昆仑KHT68半合成冷冻机油的研制及应用

王鹏，李雁秋，张秀娟

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，新疆 克拉玛依 834003)

昆仑KHT68半合成冷冻机油的研制及应用

王鹏，李雁秋，张秀娟

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，新疆 克拉玛依 834003)

采用高压加氢环烷基基础油及聚α-烯烃合成润滑油基础油为原料，配合适宜的添加剂方案，研制一种半合成型冷冻机油产品。产品与氨制冷剂(R717)具有良好的化学稳定性，且具有较高的黏度指数，较低的絮凝点以及良好的热氧化安定性，抗磨性能优异，特别适合以氨为制冷剂的深冷冷冻机压缩机组。研制产品达到了国外同类产品CP1009-68(约克3号)的性能水平，通过了相关压缩机的性能使用试验。

环烷基；聚α-烯烃；半合成 ；冷冻机油 ；氨(R717)

0 引言

随着国家环保法规的持续推进，使得制冷行业使用的冷媒种类发生了重大变化。氯氟烃(CFCs)制冷剂的使用受到严格限制，而具有低的ODP值(大气臭氧层消耗潜能值)及较小的GWP值(全球变暖潜能值)的氢氟氯烃(HCFCs，如R22)、氢氟烃(HFCs，如R134a)、烃类(HCs，如R600a)、氨(如R717)和二氧化碳制冷剂在制冷行业中获得了运用。在种类繁多的制冷剂中，R717、R22、R600a是制冷行业使用最为广泛的制冷剂品种。中国是全球制冷设备生产的主要产地，约占全球产能50%～60%，各种类型冷冻机油产品需求旺盛，近年来随着设备制造工艺水平日益严格，高端制冷设备用油需求稳步增长[1]。

深冷机组是制冷压缩机组中工况要求比较苛刻的一种类型，它蒸发温度较低，可以达到-40～-150 ℃，广泛应用于石化企业、远洋船舶、食品、医药和气体分离等行业。由于各种损失，诸如摩擦、泄漏、有害传热、电机损失、流动阻力、噪声振动等因素的存在，压缩机工作时实际效率远低于理论效率[2]。如何提高压缩机的效率，对压缩机的节能性研究一直是制冷行业研究工作的重点。

从设备使用要求分析，深冷机组对使用的冷冻机油的低温流动性能和黏温性能的要求非常高，现有矿物型冷冻机油已无法满足该工况要求。聚α-烯烃合成冷冻机油因具有优异的低温及黏温特性，已在氨制冷深冷领域中得到广泛的应用，但合成油昂贵的价格也限制了产品的市场应用。成本适宜、性能优异的半合成冷冻机油的研究工作已成为各冷冻机油产品制造商的重点。目前应用于氨系深冷机组的典型半合成冷冻机油产品是美国CPI公司的CP1009系列，为全球主要氨压缩机(R717)制造厂的OEM初装、指定、推荐及对等使用产品。美国CPI公司的CP1009-68(又名约克3号)半合成冷冻机油，具有优良的低温性能、化学稳定性和抗氧化性能，被广泛地应用于氨(R717)制冷压缩机中。

1 氨制冷深冷压缩机对半合成冷冻机油的性能要求

根据深冷工商制冷(R717)机组的使用工况，其研制产品应满足以下关键性能要求：

(1)优异的黏温性能；

(2)优异的低温性能；

(3)较好的耐氨稳定性能；

(4)良好的氧化安定性能；

(5)较好的抗磨损性能。

按照关键性能要求分析，制定相应的技术要求和分析项目见表1。

表1 KHT68技术要求与对应的分析项目

2 KHT68半合成冷冻机油的研制

冷冻机油在制冷工程上通常称为润滑油，它在制冷压缩机的运行中起着重要作用。主要有如下几方面：

(1)起润滑作用：减小机器运动部件的摩擦和磨损，延长使用寿命。

(2)降低温度：冷冻机油在制冷压缩机内不断循环，能够带走制冷压缩机工作过程中产生的许多热量，使机器保持较低的温度，从而提高制冷压缩机的效率和使用可靠性。

(3)起密封作用：冷冻机油在轴封及汽缸与活塞间起密封作用，防止制冷剂泄漏。

(4)提供卸载机构的动力：带有卸载装置的制冷压缩机中，利用冷冻机油的油压作为卸载机构的动力。

制冷循环系统对冷冻机油性能的要求，重点包括：(1)黏度和黏度温度特性。冷冻机油在制冷循环系统中的使用温度很宽，在某些压缩机的气缸内，有时可接触150 ℃的高温，而在蒸发系统内则可能接触-40 ℃或更低的温度，所以要求油的黏度随温度的变化要小，以保证冷冻机油在各种不同温度下都具有良好的润滑性和流动性；(2)热化学安定性，决定了油品的使用寿命；(3)热稳定性。挥发性高、闪点低的油易在高温阀片处挥发、变黏而生成积炭。一般来说，冷冻机油的闪点应比制冷压缩机的最高排气温度高20～30 ℃左右； (4)低温性能。从制冷循环系统的蒸发器出口到压缩机的入口，很容易因油的低温流动性差而发生一系列问题。特别是对含有难以在冷冻机油中溶解的R502、R503、R13和氨的制冷系统来说，如果油的凝点过高，当其随制冷剂进入制冷系统后，就会在蒸发器盘管等低温部位滞留或凝固，严重时甚至会堵塞管道设备；(5)润滑性。随着压缩机的轻量化、高速化，对冷冻机油油品的润滑性能提出了越来越高的要求。Falex极压负荷从1335～1880 N提高到3115 N，几乎增加了1倍。只有加入润滑添加剂才能使冷冻机油的润滑性能有明显的改进及满足上述苛刻的要求；(6)水分。氨制冷系统对水分的要求也很严格，溶有水分的氨能使油发生乳化，并在油箱内产生大量泡沫。这不仅降低油的润滑性，而且使润滑系统不能正常供油，导致压缩系统磨损和发生故障。

大型制冷压缩机多使用液氨作为冷媒。相比较氟氯烃类的冷媒而言，氨冷媒为弱碱性物质，氨与冷冻机油中的酸性氧化物会发生化学反应，这些产物往往会在制冷循环的高温部件形成积垢，或在蒸发器等低温部位形成黏性乳状物堵塞管路，从而导致压缩机出现运行故障。德国标准DIN 51538:1998 《Testing of lubricants for refrigeration compressors for resistance to ammonia》(冷冻机油耐氨性能的测试方法)为国外测试冷冻机油耐氨性能唯一的试验方法，其试验结果在国际上得到广泛认可。

2.1基础油的筛选

KHT系列冷冻机油研制思路为聚α-烯烃合成基础油(以下简称PAO)与环烷基矿物油复合的半合成冷冻机油，因此基础油分为PAO合成基础油和环烷基矿物型基础油两部分。

2.1.1 PAO基础油的筛选

PAO基础油主要从低温性能、黏温性能、热氧化安定性、化学稳定性和耐氨性能以及市场来源稳定性等方面进行筛选。再结合PAO与矿物油混兑后的半合成基础油性能进行分析，从而确定基础油的最佳组分和比例。

依据研制目标要求，选取了市场上主流的PAO10基础油产品，基础性能分析结果见表2。

表2 PAO基础性能分析结果

为了对比两种PAO的性能差异，实验室对两种PAO在低温性能、抗氧化性能和耐氨性能等方面进行了分析对比，测试结果见表3、图1和图2。

表3 两种PAO基础油的低温运动黏度测试

图1 P-1和P-2氧化后结果

图2 P-1和P-2耐氨试验后结果

由表3和图1、图2可以看出，P-1在低温性能和抗氧化性能方面更加优异， 两种PAO基础油的比选结果见表4。

表4 不同牌号PAO基础油技术对比综合分析

确定P-1为主选PAO基础油。

2.1.2 环烷基基础油的筛选

环烷基基础油具有良好的低温性能、与R22冷媒的相溶性好，一直以来都是冷冻机油基础油的首选。实验室分别选择三种不同精制深度的环烷基基础油，其生产工艺路线见图3，性能分析见表5、图4和图5。

图3 环烷基基础油的生产工艺路线

表5 环烷基矿物油基础油性能分析

图4 三种环烷基基础油氧化后结果

图5 三种环烷基基础油耐氨试验后结果

从表5和图4、图5可以看出，三种环烷基基础油性能存在差异性。高压加氢的e-1和e-2基础油在氧化、耐氨和化学稳定性方面综合性能优势明显。确定环烷基e-1和e-2基础油列入主选基础油。

2.1.3 合成基础油的调配试验

环烷基油的缺点是黏度指数低，黏温性能相对较差，加入PAO后，其黏度指数会有所改善。为了考察PAO的加入量，以N68黏度级别为例，采用P-1合成基础油，与黏度相同的环烷基基础油e进行不同比例的混兑，测试其黏度指数并做图，如图6所示。

图6 半合成基础油黏度指数随PAO含量增加的趋势变化

从图6可以看出，随着聚α-烯烃合成P-1基础油的加入，半合成基础油的黏度指数明显增加，且黏度指数的变化规律并没有呈现“线性”变化的特征，图形呈上“抛物线”形，这种现象和黏度指数改进剂的作用相类似。

低温性能反应了油品在制冷机组低温部位回油特性的好坏，为了考察半合成基础油与环烷基矿物油低温流动性变化的差异，以N68黏度级别为例，实验室进行了半合成基础油(50% P-1加入量)与环烷基基础油e的低温运动黏度的对比并做图，如图7所示。

图7 半合成基础油与环烷基的温度与运动黏度关系

-20～-10 ℃是工业深冷压缩机组中冷冻机油回油初始阶段的典型温度区间[3]，图7中显示，环烷基矿物油在0 ℃以下低温时，黏度急剧增大，与之形成鲜明对比的是半合成基础油黏度变化非常缓和。表明半合成基础油的黏温性能优异，在低温时回油特性优良，更适合用于低温要求高的深冷机组。

2.2添加剂的复配

复合添加剂RHY6601是中国石油冷冻机油系列产品的成熟配方，已大量应用在适用于氨系制冷机组的L-DRA系列产品中，其技术要求见表6。

表6 RHY6601冷冻机油复合剂技术要求

配方评选主要进行了复合剂RHY6601的应用评价，评价结果见表7。

表7(续)

表7表明，RHY6601含量大于1.2%时，氧化试验结果已基本满足研制指标，在补强0.2%的抗氧剂A后，氧化后酸值和沉淀结果最为满意，确定添加剂方案为1.2%RHY6601与0.2%抗氧补强剂。

抗泡剂的加入依据经验确定为采用T921复合抗泡剂0.01%～0.05%。

2.3研制油品的性能评价

根据实验室研究结论及添加剂配置方案，调合成品小样的典型性质见表8。

表8 研制油与参比油性能对比

由表8可知，研制油品KHT68产品的性能与国内外同类产品相当，并且在低温性能“絮凝点、耐氨性能及极压性能”方面具有明显优势。

为了进一步比较KHT系列产品与参比油的性能差异，对实验室贮存稳定性及高温成焦性两方面进行了油品模拟性能的对比。

(1)研制产品与参比油贮存稳定性对比试验

主要进行了在常温条件和80 ℃时油品贮存不同时间后颜色的变化情况，见图8。

图8 贮存稳定性对比试验

从图8可以看出，油样在常温及高温条件下敞口放置30 d后， 研制油品的颜色变化明显小于参比油，贮存稳定性优良。

(2)研制产品与参比油高温成焦性能对比

为了进一步比较油样在高温条件下的性能变化情况(模拟排气阀工况)，实验室用成焦板法进行了油品在高温时的性状变化情况实验，实验条件为板温320 ℃，油温100 ℃，实验时间2 h，连续式及间歇式(开45 s、停15 s)，实验结果和实验焦板如表9所示。

表9 研制产品与参比油的成焦板实验结果

由表9可以看出，在高温条件下，研制油品高温成焦倾向性小。

3 应用评价结果

KHT68半合成冷冻机油于2012年5月，替换原设备装机用油约克3号，在中国石油大庆石化炼油厂酮苯糠醛车间，3台美国FES公司螺杆式制冷压缩机(设备型号675GLB、1770GLB/565GL、1550XBE575X)投入使用。机组累计运行时间超过10000 h，设备运行正常。

2016年10月，替换原设备装机用油英国BP Energol LPT68冷冻机油，在中国石油兰州石化橡胶厂丁腈二车间，3台美国约克公司螺杆式制冷压缩机(设备型号REB-480E)投入使用。有效解决用原BP Energol LPT68冷冻机油在设备使用过程中出现的“轻馏分解吸”现象，机组累计运行时间已超过5000 h，设备运行正常。运行油测试结果见表10。

表10 KHT68运行油检测结果

表10(续)

4 结论

(1)KHT68半合成冷冻机油，采用高压加氢环烷基基础油及聚α-烯烃合成润滑油基础油为原料，配合适宜的添加剂方案。研制油品与氨制冷剂(如R717)具有良好的化学稳定性，且具有较高的黏度指数，较低的絮凝点以及良好的热氧化安定性。

(2)通过实际使用试验验证：该产品完全可以满足以氨(R717)、碳氢工质为制冷介质的各类工商制冷设备，特别是蒸发温度为-40 ℃以上的开式及半封闭式制冷机组的使用。

[1] 杜大为，陈美名.合成冷冻机油的现状及发展[J].合成润滑材料，2012，39(1)：6-8.

[2] 董天禄.离心式/螺杆式制冷机组及应用[M].北京:机械工业出版，2002:45.

[3] 张为民，肖瑶瑶，王恕清.冷水机组的回油技术研究[J].制冷与空调，2012，12(2):18-21.

Development and Application of Kunlun KHT68 Semisynthetic Refrigeration Oil

WANG Peng, LI Yan-qiu, ZHANG Xiu-juan

(PetroChina Lanzhou Lubricating Oil Ramp;D Institute, Karamay 834003, China)

Using high-pressure hydrotreated naphthenic base oil and poly alpha olefin synthetic lubricant base oil as raw material, cooperating with the appropriate additives, a semisynthetic refrigeration oil product was developed. The product has good chemical stability with ammonia refrigerant (R717), and high viscosity index, low floc point and good thermal oxidation stability, excellent anti-wear performance, especially suitable for ammonia as refrigerant of cryogenic refrigerator compressor. The product has reached the performance level of CP 1009-68 (York No. 3) of foreign products, and has passed the test of the performance of the compressor.

naphthenic base; poly alpha olefin; semisynthetic; refrigeration oil; ammonia refrigerant(R717)

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.06.001

1002-3119(2017)06-0001-08

TE626.37

A

2017-06-07。

王鹏，学士，高级工程师，2000年毕业于中国石油大学(华东)应用化学专业，现从事冷冻机油产品的研究与开发工作，成果多次获省部级科技进步奖，已公开发表论文十余篇。E-mail：wangpeng_rhy@petrochina.com.cn