電感耦合等離子體原子發射光譜炬管積碳成因分析

張靜茹 賀石中 丘暉饒 張琳穎

(廣州機械科學研究院有限公司，廣州 510000)

1 前言

故障診斷在機械設備維護中是密不可分的一部分，通過檢測設備的潤滑油中磨損元素成分含量進行故障診斷不僅可以降低潤滑油使用成本，還能通過檢測潤滑油的情況判斷設備是否存在故障。其中，微量元素測試是故障診斷中非常重要的一部分。潤滑油的日常檢測中，電感耦合等離子體原子發射光譜法測定微量元素方便快捷，準確性高[1]。炬管在整個原子發射光譜測試中是核心部分，參數設置不當不僅會導致測試結果有偏差，還會導致炬管積碳無法進行測試。因此，研究炬管參數十分重要。

2 儀器及試劑

2.1 儀器及參數

美國Leeman公司的Prodigy XP ICP電感耦合等離子體原子發射光譜儀，工作參數為激發功率1.1kW[2]、冷卻器氣20Lpm、輔助氣0.5Lpm、霧化氣壓力26PSI、蠕動泵速15RPM。

分析天平：精確至0.0001g。

2.2 試劑

航空煤油：經0.8μm濾紙過濾后煤油；

二甲苯：分析純；

有機標準物質：VHGBlank oil、VHGcustom V23+Li 10mg/kg、VHG custom V23+Li 30 mg/kg、VHG custom V23+Li 50 mg/kg、VHG custom V23+Li 100 mg/kg、VHG custom V23+Li 300 mg/kg、VHG custom V23+Li 900 mg/kg[3]。

3 實驗部分

(1)測試體系為煤油：準確稱取多個0.5000g質控樣加煤油至5.0000g，攪拌均勻。

(2)分別將泵速調節為10RPM、15RPM、20RPM，其他參數不變，正常測試質控樣。

(3)選擇同一根炬管，分別調節炬管高度為6.4cm、6.5cm、6.6cm，正常測試質控樣。

(4)選取第二層管高度不同兩根炬管，放置于相同位置高度6.5cm，正常測試質控樣。

(5)測試體系為二甲苯：分別稱取多個油牌號為“美孚格高150”樣品0.5000g，加入二甲苯至5.0000g，攪拌均勻。

4 結果與討論

4.1 不同泵速引起炬管積碳

Prodigy 7泵速設置與利曼其他系列的電感耦合等離子體發射光譜不同，泵速較慢，而Prodigy 7測試軟件中可選擇泵速為10RPM-40RPM，根據儀器廠商推薦，實驗對不同泵速進行了測試。結果如表1。

表1 不同泵速炬管積碳情況

由測試結果可知[4]，最佳泵速為15RPM。泵速慢雖然不會使炬管積碳，但是相同進樣時間檢測器檢測到樣品濃度低，影響測試結果[2]。加長進樣時間則會降低測試效率。泵速快可以提高測試效率，但導致相同時間內炬管沉積樣品沉積過多，樣品不完全燃燒形成積碳，影響測試效果。

4.2 炬管放置高度影響測試結果

當儀器點火時，點火器高頻火花放電使得一小部分的氬氣電離。此時線圈通電后形成穩定磁場，粒子更加劇烈碰撞，形成白色等離子體[5]。樣品通過霧化器霧化送至中心管處，經過高頻線圈形成等離子體。正常測試時，炬管頂端距離卡口位置約6.5cm，為研究炬管位置高低對測試數據結果的影響，分別調節炬管位置，相對于卡口位置6.4cm和6.6cm，其他條件相同情況下，分別測試同一個質控樣品兩次，所得結果平均值如表2。

表2 不同炬管高度測試結果

炬管的最佳觀測位置為激發線圈以上火焰中上方位置。當炬管位置降低時，所激發的原子也就越多，觀測位置仍然處于最佳觀測位置范圍內，檢測器檢測的元素含量也就越高。反之，將炬管位置抬高，線圈激發的原子減少，最觀測位置不在火焰中下方，檢測器檢測所得有效激發原子減少，檢測處結果也就偏低。根據表2測試結果，炬管頂端距離卡口位置約6.4cm時測試質控樣品數值偏大，而炬管頂端距離卡口位置約6.6cm時測試質控樣品數值偏小。因此，炬管頂端距離卡口位置約6.5cm為合適的炬管高度。

4.3 炬管第二層管位置高度影響測試結果

由于炬管生產批次不同，同樣高度的炬管第二層管位置稍有差別，中層石英管有效位置高低直接影響炬管使用壽命。炬管的第二層管連接的是輔助氣，輔助氣氣流量較小，起維持等離子體和抬高等離子體和炬管間位置作用，減少氣溶膠所夾帶鹽成分沉積在中心管位置，并且可改變等離子體觀察角度。第二層管呈現下小上大的“喇叭”狀，目的可降低輔助氣流速，便于等離子體充分燃燒，當第二層管處于較高位置時，輔助氣氣流量不能得到有效減少，影響等離子體完全燃燒。在日常檢測中，多用于測量C,H含量高的潤滑油產品，不完全燃燒容易導致積碳的形成[6]。

分別對比了兩個批次的炬管，如圖1所示，新批次的炬管“喇叭”狀位置處于比較高位置，容易造成等離子體不完全燃燒致炬管積碳。因此，對于新批次炬管，稍微抬高炬管位置可減少積碳。

圖1 炬管對比

4.4 等離子體火焰兩端樣品濃度不一致導致炬管積碳

當煤油溶液激發形成等離子體時，火焰呈現亮綠色，如圖3所示。但等離子體火焰兩端高低并不相同，高的一邊激發煤油含量較低的一邊高。因此，當測試大量潤滑油樣品后，炬管積碳會在濃度高一側集聚。積碳剛開始形成過程非常緩慢，一旦已經形成積碳后，積碳聚集速度會加快，濃度越高形成速度越快。如圖2所示，炬管左側濃度較高，形成積碳的速度和含量都會高于右側。由于軟件控制儀器程序中的設置參數造成炬管兩側濃度不同，而這部分參數不可更改，因此，炬管兩側濃度不相同的情況無法通過更改參數解決。但在日常測試過程中可選擇避免一次性大批量測試高濃度樣品，可以降低炬管積碳的頻次。

圖2積碳分布

圖3 等離子體火焰

4.5 測試溶劑引起炬管積碳

潤滑油中存在聚乙二醇類潤滑油(PAG)不溶于煤油，無法正常測試。但此類潤滑油在二甲苯中有較好溶解性。因此，測試時需將此類潤滑油單獨用二甲苯溶解測試并將測試體系由煤油更換為二甲苯。以二甲苯為溶劑，重新配置相同濃度標準曲線和質控樣，重新走校準并且測試。測試出質控樣數據正常，但是連續多個測試多個樣品后炬管產生積碳現象[7]。

煤油為C11-C17高沸點烴類混合物，主要成分為飽和烴類，少量不飽和烴類和芳香烴。二甲苯為飽和芳香烴。在提供相同能量時，飽和烴類更容易完全燃燒，二甲苯由于含有大π鍵，完全燃燒需要更多能量，當測定樣品數目不多時，等離子體能夠完全燃燒。當測試樣品數目較多時，等離子體不能完全燃燒，導致炬管容易積碳。因此，在測試完以二甲苯為溶劑樣品后，炬管最好進行清潔煅燒[8]。

5 結論

通過泵速、炬管位置、溶劑體系等方面對造成炬管積碳因素進行驗證和總結。炬管積碳的根本原因就是樣品的不完全燃燒，使含C量高的潤滑油樣品集聚在炬管中心管位置。電感耦合等離子體發射光譜是高精密度的檢測儀器，其中任何一個參數設置不當都有可能導致炬管積碳，測試結果不準確。因此，設置參數時要全面考慮，以儀器廠商推薦參數為基礎，根據實際使用情況進行調整。在日常測試過程中，根據實際情況，推薦使用煤油作為溶劑體系，泵速為15RPM，將炬管放置于頂端距離卡口位置約6.5cm處進行測試。而不同批次炬管需要注意炬管第二層管位置高度，根據高度進行調節。