油液中水分的在线监测机理研究

武宏阳，陈彬，韩超，颜欢

(重庆工商大学废油资源化技术与装备教育部工程研究中心，重庆 400067)

1 研究背景

润滑油在汽车、船舶、机械加工、交通运输、电力等各类行业中都有着广泛的应用，在润滑油的生产制造、储存运输及实际应用过程中，各种各样的环境条件对润滑油的理化性质有着不同程度的影响，其中微量水分会通过各种途径混入润滑油中而引起润滑油物理化学性质的变化［1-2］。润滑油理化性能的变化意味着在其使用过程中对机械设备本身和机械系统的运行会产生各种不良后果，影响润滑油的使用寿命。如大型液压系统中水分的存在会导致水滴对机械系统的高速撞击形成水蚀，在变压器中起冷却绝缘消弧作用的变压器油则会因为水分的污染导致油液绝缘性能降低而影响其运行和操作安全性［3-4］。前苏联空军某机型用航空液压油75%的油中含水量在300 ～500 mg/L，2%的油中水分超出700 mg/L。美国联合航空公司对空运货物地面支持设备进行的调研情况见表1、表2。表1 表明这些设备用油中的水分污染是十分严重的，表2 说明油中水分污染对轴承部件使用寿命的影响是极大地。

表1 初始油液取样中的水含量及其推荐值范围Table 1 Initial water content in oil sample and its recommended value

表2 含水量对轴承疲劳寿命的影响Table 2 Effect of water content on bearing fatigue life

除此之外，水分侵入润滑油之后会与润滑油缓慢的发生水解反应产生相应的水解产物，加速油液老化变质，加剧废油的产生量，增加环境污染的处理成本，据统计［5］2011 年我国润滑油实际消费量710 万t，废润滑油量约有350 万t，其中20%左右的废润滑油是由于水分污染引起的，约为每年70 万t，给国民经济中资源利用带来了很大的压力。

因此，实现油中水分的快速、准确检测是润滑油品质诊断、机械设备运行状态实时监测及循环经济可持续发展的必然要求。本文首先对目前国内外在油中水分含量对润滑油理化性能影响规律及其离线检测和在线监测方法等方面的研究动态及进展进行了阐述;提出了一种基于水分对油液多个关键理化性能影响规律的在线监测方法，突破了目前在线监测方案中以单一理化性能变化来实现水分含量监测的局限性，以提高油中水分在线监测的效果，实现水分的实时、连续、同步的在线监测。

2 油中水分对油液理化性能的影响

润滑油中水分的存在状态主要有游离水、悬浮水和溶解水［6-7］三种状态，其在润滑油中含量依次减小，且在不同的条件下三种状态的水分可以相互转化［8］，它们对润滑油理化性能的影响程度则在不同的理化性能指标上均有体现。国内外已有诸多专家学者针对油中水分对油液理化性能的影响规律开展了深入研究并取得了很多成果。

Harika 等［9］通过对含水量在0 ～10%的无添加剂的油水混合物的实验，研究表明含水量在0.1%以下时油液的粘度有较小的降低，当油中水分含量超过0.2%时油液粘度随着含水量的增加而增大，并导出了油液粘度与温度和含水量的变化关系模型。Mariana 等［10］通过图像分析检测实验对绝缘油界面张力的检测研究中发现未经使用的新绝缘油的界面张力值是较大的，但是随着使用过程中水分等极性物质的累积其界面张力会明显的减小，这也就说明了油液中水分含量的增加会使得油液界面张力这一理化性能指标值减小。宫伟军等［11］对含水量在0.05% ～0.25%的船用润滑油的研究表明水分会使油液的扩散性、抗凝胶实验、DSC 氧化、强化氧化和酸中和速度变差，其实验结果见表3。

表3 DCA5040 船用气缸油不同含水量性能考察Table 3 Properties testing of DCA5040 marine cylinder oil in different water content

水对运行中润滑油的酸化速率也有一定的影响，在田亚等［12］进行的发电厂润滑油系统水对油酸化的影响实验中表明，在润滑油中含有铁屑等金属的条件下，含水的润滑油在使用过程中酸值增大速度非常明显，结果见表4。

表4 水对油酸化影响Table 4 The influence of water on oil acidfication

在变压器油中，水分对油液理化性能的影响主要体现在油液的电气绝缘性能［13-14］上，如介电强度［15-16］、击穿电压［13，17-19］、体积电阻率［13，18］、介质损耗因数等［19］。变压器油有水分存在将导致油纸绝缘性能降低和绝缘老化加速，而且微水受热后会转化为气泡，极易导致局部放电的产生。Ismail 等［19］对精炼漂白脱臭棕榈油(RBDPO)和Hyrax 矿物绝缘油用作变压器油时水分的影响作用进行了一系列的实验研究，其结果表明了随着油液中水分含量的增加油液的击穿电压值有所下降，见图1，介质损耗因数有所增加，见图2。

图1 不同水含量的RBDPO 和Hyrax 绝缘油击穿电压测试Fig.1 Breakdown voltages of RBDPO ＆ Hyrax oil

图2 不同水含量的RBDPO 和Hyrax 绝缘油介质损耗因数测试Fig.2 Dissipation factor of RBDPO ＆ Hyrax oil

刘玉仙等［20］研究表明变压器油中水分质量分数每增长1 倍，油液的绝缘寿命将会减半;赵艳丽等［21］研究表明水分的存在会严重影响变压器油的击穿电压值，见图3，当油中含水量仅为几十个mg/L时，其耐压值就已下降至较低水平，油中的含水量为30 mg/L 时，击穿电压为40 kV 左右，而油中含水量为50 mg/L 时则只有20 kV 左右。

图3 变压器油的含水量对击穿电压的影响Fig.3 Effect of variable water content on electrical breakdown strength of transformer oil

3 油中水分的检测方法

目前对油中水分含量的检测主要分为离线检测和在线监测两大类［22-24］。国内外常用的离线检测方法有卡尔·费休滴定法(库仑法)、蒸馏法、气相色谱法、红外光谱法［25-29］等，这几种方法有其各自的优缺点。卡尔·费休滴定法的测量结果可达到10 mg/L 级别，但是测定试剂费用相对昂贵;蒸馏法测量下限为300 mg/L 不够精确;色谱法仪器要达到稳定的时间较长，标样的重复性差。而红外光谱法是近年来研究十分热门的一种定量测定方法，其检测原理是:当红外光通过被测物质时，一定频率的红外光被吸收，吸收强度与被测物质的浓度有关，其定量关系符合朗伯-比尔定律:

式中，A 为吸光度;I0为入射光强度;I1为透射光强度;a 为吸光系数;b 为被测介质厚度;c 为水分含量。

可见吸光度A 与水分含量c 成正比，因此通过吸光度的测量即可求得含水量。这种检测油中水分的方法可在不破坏被检测油液物相的条件下实现快速准确的检测。例如，韩晓等［30］采用遗传算法结合神经网络用于FTIR 检测航空润滑油中水分含量相关研究结果表明，对不同含水量油液进行傅里叶红外光谱数据通过预处理，神经网络模型参数优化选择，运用遗传算法提取最优波数点信息，经过反复优化确立了最佳的GA-BP-ANN 红外光谱定量分析模型。其模型预测精度与卡尔费休法测定结果相比有很好的精确度，对比结果见表5。

表5 GA-BP-ANN 模型预测航空润滑油中水分含量结果Table 5 Forecast the water content of aviation lubricating oil through the GA-BP-ANN model %

Van 等［31-32］采用傅里叶变换红外光谱法对58个不同含水量的油样进行检测(其中23 个样品为军用车辆废旧润滑油，35 个样品为筛选油样)，其检测结果与卡尔费休法相比，见图4。

图4 对58 个新油和旧油油样进行傅里叶红外法水分预测与卡尔费休法检测结果的回归分析Fig.4 Regression of FTIR moisture predictions vs.the KF results for 58 used and new oil samples

离线检测是“在线抽样，离线测量”的方式［33］，具有准确度和灵敏度高、方法成熟、应用广泛的优点，但是其最大的缺点就是不具有实时、连续、同步性，不能够同步反映油液中水分的含量，需要定期的抽取油样，分析费时，且在油样的采集储存过程可能发生变化。为了克服离线检测的缺点，国内外针对润滑油中在线监测技术开展了许多研究。在线监测［34-35］可在机械设备正常运转过程中，对机械设备中的油液进行实时、连续的监测并及时动态的获取被监测油液对象的运行状态等信息。

国内外常用的润滑油中水分含量在线检测的机理主要有光谱射线法、微波衰减法、电容法等［36-37］。光谱射线法是利用润滑油和水对某一特定的光谱射线的吸收、反射、折射能力不同，由此计算出润滑油含水量;微波法原理是微波可以被物质吸收，而水对微波的吸收最为显著，润滑油和水对微波的吸收比可达1∶75，因此采用微波水分传感器，将有水分引起的微波衰减量转化为电流信号输出，建立输出电流与含水量之间的关系来得到含水量;电容法将油液及其中的污染物作为一个特别构造的电容器电介质，水分等存在及数量引起介电常数变化，从而改变这个电容器的电容量，传感器通过对电容量变化大小的检测实现对油液中水分的状态监测。其中对光谱射线相关水分传感器和电容式湿度传感器方面的研究最为丰富。Laskar 等［38］采用光纤传感器结合神经网络对变压器油中水分含量在线监测进行了研究，其光纤传感器是利用油液混入不同含量水分后的折射率不同，而以油水混合液为光谱传导介质时，光束穿过光纤弯曲部分时由于其中含水油液的折射率不同，传导的光束会发生相应的变化，在光纤的输出端借助检测器分析输出光和输入光的差别，结合校正过的人工神经网络模型判别分析即可实现油液中水分的在线监测，其在不同的油液温度条件下所做的水分试验检测结果见表6。

表6 不同含水量和温度的变压器油样品折射率测定Table 6 Measure of refractive index of transformer oil samples with different moisturecontent and temperature

KOCH 等［39］对变压器油的不同水分测定方法研究中提到，目前广泛应用的电容式水分传感器中聚合物薄膜探头其基本部件是由两个电极和聚合物薄膜吸湿介质组成，见图5，其基本原理是油液中的水分渗入聚合物薄膜达到平衡后使得其介电常数发生变化，对不同介电常数的表征则对应着油液中不同的含水率。

图5 聚合物薄膜探头Fig.5 Polymer thin film probe

胡志坤等［40］根据聚合物薄膜在不同水分含量条件下聚合物薄膜之间的介电常数值不同而设计出水分的在线监测系统;陈伟根等［41］在对变压器油中水分在线监测的神经网络计算模型研究中提到电容式湿度传感器中聚酰亚胺薄膜与变压器油之间存在水分动态平衡，当油中含水量变化时，聚酰亚胺薄膜吸附水分子数量也相应变化，从而导致聚酰亚胺感湿膜的相对介电常数εr发生变化，将聚酰亚胺薄膜电容式湿度传感器等效为一个平板电容器，其电容量为:

C=ε0×εr×Se×D (2)

式中，ε0为真空介电常数，Se为聚酰亚胺薄膜有效面积，D 为聚酰亚胺薄膜厚度。再通过二次测量电路将电容量的变化转化为计算机所能识别的信号，从而实现油中微水含量的在线监测;陈卫民等［42］研制的油品含水率多点实时监测系统中采用电容式传感器实现了油中含水率为1% ～4%的准确检测，其中传感器中关于油水混合物介电常数的计算公式如下:

式中，εm为混合介质的介电常数;εr1为纯水的介电常数;εr2为纯油的介电常数;d 为介质水的体积分数。

国内的先波科技公司开发的FWD-1 在线润滑油含水率监测传感器［43］是通过传感器探头测量润滑油电阻抗参数的变化和内部运算获得所接触润滑油的含水率变化信息;而Kittiwake 公司开发的在线水分传感器［44］、美国迪沃森公司开发的EASZ-1 型在线水分监测传感器［45］、Lubrigard 公司开发的油质在线监测传感器［46］以及西安交通大学的谢友柏等［47］研究开发的润滑油液微量水分传感器探头，其原理都是通过测量油液中的介电常数这一单个理化性能的变化来反映油液含水率的变化。

综上所述，国内外在水分对润滑油理化性能的影响和在线监测方面的研究进展对我们开展润滑油中水分在线监测的机理研究具有一定的指导与借鉴意义。国内外的研究多是集中于单个理化指标或某一类指标的影响研究上，而水分对多个理化指标的综合影响研究方面较为少见，其对油质的综合影响性和重点指标的影响程度方面还需进一步探索。

4 基于水分对油液多个关键理化性能影响规律的在线监测方法

在通过润滑油理化性能指标的变化来检测油中水分含量方面，国内外研究多是通过单个理化性能指标变化值(如介电常数等)来实现油中水分含量的间接检测，其可靠性和准确性方面仍需进行深入研究，尤其是在以单个理化指标变化为参考时通过检测系统油液压力流量参数变化值来间接检测水分含量，其中以单因子为变化值时其误差势必要高于多个理化指标综合变化的情况。因此，从多个理化性能指标变化时引起的系统油液压力流量参数变化这一角度入手，开展对油液中水分含量在线监测的研究将能克服目前油中水分在线监测的问题。

以多相流体力学、模糊数学以及信息科学等技术支持，首先通过实验研究不同微量水分含量的油液的多个理化性能指标的影响，确立影响较大的关键理化性能指标;建立一种微量水分与关键理化性能指标的模糊关系，获取微量水分对油液理化性能指标的影响规律;然后通过油水两相流理论建立油液与微量水分的运动动力学模型，利用希尔伯特包络谱技术对油液动态信号进行处理，消除环境和系统本体振动的影响;通过连续投影算法(SPA)提取油液与不同微量水分含量的动态特征，利用T_S 模糊辨识模型能以任意精度逼近非线性系统建立油液与微量水分的T_S 模糊辨识模型，构建油液微量水分的在线监测系统;最后通过实验模拟装置监测油液的动态信号特征反向获取油液中微量水分的含量，与理论结果比较，并修正理论模型;可见通过实验获取微量水分对油液多个理化性能指标的影响规律，为理论建立的油液动态特征模型提供先验知识，最后通过实验验证理论结果，进而阐明油液微量水分在线监测机理，实现油液微量水分的在线监测。

5 结论

(1)国内外的相关实验研究和理论研究内容针对油中水分对其理化性能的影响方面，较为丰富的是针对变压器绝缘油的电气性能指标，分别有介电常数、击穿电压、介质损耗因数、体积电阻率等;其次则是润滑油的粘度、界面张力、酸化速率、扩散性能等。

(2)油中水分的在线监测方法研究方面，国内外的相关研究中成果最为丰富的是基于油液介电常数变化的电容式传感器研究;其次是基于光谱射线法原理(如红外光谱、紫外光谱、x 射线光谱)的光谱吸收或透过等研发的传感器;除此之外，相关的传感器研究还有根据油液折射率变化开发的传感器等。这些方法都是根据油液的单一理化性能变化来反映水分含量变化，检测原理较单一。

(3)提出一种基于水分对油液多个关键理化性能影响规律的在线监测方法，克服了目前基于单一理化性能指标进行在线监测的问题。为准确的检测油液中水分含量提供一种理论支撑，为延长润滑油使用寿命，实现节能减排、经济的可持续发展。

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