汪利平，郎需進(jìn)，程亞洲，張杰，李進(jìn)寶，褚銘銘，周福寧

(1.無(wú)錫中石油潤(rùn)滑脂有限責(zé)任公司，江蘇 無(wú)錫 214096；2.中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

液壓支架是煤礦行業(yè)井工礦關(guān)鍵開采設(shè)備之一，用于井下工作面頂板支撐和防護(hù)，關(guān)系到支架設(shè)備和采煤工人的安全[1]。礦用難燃液壓支架液是液壓支架傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，是保證煤礦設(shè)備安全生產(chǎn)的“血液”，除了具備普通傳動(dòng)介質(zhì)的性能指標(biāo)外，還必須具有良好的難燃和抗燃特性[2]。液壓支架液質(zhì)量直接影響液壓支架和綜采設(shè)備的使用壽命和采煤安全，選擇不當(dāng)，輕則會(huì)損壞設(shè)備設(shè)施，重則造成安全事故[3-4]。

液壓支架對(duì)所使用的支架液有以下幾個(gè)方面的性能要求：難燃性[5]：既不能引燃，也不能助燃；經(jīng)濟(jì)性：原材料易得，性價(jià)比高；防腐防銹性[6-7]：在高負(fù)荷、長(zhǎng)周期下使用必須具有良好的防腐防銹性和保持性；穩(wěn)定性[8]：良好的高低溫和振蕩穩(wěn)定性；密封材料相容性[9]：與密封材料接觸不會(huì)產(chǎn)生收縮和膨脹，以免造成失效或失靈；無(wú)害與環(huán)保性[10]：支架液在使用過(guò)程中，操作人員不可避免地會(huì)與其接觸，因此要求其對(duì)人的健康無(wú)影響或影響最低；同時(shí)，支架液使用后無(wú)法回收利用，一般都是直接排放，所以要求其對(duì)環(huán)境污染小或無(wú)污染。國(guó)家也在逐步加強(qiáng)對(duì)礦用難燃液壓支架液的管理。

2021年中國(guó)生產(chǎn)原煤40.7億t，按照該原煤生產(chǎn)量核算，礦用難燃液壓支架液消費(fèi)量約為2.5～4.0萬(wàn)t，市場(chǎng)需求旺盛。該文重點(diǎn)綜述了國(guó)內(nèi)外難燃液壓支架液執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和不同類型產(chǎn)品特性，重點(diǎn)分析了國(guó)內(nèi)礦用難燃液壓支架液市場(chǎng)狀況和發(fā)展趨勢(shì)，提出了礦用難燃液壓支架液未來(lái)發(fā)展方向。

1 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)品特性

1.1 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

ISO 6743-4《潤(rùn)滑劑、工業(yè)用油和相關(guān)產(chǎn)品(L類)的分類 第4部分:H組(液壓系統(tǒng))》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了潤(rùn)滑劑、工業(yè)用油和相關(guān)產(chǎn)品中液壓系統(tǒng)用油的詳細(xì)分類[11]。ISO 12922《HFAE、HFAS、HFB、HFC、HFDR和HFDU等類難燃液體技術(shù)條件》具體規(guī)定了HFAE、HFAS、HFB、HFC、HFDR和HFDU六大類難燃液體技術(shù)條件[12]。ASTM D7044《可生物降解的阻燃型液壓液的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》涵蓋了工業(yè)/移動(dòng)和采礦行業(yè)中使用的可生物降解型抗燃液壓液的性能分類[13]。而ISO 7745《難燃液壓液使用導(dǎo)則》則對(duì)難燃液工作特性、優(yōu)缺點(diǎn)以及選用難燃液應(yīng)考慮的因素等提供了詳盡的指南[14]。

我國(guó)GB/T 7631.2等同采用ISO 6743-4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了液壓系統(tǒng)液壓液產(chǎn)品的詳細(xì)分類[15]。GB/T 16898等同采用ISO 7745對(duì)難燃液選用提供了詳盡的指南[16]。目前，礦用難燃液壓支架液主要執(zhí)行以下3個(gè)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：MT 76-2011《液壓支架用乳化油、濃縮液及其高含水液壓液》[17]，GB/T 21449-2008《水-乙二醇型難燃液壓液》[18]，NB/SH/T 6045-2021《脂肪酸酯型難燃液壓液(HFDU)》標(biāo)準(zhǔn)[19]。MT 76、GB/T 21449和NB/SH/T 6045 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)非等標(biāo)采用ISO 12922標(biāo)準(zhǔn)，部分性能指標(biāo)高于國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)。煤礦井下用難燃液壓支架液主要分類與執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。

表1 礦用難燃液壓支架液的分類與執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

目前，煤礦井下液壓支架系統(tǒng)以乳化油(HFAE)和全合成濃縮液(HFAS)為主要傳動(dòng)介質(zhì)，產(chǎn)品執(zhí)行MT 76-2011標(biāo)準(zhǔn)。MT 76標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了水包油乳化型和無(wú)礦物油溶液型高含水液壓液及配制該液壓液的乳化油或濃縮液的術(shù)語(yǔ)和定義、產(chǎn)品分類、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則等。標(biāo)準(zhǔn)適用于液壓支架、外注式單體液壓支柱等用高含水液壓液及配制該液壓液的乳化油和濃縮液。表2列出了液壓支架用乳化油、濃縮液及其高含水液壓液的技術(shù)要求。

表2 液壓支架用乳化油(HFAE)和全合成高含水液壓液(HFAS)的技術(shù)要求

1.2 產(chǎn)品特性

安標(biāo)國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心2011年1月19日發(fā)布了《煤礦井下用水-乙二醇型、無(wú)水全合成難燃液類產(chǎn)品安全標(biāo)志管理實(shí)施規(guī)則》，將“煤礦井下用水-乙二醇型難燃液壓支架液和無(wú)水全合成難燃液”列入了安標(biāo)認(rèn)證管理體系，并發(fā)布實(shí)施了安標(biāo)字[2011]2號(hào)文《煤礦井下用無(wú)水全合成難燃液壓支架液通用安全要求(試行)》，嚴(yán)格規(guī)定了煤礦井下用無(wú)水全合成難燃液壓支架液的抗燃性要求。國(guó)家應(yīng)急管理部2022年1月6日發(fā)布實(shí)施的新版《煤礦安全規(guī)程》，對(duì)井下設(shè)備需使用難燃液壓支架液也進(jìn)行了明確規(guī)定。中國(guó)礦用難燃液壓支架液技術(shù)日趨成熟，初步形成了HFA、HFB、HFC、HFD四大系列。本節(jié)就四大類難燃液壓支架液的特性、優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行歸納總結(jié)。

高水基抗燃液壓液(HFA)產(chǎn)品是一種含水量超過(guò)90%的抗燃液壓介質(zhì)，包含水包油型乳化油和無(wú)礦物油全合成型濃縮液。HFAE乳化液產(chǎn)品具有較好的潤(rùn)滑性及良好的高礦化度水質(zhì)適應(yīng)性，是液壓支架系統(tǒng)中的主要傳動(dòng)介質(zhì)之一。但HFAE乳化液產(chǎn)品屬于油-水兩相體系，在使用過(guò)程中容易受溫度、水質(zhì)影響出現(xiàn)析油析皂，堵塞過(guò)濾器和操縱閥等問(wèn)題。HFAS合成液壓支架濃縮液以水作為載體，不含礦物油，性價(jià)比高，具有優(yōu)異的抗燃性、潤(rùn)滑性、防銹性、便利性和更加穩(wěn)定的熱穩(wěn)定性，使用過(guò)程中不析油、不析皂、不堵濾網(wǎng)，也可適用于電液控制系統(tǒng)[20]。為液壓支架提供了良好的保護(hù)作用，降低了采煤綜合成本，逐步占據(jù)了市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。

HFB為油包水型乳化液，具有良好的難燃和抗燃性、防銹和潤(rùn)滑性，此外，還具有優(yōu)異的容水能力和黏度調(diào)節(jié)性[21]。HFB乳化液與礦物油型液壓液相比，抗腐蝕、抗磨損和潤(rùn)滑性基本一致，只有當(dāng)水含量大于40%以后，才具備良好的抗燃性。HFB與HFAE乳化液產(chǎn)品類似，缺點(diǎn)在于乳化液長(zhǎng)期穩(wěn)定性不好，市場(chǎng)在逐漸萎縮。

HFC水-乙二醇型難燃液壓液與礦物油型液壓液相比，性能指標(biāo)相當(dāng)，具有優(yōu)異的抗燃性能，具有良好的防銹性、潤(rùn)滑性、剪切性和密封材料相容性，可用于部分煤礦井下液壓設(shè)備[22]。與合成酯無(wú)水液壓液相比，其價(jià)格便宜，容易與非金屬材料配套使用，在國(guó)內(nèi)外冶金、礦山、機(jī)械、化工以及鑄造等許多行業(yè)得到了越來(lái)越廣泛的使用。同時(shí)，水-乙二醇抗燃液壓液還具有低溫流動(dòng)性/好(傾點(diǎn)一般均低于-40 ℃)的優(yōu)點(diǎn)，可用于低溫工況下工作的液壓設(shè)備中[23]。

HFD合成酯型難燃液壓支架液因具有閃點(diǎn)高、燃點(diǎn)高、蒸發(fā)損失小、抗燃性好、潤(rùn)滑性優(yōu)、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，適合于壓力高和溫度變化幅度大的液壓系統(tǒng)[24]。但磷酸酯在水解安定性、黏溫特性、抗腐蝕性、生物毒性和橡膠相容性等方面存在一定的局限性，使用時(shí)要特別注意。脂肪酸酯型難燃液壓液不但具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性和高低溫穩(wěn)定性，而且還具有優(yōu)異的可生物降解性，已廣泛應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)連鑄生產(chǎn)線和高爐、鑄造廠、熱軋廠、煤礦等液壓系統(tǒng)[25]。目前國(guó)內(nèi)較為常用的是三羥甲基丙烷油酸酯型液壓液產(chǎn)品，具有生物可降解性，滿足ASTM D7044規(guī)格要求。

2 市場(chǎng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

2.1 四大系列產(chǎn)品在行業(yè)中的應(yīng)用情況

2021年中國(guó)煤炭產(chǎn)量為40.7億t，按照每生產(chǎn)10～15萬(wàn)t煤消耗1 t液壓支架液進(jìn)行核算，中國(guó)每年礦用液壓支架液使用量高達(dá)2.5～4.0萬(wàn)t。中國(guó)已經(jīng)形成了HFA、HFB、HFC、HFD四大系列礦用難燃液壓支架液質(zhì)量控制體系，產(chǎn)品研發(fā)能力和產(chǎn)品質(zhì)量均達(dá)到或超過(guò)國(guó)際同類產(chǎn)品。根據(jù)中國(guó)石油潤(rùn)滑油公司2021年實(shí)際產(chǎn)銷量并結(jié)合調(diào)研數(shù)據(jù)，四大系列產(chǎn)品在煤礦行業(yè)市場(chǎng)分布情況如圖1所示。

圖1 四大系列難燃液壓液在煤礦行業(yè)市場(chǎng)分布

從圖1可知：礦用難燃液壓支架液市場(chǎng)主流產(chǎn)品主要還是乳化油和合成液，HFA系列乳化油和合成液產(chǎn)品市場(chǎng)占比約為88.68%。HFB油包水型乳化液逐步被HFA系列產(chǎn)品所替代，幾乎沒(méi)有市場(chǎng)；HFC水-乙二醇型難燃液壓支架液市場(chǎng)占比約為9.30%，HFD合成酯型難燃液壓支架液在煤礦井下液壓液市場(chǎng)占比僅為2.04%。主要原因是：1)HFA系列合成液產(chǎn)品，具有材料易得、易于調(diào)合、性價(jià)比高的特點(diǎn)；2)HFB油包水型乳化液，穩(wěn)定性不足；3)HFC水-乙二醇型難燃液壓支架液，材料易得，性價(jià)比沒(méi)有合成液產(chǎn)品高；4)HFD合成脂產(chǎn)品，磷酸酯型產(chǎn)品抗燃抗磨性能雖好，但具有一定毒性，除特殊場(chǎng)合外，正逐步被多元醇酯型產(chǎn)品替代。

2.2 乳化油和合成液在行業(yè)中的應(yīng)用情況

根據(jù)調(diào)研結(jié)果可知，中國(guó)礦用難燃液壓支架液市場(chǎng)主流產(chǎn)品為HFA系列乳化油和合成液，市場(chǎng)占比約為90%。礦用難燃液壓支架液產(chǎn)品最大市場(chǎng)主要集中在煤礦主采區(qū)，內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東等產(chǎn)煤大省。上述地區(qū)煤礦規(guī)模大、產(chǎn)量高、用液比較規(guī)范。表3列舉了中國(guó)液壓支架液主要應(yīng)用客戶和主要應(yīng)用產(chǎn)品型號(hào)。

表3 國(guó)內(nèi)液壓支架液主要客戶和主要產(chǎn)品型號(hào)

國(guó)內(nèi)HFA系列乳化油和合成液產(chǎn)品生產(chǎn)供應(yīng)商很多，主要有：中國(guó)石油潤(rùn)滑油公司、中國(guó)石化潤(rùn)滑油公司、福斯?jié)櫥?中國(guó))有限公司、煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司、河北中煤神?？萍及l(fā)展有限公司、山西云雁石化有限公司、河北德特爾潤(rùn)滑油有限公司、山西潞安太行潤(rùn)滑科技股份有限公司等，產(chǎn)品的抗硬水能力一般設(shè)計(jì)為500～1500 mg/L不等，推薦使用濃度大多集中在5%。圖2是不同型號(hào)礦用高含水液壓支架液市場(chǎng)分布情況。

圖2 不同型號(hào)礦用高含水液壓液市場(chǎng)分布

從圖2可知：市場(chǎng)的主流產(chǎn)品主要包括乳化油HFAE10-5、HFAE20-5、HFAE25-5和濃縮液HFAS15-5、HFAS20-5。HFAE系列乳化油產(chǎn)品市場(chǎng)占比約為23.96%。HFAS系列合成液產(chǎn)品市場(chǎng)占比約為76.04%，其中，HFAS15-5合成液產(chǎn)品市場(chǎng)用量最大，占比超過(guò)67.00%。人工硬水硬度等級(jí)大于20的乳化油和合成液占比約為0.02%。這與楊葉等人于2016年對(duì)中國(guó)西北、華北、東北、兩淮、山西等礦區(qū)782個(gè)水樣進(jìn)行分析，水質(zhì)硬度<1000 mg/L(人工硬水硬度等級(jí)≤20)的樣品占比為96.30%，水質(zhì)硬度>1000 mg/L(人工硬水硬度等級(jí)>20)的樣品占比為3.7%基本吻合[26]。HFAS35-5和HFAS40-5等高抗水性難燃液壓產(chǎn)品，通常是根據(jù)礦井實(shí)際水質(zhì)情況進(jìn)行定制化開發(fā)和供應(yīng)。

溶液配制濃度幾乎全部為5%，濃度過(guò)低會(huì)降低抗硬水能力，降低防銹性、穩(wěn)定性和潤(rùn)滑性。表4是某款HFAS 15-5濃縮液在不同濃度下對(duì)成品液壓液性能影響考察數(shù)據(jù)。從表4數(shù)據(jù)可知：雖然該HFAS 15-5濃縮液在3%的加量下依然可以保證成品滿足MT 76標(biāo)準(zhǔn)，但不同地區(qū)不同礦井不同水質(zhì)條件差異較大，為了保證支架液在低濃度下使用仍能維持系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，建議不能隨意降低配液濃度。

表4 HFAS15-5濃縮液在不同濃度下對(duì)成品液壓液性能影響

2.3 發(fā)展趨勢(shì)

難燃液壓支架液發(fā)展迅速，品類齊全，在高溫高壓及存在明火的工況下替代礦物型液壓油使用，在液壓油中的占比也在逐步增長(zhǎng)。

HFAS型液壓支架液壓液具有非常好的抗燃性和穩(wěn)定性。隨著國(guó)內(nèi)環(huán)保要求日益嚴(yán)格，要求更高的電液控制系統(tǒng)也將使用這種無(wú)礦物油的合成液，市場(chǎng)份額會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，可生物降解的水-化學(xué)溶液是今后的努力方向。HFC型礦用水-乙二醇難燃液壓支架液具有優(yōu)異的抗燃性能、潤(rùn)滑性、防銹性、抗剪切性及密封材料相容性，是礦用液壓液的重要產(chǎn)品之一，隨著小型化、高效率和高負(fù)荷液壓裝置的發(fā)展與應(yīng)用，需要進(jìn)一步提高水-乙二醇抗燃液壓液的潤(rùn)滑性并延長(zhǎng)換油周期。HFD型合成酯型難燃油因具有的良好的抗燃性、優(yōu)異的潤(rùn)滑性、較長(zhǎng)的使用壽命，也將成為煤礦用難燃油品的重要發(fā)展方向。磷酸酯型抗燃液壓液由于價(jià)格高、毒性大，在鋼鐵行業(yè)逐步被水-乙二醇型和脂肪酸酯型液壓液所替代。由于其優(yōu)異的抗燃阻燃性，在要求更高的電力行業(yè)中仍然具有不可替代性。脂肪酸酯型產(chǎn)品不但具有其它品類的基本性能，還具有良好的可生物降解性。因此，脂肪酸酯型產(chǎn)品的應(yīng)用比例會(huì)逐步提高。

3 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)是煤炭生產(chǎn)大國(guó)，且多數(shù)煤炭行業(yè)屬于井工礦，危險(xiǎn)性相對(duì)較高。因此，研究現(xiàn)代化的采煤工藝和不斷提高機(jī)械采煤率是減少安全事故的有效途徑之一，難燃液壓支架液作為綜采設(shè)備的主要物資之一，產(chǎn)品的穩(wěn)定性、一致性、安全性和環(huán)保性是評(píng)價(jià)其質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要依據(jù)。礦用難燃液壓支架液不僅要滿足采煤設(shè)備的基本潤(rùn)滑要求，還需要兼顧可生物降解性和生物毒性。建議將以上性能要求逐步納入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，形成準(zhǔn)入規(guī)則，加大監(jiān)管力度，促進(jìn)煤礦行業(yè)的健康發(fā)展。