水利工程专用食品级钢丝绳表面润滑脂的研制及应用

包锐 张广辽 谷连帅 陈先月 古小七

1 中国石化润滑油有限公司天津分公司

2 水利部水工金属结构质量检验测试中心

针对水利工程启闭机的工况特点和环保要求，通过对稠化剂、基础油、添加剂的选择，研制开发了适用于启闭机钢丝绳的水利工程专用食品级钢丝绳表面润滑脂。理化分析、第三方检测及现场工地试验结果表明，研制脂具有优异的高低温性能、抗水性、防锈性和黏附性，可满足水利工程启闭机钢丝绳的润滑需要，同时可满足环保要求，显著降低对水源的污染和危害。

水利工程一般拦江河或依江河而建，这一特点决定了其开发活动对于当地水环境的影响更为直接，施工期的影响尤为突出。目前水利工程中启闭机钢丝绳上使用的润滑脂为工业级别，而工业级润滑脂中含有重金属及致癌物质。钢丝绳上的润滑脂多系采用人工涂抹方式进行加注，钢丝绳在工作过程中，绳体上附着的多余油脂会落入水中，造成当地和下游水环境污染，给下游居民生活和工农业生产产生危害[1]。

目前，我国对饮用水水源污染防治问题高度关注。《中华人民共和国水污染防治法》、《饮用水水源保护区污染防治管理规定》、《生活饮用水水质卫生规范》、《生活饮用水检验规范》等法律法规文件对饮用水水源保护区的管理及水中有害物质种类、限值等做出了明确规定。在水利工程中使用工业级润滑脂，将引发水体污染，不符合相关法规及国家可持续发展战略要求。

钢丝绳表面润滑脂（下称钢丝绳表面脂）用于钢丝绳生产过程中股和捻成后钢丝绳的表面涂脂，其作用一方面是减少钢丝绳在使用过程中股中钢丝间的摩擦及钢丝绳与绳轮槽的摩擦，以减小钢丝绳的磨损；另一方面是保护钢丝绳在运输、储存和使用过程中不受腐蚀。因此，钢丝绳表面脂应具有良好的润滑性、防锈性、附着性、抗老化性、耐温性、易清洗性等性能。

水利工程中启闭机钢丝绳暴露于户外，且长期与水接触，这就造成了钢丝绳工作过程中高湿、工作温度随季节变化明显、重负荷等工况特点[2]。因此，水利工程启闭机钢丝绳上使用的润滑脂应具备良好的抗水性、防锈性、抗磨性及低温性能，同时对水体无污染。本文介绍了水利工程专用食品级钢丝绳表面脂的研制过程和应用效果。

国内外钢丝绳表面脂概况

钢丝绳表面脂按其成分类型可分为烃基型、沥青型和皂基型润滑脂等不同类型。

早期研制的钢丝绳表面脂为烃基润滑脂，一般采用废旧石蜡、地蜡制备，滴点在45～55 ℃左右。夏天阳光照射容易造成表面脂融化、流淌，冬季则因为气温低出现润滑脂的龟裂和脱落，并且此种钢丝绳表面脂的用量较大，给施工人员、施工现场带来油污污染，给生产作业带来诸多不便。一些学者尝试在烃基润滑脂的基础脂中加入高分子聚合物、黏度调节剂等添加剂改善表面脂的黏附性、高低温性能，并取得了一定成效。

沥青型表面脂与膨润土一样无滴点，必须加热或者加入稀释溶剂后使用，涂覆后固化容易形成黑色的坚硬表面，检查很不方便，但其黏附性好，适用于长期储存钢丝绳，低温下容易龟裂、破碎，主要用于炼钢厂。

皂基型润滑脂通常具有半流体的柔韧性，但只能部分渗透入钢丝绳内部，不能使得绳芯得到充分润滑，适用于固定不动或在潮湿、海风、烟气等环境下以及低速重载吊装用钢丝绳缆索的润滑，其优点是滴点高、高温性能好[3]。

研制过程

研制目标

传统钢丝绳润滑脂是由有机类稠化剂稠化高黏度精制矿油，并加有抗氧剂、防腐剂、防锈剂、极压剂等多种添加剂精制而成的钢缆润滑脂。研制产品设计用于各种气候条件下工作的绳索及重载拉索的润滑与防护，对钢丝绳内外表面提供最佳的抗磨性、防腐蚀性和润滑性。石化行业标准SH/T 0387—2014规定了钢丝绳表面脂的一般性能标准，但该标准规定的钢丝绳表面脂滴点偏低，并且规定的低温性能的温度较高，不能满足水利工程分布在我国南北方各地，在冬夏季温差较大的润滑要求，同时并未对产品的重金属、毒理学及涉水试验进行相关规定。针对现有技术的不足，综合考虑用脂要求，制定了水利工程专用食品级钢丝绳表面脂的技术指标，其与SH/T 0387—2014的对比见表1。

稠化剂的选择

由于本产品可能会与水源接触，因此稠化剂选择依据FDA（美国食品和药物管理局）21CFR178.3570-偶然接触食品的润滑剂（Lubricants with incidental food contact），该法规列举了可用于偶然和食品接触的润滑剂稠化剂，主要有复合铝、膨润土、聚脲、聚四氟乙烯、食品级蜡等稠化剂。而常见的稠化剂如锂皂不符合FDA可作为食品级润滑剂稠化剂的规定，而钙皂普遍滴点偏低，不符合当前钢丝绳防护需要宽温范围的工况要求。

复合铝基润滑脂具有最小的纤维结构，因而其具有稳定的结构，其性质与该纤维结构有关。单个皂纤维长度和直径比将决定润滑脂的特性，单位体积的胶束表面积则直接影响胶凝能力，皂颗粒和皂纤维结构越小，则凝胶能力越强。概括来说，微细皂纤维结构有以下优点：

◇制备润滑脂时，需要的稠化剂量较少；

◇制备的润滑脂泵送性较好；

表1 水利工程专用食品级钢丝绳表面润滑脂的技术指标

◇可以较好地“固定”基础油，与基础油相容性较好。

一般的钢丝绳表面脂选用有机稠化剂，几乎不溶于水，不与水乳化，适于作防护与密封用脂，但最高使用温度一般不超过60 ℃[4]。为了达到研制目标，针对水利工程中启闭机钢丝绳暴露于户外，且长期与水接触的工况特点，我们同时选用复合铝及食品级有机稠化剂进行复合，能够达到滴点高，机械安定性、胶体安定性、抗水性和氧化安定性好的性能特点，并兼顾钢丝绳脂的防护性能。

基础油的选择

对于钢丝绳表面脂所选用的基础油，一般来说为了润滑脂黏附性好，起到更好的防护作用，应该是黏度越大越好。但在复合铝体系中，黏度越大越不容易成脂，而小黏度基础油又不能满足钢丝绳的防护特性。因此，本文选择小黏度基础油与大黏度基础油复配的形式，作为基础油选择的依据。选择了3种基础油，其典型数据见表2。

钢丝绳表面脂要求具有较高的黏附性，需要提高基础油黏度，但复合铝皂对高黏度基础油的稠化能力较弱，因此选用基础油2和基础油3复配的方式进行反应，在增加基础油黏度的同时能够提高复合铝皂对基础油的稠化能力。对基础油的低温性能通过相似黏度进行了考察，考察结果在下文的“黏度指数改进剂”部分有介绍。

添加剂的考察

黏度指数改进剂

钢丝绳表面脂要求能黏附在钢丝绳上，不会被轻易擦掉，并在温度变化时不影响润滑效果。这种黏附性能还对防止卷扬鼓轮打滑有一定作用，特别对提升缆绳的附着摩擦力起重要作用。钢丝绳表面脂要求的工作温度为-40～120 ℃。由于黏度指数改进剂会对润滑脂的低温性能产生影响，为此分别考察了在基础油之中加入不同加剂量的黏度指数改进剂A/黏度指数改进剂B对润滑脂低温性能的影响。不同基础油及黏度指数改进剂制备的润滑脂的低温性能见表3。

由表3可见，采用基础油1制得的润滑脂低温性能差，尤其在加剂后已无法保证在-40 ℃下正常工作。方案2采用一定比例的基础油2与基础油3复配制备基础脂测定相似黏度，方案5～方案7考察相同加剂量的黏度指数改进剂对相似黏度的影响，其中方案7基础油配比与方案4相同。由于黏度指数改进剂B对润滑脂低温性能影响较大，故确定选用黏度指数改进剂A提高钢丝绳表面脂的黏附性。最终确定方案7为本产品方案。

防锈剂

钢丝绳的工作环境中经常有雨水、冰雪、二氧化碳、含硫气体、风沙、盐雾、盐水及细菌等，对钢丝及绳芯纤维有较大的腐蚀作用，直接影响到钢丝绳的使用性能和寿命。润滑脂应能阻断这些有害物质同钢丝绳的直接接触，减少电化学反应和细菌的侵蚀，以有效保护绳芯和钢丝。选择防锈剂A和防锈剂B，考察了不同防锈剂加剂量对钢丝绳表面脂防锈性能及高低温性能的影响，结果见表4。从表4可以看出，添加防锈剂B的样品均能通过测试，因此选用防锈剂B作为本产品方案。

产品性能评价

理化性能

食品级钢丝绳表面润滑脂经过相关指标检测，制成的润滑脂完全能够满足我们制定的所有技术指标要求。将研制的水利工程专用食品级钢丝绳脂与其他同部位在用润滑脂基本性能进行了比较，结果见表5。

表2 基础油性能对比

表3 不同基础油及黏度指数改进剂制备的润滑脂的低温性能

由表5可以看出：

◇水利工程专用食品级钢丝绳表面脂滴点能够达到279 ℃，与现用产品相比具有优异的高温性能；同时为了满足产品低温性要求，我们采用比标准更为严格的-40 ℃以及80 ℃进行低温性能和滑落测试，本产品均能通过相关检测，因此具有良好的高低温性能，可满足启闭机钢丝绳不同工作温度下的使用要求。

◇水利工程专用食品级钢丝绳表面脂能够通过防腐蚀试验、盐雾试验，能够有效防止钢丝绳在恶劣工况下及多水环境中的锈蚀，延长钢丝绳使用寿命。同时，该产品通过了高温下的滑落试验，能保证润滑脂在夏季高温光照环境下不跌落水中，避免润滑失效及造成水资源污染。

安全性能

将制备的样品送往第三方权威机构进行了理化性能、润滑脂食品安全性能及饮用水安全性能等检测，包括重金属、毒理学、饮用水等试验，食品级钢丝绳专用润滑脂均通过测试，可满足水利工程启闭机钢丝绳的润滑需要，同时能够满足食品级及饮用水要求。

表4 不同防锈剂加剂量对钢丝绳表面脂防锈性能及高低温性能的影响

表5 水利工程专用食品级钢丝绳表面脂理化性能及比较

工地现场试验

在第三方权威机构检测合格的基础上，为了进一步验证水利工程专用食品级钢丝绳表面脂的可靠性、安全性和实用性，选择了两个工地进行现场试验，均是国家优化配置水资源的重大战略性基础设施。试验工地现场见图1。

工地现场试验主要考核水利工程专用食品级钢丝绳表面脂的可靠性、安全性、实用性、附着性、抗高温性以及抗水性，主要考察现场装脂后在长时间日照条件下有无变软流失、有无干结，冬季低温条件下有无变硬现象，在水中浸泡后有无乳化流失现象等。

工地现场试验历经8月份至12月份，试验周期包括夏天及冬天的极端天气，对启闭机进行了负载作业及静置考察，同时对暴露在空气中及浸入水中的钢丝绳部位进行了跟踪检测。在试验过程中发现，水利工程专用食品级钢丝绳表面脂在钢丝绳上油脂丰富，黏附性好，流失现象少，无遇水乳化现象，可以满足水利工程启闭机特别是大型门机的运转要求，使用效果已经远远超过目前使用的竞品，得到了现场维护人员的认可。产品现场试验效果见图2。

结论

☆研制了一种水利工程专用食品级钢丝绳表面润滑脂。产品具有优异的高低温性能，在-40 ℃低温下不脆裂，同时具有较高的滴点，能够满足-40～120 ℃范围的使用要求；具有优异的抗水性、防锈性、黏附性，能够保证润滑脂不被水冲刷掉而失去润滑效果，同时确保钢丝绳在恶劣环境中不被锈蚀，有效保护绳芯和钢丝，延长钢丝绳使用寿命。

☆采用水利工程专用食品级钢丝绳表面脂在水利工程工地作了现场试验，经过在户外及水下长时间考察，结果显示产品的润滑防护效果良好，可以满足水利工程启闭机特别是大型门机的运转要求。

☆水利工程专用食品级钢丝绳表面润滑脂通过了润滑脂食品安全性能及饮用水安全性能等检测，所测指标均达到标准，确保对水体无污染，是国内首次针对水利工程钢丝绳开发的专用食品级润滑脂，在提高饮用水质安全、保障设备安全运行上有创新性突破，符合当前水利部提出的“科教兴水”和“可持续发展战略”，显著降低了润滑脂对水源的污染。