热氧化安定性试验在空气压缩机油中的适用性研究

高传奎，朱江，刘中国

(1.驻中国石油大连石化分公司军事代表室，辽宁 大连 116031；2.中国石油大连润滑油研究开发中心，辽宁 大连 116031)

0 引言

压缩机在石油、化工等工业部门的工艺流程及诸多行业的气动设备中应用广泛[1-3]，其中以空气为压缩介质的称为空气压缩机。根据设备结构与工作原理不同，压缩机可分为活塞式、回转式等类型。活塞式空气压缩机的压力范围较广，排气温度更高，多级设备压力能达到350 MPa，温度通常在200 ℃以上，润滑油极易结焦产生积炭[4]；螺杆式空气压缩机一般为喷油润滑[5]，油品与空气直接接触，易受空气中氧气、水分、杂质等影响而导致氧化老化加速。空气压缩机油变质产生的氧化物积累过度，会降低油品使用寿命，严重者将造成设备故障，甚至引发着火等安全问题。

工业化的持续发展[6]使得各行业对大型空气压缩机设备的需求不断升级，温度、压力、级压比等工作条件会更加苛刻，对空气压缩机油的使用性能要求必将提高，油品热氧化安定性的优劣能够较直观地反映出其使用性能，因此适宜的评价方法十分重要。本文通过分析润滑油常用的热氧化安定性试验方法，对其在空气压缩机油中的适用性进行了研究。

1 空气压缩机油标准中的试验方法

我国关于空气压缩机油的标准包括《GB 12691空气压缩机油》和《GB 5904 轻负荷喷油回转式空气压缩机油》两项，其中涉及的热氧化安定性试验方法为《GB/T 12581 加抑制剂矿物油氧化特性测定法》(TOST)和《SH/T 0192 润滑油老化特性测定法》，这两种方法建立时间较早，主要用于测试矿物油型空气压缩机油，质量指标要求如表1所示，但对于合成型空气压缩机油，目前还未建立相关标准。

表1 空气压缩机油标准中规定的热氧化安定性质量指标要求

按照上述试验方法，对A、B、C、D、E、F六种空气压缩机油(油品信息如表2)进行评价，结果如表3所示，TOST时间均远大于1000 h，合成型油品更是达到10000 h以上，超出方法的测定上限(超过10000 h以后，由于不断采样导致金属催化剂线圈暴露到空气中，而这种暴露对油品氧化寿命的影响还未确定)，康氏残炭增值均小于1%。现行空气压缩机油标准中热氧化安定性试验方法对各类产品的区分性较差，很难评价产品性能优劣，已无法满足产品发展需求。

表2 试验油品

表3 TOST与老化特性试验结果

2 润滑油中常用的试验方法

除上述国标中规定的热氧化安定性试验方法外，国内外依据润滑油使用特点与设备工作条件设计了不同的油品热氧化安定性试验，建立了20多项相关标准。费逸伟等[7]根据使用仪器的不同，将它们分为氧化管试验法、旋转氧弹试验法、仪器分析试验法和设备模拟试验法等四类。孔令杰等[8]采用压力差示扫描量热法(PDSC)等4种方法，对5种脂肪酸酯型难燃液压油进行了氧化安定性评价，结果显示评价方法不同，油品的氧化安定性表现具有一定的差异性。因此，根据设备及油品性能特点使用合适的试验方法，才能更准确地测定油品热氧化安定性，表征油品使用寿命。

2.1 氧化管试验法

氧化管试验法是评价润滑油热氧化安定性最为普遍的一种方法，通常是在金属催化条件下，向油样中通入一定流量的空气或氧气，在规定温度及时间下，用酸值、黏度、残炭增值等理化性能指标评价润滑油的热氧化安定性。该类方法侧重于评价油品的某一项指标，试验结果仅能反映油品氧化的一个方面，而无法全面反映油品的氧化程度。

氧化管试验法虽然相关标准最多，但试验条件基本类似，主要利用氧化管尺寸、形状、冷凝方式的不同及金属片的种类，模拟不同机械设备的工况，这里不再逐一列举。

除国标要求的2种方法外，常用于评价空气压缩机油的方法还有《SH/T 0450 合成油氧化腐蚀测定法》，对C、D、E、F四种合成型空气压缩机油进行测试，结果如表4所示，各金属片外观良好、均无明显腐蚀，试验结果只能反映出油品酸值及黏度的变化情况，无法对油品的热氧化安定性优劣做出综合评价。

表4 各油品氧化腐蚀试验结果

2.2 旋转氧弹试验法

旋转氧弹法是将油样、水和铜催化剂线圈放入玻璃容器内，并置于氧弹中，充入620 kPa(90 psi)压力的氧气，试验温度一般为150 ℃，达到规定压力降所需时间即为油样的氧化安定性。它是目前评价空气压缩机油氧化安定性尤其是合成型产品较为快速有效的一种方法，但同样也具有一定的局限性。

参照SH/T 0193标准方法，对A、B、C、D、E、F六种空气压缩机油进行测试，结果如图1所示，矿物型油品A和B实际使用寿命均为4000 h，但氧弹结果差别较大；实际使用寿命达12000 h的PAO型油品D，氧弹结果反而低于C；聚醚型油品E、F氧弹结果明显较低。这说明旋转氧弹法不适合测定聚醚型空气压缩机油，且使用该方法测定的空气压缩机油氧化安定性，与其实际表现存在一定的差异性，无法完全反映油品实际的抗氧化性能及使用寿命。

图1 各油品旋转氧弹试验结果

2.3 仪器分析试验法

仪器分析法是指利用现代仪器手段对油品进行分析，具有微量、快速、准确、重复性好等优点[9]。空气压缩机油常用压力差示扫描量热法(PDSC)评价氧化安定性，该方法通过测量一定条件下油品氧化放热曲线的外推拐点，确定其氧化诱导期，时间越长，代表油品氧化安定性越好。但需要指出的是，PDSC法并非模拟设备及其用油的工况进行试验，因此试验结果与油品使用性能之间的相关性还有待验证。

参照SH/T 0719标准方法，试验温度200 ℃、压力2.45 MPa，对A、B、C、D、E、F六种空气压缩机油进行测试，结果如图2所示，矿物型油品的氧化诱导期短于合成型油品，不同类型的空气压缩机油具备较好的区分性，但PAO型油品的氧化诱导期短于聚醚型油品，与产品实际表现存在一定的差异性，无法完全反映油品实际的抗氧化性能及使用寿命。

图2 各油品PDSC试验结果

2.4 设备模拟试验法

设备模拟法与仪器分析法不同，它是根据设备结构特点及润滑油实际工况，在实验室建立相关试验机，以此模拟的使用环境，并根据漆膜胶重、金属失重、沉积物质量等，评价油品的热氧化衰变程度，如通过建立曲轴箱模拟试验机(SH/T 0300)和漆状物形成器(SH/T 0259)评定内燃机油热氧化安定性，通过建立齿轮箱(SH/T 0520)评定车辆齿轮油热氧化安定性等，但目前空气压缩机油还未建立相关的模拟设备评定油品热氧化安定性。苗新峰等[10]利用曲轴箱模拟试验机建立了油品成焦倾向测定法，通过分析三种类型酯类基础油结焦性能，评价其热氧化安定性，开发出合成酯型空压机油，应用于高温、高压下的大型往复式空气压缩机。

3 新的试验方法研究

现有润滑油热氧化安定性标准方法在评价部分类别油品时，存在一定的局限性，且此类油品短期内很难建立起新的标准方法，进行使用试验则周期过长、耗费巨大，严重影响产品开发进程。为解决此类难题，研发人员利用各标准方法的特点进行互补，对满足相关油品评价需求的方案进行了研究。左凤等[11]以液压油和汽轮机油为研究对象，将TOST试验与PDSC和RULER(润滑油剩余寿命评定仪)结合，定期取样测定油品的酸值、氧化诱导期和抗氧剂相对含量，以此建立TOST试验时间与氧化诱导期和抗氧剂相对含量之间的关联性。苏恺[12]针对常规旋转氧弹法并不适用于预测聚醚型空气压缩机油使用寿命的问题进行研究，通过改进旋转氧弹试验方法和引入RULER测试，建立了旋转氧弹循环耐久寿命试验，取得良好效果。

参照上述旋转氧弹循环耐久寿命试验，对E、F两种聚醚型空气压缩机油进行测试，结果如图3所示，使用寿命在8000 h以上的E、F油，循环周期分别为9次、10次，试验结果与使用寿命基本对应，取得较好的模拟效果。

图3 各油品循环耐久寿命试验结果

4 总结

空气压缩机油国标中规定的热氧化安定性试验方法TOST和老化特性，以及合成油氧化腐蚀等氧化管类试验，对各类产品的区分性较差，很难评价产品性能优劣、已无法满足产品发展需求。旋转氧弹法和PDSC法是目前评价空气压缩机油氧化安定性尤其是合成型产品较为快速有效的方法，但均具有一定的局限性。旋转氧弹循环耐久寿命试验结果与油品使用寿命基本对应，模拟效果较好。利用曲轴箱模拟试验机建立的油品成焦倾向测定法，可用于评价应用在高温、高压下大型往复式空气压缩机设备的合成酯型空压机油。