原子发射光谱检测船用润滑油实验分析

刘享明

(中国人民解放军91315部队，辽宁 大连 116041)

0 引言

当前润滑油检测技术和手段主要有理化分析、污染度检测、红外光谱分析、元素光谱分析、铁谱分析、闪点分析等[1-4]。元素光谱分析可以对润滑油中金属元素进行定量检测和分析[5]，特别是对在用油，金属元素含量能够反应机器的磨损状态[6]。元素光谱分析[1-4]主要有原子发射光谱技术[7-8]、原子吸收光谱技术[7-8]，以及X射线荧光光谱技术[7-9]，从使用的经济性和方便性来讲，原子发射光谱技术在润滑油检测领域应用较为广泛。

该文所研究的船用润滑油主要指船舶在用润滑油。原子发射光谱广泛应用于船用润滑油检测，文章结合实际工作和船用润滑油特点，选取实际工作中一些案例对原子发射光谱检测船用润滑油的有关问题进行系统阐述和总结。

1 原子发射光谱检测船用润滑油的作用

原子发射光谱检测船用润滑油主要能够实现测定润滑油中磨粒元素含量、检测润滑油中添加剂状况以及测定润滑油中污染类信息[10-12]。

(1)测定润滑油中磨粒元素含量

原子发射光谱能够测定近20种元素及其含量，其中与磨粒有关的主要是铁(Fe)、铜(Cu)、铅(Pb)、铬(Cr)、锡(Sn)、铝(Al)6种元素，通过对船用润滑油样品中这些元素含量的测定能够判断机械设备磨损情况、早期故障诊断及故障预警，从而实现对机械设备的科学使用和维护。

(2)检测润滑油中添加剂状况

原子发射光谱能够测定的元素中与添加剂有关的主要是钙(Ca)、磷(P)、锌(Zn)、钠(Na)、镁(Mg)。通过对油样中这些元素的测定和分析可以判断润滑油中添加剂是否失效、润滑油是否变质，从而实现对在用润滑油的科学管理。

(3)测定润滑油中污染类信息

润滑油污染物主要有水、燃油、粉尘、烟炱等[13-15]，船舶润滑油中水污染分淡水污染和海水污染2种，可以通过钠(Na)、镁(Mg)元素含量加以鉴别，粉尘污染可以通过硅(Si)元素检测。

另外原子发射光谱测定的其他一些元素如硼(B)、镍(Ni)、钡(Ba)、钼(Mo)、银(Ag)、钛(Ti)、钒(V)等可根据具体设备零部件材质来确定其来源。

2 原子发射光谱检测船用润滑油案例

以某条大型船舶一台主机为例，对其连续航行期间8次取样，取样间隔为一周，运用原子发射光谱仪进行检测分析，根据该主机具体情况及篇幅限制选取16个元素的数据进行分析，检测结果如表1所示，主要元素趋势如图1所示。

表1 主机润滑油原子发射光谱数据

由表1中可看出，这台主机润滑油中与磨损相关的6种元素中Fe和Cu的含量较高，其他元素含量很低，这说明该主机主要磨损来源是Fe和Cu零部件。由图1元素含量趋势可以看出，Fe元素含量在不断增加，由第1次取样的6.2 μg/g上升到第8次的21.6 μg/g，可见这台主机铁部件磨损有逐渐加剧的趋势。

图1 典型元素含量趋势

其他元素含量趋势比较稳定，没有大的变化，特别是Na、Mg的含量没有变化，如果二者成一定比例增加，则有可能海水进入，出现海水污染，如果只是Na不断增加可能为淡水进入；如果Na、Mg含量不断减少，附带其他与添加剂相关的元素不断减少，那有可能添加剂失效；另外这台主机润滑油中含有少量的Si，可能存在少量的粉尘污染，但Si在趋势图中含量变化不大，说明主机润滑系统密封性较好，在使用过程中不存在粉尘污染，粉尘污染可能来自加油过程中或加油前润滑油其他环节，如存储、运输等环节。

通过对表1和图1的分析可知：这台主机的润滑油中Fe元素含量不断增加，存在Fe部件异常磨损情况；其他元素含量稳定，不存在水污染、添加剂失效的情况；润滑油含有少量Si但含量稳定，存在加油过程或滑油存储、运输等环节粉尘污染的情况。

3 原子发射光谱检测船用润滑油遵循的原则

原子发射光谱检测船用润滑油过程中，需要遵循相关原则或规范才能确保检测结果的准确性和有效性，下面以对比实验的方法加以说明。

(1)检测前要摇匀油样

实际工作中油样采集后一般需要拿到实验室进行光谱检测，所以采集后的油样就会静置一段时间，静置后的油样中有些磨粒可能会沉降到样瓶下部甚至底部，有些可能会上浮到样品上部甚至表面，导致磨粒分布不均匀，不能准确反映设备中油液的状态，检测前如果不进行摇匀，就极易导致检测不准确，表2是对一个油样进行摇匀前和摇匀后的光谱检测结果，图2是摇匀前后数据差与摇匀后数据的百分比值，反应了摇匀前数据相较摇匀后数据变化大小。

表2 摇匀前后原子发射光谱检测数据

图2 摇匀前后数据变化百分比

由表2和图2 中数据可以看出摇匀前后元素含量还是有区别的，有些相差还很大，如Sn摇匀前后分别是2.610 μg/g和0.48 μg/g，变化比443.75%；Mg摇匀前后分别是62.296 μg/g和17.016 μg/g，变化比266.1%。另外Fe、Cu、Pb、Al这些与磨损相关的关键元素摇匀前后数据也有一些变化，其中Pb的变化比达到43.3%。对于不同设备、不同状态的油样摇匀前后有些检测数据的变化可能更大。

(2)采用高品质的耗材

原子发射光谱检测润滑油主要耗材有盘电极、棒电极以及盛油盒。盘电极和盛油盒一般是一次性耗材，棒电极用完一次就需要重新磨削。如果这些耗材质量不达标就会对检测准确性产生较大影响，特别是盘电极的品质要求较高。实际工作中，有时为了节省成本，购买的盘电极和棒电极品质不够高，对油液检测的影响主要体现在2个方面。

一是盘电极和棒电极所含杂质比较多，导致检测结果不准。这些盘电极和棒电极的杂质中一般包含Si、Sn、Ni、Fe、Pb、Cu等元素，这些杂质如果大量存在于盘电极和棒电极中，将会增加这些元素的含量，如表3同一个油样采用不同品质的盘电极得到的检测数据。由表可知，采用高低品质的盘电极进行检测，Si含量变化最大，分别是5.481 μg/g和18.572 μg/g，Pb含量略微有点变化，分别是7.649 μg/g、10.542 μg/g，其他元素含量变化不大，可见低品质盘电极引入了Si和Pb污染，也说明该实验中所用低品质盘电极含大量Si元素杂质，少量Pb元素杂质。

表3 不同品质盘电极原子发射光谱检测数据

二是样品皿(俗称盛油盒)抗高温性能差导致检测结果不准。检测过程中油样在盛油盒中燃烧会产生高温，抗高温差的盛油盒就会被烧熔、烧漏，盛油盒中的样液就会漏出，导致检测所需的油液减少，从而影响检测准确性。

(3)校准

校准对于不同厂家生产的原子发射光谱仪来说，说法和包含的内容有些差别，但实质都是大同小异，主要是光谱仪标准化和光谱仪光学成像校准，具体操作流程，任何原子发射光谱仪说明书中都会进行说明，在此不再赘述。在实际工作中往往会忽视标准化和光学成像校准时机，因此，对标准化及校准时机进行总结。

标准化一般分完全标准化和日常标准化，需要进行完全标准化的时机主要有：①光谱仪关机再开机准备进行样品检测时，要先进行完全标准化；②光谱仪移动了位置，开机后要进行完全标准化；③光学成像校准后要进行完全标准化；④日常标准化结果不符合要求时要进行完全标准化；⑤光谱仪一直保持开机，距上次样品检测间隔时间较长(间隔时间一般指三天以上)，再次进行样品检测前一般要进行完全标准化；⑥光谱仪所处的实验室环境有较大变化时，如温湿度变化很大、环境灰尘较大、振动较大(如地震)，一般要进行完全标准化。

日常标准化的时机主要有：①完全标准化后要进行日常标准化；②更换不同批次的盘电极时要进行日常标准化；③光谱仪一直保持开机，距上次样品检测间隔时间较短(一般指一至两天)，再次进行样品检测前一般要进行日常标准化；④根据样品检测数据酌情进行日常标准化。

光学成像校准时机：①光谱仪移动到新的位置后，要开机进行光学成像校准；②光谱仪所处的环境温度变化较大时(一般指变化大于15 ℃以上)；③在完全标准化后，再进行日常标准化结果依然不达标时，需要进行光学成像校准。

原子发射光谱在进行润滑油检过程中还有很多需要遵循的原则和注意的细节，如盘电极不要用手直接拿、棒电极燃烧端要磨削光滑等，笔者只是总结了在实际工作中对检测结果影响比较大且容易忽视的原则。

4 船用润滑油原子光谱检测结果分析方法

原子发射光谱检测船用润滑油实现的3个作用主要是通过润滑油中各元素含量的变化来判定，这就需要采用一些分析方法，对检测结果进行分析和判定，当前在实际工作中主要采取3种方法：历史数据趋势法、特定限制法和同类比较法。

(1)历史数据趋势法

历史数据趋势法就是将每次同一设备原子发射光谱检测的油样结果中各元素含量进行记录，做成历史数据曲线，看数据变化趋势。历史数据趋势法关键是需要对同一设备进行一定量的数据积累。

(2)特定限值法

特定限值法就是根据某型设备的特点、相关标准及维护保养规则制定特定的元素含量界限值，超过界限值就认为该设备润滑油中元素含量有异常。

特定限值法关键是要通过合理、科学的方法得出界限值，一般可以通过实验、历史数据趋势或参考国内外有关标准制定。另外，对于某些特定设备来说，制定的界限值不是一成不变的，需要随着设备的工作情况进行不断地调整。

(3)同类型比较法

同类型比较就是对相同的两台或多台设备在工作环境相近的情况下油样原子发射光谱检测结果进行比较，俗称“横向”比较。同类型比较法关键是要确保相同设备工作环境相近，包括工况、运转时间、换油时间等。

3种方法并不是独立的，可以相互补充、相互印证，在实际工作中往往三者结合分析，目的是对原子发射光谱检测结果进行准确分析和判定。

5 结论

原子发射光谱技术在船用润滑油液检测中已经进行了成功应用，原子发射光谱检测船用润滑油主要能够实现测定润滑油中磨粒元素含量、检测润滑油中添加剂状况、测定润滑油中污染类信息3大作用，为了实现这3个作用，需要遵循相关的检测原则、注意事项及采用科学的结果分析方法才能保证其准确性。