紅外光譜分析技術在潤滑油監測中的應用

韓風梅，胡 煉，陳 峰

（中國石油獨山子石化分公司研究院設備研究所，新疆 獨山子 833600）

紅外光譜分析技術在潤滑油監測中的應用

韓風梅，胡 煉，陳 峰

（中國石油獨山子石化分公司研究院設備研究所，新疆 獨山子 833600）

對FTIR紅外光譜分析技術在石化公司潤滑油監測中定量分析和定性分析的應用情況加以總結和展望。

FTIR紅外光譜；關鍵機組；潤滑油；監測

長期以來，在石化關鍵機組潤滑油監測方面通常采用理化檢測分析。開展FTIR紅外光譜分析技術，可以獲得潤滑油氧化、硝化、硫酸化、添加劑損耗等多項指標。與傳統的理化指標分析技術相比，具有分析速度快、精度高和重復性好等優勢。紅外光譜分析方法已廣泛應用于船舶、冶金、醫藥、食品、機械、化工等諸多領域。

一、FTIR紅外光譜分析技術簡介

由分子的振動－轉動能級躍遷形成的光譜為分子光譜，因其波長通常出現在紅外區段，故稱作紅外光譜。當一束具有連續波長的紅外光照射某一物質時，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內能。若將透過物質的光進行色散，就可以得到一條紅外光譜帶，將紅外光譜帶以波長(單位μm)或波數(cm-1)為橫坐標，以百分透過率或吸光度為縱坐標，就可得到該物質的紅外吸收光譜圖。

紅外光譜分析能從分子層次上分析油品內部成分組成與添加劑含量。不同化學物質在紅外光譜圖中有其特征吸收區，且吸收峰的高度和面積與該物質的濃度成正比，因此可通過對紅外光譜圖的分析，進行樣品中各化學物質的定性和定量分析，從而獲得油品的質量和性能信息，判定油品的衰變、添加劑消耗和污染狀況等。

紅外光譜所含信息量豐富，對不同油品有良好的適應性。這對于及時、準確評價機組潤滑狀況，延長油品的使用周期，保障機組的長周期平穩運行具有重要意義。

二、紅外光譜分析在油液監測中的應用

1.A2PAL紅外光譜儀介紹

某石化公司設備研究所使用的A2PAL紅外光譜儀，是美國研制開發的PAL系列油液監測FTIR紅外光譜儀，光譜范圍4 500～600cm-1，分辨率為4 cm-1，背景光及樣品掃描速度為8張/s光譜，可用于對壓縮機油、汽輪機油、齒輪油、液壓油、發動機用油等油品的定量與定性分析。

該儀器的進樣系統為光程長100μm的寶石透射池。當不同波長的紅外光依次照射油樣時，某些波長的光將被樣品選擇吸收而減弱，含有樣品信息的干涉光到達檢測器，通過傅里葉變換對信號進行處理，得到吸光度隨波長變化的紅外吸收光譜，并獲得氧化值、硝化值、硫酸化、抗氧劑、抗磨劑及積碳、煙炱等多項定量檢測指標。通過定量數值變化趨勢分析，結合油品特征基團的紅外特征吸收峰的位置、強度和形狀等參數，對新油和在用油紅外譜圖差異對比，判定在用潤滑油添加劑的損耗及性能衰變。分析檢測無需試劑及油樣制備，分析速度快。

2.FTIR紅外光譜定量分析法的應用

自2012年以來，對公司的35臺關鍵機組及部分擠壓造粒機在用潤滑油進行FTIR紅外光譜分析，涉及汽輪機油、液壓油、齒輪油。現以某廠3#發電機組為例，說明FTIR紅外光譜分析在油液監測中的定量分析應用。

2013年2月，某廠3#發電機組在用潤滑油目測發現顏色由淡黃色透明變為紅棕色發黑，隨后進行常規理化指標分析、鐵譜分析及顆粒污染度分析，未發現異常，后使用A2PAL紅外光譜儀進行紅外光譜分析，2013年2～9月3#發電機組在用潤滑油分析數據見表1。

表1 3#機組在用潤滑油常規理化、污染度定量分析

由表1可見，2～9月間理化指標分析合格，但酸值存在增大趨勢；常規理化指標分析機械雜質含量無明顯變化，9月該機組在用潤滑油污染度等級有明顯增大。

由表2可見，2～9月間，其氧化值、抗磨劑副產物及極壓添加劑的損耗均明顯高于新油；硫酸鹽稍有增大；而酚類抗氧劑的含量與新油相比處于極低水平。說

明該機組在用潤滑油顏色變化的原因主要是油品氧化及添加劑大量損耗，特別是酚類抗氧劑幾乎耗盡所造成的。

結合表1、2可知，該機組在用潤滑油理化指標分析酸值存在增大的趨勢，而FTIR紅外光譜分析，硫酸鹽也表現出略微增大的趨勢。

通過以上分析結果可以看出，FTIR紅外光譜分析在對在用潤滑油性能衰變和添加劑損耗方面的檢測中，優于傳統的常規理化分析。

3.FTIR紅外光譜定性分析法在油液監測中的應用以上述某廠3#發電機組為例，其在用潤滑油與新油紅外譜圖比對如圖1所示。

表2 3#機組在用潤滑油FTIR紅外光譜定量分析

圖1 在用潤滑油與新油紅外譜圖對比

圖1 中橫坐標為紅外光譜波數(單位：cm-1)，縱坐標為吸光度(Abs/0.1mm)，藍色線為3#發電機組在用潤滑油，紅色線為新油。波數在1 300～900 cm-1紅外光譜區內，化合物分子的結構對紅外光十分敏感，分子結構的細微變化都會引起紅外光譜的明顯改變。

⑴在810～800 cm-1處出現一個小峰，在用潤滑油的吸收峰明顯高于新油，反映了潤滑油極壓添加劑的變化。隨著極壓添加劑損耗的不斷增大，潤滑油對機組摩擦副部件的減摩作用將下降，造成機組的異常磨損，從而縮短機組的運行周期。

⑵在1 080～1 070 cm-1處出現的吸收峰位，表明產生了一定量的抗磨劑副產物，潤滑油中抗磨劑發生一定的損耗。

⑶在1 170～1 155 cm-1處出現的吸收峰，表明油中硫酸鹽的存在，這通常是在用潤滑油受到氧化的產物，會引起油品酸值增大，最終造成機械部件的腐蝕。在常規理化指標分析中酸值也呈現增大的趨勢。

⑷在1 800～1 660 cm-1處，有一個明顯高于新油的吸收帶，說明油液中產生了氧化降解產物，生成高分子量的黏性液體、漆膜和油泥。

(5)在4 000～1 300 cm-1紅外光譜區內，有機化合物的重要基團在此區域有特征吸收帶。

4.某廠3#發電機組在用潤滑油品質變化的分析及討論

(1)原因分析。潤滑油在使用的過程中，會因外界因素如粉塵、水分、空氣等以及內部磨損顆粒的增加造成污染，運轉中的高溫會造成基礎油揮發、分解及氧化，從而使油品的性能變差，導致機組的異常磨損。因此對機組在用潤滑油進行定期監測是保證機組長周期運行的重要手段。通過使用A2PAL紅外光譜儀進行潤滑油FTIR紅外光譜定量與定性分析，能方便直觀地看出油品性能衰變及添加劑消耗情況。

通過對某廠3#發電機組在用潤滑油2013年2～9月間監測，分析該機組在用潤滑油顏色變深的原因，一是在用潤滑油發生氧化，氧化是潤滑油基礎油發生衰化變質的主要原因，它會導致油品酸值增大，造成潤滑油顏色變深、性能變差、濾網堵塞、機件磨損加劇及腐蝕。二是潤滑油在使用中與灼熱的機件表面接觸，產生熱降解，基礎油降解產物懸浮在油中所致。

該機組在用潤滑油酚類抗氧劑幾乎消耗殆盡，污染度增大，表明油品性能已出現衰變，建議加強監測，根據情況進行換油。

(2)驗證。根據紅外光譜分析，某廠于2013年9月22日安排3#機組潤滑油進行部分更換，并對過濾器濾網清掃，發現過濾器濾網已被厚厚的黏性物質和油泥堵塞，過濾器內取出的潤滑油沉淀后，也呈現為黑色黏性物質及油泥。

三、結語

FTIR紅外光譜分析技術能夠快速準確地分析出油液性能衰變情況及劣化的原因，依據分子結構信息從油品劣化機理上深層次分析劣化的原因，在油液劣化早期監測診斷中具有明顯優勢。為關鍵機組在用潤滑油的使用狀況提供更全面的分析評價依據和更加可靠的維護策略。

[1] 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，2006，115-125.

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1671-0711（2014）03-0069-02

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