高抗硬水液压支架用乳化油的研制

2020-06-29黄莉云

石油商技 2020年3期

黄莉云李谨

中国石化润滑油有限公司上海研究院

针对液压支架用乳化油因水质不适引发的常见问题，开发了一种水质硬度适应性较高的液压支架用乳化油HFAE40-5。评价结果表明，开发产品具有较高的水质硬度适应性、热稳定性能、低温及防锈防腐性能，可满足高硬度水质地区（水质硬度≤2 000 mg/L）煤矿的液压支架用液需要。

液压支架液是液压支架系统的“血液”，液压支架的支撑、升降、移动等动作都需要借助液压液来实现能量的传递和转换。目前在井工煤矿开采作业中，均需要使用到液压支架液产品。液压支架用高含水液压液包括两类，即乳化型（HFAE）和溶液型（HFAS）。

国内井工煤矿液压支架用液市场目前仍以乳化型为主。早期市场习惯使用兑水稀释后，稀释液呈现奶白色的乳化型液压支架乳化油，各类产品性能参差不齐，部分乳化液稳定性差，水质适应性范围小，常伴随堵塞过滤网、滤芯，作业环境脏、设备锈蚀等问题。近年来，市场上出现了一类半合成乳化型液压支架乳化油，稀释液状态呈现水白色，水中分散的乳化液滴分子颗粒度更小，更有助于产品稳定性，且防锈润滑性综合性良好，越来越多地被市场所接受并应用。随着煤矿逐步开发，国内某些地区如河南、内蒙等部分地区，使用的当地地下水水质硬度可达2 000 mg/L，水质矿化程度高，一般规格的液压支架液产品无法完全适应该种特殊水质。为了满足这类高硬度水质地区的使用要求，本文开发了液压支架用乳化油HFAE40-5，为符合煤炭行业标准MT/T 76—2011《液压支架用乳化油、浓缩液及其高含水液压液》标准中适用水质硬度最高等级的产品。

液压支架液对水质适应性差的常见问题

析油析皂

液压支架液实际使用过程中一般常使用当地矿水按3%～5%稀释后使用，当水质钙镁离子、硫酸根离子等含量较大，硬度过高时，常常伴随液压支架液稀释后不能良好分散，出现不同程度的油皂析出。一般情况，水质硬度越高，稀释液状态越难保持稳定状态。一旦油皂析出，对液压支架系统危害较大，主要表现为以下几点：

◇黏稠物质黏附在立柱、阀组等液压元件表面和液压系统中，易造成液压支架液系统滤网堵塞[1]，影响系统正常作业。如过滤网过滤阀体过滤器堵塞、爆管[2]等。

◇部分煤矿作业面煤尘较大，稀释液箱无良好防尘盖或过滤网，致使煤尘等杂质落入液槽中，被稀释液中析出的皂所包裹团絮，共同形成大颗粒黏稠灰黑色颗粒沉淀在稀释液箱底部或黏附在配液箱壁，致使现场作业环境较脏。井下需要频繁花费人力冲洗稀释液箱，清除稀释液箱内沉淀及黏附物，大大提升了维护成本。

◇稀释液发生析皂后，严重时会发生油液分层，造成稀释液润滑等功能剂组成分布不均。这将导致稀释液润滑性得不到保证，无法有效降低支架内壁在支撑、升降、移动等动作中的磨损，发挥应有的保护支柱的作用，增加了材料消耗的成本。

防锈防腐蚀性差

地下矿水除了含有钙、镁等各类离子外，还含有一定氯离子。虽然MT/T 76—2011中规定了人工测试硬水的氯化钠含量（330 mg/L），且使用单位在配制所用水质应符合无机械杂质、水中氯离子含量不大于200 mg/L的要求，但各煤矿实际用矿水是较为复杂的体系，部分离子含量均有差异。经过长期监测，河南等部分矿区作业面水质氯离子含量甚至超过500 mg/L；淮南矿区大部分综采工作面水质不符合配液标准[2]。

氯离子含量高，会大大增加支架内钢件和铜材部件的锈蚀风险，致使钢材发生点蚀、铜材变色腐蚀等问题，进一步腐蚀设备，降低设备使用寿命。最明显的是设备操作阀锈蚀卡死，往往液压支架液对水质离子变化适应差，自身防锈性不理想或水中稳定性差导致防锈性下降，操作阀因锈蚀需更换的频率都会增加，提升了检修频次和耗材损耗。

因此，液压支架液需具有较好的水质适应性，特别是一些高矿化程度、水质较硬的地区，对液压支架液的要求则更高。

液压支架用乳化油HFAE40-5的研制

规格说明

MT/T 76—2011中将液压支架液产品按使用时所适用水质的最高硬度划分为8个等级，等级代号分别为 5、10、15、20、25、30、35、40。水质适应性越高，等级代号数值越大。国内绝大多数煤矿一般10～15级的支架液产品都能良好覆盖，但对于内蒙、河南等部分地区，水质硬度高达2 000 mg/L（40级），一般规格液压支架液无法满足用液要求。开发了液压支架用乳化油HFAE40-5，能适应水质硬度不超过2 000 mg/L（使用浓度为5%，符合MT/T 76—2011中适用水质硬度最高等级）。液压支架用乳化油HFAE40-5的技术要求见表1。

根据煤炭行业标准，产品在40级水质下，需满足如上标准。其中，除了常规理化特性外，根据支架液实际使用要求，针对性地制定了相关评价方法，与稳定性密切相关的指标有室温稳定性、热稳定性、耐冻融性以及水中分散性和振荡稳定性，其稳定性关键指标在于常温、高温和低温稳定性。与防锈蚀密切相关的指标有钢棒铜棒防腐蚀性、铸铁防锈性。另外，产品还需兼具一定的润滑性和密封材料相容性。

技术路线设计

考虑到以上指标要求及产品类型特点，配方体系需要由基础油与防锈剂、防腐蚀剂、表面活性剂、抗硬水剂、油性润滑剂、消泡剂等多种添加剂组合。乳化油作为含油水溶性配方体系，是亚稳定状态，为满足适用水质硬度最高等级的要求，产品的技术难点在于如何保证乳化油本身以及在高矿化硬水中的持续稳定状态。故本文重点在于配方稳定性的综合考察。

水溶性润滑剂

液压支架用乳化油为含油配方，配方中含一定基础油组成，同时为了确保支护设备内壁润滑保护，满足产品指标一定的润滑要求，还有必要补充加入油性润滑剂。

针对高抗硬水液压支架液，应尽量避免使用对硬水适应范围小的油脂类，尽可能减少高硬度下油皂的析出，减少油皂分散剂等功能添加剂的负担；也需要避免采用倾点过高的油性润滑剂，减少对产品低温稳定性的负面影响。因此，油脂的选用应从硬水适应性好、低温性佳着手。

关于油皂分散剂的考察

液压支架液稀释液中引起油皂析出的原因，主要是作为稀释用水使用的是各矿当地地下矿水，其中钙镁离子、硫酸根离子等含量过高，水混入乳化油后，迫使乳化油中油脂部分被皂化析出。我国南方地区水质较软，一般其自来水通常钙镁等离子含量较小；而大多煤矿水质硬度低于15级（750 mg/L），实验室该级用水评价标准为钙镁离子含量240 mg/L，硫酸根离子720 mg/L；而适用于40级（2 000 mg/L）水质硬度矿水，实验室该级用水评价标准为钙镁离子含量640 mg/L，硫酸根离子1 920 mg/L，水中离子含量较高。

表1 液压支架用乳化油HFAE40-5的技术要求

为了良好地减少钙皂在稀释液中析出，一般通过添加功能剂来进行调整。常用的钙皂分散抗硬水剂为EDTA（乙二胺四乙酸）络合剂、烷氧基化脂肪醇、醇醚羧酸等。EDTA络合剂主要是能和碱金属形成性能稳定的水溶性配合物，在液压支架液使用过程中和配液用矿井水中的钙/镁离子螯合；烷氧基化脂肪醇、醇醚羧酸，主要是作为阴离子表面活性剂，与碱物质中和反应生成盐，增强配方耐硬水、提升钙、镁皂化物的分散能力。

为满足对40级水质适应性要求，配方中引入醇醚羧酸、烷氧基化脂肪醇及EDTA，分别考察了配方的抗钙皂析出性能，结果见表2。

由表2可以看出，EDTA、烷氧基化脂肪醇B在40级人工硬水中，对配方抗钙皂分散作用已不明显，未见有效改善；烷氧基化脂肪醇A有一定作用，但溶液表面析皂层仍较为明显；配方中引入多款醇醚羧酸，在40级人工硬水中油皂分散作用明显，以醇醚羧酸A、B、D评级结果较优良，因此在优选醇醚羧酸配方中进一步调整和优化。

在40级硬水中抗常温、高温稳定性的配方考察调配

液压支架液采用矿水稀释后，使用过程中需要长期保持稳定作业状态，刚调配的稀释液及稀释液箱内温度往往不高，但支架作业压力大，部分支护设备循环不畅，会造成局部位置液压支架液过热的问题，故需要考察液压支架液高温（70 ℃）及常温下持续7 d的稀释液状态，此过程中，稀释液应无絮状物、沉淀、表面析皂、油层分离等问题。