原子發射光譜檢測船用潤滑油實驗分析

劉享明

(中國人民解放軍91315部隊，遼寧 大連 116041)

0 引言

當前潤滑油檢測技術和手段主要有理化分析、污染度檢測、紅外光譜分析、元素光譜分析、鐵譜分析、閃點分析等[1-4]。元素光譜分析可以對潤滑油中金屬元素進行定量檢測和分析[5]，特別是對在用油，金屬元素含量能夠反應機器的磨損狀態[6]。元素光譜分析[1-4]主要有原子發射光譜技術[7-8]、原子吸收光譜技術[7-8]，以及X射線熒光光譜技術[7-9]，從使用的經濟性和方便性來講，原子發射光譜技術在潤滑油檢測領域應用較為廣泛。

該文所研究的船用潤滑油主要指船舶在用潤滑油。原子發射光譜廣泛應用于船用潤滑油檢測，文章結合實際工作和船用潤滑油特點，選取實際工作中一些案例對原子發射光譜檢測船用潤滑油的有關問題進行系統闡述和總結。

1 原子發射光譜檢測船用潤滑油的作用

原子發射光譜檢測船用潤滑油主要能夠實現測定潤滑油中磨粒元素含量、檢測潤滑油中添加劑狀況以及測定潤滑油中污染類信息[10-12]。

(1)測定潤滑油中磨粒元素含量

原子發射光譜能夠測定近20種元素及其含量，其中與磨粒有關的主要是鐵(Fe)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、錫(Sn)、鋁(Al)6種元素，通過對船用潤滑油樣品中這些元素含量的測定能夠判斷機械設備磨損情況、早期故障診斷及故障預警，從而實現對機械設備的科學使用和維護。

(2)檢測潤滑油中添加劑狀況

原子發射光譜能夠測定的元素中與添加劑有關的主要是鈣(Ca)、磷(P)、鋅(Zn)、鈉(Na)、鎂(Mg)。通過對油樣中這些元素的測定和分析可以判斷潤滑油中添加劑是否失效、潤滑油是否變質，從而實現對在用潤滑油的科學管理。

(3)測定潤滑油中污染類信息

潤滑油污染物主要有水、燃油、粉塵、煙炱等[13-15]，船舶潤滑油中水污染分淡水污染和海水污染2種，可以通過鈉(Na)、鎂(Mg)元素含量加以鑒別，粉塵污染可以通過硅(Si)元素檢測。

另外原子發射光譜測定的其他一些元素如硼(B)、鎳(Ni)、鋇(Ba)、鉬(Mo)、銀(Ag)、鈦(Ti)、釩(V)等可根據具體設備零部件材質來確定其來源。

2 原子發射光譜檢測船用潤滑油案例

以某條大型船舶一臺主機為例，對其連續航行期間8次取樣，取樣間隔為一周，運用原子發射光譜儀進行檢測分析，根據該主機具體情況及篇幅限制選取16個元素的數據進行分析，檢測結果如表1所示，主要元素趨勢如圖1所示。

表1 主機潤滑油原子發射光譜數據

由表1中可看出，這臺主機潤滑油中與磨損相關的6種元素中Fe和Cu的含量較高，其他元素含量很低，這說明該主機主要磨損來源是Fe和Cu零部件。由圖1元素含量趨勢可以看出，Fe元素含量在不斷增加，由第1次取樣的6.2 μg/g上升到第8次的21.6 μg/g，可見這臺主機鐵部件磨損有逐漸加劇的趨勢。

圖1 典型元素含量趨勢

其他元素含量趨勢比較穩定，沒有大的變化，特別是Na、Mg的含量沒有變化，如果二者成一定比例增加，則有可能海水進入，出現海水污染，如果只是Na不斷增加可能為淡水進入；如果Na、Mg含量不斷減少，附帶其他與添加劑相關的元素不斷減少，那有可能添加劑失效；另外這臺主機潤滑油中含有少量的Si，可能存在少量的粉塵污染，但Si在趨勢圖中含量變化不大，說明主機潤滑系統密封性較好，在使用過程中不存在粉塵污染，粉塵污染可能來自加油過程中或加油前潤滑油其他環節，如存儲、運輸等環節。

通過對表1和圖1的分析可知：這臺主機的潤滑油中Fe元素含量不斷增加，存在Fe部件異常磨損情況；其他元素含量穩定，不存在水污染、添加劑失效的情況；潤滑油含有少量Si但含量穩定，存在加油過程或滑油存儲、運輸等環節粉塵污染的情況。

3 原子發射光譜檢測船用潤滑油遵循的原則

原子發射光譜檢測船用潤滑油過程中，需要遵循相關原則或規范才能確保檢測結果的準確性和有效性，下面以對比實驗的方法加以說明。

(1)檢測前要搖勻油樣

實際工作中油樣采集后一般需要拿到實驗室進行光譜檢測，所以采集后的油樣就會靜置一段時間，靜置后的油樣中有些磨粒可能會沉降到樣瓶下部甚至底部，有些可能會上浮到樣品上部甚至表面，導致磨粒分布不均勻，不能準確反映設備中油液的狀態，檢測前如果不進行搖勻，就極易導致檢測不準確，表2是對一個油樣進行搖勻前和搖勻后的光譜檢測結果，圖2是搖勻前后數據差與搖勻后數據的百分比值，反應了搖勻前數據相較搖勻后數據變化大小。

表2 搖勻前后原子發射光譜檢測數據

圖2 搖勻前后數據變化百分比

由表2和圖2 中數據可以看出搖勻前后元素含量還是有區別的，有些相差還很大，如Sn搖勻前后分別是2.610 μg/g和0.48 μg/g，變化比443.75%；Mg搖勻前后分別是62.296 μg/g和17.016 μg/g，變化比266.1%。另外Fe、Cu、Pb、Al這些與磨損相關的關鍵元素搖勻前后數據也有一些變化，其中Pb的變化比達到43.3%。對于不同設備、不同狀態的油樣搖勻前后有些檢測數據的變化可能更大。

(2)采用高品質的耗材

原子發射光譜檢測潤滑油主要耗材有盤電極、棒電極以及盛油盒。盤電極和盛油盒一般是一次性耗材，棒電極用完一次就需要重新磨削。如果這些耗材質量不達標就會對檢測準確性產生較大影響，特別是盤電極的品質要求較高。實際工作中，有時為了節省成本，購買的盤電極和棒電極品質不夠高，對油液檢測的影響主要體現在2個方面。

一是盤電極和棒電極所含雜質比較多，導致檢測結果不準。這些盤電極和棒電極的雜質中一般包含Si、Sn、Ni、Fe、Pb、Cu等元素，這些雜質如果大量存在于盤電極和棒電極中，將會增加這些元素的含量，如表3同一個油樣采用不同品質的盤電極得到的檢測數據。由表可知，采用高低品質的盤電極進行檢測，Si含量變化最大，分別是5.481 μg/g和18.572 μg/g，Pb含量略微有點變化，分別是7.649 μg/g、10.542 μg/g，其他元素含量變化不大，可見低品質盤電極引入了Si和Pb污染，也說明該實驗中所用低品質盤電極含大量Si元素雜質，少量Pb元素雜質。

表3 不同品質盤電極原子發射光譜檢測數據

二是樣品皿(俗稱盛油盒)抗高溫性能差導致檢測結果不準。檢測過程中油樣在盛油盒中燃燒會產生高溫，抗高溫差的盛油盒就會被燒熔、燒漏，盛油盒中的樣液就會漏出，導致檢測所需的油液減少，從而影響檢測準確性。

(3)校準

校準對于不同廠家生產的原子發射光譜儀來說，說法和包含的內容有些差別，但實質都是大同小異，主要是光譜儀標準化和光譜儀光學成像校準，具體操作流程，任何原子發射光譜儀說明書中都會進行說明，在此不再贅述。在實際工作中往往會忽視標準化和光學成像校準時機，因此，對標準化及校準時機進行總結。

標準化一般分完全標準化和日常標準化，需要進行完全標準化的時機主要有：①光譜儀關機再開機準備進行樣品檢測時，要先進行完全標準化；②光譜儀移動了位置，開機后要進行完全標準化；③光學成像校準后要進行完全標準化；④日常標準化結果不符合要求時要進行完全標準化；⑤光譜儀一直保持開機，距上次樣品檢測間隔時間較長(間隔時間一般指三天以上)，再次進行樣品檢測前一般要進行完全標準化；⑥光譜儀所處的實驗室環境有較大變化時，如溫濕度變化很大、環境灰塵較大、振動較大(如地震)，一般要進行完全標準化。

日常標準化的時機主要有：①完全標準化后要進行日常標準化；②更換不同批次的盤電極時要進行日常標準化；③光譜儀一直保持開機，距上次樣品檢測間隔時間較短(一般指一至兩天)，再次進行樣品檢測前一般要進行日常標準化；④根據樣品檢測數據酌情進行日常標準化。

光學成像校準時機：①光譜儀移動到新的位置后，要開機進行光學成像校準；②光譜儀所處的環境溫度變化較大時(一般指變化大于15 ℃以上)；③在完全標準化后，再進行日常標準化結果依然不達標時，需要進行光學成像校準。

原子發射光譜在進行潤滑油檢過程中還有很多需要遵循的原則和注意的細節，如盤電極不要用手直接拿、棒電極燃燒端要磨削光滑等，筆者只是總結了在實際工作中對檢測結果影響比較大且容易忽視的原則。

4 船用潤滑油原子光譜檢測結果分析方法

原子發射光譜檢測船用潤滑油實現的3個作用主要是通過潤滑油中各元素含量的變化來判定，這就需要采用一些分析方法，對檢測結果進行分析和判定，當前在實際工作中主要采取3種方法：歷史數據趨勢法、特定限制法和同類比較法。

(1)歷史數據趨勢法

歷史數據趨勢法就是將每次同一設備原子發射光譜檢測的油樣結果中各元素含量進行記錄，做成歷史數據曲線，看數據變化趨勢。歷史數據趨勢法關鍵是需要對同一設備進行一定量的數據積累。

(2)特定限值法

特定限值法就是根據某型設備的特點、相關標準及維護保養規則制定特定的元素含量界限值，超過界限值就認為該設備潤滑油中元素含量有異常。

特定限值法關鍵是要通過合理、科學的方法得出界限值，一般可以通過實驗、歷史數據趨勢或參考國內外有關標準制定。另外，對于某些特定設備來說，制定的界限值不是一成不變的，需要隨著設備的工作情況進行不斷地調整。

(3)同類型比較法

同類型比較就是對相同的兩臺或多臺設備在工作環境相近的情況下油樣原子發射光譜檢測結果進行比較，俗稱“橫向”比較。同類型比較法關鍵是要確保相同設備工作環境相近，包括工況、運轉時間、換油時間等。

3種方法并不是獨立的，可以相互補充、相互印證，在實際工作中往往三者結合分析，目的是對原子發射光譜檢測結果進行準確分析和判定。

5 結論

原子發射光譜技術在船用潤滑油液檢測中已經進行了成功應用，原子發射光譜檢測船用潤滑油主要能夠實現測定潤滑油中磨粒元素含量、檢測潤滑油中添加劑狀況、測定潤滑油中污染類信息3大作用，為了實現這3個作用，需要遵循相關的檢測原則、注意事項及采用科學的結果分析方法才能保證其準確性。