。

2.2 芳烃含量对极压抗磨剂感受性的影响

极压抗磨剂是具有表面活性的极性物质，首先吸附于金属摩擦副表面，在高负荷条件下，分子中的硫、磷等活性元素与金属反应，并形成硫/磷化物保护膜，阻止磨损[3]。

为考察芳烃含量对极压抗磨剂感受性的影响，笔者首先进行了大量文献调研。傅蓉[4]用XPS(X射线光电子能谱)进行吸附能力实验，对不同芳烃含量基础油中极压抗磨剂在铁粉表面吸附进行定量分析表明，基础油中芳烃的存在减少了极压抗磨剂在金属表面的吸附量。大量文献调研得出，前人对于基础油的芳烃和极压抗磨剂吸附性的关系有两点认识：竞争吸附，芳烃也是极性物，容易吸附在金属摩擦面，与极压抗磨剂的吸附产生竞争；溶解，芳烃对极压抗磨剂的溶解性能很好，芳烃含量越高，更多抗磨剂溶解在基础油中，减少了抗磨剂在摩擦表面的吸附，从而减少油品的极压抗磨性能[5]。Rong Fu等发现竞争吸附不是影响其性能的关键因素，发现极压抗磨剂和芳烃在油中的其他相互作用可能导致了添加剂性能下降[6]。综合文献调研资料可以看出，极压抗磨剂和芳烃间作用力的具体形式比较复杂，导致芳烃含量对极压抗磨剂性能的发挥可能不是单一趋势的影响。

本文为定性考察冷冻机油基础油中芳烃含量对极压抗磨剂感受性的影响情况，在五组基础油中均分别加入抗磨剂单剂1.0%T306、1.0%T309，对十组试验样分别进行长磨试验和Falex极压性能试验。

2.2.1 抗磨性能

长磨试验的磨斑直径如图4所示。

图4 芳烃含量对磨斑直径的影响

从图4可以看出：

(1)含1.0%T306和含1.0%T309的油品磨斑直径，均随芳烃含量的增加而增大，这与基础油磨斑直径随芳烃含量增加而变小的变化趋势完全相反；基础油中芳烃达到一定量时，含极压抗磨剂的油品磨斑直径跟基础油的相当甚至更大。说明芳烃含量越高，越不利于极压抗磨剂抗磨性能的发挥，当芳烃含量在一定范围内时，极压抗磨剂对基础油的抗磨性能才有改善作用。

(2)同一基础油方案，含1.0%T306的磨斑直径比含1.0%T309的磨斑直径小，说明T306的抗磨性能比T309好。

2.2.2 极压性能

长磨试验的磨斑质量如图5、图6所示。

图5 含1.0%T306油样的磨斑质量(从左至右，芳烃含量逐渐增大)

图6 含1.0%T309油样的磨斑质量(从左至右，芳烃含量逐渐增大)

仔细观察图5和图6，可以发现，含1.0%T306和含1.0%T309的油样均随芳烃含量增大，磨斑质量先变好后变差，即CA值在一定范围内时，磨斑质量最好，芳烃含量太低或太高，磨斑质量即油品极压性能均不好，为验证这一现象，对含1.0%T306和含1.0%T309的油样进行了Falex极压性能试验，试验结果如图7所示。

图7 芳烃含量对含极压抗磨剂油样Falex失效负荷的影响

从图7可以看出：随芳烃含量的增加，含极压抗磨剂油样的Falex失效负荷先增大后减小，当芳烃含量适宜(在本实验的研究体系内，这一适宜值为14.29%)时，极压性能最好，这与长磨试验中由磨斑质量得到的结论相吻合；同一基础油方案，含1.0%T309油样比含1.0%T306油样的Falex失效负荷大，说明T309的极压性能比T306好。

从对含极压抗磨剂油样进行的长磨试验和Falex极压性能试验的结果可以看出，基础油中芳烃含量对极压抗磨剂的抗磨性能和极压性能两方面的感受性不协同：随芳烃含量的增加，含极压抗磨剂油样的抗磨性能变差，而极压性能先变好后变差。这将导致当油样的抗磨性能更好时，极压性能可能更差，即可能出现直径较小但摩擦痕迹很深的磨斑，也可能出现直径较大但痕迹很浅的磨斑，从压缩机系统的磨损严重程度看，应更重视磨斑痕迹的深浅。也就是说，抗磨损性能中，抗磨性能和极压性能都很重要，但当两者的水平表现不一致时，应更重视极压性能。综合抗磨性能和极压性能，A和B调合油的CA值为14.29%时抗磨损能力最好。

3 结论

本研究在试验样黏度等级和试验温度等物理因素相同的前提下，考察了冷冻机油基础油中的芳烃含量对基础油抗磨损性能的影响以及芳烃含量对极压抗磨剂感受性的影响，并从抗磨性能和极压性能两方面分别分析抗磨损性能，结论如下：

(1)冷冻机油基础油中的芳烃有助于改善基础油的抗磨损性能，芳烃含量越高，基础油的抗磨性能和极压性能均越好。

(2)冷冻机油基础油中的芳烃对极压抗磨剂抗磨性能的发挥有消极影响，即芳烃含量越高，极压抗磨剂的抗磨性能越差；芳烃含量适宜时，极压抗磨剂的极压性能最好，即芳烃含量太低或太高，均不利于极压性能的发挥。

(3)T306的抗磨性能比T309好，而极压性能比T309差。

[1] 夏青虹.基础油组成对内燃机油抗磨性能的影响[J].润滑与密封,2009,34(9):84-88.

[2] 叶小娟,赵锁奇,刘庆廉,等.基础油组成对润滑脂抗磨性能的影响[J].润滑与密封,2007,32(9):122-124.

[3] 杨宏伟,杨士亮,孙世安,等.极压抗磨剂的发展现状及作用机理研究[J].当代化工,2012,41(9):961-963.

[4] 傅蓉.不同芳烃含量润滑油基础油对添加剂感受性的研究[D].北京:石油化工科学研究院,1998:1-71.

[5] 崔宝印.加氢基础油对添加剂溶解性能和极压抗磨性能影响的研究[J].石油炼制与化工,2009,40(10):51-53.

[6] 孔吉霞.基础油组成对润滑油产品性能的影响[J].石油商技,2010(5):61-67.

The Effect of Aromatic Content in Base Oil on Antiwear Properties of Refrigeration Lubricants

ZHANG Mei-qiong, ZHANG Xia-ling, WANG Kai-ming, WANG Yan, KE You-sheng

(Research Institute of PetroChina Karamay Petrochemical Company, Karamay 834000, China)

Antiwear properties of refrigeration lubricants were tested by four ball friction testing machine and Friction & Wear Test Machine to study the effect of aromatic content in base oil on antiwear properties and receptivity to EP additives. The results showed that, aromatic hydrocarbon is helpful to antiwear property and EP property of base oil. Aromatic hydrocarbon in base oil with the same viscosity grade and temperature and other physical factors, has negative effect on the antiwear property of EP additives. With an appropriate amount of aromatic hydrocarbon, EP property of additives is the best, that is to say, there is too much or too little aromatic hydrocarbon to support EP property.

refrigeration lubricant; aromatic hydrocarbon; receptivity to EP additive; antiwear property; EP property

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.02.006

1002-3119(2017)02-0023-04

TE626.37

A

2016-07-15。

张美琼，工程师，2013年毕业于中国石油大学(北京)化学工程专业，现从事炼油工艺研究及油品开发工作，已公开发表论文3篇。E-mail:zmqksh@petrochina.com.cn