中国矿用难燃液压支架液市场分析

汪利平，郎需进，程亚洲，张杰，李进宝，褚铭铭，周福宁

(1.无锡中石油润滑脂有限责任公司，江苏 无锡 214096；2.中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃 兰州 730060)

0 引言

液压支架是煤矿行业井工矿关键开采设备之一，用于井下工作面顶板支撑和防护，关系到支架设备和采煤工人的安全[1]。矿用难燃液压支架液是液压支架传动系统的重要组成部分，是保证煤矿设备安全生产的“血液”，除了具备普通传动介质的性能指标外，还必须具有良好的难燃和抗燃特性[2]。液压支架液质量直接影响液压支架和综采设备的使用寿命和采煤安全，选择不当，轻则会损坏设备设施，重则造成安全事故[3-4]。

液压支架对所使用的支架液有以下几个方面的性能要求：难燃性[5]：既不能引燃，也不能助燃；经济性：原材料易得，性价比高；防腐防锈性[6-7]：在高负荷、长周期下使用必须具有良好的防腐防锈性和保持性；稳定性[8]：良好的高低温和振荡稳定性；密封材料相容性[9]：与密封材料接触不会产生收缩和膨胀，以免造成失效或失灵；无害与环保性[10]：支架液在使用过程中，操作人员不可避免地会与其接触，因此要求其对人的健康无影响或影响最低；同时，支架液使用后无法回收利用，一般都是直接排放，所以要求其对环境污染小或无污染。国家也在逐步加强对矿用难燃液压支架液的管理。

2021年中国生产原煤40.7亿t，按照该原煤生产量核算，矿用难燃液压支架液消费量约为2.5～4.0万t，市场需求旺盛。该文重点综述了国内外难燃液压支架液执行标准和不同类型产品特性，重点分析了国内矿用难燃液压支架液市场状况和发展趋势，提出了矿用难燃液压支架液未来发展方向。

1 执行标准与产品特性

1.1 执行标准

ISO 6743-4《润滑剂、工业用油和相关产品(L类)的分类 第4部分:H组(液压系统)》标准规定了润滑剂、工业用油和相关产品中液压系统用油的详细分类[11]。ISO 12922《HFAE、HFAS、HFB、HFC、HFDR和HFDU等类难燃液体技术条件》具体规定了HFAE、HFAS、HFB、HFC、HFDR和HFDU六大类难燃液体技术条件[12]。ASTM D7044《可生物降解的阻燃型液压液的标准规范》涵盖了工业/移动和采矿行业中使用的可生物降解型抗燃液压液的性能分类[13]。而ISO 7745《难燃液压液使用导则》则对难燃液工作特性、优缺点以及选用难燃液应考虑的因素等提供了详尽的指南[14]。

我国GB/T 7631.2等同采用ISO 6743-4标准规定了液压系统液压液产品的详细分类[15]。GB/T 16898等同采用ISO 7745对难燃液选用提供了详尽的指南[16]。目前，矿用难燃液压支架液主要执行以下3个国家和行业标准：MT 76-2011《液压支架用乳化油、浓缩液及其高含水液压液》[17]，GB/T 21449-2008《水-乙二醇型难燃液压液》[18]，NB/SH/T 6045-2021《脂肪酸酯型难燃液压液(HFDU)》标准[19]。MT 76、GB/T 21449和NB/SH/T 6045 3个标准非等标采用ISO 12922标准，部分性能指标高于国外标准。煤矿井下用难燃液压支架液主要分类与执行标准详见表1。

表1 矿用难燃液压支架液的分类与执行标准

目前，煤矿井下液压支架系统以乳化油(HFAE)和全合成浓缩液(HFAS)为主要传动介质，产品执行MT 76-2011标准。MT 76标准规定了水包油乳化型和无矿物油溶液型高含水液压液及配制该液压液的乳化油或浓缩液的术语和定义、产品分类、技术要求、试验方法、检验规则等。标准适用于液压支架、外注式单体液压支柱等用高含水液压液及配制该液压液的乳化油和浓缩液。表2列出了液压支架用乳化油、浓缩液及其高含水液压液的技术要求。

表2 液压支架用乳化油(HFAE)和全合成高含水液压液(HFAS)的技术要求

1.2 产品特性

安标国家矿用产品安全标志中心2011年1月19日发布了《煤矿井下用水-乙二醇型、无水全合成难燃液类产品安全标志管理实施规则》，将“煤矿井下用水-乙二醇型难燃液压支架液和无水全合成难燃液”列入了安标认证管理体系，并发布实施了安标字[2011]2号文《煤矿井下用无水全合成难燃液压支架液通用安全要求(试行)》，严格规定了煤矿井下用无水全合成难燃液压支架液的抗燃性要求。国家应急管理部2022年1月6日发布实施的新版《煤矿安全规程》，对井下设备需使用难燃液压支架液也进行了明确规定。中国矿用难燃液压支架液技术日趋成熟，初步形成了HFA、HFB、HFC、HFD四大系列。本节就四大类难燃液压支架液的特性、优缺点及发展现状进行归纳总结。

高水基抗燃液压液(HFA)产品是一种含水量超过90%的抗燃液压介质，包含水包油型乳化油和无矿物油全合成型浓缩液。HFAE乳化液产品具有较好的润滑性及良好的高矿化度水质适应性，是液压支架系统中的主要传动介质之一。但HFAE乳化液产品属于油-水两相体系，在使用过程中容易受温度、水质影响出现析油析皂，堵塞过滤器和操纵阀等问题。HFAS合成液压支架浓缩液以水作为载体，不含矿物油，性价比高，具有优异的抗燃性、润滑性、防锈性、便利性和更加稳定的热稳定性，使用过程中不析油、不析皂、不堵滤网，也可适用于电液控制系统[20]。为液压支架提供了良好的保护作用，降低了采煤综合成本，逐步占据了市场的主导地位。

HFB为油包水型乳化液，具有良好的难燃和抗燃性、防锈和润滑性，此外，还具有优异的容水能力和黏度调节性[21]。HFB乳化液与矿物油型液压液相比，抗腐蚀、抗磨损和润滑性基本一致，只有当水含量大于40%以后，才具备良好的抗燃性。HFB与HFAE乳化液产品类似，缺点在于乳化液长期稳定性不好，市场在逐渐萎缩。

HFC水-乙二醇型难燃液压液与矿物油型液压液相比，性能指标相当，具有优异的抗燃性能，具有良好的防锈性、润滑性、剪切性和密封材料相容性，可用于部分煤矿井下液压设备[22]。与合成酯无水液压液相比，其价格便宜，容易与非金属材料配套使用，在国内外冶金、矿山、机械、化工以及铸造等许多行业得到了越来越广泛的使用。同时，水-乙二醇抗燃液压液还具有低温流动性/好(倾点一般均低于-40 ℃)的优点，可用于低温工况下工作的液压设备中[23]。

HFD合成酯型难燃液压支架液因具有闪点高、燃点高、蒸发损失小、抗燃性好、润滑性优、使用寿命长等特点，适合于压力高和温度变化幅度大的液压系统[24]。但磷酸酯在水解安定性、黏温特性、抗腐蚀性、生物毒性和橡胶相容性等方面存在一定的局限性，使用时要特别注意。脂肪酸酯型难燃液压液不但具有优异的润滑性和高低温稳定性，而且还具有优异的可生物降解性，已广泛应用于钢铁行业连铸生产线和高炉、铸造厂、热轧厂、煤矿等液压系统[25]。目前国内较为常用的是三羟甲基丙烷油酸酯型液压液产品，具有生物可降解性，满足ASTM D7044规格要求。

2 市场现状与发展趋势

2.1 四大系列产品在行业中的应用情况

2021年中国煤炭产量为40.7亿t，按照每生产10～15万t煤消耗1 t液压支架液进行核算，中国每年矿用液压支架液使用量高达2.5～4.0万t。中国已经形成了HFA、HFB、HFC、HFD四大系列矿用难燃液压支架液质量控制体系，产品研发能力和产品质量均达到或超过国际同类产品。根据中国石油润滑油公司2021年实际产销量并结合调研数据，四大系列产品在煤矿行业市场分布情况如图1所示。

图1 四大系列难燃液压液在煤矿行业市场分布

从图1可知：矿用难燃液压支架液市场主流产品主要还是乳化油和合成液，HFA系列乳化油和合成液产品市场占比约为88.68%。HFB油包水型乳化液逐步被HFA系列产品所替代，几乎没有市场；HFC水-乙二醇型难燃液压支架液市场占比约为9.30%，HFD合成酯型难燃液压支架液在煤矿井下液压液市场占比仅为2.04%。主要原因是：1)HFA系列合成液产品，具有材料易得、易于调合、性价比高的特点；2)HFB油包水型乳化液，稳定性不足；3)HFC水-乙二醇型难燃液压支架液，材料易得，性价比没有合成液产品高；4)HFD合成脂产品，磷酸酯型产品抗燃抗磨性能虽好，但具有一定毒性，除特殊场合外，正逐步被多元醇酯型产品替代。

2.2 乳化油和合成液在行业中的应用情况

根据调研结果可知，中国矿用难燃液压支架液市场主流产品为HFA系列乳化油和合成液，市场占比约为90%。矿用难燃液压支架液产品最大市场主要集中在煤矿主采区，内蒙古、陕西、山西、河南、山东等产煤大省。上述地区煤矿规模大、产量高、用液比较规范。表3列举了中国液压支架液主要应用客户和主要应用产品型号。

表3 国内液压支架液主要客户和主要产品型号

国内HFA系列乳化油和合成液产品生产供应商很多，主要有：中国石油润滑油公司、中国石化润滑油公司、福斯润滑油(中国)有限公司、煤炭科学技术研究院有限公司、河北中煤神海科技发展有限公司、山西云雁石化有限公司、河北德特尔润滑油有限公司、山西潞安太行润滑科技股份有限公司等，产品的抗硬水能力一般设计为500～1500 mg/L不等，推荐使用浓度大多集中在5%。图2是不同型号矿用高含水液压支架液市场分布情况。

图2 不同型号矿用高含水液压液市场分布

从图2可知：市场的主流产品主要包括乳化油HFAE10-5、HFAE20-5、HFAE25-5和浓缩液HFAS15-5、HFAS20-5。HFAE系列乳化油产品市场占比约为23.96%。HFAS系列合成液产品市场占比约为76.04%，其中，HFAS15-5合成液产品市场用量最大，占比超过67.00%。人工硬水硬度等级大于20的乳化油和合成液占比约为0.02%。这与杨叶等人于2016年对中国西北、华北、东北、两淮、山西等矿区782个水样进行分析，水质硬度<1000 mg/L(人工硬水硬度等级≤20)的样品占比为96.30%，水质硬度>1000 mg/L(人工硬水硬度等级>20)的样品占比为3.7%基本吻合[26]。HFAS35-5和HFAS40-5等高抗水性难燃液压产品，通常是根据矿井实际水质情况进行定制化开发和供应。

溶液配制浓度几乎全部为5%，浓度过低会降低抗硬水能力，降低防锈性、稳定性和润滑性。表4是某款HFAS 15-5浓缩液在不同浓度下对成品液压液性能影响考察数据。从表4数据可知：虽然该HFAS 15-5浓缩液在3%的加量下依然可以保证成品满足MT 76标准，但不同地区不同矿井不同水质条件差异较大，为了保证支架液在低浓度下使用仍能维持系统正常运转，建议不能随意降低配液浓度。

表4 HFAS15-5浓缩液在不同浓度下对成品液压液性能影响

2.3 发展趋势

难燃液压支架液发展迅速，品类齐全，在高温高压及存在明火的工况下替代矿物型液压油使用，在液压油中的占比也在逐步增长。

HFAS型液压支架液压液具有非常好的抗燃性和稳定性。随着国内环保要求日益严格，要求更高的电液控制系统也将使用这种无矿物油的合成液，市场份额会进一步扩大，可生物降解的水-化学溶液是今后的努力方向。HFC型矿用水-乙二醇难燃液压支架液具有优异的抗燃性能、润滑性、防锈性、抗剪切性及密封材料相容性，是矿用液压液的重要产品之一，随着小型化、高效率和高负荷液压装置的发展与应用，需要进一步提高水-乙二醇抗燃液压液的润滑性并延长换油周期。HFD型合成酯型难燃油因具有的良好的抗燃性、优异的润滑性、较长的使用寿命，也将成为煤矿用难燃油品的重要发展方向。磷酸酯型抗燃液压液由于价格高、毒性大，在钢铁行业逐步被水-乙二醇型和脂肪酸酯型液压液所替代。由于其优异的抗燃阻燃性，在要求更高的电力行业中仍然具有不可替代性。脂肪酸酯型产品不但具有其它品类的基本性能，还具有良好的可生物降解性。因此，脂肪酸酯型产品的应用比例会逐步提高。

3 结语

中国是煤炭生产大国，且多数煤炭行业属于井工矿，危险性相对较高。因此，研究现代化的采煤工艺和不断提高机械采煤率是减少安全事故的有效途径之一，难燃液压支架液作为综采设备的主要物资之一，产品的稳定性、一致性、安全性和环保性是评价其质量优劣的重要依据。矿用难燃液压支架液不仅要满足采煤设备的基本润滑要求，还需要兼顾可生物降解性和生物毒性。建议将以上性能要求逐步纳入行业标准，形成准入规则，加大监管力度，促进煤矿行业的健康发展。