(中海油气(泰州)石化有限公司 江苏泰州 225300)

氟氯烃(CFCS)、氢氟氯烃(HCFCS)等含氟制冷剂的使用被证明是导致臭氧层被消耗的主要因素，也是造成全球气候变暖的原因之一。为解决臭氧层被消耗的问题和降低能耗，异丁烷(R600a)等绿色制冷剂的应用快速增长。R600a制冷剂凭借其全球变暖潜能值(GWP)和臭氧破坏潜能值(ODP)为0，无毒、制冷效率较高，与水不发生化学反应，与铜质管材和矿物润滑油完全兼容等优势，在冰箱制冷压缩机制造行业得到大力推广与普及。而冷冻机油的选用与制冷剂的类型密切相关，因此R600a的使用，同时也对冷冻机油在节能降耗、环境保护、高效运行方面提出了更高的需求。冰箱和空调压缩机技术的发展趋势是节能和环保，从节能方面考虑，采用低黏度油有利于降低低温黏度，减少启动功率[1-6]。

本文作者针对R600a制冷压缩机使用工况的要求，以采用先进的高压加氢组合工艺技术[7-8]生产的环烷基和石蜡基轻润基础油为原料，通过对基础油组成优化研究，解决L-DRG10低黏度冷冻机油黏度与闪点之间的矛盾，再通过添加剂配方研究，改善L-DRG10低黏度冷冻机油在烃制冷剂稀释条件下的润滑能力和高温工况下的热-化学稳定性，从而提高冷冻机油在制冷设备中的制冷效率并延长其使用寿命。

1 L-DRG10全封闭冷冻机油技术要求

根据GB/T 16630-2012《冷冻机油》的要求及用户提出的质量要求，研制的L-DRG10全封闭冷冻机油必须满足表1所示的性能指标。

表1 全封闭冷冻机油性能指标

从L-DRG10全封闭冷冻机油指标要求来看，研制低黏度冷冻机油的关键问题是解决油品的低温性能，以及与制冷剂的热/化学稳定性等问题。在L-DRG10全封闭冷冻机油中，基础油的低温性能决定了成品油的低温性能，添加剂的配方决定了成品油的化学稳定性、抗磨性能和抗泡性能。

2 L-DRG10全封闭冷冻机油研制

L-DRG10全封闭冷冻机油研究的关键指标是黏度、闪点、低温性能和润滑性，因此L-DRG10全封闭冷冻机油的研究，需着重解决以下关键问题：

(1)解决基础油黏度要求低、闪点要求高的矛盾。因此要优化轻质基础油组分的比例和油品的黏度，在满足基础油黏度指标的前提下，尽可能提高油品的闪点。

(2)解决基础油组成与热-化学稳定性之间的关系，使油品与添加剂有良好的溶解性和稳定性。

(3)解决油品与制冷剂R600a的润滑性匹配问题。R600a属于非含氯型环保制冷剂，不能与金属发生化学反应形成抗磨层；另一方面为满足压缩机高效节能的发展趋势，对低黏度冷冻机油产品而言，抗磨性能的需求更加苛刻，因此在冷冻机油中要针对性地进行功能添加剂的复配。

文中以某高压加氢组合工艺深度精制的环烷基和石蜡基轻润基础油为原料，通过调整基础油中的烃组成，控制基础油的沸程，以及与不同功能剂复配，解决了矿物型低黏度度冷冻机油闪点低、润滑性不理想的问题，开发出满足质量要求的L-DRG10全封闭冷冻机油。

2.1 L-DRG10基础油配方筛选

以某高压加氢组合工艺深度精制的环烷基和石蜡基轻润基础油为原料，通过对不同基属加氢基础油组分的理化性质分析，筛选出L-DRG10全封闭冷冻机油的适宜组分。

2.1.1 加氢基础油性质分析

表2给出了5种润滑油基础油性能，其中1～3号是环烷基加氢基础油， 4～5号是石蜡基加氢基础油。可以看出：

(1)环烷基加氢基础油的黏度指数较低、低温性能较好，倾点、絮凝点和两相互溶温度较低，但1号和2号环烷基加氢基础油的闪点低。

(2)石蜡基加氢基础油的黏温性能较环烷基基础油好。由于少量蜡分子的存在，5号石蜡基加氢基础油表现出较高的倾点、絮凝点和互溶温度，但其低温性能比环烷基基础油差。

可见，不同基属加氢基础油性能各有优缺点，合理利用环烷基基础油优良的低温性能和石蜡基基础油优良的黏温性能，可以优选出合格的L-DRG10全封闭冷冻机油基础油配方。

表2 润滑油基础油性能参数

2.1.2 L-DRG10基础油组成优化试验

根据L-DRG10全封闭冷冻机油的黏度要求，采用环烷基石蜡基和加氢基础油进行L-DRG10小样调合，考察了表3所示的5种方案的调合基础油的运动黏度、闪点、倾点和絮凝点，以得出满足技术要求的最优方案。

表3 不同调和方案L-DRG10基础油关键性能参数

与表1所示的性能指标要求相比较，可知：表3中方案1调合基础油的闪点低于指标要求；方案3调和基础油的闪点在指标下限；方案4、方案5的低温性能不好，倾点高于指标要求，且方案4絮凝点高于指标要求；方案2调和基础油的关键性能都能满足要求。因此，文中选择方案2为基础油调合方案。

2.2 添加剂复配研究

冰箱和空调压缩机向小型化发展，同时为保证冷冻机油使用寿命与压缩机同步，这就对冷冻机油要求更加苛刻。文中从冷冻机油的3种主要功能添加剂抗氧化剂、抗磨剂和抗泡剂[9-10]中，评选出与制冷剂共存下具有更加优异的热-化学稳定性能产品。

2.2.1 抗氧剂的筛选

抗氧剂可以抑制或延缓油品氧化而延长使用寿命。如表4所示，文中选择胺型抗氧剂A和酚型抗氧剂B 2种抗氧剂，设计了5种方案，考察了抗氧剂A和B以不同比例加入油品中的氧化安定性和化学稳定性，结果如表5所示。

从表5可以看出：对比方案1，基础油中加入抗氧剂后，可以明显提高油品氧化安定性；对比胺型抗氧剂A和酚型抗氧剂B的抗氧化效果，加入酚型抗氧剂B后油品的颜色变化最小、酸值更低、催化剂无腐蚀，油品的稳定性更好；抗氧剂B随加入量的增加，油品氧化安定性、热化学稳定性提高。在油品中抗氧剂含量达到一定量后，抗氧剂与分子氧的反应概率增大而发生氧化强化效应，这样就会减弱抗氧剂的性能，因此抗氧剂加入量要适量。从氧化安定性、热化学稳定性的试验结果和经济性出发，加入量为0.3 %(质量分数)为最佳方案。

表4 抗氧剂试验方案

表5 抗氧剂试验方案测试结果

2.2.2 抗泡剂的筛选

冷冻机油基础油和添加剂中会有少量的极性物质，易产生发泡现象，进而对润滑油的泵送性能造成影响，破坏膜强度及稳定性，造成不应有的磨损事故。抗泡剂的作用是抑制泡沫的产生，以免形成稳定的泡沫[11]。文中选用硅型抗泡剂C和复合抗泡剂D 2种不同类型的抗泡剂，设计了如表6所示的4种试验方案，进行油品的抗泡沫性能测试，结果如表7所示。

由表7可知：在加入抗泡剂后，油品的抗泡沫倾向和稳定性有不同程度的降低，其中抗泡剂D的抗泡沫性改善效果最佳；当加入10 μg/g的抗泡剂D时，L-DRG10冷冻机油抗泡沫性达到指标要求。

表6 抗泡剂试验方案

表7 抗泡剂评选试验结果

2.2.3 极压抗磨添加剂的筛选

在制冷系统中，R600a制冷剂不能够像R12一样提供加压特性，冷冻机油混入一定量的制冷剂后会造成黏度和润滑性能的下降，因此需要加入抗磨添加剂来提高冷冻机油的性能，保证制冷压缩机的润滑。文中选用硫磷类抗磨剂E、磷类抗磨剂F和硫类抗磨剂G，设计了如表8所示的5种试验方案，通过法莱克斯(Falex)极压负荷试验和密封管试验，综合评选合适的抗磨剂，结果如表9所示。

表8 抗磨剂试验方案

表9 冷冻机油抗磨剂评选试验结果

对比表9中方案1和2的Falex失效负荷和抗腐蚀性试验结果，可知在相同比例下，硫磷类抗磨剂E性能更加优异；通过考察加入不同比例抗磨剂E的Falex失效负荷和抗腐蚀性试验结果，加入质量分数1.2%的抗磨剂E后，可以显著提高L-DRG10冷冻机油的的抗磨性能，与市场上同类产品性能相当。

2.3 产品性能评价

根据基础油调合方案添加剂复配研究表明，评选出的L-DRG10冷冻机油的方案是：通过基础油组分的评选及添加剂复配研究，采用最优的环烷基石蜡基和加氢基础油调合方案，加入质量分数0.3 %的抗氧剂B，10 μg/g抗泡剂D，质量分数1.2%的抗磨剂E，研制出L-DRG10全封闭冷冻机油，其性能评价结果如表10所示。该产品满足表1所示的GB/T 16630-2012冷冻机油质量指标。

表10 L-DRG10全封闭冷冻机油性能

对研制的L-DRG10全封闭冷冻机油产品进行冰箱压缩机台架试验评定，结果如图1所示。试验后压缩机的活塞、曲轴、阀片、连杆、活塞销等机械零件磨损正常，L-DRG10全封闭冷冻机新油装机后冰箱压缩机运行良好，台架试验后无积碳和沉淀产生，这说明产品具有优良的热/化学稳定性和润滑性，可以完全满足全封闭冰箱压缩机的实际工况要求。

图1 冰箱压缩机台架试验评定

3 结论

以中海油气(泰州)石化有限公司高压加氢组合工艺生产的环烷基/石蜡基加氢基础油为原料，利用环烷基加氢基础油优良的低温性能和石蜡基加氢基础油优良的热稳定性、黏温性能，再通过功能添加剂的补强，赋予油品良好的抗磨性和抗氧化安定性，研制出符合GB/T 16630-2012的适用于R600a全封闭压缩机的L-DRG10全封闭冷冻机油。该产品满足冰箱制冷循环的工况要求，并实现工业化生产和应用，市场前景广阔。