液压支架用浓缩液HFAS20-5的研制

时间：2024-05-19

尤龙刚，陈志忠，李铭

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃兰州 730060)

0 引言

液压支架是综采工作面的安全支护设备，它的主要作用是支护采场顶板、维护安全作业空间、推移工作面采运设备等，其工作性能对综采工作面的生产率、安全性等经济技术指标有很大的影响。液压支架用乳化油或浓缩液配制的高含水液压液则是液压支架系统的血液，液压支架的支撑、升降、移动、推溜和过载保护等动作都需要借助高含水液压液来实现能量的传递和转换。液压支架实际工况环境复杂恶劣，由此对液压支架液在高温下的稳定性、防腐性等性能均提出了较高的要求，且要求具备良好的润滑性和密封相容性，有效避免泄漏，从而降低维护和材料消耗成本。

目前，液压支架液分为乳化油、微乳液和全合成型浓缩液(HFAS)三种。由于微乳液防锈性差，且油基黏度偏大，因此较少应用。乳化型是油-水两相体系，体系并不稳定，在使用过程中很容易出现析油、析皂等情况，由于析出物性能较为稳定、不易降解，所以一旦出现泄漏或排放就会造成严重的矿井水质污染，同时析出油皂不断积累，会堵塞液压系统过滤器组件造成液压支架工作失常[1]。合成型液压支架液是以水作为载体，具有优异的稳定性和环境友好性，不会产生油皂析出现象，因此可明显减少清洗过滤器和先导阀的工作量，延长了设备无故障运行周期，有利于综采工作面安全操作，提高矿井高产高效的水平。随着综采工作面电液控制系统的引入和不断发展，全合成型液压支架液优异的防锈性、高稳定性、洁净性能够满足市场的需求和发展趋势[2-3]。本文的研制目标即是能够满足未来发展趋势的液压支架用浓缩液HFAS20-5，它是一款全合成型产品，可适用于水质硬度不大于750 μg/g的工况下。

1 液压支架用浓缩液系列产品的配方研究

本文的研制目标是液压支架用浓缩液产品，由于全合成型产品的防锈防腐性能、润滑性能是研制工作中的重点和难点，故将以上几项性能进行了重点考察，此外，全合成型产品的乳化剂选择也受耐冻融性能和高低温稳定性等的影响。

1.1 防锈剂的筛选

产品的防锈性能是保障液压支架设备正常工作的关键因素[4-5]。液压支架液中防锈性能评价方法主要有MT 76-2011标准中规定的HT300铸铁块室温(15～35 ℃)防锈以及防腐蚀性试验中15号钢棒的高温(70 ℃)防锈试验。在铸铁块防锈试验中，不仅存在弱碱性介质中铸铁块主要化学腐蚀类型-吸氧腐蚀，还存在高浓度氯离子(200 mg/L)对铸铁的点蚀破坏作用。而在防腐蚀性试验中，钢棒除了上述存在的吸氧腐蚀和更高浓度氯离子(1775 mg/L)的点蚀作用外，还存在钢/黄铜共处同一电解质中的不同金属间的电偶腐蚀。由此可见，高硬度、高氯含量水质条件下的铸铁块和钢棒的防锈性能是该类产品研制的最大难点和重点。

常见的水溶性防锈剂主要有羧酸盐、硼酸酯(盐)、磷酸酯及部分无机钠盐等，而常用于对抗氯离子腐蚀的性价比较高的防锈剂一般都是水溶性的无机或有机钠盐。

实验室首先采用不同类型单剂复合后考察了HFAS20-5体系中的防锈性能，其结果如表1所示。

从表1可以看出，除采用2a%防锈剂1和2b%防锈剂2组合能满足HFAS20-5防锈性能指标要求外，其余防锈剂组合均无法满足技术指标要求。

1.2 防腐剂的筛选

液压支架液对防腐蚀性的要求比较严格，尤其是对全合成型产品来说更加苛刻，这主要是因为防腐蚀试验是根据支架液现场使用过程对产品性能进行模拟。与防锈性能评价方法相似的是，在实验过程中铜棒不仅存在弱碱性介质中主要化学腐蚀类型—吸氧腐蚀，还存在钢/黄铜共处同一电解质中的不同金属间的电偶腐蚀。苯三唑及其衍生物是一种可以溶于水，并与铜形成配位络合物进而有效钝化金属表面的添加剂，对铜腐蚀有抑制性要求的金属加工液中常需添加此类添加剂以改善性能。目前较常用的是苯三唑类防腐剂1和防腐剂2，在配方筛选中对其进行了考察，其结果如表2所示。

表2 HFAS20-5防腐剂性能考察

从表2中可看出，防腐剂1在加量为3a%时即可满足防腐要求，防腐剂2加量在2a%时也可满足要求。结合防腐剂1和防腐剂2的市售价格，防腐剂1的加剂成本较优，因此采用防腐剂1作为该体系的防腐剂组成。

1.3 润滑剂的筛选

液压支架液技术指标规定其润滑性能用PB值来衡量，要求为不小于392 N。相比乳化型和微乳型产品，全合成型液压支架液以水作为载体，其润滑性更加难以达到该技术指标，这是全合成型液压支架液研制面临的另一个技术难题。

全合成体系中常见的水溶性润滑剂主要有聚醚酯、硼酸酯、羧酸胺、合成酯、嵌段聚醚等。实验室主要考察了5类润滑剂组分在不同添加量下5%工作液的PB值。以下试验均是调制的浓缩液与20号硬水配制成5%浓度的稀释液测定的数据，其结果如表3所示。

表3 HFAS20-5润滑性能考察

从表3可以看出，在含水量超过50%的全合成体系中，采用传统的聚醚类、油皂类、硼酸酯和羧酸酯类润滑剂，其PB值很难达到392 N；而选取并添加一定量的具有优异极压和润滑性能的聚醚酯，即可满足技术指标要求。

1.4 抗硬水剂的筛选

全合成液压支架液产品中需要加入一定量的抗硬水剂，它可以与硬水中的钙、镁等金属离子形成稳定常数大、水溶性的络合物，从而起到抗硬水的作用。目前全合成体系中抗硬水剂最常用的为乙二胺四乙酸(EDTA)，该物质因具有两个氨基和四个羧基，有六个配位原子，能与很多金属形成稳定的螯合物，因此，具有较强的抗硬水能力。研制样品EDTA的添加量考察如表4所示。

表4 HFAS20-5的EDTA添加量考察

从表4可以看出，HFAS20-5产品中EDTA的最佳加量为3.5a%。

1.5 表面活性剂的筛选

众所周知，相比乳化油体系，全合成液压支架液体系是一个稳定的热力学平衡体系，而这种平衡体系主要依赖于向体系中添加具有适当的亲水亲油平衡值(HLB)和化学结构的表面活性剂。这种表面活性剂通过增溶作用，使浓缩液中的各种添加剂溶解程度增大，从而使体系具有均一透亮的外观及优异的稳定性。

一般来说，由于非离子表面活性剂在水溶液中具有不电离、不以离子状态存在的特点，同时具有抗硬水性能、不易受酸碱和强电解质影响的特点，因此，非离子表面活性剂可以与阴离子、阳离子及两性化合物实现最大限度地互溶和共存，在水基体系中常作为首选的表面活性剂而被广泛使用，尤其是全合成体系中。实验室在HFAS20-5的体系下，选择具有较高HLB值(即易溶于水)的非离子聚氧乙烯醚类表面活性剂NP-10、OP-10、LAE-9、OS-15和乳化剂1作为表面活性剂，并对整个体系的外观和储存稳定性进行了重点考察，其结果如表5所示。

表5 HFAS20-5表面活性剂的筛选

表5(续)

从表5可以看出，在研制样品HFAS20-5体系中，分别添加了NP-10、OP-10、LAE-9、OS-15等非离子乳化剂时，其浓缩液的耐冻融性能均不合格；而添加了2b%乳化剂1时，研制样品的浓缩液外观、耐冻融性能及稀释液的高温和室温储存性能均能满足指标要求。因此，选择乳化剂1作为HFAS20-5体系的表面活性剂。