鐵譜分析技術在石化行業的應用及前景展望

太原理工大學 孫志偉 段滋華

廣東石油化工學院 宣征南

論述了鐵譜分析技術在國內外各行業的研究和應用現狀及其在石化行業的應用前景，討論了鐵譜分析技術應用的最新進展，認為鐵譜分析技術的研究熱點是建立摩擦學系統的鐵譜磨損數學模型、多種油液監測技術綜合使用、磨粒自動識別技術和新型在線鐵譜儀研制與開發。根據分析論證，認為鐵譜技術可以為石油化工設備的安、穩、長、滿、優運行提供有力的保障。

一、引言

石化行業是我國的支柱產業，在我國國民經濟的發展中起著舉足輕重的作用。石化行業又是一個高風險的行業，有著自己的行業特點：（1）石化生產中涉及物料危險性大，發生火災、爆炸、群死群傷事故幾率高；（2）石化生產工藝技術復雜，運行條件苛刻，易出現突發災難性事故；（3）裝置大型化，生產規模大，連續性強，個別事故影響全局；（4）石化裝置技術復雜、設備制造、安裝成本高，裝置資本密集，發生事故時損失巨大。因此保證石化機械設備安全可靠運行是十分必要的。

機械設備運行過程中磨損是不可避免的，所造成的損失也是巨大的。因而進行機械設備磨損狀態監測對提高機器的可靠性和延長壽命，減少維修費用具有重大的意義。

油液監測是機器狀態監測的重要手段之一，目前油液監測分析方法包括磁塞檢測法、光譜分析法和鐵譜分析法等。其主要檢測范圍見表1。

表1 各種油樣分析法主要檢測范圍

由表1可看出，與其他方法相比，鐵譜分析法具有以下優點：

1.磨粒尺寸檢測范圍寬

大量統計資料表明，磁塞檢測和光譜分析分別只適用于檢測尺寸較大(＞100μm)和極微小磨粒(＜10μm)，而大多數設備失效期磨粒特征尺寸多在15-200μm之間，當磁塞檢測收集到一定數量的大磨粒時，可能設備中的某些零件已經損壞，故磁塞檢測早期損壞預報的可靠性較低。鐵譜分析的磨粒尺寸在1-1000μm，包含了對于磨損狀態識別和故障原因診斷具有特殊意義的尺寸范圍。

2.能同時進行磨粒的定量檢測和定性分析

光譜分析法盡管能精確測量油樣中小于5μm的磨粒含量和成分，并以此為依據判斷機械設備的磨損狀態，但是限于其工作原理，它不能分析磨粒的形態，無法將磨粒按尺寸大小均勻排列，即無法定性分析，只能對磨粒進行定量分析。

磁塞檢測法能夠有效地檢測出上百μm甚至mm級的磨粒，若輔以檢測過濾器，亦可收集摩擦副的有色金屬磨粒，但難以進行定量分析。

鐵譜分析技術較光譜方法、磁塞檢測法的一個最大優點就是能夠同時實現對磨粒的定性檢測和定量分析，不僅觀察磨粒的類型、形態、尺寸、顏色、表面特征與結構等還可以測量磨粒量、磨損劇烈程度、磨粒材質成分等，這既給分析機械設備磨損狀態、故障原因和研究設備失效機理等提供了全面而寶貴的信息，又大大提高了機械設備狀態監測的可靠性。

3.能準確監測機器中一些不正常磨損的輕微征兆，具有磨損故障早期診斷效果

鐵譜分析技術的另一個優點是它能準確檢測出機械設備中一些不正常磨損的輕微征兆，如早期的疲勞磨損、粘著、擦傷與腐蝕磨損等，從而可為設備狀態檢測人員提供寶貴信息，避免機械事故發生。

可見，鐵譜分析技術可以簡便而有效地從潤滑油中分離出有價值的磨粒；同時，鐵譜分析還可以觀察磨粒的表面形貌、顏色等，從而能獲得更為豐富的關于機器磨損狀態及其機理的信息，以實現機器磨損狀態的有效監測與診斷。這些優點，是其他油樣分析方法所無法比擬的。因此，利用鐵譜分析技術對石化設備磨損進行故障診斷是十分合理的，不但可以對設備的磨損狀況進行定性檢測和定量分析，還可以準確監測機器中一些不正常磨損的輕微征兆，具有磨損故障早期診斷效果。

二、技術進展

鐵譜技術(Ferrography)是20世紀70年代出現的一種磨損顆粒分析新技術，美國麻省理工學院W.W.Seifert和美國Foxboro公司V.C.Westcott于1970年最早提出其原理，并于1971年研制出用于分離磨損顆粒并進行觀察分析的儀器——鐵譜儀和鐵譜顯微鏡。它的原理是利用專門設計的高梯度強磁場裝置，把油樣中金屬磨粒分離出來，使其按照尺寸大小依次沉積，然后進行磨粒粒子特征的定性和定量分析，以獲得機械磨損的可靠信息，從而分析機器的磨損機理和判斷磨損的狀態，并作出運轉設備故障預測等。

鐵譜分析技術對于摩擦系統的各種摩擦故障的診斷十分敏感，它可在不停機的情況下通過分析油液中的微粒，檢測出系統中一些不正常磨損的輕微征兆。上世紀80年代，鐵譜技術逐步傳入我國并得已發展。而今鐵譜技術在國內外應用范圍涉及石油化工、生物、醫療工程、航空、航海、鐵路等各個領域，并在發揮越來越重要的作用。

鐵譜分析技術最初用于飛機發動機的狀態監測，20世紀70年代D.Scott和V.C.Westcott對飛機發動機潤滑油中鐵元素磨損磨粒的分析式鐵譜檢測表明：潤滑油中金屬鐵磨損磨粒的粒徑穩定在2～3μm時，發動機磨損狀態未發生異常。由此揭開了以磨粒為信息載體對機械設備進行磨損監測診斷和磨損機理研究的新篇章，并且推動了摩擦學的發展，產生了微粒摩擦學的概念。

鐵譜分析技術的發展主要體現在理論方法的不斷完善和儀器設備的不斷改進兩方面。

在理論方法上，鐵譜分析技術最初是對磨粒進行定性分析，單純依靠磨粒的尺寸判斷設備磨損狀態，因該方法需要積累大量的經驗，不利于推廣；隨后有了進一步的發展，根據譜片上磨粒的數量、形狀、粒徑、表面形貌及顏色綜合進行判斷，這種方法將磨粒進行分類并給出了產生磨粒的原因，只要根據觀測到的磨粒類型就可以判斷設備故障原因及其部位，但該方法最主要的缺點就是如果設備中含有大量的摩擦副，那么正常磨損時也會產生較多的異常磨粒，很容易造成誤判，從而導致不必要的損失；于是對磨粒進行定量分析的方法應運而生，根據大、小磨粒的濃度值，結合磨損烈度指數、累積總磨損、累積磨損烈度、磨粒濃度、大磨粒百分比等多個參數利用統計學原理做出磨損狀態趨勢圖對設備磨損狀態進行判斷，與定性分析方法形成互補，極大的提高了對磨損狀態判斷的準確性和可靠性。近年來，為了滿足一些特殊場合的需要，又產生了一些新的方法，如為了判斷磨粒的材質以便準確判斷故障發生的部位，可以采用鐵譜片加熱法或偏振光法，根據磨粒加熱后不同的回火色或偏振光下光強的變化進行判斷；當設備中含有非金屬和非磁性材料時，這些材料產生的磨粒沉積是隨機的，且在大多數情況下無法捕捉(捕捉率只有15%)，這時可采用磁化鐵譜分析技術，利用磁化液中存在大量均勻分散于溶劑中的強磁性超微粒吸附磨粒表面使磨粒磁化，從而使這些磨粒可以被正常捕捉。這些方法的不斷完善使鐵譜技術在對設備磨損狀態判斷的準確性和可靠性上有了極大的提高，而隨著現代工業要求的不斷提高和科技的不斷進步，鐵譜分析技術的方法也將不斷進步。

在儀器設備方面，已經開發出了分析式鐵譜儀、直讀式鐵譜儀、旋轉式鐵譜儀、氣動式鐵譜儀等適用于不同場合的多種設備。如當油樣取自采煤機械等含有大量外界污染物的設備時，鐵譜片上往往會覆蓋一層煤粉或其他污染物，若采用旋轉式鐵譜儀則可以借助離心力甩除那些往往磁化率很低的污染物留下真正反映磨損狀態的磨粒起到“去偽存真”的作用；而當需要進行干磨料磨損條件下磨粒分析時，采用氣動式鐵譜儀可以將磨粒與沙子或其他粉狀物料分開并按照尺寸大小有序的沉積在玻璃基片上，既快捷又便于觀察分析；近年來，為避免蠕動泵輸送油樣時將大磨粒擠碎影響分析，改為采用氣壓的方式；而為克服其他鐵譜儀需從機器中先取油樣，再送入分析室進行分析，不利于隨時發現問題，有時甚至因為間隔時間過長導致報告得出時設備已經發生故障的缺點，又開發出了安裝在油路上，實現現場監測設備工況的在線式鐵譜儀。

鐵譜分析技術限于其對監測人員的技術水平和經驗要求較高，且建設實驗室投資成本較高，因此目前相關實驗室多建在高校或專門的油液監測機構。據相關文獻記載，目前鐵譜分析技術在航空、遠洋航海及陸路交通等方面應用較多，在石化行業的應用尚未普遍開展。

三、研究熱點及問題

近年來，鐵譜分析技術的研究熱點主要集中在油液在線監測和磨粒自動識別與分析兩方面。

1.油液在線監測

油液在線監測主要是依靠在線式鐵譜儀對設備工況實現現場監測，一方面極大的縮短了油樣提取和結論得出之間的時間差，使得操作人員可以及時收到分析報告，便于對設備的實時監測；另一方面省去了嚴格繁瑣的油樣提取步驟，避免由于取樣不規范，沒有獲取具有代表性的油樣而導致分析結果不準確，對設備狀態誤判，造成嚴重后果。

但在線式鐵譜儀并不是完美無缺的，它自身的局限性使其并不適合在石化行業廣泛應用。

首先，目前在線式鐵譜儀都只能對油樣進行定量分析，無法通過對磨粒數量、形狀、粒徑、表面形貌及顏色的定性分析來判斷設備故障發生的部位和原因，即只能進行狀態監測而無法進行故障診斷。同時，由于石化行業的設備普遍具有大型、復雜、重載的特點，設備中有大量的摩擦副，運行時會產生比其他設備更多的磨粒，只依靠定量分析有可能會得出錯誤的結論，從而造成不必要的損失。

其次，石化行業的設備中包含大量的齒輪和軸承，這些摩擦副產生的磨粒中含有大量非鐵磁性成分，在線式鐵譜儀依靠電磁鐵對這些磨粒的沉積效果并不好，且無法通過加磁化液的方法使這些磨粒具有磁性以增加沉積效果，因此有可能沒有及時預報故障而造成損失。

第三，石化行業的設備眾多，而目前在線式鐵譜儀由于通道數的限制只能同時對少量設備進行監測，若要實現大量設備的同時監測只能依靠多臺在線式鐵譜儀，必須投入大量的資金。

2.磨粒自動識別與分析

自鐵譜分析技術產生以來，磨粒識別與分析就是其中的核心內容，但長期以來，磨粒識別與分析始終依靠技術人員借助鐵譜顯微鏡來實現，因而其結論的準確性過分依賴技術人員的經驗，且消耗了大量的人力，又增加了結論的主觀性。近年來，隨著計算機技術、圖像分析理論、模糊識別技術、人工神經網絡技術等的產生和發展，以此為基礎的磨粒自動識別與分析已成為國內外研究的熱點。

磨粒自動識別與分析主要是利用掃描攝像機將顯微鏡里的圖像輸入到圖像分析儀中，按照給定的灰度反差對磨粒的輪廓特征、邊緣細節、表面紋理、顏色粒度等進行識別，并按照一定的優先順序得到相關信息，再依靠鐵譜分析專家系統得出最終的結論，這可以節省大量的人力同時也使分析結果更加客觀準確，因此其在擁有大量設備且對監測結果準確性要求極高的石化行業有著廣泛的應用前景。但這項技術涉及到多學科的交叉領域，目前仍處于探索階段。

四、前景與展望

利用鐵譜監測技術進行在線磨損監測和自動故障診斷是近期研究的熱點，但設備的狀態監測是一個復雜的系統工程，它要求油液分析不僅包含對現役設備磨損狀況的監測，而且包含對磨損產生原因的判斷，以及是否會產生故障的預判。在這方面國內外都已經做了一些工作，但主要是對某種設備磨損狀況進行監測，并根據其對應的譜圖判斷磨損原因，對監測人員的經驗要求較高，檢測周期較長，還沒有對磨損量和鐵譜分析結果間的對應關系進行定量分析，且沒有推廣到所有設備。因此未來鐵譜監測技術將朝著智能化、現場化、遠程化、綜合化的方向發展。其可能發展方向如下。

1.建立摩擦學系統的鐵譜磨損數學模型

影響設備磨損的重要參數有很多，包括摩擦副材料特征、磨粒生成機理、運動軌跡、工況負荷變化時磨粒生成與損耗的動態過程等，并且各個參數之間還存在相互影響，將這些參數量化并建立摩擦學系統的鐵譜磨損數學模型，不僅可以提高設備磨損定量分析的客觀準確性，而且加強了鐵譜分析技術的現場應用能力，同時也為設備磨損狀態自動識別和故障診斷提供了依據。通過大量的實驗找出規律將是今后研究的重點和難點。

2.多種油液監測技術綜合使用

鐵譜分析技術與其他油液監測技術（特別是常規理化分析）綜合使用，對現代企業而言，設備的潤滑故障診斷在一定程度上比機械磨損故障診斷更為重要，因為設備的潤滑故障往往是導致設備磨損故障的主要原因，要從根本上減少甚至避免設備的異常磨損，加強油液理化性能監測，保持設備良好潤滑狀態是必不可少的，而且與鐵譜分析技術相比，常規理化分析較為簡單，因此如果對油樣先做常規理化分析，判斷其理化性質有否明顯改變，做到快速判定潤滑故障發生的原因，這樣不但可以節省人力和時間，還可以提高監測的準確率。

3.磨粒自動識別與分析技術的研究

磨粒自動識別與分析技術的研究，需要借助圖像分析理論、模糊識別技術、人工神經網絡技術等多學科的交叉使用，將自動識別的磨粒圖像經過處理后與標準圖譜數據庫進行對比分析，最后由故障診斷專家系統得出結論。

4.新型線式鐵譜儀的開發

開發一種多通道，并且能利用超聲波技術進行定性分析的新型在線式鐵譜儀，既保留了傳統在線式鐵譜儀監測方便快捷的優點，又可以依靠超聲波穿透力強的特點提高監測的準確性，在石化等對監測速度和準確性都要求較高行業中有廣泛的應用前景。

5.利用網絡技術，搭建企業與科研機構之間的橋梁，進行在線技術支持和遠程故障診斷，在科研機構為企業提供技術支持的同時，企業也為科研機構提供課題和研究方案，兩者相互促進提高，這也是鐵譜分析技術努力追求的未來目標。

[1]我國石化行業的安全生產特點[EB/OL].(2006-12-12).安全文化網.

[2]楊其明,嚴新平,賀石中.油液監測分析現場實用技術[M]北京:機械工業出版社,2006.

[3]張鄂.鐵譜技術及其工業應用[M].西安:西安交通大學出版社,2001.

[4]B.J.Roylance.Ferrography—then and now[J].Tribology International,2005,(38):858.

[5]楊樹蓮,劉春潮.鐵譜監測技術在煤礦設備故障診斷中的應用[J].中國煤炭,2002,28(4):42.

[6]丁光健,胡大樾.鐵譜技術及其應用[J].潤滑與密封,1987,(6):52.

[7]熊志文.鐵譜技術簡介[J]現代機械,1987,(1):13.

[8]尹新,李夢媛.鐵譜分析技術的研究進展[J].化工時刊,2007,21(12):54.

[9]W.W.Seiferta,V.C.WestcottA.method for thestudy of wear particlesin lubricatingoil[J].Wear,1972,21(1):27-42.

[10]劉同岡,楊志伊.鐵譜技術中非鐵磁性磨損顆粒的監測研究[J].潤滑與密封,2004,(4):58.

[11]黃鵬.磨損磨粒顯微形態分析與自動識別技術[J].東南大學學報,2006,36(3):412.

[12]王漢功,陳桂明.鐵譜圖像分析理論與技術[M].北京:科學出版社,2005.

[13]張丹,梁培鈞.基于神經網絡的磨粒識別專家系統的設計[J].裝備制造技術,2010,(11):38-40.

[14]關子杰.潤滑油與設備故障診斷技術[M].北京:中國石化出版社,2002.