柴油機潤滑油污染監測方法研究

石新發,劉東風,,李廣太,李 莎

(1.91663部隊,山東青島 266012;2.海軍工程大學青島油液檢測分析中心,山東青島 266012)

柴油機潤滑油污染主要指磨損顆粒、油泥、積碳、粉塵、水和燃油等物質的污染。正常情況下,柴油機的冷卻系統、燃油系統和潤滑系統是相隔離的,與以上幾種物質的污染相比,水污染、燃油稀釋是柴油機的故障現象,會造成潤滑油性能的迅速下降,引起柴油機的異常磨損,除故障出現并且延續外,水污染、燃油稀釋的表征指標沒有時間依賴性。對水污染、燃油稀釋的診斷原則是早發現,早解決,避免故障延續。

1 水污染的監測

1.1 水污染原因及影響

柴油機潤滑油水污染的主要來源有兩個:冷凝水和冷卻系統泄漏。柴油機啟停工況和工作溫度較低時,空氣中水蒸氣凝結進入潤滑油,但當柴油機達到正常工作溫度時,會被蒸發,所以冷凝水不作為污染監測的重點。艦用柴油機采用的基本都是閉式冷卻系統,冷卻水泄漏通常有淡水系統泄漏和海水系統泄漏,泄漏故障原因很多,既和柴油機本身有關,又與輔助系統有關,比如汽缸蓋墊圈密封不良、缸套或汽缸蓋裂紋、潤滑油冷卻裝置密封不嚴及冷卻系統管路裂紋等都會造成冷卻水泄漏進入潤滑油,該部分水量較大,一旦泄漏故障出現,如果沒有得到及時排除就會有量的積累。

水污染不但對潤滑油物理穩定性有影響,還對潤滑油的化學穩定性有影響,水與添加劑反應使添加劑沉積,促進潤滑油氧化生成酸類物質,油泥增多,產生沉淀堵塞管路;還可以造成潤滑油乳化,降低油膜強度或難以形成油膜,使潤滑效果變差,磨損加劇。另外,海水有較強的腐蝕性,加劇柴油機的零部件腐蝕和銹蝕,產生異常磨損。

1.2 監測方法

柴油機潤滑油含有大量的清凈分散劑,且處于高溫、高剪切和高速攪動的工作環境,進入潤滑油的水分很容易蒸發,含水量達不到一定程度時,潤滑油的進水故障很難被發現。潤滑油中的水使潤滑油性能大幅度下降,導致柴油機運動部件產生異常磨損。

本文采用了原子發射光譜儀、傅立葉變換紅外光譜儀和精密水分測試儀對采集的油樣進行了檢測分析,其數據見表 1。

通過分析表 1數據,精密水分儀檢測到在0.2%以下水含量時,紅外光譜水含量指標基本上為 0,如 2、3、4、5號油樣,在精密水分檢測到水含量較大時,二者的表征結果是一致的。在實驗中選取了幾種常用柴油機潤滑油新油進行精密水分檢測,其數據見表 1,在儲存或運輸中各種牌號的新油中已經含有 0.1%左右的水分。

表1 油樣原子發射光譜數據表

紅外光譜油品分析系統采用的是差譜分析法,即在用油的紅外光譜與新油的紅外光譜進行差減后得到在用油的紅外光譜指標值,其檢測到的是相對水含量,由于新油已經含水,經差減后水分吸收峰很有可能被削減;而精密水分儀檢測到的是絕對水含量。所以,紅外光譜測得的水含量普遍較精密水分儀測得的水含量低。冷卻水泄漏為故障現象,正常情況下,潤滑油中水的相對含量是低于紅外光譜油品分析系統所能檢測的水含量的最低限度0.1%,紅外光譜檢測不到水。

海水中含有大量的 Na、Mg等元素,部分冷卻淡水緩蝕劑也含有 Na、B、Si等元素,在某些潤滑油中的添加劑中也含有這些元素,柴油機正常運行時,這些元素在潤滑油中的含量基本上不會變化,如果出現冷卻系統泄漏,冷卻水中所含的元素也會進入潤滑油,即使在高溫、高速攪動環境下水被蒸發,這些元素也會保留在潤滑油中,相應元素的原子發射光譜數據就會增大,這是確定冷卻系統泄漏的一個重要依據。由表 1可以看出,原子發射光譜數據中的 4、5號油樣中的 Na、Mg元素數據較高,明顯存在泄漏進海水現象,而在表 1中精密水分檢測到的水含量較低,紅外光譜檢測到的水含量指標為 0,說明僅僅靠水含量來判定冷卻水泄漏是不可靠的,只有當潤滑油進水量較大時,如 1、6、7號油樣,故障才能被檢出。

2 燃油稀釋的監測

2.1 燃油稀釋原因及影響

燃油稀釋主要有以下原因:噴油器故障,燃油霧化不良,缸套/活塞間隙過大和燃油系統泄漏。燃油稀釋將降低油膜強度、潤滑油的密封能力和清凈能力,還將引起潤滑油粘度、閃點下降,影響潤滑油的物理穩定性,造成柴油機磨損加劇,閃點下降,會使柴油機運行的安全性下降。

2.2 監測診斷方法

燃油稀釋的檢測方法通常有閃點法、粘度法、比重實驗、色譜分析,但這些方法實驗費用較高、耗時較長,在日常的監測中很難實施;另一個方面由于燃油和潤滑油的基礎油物理化學性質比較相似,上述方法很難準確定量的對污染水平進行診斷。本文采用了紅外光譜法對油樣進行檢測分析,發現部分油樣有燃油稀釋現象,并進行了閉口閃點測試,具體數據見表 2,其中 C、O、N、S、F、ZDDP(二烷基二硫代磷酸鋅 -抗磨添加劑)分別代表潤滑油中的積碳、氧化產物、硝化產物、硫化產物、燃油稀釋水平、ZDDP。

表2 燃油稀釋油樣數據表

通過對表 2數據的對比發現,紅外光譜指標中的燃油稀釋值和閃點下降幅度有一定的對應關系,2、3、4、5號油樣為同一臺柴油機油樣,可以看出隨著燃油稀釋的加大,其閃點下降幅度很明顯。正常情況下,潤滑油系統和燃油系統是相隔離的,潤滑油中不會含燃油或含極少量燃油,本文所使用的紅外光譜油品分析系統的燃油稀釋最低檢測限為2%,油樣是檢測不到燃油的。

在對燃油稀釋的診斷中,可以借助于紅外光譜的其他指標對燃油稀釋原因進行診斷,從而更加明確的掌握柴油機的狀態,如 1號油樣,從其積碳、氧化產物、硝化產物、硫化產物指標看,積碳、氧化產物兩項指標為零,可以判定燃油霧化是正常的,從其硝化產物、硫化產物指標來看,吸光度值也不高,說明活塞環密封性能較好,從上述分析可以判定其燃油稀釋是由于燃油系統泄漏引起的,同理,可以判定 2、3、4、5號油樣對應的柴油機的燃油系統也存在泄漏現象;6號油樣的積碳吸光度值較高,其氧化產物、硝化產物、硫化產物不高,是由于柴油機燃油霧化不良或缸套/活塞間隙過大造成的燃油稀釋。

從表 3的原子發射光譜數據可以看出,存在燃油稀釋的油樣對應的原子發射光譜數據未見異常,說明燃油稀釋還沒有引起異常磨損,但是已經形成故障隱患,同時也說明紅外光譜對原子發射光譜起到很好的補充作用。

表3 油樣發射光譜數據

3 污染監測流程

目前,油液監測實驗室潤滑油監測主要有兩種情況,一種側重于磨粒分析,較少進行油品監測,因此獲得的監測信息減少,導致監測診斷的準確率和故障檢出率降低;另一種把磨粒分析和油品監測都作為重點,在油品監測方面主要采用常規理化指標分析,理化性能指標檢測方法雖然測試項目詳細、方法比較成熟,但是耗時長,實驗費用高。

經過實踐,按照圖 1流程對柴油機潤滑油污染進行監測診斷,能有效地對故障和潤滑油狀態進行診斷。

圖1 柴油機潤滑油水污染、燃油稀釋污染監測流程圖

該流程可分為 3個環節:例行監測、數據處理與狀態判別、外來污染的診斷與潤滑油狀態評價。①例行監測環節:該環節采用原子發射光譜儀和傅立葉變換紅外光譜儀組合應用完成對潤滑油的監測,實踐證明二者組合能夠準確的反映水污染和燃油稀釋、磨損產物、衰變產物、添加劑損耗的增加和減少,不但能夠較全面的提供潤滑油信息,而且經濟、快捷。②數據處理與狀態判別環節:該環節主要針對上一環節所得數據進行數學分析,判斷潤滑油油品狀態。③污染的診斷與潤滑油狀態評價環節:在此環節中,主要對存在受污染的潤滑油進行詳細的診斷,如對冷卻水泄漏故障判斷是淡水系統泄漏還是海水系統泄漏,對燃油稀釋的診斷判斷是燃油泄漏還是其他原因等,并且能實現被污染的潤滑油性能評價以確定其使用性能。

4 結論

潤滑油的水污染和燃油稀釋是柴油機主要的故障源之一,如果不及時消除將會引起磨損故障,影響柴油機的正常運行。實踐表明,本文提出的柴油機潤滑油污染監測流程能夠可靠的反映磨損產物、衰變產物、添加劑、水污染和燃油稀釋的增加和減少,并能利用指標間的相互關系對故障進行相應的診斷,在柴油機潤滑油水污染和燃油稀釋的監測中取得了很好的效果,提高了監測的工作效率和故障檢出率。