喷油螺杆式空气压缩机油氧化安定性及关联指标评价方法简介

陈林中国石化润滑油有限公司合成脂研究院

喷油螺杆式空气压缩机是常用的关键通用机械设备之一，在制造业中发挥了重要作用。本文对目前在用的喷油螺杆式空气压缩机油的氧化安定性及关联指标油泥、沉积物、漆膜的评价方法进行了介绍。

压缩空气的使用频率比较高，在各工业领域尤其是制造业得到了广泛应用[1]。据不完全统计，2020年中国的空气压缩机产量超过260万台。目前工业中应用广泛的压缩机主要有螺杆式压缩机、往复式压缩机和离心式压缩机。从压缩机工作原理、压缩空气与压缩机油是否充分接触、压缩机油是否循环使用和润滑方式来看，作为喷油螺杆式空气压缩机的“血液”，喷油螺杆式空气压缩机油涉及的工况条件最为苛刻，即在满足空气压缩机排气量的要求和油品换油周期的条件下，高温和高压条件下循环的空气压缩机油与空气充分接触和混合，以带走压缩过程中产生的热量[2]，同时还需要润滑轴承和（或）齿轮、密封阴阳转子之间的间隙以防止空气泄漏而导致空气压缩机的效率降低。

在空气压缩机运行过程中，循环使用的空气压缩机油在压缩腔内与源源不断的压缩空气中的氧气充分混合接触，导致空气压缩机油逐渐发生氧化。压缩过程中产生的大量热量以及操作不当造成的排气温度升高又会加速油品氧化过程。氧化过程中，油品的黏度和酸值会逐渐增大直至油品失效。因此，氧化安定性是空气压缩机油最重要的性能之一。氧化安定性好的空气压缩机油在实际使用过程中到达指定要求的黏度变化率或酸值变化所需时间更长（即具有更长的换油周期）。同时空气压缩机油在使用过程中因热分解或者氧化会在空气压缩机内部形成不易被发现的油泥（sludge）、沉积物（deposit）和漆膜（varnish），从而给空气压缩机的正常平稳运行带来一些隐患。因此，本文对评价空气压缩机油的氧化安定性、油泥、沉积物和漆膜的试验方法进行介绍，为后续的具有长换油周期的高性能空气压缩机油的开发提供一定的参考。

空气压缩机油的氧化机理

循环使用的空气压缩机油和压缩空气在高温、高压及金属催化的作用下充分接触混合，会导致空气压缩机油中的基础油、抗氧剂出现消耗和氧化，这些变化会体现在空气压缩机油的运动黏度变化和酸值变化。润滑油的氧化遵循自由基引发的链式反应机理，主要分为链引发、链增长（包含链枝化）、链终止等阶段，最终的氧化反应产物分为两大类，一种是油溶性产物（例如过氧化物、醇类、酸类、酯类、醛类、酮类物质），另一种是油不溶性产物（主要是相对分子质量大的物质）[3]。抗氧剂常见的分类有自由基去除剂、氢过氧化物分解剂和金属减活剂，其主要作用是阻止酸性物质、漆膜和沉积物的生成，抑制黏度的增长。其作用机理为消灭氧化反应过程中产生的自由基、分解氧化反应过程中产生的氢过氧化物、减弱润滑部位金属部件对氧化反应的催化作用。空气压缩机油中常用的抗氧剂为胺型抗氧剂、酚型抗氧剂和含磷-硫的抗氧剂，不同类型的抗氧剂的作用机理不同。对于胺型抗氧剂而言，在不同的氧化温度下，其氧化机理也存在较大差异[3]。不同种类、不同加剂量的抗氧剂和不同结构基础油复配，形成了不同的空气压缩机油的抗氧剂体系，其氧化安定性也存在较大差异。

氧化安定性及关联指标评价方法

氧化安定性

旋转氧弹试验法

试验方法ASTM D2272 是评价空气压缩机油氧化安定性的方法之一。该方法是将油样、蒸馏水和铜催化剂线圈放到一个带盖的玻璃盛样器内，然后将其放入装有压力表的氧弹中。在室温下将氧弹充入620 kPa 氧气，然后将氧弹放入150 ℃的油浴中。当氧弹压力降至规定的压力降时，停止试验，记录试验时间作为旋转氧弹试验结果。部分学者认为该方法与油品的酸值、氧化程度、油泥和漆膜具有一定的相关性。旋转氧弹的实测结果与空气压缩机油的实际换油周期之间的关联性还有待进一步的研究。部分不同类型的螺杆式空气压缩机油的旋转氧弹分析结果[4]见表1。

由表1 可知，不同类型的空气压缩机油的旋转氧弹结果存在差异，对应的换油周期也存在较大差异。

表1 不同油品的旋转氧弹测试结果

TOST（Turbine Oil Oxidation Stability Test）试验方法

该方法是借鉴汽轮机油氧化安定性ASTM D943 的试验方法，即将试样在有水和铁-铜催化剂存在条件下，在95 ℃下与氧气反应，连续进行试验并在试验过程中采集样品分析样品的酸值，当样品酸值达到或超过2.0 mgKOH/g 时所需要的时间即为“氧化寿命”。国际标准化组织ISO/TS 6521-2《Specifications of categories DAG, DAH and DAJ(Lubricants for flooded rotary air compressors)》（《DAG，DAH和DAJ 类油品规范（喷油螺杆式空气压缩机油）》）中采用了ISO 4263-3（Dry-TOST 方 法， 试 验温度为95 ℃）来评价喷油螺杆式空气压缩机油的氧化安定性，其中对DAG、DAH 和DAJ 的 指 标 要求分别是不小于2 000 h、不小于3 500 h 和不小于4 000 h。部分油品的TOST试验结果可达到10 000 h（ASTM D943）。该方法的试验周期较长。Sandy Reid-Peters 采用TOST 方 法（ASTM D943） 分析了空气压缩机油的氧化安定性，采用PAO 和酯类油混合基础油作为基础油的空气压缩机油在试验的第1 000 h 时出现了酸值开始增长的现象；将配方中的酯类油更换为相同比例的烷基萘的空气压缩机油在试验的第3 000 h 仍未出现酸值增长的现象[2]。

Dry-TOST 结合旋转氧弹试验方法

KITAGAWA Mai 等[5]采 用Dry-TOST 试验结合旋转氧弹试验方法来评价空气压缩机油的氧化安定性，并给出了油品氧化安定性好和不好的判据。即采用ASTM D7873 试验方法对油品进行Dry-TOST 试验，试验条件为120 ℃和168 h。然后测试试验后油品的旋转氧弹时间。通过比较Dry-TOST试验后油品的旋转氧弹时间和新油的旋转氧弹时间的比值来判断油品的氧化安定性。当油品的测试结果≥85%，则认为油品的氧化安定性较好；当油品的测试结果＜85%，则认为油品的氧化安定性不好。

ROCOT 方法

专利[6]中提到采用ROCOT 方法（Rotary Compressor Oxidation Test，回转式压缩机试验）来评价空气压缩机油的氧化安定性。将试样在催化剂及通入空气的条件下，在一定温度下和一定时间下老化一定时间，然后按相应方法测试试验油品蒸发损失、油品40 ℃运动黏度变化、酸值变化和油泥产生量。试验条件：油品重量40 g，环烷酸铁催化剂，试验温度140 ℃，试验时间168 h，空气流量15 L/h。

油泥

润滑油在持续高温下运转会导致油品出现热分解，进一步导致油品发生聚合[7]，这种类似漆膜的半固体的物质会逐渐转化为油泥[8]，这种不溶且具有黏性的物质会在系统内部累积[9]。油泥会导致空气压缩机油滤出现堵塞和油滤压差增大并过早出现油滤压差报警，甚至需要提前更换空气压缩机油滤，从而增加了空气压缩机维护成本。油泥会导致空气压缩机的效率降低。油泥一旦在空气压缩机系统的内部形成以后，会比较难以去除干净，去除空气压缩机内部的油泥会导致维护成本的进一步提高。研究[10，11]表明基础油对抗氧剂变质后产物的溶解度不佳会更容易导致油泥的形成，抗氧剂PAN（phenyl-αnaphthylamine，苯基-α-萘胺）不仅不能抑制油泥的生成，反而会导致油泥量增加。

目前评价空气压缩机油油泥的试验方法有以下3 种：

◇试验方法ASTM D2070。该方法是用于测试液压油的热稳定性，也可被用来评价空气压缩机油的热稳定性。将抛光后的钢棒和铜棒置入含有200 mL 油品的250 mL 烧杯中，然后将烧杯放入设置温度为135 ℃的烘箱中恒温168 h，试验结束后按试验方法要求报告油泥的重量及铜棒和钢棒的变色程度。

◇ISOT 氧 化 试 验（Indian Sterling Oxidation Test）试验方法[5]。试验装置与试验方法JIS K2514 中一致。将钢板和铜板作为催化剂放入油样中，在油样中通入一定流量的空气并以一定的转速搅拌油样。控制油温和试验时间分别为150 ℃和72 h。试验结束后采用过滤装置对试验后油品进行过滤，采用溶剂正己烷对油泥进行清洗，然后对油泥进行称重。当油泥重量在0～10 mg/100 mL 之 间， 则 认 为结果优异；当油泥重量在10～70 mg/100 mL 之间，则认为结果好；当油泥重量大于70 mg/100 mL 时，则认为结果不好。

◇CIGRE 试验方法[6]。将试样在通入氧气的条件下，在一定温度下和一定时间下老化一定时间，然后按相应方法测试试验后油品总油泥重量和试样顶部油泥的比例，此外还需要分析挥发性酸度、溶解性酸度和总氧化产物。试验条件：油品重量40 g，试验温度120 ℃，试验时间168 h，氧气流量1 L/h。

沉积物

沉积物主要与润滑油有关，一般被称为黏合剂，主要来自润滑油的热分解和氧化分解[12]。高温氧化过程是沉积物形成的主要原因，在薄层氧化条件下，例如在金属表面的润滑油膜会形成类似漆膜的沉积物[12]。空气压缩机油在氧化过程中，也会产生沉积物。相对于其他基础油类型的空气压缩机油，以聚醚和酯类油为混合基础油的空气压缩机油能够抑制沉积物的生成[13]。Martin Greaves 认为[14]，对于螺杆式空气压缩机而言，聚醚型空气压缩机油比矿物型空气压缩机油产生的沉积物更少，如图1 所示。

图1 聚醚型空气压缩机油和矿物油型空气压缩机油在螺杆表面形成沉积物的对比

对于沉积物形成的合理解释是，矿物润滑油产生的氧化副产物的极性更强，在烃类基础油中不溶解导致了沉积物的生成[15]。沉积物会在喷油螺杆式空气压缩机的转子表面累积，当累积到一定量后会造成阴阳转子之间的间隙变小，可能会导致压缩机机头故障甚至机头抱死等严重故障。

专利[16]提到了沉积物测试方法。试验方法为Modified IOT（Modified Indiana Oxidation Stability Test，改进的IOT 氧化稳定性试验方法）。将试样在催化剂及通入氧气的条件下，在一定温度下和一定时间下老化一定时间，然后按相应方法测试试验油品沉积物的量。试验条件：油品体积300 mL，催化剂为铜线圈和铁线圈，氧气流量3 L/h，试验温度130 ℃，试验时间240～960 h。试验后对油品进行过滤（过滤方法：Millipore Filter Test，SAE-ARP-785-63，微孔过滤试验），对滤膜进行称重确定沉积物重量。部分润滑油生产厂家会采用专有测试方法薄膜氧化试验方法（TFO）来评价空气压缩机油的沉积物产生情况，试验过程为将热的试验油品和空气连续注入加热至约300 ℃的旋转圆盘85 min。在试验结束时，拍摄圆盘的照片，根据圆盘表面的沉积物情况对空气压缩机油产生沉积物的情况进行评级（洁净圆盘的TFO 评级=100）。

漆膜

当空气压缩机油中的抗氧剂消耗殆尽时，空气压缩机油中的羰基化合物含量会急剧上升，伴随着二次氧化会产生高浓度的酸性物质，非极性的加氢矿物油和聚α 烯烃油（PAO）对于酸性物质的溶解度有限，导致这些酸性物质在基础油中不溶。酸性物质容易从基础油中分离出来，沉积在空气压缩机的分离器和冷却器的金属表面，逐渐富集形成的不溶的聚合物漆膜[17]，这种漆膜与沉积物有很大的不同。

在压缩机孔道以及通往压缩机机头轴承通道处的漆膜会导致轴承润滑不足，进而会导致空气压缩机出现严重故障；在压缩机转子和定子上的漆膜会导致影响转子的间隙，进而会导致摩擦损失、能量消耗和排气温度的增加；在油气分离器上的漆膜会缩短油气分离器的更换周期，增加压差，进而导致压缩机的效率降低[18]。

目前常用漆膜倾向指数[试验方 法 为ASTM D7843《Standard Test Method for Measurement of Lubricant Generated Insoluble Color Bodies in In-Service Turbine Oils using Membrane Patch Colorimetry》(《膜片比色法测定在用透平油中不溶性有色物质的标准方法》）]来评价离心式空气压缩机油的漆膜倾向性[19，20]，但采用该方法来评价喷油螺杆式空气压缩机油的漆膜的报道较少。评估喷油螺杆式空气压缩机油的漆膜主要依靠螺杆式空气压缩机台架试验，将空气压缩机油放入指定的空气压缩机上运行一段时间，待试验结束后对比分析试验前后压缩机的压缩腔体、阴阳转子、分离器、冷却器表面的颜色来判断油品是否容易产生漆膜。鉴于台架试验运行时间较长，为了缩短试验周期，部分压缩机厂家在开展台架试验的过程中，会提高压缩机的排气温度。相对于检测螺杆式空气压缩机油理化性能的试验而言，空气压缩机台架评价试验结果更可靠和更适用[21]。

结束语

氧化安定性作为喷油螺杆式空气压缩机油最重要的性能，得到了广泛的关注和研究，但公开报道的评价喷油螺杆式空气压缩机油的氧化安定性的试验方法相对较少，不同的评价方法的试验结果也存在一定的差异。可更好地反映油品实际应用中的抗氧化性能的氧化安定性试验方法还有待进一步的开发。

目前评价喷油螺杆式空气压缩机油油泥和沉积物试验方法主要集中在热稳定性试验和热氧化试验上，评价喷油螺杆式空气压缩机油漆膜的试验方法主要依靠压缩机台架试验，后续可考虑将热稳定性试验结果、热氧化试验结果与压缩机台架试验结果结合起来，即通过对比分析热稳定性试验后油品、热氧化试验后油品、压缩机台架试验后油品等油品中油泥和沉积物的量、形态和组成，以明确热稳定性试验、热氧化试验和压缩机台架试验结果之间的关联性。