Компрессорное масло

Компрессорное масло

Реферат

Изобретение относится к составу смазочных материалов, в частности компрессорного масла, применяемого в поршневых воздушных компрессорах, работающих в особо тяжелых условиях при температуре нагнетания выше 200°C, для создания и поддержания давления в судовых воздушных системах и может быть использовано в компрессорном оборудовании стратегических атомных подводных лодок Военно-морского флота.

Для обеспечения безопасной эксплуатации компрессоров, увеличения срока смены масла, сохранения в чистоте пневматической системы и облегчения ее очистки, а также для уменьшения трения и снижения расхода энергии на привод компрессорные масла должны обладать определенными эксплуатационными свойствами: повышенной термоокислительной стабильностью, низкой склонностью к нагарообразованию, не вызывать коррозию, не образовывать эмульсии и пены.

Смазочное масло в цилиндре компрессора располагается тонким слоем на поверхности цилиндра, поршня, штока, крышек цилиндра и клапанов, а также в виде тумана и паров в объеме сжимаемого газа. Большие поверхности контакта масла и воздуха, высокие давления и температуры способствуют окислению наименее стойких и испарению легколетучих компонентов масла.

Для смазки воздушных компрессоров должны применяться масла, способные противостоять окисляющему действию кислорода воздуха при высоких температурах и давлениях в цилиндре. Проводившиеся исследования причин взрыва компрессорных установок показали, что основной из них является образование нагара, отлагающегося на цилиндрах, нагнетательных трубопроводах и в ресивере.

Нагар наиболее интенсивно образуется на поверхностях клапанов и той части цилиндра, в которой масло соприкасается со сжатым и наиболее нагретым воздухом. Образование нагара на поверхности клапанов увеличивает их гидравлическое сопротивление. Слой нагара на поверхности цилиндра ухудшает охлаждение и увеличивает износ деталей и потери на преодоление трения. Отложение нагара на поверхности поршневых колец и поршневых канавках ухудшает герметичность поршня и может привести к залипанию поршневых колец.

Применение компрессоров при повышенной влажности сжимаемого воздуха приводит к еще большему ужесточению условий работы масла, так как наличие паров воды при высоких температурах и высоком парциальном давлении кислорода интенсифицирует процессы разложения масла и таким образом приводит к увеличению количества отложений в нагнетательной системе.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка состава компрессорного масла четвертой группы - для компрессоров, работающих в особо тяжелых условиях при температуре нагнетания выше 200°C.

При просмотре научно-технической литературы и источников патентной информации выявлены следующие технические решения, частично решающие поставленную задачу.

Известно изобретение, относящееся к составу компрессорного масла, предназначенного для использования в поршневых воздушных компрессорах, работающих в условиях высоких температур и перепада давления (Пат. RU №2294355, кл. C10M 171/02, C10M 133/12, 1998). Масло содержит, % мас.:

2,6-ди-трет-бутил-4-метил-фенол	0,2-0,6
беззольный диалкил- или диалкилфенилдитиофосфат	0,2-1,2
алкилированный фенилнафтиламин с алкильной группой С8-С9	0,2-0,5
базовое масло (синтетическое)	до 100

Масло может содержать при необходимости в своем составе 0,01-0,1% мас. кислого эфира алкенилянтарной кислоты и 0,001-0,005% мас. полиметилсилоксана. В качестве базового масла используются полиальфаолефины. Изобретение направлено на решение задачи повышения устойчивости компрессорного масла к воздействию воздушной среды в условиях высоких температур, давления и контакта с металлическими поверхностями и тем самым снижения склонности к образованию углеродистых отложений.

Несмотря на меньшую склонность указанного состава к образованию углеродистых отложений при сравнительных лабораторных испытаниях опытных образцов и товарных компрессорных масел, стендовые испытания в компрессоре высокого давления показали недостаточный уровень этих свойств и образование отложений в линиях нагнетания.

Известно масло, предназначенное для смазки компрессоров, компримирующих сероводород (Пат. RU №2058376, 1996), имеющее состав, % мас.:

2,6-ди-трет-бутилпаракрезол	0,2-1,0
кислый моногликолевый эфир алкенилянтарной кислоты	0,01-0,1
1-(ди-алкиламинометил)-бензотриазол	0,01-0,2
нефтяное масло (основа)	до 100.

Изобретение направлено на снижение коррозии и охрупчивания стальных деталей компрессоров.

Однако такое масло из-за указанных недостаточно высоких термоокислительных и антинагарных свойств не применимо для смазки поршневых воздушных компрессоров, работающих в «тяжелом» режиме.

Также известен состав масла (CN патент №101724489 (А)) для воздушного компрессора, включающего следующие компоненты: 1,5-5% мас. антиоксиданта, 0,03-0,5% мас. беззольного антикоррозионного агента, 0,01-0,5% мас. дезактиватора металла, 0,01-1,0% мас. беззольного противоизносного агента, 0,001-0,01% мас. противопенного агента и базовое масло, состоящее из смеси полиальфаолефинов и сложных эфиров в соотношении 7-9:3-1 или смеси гидроочищенного масла со сложным эфиром в соотношении 7-9:3-1 и антиоксиданта - смеси диалкиланилина, высокомолекулярного эфира тиофенола и 4,4-метилен-ди(2,6-ди-трет-бутилфенола) в соотношении 1:0.1-10:0.1-10;

Указанное выше масло характеризуется недостаточным уровнем термоокислительных и антинагарных свойств для компрессорных масел четвертой эксплуатационной группы, что повышает склонность к образованию отложений в линиях нагнетания и увеличивает потенциал пожаро- и взрывоопасности компрессора.

Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является компрессорное масло К4-20 (ТУ 38.101759-78), вырабатываемое из малосернистых нефтей методом селективной очистки и содержащее многофункциональную присадку ЦИАТИМ-339 в количестве 6,0% мас. и полиметилсилоксан - в количестве 0,005% мас.

Обладая высокими термоокислительными, антикоррозионными свойствами, низкой склонностью к нагарообразованию, масло обеспечивало надежную эксплуатацию и необходимый ресурс работы компрессоров высокого давления. Ввиду отсутствия производства базовой основы и присадки ЦИАТИМ-339 производство масла прекращено.

Технический результат изобретения - улучшение уровня термоокислительной стабильности, антинагарных и противоизносных свойств компрессорного масла и, как следствие, повышение надежности работы поршневых компрессоров высокого давления.

Указанный технический результат достигается тем, что компрессорное масло, содержащее базовое нефтяное масло и полиметилсилоксан, дополнительно содержит 4-4'-динонилдифениламин, пентаэритритовый эфир 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенилпропионовой кислоты, 1,2,3-бензотриазол, сложный эфир диалкилдитиофосфорной кислоты и смесь алифатических и ароматических аминов, а в качестве базового масла оно содержит гидрированный остаточный компонент с содержанием ароматических углеводородов 19,0-22,0% при следующем соотношении компонентов, % мас.:

4-4'-динонилдифениламин	0,90-1,00
пентаэритритовый эфир 3,5-ди-трет-бутил-4-	0,55-0,65
гидроксифенилпропионовой кислоты
1,2,3-бензотриазол	0,045-0,055
сложный эфир диалкилдитиофосфорной кислоты	0,055-0,065
смесь алифатических и ароматических аминов	0,055-0,065
полиметилсилоксан	0,004-0,005
базовое масло - гидрированный остаточный компонент
с содержанием ароматических углеводородов 19,0-22,0%	до 100

В качестве базового масла используется гидрированный остаточный компонент с содержанием ароматических углеводородов 19,0-22,0% (ТУ 0253-062-00151911-2012), полученный на установке гидрирования проточного типа с использованием системы катализаторов.

Предлагаемое компрессорное масло готовят путем смешения компонентов в определенной последовательности при температурах 60-130°C.

Качественный состав компрессорного масла указан в таблице 1.

Таблица 1
Компоненты, используемые в составе компрессорного масла, и их функциональное назначение
Наименование компонентов (товарная марка)	Функциональное назначение	Нормативный документ
4-4'динонилдифениламин (ДАТ)	антиокислительная присадка	ТУ 38.1011215-89 изм. 1-3
пентаэритритовый эфир 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенилпропионовой кислоты (Агидол-110)	антиокислительная присадка	ТУ 2492-447-05742686-2006
1,2,3-бензотриазол	дезактиватор металлов	ТУ 6-09-1291-87 с изм. 1-5
сложный эфир диалкилдитиофосфорной кислоты (КВД-353)	противоизносная присадка	СТО 00151911-010-2011
смесь алифатических и ароматических аминов (КВД-5404)	антифрикционная присадка	СТО 00151911-011-2011
полиметилсилоксан (ПМС-200А)	антипенная присадка	ОСТ 6-02-20-79 с изм. 1-4
гидрированный остаточный компонент с содержанием ароматических углеводородов 19-22%	основа масла	ТУ 0253-062-00151911-2012

Для обоснования количественного состава были приготовлены образцы компрессорного масла (таблица 2).

Образцы масел №1-8 приготовлены на основе, представляющей собой гидрированный остаточный компонент с содержанием ароматических углеводородов 19,0-22,0% мас.

Основа товарного (штатного) масла К4-20 по ТУ 38.101759-78 (прототипа) представляет собой нефтяное масло МС-20, вырабатываемое из грозненских малосернистых нефтей методом селективной очистки с содержанием ароматических углеводородов 20,0-22,0% мас.

Были исследованы физико-химические и эксплуатационные характеристики известного и предлагаемого образцов компрессорных масел. Результаты исследований представлены в таблице 3.

Термоокислительная стабильность образцов масел оценивалась методом Папок при 250°C (ГОСТ 23175) и по исследовательской методике, разработанной в ОАО «СвНИИНП».

Сущность метода (ГОСТ 23175) заключается в нагревании тонкого слоя масла на металлической поверхности, испарении легколетучих веществ, содержащихся в масле и образующихся при его разложении, с последующим разделением остатка на рабочую фракцию и лак, и определении времени, в течение которого испытуемое масло при 250°C превращается в остаток, состоящий из 50% рабочей фракции и 50% лака.

Окисление образцов масел на лабораторной исследовательской установке ОАО «СвНИИНП» осуществлялось в металлической емкости при непрерывном перемешивании в течение 20 часов при температуре 200°C в объеме масла кислородом воздуха. За критерии оценки были приняты показатели прироста вязкости (Δν₄₀, Δν₁₀₀, %) после окисления и показатель износа окисленного масла (Ди).

Устойчивость масла к окислению при тонкопленочных окислительных условиях исследовали с применением дифференциальной сканирующей калориметрии под давлением (ДСК ВД), на приборе DSC 204 HP Phoenix фирмы NETZSCH (Германия) по ASTM D6186-08. В ходе испытания измерялся тепловой эффект реакции, который является прямым проявлением физико-химических процессов, которые происходят в испытуемом образце масла при заданных условиях эксперимента. Стабильность против окисления оценивалась по величине (времени) индукционного периода (ИПО). Испытания проводили при температуре 180°C в атмосфере кислорода (расход газа 50 мл/мин) при давлении 35 атм. в медном тигле.

Оценка термоокислительной стабильности по методу Папок показала, что достаточно высокой стабильностью к окислению обладают товарное (штатное) масло К4-20 по ТУ 38.101759-78 (прототип) и образцы масла №2, 3, 4, 5.

Оценка термоокислительной стабильности на приборе ДСК ВД показала, что наибольший индукционный период окисления (ИПО) имеют образцы масла №2, 3, 4, 5. Увеличение концентрации присадок выше заявляемого предела (образец №5) существенно не приводит к улучшению эксплуатационных свойств предлагаемого компрессорного масла, но увеличивает его стоимость.

В результате испытаний на исследовательской лабораторной установке установлено, что более стабильным к окислению при высокой температуре из всех испытанных образцов является образец №3.

По совокупности полученных результатов лабораторных испытаний наилучшей термоокислительной стабильностью обладает образец №3, что подтверждено результатами стендовых испытаний, проведенных в ОАО «Компрессор» на электрокомпрессоре ЭК30А-1.

Согласно Программам испытания масла были проведены в объеме 270 часов в 3 этапа: 20-часовые предварительные, 200-часовые на «холодном» режиме и 50-часовые на «горячем» режиме.

В процессе испытаний осуществлялся осмотр наиболее ответственных деталей на предмет наличия нагара (нагнетательных клапанов, деталей цилиндропоршневой группы, буферных емкостей, трубопроводов) и микрометрирование деталей группы движения (втулок и поршней цилиндров) для оценки их износа.

По результатам осмотра деталей и клапанов в процессе испытаний и в целом технического состояния электрокомпрессора ЭК30А-1 после 270 часов стендовых испытаний образца №3 предлагаемого масла установлено, что размеры деталей группы движения и нагарообразование по существующим требованиям эксплуатации компрессоров такого типа - в пределах допустимого. Масло (образец №3), показало отсутствие тенденции роста нагарообразования на клапанах, трубопроводах, цилиндрах при наличии величины износа сопряженных деталей, находящегося в допустимых пределах.

Результаты испытаний образца №3 и товарного (штатного) масла К4-20 по ТУ 38.101759-78 (прототипа) в компрессоре ЭК30А-1 приведены в таблице 4.

Таблица 4
Наименование	Прототип	Образец №3
Стендовые испытания в компрессоре ЭК30А-1:
- объем испытаний, час	270	270
- нагарообразование	В пределах допустимого	В пределах допустимого
- износ деталей	В пределах допустимого	В пределах допустимого

В результате проведенных исследований и испытаний установлена совокупность взаимодействия при высоких температурах и продолжительных нагрузках базового масла - гидрированного остаточного компонента оптимального углеводородного состава с предложенной композицией присадок в части повышения термоокислительной стабильности, снижения нагарообразования и улучшения противоизносных свойств компрессорного масла, тем самым обеспечения его надежности в процессе эксплуатации.

Приведенные в таблице 3 данные подтверждают, что предлагаемое компрессорное масло (примеры 2-4) превосходит известное масло по термоокислительной стабильности и противоизносным свойствам.

Таблица 2
Составы известного и предлагаемого образцов компрессорного масла
Наименование	Масло К4-20 ТУ 38.101759-78 (прототип)	Примеры предлагаемого компрессорного масла
1	2	3	4	5	6	7	8
Нефтяная основа	до 1001	до 1002	до 1002	до 1002	до 1002	до 1002	до 1002	до 1002	до 1002
Дисульфидалкилфенолят бария (ЦИАТИМ-339)	6,0	-	-	-	-	-	-	-	-
4-4'-динонилдифениламин (ДАТ)	-	0,8	0,9	0,95	1,0	1,1	0,95	0,95	-
Пентаэритритовый эфир 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенилпропионовой кислоты (Агидол-110)	-	0,5	0,55	0,60	0,65	0,70	0,60	0,60	0,60
Азимидобензол (1,2,3-бензотриазол)	-	0,040	0,045	0,050	0,055	0,060	0,050	-	0,050
Сложный эфир диалкилдитиофосфорной кислоты (КВД-353)	-	0,050	0,055	0,060	0,065	0,070	0,060	0,060	0,060
Смесь алифатических и ароматических аминов (КВД-5404)	-	0,050	0,055	0,060	0,065	0,070	-	0,060	0,060
Полиметилсилоксан (ПМС-200А)	0,005	0,0040	0,0040	0,0045	0,0050	0,0050	0,0045	0,0045	0,0045
1 нефтяное масло МС-20, вырабатываемое из грозненских малосернистых нефтей методом селективной очистки с содержанием ароматических углеводородов 20,0-22,0% мас.
2 гидрированный остаточный компонент с содержанием ароматических углеводородов 19,0-22,0% мас.

Таблица 3
Результаты исследований физико-химических и эксплуатационных показателей известного и предлагаемого образцов масел
Наименование показателей	Прототип	Примеры предлагаемого компрессорного масла
1	2	3	4	5	6	7	8
Вязкость кинематическая при 100°C, мм2/с	20,70	20,25	20,30	20,72	20,80	20,82	20,72	20,72	20,80
Температура застывания, °C	Минус 21	Минус 18	Минус 18	Минус 18	Минус 18	Минус 18	Минус 18	Минус 18	Минус 18
Температура вспышки, определяемая в открытом тигле, °C	265	275	274	274	272	271	273	273	271
Зольность, %	0,55	0,002	0,002	0,002	0,003	0,003	0,003	0,003	0,002
Термоокислительная стабильность по методу Папок при 250°C, мин	110	100	105	110	110	110	105	110	65
Термоокислительная стабильность при 200°C, 20 ч.
- изменение кинематической вязкости при 100°C, %	12,6	13,5	9,2	7,0	8,2	9,5	8,5	10	12
- диаметр пятна износа после окисления (Ди), мм	0,35	0,35	0,33	0,31	0,33	0,33	0,35	0,33	0,34
Термоокислительная стабильность на приборе ДСК ВД, индукционный период окисления, ИПО, мин	8,0	8,0	14,8	15,0	16,0	16,2	13	13	11

Компрессорное масло, содержащее базовое нефтяное масло и полиметилсилоксан, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит 4,4'-динонилдифениламин, пентаэритритовый эфир 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенилпропионовой кислоты, 1,2,3-бензотриазол, сложный эфир диалкилдитиофосфорной кислоты и смесь сложных аминов, а в качестве базового масла оно содержит гидрированный остаточный компонент с содержанием ароматических углеводородов 19,0-22,0% при следующем соотношении компонентов, % мас.:

4,4'-динонилдифениламин	0,95-1,0
пентаэритритовый эфир 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенил
пропионовой кислоты	0,55-0,65
1,2,3-бензотриазол	0,045-0,055
сложный эфир диалкилдитиофосфорной кислоты	0,055-0,065
смесь алифатических и ароматических аминов	0,055-0,065
полиметилсилоксан	0,004-0,005
базовое масло - гидрированный остаточный компонент	до 100