Reciprocating compressor lubrication

Expense 
Cost 
Labor (overtime)
$2000/day 
Packing and piston ring replacement
$3,000 
Expedited shipping
$4,000 
Cylinder replacement
$25,000 
Lost production
$40,000/day 
Using these numbers, the cost-benefit analysis for the lubricant becomes apparent. The cost of 
the lubricant for this compressor would at most total $300,000 annually if using a synthetic 
lubricant at a premium of $50/gallon. However, this is far cheaper than failing a compressor as 
even eight days of lost production for repairs would cost more than the annual cost of premium 
lubricant. Thus, operators are inclined to err on the side of overlubricating their compressors to 
prevent costly compressor failures, shutdowns, and repairs but in doing so may be missing out 
on savings from reducing lubricant consumption and reduced processing needs downstream.
Given the criticality of the compressor lubricant, how can an operator select an effective 
lubricant and lubrication rate for a specific compressor? The focus of this thesis will be to 
identify and analyze the resources currently available to determine reciprocating compressor 
lubricant and lubrication rate suggestions. In addition to this, an investigation of how the 
thermophysical properties of a lubricant affect these suggestions will be presented. This will be 
done by showing how the thermophysical properties of a lubricant can change when in contact 
with a high-pressure gas environment as measured through a laboratory investigation as well as 
a field study. Finally, a computer model of how the thermophysical properties of a lubricant 
affect the lubricant flow under a piston ring will be discussed. 

---

13 
Chapter 2 
–
Previous work on Lubricant Dilution and Lubrication 
Theory 
2.1 - Current Lubricant and Lubrication Rate Suggestions 
There are many resources available to an operator when selecting a lubricant and lube rate for 
a reciprocating compressor including compressor handbooks, OEM manuals, and aftermarket 
lubrication system manufacturers, among others. However, these resources can provide 
drastically different suggestions due to the numerous factors that can affect the lubricant and 
lube rate required for a specific compressor. 
As one source puts it, “No formula or graph can 
cover all possible conditions, pressures, speeds, gases, and ring materials”
(Hanlon, 2001). 
Starting with this rather pessimistic conclusion, let us compare a few of these sources to see 
how they match up. 
2.1.1 - Compressor Handbook
In the 
“Compressor Handbook”
, Hanlon (2001) provides the aforementioned quote on the state 
of lubrication rates but also makes suggestions for how to select a lubricant for use in a 
reciprocating compressor based on: 
1. 
The “cold flow” temperature 
of the lubricant 
which is given as “
6,000 to 10,000 SUS
” 
equivalent to 1295 to 2185 cSt. 
2. The compressor discharge temperature. 
3. 
The minimum oil viscosity noting “
when lubricating oil reaches the viscosity equivalent to 
water, the oil film no longer supports dynamic loads resulting in rapid failure. This 
minimum viscosity is recognized as about 36 SUS”
or 3cSt. 

---

14 
4. Gas absorption of the compressed gas into the lubricant. 
5. Lubricant washing with liquid hydrocarbons. 
6. 
Additives that may improve the lubricant’s performance for a specific application
. 
Moving on to lubrication rates, Hanlon (2001) presents the diagram shown in Figure 9 as a 
graphical means to calculate the lubrication rate for a specific compressor.