合成类航空润滑油热氧化安定性对比试验方法探究

阮少军，费逸伟，吴楠，彭显才，刘鸿铭

(空军勤务学院航空油料物资系，江苏 徐州 221000)

0 引言

未来军用飞机的发展方向主要体现在超音速巡航和低油耗两个方面，要具备超音速巡航的能力，发动机就必须具有足够的推力，而在低油耗的前提条件下增加发动机的推力，提高涡轮前的燃气温度和增压比就成为了重要的实现手段[1]。可想而知，随着涡轮温度的提高以及空气量的降低，显然会造成润滑油的局部结焦和严重的热氧化降解，所以未来的军用飞机发动机必须要求润滑油具有非常优异的热氧化安定性能，由此对润滑油的热氧化安定性能进行评价就显得十分重要。

但现行的评价方法在试验温度以及油品用量方面存在一些问题，不能满足研究高温条件下航空润滑油氧化安定性的需要。因为绝大多数标准的试验温度较低，普遍在200 ℃以下，且试验中油品用量较少，普遍在150 mL以下，少数特例标准方法也是在试验温度和试验用油量上均不能兼得，而研究航空润滑油之所以强调试验温度要高，主要是因为在实际的工况条件下，油品的局部接触温度高达300 ℃左右，所以在模拟试验时需要尽可能地提高试验温度，而另一方面又需要足够的试验油品用量，这样便于试验结束后，后续的油品检测评价有充足的试验原料。因此本文以标准试验SH/T 0560[2]润滑油热安定性试验法与SH/T 0450[3]合成油氧化腐蚀测定法为参考依据，提出了一种可行性较强的试验思路：即通过对合成烃及酯类合成航空润滑油进行试验处理，先定性测定出允许试验条件范围，分析此试验条件范围值后，选择合适的试验条件，测算试验结束后油品的40 ℃黏度变化、酸值变化、沉积物含量和金属试片的重量变化，从而定量地对两种油品的热氧化安定性进行科学地评价。此试验思路为合成类航空润滑油热氧化安定性的对比试验研究提供了一种新的试验方法，以下就此方法的详细过程做以具体阐述。

1 本文引用的标准

SH/T 0450[3]合成油氧化腐蚀测定法；

GB/T 265[4]石油产品运动黏度测定法和动力黏度计算法；

GB/T 7304[5]石油产品和润滑剂中和值测定法(电位滴定法)；

SH/T 0560[2]润滑油热安定性试验法；

SH/T 0005[6]油漆工业用油溶剂。

2 试验所需的试剂与材料

(1)SH/T 0560 润滑油热安定性试验法：溶剂油应该符合SH 0005的要求、蒸馏水需是二次蒸馏水或离子交换水。

(2)SH/T 0450 合成油氧化腐蚀测定法：苯、无水乙醇、石油醚(沸程60～90 ℃)、金属片(铜片、钢片、铝片、镁片、铅片；规格均为20 mm×10 mm ×2 mm)、毛刷、镊子、砂纸或纱布、脱脂棉。

(3)合成类航空润滑试验油：A—合成烃类油品、B—酯类油(为了便于研究，以英文字母来代指对应油品)

3 试验所需的仪器与设备

(1)SH/T 0560 润滑油热安定性试验法中：润滑油热安定性试验箱、转盘、温度计、试验杯、天平、干燥器、日光台灯。

(2)SH/T 0450 合成油氧化腐蚀测定法中：氧化管、通气管、恒温浴、空气流量计、金属片悬挂钩、温度计(0～250 ℃)、卡尺、平面挫或钢丝刷。

4 试验方法概要

(1)用SH/T 0560润滑油热安定性试验法，尝试设定不同的试验温度(℃)和不同的试验时间(h)，对需要测定的合成类航空润滑油(A、B)进行氧化，通过目测已经冷却的油品及试验杯底部有无沉淀情况，来定性判定不同试验条件下各类油品的热安定情况：即可以分别假定若干个确定的时间h或温度T值，然后通过观察试验杯底部从无沉淀—出现沉淀—沉淀增多—沉淀多至油品失效的情况，进而大概得出另一组试验温度区间T或试验时间区间h，即温度T{T1；T2…Tn}、时间h{h1；h2…hn}。

(2)利用定性方法中得出大致的温度T{T1；T2…Tn}和时间h{h1；h2…hn}区间值，作为定量方法SH/T 0450 合成油氧化腐蚀测定法的试验条件参考范围，最后用试验后油品40 ℃的黏度变化、酸值变化、沉积物含量和金属试片的重量变化，来定量对比评定不同试验油品的氧化安定性。

5 试验方法分析

先假定一组试验时间h1、h2、h3、h4、h5、h6，利用SH/T 0560润滑油热安定性试验法，然后根据沉淀的出现情况来测定不同试验时间条件下，试验油品温度的大致分布情况，具体详见表1。需要注意的是，无沉淀及沉淀增多过程中对应的试验温度数值理论上存在无数个，这里为了说明问题，仅仅各选取无沉淀和沉淀增多情况下有限的三个温度数值点来进行情况说明。

表1 不同试验时间下油品的试验温度

然后根据表1中测定T11至T66的温度值可大致确定出试验油品的氧化反应温度区间。在此基础上对这些温度数值进行区间的划分，假定可将其划分为T1、T2、T3、T4、T5、T6，再次利用SH/T 0560 润滑油热安定性试验法，根据沉淀的出现情况来测定不同试验温度条件下，试验油品时间的大致分布情况，具体详见表2。同样，需要注意的是，无沉淀及沉淀增多过程中对应的试验时间数值理论上也存在无数个。在此，也只各选择无沉淀和沉淀增多情况下有限的三个时间数值点来说明情况。

表2 不同试验温度下油品的试验时间

整理分析表1和表2中测试润滑油品大致的试验温度和试验时间数据值，可以作为定量方法SH/T 0450 合成油氧化腐蚀测定法试验条件的参考范围。

在空气、温度以及金属催化的条件下，润滑油会发生氧化降解，从而生成酸性物质和高分子的聚合物，其结果会造成润滑油的颜色加深、酸值和黏度增大、沉淀物增多、腐蚀性变强。所以氧化安定性试验中，常把润滑油氧化降解的性能指标变化规定为：黏度变化(40 ℃)不得大于25%，酸值增加不大于4 mgKOH/g。所以根据此判断条件可以作为定量考察润滑油氧化变质情况的判据。

结合判定依据以及利用SH/T 0560 润滑油热安定性试验法大致确定的试验温度、时间范围区间，先在大致确定的试验时间范围区间内选择若干个时间节点hx作为统一试验的基本条件，然后再利用SH/T 0450的方法，在试验温度区间的范围内对润滑油品进行测定，具体的测定结果指标见表3，表中分别测算了两种合成类航空润滑油品的酸值变化、黏度变化、沉积物含量及金属片重量变化，为了更为方便地分析数据，可以采用折线图的形式来更为直观地看出2种润滑油品热氧化安定性能的优劣。

表3 A和B润滑油试验时间为hx时的测定指标与温度的关系

同理，再在大致确定的试验温度范围区间内选择若干个温度节点Tx作为统一的试验基本条件，然后在大致确定的试验时间区间范围内对润滑油进行测定，具体的结果指标见表4。

表4 A和B润滑油试验温度为Tx时的测定指标与时间的关系

表4(续)

最后，根据表3及表4中得到的数据，汇总分析后就可以对合成烃类油品A和酯类油B的氧化安定性进行评估，详见表5，利用已经测算出较低试验温度Tx和较高试验温度Ty下的各项试验指标，即可完成对A与B类油品的氧化安定性进行对比评估。

表5 合成烃类油品A和酯类油B的氧化安定性

6 测定结果精密度

为了保证试验的精确性，在整个试验操作过程中应该满足两个条件：其一是重复性，即同一操作者重复测定两个结果之差，不应超过表6数值；其二是再现性，即两个实验室提供测定结果之差，不应超过表6数值。

表6 试验的精密度测定范围

7 试验方法应用实例

所用的油品：A-928合成烃类基础油PAO、B-928酯类基础油DIOA(空军油料研究所提供)。

利用SH/T 0560 润滑油热安定性试验法，尝试设定不同的试验温度(℃)和不同的试验时间(h)，对需要测定的合成类航空润滑油(928、50-1-4)进行氧化，通过目测已经冷却的油品及试验杯底部有无沉淀情况，定性判定出不同试验条件下两种油品的热氧化安定情况，得出了一组试验温度区间T{180 ℃、200 ℃、230 ℃、260 ℃、300 ℃}；时间区间{2 h、10 h、20 h、50 h、100 h}。

为了简要说明方法实用性情况，这里仅以2 h下试样油品温度为{180 ℃、200 ℃、230 ℃、260 ℃、300 ℃}；200 ℃下试样油品的时间区间为{2 h、10 h、20 h、50 h、100 h}的试验数据做以说明，见表7、表8。

表7 928润滑油试验时间为2h时的测定指标与温度的关系

表7(续)

表8 润滑油试验温度为200℃时的测定指标与时间的关系

从上述表中的数据，选取180 ℃/2 h，以及200 ℃/20 h的试验条件做对比分析，见表9。

表9 928航空润滑油PAO和DIOA的氧化安定性

从表9中能够看出，就酸值变化情况而言，DIOA基础油比PAO基础油的明显；但是从黏度变化、沉淀物含量以及金属片重量的变化情况来看，DIOA基础油要比PAO基础油的影响小，总的分析，928航空润滑油中DIOA基础油与PAO基础油相比，其氧化安定性能较好。

参考文献：

[1] 徐敏.航空涡轮润滑油应用[M].北京:石油工业出版社,1997:146-190.

[2] SH/T 0560 润滑油热安定性试验法[S].

[3] SH/T 0450 合成油氧化腐蚀测定法[S].

[4] GB/T 265 石油产品运动黏度测定法和动力黏度计算法[S].

[5] GB/T 7304 石油产品和润滑剂中和值测定法(电位滴定法)[S].

[6] SH/T 0005 油漆工业用油溶剂[S].