樣品因素對油液監測準確性的影響研究

何偉楚，李秋秋，覃楚東，許少凡，楊智宏

(1.廣州機械科學研究院有限公司設備潤滑與檢測研究所，廣東 廣州 510530；2.工業摩擦潤滑技術國家地方聯合工程研究中心，廣東 廣州 510530)

0 引言

機械設備在工業生產和居民生活中發揮著重要作用，潤滑油被譽為機械設備的“血液”[1]，其主要功能是對設備進行潤滑、冷卻、防銹、密封、減震[2]。油液監測是通過對機械設備在用潤滑油進行定期檢測，獲取油中的理化、污染、磨損等三個方面的信息，反映機械設備的運行狀態[3]。然而，不正確的取樣操作，會對檢測結果產生較大的影響，從而不能準確地對設備狀態進行診斷。因此，有必要研究樣品因素對油液監測準確性的影響，從而規范油液監測中取樣和送檢的方法。

近年來，隨著設備油液分析技術在工業領域的普遍應用，它已成為多數現代工業維護活動中不可缺少的手段之一，并在設備狀態監測及故障診斷、摩擦磨損機理研究、制訂正確的磨合規范、判定潤滑系統污染狀況、確定潤滑油添加劑的損耗、制訂正確的換油周期、新品油的性能評定等多個方面獲得廣泛應用[3-7]。油液分析技術通過對設備的潤滑油進行采樣檢測，潤滑油作為信息的載體，能從其中獲得設備的潤滑和磨損狀態信息，評價油品性能、設備的工況，以及預測設備故障[8]。

油液分析的檢測結果能準確地反映出現場設備運行狀況，并直接影響診斷人員對設備故障的評定[9-10]。要獲得能準確反映出現場設備運行狀況的檢測數據，樣品因素不容忽視。樣品因素主要包括：樣品采集的時機選擇、樣品采集的位置選擇、樣品采集器具把控等方面，任何一個環節處理不當都會影響油液分析結果的準確性，影響診斷人員對設備故障診斷[11-12]。

本文通過論述常規的油液監測項目以及其所表征的意義，為研究樣品因素對準確性的影響做好前期準備。之后從采樣時機、采樣位置、采樣器具等三個方面進行了研究，通過畫示意圖和對比油液檢測結果的方式，分析了不同采樣方式之間的區別。最后，通過對比討論，獲得了設備油液分析樣品的規范性采集及送檢方法，有利于保證油液分析結果的準確性和設備潤滑維護的可靠性。

1 油液監測項目

油液監測分析中，首先需要確定監測項目，從而更好地發現機械設備運行中存在的問題。油液監測項目包含理化指標、污染指標、磨損指標這三個方面，選擇在用潤滑油監測中的常規六個項目來研究樣品因素對油液監測準確性的影響，分別為運動黏度、酸值、水分、光譜元素(鐵Fe、銅Cu、硅Si)、鐵譜分析。

1.1 運動黏度

運動黏度是油品牌號的劃分依據，其反映了液體的內摩擦力，同時也表征摩擦副之間的油膜強度，是油品理化性能的重要指標。在用油的黏度異常，容易造成設備的磨損。油品的運動黏度會因外界污染、自身氧化劣化等原因升高或降低，通過對比不同情況下采集到樣品的運動黏度，可以反映出樣品在污染、氧化、劣化等方面的差異。

1.2 酸值

酸值表示油中酸性物質的含量，在用油的酸值不僅包括新油因添加劑而存在的酸性物質，也含括在使用過程中被氧化而生成的酸性物質。在用油酸值過高，容易造成設備的腐蝕，也會使油品的各項性能下降。通過對比不同情況下采集到樣品的酸值，可以反映出樣品在氧化和劣化等方面的差異。

1.3 水分

水分表示油品中含水量的多少。潤滑系統中水分會因為呼吸器或密封失效，而從外界進入到油中。在用油的水分過高，會降低油膜強度，導致添加劑水解和設備銹蝕等一系列問題。由于設備潤滑系統存在大小不一的管路，不同位置下油品的溫度、流動速度不盡相同，會導致其水分含量也不相同，通過對比不同情況下采集到樣品的水分，可以找出最接近系統潤滑真實狀態的樣品。

1.4 污染度

污染度表示油中的顆粒濃度和尺寸分布。油中的顆粒包括設備運行而產生的顆粒物(如油泥、磨損顆粒等)，以及外界侵入的顆粒物質(如粉塵、纖維等)。在用油的污染度過高，會造成潤滑系統中閥芯等精密部件的卡澀，并破壞油膜強度。通過對比不同情況下采集到樣品的污染度，可以找出最接近系統潤滑真實狀態的樣品。

1.5 光譜分析

光譜元素表示油中磨損金屬元素、污染元素、添加劑元素的含量。在用油的磨損金屬元素含量過高，則表明設備存在異常磨損或腐蝕。污染元素含量過高，則表明潤滑系統存在外界污染，如：粉塵、海水、硅油等。添加劑元素含量異常，則表明油品的質量存在問題，或者潤滑系統存在混油現象。通過對比不同情況下采集到樣品的光譜元素含量，可以找出最接近系統潤滑真實狀態的樣品。

1.6 鐵譜分析

鐵譜分析通過將顆粒沉積在譜片上，在顯微鏡下觀測顆粒的濃度、尺寸、形貌、材質等信息，主要是反映機械設備的磨損程度和磨損部位。在用油的磨損技術顆粒過多或尺寸過大，則表明機械設備摩擦副存在嚴重的磨損。通過對比不同情況下采集到樣品的鐵譜分析數據，可以找出最接近系統潤滑真實狀態的樣品。

2 樣品因素的影響

2.1 采樣的時機選擇

樣品采集有兩個時機選擇：第一選擇在設備運行狀態，第二選擇在設備停機狀態。設備處于運行狀態，即熱機狀態，是指設備處于正常載荷運行的工作狀態，其潤滑系統處于正常的工作循環。此時潤滑油在系統中不斷地循環流動、攪拌，潤滑油中所攜帶水分和固體顆粒能均勻地分布到油箱中，此時采集的樣品能保證足夠的顆粒信息，可以為設備故障診斷提供理想的檢測樣品，也是油液分析采樣最理想的時機。而當設備處于停機狀態，即冷機狀態，潤滑系統處于關閉狀態，潤滑系統中的潤滑油已處于非流動狀態，且設備內部溫度遠低于正常工作溫度，此時潤滑油中不溶物，特別是比重較大的金屬磨損顆粒和水分等雜質，在重力的作用下會開始向油箱底部下沉，此時油箱中的顆粒分布極其不均勻，位于油箱底部的潤滑油顆粒濃度會明顯高于油箱的其他區域，而隨著設備長時間停機，潤滑油中比重較大的顆粒將全部下沉至油箱底部。設備不同狀態時顆粒在油箱中的分布示意如圖1所示。

(a)運行狀態 (b)冷機狀態 (c)長時間停機狀態

為了研究不同時機采集的樣品對油液監測準確性的影響，分別在設備運行狀態、設備冷機狀態、以及設備長時間停機狀態下，對同一臺齒輪箱進行了潤滑油樣品的采集，并對樣品進行了檢測，檢測數據如表1所示。

表1 不同時機采集的樣品檢測結果

從表1中可以看出，設備運行狀態下油中水分、污染度、磨損金屬元素和污染元素的結果都要略高于冷機狀態和長時間停機狀態下的結果。鐵譜分析的結果差異更加明顯，運行狀態下油中的磨損金屬顆粒含量較多，能全面地反映設備的磨損情況。因此，油液監測中應優先在設備的運行狀態下進行樣品采集。

對于那些不具備運行狀態條件下采樣的設備，應在停機后盡快完成樣品的采集，避免因為油中大顆粒的沉降造成樣品信息的缺失。美國知名潤滑管理公司Noria的研究表明，直徑為20 μm左右的巴氏合金在運動黏度為22 mm2/s的潤滑油中，其下降半英寸只需要2 min的時間[13]。由此可見，在設備冷機狀態下，大量能反映設備的油質、污染以及磨損情況的顆粒由于重力作用而下沉，系統中的潤滑油出現不均勻的情況，如果所采集到的樣品位于油箱上層，那么極有可能會采集不到能準確反映設備運行工況的特征顆粒，從而影響后續油液分析結果，誤導設備診斷工程師對設備潤滑和磨損狀態的評價。

2.2 采樣的位置選擇

在大型機械設備中，常采用循環潤滑系統為設備提供潤滑。循環潤滑系統又稱壓力強制潤滑或噴油潤滑，該系統能強制向設備的各摩擦副提供潤滑油，具有輸送、分配、調節、冷卻和凈化潤滑油等功能[14]。循環潤滑系統主要部件包括油箱、油管、油泵、過濾器、冷卻器、旁路過濾等。齒輪箱循環潤滑系統的示意如圖2所示。為了研究循環潤滑系統中不同采樣位置對油液監測的影響，從回油總管、油箱、過濾器前/后、“死油區域”等四個采樣位置進行分析。

1油箱 2油箱底部排油口 3旁路過濾進油管 4旁路過濾油泵 5旁路過濾器 6濾芯排油口 7潤滑主油泵 8冷卻器 9潤滑主供油管 10測壓閥 11潤滑壓力表 12齒輪箱 13回油管支點 14主回油管采樣閥 15油箱呼吸器或加油口 16主進油管 17旁路過濾回油管 18 油箱油位計 19油箱中部采樣閥

2.2.1 回油總管

循環潤滑系統通過主進油管，把潤滑油提供給各摩擦副，然后通過回油管回流至油箱。回油總管是所有回油管匯集后流至油箱的管道，由于潤滑油為各摩擦副提供潤滑后會攜帶著大量的信息，在此采集到的樣品不僅攜帶了潤滑油的油質信息和設備的污染信息，而且還攜帶了相關設備的磨損狀況信息，是設備油液分析采樣的首選位置。特別是對于大型汽輪機組和壓縮機組而言，一旦主軸承出現異常磨損，回油總管中的樣品就會攜帶軸瓦因異常磨損而產生的軸承合金顆粒，通過元素分析、磨粒分析等分析手段，能檢測出鉛(Pb)、錫(Sn)、銅(Cu)元素的異常突變以及軸承合金顆粒，為設備管理人員準確評價設備潤滑和磨損狀態提供科學的數據依據。

回油總管中最佳的采樣位置或者預安裝采樣閥的位置，應選擇在潤滑油出現紊流的地方，通常回油管上出現紊流的地方是彎管處。回油總管的取樣位置如圖3所示，其中圖3a為取樣位置示意圖，圖3b為取樣位置實景圖。由于潤滑油流動方向的改變，彎管處的潤滑油會在管中出現紊流，可以輕易攪拌起潤滑油中較重的磨損顆粒，有利于磨損狀態信息的采集。回油管中油液和顆粒流動示意如圖4所示，其中4a為直管處流動示意圖，4b為彎管處流動示意圖。另外，對于安裝了回油過濾器的系統，應選擇在過濾器前的管路中進行采樣。

(a)示意圖

圖4 回油管中油液和顆粒流動示意

為了研究回油總管中不同位置采集的樣品對油液監測準確性的影響，分別在回油總管的直管和彎管處，對同一臺齒輪箱進行了潤滑油樣品的采集，并對樣品進行了檢測，檢測數據如表2所示。

表2 回油總管中不同位置采集的樣品檢測結果

表2(續)

從表2中可以看出，回油總管的直管處和彎管處的油液檢測結果中黏度、酸值、水分、污染度、光譜元素的差異并不明顯，但是分析鐵譜的結果差異較大，主要表現為彎管處的油樣中發現了較大尺寸的磨損金屬顆粒，這表明彎管處的紊流更能攪動油中相對較重的顆粒，容易捕捉到設備的異常故障信息。

2.2.2 油箱

油箱中部采樣一般通過油箱呼吸器或加油口，利用專用的真空抽樣工具，將吸管伸到油箱中部進行采樣，同時應確保吸油管不與油箱壁接觸，防止吸油管刮蹭到油箱壁的油泥。油箱中部的取樣位置如圖5所示，其中圖5(a)為取樣位置示意圖，圖5(b)為取樣位置實景圖。由于油箱儲存著大部分參與潤滑循環的潤滑油，所以從油箱中部采集的油樣可以有效反映出設備潤滑油理化性能的變化情況，而該采樣位置是長期監測潤滑油的性能變化的首選。但在此處采樣也存在一定的局限性，主要表現在以下三個方面：

(a)示意圖

(1)油箱本身就具備一定的沉積凈化功能，會降低油中磨損顆粒和污染物的濃度。

(2)由于油箱儲存的潤滑油量較大，會造成回流潤滑油中的磨損顆粒和許多污染物被“稀釋”。

(3)對于配備有回油濾芯的潤滑系統，磨損顆粒和污染物都會在返回油箱之前就給過濾掉。

以上三種情況都會造成在此采樣位置的樣品缺失設備的故障信息，檢測出來的數據不能準確反映設備的磨損狀態和污染狀態。

為了研究油箱中不同位置采集的樣品對油液監測準確性的影響，分別在油箱上部、油箱中部、油箱下部等處，對同一臺齒輪箱進行了潤滑油樣品的采集，并對樣品進行了檢測，檢測數據如表3所示。

表3(續)

從表3中可以看出，油箱中不同位置的油液檢測結果中黏度、酸值、水分、光譜元素的差異并不明顯，但是污染度和分析鐵譜的結果差異較大，油箱從上到下，油品的固體顆粒的含量越來越多。因此，油箱中取樣要根據實際的檢測目的來確定取樣位置。如果確實需要在油箱中取樣，為了避免取不到顆粒，或者取到之前沉積的顆粒，油箱中部位置是相對較好的選擇。

其中，油箱底部的排油口(排污口)的其中一個功能是分離及沉積油液中較重的污染物，如油泥、金屬磨粒、水分等，當油液從設備各潤滑點回流到油箱時，所攜帶這些污染物由于比重較大，會因為重力的作用而分離、沉積到油箱底，最后集中在油箱的最底部位。可以通過油箱底部的排污口排出油箱中的固體顆粒、水分、油泥等污染物。因此，在油箱底部排油口所采集的樣品，其檢測到的污染度等級、金屬元素含量以及水分含量會遠高于其他區域，不能準確反映出設備的污染和磨損水平，影響對設備的工況評價和故障預測的準確性。

2.2.3 過濾器前/后

過濾器前指的是過濾器上游，而過濾器后指的是過濾器下游，過濾器下游的樣品都已流經過濾器，樣品中原本所攜帶的磨損顆粒、污染顆粒都會被攔截，兩者所采樣品的區別在于污染顆粒和磨損顆粒濃度不同，過濾器前的采樣效果相當于在油箱中部采樣，而過濾器后的采樣不能準確反映設備的磨損狀態和污染狀態，但可以通過對比過濾器前后樣品的污染顆粒濃度變化來對過濾器的過濾效果進行有效的評估，為更換過濾器濾芯提供科學的依據。對于擁有離線過濾系統的設備，過濾前的樣品相當于油箱底部樣品，而過濾后的樣品相當于油箱中部樣品。潤滑系統的過濾器前/后取樣位置示意如圖6所示。

圖6 潤滑系統過濾器前/后取樣位置示意

為了研究潤滑系統中過濾器前/后采集的樣品對油液監測準確性的影響，分別在過濾器的前面和后面，對同一臺齒輪箱進行了潤滑油樣品的采集，并對樣品進行了檢測，檢測數據如表4所示。

表4 過濾器前/后采集的樣品檢測結果

表4(續)

從表4中可以看出，過濾器前/后的油液檢測結果中黏度、酸值、水分差異并不明顯，水分有輕微的下降，源于紙質濾芯在啟用初期有一定的吸水性，而污染度、光譜元素、分析鐵譜的結果差異較大，由于過濾器將油中的固體顆粒攔截，導致了這三項數據的差異。因此，如果不可避免在過濾器附近取樣，則過濾器前的樣品更具代表性。

2.2.4 “死油區域”

循環潤滑系統中的所謂“死油區域”，是指該區域的潤滑油長期滯留不走、不參與到整個潤滑油循環，如壓力表延伸管、再生系統管路、過濾器底部的排污口等。潤滑系統中常見的“死油區域”如圖7所示。由于這些區域的潤滑油長期滯留在一個地方，不參與到整個潤滑系統的循環，潤滑油的氧化程度、顆粒濃度都會明顯高于整個潤滑系統油質的平均值，不能作為長期設備油液監測的采樣點。

圖7 潤滑系統中常見的“死油區域”

2.3 采樣的器具

采樣前必須確保采樣器具和取樣閥的清潔。應該采用專用的采樣瓶進行采樣，取樣閥應帶外帽。如果使用到真空抽樣器，應選用清潔的一次性吸管，避免不同油品之間重復利用而造成交叉污染。當取樣閥與主管路間存在“死油區域”時，應排出10倍“死油區域”的潤滑油，再進行采樣[15]。油液監測采樣器具以及取樣閥的保護分別如圖8、圖9所示。

圖8 油液監測采樣器具

圖9 取樣閥的保護

3 結論

(1)在設備運行狀態下采集的樣品，能準確反映出設備的運行狀況，可以為設備故障診斷提供優質的檢測樣品，也是油液分析采樣最理想的設備狀態。

(2)循環潤滑系統中的回油總管是整個潤滑系統的潤滑油必然流經的地方，該管路上潤滑油攜帶著的信息量大，在此采集到的樣品不僅攜帶了潤滑油的油質信息和設備的污染信息，而且還攜帶了相關設備的磨損狀況信息，是設備油液分析采樣的首選位置。

(3)采樣前必須確保采樣器具和取樣閥的清潔，選用清潔的一次性吸管，避免因重復利用而造成樣品間的交叉污染。

(4)油液分析技術實際是檢測分析設備某一時間點的潤滑磨損狀態，樣品采集完應盡快送到檢測實驗室進行分析，這樣留給現場更多的時間來采取維護措施，減少設備停機損失的風險和維護成本。