韓風(fēng)梅，胡 煉，陳 峰

（中國石油獨(dú)山子石化分公司研究院設(shè)備研究所，新疆 獨(dú)山子 833600）

紅外光譜分析技術(shù)在潤滑油監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

韓風(fēng)梅，胡 煉，陳 峰

（中國石油獨(dú)山子石化分公司研究院設(shè)備研究所，新疆 獨(dú)山子 833600）

對(duì)FTIR紅外光譜分析技術(shù)在石化公司潤滑油監(jiān)測(cè)中定量分析和定性分析的應(yīng)用情況加以總結(jié)和展望。

FTIR紅外光譜；關(guān)鍵機(jī)組；潤滑油；監(jiān)測(cè)

長期以來，在石化關(guān)鍵機(jī)組潤滑油監(jiān)測(cè)方面通常采用理化檢測(cè)分析。開展FTIR紅外光譜分析技術(shù)，可以獲得潤滑油氧化、硝化、硫酸化、添加劑損耗等多項(xiàng)指標(biāo)。與傳統(tǒng)的理化指標(biāo)分析技術(shù)相比，具有分析速度快、精度高和重復(fù)性好等優(yōu)勢(shì)。紅外光譜分析方法已廣泛應(yīng)用于船舶、冶金、醫(yī)藥、食品、機(jī)械、化工等諸多領(lǐng)域。

一、FTIR紅外光譜分析技術(shù)簡(jiǎn)介

由分子的振動(dòng)－轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷形成的光譜為分子光譜，因其波長通常出現(xiàn)在紅外區(qū)段，故稱作紅外光譜。當(dāng)一束具有連續(xù)波長的紅外光照射某一物質(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)內(nèi)能。若將透過物質(zhì)的光進(jìn)行色散，就可以得到一條紅外光譜帶，將紅外光譜帶以波長(單位μm)或波數(shù)(cm-1)為橫坐標(biāo)，以百分透過率或吸光度為縱坐標(biāo)，就可得到該物質(zhì)的紅外吸收光譜圖。

紅外光譜分析能從分子層次上分析油品內(nèi)部成分組成與添加劑含量。不同化學(xué)物質(zhì)在紅外光譜圖中有其特征吸收區(qū)，且吸收峰的高度和面積與該物質(zhì)的濃度成正比，因此可通過對(duì)紅外光譜圖的分析，進(jìn)行樣品中各化學(xué)物質(zhì)的定性和定量分析，從而獲得油品的質(zhì)量和性能信息，判定油品的衰變、添加劑消耗和污染狀況等。

紅外光譜所含信息量豐富，對(duì)不同油品有良好的適應(yīng)性。這對(duì)于及時(shí)、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)機(jī)組潤滑狀況，延長油品的使用周期，保障機(jī)組的長周期平穩(wěn)運(yùn)行具有重要意義。

二、紅外光譜分析在油液監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1.A2PAL紅外光譜儀介紹

某石化公司設(shè)備研究所使用的A2PAL紅外光譜儀，是美國研制開發(fā)的PAL系列油液監(jiān)測(cè)FTIR紅外光譜儀，光譜范圍4 500～600cm-1，分辨率為4 cm-1，背景光及樣品掃描速度為8張/s光譜，可用于對(duì)壓縮機(jī)油、汽輪機(jī)油、齒輪油、液壓油、發(fā)動(dòng)機(jī)用油等油品的定量與定性分析。

該儀器的進(jìn)樣系統(tǒng)為光程長100μm的寶石透射池。當(dāng)不同波長的紅外光依次照射油樣時(shí)，某些波長的光將被樣品選擇吸收而減弱，含有樣品信息的干涉光到達(dá)檢測(cè)器，通過傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，得到吸光度隨波長變化的紅外吸收光譜，并獲得氧化值、硝化值、硫酸化、抗氧劑、抗磨劑及積碳、煙炱等多項(xiàng)定量檢測(cè)指標(biāo)。通過定量數(shù)值變化趨勢(shì)分析，結(jié)合油品特征基團(tuán)的紅外特征吸收峰的位置、強(qiáng)度和形狀等參數(shù)，對(duì)新油和在用油紅外譜圖差異對(duì)比，判定在用潤滑油添加劑的損耗及性能衰變。分析檢測(cè)無需試劑及油樣制備，分析速度快。

2.FTIR紅外光譜定量分析法的應(yīng)用

自2012年以來，對(duì)公司的35臺(tái)關(guān)鍵機(jī)組及部分?jǐn)D壓造粒機(jī)在用潤滑油進(jìn)行FTIR紅外光譜分析，涉及汽輪機(jī)油、液壓油、齒輪油。現(xiàn)以某廠3#發(fā)電機(jī)組為例，說明FTIR紅外光譜分析在油液監(jiān)測(cè)中的定量分析應(yīng)用。

2013年2月，某廠3#發(fā)電機(jī)組在用潤滑油目測(cè)發(fā)現(xiàn)顏色由淡黃色透明變?yōu)榧t棕色發(fā)黑，隨后進(jìn)行常規(guī)理化指標(biāo)分析、鐵譜分析及顆粒污染度分析，未發(fā)現(xiàn)異常，后使用A2PAL紅外光譜儀進(jìn)行紅外光譜分析，2013年2～9月3#發(fā)電機(jī)組在用潤滑油分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 3#機(jī)組在用潤滑油常規(guī)理化、污染度定量分析

由表1可見，2～9月間理化指標(biāo)分析合格，但酸值存在增大趨勢(shì)；常規(guī)理化指標(biāo)分析機(jī)械雜質(zhì)含量無明顯變化，9月該機(jī)組在用潤滑油污染度等級(jí)有明顯增大。

由表2可見，2～9月間，其氧化值、抗磨劑副產(chǎn)物及極壓添加劑的損耗均明顯高于新油；硫酸鹽稍有增大；而酚類抗氧劑的含量與新油相比處于極低水平。說

明該機(jī)組在用潤滑油顏色變化的原因主要是油品氧化及添加劑大量損耗，特別是酚類抗氧劑幾乎耗盡所造成的。

結(jié)合表1、2可知，該機(jī)組在用潤滑油理化指標(biāo)分析酸值存在增大的趨勢(shì)，而FTIR紅外光譜分析，硫酸鹽也表現(xiàn)出略微增大的趨勢(shì)。

通過以上分析結(jié)果可以看出，F(xiàn)TIR紅外光譜分析在對(duì)在用潤滑油性能衰變和添加劑損耗方面的檢測(cè)中，優(yōu)于傳統(tǒng)的常規(guī)理化分析。

3.FTIR紅外光譜定性分析法在油液監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用以上述某廠3#發(fā)電機(jī)組為例，其在用潤滑油與新油紅外譜圖比對(duì)如圖1所示。

表2 3#機(jī)組在用潤滑油FTIR紅外光譜定量分析

圖1 在用潤滑油與新油紅外譜圖對(duì)比

圖1 中橫坐標(biāo)為紅外光譜波數(shù)(單位：cm-1)，縱坐標(biāo)為吸光度(Abs/0.1mm)，藍(lán)色線為3#發(fā)電機(jī)組在用潤滑油，紅色線為新油。波數(shù)在1 300～900 cm-1紅外光譜區(qū)內(nèi)，化合物分子的結(jié)構(gòu)對(duì)紅外光十分敏感，分子結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化都會(huì)引起紅外光譜的明顯改變。

⑴在810～800 cm-1處出現(xiàn)一個(gè)小峰，在用潤滑油的吸收峰明顯高于新油，反映了潤滑油極壓添加劑的變化。隨著極壓添加劑損耗的不斷增大，潤滑油對(duì)機(jī)組摩擦副部件的減摩作用將下降，造成機(jī)組的異常磨損，從而縮短機(jī)組的運(yùn)行周期。

⑵在1 080～1 070 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰位，表明產(chǎn)生了一定量的抗磨劑副產(chǎn)物，潤滑油中抗磨劑發(fā)生一定的損耗。

⑶在1 170～1 155 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰，表明油中硫酸鹽的存在，這通常是在用潤滑油受到氧化的產(chǎn)物，會(huì)引起油品酸值增大，最終造成機(jī)械部件的腐蝕。在常規(guī)理化指標(biāo)分析中酸值也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

⑷在1 800～1 660 cm-1處，有一個(gè)明顯高于新油的吸收帶，說明油液中產(chǎn)生了氧化降解產(chǎn)物，生成高分子量的黏性液體、漆膜和油泥。

(5)在4 000～1 300 cm-1紅外光譜區(qū)內(nèi)，有機(jī)化合物的重要基團(tuán)在此區(qū)域有特征吸收帶。

4.某廠3#發(fā)電機(jī)組在用潤滑油品質(zhì)變化的分析及討論

(1)原因分析。潤滑油在使用的過程中，會(huì)因外界因素如粉塵、水分、空氣等以及內(nèi)部磨損顆粒的增加造成污染，運(yùn)轉(zhuǎn)中的高溫會(huì)造成基礎(chǔ)油揮發(fā)、分解及氧化，從而使油品的性能變差，導(dǎo)致機(jī)組的異常磨損。因此對(duì)機(jī)組在用潤滑油進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)是保證機(jī)組長周期運(yùn)行的重要手段。通過使用A2PAL紅外光譜儀進(jìn)行潤滑油FTIR紅外光譜定量與定性分析，能方便直觀地看出油品性能衰變及添加劑消耗情況。

通過對(duì)某廠3#發(fā)電機(jī)組在用潤滑油2013年2～9月間監(jiān)測(cè)，分析該機(jī)組在用潤滑油顏色變深的原因，一是在用潤滑油發(fā)生氧化，氧化是潤滑油基礎(chǔ)油發(fā)生衰化變質(zhì)的主要原因，它會(huì)導(dǎo)致油品酸值增大，造成潤滑油顏色變深、性能變差、濾網(wǎng)堵塞、機(jī)件磨損加劇及腐蝕。二是潤滑油在使用中與灼熱的機(jī)件表面接觸，產(chǎn)生熱降解，基礎(chǔ)油降解產(chǎn)物懸浮在油中所致。

該機(jī)組在用潤滑油酚類抗氧劑幾乎消耗殆盡，污染度增大，表明油品性能已出現(xiàn)衰變，建議加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)情況進(jìn)行換油。

(2)驗(yàn)證。根據(jù)紅外光譜分析，某廠于2013年9月22日安排3#機(jī)組潤滑油進(jìn)行部分更換，并對(duì)過濾器濾網(wǎng)清掃，發(fā)現(xiàn)過濾器濾網(wǎng)已被厚厚的黏性物質(zhì)和油泥堵塞，過濾器內(nèi)取出的潤滑油沉淀后，也呈現(xiàn)為黑色黏性物質(zhì)及油泥。

三、結(jié)語

FTIR紅外光譜分析技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地分析出油液性能衰變情況及劣化的原因，依據(jù)分子結(jié)構(gòu)信息從油品劣化機(jī)理上深層次分析劣化的原因，在油液劣化早期監(jiān)測(cè)診斷中具有明顯優(yōu)勢(shì)。為關(guān)鍵機(jī)組在用潤滑油的使用狀況提供更全面的分析評(píng)價(jià)依據(jù)和更加可靠的維護(hù)策略。

[1] 楊其明，嚴(yán)新平，賀石中.油液監(jiān)測(cè)分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006，115-125.

[2] 楊俊杰，陸思聰，周亞斌.油液監(jiān)測(cè)技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2009，40-46.

[3] 陳閩杰，丁丹，賀石中.FTIR紅外光譜分析技術(shù)在油液監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用[G].第八屆全國摩擦學(xué)大會(huì)論文集，2007(11).

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