傅里葉紅外光譜儀在船舶設備油液監測診斷中的應用

張佃惠,劉敬軍

(1.91663部隊,山東青島 266011;2.92132部隊,山東青島 266405)

目前,船舶設備狀態監測與故障診斷技術研究發展較快,油液監測技術作為實現設備主動維修的最為行之有效的監測手段之一,能夠監測水分、顆粒污染及油質降解等導致設備故障的故障根源,已經在船舶設備的科學化管理和維修中發揮了重要作用。油質分析和磨粒分析作為油液監測的兩個方面同等重要。對油質本身進行監測并做出是否換油結論,會帶來巨大的經濟效益,因此國內在油質監測方面越來越重視[1-3]。傅里葉變換紅外光譜分析技術是鑒別物質和分析物質結構的有效手段,在有機化學、高分子化學、石油化工等領域得到了廣泛應用。上世紀初,紅外光譜儀被用于監測在用油中氧化物、硫化物、硝化物、積碳、水分、乙二醇、燃油稀釋以及砂粒灰塵的污染度,同時也可以監測油品的添加劑如防磨劑的降解來了解油液衰敗的情況,可以取代某些傳統的油液理化指標分析方法,有效縮短測試時間,顯著提高測試效率,大大提高設備油液快速監測診斷能力。本文立足于油液監測工作就傅里葉紅外光譜儀在船舶設備油液監測診斷工作中的應用提出一些建議。

1 應用現狀

在國外,傅里葉紅外光譜技術在軍隊中已經開展了實船應用研究。上世紀末,美國海軍將傅里葉紅外光譜儀安裝在航母等大型艦船上,并開展了相應的研究工作,取得了成功的經驗。軍隊的各級油料分析系統也陸續配發了傅里葉紅外光譜儀,取代部分陳舊的、落后的常規理化指標分析設備,效果顯著,并且還在不斷地擴展其應用范圍,從而將軍隊的油料分析工作提到了一個新的高度。目前,美軍基本上是以原子發射式光譜儀 (元素分析光譜儀)和紅外光譜儀為核心的油料分析系統。這一系統使他們很好的掌握了設備的磨損狀態,透徹地了解油料在使用過程中的衰變和污染 (包括添加劑損耗)以及這些參量與機械失效形式的相關性。油料狀態監測分析系統為美軍作戰勝利做出了極有價值的貢獻。

在國內,船舶油液理化性能測定主要是針對在用油液理化性能檢測,偏重于油液在使用中性能變化的測定,如油液在使用中被其它油液或冷卻液稀釋、油液中進入微量海水、油液中添加劑被消耗、油液的污染狀況、油液中磨損金屬的狀況等性能變化等,以此來準確、及時地掌握船舶設備油液使用性能的狀態和船舶主要機電設備的使用狀況,確保船舶的在航率和減少故障率。

在實際工作中,傳統的常規水分、粘度、總酸(堿)值等油液理化指標由于受檢測目的、人力、物力、儀器等多方面條件的限制,往往不需要做全部性能分析;同時由于試驗方法和條件的限制,存在著測試時間長、樣品消耗大、精度不夠高等缺點。因此,選擇油液性能檢測項目的原則就是油液在使用中性能變化大并對船舶機電設備可靠性有影響的項目,同時對這些項目的分析方法要求簡單、快速,既能及時了解船舶機電設備在用油液的使用狀況,又能及時發現設備的故障和故障隱患,快速解決船舶在用油液中存在的問題。

目前,國內許多實驗室配置了美國生產的傅里葉紅外光譜儀,該儀器可以收集中紅外和近紅外光譜范圍的譜圖,經過各種數學處理,得到所測樣品中各種化學成分的含量和分布。該公司開發的 Integra軟件專門用于分析在用潤滑油中的積碳、水、氮化物、氧化物、防凍劑、硫化物、防磨添加劑等各種組分,可以動態地監測在用潤滑油的衰變和劣化程度。該儀器具有掃描速度快、精度高、分辨率高等特點。國內關于此項技術的研究多只限于油品的添加劑配方、品質鑒定等石油產品的生產和質檢環節,針對船舶設備在用油液監測方面的應用研究尚未見報道。我們利用傅里葉紅外光譜儀對在用柴油機潤滑油中灰分含量、產生的氧化物含量、硝化物含量、磺化物含量、燃油稀釋含量、乙二醇含量和添加劑 ZnDDP的降解測試項目進行了專門研究,結合潤滑油的磨粒分析研究,得出它們之間的相關性規律,為今后船舶設備潤滑油監測診斷向智能化、綜合化方向發展提供有力的科學基礎。

2 應用原理

紅外光譜是一種對物質分子結構和化學組成進行定性定量分析的試驗室技術。其應用的物理原理是:根據量子力學概念,分子運動的能量是不連續的,每個運行狀態都屬于一定的能級,而每一種物質分子有它自己的特征能級圖。當用一束具有連續波長的紅外光照射某種物質時,該物質的分子就要吸收一部分光能,并將其轉變為分子的振動和轉動能量,分子吸收的能量,應為該分子兩個能級間的能量差,與吸收光的頻率間的關系符合普朗克定律。因此,若將透過分析樣品的紅外線用單色器進行色散,就可以得到一條譜帶,如果以波長或波數(cm-1)為橫坐標,以百分吸收率 (A)或透過率為縱坐標,把譜帶記錄下來,就得到該物質的紅外吸收光譜圖。將該圖與已知分子標準圖相對照,通過解析,就可確定物質分子組成和結構。

紅外光譜儀是一種應用范圍很廣的分析儀器,在用于潤滑油分析時的工作過程一般是:先分別做出參比油 (新油)和要測的在用油的譜圖,除去相同的吸收峰,得出差值,找出差值的基線,就可定量得到在用油中各降解產物和污染物讀數。

圖 1為在用油液紅外光譜特征峰。在添加劑測試方面主要有以下特征峰:在 3 650 cm-1處為苯酚的 O-H鍵的伸縮振動;在 3 400 cm-1和 1 625 cm-1為胺類的 N-H伸縮振動和彎曲振動;在 990 cm-1和 650 cm-1處為 ZDDP的 P-O-C和 P-S的伸縮振動。在副產物的測試方面主要有以下特征峰:在 1 600 cm-1～1 750 cm-1和 3 500 cm-1～3 595 cm-1分別為羧酸酯、酮和羧酸的官能團特征峰;在 1 630 cm-1處為硝酸酯的特征峰,在 1 150 cm-1處為硫化物的特征峰。在污染物方面主要有以下特征峰:在 3 500 cm-1～3 100 cm-1處為 OH的伸縮振動,可測試到水和醇類;在 1 080 cm-1～1 040 cm-1為冷卻劑的 C-O對稱伸縮振動;在810 cm-1處為柴油的芳環的 C-H鍵的彎曲振動;750 cm-1處為汽油的芳環的 C-H鍵的彎曲振動;在 2 000 cm-1處為灰分的基準偏移。

圖1 油液紅外光譜特征峰

3 應用實例

本實驗室使用的是 AVATAR360型傅里葉紅外光譜儀及其分析軟件 (OMNIC)。我們對某船柴油機潤滑油進行了連續跟蹤監測,應用傅里葉紅外光譜儀對油液進行了劣化程度分析,并應用超譜 -M型油料分析光譜儀對油液進行了磨粒分析,得出了該設備的潤滑油油液劣化程度含量趨勢圖和磨損金屬元素含量趨勢圖。圖 2為編號為 74#～108#潤滑油油樣中產生的積碳 (Soot)、氧化物 (Oxidation)、硝化物 (Nitration)、硫化物 (Sulfation)的含量趨勢圖,圖 3為編號為 74#～108#潤滑油油樣中磨損金屬元素含量趨勢圖。

圖2 潤滑油中產生的積碳、氧化物、硝化物、硫化物含量趨勢圖

圖3 潤滑油金屬元素含量趨勢圖

從圖 2、圖 3中可以看出,在油樣編號 77#、98#、104#處產生的積碳、氧化物、硝化物、硫化物的出現峰,對應于磨損金屬元素含量也出現峰,說明處于這 3個狀態下的柴油機磨損劇烈,相應的潤滑油油質劣化程度嚴重,從這點可以看出傅里葉紅外光譜儀在油質劣化趨勢方面和了解機械運行狀態方面的優勢,它特別適用于油液性能趨勢分析的監控,更便于掌握機械潤滑狀態,為今后按質換油、合理使用設備提供科學依據。

4 應用建議

1)目前,傅里葉紅外光譜儀OMNIC軟件中的油分析軟件 Integra存在很多不足。如水和乙二醇在紅外中有特征吸收峰,能在含量高于 0.1%(1 000μg/g)時被檢測出來,但是此方法不像其它方法那樣靈敏。乙二醇和水都含有 -OH基團,當兩者同時存在時,這一測定受到干擾,測定準確度受到影響,因此水和乙二醇的測定值僅作為參考值。建議對水分和乙二醇等醇類含量的測試應使用OMNIC軟件,針對 TQ定量分析在油液監測診斷中的應用還要進行專門培訓,以提高傅里葉紅外光譜儀在油液中進水情況測試的準確度。

2)加快傅里葉紅外光譜儀與其它油液分析數據的相關性研究,以確認該儀器在油液監測診斷中的應用范圍和地位作用,真正地發揮該儀器的潛力。

3)建立傅里葉紅外光譜儀數據共享網絡,加強交流,進一步提高監測診斷水平。

[1]徐啟圣,李柱國.基于層次分析法的油液診斷特征屬性的選擇 [J].上海交通大學學報,2006,40(2):1 355-1 359.

[2]王越之,劉德華,羅春枝.用灰色關聯分析監控磨損和潤滑質量 [J].石油機械,1995,23(7):34-38.

[3]王德巖.在用航空潤滑油可靠性評估方法的研究 [J].潤滑油,2006,2(2):53-57.