覃楚東，賀石中，龐晉山，張馳，陶輝

(廣州機械科學研究院有限公司設備潤滑與檢測研究所，廣東 廣州 510000)

0 引言

吊機是海上平臺與外界聯(lián)系的“橋梁”，也是海洋工程和海洋油氣開發(fā)工程的重要裝備之一[1]。吊機的主要作用是從供給船上起吊作業(yè)人員和貨物，或是對平臺內的貨物進行搬運。海上平臺吊機的種類繁多，主要包括定長箱體式吊臂液壓缸變幅起重機、可伸縮箱體式吊臂液壓缸變幅起重機、基座式折疊吊臂起重機、主柱固定式桁架吊臂鋼絲繩變幅起重機、回轉支承固定式桁架吊臂鋼絲繩變幅起重機等五類?；剞D支承固定式桁架吊臂鋼絲繩變幅起重機，由于其額定載荷比較大，抗風能力強，可實現更大的工作半徑，被廣泛運用于海上平臺。由于平臺吊機具有結構緊湊、運行工況復雜、承載狀況不穩(wěn)定、作業(yè)環(huán)境多變等特點，對安全性和可靠性要求較高[2]。因此加強對海上平臺吊機的研究，保障吊機的安全運行，對平臺的日常生產和生活具有重要意義。

李記忠等[3]研究了吊機底座的受力形式并對其結構進行了校核，分析了吊機底座高度、吊機工作半徑和吊重三個參數變化對底座強度、剛度及疲勞強度的影響規(guī)律。吳铦敏等[4-6]用有限元方法分析了吊機在不同載荷下的受力薄弱點，并計算和預測了吊機的剩余疲勞壽命。賀啟昌等[7]分析了平臺現場溜鉤情況，找出了故障原因并加以排除，減低了吊裝作業(yè)中的風險。王寧等[8-9]通過對吊機加裝監(jiān)控系統(tǒng)和改造液壓系統(tǒng)，提高了吊機系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性和安全性。以上研究都是從吊機的受力分析或故障排除方面出發(fā)，卻鮮有運用油液監(jiān)測技術來研究吊機的實際潤滑磨損狀況及可靠性。

油液監(jiān)測技術通過對機器的潤滑油樣定期取樣檢測，分析油品理化指標和磨損指標的變化情況，達到對機器故障有效診斷的目的[10]。本文通過分析某石油公司海上平臺吊機近六年來的油液監(jiān)測數據，獲得吊機在潤滑和磨損方面的主要故障特征。通過分析不同類型故障產生的原因，給出相應的建議措施，從而指導平臺吊機的日常監(jiān)測和維護，提高吊機的運行可靠性。

1 吊機的主要潤滑點和用油情況

回轉支承固定式桁架吊臂鋼絲繩變幅起重機的主要結構件包括吊臂、三腳架、回轉平臺、底座等。吊機的系統(tǒng)組成包括動力系統(tǒng)、起升系統(tǒng)、變幅系統(tǒng)、回轉系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等。動力系統(tǒng)為整個吊機的動力來源，分為電機驅動和柴油機驅動兩種，其中柴油機驅動的吊機在海上平臺的運用更加廣泛。起升系統(tǒng)包括主絞車系統(tǒng)和副絞車系統(tǒng)，分別控制大鉤和小鉤的起升。

由于吊機復雜的結構和系統(tǒng)，潤滑點相對較多。而潤滑管理和油液監(jiān)測工作的開展，需要掌握每個潤滑點的實際潤滑和用油情況，從而指導設備的換油和運行維保。根據本研究所對某石油公司在中國南海某平臺的調研結果，吊機的主要潤滑點和用油情況如表1所示。

表1 吊機的主要潤滑點和用油情況

2 吊機的整體監(jiān)測情況

2.1 油液監(jiān)測項目

由于不同部件的實際工況和重要性，實際進行定期油液監(jiān)測的油品類型主要有液壓油、柴油機油、齒輪油，分別對應吊機的液壓系統(tǒng)、柴油機、齒輪箱。具體的監(jiān)測項目如表2所示。

表2 吊機的油液監(jiān)測項目

2.2 監(jiān)測結果統(tǒng)計

本文中所有的分析數據，都是基于吊機設備實際的油液監(jiān)測實驗結果。由于送檢的潤滑脂和鋼絲繩油數量非常少，且沒有進行定期監(jiān)測，本文中不對其進行統(tǒng)計和分析。

在某石油公司海上平臺近6年來的油液監(jiān)測中，共送檢吊機潤滑油樣品422個，其中液壓油樣76個，柴油機油樣69個，齒輪油樣277個。監(jiān)測結果顯示，有114個樣品的監(jiān)測報告中結論為警告，需要檢查磨損、防水、防塵情況或做出換油處理。有134個樣品的監(jiān)測報告中結論為注意，需要引起重視或采取過濾脫水等措施。各項指標均正常的樣品有174個，吊機在用潤滑油總體合格率為41.2%。吊機不同類型的油液監(jiān)測結果統(tǒng)計如圖1所示。

從圖1中可以看出，盡管海上環(huán)境惡劣，但油液的整體監(jiān)測結果較好。柴油機油的故障出現次數最少，齒輪油出現的故障次數最多。這與它們的實際工況有關，柴油機發(fā)生磨損的情況較少，大多數故障由燃油泄漏造成。而齒輪箱由于其負載大等特點，經常會出現異常磨損的情況。

圖1 吊機油液監(jiān)測結果統(tǒng)計

3 油液理化指標分析

3.1 黏度

黏度是油品牌號的劃分依據，其源于液體的內摩擦，表征摩擦副之間的油膜強度。對吊機的潤滑油進行黏度監(jiān)測，可以實時獲取機組的潤滑狀態(tài)，并指導機組的換油和分析磨損情況。油品在使用過程中，黏度會因污染、氧化、劣化等原因升高或降低，也會因為日常維保過程中加錯油或補錯油導致黏度的上升與下降。

在監(jiān)測期間，吊機的所有在用潤滑油里面，黏度異常的樣品有33個，約占總樣品數的7.8%。其中，黏度嚴重異常的樣品有21個，約占總樣品數的5.0%。通過單獨分析不同類型的油品，發(fā)現液壓油中沒有發(fā)現黏度嚴重異常的樣品。柴油機油中有4個樣品的黏度嚴重異常，其中2個樣品是由水分污染引起，另外2個樣品是由燃油污染引起，因此建議檢查對應的柴油機在使用過程中的密封情況，避免被水和燃油污染。齒輪油中有17個樣品的黏度嚴重異常，均是由用錯油或補錯油引起的，因此建議現場制定詳細的設備潤滑手冊，詳細列舉每個設備和每個潤滑點，以及所需添加潤滑油的具體牌號、加油量、加油工具等，避免油品錯用和混用現象的出現。

3.2 酸值/堿值

酸值/堿值是判斷設備潤滑狀況及油品劣化的重要指標。酸值來源于潤滑油中的酸性組分，主要包括潤滑油的有機酸和酸性添加劑。潤滑油的酸值升高，通常是由于油品氧化而生成酸性物質。這些酸性物質會對金屬部件，特別是軸承等銅質部件造成腐蝕。堿值來源于潤滑油中的堿性組分，主要包括有機堿、無機堿、胺基化合物和堿性添加劑等[10]。

在監(jiān)測期間，吊機的所有在用潤滑油里面，未發(fā)現酸值和堿值異常的油樣。這表明該石油公司海上平臺具有較好的設備潤滑管理體系，且定期對吊機設備進行油液監(jiān)測，能夠在潤滑油氧化和劣化之前進行相應處理或換油，避免了酸值/堿值對設備產生異常影響。

3.3 閃點

閃點是潤滑油的蒸汽和空氣所形成的混合氣與火焰接觸發(fā)生瞬間閃火的最低溫度[10]。閃點值關系到柴油機在使用過程中的安全，柴油機油的閃點應控制在180 ℃以上。

在監(jiān)測期間，吊機的柴油機油里面，閃點異常的樣品有6個，約占柴油機油樣品數的8.7%，未發(fā)現閃點嚴重偏低的油樣。柴油機油的閃點偏低，大多都是由燃油泄漏引起的。燃油泄漏不僅會造成閃點偏低，產生安全隱患，也會使柴油機油的黏度下降，產生異常磨損。因此建議對柴油機進行定期監(jiān)測，以關注閃點值的變化趨勢。

4 油液污染情況分析

4.1 水分

水分表示油品中含水量的多少。潤滑油中水分過多，不僅會破壞油膜，加劇摩擦副表面的磨損，也會對設備材料造成腐蝕。因此，需要將潤滑油中的水分控制在較低水平。

在監(jiān)測期間，吊機的所有在用潤滑油里面，水分異常的樣品有41個，約占總樣品數的9.7%。其中水分指標嚴重異常的樣品有11個，約占總樣品數的2.6%。通過單獨分析不同類型的油品，發(fā)現柴油機油中有2個樣品的水分嚴重異常，液壓油中有4個樣品的水分嚴重異常，齒輪油中有5個樣品的水分嚴重異常，均是由于外界的水分污染。由于吊機常年暴露在外面，且南海降水較多，容易受到水分的污染，建議日常的維保中注意檢查吊機各潤滑部件的防水密封情況。另外，吊機的液壓系統(tǒng)用油量相對較大，一般在700～2500 L之間，因為水分偏高而換油會產生較大的成本。在油品其他指標正常而水分偏高的情況下，建議對液壓油進行脫水處理即可。

4.2 污染物

污染物是指潤滑油中因設備運行而產生的顆粒物質(如油泥、磨損顆粒)和外界侵入的顆粒物質(如粉塵、纖維等)。這些污染物容易堵塞油路和濾油器，影響設備運行的可靠性，也會破壞潤滑油膜，造成摩擦副的異常磨損。污染物可以通過污染度等級、光譜分析、鐵譜分析等檢測技術發(fā)現，而鐵譜分析中表征的污染物最為直觀。

在監(jiān)測期間，吊機的所有在用潤滑油里面，污染物異常的樣品有149個，鐵譜分析中發(fā)現少量油泥或粉塵污染物，約占總樣品數的35.3%。污染物嚴重異常的樣品有31個，鐵譜分析中發(fā)現大量油泥或粉塵污染物，約占總樣品數的7.3%。分析發(fā)現污染物嚴重異常的樣品均為齒輪油，這是由于海上平臺吊機的齒輪箱負載較大、工況惡劣，使用過程中容易發(fā)生氧化而產生油泥，也會由于異常磨損而產生金屬顆粒。對污染嚴重異常的齒輪油，應進行過濾或做換油處理，并加強跟蹤監(jiān)測，避免嚴重異常磨損的發(fā)生。

5 吊機磨損狀況分析

設備的磨損狀況，主要通過光譜分析和鐵譜分析來表征。光譜分析可以獲知潤滑油中不同類型金屬元素的含量，從而判斷設備的磨損情況。鐵譜分析可以獲知潤滑油中磨損顆粒的類型、尺寸、形貌等特征，從而判斷設備的摩擦部位和磨損程度。對在用潤滑油進行定期監(jiān)測，可以實時獲知設備的磨損狀況，避免嚴重磨損的發(fā)生。

元素Fe、Cu是分析設備磨損最重要的兩種元素，其直接對應于設備油液中的鋼質磨粒和銅合金磨粒。圖2、圖3為吊機監(jiān)測期間所有潤滑油的磨損金屬元素Fe、Cu的頻數分布直方圖。從圖中可以看出，檢測出的Cu元素含量的最大值為6000 mg/kg，要大于Fe元素含量的最大值3239 mg/kg。但是Fe元素的磨損情況更加嚴重，大量磨損數據集中在0～1000 mg/kg的區(qū)域，這與鐵譜分析的結果一致。而每種類型油品所對應設備的磨損情況，會在下文中單獨做出詳細分析。

圖2 吊機在用潤滑油Fe元素含量檢測數據統(tǒng)計

圖3 吊機在用潤滑油Cu元素含量檢測數據統(tǒng)計

5.1 液壓油

對于液壓系統(tǒng)來說，光譜分析評價磨損的主要元素有Fe和Cu，Fe元素主要來自液壓泵、液壓馬達、液壓缸等部件，Cu元素主要來自閥門、墊片等部件。

監(jiān)測的76個吊機液壓油樣品中，Fe元素含量基本正常，都在控制指標范圍之內。Cu元素含量有8個樣品超過了液壓油的控制指標，其檢測結果分布如圖4所示。

圖4 液壓油Cu元素含量檢測結果

從圖中可以看出Cu元素含量數值均在較低范圍內，表明吊機液壓系統(tǒng)維護較好，沒有產生嚴重異常磨損的情況。且Cu元素含量異常樣品的鐵譜分析中均未發(fā)現銅合金異常磨損顆粒，表明Cu元素來源于液壓系統(tǒng)相關部件的腐蝕。對于磨損異常的液壓系統(tǒng)，建議加強跟蹤監(jiān)測，關注Cu元素含量的變化趨勢，避免嚴重磨損或腐蝕的發(fā)生。

5.2 柴油機油

對于柴油機來說，光譜分析主要評價的元素有Fe、Cu、Pb、Sn。Fe元素來源于各種鋼質摩擦副的磨損，如活塞環(huán)、缸套、曲軸、油泵齒面等，Cu、Pb、Sn元素通常來源于軸瓦等的磨損[11]。

監(jiān)測的69個柴油機油樣品中，Fe元素含量有3個樣品超過了柴油機油的控制指標，其檢測結果分布如圖5所示。Cu元素含量有7個樣品超過了柴油機油的控制指標，其檢測結果分布如圖6所示。Sn元素含量有2個樣品超過了柴油機油的控制指標，其檢測結果分布如圖7所示。Pb元素含量正常，都在控制指標范圍之內。

圖5 柴油機油Fe元素含量檢測結果

圖6 柴油機油Cu元素含量檢測結果

圖7 柴油機油Sn元素含量檢測結果

從圖中可以看出，除了個別樣品的磨損金屬元素含量較高外，絕大多數樣品的磨損元素含量均在較低范圍內，表明吊機柴油機維護較好。在磨損元素異常的樣品中，只有一個樣品在鐵譜分析中發(fā)現了個別鋼質顆粒，其他樣品的鐵譜分析中均未發(fā)現異常磨損顆粒，表明油液中的金屬元素大多來源于柴油機相關部件的腐蝕。因此，對于磨損異常的柴油機，建議加強跟蹤監(jiān)測，關注磨損元素含量的變化趨勢，避免嚴重磨損和腐蝕的發(fā)生。

5.3 齒輪油

對于齒輪油來說，光譜分析主要評價的元素有Fe和Cu。Fe元素來源于各種鋼質部件，如軸頸、泵類、齒面等，Cu元素通常來源于軸承保持架、或滑動軸承的軸瓦。

監(jiān)測的277個齒輪油樣品中，Fe元素含量有93個樣品超過了齒輪油的控制指標，且其中有38個樣品的Fe元素含量嚴重偏高，其檢測結果分布如圖8所示。Cu元素含量有60個樣品超過了齒輪油的控制指標，且其中有43個樣品的Cu元素含量嚴重偏高，其檢測結果分布如圖9所示。

圖8 齒輪油Fe元素含量檢測結果

圖9 齒輪油Cu元素含量檢測結果

從磨損元素分布圖中可以看出，齒輪油的磨損情況比較嚴重，少數樣品的磨損金屬元素Fe、Cu含量超過控制指標的十倍以上，表明吊機齒輪箱的維護較差，存在嚴重異常磨損的情況。

監(jiān)測的277個齒輪油樣品中，鐵譜分析發(fā)現50個樣品中有大量的磨損顆粒，主要包括鋼質顆粒和銅合金磨粒，且這些嚴重磨損樣品的鐵譜分析結果數據與光譜元素分析的數據吻合。齒輪油嚴重磨損的鐵譜如圖10所示，為該石油公司某平臺左舷吊車小鉤齒輪箱的油液樣品鐵譜磨粒圖。

圖10 齒輪油鐵譜磨粒

從鐵譜磨粒圖中可以看出，油中有大量的鋼質顆粒和少量銅合金顆粒，磨粒最大尺寸超過100 μm，表明該齒輪箱存在嚴重異常磨損。對于磨損異常的齒輪箱，建議加強跟蹤監(jiān)測，關注磨損元素含量的變化趨勢，避免嚴重磨損的發(fā)生。對于嚴重磨損的齒輪箱，建議檢查齒輪箱的磨損情況，并立即沖洗系統(tǒng)，更換新油，避免停機故障的發(fā)生。

6 結論

(1) 油品錯用或混用，會改變油品黏度，降低油品性能，在吊機加換油時應當避免此類情況發(fā)生。

(2) 閃點偏低會造成柴油機使用時的安全隱患，應根據檢測數據做出相應檢查或換油處理。

(3) 油中如果出現水分和污染物，會影響潤滑油膜的強度，加劇設備磨損。當檢測數據出現異常時，應當做出脫水、過濾處理，嚴重時應該換油。

(4)齒輪箱是吊機中最容易發(fā)生異常磨損的部件，維保時應當定期檢查磨損和防塵密封情況，并根據檢測結果適當縮短齒輪箱的換油周期。

(5)對設備潤滑部件的在用油進行定期監(jiān)測，可以及時發(fā)現每個異常的指標數據，從而做出相應處理，避免異常磨損和故障的發(fā)生。

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