工程机械柴油机油在压裂车上的应用研究

郭鹏,金鹏,焦军平,张勤

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃 兰州 730060)

0 引言

工程机械设备种类众多，目前我国的工程机械主要以柴油机为动力。工程机械主要由工作装置、底盘、液压系统、发动机系统、传动系统、电气系统、空调等组成，在行驶、工作过程中，各部分都有进行相对运动(相互接触，且接触面的垂直方向受压力)的零部件，这些零部件都需要加注与其运动工况相适应的润滑材料，我国的工程机械设备种类较多，对润滑油品种的要求也比较多[1-8]。压裂车是压裂施工作业中的核心部件,在降低油气开采成本、提高开采效率方面具有非常重要的作用。压裂车主要用于油气田的深井区、中深井区及浅井区的各种压裂作业，它既可以进行单车压裂作业，也可联机作业。我国的压裂车组主要分布在中国石油和中国石化的石油工程技术公司，为保障我国石油和天然气的开采发挥着重要作用[9-10]。

压裂车主要由运载、动力、传动、泵体等4大部分组成，压裂车工作时,由台上发动机驱动变速箱,通过传动轴带动五缸柱塞泵,而由混砂车混合好的压裂液通过管汇连接到五缸柱塞泵的低压4寸吸入口,低压压裂液经五缸柱塞泵增压,再通过五缸柱塞泵的高压管汇注入井下。现场施工对压裂车的技术性能要求很高，压裂车必须具有压力高、排量大、耐腐蚀、抗磨损性强等特点。因此，鉴于压裂车的重要性和工况的复杂性，国内油气田作业的压裂车使用的发动机油为国外某品牌的HBW-1号且价格较高。因此，为了降低压裂车发动机保养成本，需要开发一款性价比高且满足压裂车使用要求的工程机械柴油机油[11-14]。

1 工程机械柴油机油的研制

压裂车作为高成本特种设备，在井下的工作时间长，对发动机油的要求非常高,不仅要求油品具有良好的黏温性、抗腐蚀性等，还得有优异的抗氧化性和长的换油期，以保证压裂车能够在不同环境下长时间连续运行，保障油气的开采工作顺利进行。因此，工程机械油品的研制需要特别考虑油品的抗氧化性和换油期[15]。

以烷基水杨酸盐清净剂、多种抗氧剂及防老剂复配其他添加剂研制了一款工程机械柴油机油XS-A，将该产品与HBW-1号进行理化对比分析和模拟性能评价，理化分析结果见表1，模拟评价见表2。

表1 工程机械柴油机油XS-A与HBW-1号理化性能分析

从表1的理化分析可以看出，研制的工程机械柴油机油XS-A倾点为-42 ℃，低温动力黏度(-25 ℃)为5600 mPa·s，说明油品具有很好的黏温性能，能在较低的环境温度下使用。

表2 工程机械柴油机油XS-A与HBW-1号的性能模拟评价

从表2的抗氧化和清净性评价结果可以看出，工程机械柴油机油XS-A的氧化诱导期和旋转氧弹测试的结果明显优于HBW-1，说明工程机械柴油机油XS-A的抗氧化性能要优于HBW-1，2者的热管氧化测试结果相当，说明2者的清净性能也相当。

2 压裂车实验部分

2.1 试验车辆

试验选用8台型号相同的压裂车，车辆型号为YLC1860-140，发动机是由德国MTU公司生产的16V4000，燃料喷射系统为高压共轨，满足国Ⅲ排放标准要求，压裂车运行区域为川西某油田。车辆具体参数见表3，车辆使用油品编号见表4。

表3 压裂车发动机主要参数

表4 压裂车试验使用油品编号

2.2 试验取样

按照试验要求，运行前对发动机进行清洗，更换滤芯后装新油。将新油装入发动机，运行10～20 min后，取出约200 mL样品作为0 h油样。在车辆运行后，定期进行油样取样，每次采样200 mL，对油样进行分析检测，参考GB/T 7607-2010中的换油指标，判断油品的各项指标是否正常，压裂车运行是否继续，换油指标见表5。

表5 GB/T 7607-2010柴油机油推荐换油指标

3 试验结果与讨论

(1)运动黏度变化

柴油机油运动黏度的变化趋势是反映油品实际使用效能的重要理化指标之一，柴油机油在实际使用过程中的抗剪切能力、抗氧化等能力可通过运动黏度的变化程度来表征。压裂车试验过程中油品100 ℃运动黏度随发动机运行时间的变化趋势如图1所示。

图1 油品运动黏度随压裂车运行时间的变化

从图1可以看出1#～5#压裂车运行过程中，在0～500 h黏度有轻微的剪切下降，后期的黏度基本没有变化，说明油品的使用性能良好。搭载HBW-1油品的6#～8#车油品黏度变化与XS-A工程机械柴油机油的黏度也基本保持平稳。

(2)酸值变化

柴油机油的酸值增加源于油品在使用中高温氧化产生的中间产物及燃烧产生的部分酸性物质，这些物质存在表现为油品的酸值增大。油品总酸值的变化反映其氧化衰变的程度，油品的酸值逐渐增大，不仅会造成机械腐蚀，同时还会促进润滑油变质，生成油泥，增加机械磨损，通过酸值的变化程度可以判断油品在使用中的变质程度。压裂车试验过程中油品酸值随压裂车运行时间的变化趋势如图2所示。

图2 油品酸值随压裂车运行时间的变化

从图2可以看出1#～5#压裂车在1000 h的运行过程中，XS-A工程机械柴油机油的酸值增加不到一个单位，油品酸值变化不明显，说明油品具有很好的酸中和能力。搭载HBW-1号的6#～8#车油品的酸值变化与XS-A工程机械柴油机油的酸值变化情况类似。

(3)碱值变化

柴油机油的碱值来源于油品中的碱性添加剂，油品碱值的变化反映出油品中某些有效组分被消耗的情况，也反映油品清净能力衰变的程度。在使用中由于柴油机油中的碱性添加剂要中和氧化及燃烧而产出的酸性物质，从而使碱添加剂损耗，致使油品的碱值下降。压裂车试验过程中油品碱值随压裂车运行时间的变化趋势如图3所示。

图3 油品碱值随压裂车运行时间的变化

从图3可以看出1#～5#压裂车在运行过程中，XS-A工程机械柴油机油的碱值基本保持平稳，后期碱值略有上升，可能是在油品中混入了冷却液的原因。搭载HBW-1号的6#～8#车油品的酸值变化与XS-A工程机械柴油机油的碱值变化情况类似，后期可能是油品中混入了冷却液，导致油品的碱值略有增加。

(4)元素变化

通过对在用油品中元素含量的监测，可判断发动机的润滑状态，判断发动机的磨损情况，磨损元素的变化情况也可以直接反映发动机运行过程中各摩擦副的磨损情况，直观反映机油的抗磨性能。压裂车运行试验过程油品铜、铁、硅、钠含量的变化见图4～7所示。

图4 油品铜含量随压裂车运行时间的变化

图5 油品铁含量随压裂车运行时间的变化

图6 油品硅含量随压裂车运行时间的变化

图7 油品钠含量随压裂车运行时间的变化

从图4～7的元素含量变化可以看出，压裂车在1000 h的运行过程中，搭载工程机械柴油机油XS-A车辆的铜元素含量在0～500 h内略有增加，后期的运行中铜元素含量基本保持稳定；铁元素含量很小，说明没有发生明显的磨损；硅元素的含量变化缓和，说明油品没有大量沙尘混进油品；在后期钠含量增加，说明有冷却液混入油品中。搭载HBW-1号油品的车辆铜元素含量增加较为明显，其中8#车铜元素含量增加到30 μg/g，较其他车辆的含量高些，铁元素含量增加不明显，硅含量、钠含量变化与XS-A工程机械柴油机油的变化情况类似。

(5)氧化值、硝化值变化

氧化值、硝化值反映油品使用过程中生成氧化物和硝化物的含量。氧化物、硝化物会导致油品黏度增高、酸值增加、漆膜和油泥生成，造成滤网堵塞、颜色变深、磨损加剧、润滑性变差、机件生锈和腐蚀等。压裂车运行试验过程氧化值、硝化值变化趋势如图8、图9所示。

图8 油品氧化值随压裂车运行时间的变化

图9 油品硝化值随压裂车运行时间的变化

从图8、图9的氧化值、硝化值变化可以看出，随着试验运行时间的增加，氧化物和硝化物平稳变化，油品没有发生明显的氧化衰败，说明XS-A工程机械柴油机油性能优良，能够满足压裂车发动机的润滑需求。搭载HBW-1号的6#～8#车油品的氧化值、硝化值变化与XS-A工程机械柴油机油的情况类似。

4 结论

(1)压裂车在保障油气田的开采方面具有重要的意义，研制开发了一款性价比高的工程机械柴油机油XS-A，具有优异的抗氧化性能和较长的换油周期。

(2)研制的工程机械柴油机油XS-A在YLC1860-140型压裂车上运行了1000 h，油液检测结果表明油品的性能可靠，各项指标均在换油指标范围内，可满足压裂车的使用要求。通过本次应用研究发现，因为压裂车机油的加注量大，所以机油的理化指标变化比较缓和，但到后期明显发现有较多的冷却液混入，这与压裂车长时间的运行工况是有关系的，因此为了保护发动机，应该在适当的时候对机油进行更换。