電感耦合等離子體原子發(fā)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(jī)械科學(xué)研究院有限公司，廣州 510000)

1 前言

故障診斷在機(jī)械設(shè)備維護(hù)中是密不可分的一部分，通過檢測(cè)設(shè)備的潤(rùn)滑油中磨損元素成分含量進(jìn)行故障診斷不僅可以降低潤(rùn)滑油使用成本，還能通過檢測(cè)潤(rùn)滑油的情況判斷設(shè)備是否存在故障。其中，微量元素測(cè)試是故障診斷中非常重要的一部分。潤(rùn)滑油的日常檢測(cè)中，電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測(cè)定微量元素方便快捷，準(zhǔn)確性高[1]。炬管在整個(gè)原子發(fā)射光譜測(cè)試中是核心部分，參數(shù)設(shè)置不當(dāng)不僅會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果有偏差，還會(huì)導(dǎo)致炬管積碳無(wú)法進(jìn)行測(cè)試。因此，研究炬管參數(shù)十分重要。

2 儀器及試劑

2.1 儀器及參數(shù)

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

分析天平：精確至0.0001g。

2.2 試劑

航空煤油：經(jīng)0.8μm濾紙過濾后煤油；

二甲苯：分析純；

有機(jī)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：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(shí)驗(yàn)部分

(1)測(cè)試體系為煤油：準(zhǔn)確稱取多個(gè)0.5000g質(zhì)控樣加煤油至5.0000g，攪拌均勻。

(2)分別將泵速調(diào)節(jié)為10RPM、15RPM、20RPM，其他參數(shù)不變，正常測(cè)試質(zhì)控樣。

(3)選擇同一根炬管，分別調(diào)節(jié)炬管高度為6.4cm、6.5cm、6.6cm，正常測(cè)試質(zhì)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(cè)試質(zhì)控樣。

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

4 結(jié)果與討論

4.1 不同泵速引起炬管積碳

Prodigy 7泵速設(shè)置與利曼其他系列的電感耦合等離子體發(fā)射光譜不同，泵速較慢，而Prodigy 7測(cè)試軟件中可選擇泵速為10RPM-40RPM，根據(jù)儀器廠商推薦，實(shí)驗(yàn)對(duì)不同泵速進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果如表1。

表1 不同泵速炬管積碳情況

由測(cè)試結(jié)果可知[4]，最佳泵速為15RPM。泵速慢雖然不會(huì)使炬管積碳，但是相同進(jìn)樣時(shí)間檢測(cè)器檢測(cè)到樣品濃度低，影響測(cè)試結(jié)果[2]。加長(zhǎng)進(jìn)樣時(shí)間則會(huì)降低測(cè)試效率。泵速快可以提高測(cè)試效率，但導(dǎo)致相同時(shí)間內(nèi)炬管沉積樣品沉積過多，樣品不完全燃燒形成積碳，影響測(cè)試效果。

4.2 炬管放置高度影響測(cè)試結(jié)果

當(dāng)儀器點(diǎn)火時(shí)，點(diǎn)火器高頻火花放電使得一小部分的氬氣電離。此時(shí)線圈通電后形成穩(wěn)定磁場(chǎng)，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(jīng)過高頻線圈形成等離子體。正常測(cè)試時(shí)，炬管頂端距離卡口位置約6.5cm，為研究炬管位置高低對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果的影響，分別調(diào)節(jié)炬管位置，相對(duì)于卡口位置6.4cm和6.6cm，其他條件相同情況下，分別測(cè)試同一個(gè)質(zhì)控樣品兩次，所得結(jié)果平均值如表2。

表2 不同炬管高度測(cè)試結(jié)果

炬管的最佳觀測(cè)位置為激發(fā)線圈以上火焰中上方位置。當(dāng)炬管位置降低時(shí)，所激發(fā)的原子也就越多，觀測(cè)位置仍然處于最佳觀測(cè)位置范圍內(nèi)，檢測(cè)器檢測(cè)的元素含量也就越高。反之，將炬管位置抬高，線圈激發(fā)的原子減少，最觀測(cè)位置不在火焰中下方，檢測(cè)器檢測(cè)所得有效激發(fā)原子減少，檢測(cè)處結(jié)果也就偏低。根據(jù)表2測(cè)試結(jié)果，炬管頂端距離卡口位置約6.4cm時(shí)測(cè)試質(zhì)控樣品數(shù)值偏大，而炬管頂端距離卡口位置約6.6cm時(shí)測(cè)試質(zhì)控樣品數(shù)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(cè)試結(jié)果

由于炬管生產(chǎn)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(xiàn)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(dāng)?shù)诙庸芴幱谳^高位置時(shí)，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(cè)中，多用于測(cè)量C,H含量高的潤(rùn)滑油產(chǎn)品，不完全燃燒容易導(dǎo)致積碳的形成[6]。

分別對(duì)比了兩個(gè)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(duì)于新批次炬管，稍微抬高炬管位置可減少積碳。

圖1 炬管對(duì)比

4.4 等離子體火焰兩端樣品濃度不一致導(dǎo)致炬管積碳

當(dāng)煤油溶液激發(fā)形成等離子體時(shí)，火焰呈現(xiàn)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(fā)煤油含量較低的一邊高。因此，當(dāng)測(cè)試大量潤(rùn)滑油樣品后，炬管積碳會(huì)在濃度高一側(cè)集聚。積碳剛開始形成過程非常緩慢，一旦已經(jīng)形成積碳后，積碳聚集速度會(huì)加快，濃度越高形成速度越快。如圖2所示，炬管左側(cè)濃度較高，形成積碳的速度和含量都會(huì)高于右側(cè)。由于軟件控制儀器程序中的設(shè)置參數(shù)造成炬管兩側(cè)濃度不同，而這部分參數(shù)不可更改，因此，炬管兩側(cè)濃度不相同的情況無(wú)法通過更改參數(shù)解決。但在日常測(cè)試過程中可選擇避免一次性大批量測(cè)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(cè)試溶劑引起炬管積碳

潤(rùn)滑油中存在聚乙二醇類潤(rùn)滑油(PAG)不溶于煤油，無(wú)法正常測(cè)試。但此類潤(rùn)滑油在二甲苯中有較好溶解性。因此，測(cè)試時(shí)需將此類潤(rùn)滑油單獨(dú)用二甲苯溶解測(cè)試并將測(cè)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(biāo)準(zhǔn)曲線和質(zhì)控樣，重新走校準(zhǔn)并且測(cè)試。測(cè)試出質(zhì)控樣數(shù)據(jù)正常，但是連續(xù)多個(gè)測(cè)試多個(gè)樣品后炬管產(chǎn)生積碳現(xiàn)象[7]。

煤油為C11-C17高沸點(diǎn)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(shí)，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(dāng)測(cè)定樣品數(shù)目不多時(shí)，等離子體能夠完全燃燒。當(dāng)測(cè)試樣品數(shù)目較多時(shí)，等離子體不能完全燃燒，導(dǎo)致炬管容易積碳。因此，在測(cè)試完以二甲苯為溶劑樣品后，炬管最好進(jìn)行清潔煅燒[8]。

5 結(jié)論

通過泵速、炬管位置、溶劑體系等方面對(duì)造成炬管積碳因素進(jìn)行驗(yàn)證和總結(jié)。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(rùn)滑油樣品集聚在炬管中心管位置。電感耦合等離子體發(fā)射光譜是高精密度的檢測(cè)儀器，其中任何一個(gè)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)都有可能導(dǎo)致炬管積碳，測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，設(shè)置參數(shù)時(shí)要全面考慮，以儀器廠商推薦參數(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行調(diào)整。在日常測(cè)試過程中，根據(jù)實(shí)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(jìn)行測(cè)試。而不同批次炬管需要注意炬管第二層管位置高度，根據(jù)高度進(jìn)行調(diào)節(jié)。