傅里叶红外光谱仪在船舶设备油液监测诊断中的应用

张佃惠,刘敬军

(1.91663部队,山东青岛 266011;2.92132部队,山东青岛 266405)

目前,船舶设备状态监测与故障诊断技术研究发展较快,油液监测技术作为实现设备主动维修的最为行之有效的监测手段之一,能够监测水分、颗粒污染及油质降解等导致设备故障的故障根源,已经在船舶设备的科学化管理和维修中发挥了重要作用。油质分析和磨粒分析作为油液监测的两个方面同等重要。对油质本身进行监测并做出是否换油结论,会带来巨大的经济效益,因此国内在油质监测方面越来越重视[1-3]。傅里叶变换红外光谱分析技术是鉴别物质和分析物质结构的有效手段,在有机化学、高分子化学、石油化工等领域得到了广泛应用。上世纪初,红外光谱仪被用于监测在用油中氧化物、硫化物、硝化物、积碳、水分、乙二醇、燃油稀释以及砂粒灰尘的污染度,同时也可以监测油品的添加剂如防磨剂的降解来了解油液衰败的情况,可以取代某些传统的油液理化指标分析方法,有效缩短测试时间,显著提高测试效率,大大提高设备油液快速监测诊断能力。本文立足于油液监测工作就傅里叶红外光谱仪在船舶设备油液监测诊断工作中的应用提出一些建议。

1 应用现状

在国外,傅里叶红外光谱技术在军队中已经开展了实船应用研究。上世纪末,美国海军将傅里叶红外光谱仪安装在航母等大型舰船上,并开展了相应的研究工作,取得了成功的经验。军队的各级油料分析系统也陆续配发了傅里叶红外光谱仪,取代部分陈旧的、落后的常规理化指标分析设备,效果显著,并且还在不断地扩展其应用范围,从而将军队的油料分析工作提到了一个新的高度。目前,美军基本上是以原子发射式光谱仪 (元素分析光谱仪)和红外光谱仪为核心的油料分析系统。这一系统使他们很好的掌握了设备的磨损状态,透彻地了解油料在使用过程中的衰变和污染 (包括添加剂损耗)以及这些参量与机械失效形式的相关性。油料状态监测分析系统为美军作战胜利做出了极有价值的贡献。

在国内,船舶油液理化性能测定主要是针对在用油液理化性能检测,偏重于油液在使用中性能变化的测定,如油液在使用中被其它油液或冷却液稀释、油液中进入微量海水、油液中添加剂被消耗、油液的污染状况、油液中磨损金属的状况等性能变化等,以此来准确、及时地掌握船舶设备油液使用性能的状态和船舶主要机电设备的使用状况,确保船舶的在航率和减少故障率。

在实际工作中,传统的常规水分、粘度、总酸(碱)值等油液理化指标由于受检测目的、人力、物力、仪器等多方面条件的限制,往往不需要做全部性能分析;同时由于试验方法和条件的限制,存在着测试时间长、样品消耗大、精度不够高等缺点。因此,选择油液性能检测项目的原则就是油液在使用中性能变化大并对船舶机电设备可靠性有影响的项目,同时对这些项目的分析方法要求简单、快速,既能及时了解船舶机电设备在用油液的使用状况,又能及时发现设备的故障和故障隐患,快速解决船舶在用油液中存在的问题。

目前,国内许多实验室配置了美国生产的傅里叶红外光谱仪,该仪器可以收集中红外和近红外光谱范围的谱图,经过各种数学处理,得到所测样品中各种化学成分的含量和分布。该公司开发的 Integra软件专门用于分析在用润滑油中的积碳、水、氮化物、氧化物、防冻剂、硫化物、防磨添加剂等各种组分,可以动态地监测在用润滑油的衰变和劣化程度。该仪器具有扫描速度快、精度高、分辨率高等特点。国内关于此项技术的研究多只限于油品的添加剂配方、品质鉴定等石油产品的生产和质检环节,针对船舶设备在用油液监测方面的应用研究尚未见报道。我们利用傅里叶红外光谱仪对在用柴油机润滑油中灰分含量、产生的氧化物含量、硝化物含量、磺化物含量、燃油稀释含量、乙二醇含量和添加剂 ZnDDP的降解测试项目进行了专门研究,结合润滑油的磨粒分析研究,得出它们之间的相关性规律,为今后船舶设备润滑油监测诊断向智能化、综合化方向发展提供有力的科学基础。

2 应用原理

红外光谱是一种对物质分子结构和化学组成进行定性定量分析的试验室技术。其应用的物理原理是:根据量子力学概念,分子运动的能量是不连续的,每个运行状态都属于一定的能级,而每一种物质分子有它自己的特征能级图。当用一束具有连续波长的红外光照射某种物质时,该物质的分子就要吸收一部分光能,并将其转变为分子的振动和转动能量,分子吸收的能量,应为该分子两个能级间的能量差,与吸收光的频率间的关系符合普朗克定律。因此,若将透过分析样品的红外线用单色器进行色散,就可以得到一条谱带,如果以波长或波数(cm-1)为横坐标,以百分吸收率 (A)或透过率为纵坐标,把谱带记录下来,就得到该物质的红外吸收光谱图。将该图与已知分子标准图相对照,通过解析,就可确定物质分子组成和结构。

红外光谱仪是一种应用范围很广的分析仪器,在用于润滑油分析时的工作过程一般是:先分别做出参比油 (新油)和要测的在用油的谱图,除去相同的吸收峰,得出差值,找出差值的基线,就可定量得到在用油中各降解产物和污染物读数。

图 1为在用油液红外光谱特征峰。在添加剂测试方面主要有以下特征峰:在 3 650 cm-1处为苯酚的 O-H键的伸缩振动;在 3 400 cm-1和 1 625 cm-1为胺类的 N-H伸缩振动和弯曲振动;在 990 cm-1和 650 cm-1处为 ZDDP的 P-O-C和 P-S的伸缩振动。在副产物的测试方面主要有以下特征峰:在 1 600 cm-1～1 750 cm-1和 3 500 cm-1～3 595 cm-1分别为羧酸酯、酮和羧酸的官能团特征峰;在 1 630 cm-1处为硝酸酯的特征峰,在 1 150 cm-1处为硫化物的特征峰。在污染物方面主要有以下特征峰:在 3 500 cm-1～3 100 cm-1处为 OH的伸缩振动,可测试到水和醇类;在 1 080 cm-1～1 040 cm-1为冷却剂的 C-O对称伸缩振动;在810 cm-1处为柴油的芳环的 C-H键的弯曲振动;750 cm-1处为汽油的芳环的 C-H键的弯曲振动;在 2 000 cm-1处为灰分的基准偏移。

图1 油液红外光谱特征峰

3 应用实例

本实验室使用的是 AVATAR360型傅里叶红外光谱仪及其分析软件 (OMNIC)。我们对某船柴油机润滑油进行了连续跟踪监测,应用傅里叶红外光谱仪对油液进行了劣化程度分析,并应用超谱 -M型油料分析光谱仪对油液进行了磨粒分析,得出了该设备的润滑油油液劣化程度含量趋势图和磨损金属元素含量趋势图。图 2为编号为 74#～108#润滑油油样中产生的积碳 (Soot)、氧化物 (Oxidation)、硝化物 (Nitration)、硫化物 (Sulfation)的含量趋势图,图 3为编号为 74#～108#润滑油油样中磨损金属元素含量趋势图。

图2 润滑油中产生的积碳、氧化物、硝化物、硫化物含量趋势图

图3 润滑油金属元素含量趋势图

从图 2、图 3中可以看出,在油样编号 77#、98#、104#处产生的积碳、氧化物、硝化物、硫化物的出现峰,对应于磨损金属元素含量也出现峰,说明处于这 3个状态下的柴油机磨损剧烈,相应的润滑油油质劣化程度严重,从这点可以看出傅里叶红外光谱仪在油质劣化趋势方面和了解机械运行状态方面的优势,它特别适用于油液性能趋势分析的监控,更便于掌握机械润滑状态,为今后按质换油、合理使用设备提供科学依据。

4 应用建议

1)目前,傅里叶红外光谱仪OMNIC软件中的油分析软件 Integra存在很多不足。如水和乙二醇在红外中有特征吸收峰,能在含量高于 0.1%(1 000μg/g)时被检测出来,但是此方法不像其它方法那样灵敏。乙二醇和水都含有 -OH基团,当两者同时存在时,这一测定受到干扰,测定准确度受到影响,因此水和乙二醇的测定值仅作为参考值。建议对水分和乙二醇等醇类含量的测试应使用OMNIC软件,针对 TQ定量分析在油液监测诊断中的应用还要进行专门培训,以提高傅里叶红外光谱仪在油液中进水情况测试的准确度。

2)加快傅里叶红外光谱仪与其它油液分析数据的相关性研究,以确认该仪器在油液监测诊断中的应用范围和地位作用,真正地发挥该仪器的潜力。

3)建立傅里叶红外光谱仪数据共享网络,加强交流,进一步提高监测诊断水平。

[1]徐启圣,李柱国.基于层次分析法的油液诊断特征属性的选择 [J].上海交通大学学报,2006,40(2):1 355-1 359.

[2]王越之,刘德华,罗春枝.用灰色关联分析监控磨损和润滑质量 [J].石油机械,1995,23(7):34-38.

[3]王德岩.在用航空润滑油可靠性评估方法的研究 [J].润滑油,2006,2(2):53-57.