汽轮机润滑油中添加剂对过滤性的影响

胡 轶，吴世雄，李少萍，

(1.新疆师范大学化学化工学院，乌鲁木齐 830054；2.华东理工大学石油加工研究所)

随着汽轮机设备及各零部件的精度不断提高，使得过滤器的精度也不断提高，从而对油品的过滤性能要求越来越苛刻[1-3]。由于油品调合过程以及出厂前油品基本都能达到干法过滤性标准，但在实际使用过程中，油品常常会受到水的污染，导致水与润滑油混合后形成乳液，破坏成品油体系，甚至产生沉积物，堵塞过滤器，影响汽轮机机组的正常运转，因而对汽轮机油的湿法过滤性要求越来越严格，湿法过滤性成为衡量汽轮机油使用性能的一个重要参数，各大添加剂和油品公司也越来越重视油品的过滤性能[4]。

本研究考察2种不同复合添加剂对8种基础油过滤性的影响，添加剂中各单剂对基础油过滤性的影响，乳液粒径与过滤性之间的关系，以及2种醚类助溶剂的含量对基础油过滤性的影响，为分析添加剂对汽轮机润滑油过滤性的影响提供依据。

1 实 验

1.1 原 料

选择不同产地、不同种类的8种基础油进行试验。基础油性质见表1。

表1 基础油性质

添加剂X、Y，由不同生产厂家提供，含有抗氧剂、防锈剂、金属减活剂、聚醚型溶剂等。

1.2 试验方法

过滤性试验采用Lawler公司生产的Lawler 377-4型过滤性自动测试仪，按SH/T 0805—2008(即ISO 13357)方法进行。干法过滤性测定：适用于评价在干燥的情况下润滑油的过滤性，在规定条件下，试样通过直径为47 mm、平均孔径为0.8 μm的酯类纤维素膜，记录过滤规定体积试样所用的时间。计算最初的过滤速率和最后100 mL的过滤速率，两者的比率即为过滤性。湿法过滤性测定：适用于评价在有水存在的情况下润滑油的过滤性，将(300±5) mL试样与(0.66±0.02) mL水加入500 mL广口瓶内，盖上瓶盖后置于(70±2) ℃的烘箱中存放(120±5) min，然后自烘箱中取出，控制搅拌器转速为(1 500±50) r/min，搅拌(300±2) s。再将广口瓶移至(70±2) ℃的烘箱中静置(70±1) h，取出后经过24 h的避光、室温储存，便开始过滤性试验。在(60±10) s时间内颠倒晃动广口瓶30次，使试样混合均匀，每次颠倒晃动之间要有间隔，然后将试样立即倒入过滤容器，用橡皮塞堵住过滤器出油口，防止油品流出，(60±10) s后移去橡皮塞，打开控制阀，调整到正确的压力，当试样滴入量筒开始计时，依次记录量筒内试样达到10，50，200，300 mL时的时间，计算最初的过滤速率和最后100 mL的过滤速率，两者的比率即为过滤性。每种油样重复测定3次，取3次过滤性的平均值为该油样的过滤性。

乳液粒径测定采用马尔文公司生产的Nano ZS(ZEN3600)动态光散射仪，对过滤性试验中搅拌后在一定条件下放置4天的乳液进行测定，试验温度为25 ℃。

2 结果与讨论

2.1 添加剂对基础油过滤性的影响

图1为添加剂X对基础油干法和湿法过滤性的影响。由图1可以看出：加入添加剂X后，8种不同基础油的干法过滤性由原来的100以上下降到95～100，仍处在较好的水平；湿法过滤性则出现较大幅度的下降，黏度等级为68的5～8号基础油的湿法过滤性由原来的70～80下降到50～55，下降幅度在24.31%～31.94%，而黏度等级为32的1～4号基础油的湿法过滤性下降幅度居中；加入添加剂X后，1～8号基础油的湿法过滤性的变化趋势和纯基础油湿法过滤性的变化趋势基本一致。

图2为添加剂Y对基础油干法和湿法过滤性的影响。由图2可以看出：加入添加剂Y后，8种不同基础油的干法过滤性由原来的100以上下降到90～100，仍表现较好；湿法过滤性则下降幅度较大，1号基础油湿法过滤性下降幅度最小，3号基础油湿法过滤性下降幅度最大，且1～4号基础油的下降幅度在2.40%～28.72%，不同样品下降幅度相差较大，而黏度较大的5～8号基础油的湿法过滤性由75左右下降到65左右，下降幅度在8.21%～18.82%，不同样品下降幅度相差较小，比较稳定。

图1 添加剂X对基础油过滤性的影响■—基础油(干法)； ●—基础油+添加剂X(干法)； ▲—基础油(湿法)； 基础油+添加剂X(湿法)

图2 添加剂Y对基础油过滤性的影响■—基础油(干法)； ●—基础油+添加剂Y(干法)；▲—基础油(湿法)； 基础油+添加剂Y(湿法)

添加剂Y使得8种不同基础油的湿法过滤性出现不同程度的下降，但都保持在60以上，而添加剂X使得5～8号基础油的湿法过滤性出现了很大程度的下降，其湿法过滤性在50左右，这在汽轮机油生产和应用中是绝对不允许的，因此重点研究添加剂X导致基础油湿法过滤性下降的原因。

2.2 添加剂X中各单剂对基础油湿法过滤性的影响

为了探讨添加剂X加入后导致基础油湿法过滤性出现显著下降的原因，选用黏度等级为32的HVIⅡ6基础油(3号)和黏度等级为68的HVIⅡ 10基础油(5号)进行单剂影响考察试验。同时考察湿法过滤性与乳液平均粒径间的关系，找出导致湿法过滤性下降的主要成分，从而进一步探究湿法过滤性下降的机理。

试验中所用的添加剂X是由烷基二苯胺抗氧剂A、酚型抗氧剂B、烷基苯α萘胺抗氧剂C、烯烃基丁二酸酯防锈剂D、苯并三唑衍生物金属减活剂E以及聚醚型助溶剂F共6种单剂按一定比例复配而成。

表2为添加剂X中各单剂加入到HVIⅡ 6基础油后各油样的湿法过滤性以及乳液平均粒径。

表2 添加剂X中各单剂对HVI Ⅱ 6基础油湿法过滤性和平均粒径的影响

注：平均粒径为在湿法过滤实验中，加入体积分数为0.2%的水搅拌后形成的油包水型乳液的平均粒径。表3同。

比较表2中的1号、2号数据可以看出，添加剂X的加入使得HVIⅡ6基础油的湿法过滤性由原来的85.96下降到64.10，下降幅度达到25.43%。从3～9号数据可以看出，抗氧剂C以及金属减活剂E的加入对湿法过滤性基本没有影响，但助溶剂F的加入使得HVIⅡ6基础油的湿法过滤性由85.96下降到58.60，下降幅度高达31.83%。分别加入抗氧剂A、B和防锈剂D后，HVIⅡ6基础油的湿法过滤性下降幅度均不大。当同时将抗氧剂A，B，C，防锈剂D以及金属减活剂E共5种添加剂加入到HVIⅡ6基础油中，湿法过滤性由85.96下降到71.34，下降幅度为17.01%，远小于助溶剂F使得基础油湿法过滤性下降的幅度。所以添加剂X中使得基础油过滤性变差的主要成分是助溶剂F。

从表2可以看出：1号、3～8号油样的湿法过滤性为71.34～85.96，其对应的乳液平均粒径为120～290 nm；2号、9号油样的湿法过滤性分别为64.10和58.60，其对应的乳液平均粒径分别为419.3 nm和443.9 nm。

表3为添加剂X中各单剂加入到HVIⅡ10基础油后各油样的湿法过滤性以及乳液平均粒径。

表3 添加剂X中单剂对HVIⅡ10基础油湿法过滤性及平均粒径的影响

比较表3中1号、2号数据可以看出：添加剂X的加入使得HVIⅡ10基础油的湿法过滤性由原来的75.38下降到52.53；从3～9号数据可以看出，抗氧剂A对HVIⅡ10基础油的湿法过滤性基本没有影响，但助溶剂F的加入使得HVIⅡ10基础油的过滤性由75.38下降到50.35；分别加入抗氧剂A，B，C，防锈剂D以及金属减活剂E后，湿法过滤性下降幅度均比较小；当将抗氧剂A，B，C，防锈剂D以及金属减活剂E同时加入到HVIⅡ10基础油中，湿法过滤性由75.38变为74.39，基本保持不变。所以使得HVIⅡ10基础油过滤性变差的主要成分也是助溶剂F。

从表3可以看出：1号、3～8号油样的湿法过滤性为66.82～75.38，其对应的乳液平均粒径都维持在200 nm左右；2号、9号油样湿法过滤性分别为52.53和50.35，其对应的乳液平均粒径分别为525.0 nm和468.1 nm。

从上述数据可以看出，2种基础油形成的不同油品的湿法过滤性与其对应乳液的平均粒径有直接联系，并且乳液平均粒径越大，对应油品湿法过滤性越差。这主要是由于油包水型乳液中颗粒平均粒径越大，乳液通过过滤膜时膜越容易被堵塞和污染，膜阻力增加得越快，过滤性也就越差。

2.3 醚类助溶剂含量对基础油过滤性的影响

汽轮机油添加剂中常见的醚类助溶剂有四乙二醇单甲基醚(TGME)和四乙二醇二甲基醚(TGDE)，添加剂X中的助溶剂F即为四乙二醇单甲基醚。故有必要考察TGME和TGDE的含量对基础油湿法过滤的影响。

图3为TGME、TGDE的含量对HVIⅡ6基础油湿法过滤性的影响。由图3可知：随TGME含量的增加，HVIⅡ6基础油的湿法过滤性出现急剧下降，并且当TGME含量(w)达到0.08%及以上时，便出现“不可过滤”现象；当TGDE含量(w)不超过0.04%时，HVIⅡ6基础油的湿法过滤性没有出现明显变化，基本维持在85左右，而当TGDE含量继续增加，达到0.06%及以上时，HVIⅡ6基础油的湿法过滤性也出现了明显下降，但下降趋势没有TGME显著，并且当TGDE含量(w)高达0.1%时，湿法过滤性为68.37，并没有出现“不可过滤”现象。

图3 助溶剂含量对HVIⅡ6基础油湿法过滤性的影响■—TGME； ●—TGDE

图4为TGME、TGDE的含量对HVIⅡ10基础油湿法过滤性的影响。从图4可以看出：当TGME、TGDE含量(w)为0.02%时，两者对HVIⅡ10基础油的湿法过滤性均没有明显影响；但当TGME、TGDE含量(w)超过0.02%后，基础油的对比图3和图4可知：TGME和TGDE的添加均会使得HVIⅡ6和HVIⅡ10基础油的湿法过滤性变差，并且TGME对两种基础油湿法过滤性的影响都比TGDE的影响更加显著；TGDE含量的增加会明显导致基础油湿法过滤性下降，且下降幅度也相当大，故用TGDE替换添加剂X中的TGME来提供成品油的湿法过滤性也不可行。

图4 助溶剂含量对HVIⅡ10基础油湿法过滤性的影响■—TGME； ●—TGDE

湿法过滤性均出现明显下降，并且TGME的含量对HVIⅡ10基础油湿法过滤性的影响更加显著；当TGME含量(w)达到0.1%时，出现“不可过滤”现象。

图5为TGME和TGDE的分子结构简式。从图5可以看出，TGME和TGDE的分子结构中都含有极性的C—O键，故TGME和TGDE不仅可以与油互溶，还可以与水互溶。由于湿法过滤性实验中要加入0.2%的水并高速搅拌5 min，亲水、亲油性的TGME或TGDE加入到基础油中后，便会充当表面活性剂的作用，使得体系形成较稳定的油包水型乳液。添加剂的亲水性越好，形成的乳液越稳定，乳液的平均粒径越大，这样就越容易污染和堵塞过滤膜，过滤时阻力增加得也就越快，这也导致TGME或TGDE加入基础油后使得基础油的湿法过滤性明显下降。与TGDE相比，TGME分子在末端有一个羟基，其有更好的亲水性，这也就导致TGME对HVI Ⅱ 6基础油和HVI Ⅱ 10基础油的湿法过滤性的影响比TGDE的影响更加显著[5-6]。

图5 TGME和TGDE分子结构简式

3 结 论

(1)加入添加剂后，8种基础油的干法过滤性都出现了小幅度的下降，下降后的干法过滤性也都在90以上，仍表现较好。添加剂X对基础油干法过滤性的影响比添加剂Y大。

(2)加入添加剂后，8种基础油的湿法过滤性则出现较大幅度的下降，其中添加剂X对黏度等级为68的5～8号基础油的影响尤其显著。

(3)添加剂X中使得HVIⅡ6和HVIⅡ10基础油过滤性变差的主要成分是助溶剂F(四乙二醇单甲基醚)。加入添加剂后，油品的湿法过滤性与其乳液的平均粒径有明显的相关性，乳液平均粒径越大，湿法过滤性越差。

(4)醚类助溶剂TGME和TGDE的添加均会使得HVIⅡ6和HVIⅡ10基础油的湿法过滤性变差，且醚类助溶剂的含量越高，湿法过滤性越差，当TGME达到一定含量时，2种基础油均会出现“不可过滤”现象并且TGME对两种基础油湿法过滤性的影响都比TGDE的影响更加显著。