鐵譜技術(shù)在設(shè)備磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

丁芳玲 李曙光 謝驚春 周亞斌

摘要:闡述了鐵譜儀的工作原理及其在設(shè)備磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)中獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),考察驗(yàn)證了ZTP/FTP-X2直讀鐵譜儀的重復(fù)性和區(qū)分性。結(jié)果表明:ZTP/FTP-X2直讀鐵譜儀相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在1%～9%之間,不影響正常的磨損趨勢(shì)監(jiān)測(cè)。并對(duì)固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)-壓縮機(jī)組進(jìn)行了定量磨損趨勢(shì)和定性磨損狀態(tài)的監(jiān)測(cè)研究,監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:鐵譜技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)備的磨損趨勢(shì)及突發(fā)故障能進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞:ZTP/FTP-X2鐵譜儀;鐵譜分析 ;重復(fù)性;區(qū)分性;狀態(tài)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào):TH871 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

Application of Ferrography Technology in Equipment Wearing Condition Monitoring

DING Fang-ling, LI Shu-guang,XIE Jing-chun, ZHOU Ya-bin

(PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R&D Institute, Lanzhou 730060,China)

Abstract:The working principle of ferrograph and it′s unique advantage in oil condition monitoring field are described in this paper .The repeatability and discrimination performance of ZTP/FTP-X2 direct reading ferrograph instrument were verified. The test result showed that the standard deviation within 1-9 percentages will not affect the normal wear trend. The research work also involved the quantitative wearing tendency and the qualitative wear status monitoring function for natural gas engine and compressor. The monitoring result showed that ferrography technology can do effective monitoring and be a meaningful diagnosis tool for mechanical equipment′s wearing trend and its abnormal failure.

Key words:ZTP/FTP-X2 ferrography instrument; ferrographic analysis; repeatability; discrimination performance; condition monitoring

0 前言

鐵譜技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種磨損顆粒分析新技術(shù),近年來(lái),機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)在機(jī)械潤(rùn)滑行業(yè)中得到了快速發(fā)展,它的廣泛應(yīng)用已產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益,已引起國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的潤(rùn)滑油業(yè)內(nèi)人士的高度重視。因此,為在用油監(jiān)測(cè)與技術(shù)服務(wù)做出突出貢獻(xiàn)的鐵譜技術(shù)首當(dāng)其沖成為重點(diǎn)研究及應(yīng)用的對(duì)象。

鐵譜技術(shù)以不用停機(jī)和不用拆檢機(jī)器而直接觀測(cè)磨損微粒,了解機(jī)器內(nèi)部摩擦副磨損狀態(tài)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷,是潤(rùn)滑油摩擦磨損性能質(zhì)量檢測(cè)的有效手段之一。通過(guò)對(duì)設(shè)備在用油中磨損金屬顆粒的定量、定性分析,監(jiān)測(cè)診斷設(shè)備主要摩擦副的磨損失效狀態(tài)及原因,指導(dǎo)企業(yè)及時(shí)采取視情維修措施,保證設(shè)備安全運(yùn)行。由于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)用鐵譜技術(shù)不僅可以指出故障發(fā)生的部位、確定故障的類型,還可以解釋故障產(chǎn)生的原因,預(yù)告故障惡化的時(shí)間;同時(shí),它以對(duì)磨粒分離的簡(jiǎn)便性、沉積的有序性、觀測(cè)的多樣性以及對(duì)大磨粒的敏感性等優(yōu)點(diǎn)而在機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷中得到了廣泛應(yīng)用[1]。

由于中國(guó)石油昆侖潤(rùn)滑油產(chǎn)品在使用中存在大量的技術(shù)服務(wù)工作,要做好油品使用的技術(shù)跟蹤服務(wù)工作,指導(dǎo)企業(yè)選擇優(yōu)質(zhì)并合理地使用潤(rùn)滑油,擁有專業(yè)監(jiān)測(cè)設(shè)備的支持,也有利于增強(qiáng)潤(rùn)滑油產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力及潤(rùn)滑油研發(fā)技術(shù)的改進(jìn)工作。為此中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研發(fā)中心于2007年購(gòu)置了ZTP/FTP-X2型鐵譜儀,對(duì)在用油設(shè)備的磨損監(jiān)測(cè)提供有效分析手段。為了更好地配合在用油設(shè)備磨損監(jiān)測(cè),本文對(duì)鐵譜儀器的重復(fù)性、區(qū)分性等進(jìn)行了考察,并對(duì)固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)-壓縮機(jī)組在用油進(jìn)行了鐵譜跟蹤監(jiān)測(cè)。

1 鐵譜技術(shù)

1.1 直讀鐵譜儀

直讀鐵譜技術(shù)是利用具有高梯度強(qiáng)磁場(chǎng)作用,將油液中帶有機(jī)械設(shè)備磨損信息的磨屑顆粒與油液、雜質(zhì)等分離出來(lái), 按照尺寸大小依次沉積在一個(gè)玻璃管內(nèi),經(jīng)過(guò)電路處理后,直接測(cè)讀油液中大磨粒直讀數(shù)(D_L)和小磨粒直讀數(shù)(D_S)。可快速測(cè)定機(jī)器潤(rùn)滑油中所含兩種不同粒度范圍(大于5 μm和1～2 μm)內(nèi)的磨粒濃度值。用于對(duì)油液中磨粒濃度的定量測(cè)量,以達(dá)到對(duì)運(yùn)行中的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行磨損趨勢(shì)監(jiān)測(cè)的目的。

1.2 分析鐵譜儀

鐵譜分析技術(shù)是利用高梯度強(qiáng)磁場(chǎng)的作用,將油液中帶有機(jī)械設(shè)備磨損信息的磨損顆粒、雜質(zhì)等分離出來(lái), 按粒度大小的規(guī)律沉積在玻璃基片上形成譜片, 然后借助專業(yè)鐵譜顯微鏡觀察和測(cè)量其沉積分離物的形貌、數(shù)量、尺寸、成分及粒度分布等情況, 以獲得磨損過(guò)程中的特征信息,從而對(duì)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)工況、關(guān)鍵零件的磨損狀態(tài)進(jìn)行分析判斷。

直讀鐵譜儀通過(guò)對(duì)磨損定量數(shù)據(jù)的趨勢(shì)監(jiān)測(cè),回答監(jiān)測(cè)對(duì)象是否有問(wèn)題,分析鐵譜對(duì)有問(wèn)題的油樣進(jìn)行磨粒的分離和觀測(cè),可回答發(fā)生了什么問(wèn)題,在何處發(fā)生問(wèn)題。兩者是統(tǒng)一的整體,據(jù)此可以判斷機(jī)器的磨損狀態(tài),并可進(jìn)一步分析機(jī)器的磨損機(jī)理[2]。

2 直讀式鐵譜儀試驗(yàn)的重復(fù)性、區(qū)分性

為了保證在用油監(jiān)測(cè)的可靠性,對(duì)購(gòu)置的ZTP/FTP-X2型直讀鐵譜儀的重復(fù)性、區(qū)分性等進(jìn)行了考察。

2.1 試驗(yàn)油的選擇

選用了三個(gè)油樣,一號(hào)油-1、一號(hào)油-2是同一油品在同一閉式齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間周期前后分別采集的油樣。一是考察設(shè)備的重復(fù)性;二是考察隨著設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的延長(zhǎng),磨粒濃度的變化情況以考察設(shè)備的區(qū)分性。二號(hào)油是在相同類型不同的閉式齒輪箱上采集的油樣,和一號(hào)油-2是同一時(shí)間周期取出的油樣,一是考察同類設(shè)備的重復(fù)性,二是考察不同油品在同類設(shè)備、同一采樣周期的磨粒濃度的差異。

2.2 試驗(yàn)的重復(fù)性和區(qū)分性

影響直讀式鐵譜儀重復(fù)性的主要原因有以下幾個(gè)方面,一是磨損顆粒沉淀過(guò)程的隨機(jī)性較大;二是沉淀磨粒對(duì)磁場(chǎng)的影響;三是操作者熟練程度與經(jīng)驗(yàn);四是油樣計(jì)量的準(zhǔn)確性。但是鐵譜儀操作者的熟練程度與經(jīng)驗(yàn)可以減少測(cè)試中的一些隨機(jī)誤差,在實(shí)際測(cè)試中有經(jīng)驗(yàn)的操作人員只測(cè)取一次基本上就可以滿足監(jiān)測(cè)要求。直讀式鐵譜儀一般的相對(duì)偏差在4%～12%之間變動(dòng)[3],該量值在此范圍內(nèi)分散不會(huì)對(duì)提供的設(shè)備磨損變化趨勢(shì)有較大影響。為考察儀器的重復(fù)性和區(qū)分性,對(duì)采集的三個(gè)油樣進(jìn)行了重復(fù)性和區(qū)分性試驗(yàn),每個(gè)油樣重復(fù)試驗(yàn)5次。其試驗(yàn)結(jié)果見表1。

從表1數(shù)據(jù)可以看出:直讀式鐵譜儀相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在1%～9%之間,該量值說(shuō)明ZTP/FTP-X2鐵譜儀具有可以接受的重復(fù)性。

表1數(shù)據(jù)說(shuō)明同一油樣在同一設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間周期前后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有一定的區(qū)分性。不同油樣在同類設(shè)備、同一采樣周期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也有一定的區(qū)分性。

2.3 直讀式鐵譜儀試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證ZTP/FTP-X2型直讀鐵譜儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)增壓六缸柴油機(jī)450 h耐久性試驗(yàn)的在用油每間隔25 h取樣一次,進(jìn)行直讀鐵譜定量跟蹤監(jiān)測(cè),圖1、圖2是增壓六缸柴油機(jī)450 h耐久性試驗(yàn)的大小磨粒濃度變化曲線,是典型的帶有機(jī)油濾清器的潤(rùn)滑系統(tǒng)的磨損曲線(浴盆曲線),它直觀地反映了450 h耐久性試驗(yàn)的磨合階段、正常磨損階段和異常磨損階段。由于機(jī)油濾清器對(duì)磨粒的排除效應(yīng),所以曲線的磨粒濃度所代表的是摩擦副的磨損率。在磨合階段,由于摩擦表面都是機(jī)械加工后的,所以此階段是從一個(gè)粗糙的機(jī)械加工表面向一個(gè)低磨損的光滑表面的磨損過(guò)程,油中的磨粒濃度需要一段時(shí)間才能達(dá)到平衡;柴油機(jī)磨粒濃度發(fā)展的總趨勢(shì)是由小到大,然后由大到小,最后穩(wěn)定在正常磨損狀態(tài)的過(guò)程(由于機(jī)況在此期間不穩(wěn),導(dǎo)致此過(guò)程延長(zhǎng)),當(dāng)達(dá)到平衡時(shí),磨粒的排除率等于產(chǎn)生率,磨粒濃度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,此階段為正常磨損階段;隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的延長(zhǎng),零部件表面破壞的發(fā)展,其磨粒濃度和粒度會(huì)朝著更為濃密和粗大的方向進(jìn)一步惡化,打破了正常磨損階段的動(dòng)態(tài)平衡,最終導(dǎo)致機(jī)械故障發(fā)生(450 h由于突發(fā)故障導(dǎo)致停機(jī))。如用此設(shè)備大量的正常磨損階段的數(shù)據(jù)制定出相應(yīng)的基準(zhǔn)線、報(bào)警線、危險(xiǎn)線,在設(shè)備磨粒濃度大大超出預(yù)先制定的基準(zhǔn)線之上時(shí),便可結(jié)合譜片對(duì)機(jī)械設(shè)備磨損狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。我們用同一油樣和國(guó)內(nèi)另外一家具有第三方商業(yè)性專業(yè)油液監(jiān)測(cè)資質(zhì)機(jī)構(gòu)的直讀鐵譜定量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,其大磨粒D_L濃度趨勢(shì)圖見圖1,小磨粒D_S濃度趨勢(shì)圖見圖2。

由圖1、圖2可以直觀看出蘭州研發(fā)中心和第三方商業(yè)性專業(yè)油液監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)同一油樣大磨粒和小磨粒的磨粒濃度監(jiān)測(cè)趨勢(shì)一致。

3 鐵譜技術(shù)在固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)-壓縮機(jī)組中的實(shí)際應(yīng)用

鐵譜技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的主要目的,是通過(guò)分析磨粒的特征來(lái)區(qū)分正常磨損和異常磨損,并對(duì)磨損失效提出早期預(yù)報(bào)。本次監(jiān)測(cè)對(duì)象是固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)-壓縮機(jī)組,此設(shè)備是國(guó)內(nèi)某油田公司的關(guān)鍵設(shè)備,該機(jī)型號(hào)為COOPER-2804,配有機(jī)油濾清器的潤(rùn)滑系統(tǒng),自2008年3～11月先后采集油樣12次,期間共運(yùn)行11238 h,其鐵譜定量磨損趨勢(shì)圖見圖3。磨損趨勢(shì)圖表明,該機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,大體經(jīng)歷了柴油機(jī)的三個(gè)磨損階段。

從圖3可以看出前4000 h之前屬磨合階段,磨粒濃度發(fā)展的總趨勢(shì)是由小到大,最后由大到小,4000~8389 h之前在用油定量磨損趨勢(shì)平緩,磨粒濃度值變化率較小,屬正常磨損階段,譜片顯示磨粒濃度不大,粒度較小,總體為正常磨粒(譜片略),說(shuō)明該機(jī)組在此期間處于正常磨損狀況。

8389 h設(shè)備突發(fā)故障停機(jī),采油樣進(jìn)行鐵譜分析,其定量磨損數(shù)據(jù)略有上升,但分析譜片上存在大量的摩擦聚合物,并出現(xiàn)較多的銅和鋁等異常磨粒(見圖4),分析認(rèn)為有大量的摩擦聚合物說(shuō)明設(shè)備出現(xiàn)了高溫過(guò)載現(xiàn)象,在摩擦面過(guò)載和表面局部高溫的極壓狀態(tài)下油品發(fā)生聚合反應(yīng)。油中銅和鋁磨粒來(lái)自于和曲軸匹配的鋁合金軸瓦和連桿小端銅套,說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)有異常磨損跡象,通過(guò)分析認(rèn)為此次事故為突發(fā)機(jī)械故障所致,與油品質(zhì)量無(wú)關(guān),建議用戶檢查高溫過(guò)載原因并排除故障。

根據(jù)上述分析結(jié)果,拆機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)連桿軸瓦已磨損到可見銅襯底并有多處剝落,連桿小端銅套及銷釘發(fā)生嚴(yán)重磨損,由于突發(fā)過(guò)載導(dǎo)致壓縮缸活塞和十字頭之間的接桿斷裂,拆檢結(jié)果表明與鐵譜分析基本一致。因故障較大,相關(guān)檢修部門對(duì)設(shè)備進(jìn)行大修處理,更換了磨損的零部件,換油后對(duì)設(shè)備進(jìn)行了試運(yùn)轉(zhuǎn)。運(yùn)轉(zhuǎn)22 h后,進(jìn)行采樣分析,直讀數(shù)據(jù)顯示磨粒濃度明顯升高,磨損率加快,分析有異常磨損,建議縮短采樣周期,密切監(jiān)測(cè)設(shè)備的磨損趨勢(shì)及磨損狀態(tài)。運(yùn)轉(zhuǎn)200 h采樣分析,直讀數(shù)據(jù)顯示磨粒濃度較22 h大幅升高,產(chǎn)生了嚴(yán)重的異常磨損(見圖3),分析譜片顯示有大量異常磨粒,見圖5。

圖5譜片表明磨粒以鐵系為主,有標(biāo)志著異常磨損尺寸較大的切削和疲勞磨粒,疲勞磨粒表面因高溫而呈現(xiàn)黃藍(lán)回火色,并有較多暗金屬氧化物和少量鋁粒,嚴(yán)重的切削磨粒和疲勞磨粒表明摩擦表面有損傷跡象,黃藍(lán)回火色表明摩擦面溫度較高,暗金屬氧化物表明潤(rùn)滑有不良跡象,鋁粒表明相應(yīng)部件發(fā)生磨損,再次建議停機(jī)檢查。請(qǐng)專業(yè)人員對(duì)該機(jī)組進(jìn)行檢修,檢查后發(fā)現(xiàn)壓縮缸進(jìn)排氣閥彈簧安裝錯(cuò)誤,導(dǎo)致設(shè)備工作異常,機(jī)組發(fā)生異常磨損,故障排除后,該機(jī)組振動(dòng)及噪音恢復(fù)正常狀態(tài)。鐵譜監(jiān)測(cè)及時(shí)診斷了這個(gè)故障,防止了二次惡性故障的發(fā)生。在運(yùn)行9211 h鐵譜分析顯示磨損濃度雖高,但呈下降趨勢(shì),異常磨粒較少,變化率趨緩,設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),說(shuō)明故障已經(jīng)排除。繼續(xù)對(duì)該機(jī)組鐵譜跟蹤監(jiān)測(cè),11238 h在用油監(jiān)測(cè)定量數(shù)據(jù)明顯降低,磨損趨勢(shì)及譜片表明設(shè)備屬正常磨損,設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況和潤(rùn)滑狀態(tài)正常。

4 結(jié)論

(1)ZTP/FTP-X2型直讀鐵譜儀具有可以接受的重復(fù)性和區(qū)分性。

(2)通過(guò)對(duì)固定式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)-壓縮機(jī)組的鐵譜跟蹤監(jiān)測(cè)分析, 結(jié)果表明:在實(shí)際監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中,鐵譜分析技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)備的磨損趨勢(shì)及故障能進(jìn)行有效的診斷和監(jiān)測(cè),可避免異常磨損故障的發(fā)生。

參考文獻(xiàn):

[1] 楊其明,嚴(yán)新平,賀石中,等.油液檢測(cè)分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2] 楊其明.磨粒分析:磨粒圖譜與鐵譜技術(shù)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2002.

[3] 張鄂. 鐵譜技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用[M].西安交通大學(xué)出版,2001.

收稿日期:2009-05-04。

作者簡(jiǎn)介:丁芳玲(1976-),女,助理工程師,1996年畢業(yè)于蘭州化工學(xué)校化工機(jī)械專業(yè),2008年于蘭州理工大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)畢業(yè),長(zhǎng)期從事潤(rùn)滑油評(píng)定工作,公開發(fā)表論文2篇。