光譜監測技術的研究與應用

歐陽以燃 孫芳園

（河南油田技術監測中心，河南 南陽 473132）

1 引言

光譜分析技術是最早應用于機械設備狀態監測和故障診斷的油液監測技術之一。它既可以有效地測定機械設備潤滑系統所含磨損顆粒的成分及含量，也可以準確地檢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，從而對設備運行趨勢進行預判，保障設備正常運轉。

2 光譜的基本工作原理

本實驗室用的光譜儀是OSA3發射光譜儀，美國進口，原理是利用電弧激發油液試樣，其核外電子就會從低能級躍遷到高能級的軌道上去，這時的原子處于不穩定狀態，原子由不穩定狀態返回穩定狀態要釋放一定頻率的電磁波能量，每種元素發出特有波長的光和顏色。將輻射出的光經過色散，得到按波長排列的線光譜，根據特征譜線有無出現判斷物質是否存在，根據特征譜線的強弱判斷該物質含量的多少。

發射光譜的譜線強度與元素含量間的定量關系可以用下面的公式給出：

I—分析譜線與比較譜線的相對強度；c—被分析元素的含量；a—在濃度變化的較大范圍內一般為常數；b—取決于光譜線自蝕現象的一個常數。

將式（1）兩過取常用對數，有：

從（2）式中可看出：I與c的對數呈線性關系。故可以通過光譜儀對所測譜線的強度來計算出該元素的含量。

現在使用的原子發射光譜是將分光后的各種單色光照在與各種元素譜線位置相吻合的光電轉換器件上，光能直接轉化為電能，能過A/D轉換，可以直接讀出元素的濃度值。

3 光譜在油液監測中的應用

圖1 原子能量吸收和發射示意圖

3.1 監測設備的磨損趨勢。通過原子光譜分析可以得到潤滑油中各種微量元素成分及其含量，獲得下列信息：（1）磨損元素的成分和含量：根據設備運動摩擦副零件的材料構成，可以判斷磨粒產生的可能部位。（2）添加劑元素及污染元素的成分及含量：根據潤滑油的性能要求，可以判斷潤滑油的劣化變質程度。（3）磨損元素變化率：根據磨損元素變化率可以判斷摩擦副的磨損趨及其嚴重程度。（4）磨損趨勢監測：對監測對象進行原子光譜的跟蹤監測，可得到主要磨損元素的變化趨勢圖。

3.2 確定最佳磨合規范。對于新的重要運動零件摩擦副，都要在一定規范下進行磨合，以形成良好的工作表面。磨合期太長，既影響使用壽命，又浪費能源，很不經濟。但如果磨合期態度太短也不能達到磨合的要求。在磨合期間不可能拆開摩擦副進行表面檢查后再回裝。通過磨合過程的光譜分析，監測磨合過程，在不拆機的情況下便可了解摩擦副表面的變化，從而可以合理確定最佳磨合規范。

3.3 確定合理換油期。設備的潤滑系統中的潤滑油的品質是很重要的。不同的設備、不同的工況其換油期限是不一樣的，通過油樣的原子光譜分析可以確定合理的換油期限。通常潤滑油中的Ca、Ba、Zn、Mg、P、Mo、B等元素是監測添加劑的特征元素，而Si、B、Na、K等是監測污染和水分的特征元素。上述元素的變化是判斷潤滑油是否使用到限、因而必須換油的重要依據。

4 光譜監測技術應用實例

采油廠注氮車價值上千萬，且需連續運轉，對采油工藝有極其重要影響，屬油田大型關鍵設備，本文以注氮車為例進行研究。注氮車所使用的潤滑油品牌和規格為殼牌勁霸CF-4 15W/40，取樣時，注氮車潤滑油已使用240小時。光譜監測結果見表1和表2。

表1 注氮車新油檢測結果

表2 注氮車用油元素檢測結果

從表1和表2對比可看出，鐵的含量有所增加，說明鐵制的摩擦副發生了磨損，但其磨損量并不大，這些摩擦副仍處于正常的工作狀態中。而鉛的含量顯著增加，已經遠遠超過了鉛含量的界限值，說明了用鉛抽制的摩擦副已發生了不正常磨損；而對于注氮車而言，鉛制摩擦副主要有軸承、軸瓦以及密封件，建議使用者對注氮車的這幾對摩擦副給予重點檢查。對于硅、硼、鈉、鉀等元素來說，其含量基本不變，則說明該潤滑油沒有外來污染。對銅、鎂、鈣、鋇、鋅、磷的含量來說，除了鈣的含量有所增加，其它的含量基本保持不變，從總體上上來說，潤滑油添加劑沒什么損耗，潤滑油的潤滑效力仍處于正常水平。

通過對此潤滑的光譜分析可以做出兩項判斷：①含鉛制摩擦副發生異常磨損，建議需檢修；②該潤滑油總體上來說可以不用換油。

結語

光譜分析技術在設備狀態監測和故障診斷中起著舉足輕重的地位，能有效的監測出設備磨損元素，判斷設備潤滑油的質量好壞，并能對設備磨損趨勢進行分析判斷，達到預防維修的效果，提高設備的可靠性。

[1]楊其明，嚴新平，賀石中.油液監測分析現場實用技術.北京：機械工業出版社，2006.