張佃惠,劉敬軍

(1.91663部隊(duì),山東青島 266011;2.92132部隊(duì),山東青島 266405)

目前,船舶設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)研究發(fā)展較快,油液監(jiān)測技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)設(shè)備主動(dòng)維修的最為行之有效的監(jiān)測手段之一,能夠監(jiān)測水分、顆粒污染及油質(zhì)降解等導(dǎo)致設(shè)備故障的故障根源,已經(jīng)在船舶設(shè)備的科學(xué)化管理和維修中發(fā)揮了重要作用。油質(zhì)分析和磨粒分析作為油液監(jiān)測的兩個(gè)方面同等重要。對油質(zhì)本身進(jìn)行監(jiān)測并做出是否換油結(jié)論,會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益,因此國內(nèi)在油質(zhì)監(jiān)測方面越來越重視[1-3]。傅里葉變換紅外光譜分析技術(shù)是鑒別物質(zhì)和分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)的有效手段,在有機(jī)化學(xué)、高分子化學(xué)、石油化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。上世紀(jì)初,紅外光譜儀被用于監(jiān)測在用油中氧化物、硫化物、硝化物、積碳、水分、乙二醇、燃油稀釋以及砂?；覊m的污染度,同時(shí)也可以監(jiān)測油品的添加劑如防磨劑的降解來了解油液衰敗的情況,可以取代某些傳統(tǒng)的油液理化指標(biāo)分析方法,有效縮短測試時(shí)間,顯著提高測試效率,大大提高設(shè)備油液快速監(jiān)測診斷能力。本文立足于油液監(jiān)測工作就傅里葉紅外光譜儀在船舶設(shè)備油液監(jiān)測診斷工作中的應(yīng)用提出一些建議。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

在國外,傅里葉紅外光譜技術(shù)在軍隊(duì)中已經(jīng)開展了實(shí)船應(yīng)用研究。上世紀(jì)末,美國海軍將傅里葉紅外光譜儀安裝在航母等大型艦船上,并開展了相應(yīng)的研究工作,取得了成功的經(jīng)驗(yàn)。軍隊(duì)的各級油料分析系統(tǒng)也陸續(xù)配發(fā)了傅里葉紅外光譜儀,取代部分陳舊的、落后的常規(guī)理化指標(biāo)分析設(shè)備,效果顯著,并且還在不斷地?cái)U(kuò)展其應(yīng)用范圍,從而將軍隊(duì)的油料分析工作提到了一個(gè)新的高度。目前,美軍基本上是以原子發(fā)射式光譜儀 (元素分析光譜儀)和紅外光譜儀為核心的油料分析系統(tǒng)。這一系統(tǒng)使他們很好的掌握了設(shè)備的磨損狀態(tài),透徹地了解油料在使用過程中的衰變和污染 (包括添加劑損耗)以及這些參量與機(jī)械失效形式的相關(guān)性。油料狀態(tài)監(jiān)測分析系統(tǒng)為美軍作戰(zhàn)勝利做出了極有價(jià)值的貢獻(xiàn)。

在國內(nèi),船舶油液理化性能測定主要是針對在用油液理化性能檢測,偏重于油液在使用中性能變化的測定,如油液在使用中被其它油液或冷卻液稀釋、油液中進(jìn)入微量海水、油液中添加劑被消耗、油液的污染狀況、油液中磨損金屬的狀況等性能變化等,以此來準(zhǔn)確、及時(shí)地掌握船舶設(shè)備油液使用性能的狀態(tài)和船舶主要機(jī)電設(shè)備的使用狀況,確保船舶的在航率和減少故障率。

在實(shí)際工作中,傳統(tǒng)的常規(guī)水分、粘度、總酸(堿)值等油液理化指標(biāo)由于受檢測目的、人力、物力、儀器等多方面條件的限制,往往不需要做全部性能分析;同時(shí)由于試驗(yàn)方法和條件的限制,存在著測試時(shí)間長、樣品消耗大、精度不夠高等缺點(diǎn)。因此,選擇油液性能檢測項(xiàng)目的原則就是油液在使用中性能變化大并對船舶機(jī)電設(shè)備可靠性有影響的項(xiàng)目,同時(shí)對這些項(xiàng)目的分析方法要求簡單、快速,既能及時(shí)了解船舶機(jī)電設(shè)備在用油液的使用狀況,又能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障和故障隱患,快速解決船舶在用油液中存在的問題。

目前,國內(nèi)許多實(shí)驗(yàn)室配置了美國生產(chǎn)的傅里葉紅外光譜儀,該儀器可以收集中紅外和近紅外光譜范圍的譜圖,經(jīng)過各種數(shù)學(xué)處理,得到所測樣品中各種化學(xué)成分的含量和分布。該公司開發(fā)的 Integra軟件專門用于分析在用潤滑油中的積碳、水、氮化物、氧化物、防凍劑、硫化物、防磨添加劑等各種組分,可以動(dòng)態(tài)地監(jiān)測在用潤滑油的衰變和劣化程度。該儀器具有掃描速度快、精度高、分辨率高等特點(diǎn)。國內(nèi)關(guān)于此項(xiàng)技術(shù)的研究多只限于油品的添加劑配方、品質(zhì)鑒定等石油產(chǎn)品的生產(chǎn)和質(zhì)檢環(huán)節(jié),針對船舶設(shè)備在用油液監(jiān)測方面的應(yīng)用研究尚未見報(bào)道。我們利用傅里葉紅外光譜儀對在用柴油機(jī)潤滑油中灰分含量、產(chǎn)生的氧化物含量、硝化物含量、磺化物含量、燃油稀釋含量、乙二醇含量和添加劑 ZnDDP的降解測試項(xiàng)目進(jìn)行了專門研究,結(jié)合潤滑油的磨粒分析研究,得出它們之間的相關(guān)性規(guī)律,為今后船舶設(shè)備潤滑油監(jiān)測診斷向智能化、綜合化方向發(fā)展提供有力的科學(xué)基礎(chǔ)。

2 應(yīng)用原理

紅外光譜是一種對物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成進(jìn)行定性定量分析的試驗(yàn)室技術(shù)。其應(yīng)用的物理原理是:根據(jù)量子力學(xué)概念,分子運(yùn)動(dòng)的能量是不連續(xù)的,每個(gè)運(yùn)行狀態(tài)都屬于一定的能級,而每一種物質(zhì)分子有它自己的特征能級圖。當(dāng)用一束具有連續(xù)波長的紅外光照射某種物質(zhì)時(shí),該物質(zhì)的分子就要吸收一部分光能,并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥恼駝?dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能量,分子吸收的能量,應(yīng)為該分子兩個(gè)能級間的能量差,與吸收光的頻率間的關(guān)系符合普朗克定律。因此,若將透過分析樣品的紅外線用單色器進(jìn)行色散,就可以得到一條譜帶,如果以波長或波數(shù)(cm-1)為橫坐標(biāo),以百分吸收率 (A)或透過率為縱坐標(biāo),把譜帶記錄下來,就得到該物質(zhì)的紅外吸收光譜圖。將該圖與已知分子標(biāo)準(zhǔn)圖相對照,通過解析,就可確定物質(zhì)分子組成和結(jié)構(gòu)。

紅外光譜儀是一種應(yīng)用范圍很廣的分析儀器,在用于潤滑油分析時(shí)的工作過程一般是:先分別做出參比油 (新油)和要測的在用油的譜圖,除去相同的吸收峰,得出差值,找出差值的基線,就可定量得到在用油中各降解產(chǎn)物和污染物讀數(shù)。

圖 1為在用油液紅外光譜特征峰。在添加劑測試方面主要有以下特征峰:在 3 650 cm-1處為苯酚的 O-H鍵的伸縮振動(dòng);在 3 400 cm-1和 1 625 cm-1為胺類的 N-H伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng);在 990 cm-1和 650 cm-1處為 ZDDP的 P-O-C和 P-S的伸縮振動(dòng)。在副產(chǎn)物的測試方面主要有以下特征峰:在 1 600 cm-1～1 750 cm-1和 3 500 cm-1～3 595 cm-1分別為羧酸酯、酮和羧酸的官能團(tuán)特征峰;在 1 630 cm-1處為硝酸酯的特征峰,在 1 150 cm-1處為硫化物的特征峰。在污染物方面主要有以下特征峰:在 3 500 cm-1～3 100 cm-1處為 OH的伸縮振動(dòng),可測試到水和醇類;在 1 080 cm-1～1 040 cm-1為冷卻劑的 C-O對稱伸縮振動(dòng);在810 cm-1處為柴油的芳環(huán)的 C-H鍵的彎曲振動(dòng);750 cm-1處為汽油的芳環(huán)的 C-H鍵的彎曲振動(dòng);在 2 000 cm-1處為灰分的基準(zhǔn)偏移。

圖1 油液紅外光譜特征峰

3 應(yīng)用實(shí)例

本實(shí)驗(yàn)室使用的是 AVATAR360型傅里葉紅外光譜儀及其分析軟件 (OMNIC)。我們對某船柴油機(jī)潤滑油進(jìn)行了連續(xù)跟蹤監(jiān)測,應(yīng)用傅里葉紅外光譜儀對油液進(jìn)行了劣化程度分析,并應(yīng)用超譜 -M型油料分析光譜儀對油液進(jìn)行了磨粒分析,得出了該設(shè)備的潤滑油油液劣化程度含量趨勢圖和磨損金屬元素含量趨勢圖。圖 2為編號為 74#～108#潤滑油油樣中產(chǎn)生的積碳 (Soot)、氧化物 (Oxidation)、硝化物 (Nitration)、硫化物 (Sulfation)的含量趨勢圖,圖 3為編號為 74#～108#潤滑油油樣中磨損金屬元素含量趨勢圖。

圖2 潤滑油中產(chǎn)生的積碳、氧化物、硝化物、硫化物含量趨勢圖

圖3 潤滑油金屬元素含量趨勢圖

從圖 2、圖 3中可以看出,在油樣編號 77#、98#、104#處產(chǎn)生的積碳、氧化物、硝化物、硫化物的出現(xiàn)峰,對應(yīng)于磨損金屬元素含量也出現(xiàn)峰,說明處于這 3個(gè)狀態(tài)下的柴油機(jī)磨損劇烈,相應(yīng)的潤滑油油質(zhì)劣化程度嚴(yán)重,從這點(diǎn)可以看出傅里葉紅外光譜儀在油質(zhì)劣化趨勢方面和了解機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)方面的優(yōu)勢,它特別適用于油液性能趨勢分析的監(jiān)控,更便于掌握機(jī)械潤滑狀態(tài),為今后按質(zhì)換油、合理使用設(shè)備提供科學(xué)依據(jù)。

4 應(yīng)用建議

1)目前,傅里葉紅外光譜儀OMNIC軟件中的油分析軟件 Integra存在很多不足。如水和乙二醇在紅外中有特征吸收峰,能在含量高于 0.1%(1 000μg/g)時(shí)被檢測出來,但是此方法不像其它方法那樣靈敏。乙二醇和水都含有 -OH基團(tuán),當(dāng)兩者同時(shí)存在時(shí),這一測定受到干擾,測定準(zhǔn)確度受到影響,因此水和乙二醇的測定值僅作為參考值。建議對水分和乙二醇等醇類含量的測試應(yīng)使用OMNIC軟件,針對 TQ定量分析在油液監(jiān)測診斷中的應(yīng)用還要進(jìn)行專門培訓(xùn),以提高傅里葉紅外光譜儀在油液中進(jìn)水情況測試的準(zhǔn)確度。

2)加快傅里葉紅外光譜儀與其它油液分析數(shù)據(jù)的相關(guān)性研究,以確認(rèn)該儀器在油液監(jiān)測診斷中的應(yīng)用范圍和地位作用,真正地發(fā)揮該儀器的潛力。

3)建立傅里葉紅外光譜儀數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò),加強(qiáng)交流,進(jìn)一步提高監(jiān)測診斷水平。

[1]徐啟圣,李柱國.基于層次分析法的油液診斷特征屬性的選擇 [J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006,40(2):1 355-1 359.

[2]王越之,劉德華,羅春枝.用灰色關(guān)聯(lián)分析監(jiān)控磨損和潤滑質(zhì)量 [J].石油機(jī)械,1995,23(7):34-38.

[3]王德巖.在用航空潤滑油可靠性評估方法的研究 [J].潤滑油,2006,2(2):53-57.