合成酯型空气压缩机油的研制与应用

朱 江，高显振，郑文君，何洪洋，王 辉，刘中国

(1.中国石油大连润滑油研究开发中心，辽宁 大连 116031；
2.中国石油成都润滑油分公司，四川 成都 610083；
3.中国石油南京润滑油分公司，江苏 南京 210019)

压缩机作为一种通过压缩气体来提高压力的机械，在工业领域有着广泛应用。“十四五”期间，随着机械制造、石油化工、船舶航运等产业的升级发展，高压、高转速、高载荷等大型压缩机设备的需求将更加迫切[1-3]，对相关润滑油品的性能要求也更为苛刻。在高温、高压等苛刻设备工况下，压缩机油蒸发损失加快、氧化老化加剧，极易结焦产生积碳，油品使用寿命明显缩短，严重影响设备使用效率，甚至引发安全事故[4-6]，因此蒸发损失低、积碳溶解能力强的长寿命压缩机油将成为今后产品发展趋势。

酯类合成油是由有机酸和有机醇在催化剂作用下通过酯化反应脱水制得的有机化合物[7]，由于酯基官能团的存在，酯类油极性强、溶解性好、高温及氧化稳定性优异，在减少积碳生成方面优势明显，同时又具备润滑性好、挥发性低、黏温出众、生物降解性优秀等特点[8-9]，在国外顶级压缩机油产品中已获得广泛应用。本项目通过对酯类油及抗氧剂、防锈剂、极压抗磨剂等添加剂的筛选考察，成功研制出一种合成酯型空气压缩机油，适用于各种负荷下的压缩机冷却和润滑，尤其是排气温度在200 ℃以上的高温高压往复式压缩机。

2.1 基础油筛选

酯类油根据反应产物的酯基数目和位置，可分为双酯、芳香酯、多元醇酯和复酯[10]。双酯具有良好的黏度指数及低温流动性，但热氧化稳定性较差；
芳香酯生产成本较低，因含有苯环结构，蒸发损失低、溶解性和热氧化稳定性较高，但黏度指数变低；
多元醇酯热氧化稳定性和水解安定性出色、蒸发损失低、润滑性更好；
复酯具有良好的生物降解性能[11]。本项目合成酯型空气压缩机油的研制目的主要在于提升油品抗结焦性，同时降低蒸发损失，因此对于酯类油的筛选重点从这两方面性能进行考察。

以黏度等级100号油品研制为例，试验用酯类油主要理化性能如表1所示，其中A、B为多元醇酯，C、D为芳香酯。抗结焦性的考察参照行业标准SH/T 0300，试验温度板温315 ℃、油温100 ℃、时间2.3 h，蒸发损失的考察参照行业标准NB/SH/T 0059，试验温度250 ℃、时间1 h，试验结果如表2，由表2可知，A1+A2的多元醇酯组合铝板结焦增重仅为2 mg，远低于其它组合，抗结焦性最优，同时蒸发损失低于2.0%。芳香酯虽然蒸发损失更低，但抗结焦性较多元醇酯有明显差距。综合来看，选择A1和A2作为本项目合成酯型空气压缩机油配方的基础油组分。

表1 试验用酯类油主要理化性能

表2 不同酯类油组合抗结焦性与蒸发损失对比

2.2 添加剂筛选

2.2.1 抗氧剂

氧化安定性是压缩机油最重要的性能之一，是表征压缩机油使用寿命的最关键指标，一般通过添加抗氧剂进行改善。胺类抗氧剂具有良好的抗高温氧化能力，对延长诱导期、抑制油品后期氧化作用较好，尤其二苯胺和α-萘胺，在200℃时仍然稳定，而酚类抗氧剂与胺类复配具有协同效应，在抗氧化方面效果更为显著[12-13]。实验室参照行业标准SH/T 0193，重点考察了5种胺类抗氧剂与受阻酚复配后的抗氧化效果，同时将抗氧剂对油品抗结焦性的影响进行对比，其中每种抗氧剂的加剂量固定为0.5%(w)，试验结果如表3。

由表3可知，2号方案中两种抗氧剂复配后，抗氧化效果最佳，并且对油品抗结焦性的影响最小，可作为配方优选。萘胺类抗氧剂虽然在耐高温氧化上性能良好，但更容易导致油品结焦。

表3 不同种类抗氧剂在酯类油中的抗氧化性及抗结焦性对比

2.2.2 防锈剂

防锈防腐蚀是润滑油最基本的性能之一，尤其对于压缩机油，油品通常与压缩气体直接接触，易受到气体中水分等污染物影响，并且水在高压下溶解性变低，更易析出与油品混合，加速设备锈蚀。防锈剂一般为极性物质，与金属接触时其极性基团会吸附至金属表面形成保护膜，阻止腐蚀介质与金属接触，起到防锈作用[14]，而酯类油由于极性强，会在金属表面与防锈剂形成竞争吸附关系，影响防锈剂使用效果。实验室参照国标GB/T 11143，重点考察了4种不同类别防锈剂在酯类油中的防锈效果，并对比了酸值大小，其中每种防锈剂的加剂量固定为0.5%(w)，试验结果如表4。

由表4可知，添加十二烯基丁二酸衍生物和羧基咪唑啉的油品液相锈蚀结果分别为轻锈和中锈，两者在酯类油中的防锈效果较差；
添加萘磺酸盐和磷酸酯铵盐的油品液相锈蚀结果均为无锈，两者在酯类油中的防锈效果良好，其中萘磺酸盐对油品的酸值影响更小，可作为配方优选。

表4 不同防锈剂在酯类油中的防锈性对比

2.2.3 极压抗磨剂

在高温高压工况下，压缩机油的抗磨性能同样非常重要，良好的抗磨性可有效降低活塞环、气缸、轴承与齿轮等部件的磨损，有效保证设备的正常润滑[15]。极压抗磨剂与酯类油、防锈剂均存在竞争吸附关系，使用不当反而将加重金属腐蚀。实验室参照行业标准SH/T 0189和NB/SH/T 0306，重点考察了4种不同类别极压抗磨剂(S型、P型、P-S型、P-N型)在酯类油中的的极压抗磨效果，并将其对铜片腐蚀的影响进行了对比，其中每种极压抗磨剂的加剂量固定为0.5%(w)，试验结果如表5。

由表5可知，添加硫化异丁烯的油品钢球磨斑直径0.67 mm，抗磨性较差，铜片腐蚀2b级，腐蚀性较强；
添加亚磷酸二正丁酯和烷基磷酸铵盐的油品FZG失效级8级，极压性较差，铜片腐蚀2a级，腐蚀性一般；
添加硫代磷酸酯的油品钢球磨斑直径0.41 mm，FZG失效级10级、铜片腐蚀1b级，极压抗磨性较好，腐蚀性较小，可作为配方优选。

表5 不同极压抗磨剂在酯类油中的极压抗磨性对比

3.1 主要理化性能

通过对酯类油及抗氧剂、防锈剂、极压抗磨剂等添加剂的筛选考察，成功研制出合成酯型空气压缩机油，对研制油主要理化性能进行测试并与竞品对比，结果如表6。

由表6可知，研制油铝板增重8 mg，蒸发损失1.5%，旋转氧弹达到2000 min以上，磨斑直径0.44 mm，FZG失效级10级，铜片腐蚀1b级，液相锈蚀无锈，油品抗结焦性、蒸发损失、抗氧化性、极压抗磨性等性能均明显优于竞品，防锈性能与竞品相当。

表6 研制油与竞品主要理化性能对比

实验室还专门对研制油的高温热稳定性进行测试并与竞品对比，结果如表7。

由表7可知，研制油试验后铜/钢棒无结焦，总沉渣重0.3 mg/100 mL，略低于竞品A，远低于竞品B，高温热稳定性良好。

表7 研制油与竞品其它性能对比

3.2 其它性能

酯类油中酯基的强极性导致油品橡胶相容性变差，实际使用中易使橡胶密封件等发生溶胀[16-17]。同时酯基亲水性较强，遇水容易水解生成对金属表面产生腐蚀的有机醇、酸等小分子有机物，影响润滑性能[18]。实验室对研制油橡胶相容性和水解安定性进行测试并与竞品对比，其中橡胶标准片为丁腈橡胶(NBR1、NBR2)、氢化丁腈橡胶(HNBR1)、氟橡胶(FKM2)，结果如表8。

由表8可知，研制油中丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶溶胀体积变化率分别为7.5%、2%、8.2%，均小于竞品，氟橡胶溶胀体积变化率为1%，与竞品A相当，远小于竞品B，研制油的橡胶相容性整体优于竞品；
研制油水解安定性试验后铜片结焦与外观与竞品相当，总酸度略高于竞品A，但明显优于竞品B。

表8 研制油与竞品高温热稳定性对比

某航运公司货轮用压缩机工作压力3 MPa、排气温度200 ℃以上，使用研制的合成酯型空气压缩机油8000 h后，油品40 ℃运动黏度从100.5 mm2/s增加至106.7 mm2/s，变化率6.2%，酸值从0.20增大至0.31，不溶物含量从0.02%增加至0.12%，旋转氧弹时间从2366 min降低至425 min，油品各项指标仍在换油标准要求范围内，性能表现良好，同时经检测油品中铜、铁、铝、铅、镍等元素含量均小于10 mg/kg，设备腐蚀或磨损情况弱。

某石化企业用高压压缩机工作压力20 MPa，排气温度220 ℃以上，使用研制的合成酯型空气压缩机油一年后，设备运行参数保持正常，气缸、活塞环、轴承等部件无积碳沉积，油品各项性能表现良好，完全满足设备润滑要求。

(1)采用A1+A2组合多元醇酯，铝板结焦增重仅为2 mg，且蒸发损失低于2.0%，满足合成酯型空气压缩机油抗结焦性好、蒸发损失低的性能要求，符合压缩机油产品积碳溶解能力强、使用寿命长的开发趋势。

(2)采用烷基化二苯胺B与受阻酚复配的抗氧剂组合，在上述多元醇酯中抗氧化效果最佳、对油品抗结焦性影响最小，而萘胺类抗氧剂虽然在耐高温氧化上性能良好，但更容易导致油品结焦。萘磺酸盐在上述多元醇酯中防锈性能好、对油品酸值影响小。硫代磷酸酯在上述多元醇酯中极压抗磨性好、腐蚀性小。

(3)研制的合成酯型空气压缩机油铝板增重8 mg，蒸发损失1.5%，旋转氧弹2000 min以上，磨斑直径0.44 mm，FZG失效级10级，铜片腐蚀1b级，液相锈蚀无锈，油品抗结焦性、蒸发损失、抗氧化性、防锈性、极压抗磨性等各项性能均与同类竞品质量水平相当甚至优于竞品，同时橡胶相容性和水解安定性也表现良好。

(4)研制的合成酯型空气压缩机油在不同领域及设备工况下分别使用8000 h和一年后，油品各项性能表现良好，完全满足高温、高压等苛刻条件下往复式压缩机的冷却和润滑要求。