太原理工大學(xué) 孫志偉 段滋華

廣東石油化工學(xué)院 宣征南

論述了鐵譜分析技術(shù)在國(guó)內(nèi)外各行業(yè)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀及其在石化行業(yè)的應(yīng)用前景，討論了鐵譜分析技術(shù)應(yīng)用的最新進(jìn)展，認(rèn)為鐵譜分析技術(shù)的研究熱點(diǎn)是建立摩擦學(xué)系統(tǒng)的鐵譜磨損數(shù)學(xué)模型、多種油液監(jiān)測(cè)技術(shù)綜合使用、磨粒自動(dòng)識(shí)別技術(shù)和新型在線鐵譜儀研制與開發(fā)。根據(jù)分析論證，認(rèn)為鐵譜技術(shù)可以為石油化工設(shè)備的安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行提供有力的保障。

一、引言

石化行業(yè)是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。石化行業(yè)又是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)的行業(yè)，有著自己的行業(yè)特點(diǎn)：（1）石化生產(chǎn)中涉及物料危險(xiǎn)性大，發(fā)生火災(zāi)、爆炸、群死群傷事故幾率高；（2）石化生產(chǎn)工藝技術(shù)復(fù)雜，運(yùn)行條件苛刻，易出現(xiàn)突發(fā)災(zāi)難性事故；（3）裝置大型化，生產(chǎn)規(guī)模大，連續(xù)性強(qiáng)，個(gè)別事故影響全局；（4）石化裝置技術(shù)復(fù)雜、設(shè)備制造、安裝成本高，裝置資本密集，發(fā)生事故時(shí)損失巨大。因此保證石化機(jī)械設(shè)備安全可靠運(yùn)行是十分必要的。

機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中磨損是不可避免的，所造成的損失也是巨大的。因而進(jìn)行機(jī)械設(shè)備磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)提高機(jī)器的可靠性和延長(zhǎng)壽命，減少維修費(fèi)用具有重大的意義。

油液監(jiān)測(cè)是機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要手段之一，目前油液監(jiān)測(cè)分析方法包括磁塞檢測(cè)法、光譜分析法和鐵譜分析法等。其主要檢測(cè)范圍見表1。

表1 各種油樣分析法主要檢測(cè)范圍

由表1可看出，與其他方法相比，鐵譜分析法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.磨粒尺寸檢測(cè)范圍寬

大量統(tǒng)計(jì)資料表明，磁塞檢測(cè)和光譜分析分別只適用于檢測(cè)尺寸較大(＞100μm)和極微小磨粒(＜10μm)，而大多數(shù)設(shè)備失效期磨粒特征尺寸多在15-200μm之間，當(dāng)磁塞檢測(cè)收集到一定數(shù)量的大磨粒時(shí)，可能設(shè)備中的某些零件已經(jīng)損壞，故磁塞檢測(cè)早期損壞預(yù)報(bào)的可靠性較低。鐵譜分析的磨粒尺寸在1-1000μm，包含了對(duì)于磨損狀態(tài)識(shí)別和故障原因診斷具有特殊意義的尺寸范圍。

2.能同時(shí)進(jìn)行磨粒的定量檢測(cè)和定性分析

光譜分析法盡管能精確測(cè)量油樣中小于5μm的磨粒含量和成分，并以此為依據(jù)判斷機(jī)械設(shè)備的磨損狀態(tài)，但是限于其工作原理，它不能分析磨粒的形態(tài)，無(wú)法將磨粒按尺寸大小均勻排列，即無(wú)法定性分析，只能對(duì)磨粒進(jìn)行定量分析。

磁塞檢測(cè)法能夠有效地檢測(cè)出上百μm甚至mm級(jí)的磨粒，若輔以檢測(cè)過(guò)濾器，亦可收集摩擦副的有色金屬磨粒，但難以進(jìn)行定量分析。

鐵譜分析技術(shù)較光譜方法、磁塞檢測(cè)法的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)就是能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)磨粒的定性檢測(cè)和定量分析，不僅觀察磨粒的類型、形態(tài)、尺寸、顏色、表面特征與結(jié)構(gòu)等還可以測(cè)量磨粒量、磨損劇烈程度、磨粒材質(zhì)成分等，這既給分析機(jī)械設(shè)備磨損狀態(tài)、故障原因和研究設(shè)備失效機(jī)理等提供了全面而寶貴的信息，又大大提高了機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的可靠性。

3.能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)機(jī)器中一些不正常磨損的輕微征兆，具有磨損故障早期診斷效果

鐵譜分析技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它能準(zhǔn)確檢測(cè)出機(jī)械設(shè)備中一些不正常磨損的輕微征兆，如早期的疲勞磨損、粘著、擦傷與腐蝕磨損等，從而可為設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)人員提供寶貴信息，避免機(jī)械事故發(fā)生。

可見，鐵譜分析技術(shù)可以簡(jiǎn)便而有效地從潤(rùn)滑油中分離出有價(jià)值的磨粒；同時(shí)，鐵譜分析還可以觀察磨粒的表面形貌、顏色等，從而能獲得更為豐富的關(guān)于機(jī)器磨損狀態(tài)及其機(jī)理的信息，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器磨損狀態(tài)的有效監(jiān)測(cè)與診斷。這些優(yōu)點(diǎn)，是其他油樣分析方法所無(wú)法比擬的。因此，利用鐵譜分析技術(shù)對(duì)石化設(shè)備磨損進(jìn)行故障診斷是十分合理的，不但可以對(duì)設(shè)備的磨損狀況進(jìn)行定性檢測(cè)和定量分析，還可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)機(jī)器中一些不正常磨損的輕微征兆，具有磨損故障早期診斷效果。

二、技術(shù)進(jìn)展

鐵譜技術(shù)(Ferrography)是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的一種磨損顆粒分析新技術(shù)，美國(guó)麻省理工學(xué)院W.W.Seifert和美國(guó)Foxboro公司V.C.Westcott于1970年最早提出其原理，并于1971年研制出用于分離磨損顆粒并進(jìn)行觀察分析的儀器——鐵譜儀和鐵譜顯微鏡。它的原理是利用專門設(shè)計(jì)的高梯度強(qiáng)磁場(chǎng)裝置，把油樣中金屬磨粒分離出來(lái)，使其按照尺寸大小依次沉積，然后進(jìn)行磨粒粒子特征的定性和定量分析，以獲得機(jī)械磨損的可靠信息，從而分析機(jī)器的磨損機(jī)理和判斷磨損的狀態(tài)，并作出運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備故障預(yù)測(cè)等。

鐵譜分析技術(shù)對(duì)于摩擦系統(tǒng)的各種摩擦故障的診斷十分敏感，它可在不停機(jī)的情況下通過(guò)分析油液中的微粒，檢測(cè)出系統(tǒng)中一些不正常磨損的輕微征兆。上世紀(jì)80年代，鐵譜技術(shù)逐步傳入我國(guó)并得已發(fā)展。而今鐵譜技術(shù)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用范圍涉及石油化工、生物、醫(yī)療工程、航空、航海、鐵路等各個(gè)領(lǐng)域，并在發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

鐵譜分析技術(shù)最初用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，20世紀(jì)70年代D.Scott和V.C.Westcott對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中鐵元素磨損磨粒的分析式鐵譜檢測(cè)表明：潤(rùn)滑油中金屬鐵磨損磨粒的粒徑穩(wěn)定在2～3μm時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)磨損狀態(tài)未發(fā)生異常。由此揭開了以磨粒為信息載體對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行磨損監(jiān)測(cè)診斷和磨損機(jī)理研究的新篇章，并且推動(dòng)了摩擦學(xué)的發(fā)展，產(chǎn)生了微粒摩擦學(xué)的概念。

鐵譜分析技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在理論方法的不斷完善和儀器設(shè)備的不斷改進(jìn)兩方面。

在理論方法上，鐵譜分析技術(shù)最初是對(duì)磨粒進(jìn)行定性分析，單純依靠磨粒的尺寸判斷設(shè)備磨損狀態(tài)，因該方法需要積累大量的經(jīng)驗(yàn)，不利于推廣；隨后有了進(jìn)一步的發(fā)展，根據(jù)譜片上磨粒的數(shù)量、形狀、粒徑、表面形貌及顏色綜合進(jìn)行判斷，這種方法將磨粒進(jìn)行分類并給出了產(chǎn)生磨粒的原因，只要根據(jù)觀測(cè)到的磨粒類型就可以判斷設(shè)備故障原因及其部位，但該方法最主要的缺點(diǎn)就是如果設(shè)備中含有大量的摩擦副，那么正常磨損時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較多的異常磨粒，很容易造成誤判，從而導(dǎo)致不必要的損失；于是對(duì)磨粒進(jìn)行定量分析的方法應(yīng)運(yùn)而生，根據(jù)大、小磨粒的濃度值，結(jié)合磨損烈度指數(shù)、累積總磨損、累積磨損烈度、磨粒濃度、大磨粒百分比等多個(gè)參數(shù)利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理做出磨損狀態(tài)趨勢(shì)圖對(duì)設(shè)備磨損狀態(tài)進(jìn)行判斷，與定性分析方法形成互補(bǔ)，極大的提高了對(duì)磨損狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性和可靠性。近年來(lái)，為了滿足一些特殊場(chǎng)合的需要，又產(chǎn)生了一些新的方法，如為了判斷磨粒的材質(zhì)以便準(zhǔn)確判斷故障發(fā)生的部位，可以采用鐵譜片加熱法或偏振光法，根據(jù)磨粒加熱后不同的回火色或偏振光下光強(qiáng)的變化進(jìn)行判斷；當(dāng)設(shè)備中含有非金屬和非磁性材料時(shí)，這些材料產(chǎn)生的磨粒沉積是隨機(jī)的，且在大多數(shù)情況下無(wú)法捕捉(捕捉率只有15%)，這時(shí)可采用磁化鐵譜分析技術(shù)，利用磁化液中存在大量均勻分散于溶劑中的強(qiáng)磁性超微粒吸附磨粒表面使磨粒磁化，從而使這些磨粒可以被正常捕捉。這些方法的不斷完善使鐵譜技術(shù)在對(duì)設(shè)備磨損狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性和可靠性上有了極大的提高，而隨著現(xiàn)代工業(yè)要求的不斷提高和科技的不斷進(jìn)步，鐵譜分析技術(shù)的方法也將不斷進(jìn)步。

在儀器設(shè)備方面，已經(jīng)開發(fā)出了分析式鐵譜儀、直讀式鐵譜儀、旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀、氣動(dòng)式鐵譜儀等適用于不同場(chǎng)合的多種設(shè)備。如當(dāng)油樣取自采煤機(jī)械等含有大量外界污染物的設(shè)備時(shí)，鐵譜片上往往會(huì)覆蓋一層煤粉或其他污染物，若采用旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀則可以借助離心力甩除那些往往磁化率很低的污染物留下真正反映磨損狀態(tài)的磨粒起到“去偽存真”的作用；而當(dāng)需要進(jìn)行干磨料磨損條件下磨粒分析時(shí)，采用氣動(dòng)式鐵譜儀可以將磨粒與沙子或其他粉狀物料分開并按照尺寸大小有序的沉積在玻璃基片上，既快捷又便于觀察分析；近年來(lái)，為避免蠕動(dòng)泵輸送油樣時(shí)將大磨粒擠碎影響分析，改為采用氣壓的方式；而為克服其他鐵譜儀需從機(jī)器中先取油樣，再送入分析室進(jìn)行分析，不利于隨時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，有時(shí)甚至因?yàn)殚g隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致報(bào)告得出時(shí)設(shè)備已經(jīng)發(fā)生故障的缺點(diǎn)，又開發(fā)出了安裝在油路上，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備工況的在線式鐵譜儀。

鐵譜分析技術(shù)限于其對(duì)監(jiān)測(cè)人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)要求較高，且建設(shè)實(shí)驗(yàn)室投資成本較高，因此目前相關(guān)實(shí)驗(yàn)室多建在高?；?qū)ｉT的油液監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，目前鐵譜分析技術(shù)在航空、遠(yuǎn)洋航海及陸路交通等方面應(yīng)用較多，在石化行業(yè)的應(yīng)用尚未普遍開展。

三、研究熱點(diǎn)及問(wèn)題

近年來(lái)，鐵譜分析技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要集中在油液在線監(jiān)測(cè)和磨粒自動(dòng)識(shí)別與分析兩方面。

1.油液在線監(jiān)測(cè)

油液在線監(jiān)測(cè)主要是依靠在線式鐵譜儀對(duì)設(shè)備工況實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，一方面極大的縮短了油樣提取和結(jié)論得出之間的時(shí)間差，使得操作人員可以及時(shí)收到分析報(bào)告，便于對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；另一方面省去了嚴(yán)格繁瑣的油樣提取步驟，避免由于取樣不規(guī)范，沒有獲取具有代表性的油樣而導(dǎo)致分析結(jié)果不準(zhǔn)確，對(duì)設(shè)備狀態(tài)誤判，造成嚴(yán)重后果。

但在線式鐵譜儀并不是完美無(wú)缺的，它自身的局限性使其并不適合在石化行業(yè)廣泛應(yīng)用。

首先，目前在線式鐵譜儀都只能對(duì)油樣進(jìn)行定量分析，無(wú)法通過(guò)對(duì)磨粒數(shù)量、形狀、粒徑、表面形貌及顏色的定性分析來(lái)判斷設(shè)備故障發(fā)生的部位和原因，即只能進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)而無(wú)法進(jìn)行故障診斷。同時(shí)，由于石化行業(yè)的設(shè)備普遍具有大型、復(fù)雜、重載的特點(diǎn)，設(shè)備中有大量的摩擦副，運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生比其他設(shè)備更多的磨粒，只依靠定量分析有可能會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論，從而造成不必要的損失。

其次，石化行業(yè)的設(shè)備中包含大量的齒輪和軸承，這些摩擦副產(chǎn)生的磨粒中含有大量非鐵磁性成分，在線式鐵譜儀依靠電磁鐵對(duì)這些磨粒的沉積效果并不好，且無(wú)法通過(guò)加磁化液的方法使這些磨粒具有磁性以增加沉積效果，因此有可能沒有及時(shí)預(yù)報(bào)故障而造成損失。

第三，石化行業(yè)的設(shè)備眾多，而目前在線式鐵譜儀由于通道數(shù)的限制只能同時(shí)對(duì)少量設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若要實(shí)現(xiàn)大量設(shè)備的同時(shí)監(jiān)測(cè)只能依靠多臺(tái)在線式鐵譜儀，必須投入大量的資金。

2.磨粒自動(dòng)識(shí)別與分析

自鐵譜分析技術(shù)產(chǎn)生以來(lái)，磨粒識(shí)別與分析就是其中的核心內(nèi)容，但長(zhǎng)期以來(lái)，磨粒識(shí)別與分析始終依靠技術(shù)人員借助鐵譜顯微鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而其結(jié)論的準(zhǔn)確性過(guò)分依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，且消耗了大量的人力，又增加了結(jié)論的主觀性。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像分析理論、模糊識(shí)別技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的產(chǎn)生和發(fā)展，以此為基礎(chǔ)的磨粒自動(dòng)識(shí)別與分析已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

磨粒自動(dòng)識(shí)別與分析主要是利用掃描攝像機(jī)將顯微鏡里的圖像輸入到圖像分析儀中，按照給定的灰度反差對(duì)磨粒的輪廓特征、邊緣細(xì)節(jié)、表面紋理、顏色粒度等進(jìn)行識(shí)別，并按照一定的優(yōu)先順序得到相關(guān)信息，再依靠鐵譜分析專家系統(tǒng)得出最終的結(jié)論，這可以節(jié)省大量的人力同時(shí)也使分析結(jié)果更加客觀準(zhǔn)確，因此其在擁有大量設(shè)備且對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性要求極高的石化行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景。但這項(xiàng)技術(shù)涉及到多學(xué)科的交叉領(lǐng)域，目前仍處于探索階段。

四、前景與展望

利用鐵譜監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行在線磨損監(jiān)測(cè)和自動(dòng)故障診斷是近期研究的熱點(diǎn)，但設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它要求油液分析不僅包含對(duì)現(xiàn)役設(shè)備磨損狀況的監(jiān)測(cè)，而且包含對(duì)磨損產(chǎn)生原因的判斷，以及是否會(huì)產(chǎn)生故障的預(yù)判。在這方面國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)做了一些工作，但主要是對(duì)某種設(shè)備磨損狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)其對(duì)應(yīng)的譜圖判斷磨損原因，對(duì)監(jiān)測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高，檢測(cè)周期較長(zhǎng)，還沒有對(duì)磨損量和鐵譜分析結(jié)果間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行定量分析，且沒有推廣到所有設(shè)備。因此未來(lái)鐵譜監(jiān)測(cè)技術(shù)將朝著智能化、現(xiàn)場(chǎng)化、遠(yuǎn)程化、綜合化的方向發(fā)展。其可能發(fā)展方向如下。

1.建立摩擦學(xué)系統(tǒng)的鐵譜磨損數(shù)學(xué)模型

影響設(shè)備磨損的重要參數(shù)有很多，包括摩擦副材料特征、磨粒生成機(jī)理、運(yùn)動(dòng)軌跡、工況負(fù)荷變化時(shí)磨粒生成與損耗的動(dòng)態(tài)過(guò)程等，并且各個(gè)參數(shù)之間還存在相互影響，將這些參數(shù)量化并建立摩擦學(xué)系統(tǒng)的鐵譜磨損數(shù)學(xué)模型，不僅可以提高設(shè)備磨損定量分析的客觀準(zhǔn)確性，而且加強(qiáng)了鐵譜分析技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用能力，同時(shí)也為設(shè)備磨損狀態(tài)自動(dòng)識(shí)別和故障診斷提供了依據(jù)。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)找出規(guī)律將是今后研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.多種油液監(jiān)測(cè)技術(shù)綜合使用

鐵譜分析技術(shù)與其他油液監(jiān)測(cè)技術(shù)（特別是常規(guī)理化分析）綜合使用，對(duì)現(xiàn)代企業(yè)而言，設(shè)備的潤(rùn)滑故障診斷在一定程度上比機(jī)械磨損故障診斷更為重要，因?yàn)樵O(shè)備的潤(rùn)滑故障往往是導(dǎo)致設(shè)備磨損故障的主要原因，要從根本上減少甚至避免設(shè)備的異常磨損，加強(qiáng)油液理化性能監(jiān)測(cè)，保持設(shè)備良好潤(rùn)滑狀態(tài)是必不可少的，而且與鐵譜分析技術(shù)相比，常規(guī)理化分析較為簡(jiǎn)單，因此如果對(duì)油樣先做常規(guī)理化分析，判斷其理化性質(zhì)有否明顯改變，做到快速判定潤(rùn)滑故障發(fā)生的原因，這樣不但可以節(jié)省人力和時(shí)間，還可以提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率。

3.磨粒自動(dòng)識(shí)別與分析技術(shù)的研究

磨粒自動(dòng)識(shí)別與分析技術(shù)的研究，需要借助圖像分析理論、模糊識(shí)別技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多學(xué)科的交叉使用，將自動(dòng)識(shí)別的磨粒圖像經(jīng)過(guò)處理后與標(biāo)準(zhǔn)圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比分析，最后由故障診斷專家系統(tǒng)得出結(jié)論。

4.新型線式鐵譜儀的開發(fā)

開發(fā)一種多通道，并且能利用超聲波技術(shù)進(jìn)行定性分析的新型在線式鐵譜儀，既保留了傳統(tǒng)在線式鐵譜儀監(jiān)測(cè)方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，又可以依靠超聲波穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，在石化等對(duì)監(jiān)測(cè)速度和準(zhǔn)確性都要求較高行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景。

5.利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，搭建企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)之間的橋梁，進(jìn)行在線技術(shù)支持和遠(yuǎn)程故障診斷，在科研機(jī)構(gòu)為企業(yè)提供技術(shù)支持的同時(shí)，企業(yè)也為科研機(jī)構(gòu)提供課題和研究方案，兩者相互促進(jìn)提高，這也是鐵譜分析技術(shù)努力追求的未來(lái)目標(biāo)。

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