合成油在壓縮機中的應用

     通常壓縮機采用石蠟基、環烷基礦物油作潤滑劑。近年來壓縮機在材料和設計方面得到很大發展，對潤滑材料提供了日益苛刻的要求。由于礦物油與烴氣接觸時 互溶造成粘度損失；化工原料氣將礦物油攜帶入加工過程中引起催化劑中毒；礦物 油在壓縮機內易形成積炭等， 礦物油已不能適應條件更苛刻的壓縮機應用。合成潤 滑油的性能明顯優于礦物油，如高粘度指數、低傾點、防止烴稀釋、低揮發性、好 的熱安定性、水解安定性、抗乳化性、化學穩定性及與橡膠和金屬的相容性。合成 潤滑油的選擇范圍寬，所以必須考察各種不同的合成油的特點，為改進的壓縮機正 確選擇合適的潤滑劑。　
        1 壓縮機的類型及其潤滑要求
　　壓縮機按壓縮氣體方式的不同，分為容積式和速度式兩大類。容積式壓縮機是 依賴氣缸內作往復運動的活塞或作旋轉運動的轉子來改變氣體容積，從而壓縮氣體 ，提高壓力。速度式壓縮機則是借助于高速旋轉葉輪的作用，使氣體得到很高的速 度，然后又在擴壓器中急劇降速，使氣體的動能變為位能，即壓力能。兩種壓縮機 按其結構和壓縮氣體方式的不同，可分為以下幾種型式：
　　壓縮機棗容積式棗往復式棗活塞式 膜片式 回轉式棗葉片式 螺桿式 液環式 轉子式 速度式棗離心式 軸流式，此外，按壓縮介質和用途不同，壓縮機又可分為動力用壓縮機和工藝用壓縮機兩種 。前者壓縮介質為空氣，主要用于驅動氣動機械、工具和物料輸送；后者壓縮介質 為所有氣體，用于工藝流程中氣體的壓縮和輸送。
　　目前廣泛應用的各種氣體壓縮機有離心式、活塞式、葉片式、螺桿式等幾種， 由于潤滑條件相對苛刻，需要使用合成油，一些以特殊氣體為介質的壓縮機也需要 使用具有特殊性能的合成油。
　　2  合成油的類型及其性能
　　酯類油(雙酯和多元醇酯)、聚?烯烴(PAO)、聚烷撐二醇(PAG)和氟化硅油能滿 足大多數氣體壓縮機的應用要求，是目前氣體壓縮機使用最廣泛的合成潤滑劑。新 近發現加氫裂解飽和烴是壓縮機可接受的潤滑劑。合成油具有獨特的物理性能，在溫 度極限、粘溫特性和揮發性方面明顯優于礦物油。
        2.1 溫度極限
　　合成油解決的許多潤滑問題與溫度有關。為了防止水和其他致冷劑在壓縮機系 統中冷凝，所以壓縮機的工作溫度較高，超過一般潤滑劑的耐熱能力。使用礦物油 ，由于蠟的膠凝作用和差的粘溫特性，在野外或無加熱條件環境中壓縮機起動困難 ，選擇合成油可避免這些問題。圖1說明了合成油能提供的寬溫使用范圍。 #07:圖1 礦物油和合成油的溫度極限比較 
        2.2 粘溫特性
　　比較了合成油與礦物油的粘溫特性，說明合成油在極限溫度能提供有效的潤 滑。合成油的粘度指數較高，在高溫運轉條  粘溫曲線比較 件下提供較高的粘度，在低溫下壓縮機容易起動。運轉過程中粘度較高的合成油為 螺桿式壓縮機提供高的容積效率。
        2.3 揮發性
　　合成油的揮發性低，該特性減少油的補償，防止雜質被帶入下一步驟中。合成 油的蒸汽壓比礦物油的小。 
        3  合成油在壓縮機中的應用
　　壓縮機的壓縮介質有空氣、烴類氣體、化學加工氣體、惰性氣體和工業氣 體及致冷劑氣體。現按不同壓縮介質分別介紹氣體壓縮機用的合成油。
        3.1 合成油在空氣壓縮機中的應用 
        3.1.1 離心式空氣壓縮機
　　合成和加氫裂解飽和烴用于離心式空氣壓縮機的密封件、齒輪和軸承的潤滑。 此類壓縮機使用合成油的主要目的是節能。某些工業氣體生產廠中使用大功率(高達 5.88MW)離心式空氣壓縮機，總動力消耗達4.38萬美元/月。
　　PAO具有長的水解安定性和優良的水分離性，使用PAO，一年的節能費用可以抵 償9個月因使用合成油增加的費用，此外能延長換油周期，延長油過濾器的使用壽命 和檢修間隔，減少停工時間。
　　炸藥廠基于安全因素選擇合成油。特殊配制的PAO化學穩定性好，可阻止硝化， 使壓縮機使用安全。 
        3.1.2 回轉葉片式空氣壓縮機
　　ISO 68粘度級多元醇酯可用于高溫回轉葉片式空氣壓縮機。這類壓縮機在低壓 、315.6℃下連續操作。潤滑油的工作溫度為148.9℃。
        3.1.3 螺桿式空氣壓縮機
　　工作條件為0.689MPa、82℃的螺桿空氣壓縮機使用PAO優于雙酯，因為PAO長期 水解安定性較好，并且與壓縮機中的橡膠和塑料材料相容，與空氣壓縮系統配伍。
　　是注油式螺桿壓縮機用的各種潤滑油的加速壽命試驗結果。試驗使用25HP螺 桿壓縮機，在104.4~110℃下操作(通常為71~82℃)。 圖3 螺桿壓縮機潤滑油加速壽命試驗
　    高粘度指數(HVI)潤滑油的加速壽命和雙酯相等(1800 h)，大大超 過兩種溶劑精制的礦物油。HVI潤滑油在正常操作下(單級螺桿空氣壓縮機，0.689M Pa，71~82℃，相對清潔的空氣)的工作壽命長得多。
　　用食品級PAO基礎油配制與食品接觸的符合美國食品和藥品管理(FDA)法規21 C FR178.3570的空氣壓縮機潤滑油。原來的食品級螺桿空氣壓縮機潤滑油的壽命為40 00 h。加入符合FDA添加劑后，食品級PAO在壓縮機中的潤滑壽命高達8000 h。
　　對工作溫度高于93℃，連續重負荷的多級高壓螺桿空氣壓縮機來說，使用多元 醇酯比PAO好，工作壽命可延長1倍。
　　二甲基硅油具有優良的粘度指數(VI=400)、熱氧化安定性和水解安定性，但金 屬對金屬潤滑性差，已開發出改進潤滑性的添加劑。改進的二甲基硅油已于20世紀 70年代引入市場，在壓縮機的使用時間已超過40000 h，使用結果令人滿意。最大問 題是潤滑油更換費用高，關鍵是氣油分離器的設計和保養費用高。
3.1.4 往復式空氣壓縮機
　　在空氣壓縮機中使用合成油的主要原因之一是清潔，即減少油泥、沉淀和積炭 。有機酯作曲軸箱潤滑劑能提高清潔度，傳熱良好，減少摩擦和運動部件的阻力， 從而減少維修和停工時間，減少動力耗費7.2%。曲軸箱使用合成油，節省動力3%， 動力費以0.04美元/1500小時計算，節省的費用可抵銷至少6個月因改用合成油而增 加的額外費用。
　　對于大型往復式空氣壓縮機的單程氣缸潤滑，常見的問題是在氣缸和排氣閥中 形成殘炭和油泥，引起頻繁的維修和停車。另外殘炭、銹蝕、潤滑劑過量和高壓作 用使壓縮系統在低于149℃的情況下自動起火，甚至引起爆炸。使用多元醇酯可以解 決這些問題。換用合成油后，節省的費用可抵銷1.6年因改用合成油增加的額外費用 。多元醇酯的性能見表1。
項目 數值 粘度100℃ 11.3 粘度37.8℃ 76.7 閃點 285 自動點溫度℃ 462.8 蒸發損失,%(22h,148.9℃) 0.4 氧化穩定性(42h,218.3℃*5L/h) 酸值增加,% 1.71 37.8℃粘度增加,% 13.5 四球試驗(54℃,600r/min,1h,392N) 磨斑直徑 mm 0.37 3.2 合成潤滑油在氣體壓縮機中的應用
　　3.2.1 化學加工氣體壓縮機
　　合成油成功地解決了化學加工氣體壓縮機潤滑問題。化學加工氣體與一般礦物 油可能發生反應。由于礦物油有抑制催化劑的傾向，許多化工廠禁止使用此類潤滑 油。典型的化學加工氣體包括氯代甲烷、二氧化硫、氯化氫、氨，混雜的加工氣體 如CO↓2、氯硅氧烷、氯化烴、含微量礦酸的氣體等。當易反應的氣體被壓縮時，壓 縮機設備和潤滑油受到化學腐蝕，且隨溫度、壓力升高而加劇。合適的潤滑油有PA O、硅油和加氫裂解飽和烴。
　　PAO和加氫裂解飽和烴有優良的抗化學腐蝕性。選擇合適的基礎油可以解決酸和 其他易反應化合物相遇的壓縮機潤滑問題，但純氧壓縮機只能使用全氟烴油和氯化 烴油。
　　加氫裂解飽和烴是比較新型的潤滑油。原油餾分在300℃和20 785 kPa條件下接 受加氫處理，硫、氮和氧化合物完全分解，芳香化合物轉變為飽和環烷烴。再進行 兩次真空蒸餾，除去揮發物和其他雜質。脫蠟和第二次氫處理去掉殘留雜質。基礎 油是穩定的異構烷烴和環烷烴的混合物，其潤滑性與PAO相似。與其他合成油混合能 進一步改善油的潤滑性能。
　　氟化硅油是部分氟化的聚硅氧烷，除了純氧和某些強氧化劑，幾乎對所有的化 合物具有完全的惰性，用于處理氯代甲烷、氯和HCl的壓縮機。但氟化硅油因價格昂 貴(超過800美元/加侖)而限制了它們的使用。
　　烷基甲基硅油在使用中形成韌性厚膜，具有天然的潤滑性。該油在金屬部件表 面提供長期的保護性油膜，在HCl、CO2和含少量硫酸的氯代甲烷應用中提供有效 潤滑。
　　3.2.2 惰性氣體和工業氣體壓縮機
　　惰性氣體和工業氣體壓縮機應用中氣體純度很重要，并且要考慮潤滑劑可能產 生抑制催化劑的活性作用。只有質量最好的基礎油才能潤滑N2、He、CO2等惰性 氣體和H2等工業氣體壓縮機。
　　PAO、加氫裂解飽和烴和PAG與上述氣體不互溶，在回轉式壓縮機中提供更好的 容積效率，為工業氣體壓縮機提供滿意的使用。
　　3.2.3 烴類氣體壓縮機
　　除上述烴類致冷劑外，烴氣體還包括天然氣、油井氣、垃圾氣。
　　在輕烴氣體壓縮機中，由于稀釋度低，也可以使用礦物油作潤滑劑。但合成潤 滑劑在這些應用中具有可靠性，其獨特的粘度特性和與烴的相容性使用系統工作效 率提高。許多重烴氣體壓縮機必須使用合成油。
　　烴與大多數潤滑油完全可溶，溶解度取決于壓縮機的工作壓力和溫度。圖4示出 了 圖4 不同溫度下烴氣與油的關系
　　在不同溫度和壓力下丙烷對ISO 220聚丙二醇的稀釋度。在一定溫度下壓力升高 ，烴氣對油的稀釋度增大；而在一定壓力下溫度升高，稀釋度減小。烴氣溶于油， 使油的粘度減小。圖5是烴稀釋下聚丙二醇的粘溫曲線。如果稀釋度太大 ，油的粘度減至不能提供充分潤滑的程度，那么設備過早失效。 圖5 稀釋度對烴氣/油混合物粘度的影響
　　基于烴氣的這些特點，合成油越來越多地用于烴氣壓縮機，包括垃圾氣壓縮機 ，油井氣壓縮機，各種高沸點蒸汽回收壓縮機(如汽油、丁烯和己烷蒸汽)和天然氣 管線增壓壓縮機。下面簡要介紹各種烴氣壓縮機適用的合成油。
　　對于低沸點烴氣，選擇PAO作潤滑油較好，尤其是含少量強酸和氯雜質的垃圾氣 。垃圾氣壓縮機潤滑油還要加入合適的抗磨劑和抗氧劑。
　　油井氣含有低、高沸點烴、水和硫化氫混合物，為這些壓縮機配制的PAG能提供 良好的抗水性，抗稀釋性，也可以防止高濃度硫化氫引起的腐蝕。
　　PAG防止烴氣稀釋的能力很強，適用于蒸汽回收壓縮機。回收己烷和丁烯蒸汽的 大型螺桿壓縮機的費用達5000美元/天。PAG提供優良性能，油的攜帶量、補充量極 少。每年只需更換一次潤滑劑以保養設備。
　　烷基甲基硅油混合物因其良好的油膜保持能力而用于大型天然氣管道增壓器氣 缸潤滑。需改進氣缸供油系統，系統改進費用因所用潤滑油的效率提高，維修減少 ，不到一年就抵銷，且潤滑劑的耗量減少20倍。
　　天然氣和其他烴氣還用作燃氣渦輪發動機燃料。壓縮機為渦輪的連續操作提供 流速和壓力適當的氣體，這種情況下即使氣體帶少量的礦物油也會在渦輪的氣體輸 入孔形成積炭，阻礙流動，引起斷火，因此也必須使用合成油。
　　3.3 合成油在冷凍壓縮機中的應用
　　用于壓縮機致冷系統和熱泵中的潤滑油對系統有效性起著重要作用。因為在壓 縮機中潤滑油和致冷劑可能發生反應，所以選擇合適的冷凍機潤滑油很關鍵。
　　3.3.1 以丙烷為致冷劑的壓縮機
　　丙烷與礦物油互溶，致使壓縮機油粘度下降，油膜厚度減小；汽缸中氣體對潤 滑劑的沖刷或潤滑劑對氣相的吸收導致潤滑不足。PAG具有低傾點、高的粘度指數、 優良的潤滑性，特別是良好的低烴溶解性，因此廣泛用于丙烷冷凍機中。PAG在螺桿 壓縮機中的使用表明，PAG的容積效率比礦物油的高18%，壓力比為2~10時，絕熱效 率增加5%~8%。在高壓壓縮機中的使用表明，與礦物油相比，在油輸入速度減小的情 況下，油的密封壽命延長20倍。
　　3.3.2 以氨為致冷劑的壓縮機
　　PAO和HVI氫化異構烷烴因其明顯的性能優勢廣泛地用作氨致冷系統潤滑油。
　　PAO和HVI烴都具有支鏈多的特點，能提供"三維"厚油膜，改進潤滑性。用改 型的Falex機比較氨存在下PAO與環烷基礎油的使用效果，發現PAO的磨損值低。氨致 冷系統制造商的使用經驗證明，PAO和HVI冷凍機油都有較好的抗磨性，使用壽命比 礦物油的長。因為PAO和HVI潤滑油由高飽和分子組成，具有優良的熱化學安定性， 從而延長潤滑油的工作壽命，減少油泥和積炭。
　　PAO粘溫性能良好，符合許多致冷系統制造商的低溫氨應用標準，HVI油的粘溫 性比礦物油的好，但需加入添加劑來降低傾點，改進粘溫特性。
　　PAO和HVI潤滑油溶解性低，產生泡沫少，油氣分離性好。經驗表明，使用合適 的分離器和PAO或HVI油，油攜帶量可望減少30%~90%。結果是致冷系統更清潔，改善 傳熱效率。HVI油在往復和回轉螺桿式壓縮機的使用中，油耗量減少64%~ 83%。此外，PAO和HVI油的其他優點是初始水含量低，與塑性材料的配伍 性好。
　　酯與氨的相容性不好。酯類潤滑劑在氨致冷系統使用中產生油泥，長期使用后 變成固體。
　　3.3.3 以鹵化烴為致冷劑的壓縮機
　　密封試管試驗證明，PAO在氯氟烴致冷劑環境中極其穩定。PAO的高粘 度指數能改進致冷系統的冷起動。PAO不含蠟，無絮凝點，不存在蠟阻塞膨脹閥和控 制管的可能性。
　　PAO具有寬粘度范圍，粘度級選擇適當可以補償與可溶的致冷劑接觸時產生的稀 釋，如注油式螺桿壓縮機中的R-12氯氟烴致冷系統。R-12可溶于大多數油中，環烷 基礦物油的初始粘度不高，不能補償壓縮機工作條件下的油稀釋，所以PAO廣泛用于 R-12螺桿壓縮機。
　　PAO的臨界溶解溫度高(36.7℃)，目前已不用于大多數R-22氯氟烴致冷系統。但 是，由于PAO的其他性能符合壓縮機潤滑要求，可用于具有特殊設計的R-22系統。
　　為R-22系統配制的酯類油具有優良的熱安定性、低至-37.8℃的溶解性和良好的 化學穩定性。這類酯在ISO 200粘度范圍內，但目前價格較貴(35~70美元/加侖)。
　　R-114致冷劑在熱泵應用中具有特殊意義。美國和歐洲的使用經驗表明，PAO尤 其適用于高溫下的工業熱泵操作。PAO已用于壓縮溫度高達120℃的R-114系統，選擇 PAO是由于其用于R-114致冷系統具有優良的穩定性、粘度級的可獲性、良好的低溫 特性和高粘度指數。使用報告表明PAO已工作幾千小時，壓縮機無磨損，潤滑油未失 效。
　　低粘度PAO在低溫R-13和R-503致冷系統中提供優良性能，蒸發器的溫度低至-4 6℃。
　　4 結論
　　a.使用合成油和加氫裂解飽和烴作潤滑劑能有效地改進壓縮機的工作性能，包 括延長換油周期，減少磨損，減少部件的更換頻率，操作過程清潔，節能，減小火 災和爆炸危險，減小污染，減少待工時間和生產損失。
　　b.空氣、化學加工氣體、工業氣體、惰性氣體，特別是致冷劑氣體和烴類氣體 壓縮機使用合成油，其中PAO，有機酯(雙酯和多元醇酯)、硅油和加氫裂解飽合烴能 滿足大多數壓縮機的使用要求。
　　c.對于大型往復式壓縮機的氣缸潤滑，需進一步改進現存的加壓注油潤滑系統 才能獲得使用合成潤滑油的最大效益。