陳林中國石化潤滑油有限公司合成脂研究院

噴油螺桿式空氣壓縮機是常用的關(guān)鍵通用機械設(shè)備之一，在制造業(yè)中發(fā)揮了重要作用。本文對目前在用的噴油螺桿式空氣壓縮機油的氧化安定性及關(guān)聯(lián)指標油泥、沉積物、漆膜的評價方法進行了介紹。

壓縮空氣的使用頻率比較高，在各工業(yè)領(lǐng)域尤其是制造業(yè)得到了廣泛應用[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，2020年中國的空氣壓縮機產(chǎn)量超過260萬臺。目前工業(yè)中應用廣泛的壓縮機主要有螺桿式壓縮機、往復式壓縮機和離心式壓縮機。從壓縮機工作原理、壓縮空氣與壓縮機油是否充分接觸、壓縮機油是否循環(huán)使用和潤滑方式來看，作為噴油螺桿式空氣壓縮機的“血液”，噴油螺桿式空氣壓縮機油涉及的工況條件最為苛刻，即在滿足空氣壓縮機排氣量的要求和油品換油周期的條件下，高溫和高壓條件下循環(huán)的空氣壓縮機油與空氣充分接觸和混合，以帶走壓縮過程中產(chǎn)生的熱量[2]，同時還需要潤滑軸承和（或）齒輪、密封陰陽轉(zhuǎn)子之間的間隙以防止空氣泄漏而導致空氣壓縮機的效率降低。

在空氣壓縮機運行過程中，循環(huán)使用的空氣壓縮機油在壓縮腔內(nèi)與源源不斷的壓縮空氣中的氧氣充分混合接觸，導致空氣壓縮機油逐漸發(fā)生氧化。壓縮過程中產(chǎn)生的大量熱量以及操作不當造成的排氣溫度升高又會加速油品氧化過程。氧化過程中，油品的黏度和酸值會逐漸增大直至油品失效。因此，氧化安定性是空氣壓縮機油最重要的性能之一。氧化安定性好的空氣壓縮機油在實際使用過程中到達指定要求的黏度變化率或酸值變化所需時間更長（即具有更長的換油周期）。同時空氣壓縮機油在使用過程中因熱分解或者氧化會在空氣壓縮機內(nèi)部形成不易被發(fā)現(xiàn)的油泥（sludge）、沉積物（deposit）和漆膜（varnish），從而給空氣壓縮機的正常平穩(wěn)運行帶來一些隱患。因此，本文對評價空氣壓縮機油的氧化安定性、油泥、沉積物和漆膜的試驗方法進行介紹，為后續(xù)的具有長換油周期的高性能空氣壓縮機油的開發(fā)提供一定的參考。

空氣壓縮機油的氧化機理

循環(huán)使用的空氣壓縮機油和壓縮空氣在高溫、高壓及金屬催化的作用下充分接觸混合，會導致空氣壓縮機油中的基礎(chǔ)油、抗氧劑出現(xiàn)消耗和氧化，這些變化會體現(xiàn)在空氣壓縮機油的運動黏度變化和酸值變化。潤滑油的氧化遵循自由基引發(fā)的鏈式反應機理，主要分為鏈引發(fā)、鏈增長（包含鏈枝化）、鏈終止等階段，最終的氧化反應產(chǎn)物分為兩大類，一種是油溶性產(chǎn)物（例如過氧化物、醇類、酸類、酯類、醛類、酮類物質(zhì)），另一種是油不溶性產(chǎn)物（主要是相對分子質(zhì)量大的物質(zhì)）[3]。抗氧劑常見的分類有自由基去除劑、氫過氧化物分解劑和金屬減活劑，其主要作用是阻止酸性物質(zhì)、漆膜和沉積物的生成，抑制黏度的增長。其作用機理為消滅氧化反應過程中產(chǎn)生的自由基、分解氧化反應過程中產(chǎn)生的氫過氧化物、減弱潤滑部位金屬部件對氧化反應的催化作用?？諝鈮嚎s機油中常用的抗氧劑為胺型抗氧劑、酚型抗氧劑和含磷-硫的抗氧劑，不同類型的抗氧劑的作用機理不同。對于胺型抗氧劑而言，在不同的氧化溫度下，其氧化機理也存在較大差異[3]。不同種類、不同加劑量的抗氧劑和不同結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)油復配，形成了不同的空氣壓縮機油的抗氧劑體系，其氧化安定性也存在較大差異。

氧化安定性及關(guān)聯(lián)指標評價方法

氧化安定性

旋轉(zhuǎn)氧彈試驗法

試驗方法ASTM D2272 是評價空氣壓縮機油氧化安定性的方法之一。該方法是將油樣、蒸餾水和銅催化劑線圈放到一個帶蓋的玻璃盛樣器內(nèi)，然后將其放入裝有壓力表的氧彈中。在室溫下將氧彈充入620 kPa 氧氣，然后將氧彈放入150 ℃的油浴中。當氧彈壓力降至規(guī)定的壓力降時，停止試驗，記錄試驗時間作為旋轉(zhuǎn)氧彈試驗結(jié)果。部分學者認為該方法與油品的酸值、氧化程度、油泥和漆膜具有一定的相關(guān)性。旋轉(zhuǎn)氧彈的實測結(jié)果與空氣壓縮機油的實際換油周期之間的關(guān)聯(lián)性還有待進一步的研究。部分不同類型的螺桿式空氣壓縮機油的旋轉(zhuǎn)氧彈分析結(jié)果[4]見表1。

由表1 可知，不同類型的空氣壓縮機油的旋轉(zhuǎn)氧彈結(jié)果存在差異，對應的換油周期也存在較大差異。

表1 不同油品的旋轉(zhuǎn)氧彈測試結(jié)果

TOST（Turbine Oil Oxidation Stability Test）試驗方法

該方法是借鑒汽輪機油氧化安定性ASTM D943 的試驗方法，即將試樣在有水和鐵-銅催化劑存在條件下，在95 ℃下與氧氣反應，連續(xù)進行試驗并在試驗過程中采集樣品分析樣品的酸值，當樣品酸值達到或超過2.0 mgKOH/g 時所需要的時間即為“氧化壽命”。國際標準化組織ISO/TS 6521-2《Specifications of categories DAG, DAH and DAJ(Lubricants for flooded rotary air compressors)》（《DAG，DAH和DAJ 類油品規(guī)范（噴油螺桿式空氣壓縮機油）》）中采用了ISO 4263-3（Dry-TOST 方 法， 試 驗溫度為95 ℃）來評價噴油螺桿式空氣壓縮機油的氧化安定性，其中對DAG、DAH 和DAJ 的 指 標 要求分別是不小于2 000 h、不小于3 500 h 和不小于4 000 h。部分油品的TOST試驗結(jié)果可達到10 000 h（ASTM D943）。該方法的試驗周期較長。Sandy Reid-Peters 采用TOST 方 法（ASTM D943） 分析了空氣壓縮機油的氧化安定性，采用PAO 和酯類油混合基礎(chǔ)油作為基礎(chǔ)油的空氣壓縮機油在試驗的第1 000 h 時出現(xiàn)了酸值開始增長的現(xiàn)象；將配方中的酯類油更換為相同比例的烷基萘的空氣壓縮機油在試驗的第3 000 h 仍未出現(xiàn)酸值增長的現(xiàn)象[2]。

Dry-TOST 結(jié)合旋轉(zhuǎn)氧彈試驗方法

KITAGAWA Mai 等[5]采 用Dry-TOST 試驗結(jié)合旋轉(zhuǎn)氧彈試驗方法來評價空氣壓縮機油的氧化安定性，并給出了油品氧化安定性好和不好的判據(jù)。即采用ASTM D7873 試驗方法對油品進行Dry-TOST 試驗，試驗條件為120 ℃和168 h。然后測試試驗后油品的旋轉(zhuǎn)氧彈時間。通過比較Dry-TOST試驗后油品的旋轉(zhuǎn)氧彈時間和新油的旋轉(zhuǎn)氧彈時間的比值來判斷油品的氧化安定性。當油品的測試結(jié)果≥85%，則認為油品的氧化安定性較好；當油品的測試結(jié)果＜85%，則認為油品的氧化安定性不好。

ROCOT 方法

專利[6]中提到采用ROCOT 方法（Rotary Compressor Oxidation Test，回轉(zhuǎn)式壓縮機試驗）來評價空氣壓縮機油的氧化安定性。將試樣在催化劑及通入空氣的條件下，在一定溫度下和一定時間下老化一定時間，然后按相應方法測試試驗油品蒸發(fā)損失、油品40 ℃運動黏度變化、酸值變化和油泥產(chǎn)生量。試驗條件：油品重量40 g，環(huán)烷酸鐵催化劑，試驗溫度140 ℃，試驗時間168 h，空氣流量15 L/h。

油泥

潤滑油在持續(xù)高溫下運轉(zhuǎn)會導致油品出現(xiàn)熱分解，進一步導致油品發(fā)生聚合[7]，這種類似漆膜的半固體的物質(zhì)會逐漸轉(zhuǎn)化為油泥[8]，這種不溶且具有黏性的物質(zhì)會在系統(tǒng)內(nèi)部累積[9]。油泥會導致空氣壓縮機油濾出現(xiàn)堵塞和油濾壓差增大并過早出現(xiàn)油濾壓差報警，甚至需要提前更換空氣壓縮機油濾，從而增加了空氣壓縮機維護成本。油泥會導致空氣壓縮機的效率降低。油泥一旦在空氣壓縮機系統(tǒng)的內(nèi)部形成以后，會比較難以去除干凈，去除空氣壓縮機內(nèi)部的油泥會導致維護成本的進一步提高。研究[10，11]表明基礎(chǔ)油對抗氧劑變質(zhì)后產(chǎn)物的溶解度不佳會更容易導致油泥的形成，抗氧劑PAN（phenyl-αnaphthylamine，苯基-α-萘胺）不僅不能抑制油泥的生成，反而會導致油泥量增加。

目前評價空氣壓縮機油油泥的試驗方法有以下3 種：

◇試驗方法ASTM D2070。該方法是用于測試液壓油的熱穩(wěn)定性，也可被用來評價空氣壓縮機油的熱穩(wěn)定性。將拋光后的鋼棒和銅棒置入含有200 mL 油品的250 mL 燒杯中，然后將燒杯放入設(shè)置溫度為135 ℃的烘箱中恒溫168 h，試驗結(jié)束后按試驗方法要求報告油泥的重量及銅棒和鋼棒的變色程度。

◇ISOT 氧 化 試 驗（Indian Sterling Oxidation Test）試驗方法[5]。試驗裝置與試驗方法JIS K2514 中一致。將鋼板和銅板作為催化劑放入油樣中，在油樣中通入一定流量的空氣并以一定的轉(zhuǎn)速攪拌油樣。控制油溫和試驗時間分別為150 ℃和72 h。試驗結(jié)束后采用過濾裝置對試驗后油品進行過濾，采用溶劑正己烷對油泥進行清洗，然后對油泥進行稱重。當油泥重量在0～10 mg/100 mL 之 間， 則 認 為結(jié)果優(yōu)異；當油泥重量在10～70 mg/100 mL 之間，則認為結(jié)果好；當油泥重量大于70 mg/100 mL 時，則認為結(jié)果不好。

◇CIGRE 試驗方法[6]。將試樣在通入氧氣的條件下，在一定溫度下和一定時間下老化一定時間，然后按相應方法測試試驗后油品總油泥重量和試樣頂部油泥的比例，此外還需要分析揮發(fā)性酸度、溶解性酸度和總氧化產(chǎn)物。試驗條件：油品重量40 g，試驗溫度120 ℃，試驗時間168 h，氧氣流量1 L/h。

沉積物

沉積物主要與潤滑油有關(guān)，一般被稱為黏合劑，主要來自潤滑油的熱分解和氧化分解[12]。高溫氧化過程是沉積物形成的主要原因，在薄層氧化條件下，例如在金屬表面的潤滑油膜會形成類似漆膜的沉積物[12]?？諝鈮嚎s機油在氧化過程中，也會產(chǎn)生沉積物。相對于其他基礎(chǔ)油類型的空氣壓縮機油，以聚醚和酯類油為混合基礎(chǔ)油的空氣壓縮機油能夠抑制沉積物的生成[13]。Martin Greaves 認為[14]，對于螺桿式空氣壓縮機而言，聚醚型空氣壓縮機油比礦物型空氣壓縮機油產(chǎn)生的沉積物更少，如圖1 所示。

圖1 聚醚型空氣壓縮機油和礦物油型空氣壓縮機油在螺桿表面形成沉積物的對比

對于沉積物形成的合理解釋是，礦物潤滑油產(chǎn)生的氧化副產(chǎn)物的極性更強，在烴類基礎(chǔ)油中不溶解導致了沉積物的生成[15]。沉積物會在噴油螺桿式空氣壓縮機的轉(zhuǎn)子表面累積，當累積到一定量后會造成陰陽轉(zhuǎn)子之間的間隙變小，可能會導致壓縮機機頭故障甚至機頭抱死等嚴重故障。

專利[16]提到了沉積物測試方法。試驗方法為Modified IOT（Modified Indiana Oxidation Stability Test，改進的IOT 氧化穩(wěn)定性試驗方法）。將試樣在催化劑及通入氧氣的條件下，在一定溫度下和一定時間下老化一定時間，然后按相應方法測試試驗油品沉積物的量。試驗條件：油品體積300 mL，催化劑為銅線圈和鐵線圈，氧氣流量3 L/h，試驗溫度130 ℃，試驗時間240～960 h。試驗后對油品進行過濾（過濾方法：Millipore Filter Test，SAE-ARP-785-63，微孔過濾試驗），對濾膜進行稱重確定沉積物重量。部分潤滑油生產(chǎn)廠家會采用專有測試方法薄膜氧化試驗方法（TFO）來評價空氣壓縮機油的沉積物產(chǎn)生情況，試驗過程為將熱的試驗油品和空氣連續(xù)注入加熱至約300 ℃的旋轉(zhuǎn)圓盤85 min。在試驗結(jié)束時，拍攝圓盤的照片，根據(jù)圓盤表面的沉積物情況對空氣壓縮機油產(chǎn)生沉積物的情況進行評級（潔凈圓盤的TFO 評級=100）。

漆膜

當空氣壓縮機油中的抗氧劑消耗殆盡時，空氣壓縮機油中的羰基化合物含量會急劇上升，伴隨著二次氧化會產(chǎn)生高濃度的酸性物質(zhì)，非極性的加氫礦物油和聚α 烯烴油（PAO）對于酸性物質(zhì)的溶解度有限，導致這些酸性物質(zhì)在基礎(chǔ)油中不溶。酸性物質(zhì)容易從基礎(chǔ)油中分離出來，沉積在空氣壓縮機的分離器和冷卻器的金屬表面，逐漸富集形成的不溶的聚合物漆膜[17]，這種漆膜與沉積物有很大的不同。

在壓縮機孔道以及通往壓縮機機頭軸承通道處的漆膜會導致軸承潤滑不足，進而會導致空氣壓縮機出現(xiàn)嚴重故障；在壓縮機轉(zhuǎn)子和定子上的漆膜會導致影響轉(zhuǎn)子的間隙，進而會導致摩擦損失、能量消耗和排氣溫度的增加；在油氣分離器上的漆膜會縮短油氣分離器的更換周期，增加壓差，進而導致壓縮機的效率降低[18]。

目前常用漆膜傾向指數(shù)[試驗方 法 為ASTM D7843《Standard Test Method for Measurement of Lubricant Generated Insoluble Color Bodies in In-Service Turbine Oils using Membrane Patch Colorimetry》(《膜片比色法測定在用透平油中不溶性有色物質(zhì)的標準方法》）]來評價離心式空氣壓縮機油的漆膜傾向性[19，20]，但采用該方法來評價噴油螺桿式空氣壓縮機油的漆膜的報道較少。評估噴油螺桿式空氣壓縮機油的漆膜主要依靠螺桿式空氣壓縮機臺架試驗，將空氣壓縮機油放入指定的空氣壓縮機上運行一段時間，待試驗結(jié)束后對比分析試驗前后壓縮機的壓縮腔體、陰陽轉(zhuǎn)子、分離器、冷卻器表面的顏色來判斷油品是否容易產(chǎn)生漆膜。鑒于臺架試驗運行時間較長，為了縮短試驗周期，部分壓縮機廠家在開展臺架試驗的過程中，會提高壓縮機的排氣溫度。相對于檢測螺桿式空氣壓縮機油理化性能的試驗而言，空氣壓縮機臺架評價試驗結(jié)果更可靠和更適用[21]。

結(jié)束語

氧化安定性作為噴油螺桿式空氣壓縮機油最重要的性能，得到了廣泛的關(guān)注和研究，但公開報道的評價噴油螺桿式空氣壓縮機油的氧化安定性的試驗方法相對較少，不同的評價方法的試驗結(jié)果也存在一定的差異?？筛玫胤从秤推穼嶋H應用中的抗氧化性能的氧化安定性試驗方法還有待進一步的開發(fā)。

目前評價噴油螺桿式空氣壓縮機油油泥和沉積物試驗方法主要集中在熱穩(wěn)定性試驗和熱氧化試驗上，評價噴油螺桿式空氣壓縮機油漆膜的試驗方法主要依靠壓縮機臺架試驗，后續(xù)可考慮將熱穩(wěn)定性試驗結(jié)果、熱氧化試驗結(jié)果與壓縮機臺架試驗結(jié)果結(jié)合起來，即通過對比分析熱穩(wěn)定性試驗后油品、熱氧化試驗后油品、壓縮機臺架試驗后油品等油品中油泥和沉積物的量、形態(tài)和組成，以明確熱穩(wěn)定性試驗、熱氧化試驗和壓縮機臺架試驗結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)性。