高含水液壓液防銹性能影響因素分析、對策及應用

任玉飛

中國石化潤滑油有限公司上海研究院

高含水液壓液是指由液壓支架用濃縮液或液壓支架用乳化油與90%以上（質量分數，以95%以上為主）的水配制而成的溶液型稀釋液或水包油型乳化液[1]，外觀多為無色透明至乳白色均一流體。高含水液壓液作為液壓支架系統的“血液”，防銹性能是其關鍵性能指標，若防銹性能差，會導致部件發生銹蝕、液壓支架系統發生故障等問題，進而影響煤礦的安全、生產效率、成本以及工人的工作量。找到影響高含水液壓液防銹性能的因素，進而采取系統控制對策有效控制其影響，對于煤礦的安全高效生產具有重要的現實意義。

高含水液壓液防銹性能影響因素分析

影響高含水液壓液防銹性能的因素主要有液壓支架用濃縮液或液壓支架用乳化油的產品性能、使用過程管理以及配液用水水質。

產品性能

液壓支架用濃縮液或液壓支架用乳化油的產品性能直接決定了最終高含水液壓液的防銹性能。液壓支架用濃縮液或液壓支架用乳化油目前均執行煤炭行業標準MT/T 76—2011《液壓支架用乳化油、濃縮液及其高含水液壓液》，該標準要求液壓支架用濃縮液或液壓支架用乳化油與相應等級的人工硬水按照產品規定的使用濃度配成高含水液壓液后，在鑄鐵試塊表面按梅花格式均勻滴5 滴，每滴直徑為6～7 mm。然后用表面皿將試片蓋好，在10 ～35 ℃下放置24 h，要求試片無銹跡，無色變。

MT/T 76—2011 標準同時還要求液壓支架用濃縮液或液壓支架用乳化油與0.05 mol/L 的氯化鈉溶液按照正常使用濃度的40%配成試液，將打磨、拋光好的鋼棒完全浸入試液中，在（70±2）℃經24 h 后，鋼棒要求無銹蝕。由于試液中含有大量的氯離子，其對防銹性能有顯著的負面影響，且配液濃度較低，對產品防銹性能要求較高。

此外，由于產品還需要在一定程度上適應使用過程中濃度及配液用水水質變化的問題。故需要高含水液壓液具有優異的防銹性能。

使用過程管理

在實際應用過程中，部分煤礦在配制高含水液壓液時采用人工方式將液壓支架用濃縮液或液壓支架用乳化油加入到配液箱中，再用折光儀檢測配液濃度。若液壓支架用濃縮液或液壓支架用乳化油加入不及時，或檢測的頻率不足時，高含水液壓液的實際濃度就可能存在波動，出現低于規定使用濃度要求的情況。

本文通過分析高含水液壓液防銹性能的影響因素，從產品配方設計、生產過程控制、產品選用、產品使用管理、監測和培訓、配液用水控制等角度，系統提出了相應的控制對策，并在實際中進行了應用。應用結果表明，通過采取系列措施能夠有效解決原來存在的濾芯堵塞和設備銹蝕等問題，提升安全水平。

此外，部分煤礦存在未按照產品規定使用濃度，而是根據以往的慣性思維配制高含水液壓液，或者出于使用成本考慮每月定量使用，這些都會導致出現在用液濃度低于規定使用濃度要求的情況。而濃度是保證高含水液壓液發揮各項性能的基礎。當配液濃度低于規定使用濃度時，高含水液壓液中抗硬水劑及防銹劑等有效成分含量不足，導致高含水液壓液穩定性差，防銹性能下降，進而導致金屬發生銹蝕。

配液用水水質

配液用水水質是決定產品選用型號的基礎。高含水液壓液中水的含量通常能夠達到95%（質量分數）以上，故配液用水水質對高含水液壓液防銹性能具有極大的影響。目前MT/T 76—2011 中對配液用水水質的要求見表1。所選用型號產品對應的硬度和硫酸根離子含量見表2。

表1 配制高含水液壓液的水質要求

表2 所選用型號產品對應的硬度和硫酸根離子

高含水液壓液實際配液用水主要是礦井水，水質通常十分復雜且多變。由于水具有很強的溶解能力，配液用水中可能含有各種無機物、有機物、氣體、微量元素、懸浮物等。并且這些成分的種類和含量，會因地域、地形、時間、水源、人類活動等各種因素而有所不同。同一個煤礦，不同工作面，水質也可能有很大差異。

配液用水中的機械雜質、懸浮物、鈣離子（Ca2+）、鎂離子（Mg2+）、氯離子（Cl-）、硫酸根離子（SO42-）以及酸堿度等對高含水液壓液防銹性能具有重要的影響：

◇水中的機械雜質及懸浮物會對高含水液壓液的穩定性產生影響，并且隨著高含水液壓液在液壓支架系統內流動，這些物質會造成金屬表面產生磨損，從而導致金屬發生銹蝕。

◇水中的鈣離子（Ca2+）、鎂離子（Mg2+）會與高含水液壓液中的組分發生反應，析出油皂或產生沉淀物[2]，破壞體系平衡，導致高含水液壓液中有效物質濃度降低，進而造成產品的防銹性能大幅降低。

◇水中的陰離子氯離子（Cl-）、硫酸根離子（SO42-）、碳酸氫根離子（HCO3-）隨著濃度的增加，高含水液壓液的防銹性能越差[3,4]。特別是氯離子，氯離子極易與金屬作用，其離子半徑小，能夠穿透鈍化膜，是引起金屬發生孔蝕的重要因素。

◇水的酸堿度會對高含水液壓液的pH 值造成影響，而pH 值對防銹性能的影響非常大。

高含水液壓液防銹性能控制對策

影響高含水液壓液防銹性能的因素是多方面的，需采取系統措施才能有效控制其影響。下面從產品配方設計、生產過程控制、產品的選用、產品使用管理、監測和培訓、配液用水控制等角度，提出相應的控制對策，以最大限度減小或避免對防銹性能產生影響。

產品配方設計

針對煤炭行業標準要求以及實際使用需要，產品配方設計時防銹性能一般應從以下3 個方面考慮：

充分發揮防銹劑之間的協同防銹作用

選擇合適的防銹劑是高含水液壓液防銹性能配方設計的關鍵。水基防銹劑主要包括有機型防銹劑和無機型防銹劑兩大類，有醇胺類、羧酸（二元酸、三元酸）、硼酸酯、羧酸胺鹽及無機鹽等。

其中有機型防銹劑防銹機理主要是通過化學吸附或物理吸附在金屬的表面形成吸附膜層，從而起到防銹作用。無機防銹劑防銹機理主要是通過在金屬的表面生成不溶性鈍化保護膜層，從而起防銹作用。

由于煤炭行業標準對高含水液壓液防銹性能要求較高，且實際應用過程中工況復雜多變，故配方設計時需要充分發揮水基防銹劑之間的協同防銹作用，在提升產品的防銹性能的同時降低添加劑加劑量，降低成本。

選擇抗硬水性能好的添加劑或兼顧防銹性能和抗硬水性能

不同類型或鏈長的添加劑其耐硬水能力不同，在產品配方設計時應盡量選擇抗硬水的添加劑。例如對于常用的二元羧酸水基防銹劑，研究表明其防銹性能隨著碳原子數的增多而加強，但是十三個碳以上的二元羧酸其抗硬水性能會較差[5]，故在配方設計時若選擇二元羧酸作為防銹劑需兼顧防銹性能和抗硬水性能。

在防銹性能和抗硬水性能方面適當留有余量

高含水液壓液良好的穩定性是其防銹性能得以發揮的基礎。配液用水中通常含有大量的鈣離子（Ca2+）、鎂離子（Mg2+），會破壞體系的穩定性，故在配方設計時會加入抗硬水劑。而高含水液壓液在實際應用過程中工況復雜多變，使用濃度及配液用水水質均存在變化的問題。故在配方設計時需要在防銹性能和抗硬水性能方面適當留有余量。

生產過程控制

調合過程控制

應盡量專釜專用或近似產品用同一調合釜，減少或避免不同產品相互污染；加強人員崗位培訓，提升調合過程操作的規范性；液壓支架用濃縮液或液壓支架用乳化油調合過程除物理調合外，有些產品調合過程還包括化學反應，因此調合過程需嚴格按照工藝技術文件的要求進行，否則會對液壓支架用濃縮液或液壓支架用乳化油產品的質量產生影響。

灌裝過程控制

制定生產工藝質量“紅線”規定，嚴禁未確認合格產品進行灌裝；按要求定期更換過濾器；不同產品灌裝時常存在公用管線部分，在液壓支架用濃縮液或液壓支架用乳化油灌裝前需對管線進行掃線或頂線操作，避免不同產品的相互污染。

產品的選用

在產品應用前，須對現場配液用水進行取樣分析，在常規水質要求分析的基礎上，還需采用現場配液用水與產品進行適應性驗證。根據分析和驗證結果選擇最合適的產品，以滿足實際使用要求。

產品使用管理、監測和培訓

針對采用人工方式配制高含水液壓液的煤礦，配液時應先加水，再按比例加入產品。并重視高含水液壓液的濃度控制，加強濃度監測、人員管理及精準培訓。嚴格按照規定使用濃度要求配制高含水液壓液，定期檢測高含水液壓液使用狀況，每班測量濃度，若有變動及時調整至正常使用濃度。

有條件的煤礦可以采用自動配液裝置進行配液，以保證高含水液壓液濃度的穩定。但也需定期進行檢查，以防設備失效。

注意不同廠家或者不同型號產品在未經試驗驗證無異常的情況下禁止混用，以防混用后穩定性不佳，對高含水液壓液的防銹性能產生影響。

配液用水控制

由于水質的復雜性，因此水處理也變得異常復雜，需要很大的經濟投入。而且，水質還會因為時間、氣候及環境的變化而變化。這就導致了水處理的難度很大。不同的水源、水質需要采用不同的水處理工藝，經常需要綜合利用各種有效的方法才可以達到MT/T 76—2011 標準要求的水質要求。目前常用的水處理工藝有機械過濾法、硬水軟化法和反滲透法等。在實際應用過程中可采用相對穩定的水源，同時做好水質的定期檢測以及水處理設備定期檢查維護，做好耗材的及時更換，有異常情況及時采取措施。由于標準MT/T 76—2011 對液壓支架液規定的最高等級為40 級，即水質不高于2 000 mg·L-1，如現場缺少水處理裝置，且水質硬度超過標準規定最高2 000 mg·L-1，可能需要對液壓支架液配方進行調整以適應水質情況。

實際案例

河南某礦在使用某品牌液壓支架用乳化油HFAE40-5 時存在嚴重濾芯堵塞和設備銹蝕等問題，增加了工人的工作量及經濟成本，并對給煤礦的正常生產及安全產生了不利影響，急需解決。

取樣檢測

對現場配液用水及原用HFAE40-5 產品進行了取樣檢測。配液用水水質檢測結果見表3，原用HFAE40-5 與現場配液用水適應性驗證見表4。

表3 配液用水水質檢測結果

表4 原用HFAE40-5與現場配液用水適應性驗證

從表3 可以看出，該礦配液用水有較多雜質，水質硬度達到2 250～2 500 mg/L，超過MT/T 76—2011 適用水質硬度最高等級40 級對應的水質硬度2 000 mg/L，且氯離子含量也超過標準技術要求，水質非?？量?，對配套的高含水液壓液防銹性能和穩定性是極大的考驗。從表4 可以看出，原用HFAE40-5 與現場配液用水適應性較差，防銹性能嚴重不合格。

改進措施

針對該礦存在的問題，從配液用水、配方設計、使用管理和監測等方面采取了系列措施。

對配液用水進行凈化處理

配液用水中的雜質是無法通過高含水液壓液來去除的，必須采用水處理裝置進行凈化處理。該礦根據需要新增了水處理裝置，水質有明顯改善。但因處理前的水質太差，水處理設備維護頻繁，使用成本高，設備時常發生故障。且有時凈化水供不應求時，為維持正常生產會臨時采用處理前水進行配液，造成配液用水復雜多變，單獨采取對配液用水進行凈化處理無法解決該礦存在的問題。

從產品配方設計上進行優化

根據該礦的實際現狀，重點通過提升產品的防銹性能和抗硬水能力，對產品配方進行優化。

為提升產品的防銹性能以適應現場復雜的工況條件，在產品配方優化時優選有機型防銹劑和無機型防銹劑進行復配，充分發揮水基防銹劑之間的協同防銹作用，且有機型防銹劑選擇時兼顧了防銹性能和抗硬水性能。

為提升產品的抗硬水能力，在使用傳統抗硬水劑EDTA 添加劑的同時，引入新的抗硬水劑。新的抗硬水劑不僅能夠提升產品的抗硬水能力以及對鈣皂的分散能力，還能夠改善產品的穩定性。

具體考察過程見表5。

表5 配方優化主要過程

由表5 可知，4#樣品通過水基防銹劑的復配以及引入新的抗硬水劑，有效提升了產品的防銹性能和抗硬水能力，能夠滿足標準要求并與現場水質具有良好的適應性。

加強產品使用管理、監測和培訓

在使用自動配液裝置前，嚴格按照規定使用濃度及配液要求配制高含水液壓液，每班均三次測量濃度，若有變動及時調整至正常使用濃度。礦上管理人員也會不定期進行檢查，發現不按要求配液的情況嚴肅進行考核；在使用自動配液裝置后，定期對水處理裝置及自動配液裝置進行檢查，以防設備失效。

在產品的應用過程中針對人員在高含水液壓液配液、管理等方面的不足進行針對性培訓，提升相關技能及經驗。

改進效果

通過采取水質凈化處理、配方優化以及加強產品使用管理、監測和培訓三個措施成功解決了該礦原來存在的問題，減少了煤礦的安全隱患。

結論

☆影響高含水液壓液防銹性能的因素是多方面的，包括液壓支架用濃縮液或液壓支架用乳化油的產品性能、使用過程控制以及配液用水水質等。而要有效控制其影響往往需采取系統措施。在實際運用時可從產品配方設計、生產過程控制、產品的選用、產品使用管理、監測和培訓、配液用水控制等方面采取一個或多個措施來進行控制，以期最大限度減少或避免對防銹性能產生影響。

☆通過采取系列措施成功解決了河南某礦原來存在的濾芯堵塞和設備銹蝕等問題，極大減輕了工人的檢修工作量，且用油消耗降低30%以上。