Результат интеллектуальной деятельности: КОМПРЕССОРНОЕ МАСЛО

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.:

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.:

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.:

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.

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.

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.