油液分析技術在船用設備監測診斷中的應用

陳賢沖，許 斌，婁 飛，周榮源

(1.92337部隊，遼寧大連 116023;2.91315部隊，遼寧大連 116041)

船用設備的狀態監測和故障診斷是指采用油液分析、振動與噪聲監測、無損檢測等技術手段，對設備進行技術狀態監測與故障診斷。潤滑油在設備各摩擦副間形成了10 μm厚的油膜，不僅保證設備順暢運轉，也決定了設備壽命和可靠性。設備摩擦副的相對運動產生的大量金屬磨損顆粒，以不相容的分散形式懸浮于潤滑油中，加之外界進入的粉塵等也懸浮于潤滑油中，這些磨損顆粒和污染顆粒攜帶了有關摩擦副運行特征的大量信息，通過對設備潤滑油中各種微粒的測試分析，我們能了解設備的潤滑與磨損情況，并能評估船用設備的運行狀況。

1 油液分析技術的主要監測設備、作用及工作原理

1.1 主要監測設備

油液分析技術主要監測設備有:原子發射光譜儀、傅里葉紅外光譜儀、分析式鐵譜儀、直讀式鐵譜儀、顆粒計數儀、簡易油質分析儀、運動粘度分析儀、水分檢測儀、閃點分析儀和燃點分析儀等。

1.2 油液分析儀的主要作用

原子發射光譜儀可以有效的測定潤滑系統中潤滑油所含磨損顆粒的成分及含量［1］，也可以準確的監測潤滑油中添加劑狀況以及監測潤滑油污染程度和衰變過程;分析式鐵譜儀可以獲得磨損顆粒的數量、尺寸、形態、形貌和成分等信息，根據這些信息能夠全面地評價被監測對象的磨損形式、磨損程度和磨損部位;傅里葉紅外光譜儀既能分析出油液中積碳、氧化物、硝化物、硫化物、含水量、乙二醇和燃油稀釋等圖譜，又可以根據圖譜預測油液所具備的潛力，來判斷是否需要換油;顆粒計數儀檢測在用油液的污染度;水分儀檢測在用油液的含水量;閃點分析儀檢測在用油液的閃點;燃點分析儀檢測在用油液的燃點;運動粘度儀檢測油液在不同溫度下的運動粘度值。

1.3 原子發射光譜儀原理

在原子與外界沒有能量交換的情況下，內部運動相對穩定。當原子受到外界能量的激發時，其內部運動就發生變化，發生能量輻射或能量吸收的宏觀表現。當有外來能量加到原子上時，較低能量級軌道上的電子會吸收能量，躍遷至高能量級的軌道上去。此時原子的能量狀態極不穩定，電子釋放所吸收的能量并返回基態或穩定狀態，同時以發射光譜的形式把它吸收的能量再輻射出去，即發光。發射光譜利用每個元素發出特有波長的光或顏色，來分辬不同的元素。發射光譜線的亮度與對應的元素在油樣中的數量成正比，這樣可以確定元素的濃度。如果在樣品中存在不止一種元素，則對應每個元素將分別會出現明顯不同波長的光譜線。為了辨別和定量分析在樣品中出現的元素，必須分開這些譜線。通常在許多可能的選擇中只有一條光譜線被選來決定某一元素的濃度。被選譜線一般亮度較大，并能免受其它元素光譜線的干擾。為了實現這個目的，需要一套光學系統。所有的發射光譜儀都由激發源、光學系統、讀出系統3個主要部分組成。激發源供給樣品能量，光學系統將激發產生的發射光區分為各個波長，讀出系統檢測和測定由光學系統區分的各元素波長的強度并用一適當方式將此信息顯示給操作員。

1.4 鐵譜儀原理

鐵譜技術是利用高梯度的強磁場將潤滑油中所含的磨粒按其粒度大小依序分離出來，并通過對磨粒的形貌、大小、成分以及粒度分布等定性和定量觀測，獲得有關摩擦副和潤滑系統等工作狀態的重要信息。我們主要使用分析式鐵譜儀和直讀式鐵譜儀進行分析，分析式鐵譜儀，主要根據機械設備磨損顆粒形貌和顏色，可以識別正常磨損顆粒、切削磨損顆粒、疲勞顆粒、片狀顆粒、球狀顆粒、腐蝕顆粒、暗金屬氧化物、紅色氧化物、非鐵磁性金屬、非金屬無機物、有機物、非金屬晶體、摩擦聚合物、纖維等。直讀式鐵譜儀，分別分析油液中大顆粒含量和小顆粒含量以及機械設備磨損程度。通常直讀鐵譜儀和分析式鐵譜儀系統聯合使用，直讀式鐵譜儀通過對分析油樣的快速測試和定量數據的趨勢評估，回答設備“是否有問題”，而分析式鐵譜儀通過直讀式鐵譜儀確定有問題的油樣進行磨粒的分離和觀測，回答“是什么問題”和“在何處發生了問題”［2］。兩種儀器優勢互補，組成完整的鐵譜監測系統，分析式鐵譜儀原理如圖1所示。

圖1 分析式鐵譜儀原理示意圖

2 油液監測診斷的實際應用

2.1 高速柴油機嚴重燒損事故

某船主機是TBD234V8型高速柴油機，其額定轉速范圍是1 500～2 300 r/min，最高轉速為2 300 r/min，潤滑系統潤滑油的最高溫度為120℃，潤滑油使用品牌要求是CD40潤滑油。主柴油機在不同工況下進行試驗運行過程中，當柴油機轉速提高到2 100 r/min時，柴油機發生了嚴重拉缸、主軸瓦燒毀、連桿瓦燒毀、主軸承嚴重拉傷等重大事故。事故發生后經過對柴油機潤滑系統在用潤滑油的粘度進行分析得知，故障的主要原因是使用管理人員選擇使用潤滑油品牌出現錯誤而造成的。表1是模擬故障發生過程中，柴油機不斷提速，潤滑油對應的溫度不斷上升，監測出不同轉速所對應的不同溫度下的運動粘度值，并參考2005年《石油產品國家標準匯編》中的CC30和CD40兩種潤滑油在不同溫度下各自的界限值，得出在用潤滑油在不同轉速所對應的不同溫度下的潤滑結論。

從表1知，通過對在用潤滑油在不同工況下運動粘度的監測數據、CC30潤滑油在不同溫度下運動粘度的界限值、CD40潤滑油在不同溫度下運動粘度的界限值3者之間進行比較可以看出，柴油機轉速在1 500 r/min以前，即進入額定轉速之前，柴油機潤滑系統的潤滑效果是良好的，其運動粘度分別是:38.7 mm2/s、22.9 mm2/s、18.6 mm2/s，運動粘度值符合CC30、CD40潤滑油界限值范圍，證明該柴油機在達到1500r/min額定轉速以前的低速運行是正常的。但是，當柴油機轉速提高到1 700 r/min、1 900 r/min時，其運動粘度分別是:14.1 mm2/s、11.3 mm2/s，這2個運動粘度值只符合CC30潤滑油界限值范圍，略低于CD40潤滑油界限值范圍，此時，柴油機潤滑系統的潤滑油已經出現了潤滑效果不良的跡象。當柴油機轉速提高到2 100 r/min時，其運動粘度是7.4 mm2/s，符合CC30潤滑油界限值范圍，明顯低于CD40潤滑油界限值范圍。因此，可以判斷使用管理人員錯誤地選擇了CC30潤滑油，而不是按要求選擇CD40潤滑油。這樣，當柴油機高速運行時，因潤滑嚴重不良而造成了柴油機燒毀的重大事故。

表1 TBD234V8型高速柴油機不同工況下潤滑油運動粘度監測數據

2.2 某船水泵軸承嚴重磨損事故

某船水泵在正常工作過程中突然出現了周期性的異常響聲，船員停機后，立即報給公司的質量監測保障部門，監測保障人員上船后采集水泵軸承在用潤滑油油樣后，進行了油樣理化指標化驗，得知油樣的閃點、燃點、運動粘度、含水量、污染度等理化指標均正常，后來又采用光譜分析技術和鐵譜分析技術對水泵軸承在用潤滑油進行光譜、鐵譜分析，其分析過程與得出的結論如下。

1)原子發射光譜分析。監測保障人員對采集到的水泵軸承在用潤滑油的每個油樣分別做了3次原子發射光譜分析，同時，對在用油的新油也做了一次原子發射光譜分析。

長期以來，由于監測人員對該船水泵軸承進行了周期性監測，并建立了監測檔案，從該軸承原子發射光譜監測檔案中可查知，該軸承油樣光譜分析Fe、Cr元素濃度上限值分別為 35 μg/ml、0.6 μg/ml。由光譜分析結果可知，新油油樣中各元素濃度值都很低，而在用潤滑油油樣中的Fe和Cr元素濃度值含量較高，3次監測平均值分別為359 μg/ml、2.1 μg/ml，說明該水泵軸承滾動元件 (其材料都是高鉻軸承鋼)發生嚴重磨損。

2)分析式鐵譜分析。監測保障人員利用分析式鐵譜儀，對采集到的在用油油樣和新油油樣分別制備了鐵譜譜片，其中給在用潤滑油油樣制備了2張鐵譜譜片，給新油油樣制備了1張鐵譜譜片，用鐵譜顯微鏡觀察分析在用油和新油鐵譜譜片上磨粒的形態、尺寸、紋理和色澤等。具體在鐵譜顯微鏡下觀察到的圖像可見圖2和圖3所示。

圖2 在用油鐵譜分析譜片

圖3 新油鐵譜分析譜片

圖2為軸承在用油油樣譜片上的切削磨粒(放大倍數為500倍)，譜片已經過加熱處理，切削磨粒呈藍色，表明它的材料是軸承鋼;圖3為未使用過的新潤滑油油樣的微粒照片 (放大倍數為100倍)，由圖3可見該油樣中只有很少微粒，并且都不是金屬磨粒。判斷水泵在工作過程中突然出現了周期性的異常響聲的原因是軸承滾動元件發生嚴重磨損。后來經過維修部門拆卸維修，驗證了監測保障人員的監測診斷結論。

2.3 某船管路嚴重腐蝕的故障隱患

在對某船主要機械設備進行監測保障過程中，利用原子發射光譜儀和水分儀通過定期檢測全船的在用潤滑油，并根據潤滑油的水分含量和金屬磨粒含量變化情況，分析判斷因管路腐蝕嚴重引起的潤滑系統泄漏隱患。在一次檢測中，我們分別采集到該船主柴油機潤滑系統的油底殼前、油底殼后、滑油循環油柜3個部位潤滑油油樣，我們對油樣分別進行水分檢測和原子發射光譜分析，水分檢測結果分別是3.843 6%、3.757 9%、5.688 9%;原子發射光譜分析中鈉、鎂元素含量分別為:主柴油機油底殼前部油樣的鈉、鎂元素含量分別為554 μg/g、85.2 μg/g;主柴油機油底殼后部油樣的鈉、鎂元素含量分別為519 μg/g、77.1 μg/g;主柴油機滑油循環油柜油樣的鈉、鎂元素含量分別為603 μg/g、85.0 μg/g。結合以上分析結果，初步判斷該船主柴油機潤滑系統中進入海水。經修理工廠拆檢得知，該船主柴油機海水冷卻系統的冷卻器因冷卻管路腐蝕嚴重而發生泄漏，海水冷卻系統的海水進入到主柴油機的潤滑系統之中，導致主柴油機產生異常磨損，后經工廠維修工人精心維修，及時消除了主柴油機異常磨損的隱患。之后，我們對主柴油機潤滑系統潤滑油進行了油樣采集，監測結果是其水分含量為0.164 5%，達到了不超過0.3%標準，同時對油樣進行原子發射光譜分析，油樣中的鈉、鎂元素含量分別為 31.3 μg/g、10.4 μg/g，符合潤滑油中鈉、鎂元素含量要求標準。

3 油液監測技術的發展趨勢

1)研究機器潤滑系統中磨粒濃度的適用數學模型。這里包括磨粒生成機理、運動軌跡、工況變化時磨粒生成與損耗的動態過程等。

2)研究多傳感器信息融合技術在各油液監測方法之間和油液監測方法與監測方法 (如振動、溫度、性能參數等)之間的應用與發展，以提高油液監測的準確率。

3)研發磨粒自動識別技術。努力將信息處理技術計算機軟件硬件技術、人工智能和視覺工程的最新成果應用于磨粒自動識別。針對磨粒的特征，探索識別機制和方法。涉及油液監測智能化方面包括了磨粒定量分析、數據庫、圖像識別和人工智能診斷等。目前的研究熱點主要集中在磨粒圖像的自動識別和基于磨粒分析智能診斷系統的開發。磨粒識別是鐵譜技術核心內容，是油液監測技術中鐵譜監測方法有別于其他油液監測方法的突出特點。

4)開發油液監測診斷系統。目前已有的油液監測系統都存在不完善的地方，難以達到實用的程度，主要原因在于知識庫的建立不完備，即獲取的領域知識不夠豐富。目前迫切需要尋求到一種合理的獲取領域知識和建立知識庫的方法。這種方法應該立足于原始試驗數據，既結合專家的經驗知識，又經過周密的理論推導，這樣建立的知識庫才能具備較高的正確性和完備性。

5)研發實用、新型、原理集成的在線監測儀器和技術。“在線”的概念從傳感器相對油路的關系劃分，有on-line和in-line 2種，但本質上都必須包括在線取樣和在線分析2個必要的功能。“實時、連續、自動、智能監測”在線監測技術成為研究熱點。

6)油液監測技術的網絡化。多用戶聯機、集中控制是故障診斷系統發展的第一階段;局域網絡、集散控制是其發展的第二階段;而現在已經發展到了第三階段，其特征是遠程網絡、遠程控制。遠程診斷可將種類繁多的油液監測數據輸送到實驗室、制造廠或科研機構，會同來自振動、溫度和熱工參數監測數據進行有效的信息融合，作為機器狀態的綜合評定的依據。

7)建立基于油液監測的設備維修管理決策支持系統和維修保障優化控制系統。把監測、診斷、設備管理、維修保障相結合的發展策略，也是油液監測技術所努力追求的終極目標。

4 結束語

總結我們連續多年來對船用設備監測診斷保障經驗，深知船用設備保障工作必須應該得到設備狀態監測與故障診斷的科學技術支持，設備監測診斷工作又必須得到各級領導和機關職能部門的高度重視，并且要充分依靠和發揮船員使用管理經驗的重要作用。要及時的對船用設備故障隱患、船上的重點設備、船上的關鍵設備進行有計劃性和針對性的跟蹤監測，為做好船用設備的使用管理和故障維修提供可靠的科學技術依據，才能更有效地提高經濟效益。

［1］陳云彪.油料光譜分析技術在發動機磨損監測中的應用 ［J］.柴油機設計與制造，2000(1):44-46.

［2］楊其明.磨粒分析 ［M］.北京:中國鐵道出版社，2002.