油液中光的影響及其應用*

周 亮，張賢明，梁新元，盧浩聞，楊 旭

(重慶工商大學廢油資源化技術與裝備教育部工程研究中心，重慶400067)

通常情況下，造成油液污染的來源可分為內部污染源和外來污染源兩部分［1］。其中內部污染源主要指新油液引入污染物，內部機器零件相對運動磨損產生的污染物和油液的理化性質改變形成的污染物。外來污染源主要指固體雜質、空氣、水分以及其他種類的油液。一般情況下，光照下的油液會發生輕度氧化，光對油液的影響往往會被其他類污染所覆蓋，因此僅作為油液的一種非主要影響因素，但是在對于光安定性差的加氫精制基礎油來說，光會使油液老化，變渾濁并最終生成沉淀。研究油液的光安定性，研制新型的合適的光穩定劑對提高油品質量有著重要的意義。

同時在監測油液污染度的眾多方法中，光散射法具有非接觸、粒徑范圍大、實時監測等優勢。利用光散射原理設計的光學型傳感器將具備強的溫度、電磁抗干擾性以及更短的反應時間。這些獨有的優勢將加速油液中光學特性的相關研究。

1 光在油液中的化學影響—光安定性

石油產品抵抗光照作用而保持其性質不發生永久性變化的性能指標指的就是光安定性。將試樣在規定的光照(如紫外光)條件下照射后，以其顏色號，沉淀物量的大小或酸值變化來表示該石油產品的光安定性。作為劣質產品優質化，重質油品輕質化的重要加工手段，加氫技術一直備受關注。有研究表明，相對于溶液精制基礎油來說，加氫處理基礎油對光有著更強的光敏感性。加氫處理基礎油在有氧和光照的條件下，油品會發生變質，即油液顏色變深，產生霧狀絮凝物，最終生成沉淀，這一過程通常被認為是輕度氧化過程。

加氫處理基礎油的光安定性差的原因，目前為止還沒有定論。主要有4種看法［2-4］:

(1)氮化物是加氫處理基礎油光敏感性的主要原因。早在1967年，Kartzmark等在研究環烷基原油的組成、顏色和顏色安定性之間的關系時，發現油中氮化物的含量雖少，但在起始顏色中的構成卻占大部分，因此認為氮化物是光敏感的主要因素。

(2)非堿性氮化物是主要的原因。加氫裂化潤滑油光照后的沉淀中含有一定量的氮，進一步的分離可以得到含硫化合物，堿性氮化物和非堿性氮化物。而由于前兩者對紫外光不敏感，后者則非常不穩定，在分離時只能得到含氧化合物(一種可能是高沸點、高度極性的而且是加氫反應性差的化合物)，因此認為加氫潤滑油的變色可能是由于這類復雜的化合物引起的。

(3)重芳烴是主要的原因。由于加氫處理潤滑油光照后產生的沉淀主要是不溶于己烷的瀝青質，且其碳氫比與油品色譜分離得到的重芳烴的碳氫比相似，故認為重芳烴使得加氫潤滑油的光安定性變差。Novak等用色譜法分離加氫裂化油光照后的某一沉淀組分，證明了重芳烴是影響光安定性的主要因素。楊家雷分析加氫處理油光照沉淀物的芳構化程度，認為沉淀的生成和芳烴的結構有關。黃為民［3］等通過對比加氫處理潤滑油基礎油和糠醛精制潤滑油基礎油中氮化物、重芳烴、中芳烴、輕芳烴和飽和烴對光安定性的影響，認為重芳烴是導致加氫處理基礎油的光安定性比糠醛精制基礎油光安定性差的主要原因。

(4)部分飽和的多環芳烴是主要的原因。Gilbert用吸附色譜、薄層色譜結合常規儀器研究了加氫處理油的組成，發現油中加氫多環芳烴的含量很少，但是對紫外線敏感，極不穩定，并使油品變色甚至產生沉淀。王會東以新疆混合原油生成的加氫潤滑油基礎油為原料，對光照后的沉淀組成和加氫油各組分進行了光安定性影響分析，確認影響加氫處理基礎油光安定性的主要組分為:含硫、氮的芳香雜環化合物和多環芳烴［5］。

盡管油液光敏感的原因沒有定論，但是毫無疑問，油液中發生了光氧化過程。根據光氧化歷程的機理，加氫基礎油用光穩定劑可分為紫外線吸收劑、激發態猝滅劑、氫過氧化物分解劑和自由基捕獲劑。有報道稱，用伊朗、沙特等國家的加氫基礎油調制的變壓器油通過加入適當的光穩定劑，在不影響表明張力、保持低溫溶解性極好的情況下，其光安定性達到了與溶液精制變壓器油相當的水平［6］。

2 光在油液中的物理特性—光的散射

光照射油液的過程中，除了油液本身對光的微量吸收，另外由于油液中存在的污染物，如顆粒物等，光會在油液中發生所謂的光現象，諸如光的散射，反射和吸收等。光學型傳感器就是利用這類基本的光現象來實現在線實時監測油液中顆粒物的。

2.1 光散射原理

光的散射［7］是原子或分子體系從入射光波中獲得能量后，改變其傳播方向和相位，甚至頻率的再輻射(二次輻射理論)。由于造成散射現象的原因各不相同，光散射現象的表現形式和種類多種多樣。對于同一種光散射現象，可以用不同的光學理論模型來解釋。

光散射可分為兩類，一類稱為彈性散射，即指改變入射光的傳播方向及相位的散射，如銳利散射、渾濁介質散射等。另一類稱為非彈性散射，即除改變入射光的傳播方向和相位外還改變入射光的頻率，如喇曼散射、布里淵散射等。

散射［8］的過程中常常伴隨著吸收過程，當光線通過帶有吸收性顆粒介質時，一部分被顆粒吸收，另一部分被顆粒散射，使得穿過介質后的光較入射光減弱，這種現象稱之為消光。在很多情況下，光的吸收和散射是矛盾的，在引起光衰減的吸收和散射作用中，一個作用往往比另一個作用要強烈的多，這時就可只考慮矛盾的主要方面。例如在通過煙灰粉塵微粒介質時，吸收起主導作用，散射可忽略;而在太陽光經過大氣層的消光則主要是因光散射引起的。

光在經過油池時，部分會在金屬磨粒表面反射，部分會在半透明污染物上折射，同時部分入射光被顆粒吸收，經過一系列復雜機理，入射光的光通量或透光強度會減弱。

2.2 光吸收定律

根據Bouguer-Lambert定律［9］可知，設強度為I0的光線通過厚度為L的不均勻介質(油液)，由于懸浮在油中的顆粒對入射光的吸收和散射作用，是穿過顆粒的透射光強度減弱到I，那么光強度減弱符合公式:

式中:τ是與光強無關的比例系數，稱之為衰減系數或濁度;L為測量光程;

式中:K為消光系數，表征每個顆粒對入射光的散射量，是粒徑、波長及顆粒相對于介質的折射率的函數;N表示顆粒個數濃度，即單位體積內的顆粒數;D為顆粒直徑;σ為顆粒迎光面積。

根據上述公式(1)(2)可知，在理想條件下，消光系數和顆粒直徑不變，則衰減系數與顆粒個數濃度成正比，同時由于衰減系數與光強有關，故而可以用光強衰減來表示油液中的濁度。

2.3 在線檢測光傳感器

根據這一原理，鄧樂［10］等研制一種反射式光纖油液污染傳感器，其光源發射光束，經耦合器進入測量光纖和參考光纖，經由測量光纖的光束再經過傳感探頭、反射體反射后，部分光由接受光纖接受，接收到的光功率信號強度與測量區中的油液污染度有關;測量光纖的光束傳輸至光電探測器，該參考光路主要用于補償光源波動等因素的影響。武漢理工大學的宗成強［11］根據這一原理，利用光的透射，設計研制的光強自動調整在線油液檢測裝置。通過LED光源發射光束，經過聚焦透鏡后穿過油池，到達對面的透鏡，其中一部分連接接入顯微鏡，經放大，CCD采集后在計算機上再現油池中磨粒的形貌，另一部分經過光敏二極管采集，轉換成電信號，經放大濾波后，輸入到單片機，并在單片機內運行計算，從而對光強進行調整。這兩種方式的傳感器對比見表1。

表1 兩種傳感器的區別

3 結束語

光在油液中的的化學特性實質上是一種輕度的氧化反應，在光照條件下，會加速加氫精制基礎油的老化，加入適當的光穩定劑有利于緩解老化的過程;光學型在線油液監測設備的研制過程中，無論是利用光反射還是光投射，都是建立在光的散射現象和光吸收定理基礎之上的。這類光學型傳感器具備的響應速度快，環境適應性強，易于構成光纖傳感收集數據等優勢，將會實現基于光纖的油液傳感監測裝置產業化。

［1］張蕊，郭智勇.液壓系統油液污染對系統的影響［J］.科技資訊，2011(4):44

［2］宋昭遠，劉曉東，劉慧清.加氫潤滑油光安定性的影響因素及改善途徑［J］.遼寧石油化工大學學報，2004，24(3):53-57

［3］黃為民，祖德光.加氫處理的潤滑油基礎油光安定性影響因素的研究［J］.石油學報(石油化工)，2000，16(4):31-37

［4］王會東.加氫潤滑油基礎油光安定性研究進展［J］.潤滑油，2002，17(4):6-10

［5］王會東.加氫潤滑油基礎油光安定性研究［D］.北京:北京石油大學，2001

［6］李建明，王會東.光穩定劑在加氫裂化潤滑油基礎油中的應用研究［J］.精細石油化工進展，2003，4(4):29-32

［7］高永鋒.塵埃粒子光散射測量技術及微型光學傳感器的研究［D］.蘇州:蘇州大學，2005

［8］王清華.光散射法顆粒大小與形狀分析［D］.江蘇:南京工業大學，2003

［9］殷勇輝.基于電感測量和光纖技術的在線油液監測方法研究［D］.武漢:武漢理工大學，2002

［10］鄧樂，熊開選.反射式光強調制型光纖油液污染度傳感器［J］.煤礦自動化，1997(1):53-55

［11］宗成強.基于光強自動調整的在線油液監測裝置的研究［D］.武漢:武漢理工大學，2006