合成類航空潤滑油熱氧化安定性對比試驗(yàn)方法探究

阮少軍，費(fèi)逸偉，吳楠，彭顯才，劉鴻銘

(空軍勤務(wù)學(xué)院航空油料物資系，江蘇 徐州 221000)

0 引言

未來軍用飛機(jī)的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在超音速巡航和低油耗兩個(gè)方面，要具備超音速巡航的能力，發(fā)動(dòng)機(jī)就必須具有足夠的推力，而在低油耗的前提條件下增加發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，提高渦輪前的燃?xì)鉁囟群驮鰤罕染统蔀榱酥匾膶?shí)現(xiàn)手段[1]?？上攵S著渦輪溫度的提高以及空氣量的降低，顯然會(huì)造成潤滑油的局部結(jié)焦和嚴(yán)重的熱氧化降解，所以未來的軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)必須要求潤滑油具有非常優(yōu)異的熱氧化安定性能，由此對潤滑油的熱氧化安定性能進(jìn)行評(píng)價(jià)就顯得十分重要。

但現(xiàn)行的評(píng)價(jià)方法在試驗(yàn)溫度以及油品用量方面存在一些問題，不能滿足研究高溫條件下航空潤滑油氧化安定性的需要。因?yàn)榻^大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)溫度較低，普遍在200 ℃以下，且試驗(yàn)中油品用量較少，普遍在150 mL以下，少數(shù)特例標(biāo)準(zhǔn)方法也是在試驗(yàn)溫度和試驗(yàn)用油量上均不能兼得，而研究航空潤滑油之所以強(qiáng)調(diào)試驗(yàn)溫度要高，主要是因?yàn)樵趯?shí)際的工況條件下，油品的局部接觸溫度高達(dá)300 ℃左右，所以在模擬試驗(yàn)時(shí)需要盡可能地提高試驗(yàn)溫度，而另一方面又需要足夠的試驗(yàn)油品用量，這樣便于試驗(yàn)結(jié)束后，后續(xù)的油品檢測評(píng)價(jià)有充足的試驗(yàn)原料。因此本文以標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)SH/T 0560[2]潤滑油熱安定性試驗(yàn)法與SH/T 0450[3]合成油氧化腐蝕測定法為參考依據(jù)，提出了一種可行性較強(qiáng)的試驗(yàn)思路：即通過對合成烴及酯類合成航空潤滑油進(jìn)行試驗(yàn)處理，先定性測定出允許試驗(yàn)條件范圍，分析此試驗(yàn)條件范圍值后，選擇合適的試驗(yàn)條件，測算試驗(yàn)結(jié)束后油品的40 ℃黏度變化、酸值變化、沉積物含量和金屬試片的重量變化，從而定量地對兩種油品的熱氧化安定性進(jìn)行科學(xué)地評(píng)價(jià)。此試驗(yàn)思路為合成類航空潤滑油熱氧化安定性的對比試驗(yàn)研究提供了一種新的試驗(yàn)方法，以下就此方法的詳細(xì)過程做以具體闡述。

1 本文引用的標(biāo)準(zhǔn)

SH/T 0450[3]合成油氧化腐蝕測定法；

GB/T 265[4]石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度測定法和動(dòng)力黏度計(jì)算法；

GB/T 7304[5]石油產(chǎn)品和潤滑劑中和值測定法(電位滴定法)；

SH/T 0560[2]潤滑油熱安定性試驗(yàn)法；

SH/T 0005[6]油漆工業(yè)用油溶劑。

2 試驗(yàn)所需的試劑與材料

(1)SH/T 0560 潤滑油熱安定性試驗(yàn)法：溶劑油應(yīng)該符合SH 0005的要求、蒸餾水需是二次蒸餾水或離子交換水。

(2)SH/T 0450 合成油氧化腐蝕測定法：苯、無水乙醇、石油醚(沸程60～90 ℃)、金屬片(銅片、鋼片、鋁片、鎂片、鉛片；規(guī)格均為20 mm×10 mm ×2 mm)、毛刷、鑷子、砂紙或紗布、脫脂棉。

(3)合成類航空潤滑試驗(yàn)油：A—合成烴類油品、B—酯類油(為了便于研究，以英文字母來代指對應(yīng)油品)

3 試驗(yàn)所需的儀器與設(shè)備

(1)SH/T 0560 潤滑油熱安定性試驗(yàn)法中：潤滑油熱安定性試驗(yàn)箱、轉(zhuǎn)盤、溫度計(jì)、試驗(yàn)杯、天平、干燥器、日光臺(tái)燈。

(2)SH/T 0450 合成油氧化腐蝕測定法中：氧化管、通氣管、恒溫浴、空氣流量計(jì)、金屬片懸掛鉤、溫度計(jì)(0～250 ℃)、卡尺、平面挫或鋼絲刷。

4 試驗(yàn)方法概要

(1)用SH/T 0560潤滑油熱安定性試驗(yàn)法，嘗試設(shè)定不同的試驗(yàn)溫度(℃)和不同的試驗(yàn)時(shí)間(h)，對需要測定的合成類航空潤滑油(A、B)進(jìn)行氧化，通過目測已經(jīng)冷卻的油品及試驗(yàn)杯底部有無沉淀情況，來定性判定不同試驗(yàn)條件下各類油品的熱安定情況：即可以分別假定若干個(gè)確定的時(shí)間h或溫度T值，然后通過觀察試驗(yàn)杯底部從無沉淀—出現(xiàn)沉淀—沉淀增多—沉淀多至油品失效的情況，進(jìn)而大概得出另一組試驗(yàn)溫度區(qū)間T或試驗(yàn)時(shí)間區(qū)間h，即溫度T{T1；T2…Tn}、時(shí)間h{h1；h2…h(huán)n}。

(2)利用定性方法中得出大致的溫度T{T1；T2…Tn}和時(shí)間h{h1；h2…h(huán)n}區(qū)間值，作為定量方法SH/T 0450 合成油氧化腐蝕測定法的試驗(yàn)條件參考范圍，最后用試驗(yàn)后油品40 ℃的黏度變化、酸值變化、沉積物含量和金屬試片的重量變化，來定量對比評(píng)定不同試驗(yàn)油品的氧化安定性。

5 試驗(yàn)方法分析

先假定一組試驗(yàn)時(shí)間h1、h2、h3、h4、h5、h6，利用SH/T 0560潤滑油熱安定性試驗(yàn)法，然后根據(jù)沉淀的出現(xiàn)情況來測定不同試驗(yàn)時(shí)間條件下，試驗(yàn)油品溫度的大致分布情況，具體詳見表1。需要注意的是，無沉淀及沉淀增多過程中對應(yīng)的試驗(yàn)溫度數(shù)值理論上存在無數(shù)個(gè)，這里為了說明問題，僅僅各選取無沉淀和沉淀增多情況下有限的三個(gè)溫度數(shù)值點(diǎn)來進(jìn)行情況說明。

表1 不同試驗(yàn)時(shí)間下油品的試驗(yàn)溫度

然后根據(jù)表1中測定T11至T66的溫度值可大致確定出試驗(yàn)油品的氧化反應(yīng)溫度區(qū)間。在此基礎(chǔ)上對這些溫度數(shù)值進(jìn)行區(qū)間的劃分，假定可將其劃分為T1、T2、T3、T4、T5、T6，再次利用SH/T 0560 潤滑油熱安定性試驗(yàn)法，根據(jù)沉淀的出現(xiàn)情況來測定不同試驗(yàn)溫度條件下，試驗(yàn)油品時(shí)間的大致分布情況，具體詳見表2。同樣，需要注意的是，無沉淀及沉淀增多過程中對應(yīng)的試驗(yàn)時(shí)間數(shù)值理論上也存在無數(shù)個(gè)。在此，也只各選擇無沉淀和沉淀增多情況下有限的三個(gè)時(shí)間數(shù)值點(diǎn)來說明情況。

表2 不同試驗(yàn)溫度下油品的試驗(yàn)時(shí)間

整理分析表1和表2中測試潤滑油品大致的試驗(yàn)溫度和試驗(yàn)時(shí)間數(shù)據(jù)值，可以作為定量方法SH/T 0450 合成油氧化腐蝕測定法試驗(yàn)條件的參考范圍。

在空氣、溫度以及金屬催化的條件下，潤滑油會(huì)發(fā)生氧化降解，從而生成酸性物質(zhì)和高分子的聚合物，其結(jié)果會(huì)造成潤滑油的顏色加深、酸值和黏度增大、沉淀物增多、腐蝕性變強(qiáng)。所以氧化安定性試驗(yàn)中，常把潤滑油氧化降解的性能指標(biāo)變化規(guī)定為：黏度變化(40 ℃)不得大于25%，酸值增加不大于4 mgKOH/g。所以根據(jù)此判斷條件可以作為定量考察潤滑油氧化變質(zhì)情況的判據(jù)。

結(jié)合判定依據(jù)以及利用SH/T 0560 潤滑油熱安定性試驗(yàn)法大致確定的試驗(yàn)溫度、時(shí)間范圍區(qū)間，先在大致確定的試驗(yàn)時(shí)間范圍區(qū)間內(nèi)選擇若干個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)hx作為統(tǒng)一試驗(yàn)的基本條件，然后再利用SH/T 0450的方法，在試驗(yàn)溫度區(qū)間的范圍內(nèi)對潤滑油品進(jìn)行測定，具體的測定結(jié)果指標(biāo)見表3，表中分別測算了兩種合成類航空潤滑油品的酸值變化、黏度變化、沉積物含量及金屬片重量變化，為了更為方便地分析數(shù)據(jù)，可以采用折線圖的形式來更為直觀地看出2種潤滑油品熱氧化安定性能的優(yōu)劣。

表3 A和B潤滑油試驗(yàn)時(shí)間為hx時(shí)的測定指標(biāo)與溫度的關(guān)系

同理，再在大致確定的試驗(yàn)溫度范圍區(qū)間內(nèi)選擇若干個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)Tx作為統(tǒng)一的試驗(yàn)基本條件，然后在大致確定的試驗(yàn)時(shí)間區(qū)間范圍內(nèi)對潤滑油進(jìn)行測定，具體的結(jié)果指標(biāo)見表4。

表4 A和B潤滑油試驗(yàn)溫度為Tx時(shí)的測定指標(biāo)與時(shí)間的關(guān)系

表4(續(xù))

最后，根據(jù)表3及表4中得到的數(shù)據(jù)，匯總分析后就可以對合成烴類油品A和酯類油B的氧化安定性進(jìn)行評(píng)估，詳見表5，利用已經(jīng)測算出較低試驗(yàn)溫度Tx和較高試驗(yàn)溫度Ty下的各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)，即可完成對A與B類油品的氧化安定性進(jìn)行對比評(píng)估。

表5 合成烴類油品A和酯類油B的氧化安定性

6 測定結(jié)果精密度

為了保證試驗(yàn)的精確性，在整個(gè)試驗(yàn)操作過程中應(yīng)該滿足兩個(gè)條件：其一是重復(fù)性，即同一操作者重復(fù)測定兩個(gè)結(jié)果之差，不應(yīng)超過表6數(shù)值；其二是再現(xiàn)性，即兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室提供測定結(jié)果之差，不應(yīng)超過表6數(shù)值。

表6 試驗(yàn)的精密度測定范圍

7 試驗(yàn)方法應(yīng)用實(shí)例

所用的油品：A-928合成烴類基礎(chǔ)油PAO、B-928酯類基礎(chǔ)油DIOA(空軍油料研究所提供)。

利用SH/T 0560 潤滑油熱安定性試驗(yàn)法，嘗試設(shè)定不同的試驗(yàn)溫度(℃)和不同的試驗(yàn)時(shí)間(h)，對需要測定的合成類航空潤滑油(928、50-1-4)進(jìn)行氧化，通過目測已經(jīng)冷卻的油品及試驗(yàn)杯底部有無沉淀情況，定性判定出不同試驗(yàn)條件下兩種油品的熱氧化安定情況，得出了一組試驗(yàn)溫度區(qū)間T{180 ℃、200 ℃、230 ℃、260 ℃、300 ℃}；時(shí)間區(qū)間{2 h、10 h、20 h、50 h、100 h}。

為了簡要說明方法實(shí)用性情況，這里僅以2 h下試樣油品溫度為{180 ℃、200 ℃、230 ℃、260 ℃、300 ℃}；200 ℃下試樣油品的時(shí)間區(qū)間為{2 h、10 h、20 h、50 h、100 h}的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做以說明，見表7、表8。

表7 928潤滑油試驗(yàn)時(shí)間為2h時(shí)的測定指標(biāo)與溫度的關(guān)系

表7(續(xù))

表8 潤滑油試驗(yàn)溫度為200℃時(shí)的測定指標(biāo)與時(shí)間的關(guān)系

從上述表中的數(shù)據(jù)，選取180 ℃/2 h，以及200 ℃/20 h的試驗(yàn)條件做對比分析，見表9。

表9 928航空潤滑油PAO和DIOA的氧化安定性

從表9中能夠看出，就酸值變化情況而言，DIOA基礎(chǔ)油比PAO基礎(chǔ)油的明顯；但是從黏度變化、沉淀物含量以及金屬片重量的變化情況來看，DIOA基礎(chǔ)油要比PAO基礎(chǔ)油的影響小，總的分析，928航空潤滑油中DIOA基礎(chǔ)油與PAO基礎(chǔ)油相比，其氧化安定性能較好。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐敏.航空渦輪潤滑油應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,1997:146-190.

[2] SH/T 0560 潤滑油熱安定性試驗(yàn)法[S].

[3] SH/T 0450 合成油氧化腐蝕測定法[S].

[4] GB/T 265 石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度測定法和動(dòng)力黏度計(jì)算法[S].

[5] GB/T 7304 石油產(chǎn)品和潤滑劑中和值測定法(電位滴定法)[S].

[6] SH/T 0005 油漆工業(yè)用油溶劑[S].