红外光谱分析技术在润滑油监测中的应用

2014-03-24韩风梅

中国设备工程 2014年3期

关键词：油液油品润滑油

韩风梅，胡炼，陈峰

（中国石油独山子石化分公司研究院设备研究所，新疆独山子 833600）

红外光谱分析技术在润滑油监测中的应用

韩风梅，胡炼，陈峰

（中国石油独山子石化分公司研究院设备研究所，新疆独山子 833600）

对FTIR红外光谱分析技术在石化公司润滑油监测中定量分析和定性分析的应用情况加以总结和展望。

FTIR红外光谱；关键机组；润滑油；监测

长期以来，在石化关键机组润滑油监测方面通常采用理化检测分析。开展FTIR红外光谱分析技术，可以获得润滑油氧化、硝化、硫酸化、添加剂损耗等多项指标。与传统的理化指标分析技术相比，具有分析速度快、精度高和重复性好等优势。红外光谱分析方法已广泛应用于船舶、冶金、医药、食品、机械、化工等诸多领域。

一、FTIR红外光谱分析技术简介

由分子的振动－转动能级跃迁形成的光谱为分子光谱，因其波长通常出现在红外区段，故称作红外光谱。当一束具有连续波长的红外光照射某一物质时，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内能。若将透过物质的光进行色散，就可以得到一条红外光谱带，将红外光谱带以波长(单位μm)或波数(cm-1)为横坐标，以百分透过率或吸光度为纵坐标，就可得到该物质的红外吸收光谱图。

红外光谱分析能从分子层次上分析油品内部成分组成与添加剂含量。不同化学物质在红外光谱图中有其特征吸收区，且吸收峰的高度和面积与该物质的浓度成正比，因此可通过对红外光谱图的分析，进行样品中各化学物质的定性和定量分析，从而获得油品的质量和性能信息，判定油品的衰变、添加剂消耗和污染状况等。

红外光谱所含信息量丰富，对不同油品有良好的适应性。这对于及时、准确评价机组润滑状况，延长油品的使用周期，保障机组的长周期平稳运行具有重要意义。

二、红外光谱分析在油液监测中的应用

1.A2PAL红外光谱仪介绍

某石化公司设备研究所使用的A2PAL红外光谱仪，是美国研制开发的PAL系列油液监测FTIR红外光谱仪，光谱范围4 500～600cm-1，分辨率为4 cm-1，背景光及样品扫描速度为8张/s光谱，可用于对压缩机油、汽轮机油、齿轮油、液压油、发动机用油等油品的定量与定性分析。

该仪器的进样系统为光程长100μm的宝石透射池。当不同波长的红外光依次照射油样时，某些波长的光将被样品选择吸收而减弱，含有样品信息的干涉光到达检测器，通过傅里叶变换对信号进行处理，得到吸光度随波长变化的红外吸收光谱，并获得氧化值、硝化值、硫酸化、抗氧剂、抗磨剂及积碳、烟炱等多项定量检测指标。通过定量数值变化趋势分析，结合油品特征基团的红外特征吸收峰的位置、强度和形状等参数，对新油和在用油红外谱图差异对比，判定在用润滑油添加剂的损耗及性能衰变。分析检测无需试剂及油样制备，分析速度快。

2.FTIR红外光谱定量分析法的应用

自2012年以来，对公司的35台关键机组及部分挤压造粒机在用润滑油进行FTIR红外光谱分析，涉及汽轮机油、液压油、齿轮油。现以某厂3#发电机组为例，说明FTIR红外光谱分析在油液监测中的定量分析应用。

2013年2月，某厂3#发电机组在用润滑油目测发现颜色由淡黄色透明变为红棕色发黑，随后进行常规理化指标分析、铁谱分析及颗粒污染度分析，未发现异常，后使用A2PAL红外光谱仪进行红外光谱分析，2013年2～9月3#发电机组在用润滑油分析数据见表1。

表1 3#机组在用润滑油常规理化、污染度定量分析

由表1可见，2～9月间理化指标分析合格，但酸值存在增大趋势；常规理化指标分析机械杂质含量无明显变化，9月该机组在用润滑油污染度等级有明显增大。

由表2可见，2～9月间，其氧化值、抗磨剂副产物及极压添加剂的损耗均明显高于新油；硫酸盐稍有增大；而酚类抗氧剂的含量与新油相比处于极低水平。说

明该机组在用润滑油颜色变化的原因主要是油品氧化及添加剂大量损耗，特别是酚类抗氧剂几乎耗尽所造成的。

结合表1、2可知，该机组在用润滑油理化指标分析酸值存在增大的趋势，而FTIR红外光谱分析，硫酸盐也表现出略微增大的趋势。

通过以上分析结果可以看出，FTIR红外光谱分析在对在用润滑油性能衰变和添加剂损耗方面的检测中，优于传统的常规理化分析。

3.FTIR红外光谱定性分析法在油液监测中的应用以上述某厂3#发电机组为例，其在用润滑油与新油红外谱图比对如图1所示。

表2 3#机组在用润滑油FTIR红外光谱定量分析

图1 在用润滑油与新油红外谱图对比

图1 中横坐标为红外光谱波数(单位：cm-1)，纵坐标为吸光度(Abs/0.1mm)，蓝色线为3#发电机组在用润滑油，红色线为新油。波数在1 300～900 cm-1红外光谱区内，化合物分子的结构对红外光十分敏感，分子结构的细微变化都会引起红外光谱的明显改变。

⑴在810～800 cm-1处出现一个小峰，在用润滑油的吸收峰明显高于新油，反映了润滑油极压添加剂的变化。随着极压添加剂损耗的不断增大，润滑油对机组摩擦副部件的减摩作用将下降，造成机组的异常磨损，从而缩短机组的运行周期。

⑵在1 080～1 070 cm-1处出现的吸收峰位，表明产生了一定量的抗磨剂副产物，润滑油中抗磨剂发生一定的损耗。

⑶在1 170～1 155 cm-1处出现的吸收峰，表明油中硫酸盐的存在，这通常是在用润滑油受到氧化的产物，会引起油品酸值增大，最终造成机械部件的腐蚀。在常规理化指标分析中酸值也呈现增大的趋势。

⑷在1 800～1 660 cm-1处，有一个明显高于新油的吸收带，说明油液中产生了氧化降解产物，生成高分子量的黏性液体、漆膜和油泥。

(5)在4 000～1 300 cm-1红外光谱区内，有机化合物的重要基团在此区域有特征吸收带。

4.某厂3#发电机组在用润滑油品质变化的分析及讨论

(1)原因分析。润滑油在使用的过程中，会因外界因素如粉尘、水分、空气等以及内部磨损颗粒的增加造成污染，运转中的高温会造成基础油挥发、分解及氧化，从而使油品的性能变差，导致机组的异常磨损。因此对机组在用润滑油进行定期监测是保证机组长周期运行的重要手段。通过使用A2PAL红外光谱仪进行润滑油FTIR红外光谱定量与定性分析，能方便直观地看出油品性能衰变及添加剂消耗情况。

通过对某厂3#发电机组在用润滑油2013年2～9月间监测，分析该机组在用润滑油颜色变深的原因，一是在用润滑油发生氧化，氧化是润滑油基础油发生衰化变质的主要原因，它会导致油品酸值增大，造成润滑油颜色变深、性能变差、滤网堵塞、机件磨损加剧及腐蚀。二是润滑油在使用中与灼热的机件表面接触，产生热降解，基础油降解产物悬浮在油中所致。

该机组在用润滑油酚类抗氧剂几乎消耗殆尽，污染度增大，表明油品性能已出现衰变，建议加强监测，根据情况进行换油。

(2)验证。根据红外光谱分析，某厂于2013年9月22日安排3#机组润滑油进行部分更换，并对过滤器滤网清扫，发现过滤器滤网已被厚厚的黏性物质和油泥堵塞，过滤器内取出的润滑油沉淀后，也呈现为黑色黏性物质及油泥。