錢美奇，何偉楚，於 迪，黎秋瑩

（1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司 設(shè)備潤(rùn)滑與檢測(cè)研究所，廣東廣州 510530；2.工業(yè)摩擦潤(rùn)滑技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，廣東廣州 510530）

0 引言

往復(fù)壓縮機(jī)是工業(yè)上應(yīng)用量大、面廣的一種重要機(jī)械，是指通過氣缸內(nèi)活塞或隔膜的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使缸體容積周期變化以實(shí)現(xiàn)氣體增壓和輸送的一種容積式的壓縮機(jī)。在當(dāng)今現(xiàn)代科學(xué)迅速發(fā)展的階段，往復(fù)壓縮機(jī)也緊跟朝著自動(dòng)化的方向發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)復(fù)雜且零、部件之間聯(lián)系緊密相連。該類設(shè)備由于運(yùn)動(dòng)部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，某個(gè)設(shè)備部件一旦發(fā)生故障或需要拆機(jī)檢修都會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至發(fā)生人員安全事故。現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展在生產(chǎn)過程中注重效率和能耗以及環(huán)保的要求也愈發(fā)增高，對(duì)設(shè)備的基本維修以及維護(hù)措施不能忽略。因此在加強(qiáng)對(duì)設(shè)備潤(rùn)滑管理的同時(shí)，如果可以對(duì)隱含的故障進(jìn)行早期預(yù)測(cè)和診斷，在不拆機(jī)的情況下通過一種監(jiān)測(cè)手段準(zhǔn)確判斷出設(shè)備故障的部位和原因，對(duì)于減少經(jīng)濟(jì)損失和提高人員安全是一種幫助。

關(guān)于石化設(shè)備往復(fù)壓縮機(jī)的異常故障，有針對(duì)不同設(shè)備的結(jié)構(gòu)故障原因做出許多研究。郭斌對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)軸承損毀進(jìn)行原因分析，找出潤(rùn)滑油路短路、油壓聯(lián)鎖保護(hù)設(shè)計(jì)不合理等原因，通過對(duì)潤(rùn)滑油系統(tǒng)進(jìn)行改造，消除了日后潤(rùn)滑油系統(tǒng)的安全隱患。欒忠生等通過探究解決往復(fù)壓縮機(jī)軸瓦磨損的方案，解決在人為因素和機(jī)器因素的情況下引起軸瓦磨損故障的處理辦法。梁小青等通過從氣閥的原理結(jié)構(gòu)以及介質(zhì)、安裝維護(hù)等方面分析氣閥故障原因，找出氣閥常見的故障原因，并提出解決方法。以上的分析研究均是從某一個(gè)設(shè)備部件出現(xiàn)故障后進(jìn)行原因排查，少有通過油液監(jiān)測(cè)趨勢(shì)分析對(duì)某個(gè)設(shè)備的進(jìn)行預(yù)判測(cè)防止后續(xù)設(shè)備故障的研究。故障的研究通常包括熱力性能監(jiān)測(cè)法、振動(dòng)監(jiān)測(cè)法、位移監(jiān)測(cè)法、噪聲監(jiān)測(cè)法、油液監(jiān)測(cè)及人工智能診斷幾種故障診斷中進(jìn)行分析。上述方法有的是靠自身經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)工況環(huán)境及計(jì)算機(jī)機(jī)器學(xué)習(xí)等其他外在條件所判斷，缺少故障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可靠性，但油液監(jiān)測(cè)法在應(yīng)用過程中可以做到較高的準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)性，是對(duì)油液本身的理化性能分析及對(duì)油液中摩擦副磨損信息的分析，這兩種分析可以得到設(shè)備監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)及相應(yīng)的診斷結(jié)論。有的學(xué)者通過檢測(cè)油液監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)光譜元素分析中元素Fe（鐵）、Cu（銅）含量較高，磨粒分析中還發(fā)現(xiàn)疲勞、切削磨損顆粒，巴氏合金及銅顆粒。后續(xù)檢修中發(fā)現(xiàn)，連桿的小頭瓦襯套和十字頭有嚴(yán)重的黏著磨損，預(yù)防后續(xù)設(shè)備安全事故的發(fā)生。

本文以某石油企業(yè)煉油廠設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析為背景，對(duì)油液以及設(shè)備的磨損顆粒進(jìn)行成分分析，判斷設(shè)備的嚴(yán)重程度，預(yù)測(cè)設(shè)備的故障，做到提前診斷預(yù)防維修。

1 分析技術(shù)

油液監(jiān)測(cè)是通過定期采集設(shè)備潤(rùn)滑油，通過檢測(cè)在用油的理化指標(biāo)、污染指標(biāo)、磨損指標(biāo)三類指標(biāo)，從而分析設(shè)備的潤(rùn)滑和磨損信息，以評(píng)價(jià)設(shè)備的狀態(tài)及預(yù)測(cè)設(shè)備故障[7]。油液是載體主要是對(duì)潤(rùn)滑油的污染分析，監(jiān)測(cè)是性能的監(jiān)測(cè)分析對(duì)磨粒的磨損分析。協(xié)助磨損分析相關(guān)的手段主要有光譜元素分析、磨粒分析、電鏡—能譜分析，潤(rùn)滑油中的磨損元素的濃度與設(shè)備零部件的磨損狀況有關(guān)；金屬磨粒的形貌、尺寸和成分與設(shè)備的摩擦副表面情況有關(guān)；電鏡—能譜分析能對(duì)磨損顆粒進(jìn)行表面形貌及元素綜合深度分析。

1.1 光譜元素分析

光譜元素分析是一種可以定量分析出潤(rùn)滑油中磨損顆粒的成分及其含量，既可獲取部分潤(rùn)滑油添加劑、污染物及磨損元素的信息，又可以通過對(duì)這些元素的跟蹤分析，進(jìn)而有效監(jiān)測(cè)設(shè)備的磨損和油品的衰變過程，還可以基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型對(duì)設(shè)備的磨損趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過對(duì)磨損元素的成分和含量的分析，再結(jié)合設(shè)備運(yùn)動(dòng)摩擦副零件的材料構(gòu)成，可以初步預(yù)測(cè)出磨損顆粒產(chǎn)生的可能部位。

1.2 磨粒分析

磨粒分析是通過一種從潤(rùn)滑油樣中分離并分析磨損顆粒和碎片的新技術(shù)。一種借助光學(xué)或者電子顯微鏡等其他設(shè)備對(duì)磨粒進(jìn)行檢測(cè)和分析，從而確定設(shè)備磨損顆粒的尺寸、數(shù)量、形貌、成分等其他種類，從而判別設(shè)備零部件表面磨損類型和程度。

設(shè)備摩擦副在生產(chǎn)和使用過程中會(huì)產(chǎn)生磨粒，在潤(rùn)滑油分析中主要從磨粒的形態(tài)特征來判斷設(shè)備故障程度和失效類型。主要有摩擦磨損顆粒、嚴(yán)重滑動(dòng)磨損顆粒、磨料磨損顆粒、滾動(dòng)疲勞磨損顆粒、滾滑復(fù)合磨損顆粒、紅色及黑色氧化鐵磨粒等。通過磨粒的特征判斷產(chǎn)生的原因及設(shè)備部位。

1.3 電鏡—能譜分析

電鏡—能譜分析是一種利用掃描電鏡和能譜儀對(duì)磨粒元素和材料成分進(jìn)行探測(cè)的分析技術(shù)，在科學(xué)和生活中的可以進(jìn)行材料的表面形貌分析、觀察零部件的斷口分析、材料元素的微區(qū)化學(xué)成分的分析以及對(duì)不明物質(zhì)顆粒的元素及成分分析等研究。電鏡—能譜分析所用的兩種設(shè)備，分別為掃描電鏡和X 射線能譜分析儀。

掃描電鏡（SEM）多用于表面形貌的觀察，原理是利用聚焦的極細(xì)的高能電子束來掃描測(cè)試樣品，通過電子束與物質(zhì)之間的相互散射作用，來激發(fā)出不同的物理信息，通過對(duì)這些信息的收集、放大、再顯示成像，最后達(dá)到測(cè)試樣品微光表面形貌的特征圖像。

表1 3 種分析技術(shù)的特點(diǎn)

能譜儀（EDS）用于表面化學(xué)元素的測(cè)定，原理是利用X 射線去輻射樣品，使樣品的原子或分子的內(nèi)層電子或價(jià)電子受激發(fā)射出來，通過測(cè)量激發(fā)的光電子的能量的強(qiáng)度，獲得待測(cè)物組成，實(shí)現(xiàn)來對(duì)材料微區(qū)成分元素種類與含量的測(cè)量。

綜合上述3 種分析技術(shù)的檢測(cè)意義和各自的優(yōu)缺點(diǎn)，光譜元素分析的定量，磨粒分析的定性與電鏡—能譜分析的半定量分三者特點(diǎn)的相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短。判斷設(shè)備是否出現(xiàn)故障失效，在日常維護(hù)設(shè)備故障診斷判斷的準(zhǔn)確性和設(shè)備故障預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提供有效參考性依據(jù)。這樣一方面可以避免后續(xù)重大故障事故的發(fā)生，另一方面還能有效減少企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失。

2 案例故障分析

煉油廠是制造生產(chǎn)出來柴油、汽油、煤油、潤(rùn)滑油、石焦油等產(chǎn)品的工廠，主要工藝流程是通過將原油經(jīng)過蒸餾、催化、裂化、催化重整，延遲焦化、加氫精制等制造生產(chǎn)。在煉化生產(chǎn)過程中，使用的機(jī)械設(shè)備種類和數(shù)量很多，其中往復(fù)壓縮機(jī)作為一種加壓裝備，在石油化工煉化企業(yè)設(shè)備中廣泛應(yīng)用。

某石油化工企業(yè)煉油廠的設(shè)備一直在進(jìn)行油液監(jiān)測(cè)工作，希望通過該項(xiàng)工作能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)備可能出現(xiàn)的早期磨損，以及時(shí)采取相關(guān)措施進(jìn)行預(yù)防性維修的方案。2021 年2 月監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，預(yù)加氫循環(huán)氫機(jī)設(shè)備的磨損元素Sn（錫）含量與歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比，首次出現(xiàn)異常。了解到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備未出現(xiàn)故障，進(jìn)一步要求現(xiàn)場(chǎng)工程師加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況跟蹤監(jiān)測(cè)。但在2021 年8 月、9 月送檢的樣品檢測(cè)分析中發(fā)現(xiàn)元素Fe、Sn 含量有上升的趨勢(shì)，磨粒分析中發(fā)現(xiàn)設(shè)備磨損情況加劇嚴(yán)重。初步診斷，設(shè)備可能出現(xiàn)了某種程度的磨損。

根據(jù)該煉油廠的往復(fù)壓縮機(jī)出現(xiàn)的異常現(xiàn)象，找出該設(shè)備油品近2 年持續(xù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（表2）。采用光譜元素分析、磨粒分析、電鏡—能譜分析的技術(shù)手段對(duì)油品進(jìn)行分析，以判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況。

表2 檢測(cè)數(shù)據(jù)

2.1 油液檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1.1 光譜元素分析

對(duì)設(shè)備油液取樣進(jìn)行檢測(cè)光譜元素，通過跟蹤監(jiān)測(cè)可以得出磨損元素的變化趨勢(shì)線圖。根據(jù)這條曲線的變化趨勢(shì)，進(jìn)一步對(duì)設(shè)備磨損狀態(tài)做出評(píng)估，這是油液監(jiān)測(cè)最常用的方法。正常情況下，機(jī)械設(shè)備潤(rùn)滑系統(tǒng)的磨損金屬元素含量一般處于動(dòng)態(tài)平衡或穩(wěn)定上升的趨勢(shì)。當(dāng)平衡被打破或磨損增長(zhǎng)速度異常時(shí)，說明設(shè)備處于異常磨損狀態(tài)。

從2020 年6 月至2021 年9 月送檢樣品的監(jiān)測(cè)結(jié)果看，所測(cè)的理化指標(biāo)和污染指標(biāo)均符合質(zhì)量參考值范圍內(nèi)，油品的潤(rùn)滑性能未發(fā)生太大改變，在油品使用過程中沒有受到顆粒污染、水分出現(xiàn)的氧化劣化。從表2 的檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，在光譜元素分析中，磨損金屬元素Fe、Cu 含量變化趨勢(shì)平穩(wěn)，Sn 含量偏高且有升高的趨勢(shì)，表明設(shè)備有可能從2021 年2 月開始就存在一定程度的異常磨損（圖1）。

圖1 元素Sn、Fe 和Cu 的含量變化趨勢(shì)

2.1.2 磨粒分析

因光譜元素分析檢測(cè)中只能檢測(cè)小于5 μm 的顆粒，則要通過磨粒分析來進(jìn)一步確認(rèn)顆粒的狀態(tài)。在元素分析中發(fā)現(xiàn)設(shè)備可能出現(xiàn)的異常磨損的情況下，對(duì)該設(shè)備2021 年2 月、8 月和9月的取樣油品進(jìn)行制備濾膜片，通過顯微鏡下觀察，判斷是否存在磨損顆粒（圖2）：2 月取樣的油品中，發(fā)現(xiàn)有個(gè)別尺寸細(xì)小的磨損顆粒，表明設(shè)備可能出現(xiàn)了輕微的磨損情況；8 月的油品中，同樣發(fā)現(xiàn)有細(xì)小的磨損顆粒，表明設(shè)備的磨損還在持續(xù)，還有會(huì)加重的可能；9 月的油品中，依然還是發(fā)現(xiàn)有磨損顆粒且磨粒分布有增多的趨勢(shì)，表設(shè)備的磨損加重且出現(xiàn)惡化的趨勢(shì)。

圖2 3 次取樣的濾膜圖片

從濾膜圖片的分析中發(fā)現(xiàn)，磨損顆粒的分布從2 月后分布有增多的趨勢(shì)。鑒于尺寸過小的磨損顆粒在顯微鏡下比較難區(qū)分磨損顆粒是鋼質(zhì)、軸承合金或其他材料的顆粒。結(jié)合光譜元素的分析，初步判斷為錫合金。

2.1.3 電鏡—能譜分析

為進(jìn)一步確認(rèn)磨損顆粒的材料，通過電鏡—能譜分析對(duì)9月取樣的油品磨粒分析中發(fā)現(xiàn)的磨損顆粒進(jìn)行微區(qū)表面的形貌及成分分析（表3）。

表3 電鏡—能譜元素分析數(shù)據(jù)

2.1.3.1 面掃描分析

EDS 面掃描分析是電子束在樣品表面進(jìn)行光柵區(qū)域內(nèi)面掃描，在特定元素的X 射線的信強(qiáng)度，在屏幕中通過所顯示出來的亮度或彩色表現(xiàn)出來，判斷元素成分的偏聚情況，進(jìn)行定性分析。對(duì)檢測(cè)視野進(jìn)行面掃描分析，發(fā)現(xiàn)大部分顆粒主要是元素Sn，能譜結(jié)果中Sn 富集的區(qū)域與電鏡結(jié)果中顆粒重合，表明顆粒的主要元素分析為Sn（圖3）。從圖3 可以看出元素分布的差異，然后結(jié)合光譜元素及磨粒分析對(duì)樣品進(jìn)行定性分析。

圖3 電鏡能譜面掃描分析圖

2.1.3.2 顆粒成分

EDS 點(diǎn)分析是將電子束在選定樣品區(qū)域中選中某個(gè)固定的點(diǎn)進(jìn)行全面掃描，不同信號(hào)強(qiáng)度顯示出的峰形圖代表某種元素，作定性或定量的分析。能譜點(diǎn)掃出來的峰型圖及元素相對(duì)含量如圖4、表3 所示。

圖4 電鏡能譜元素分析圖

選取其中聚集部分顆粒，進(jìn)行點(diǎn)掃描分析，測(cè)試具體元素含量。從圖4、表3 可知，圖中顆粒的主要元素是有C、O、Sn。結(jié)合顆粒源于往復(fù)壓縮機(jī)的潤(rùn)滑油，這些顆粒很可能為源于曲軸軸瓦磨損的錫基軸承合金顆粒；而元素C、O 主要是源于顆粒表面殘留油品或制樣過程的清洗劑。

2.2 分析與結(jié)論

油液分析監(jiān)測(cè)中，光譜元素分析結(jié)果中元素Fe、Sn 含量出現(xiàn)的上升趨勢(shì)，磨粒分析中發(fā)現(xiàn)有尺寸細(xì)小異常磨損顆粒，電鏡—能譜分析中有元素為C、O、Al（鋁）、Sn，其中Sn 含量最高，表明這些顆粒主要是錫合金顆粒，以上均表明系統(tǒng)的曲軸軸瓦很可能出現(xiàn)異常磨損。

曲軸軸瓦主要由合金層和鋼質(zhì)層組成，表面一層軸承合金層，為較薄的涂層，底層為鋼質(zhì)層、是軸承里的含量最多的（圖5）。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果中，光譜元素分析中的Sn 含量高于Fe，磨粒分析中主要磨損磨粒為錫合金，說明磨損主要部位發(fā)生在軸瓦的軸承合金鍍層。對(duì)該機(jī)組做出“警告”等級(jí)預(yù)警，該機(jī)組的軸承存在異常磨損，應(yīng)檢查是否存在油壓下降的問題、系統(tǒng)異常振動(dòng)情況。

圖5 曲軸軸瓦結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)工程師根據(jù)潤(rùn)滑油磨粒分析結(jié)果及時(shí)安排檢修，檢修發(fā)現(xiàn)軸瓦表面存在結(jié)點(diǎn)、疲勞剝落的現(xiàn)象，剝落區(qū)域還發(fā)現(xiàn)不規(guī)則的合金層；同時(shí)在潤(rùn)滑系統(tǒng)的濾芯、曲軸箱底部處發(fā)現(xiàn)有聚集的磨損顆粒（圖6）。

圖6 軸瓦有塊狀、點(diǎn)狀剝落

在本案例中，設(shè)備出現(xiàn)了早期磨損，油液監(jiān)測(cè)對(duì)故障早期預(yù)兆做出預(yù)報(bào)，及時(shí)處理解決實(shí)現(xiàn)了預(yù)防性維修，避免后續(xù)設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)不必要的故障問題，從而影響生產(chǎn)及產(chǎn)生安全的問題，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)光譜元素含量趨勢(shì)分析，可以判定設(shè)備可能會(huì)存在的故障隱患。定期對(duì)設(shè)備做油液趨勢(shì)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中的磨損指標(biāo)的變化趨勢(shì)，做到早發(fā)現(xiàn)、早解決，有效避免因磨損加劇造成設(shè)備重大事故。

（2）對(duì)于設(shè)備中油液檢測(cè)通過光譜元素分析、磨粒分析和電鏡—能譜分析3 種磨損分析手段相結(jié)合，找出磨損顆粒來源，判斷設(shè)備磨損的部位，并及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修。

（3）磨損分析與診斷技術(shù)相結(jié)合預(yù)判設(shè)備的故障發(fā)生是一種廣泛應(yīng)用的監(jiān)測(cè)手段。基于光譜元素分析、磨粒分析、電鏡—能譜分析三者之間的相關(guān)性，可以檢測(cè)出油液的基本信息來確定設(shè)備的磨損狀況。定期監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的異常及變化，早期就對(duì)設(shè)備制定相關(guān)維修措施計(jì)劃，避免出現(xiàn)更加嚴(yán)重的故障事故。