气相色谱仪FID检测器常见故障与处理措施分析

2023-10-18巴兰凤

西部探矿工程 2023年9期

巴兰凤

（大庆钻探工程公司地质录井一公司，黑龙江大庆 163411）

气相色谱仪在录井中常用于轻烃分析技术，因为它良好的分析、分离能力，在石化领域的应用较为广泛。检测器是气相色谱仪的重要组成部分，其中FID检测器是最常见的，因为它可以分析几乎所有的有机化合物。在实际应用过程中，FID检测器经常会出现一些故障，我们在对仪器的构成、工作原理熟练掌握的情况下，还应对常见问题进行深入分析，寻求解决方法。

1 FID检测器简介

1.1 检测器类型

气相色谱仪检测器根据检测原理不同可分为热导检测器、FID 检测器、电子捕获检测器、氮磷检测器、FPD火焰光度检测器、质谱检测器、红外检测器等。不同的检测器适合不同的样品，比如FID 检测器适合碳氢化合物，ECD检测器适合电负性大的物质，NPD检测器适合有机磷、有机氮化合物，FPD 检测器适合磷和硫。即使同样的样品用不同检测器做，出峰情况也会不一样，所以选择合适的检测器尤为重要。

FID检测器由于结构简单、性能优异、稳定可靠、操作方便，所以使用广泛。轻烃分析使用的气相色谱仪检测器就是FID 检测器。它是一种典型的破坏性、质量型检测器，是以氢气和空气燃烧生成的火焰为能源，当有机化合物进入以氢气和氧气燃烧的火焰，在高温下产生化学电离，生成大量碳正离子，在高压电场的定向作用下，形成电子流，微弱的电子流放大，成为与进入火焰的有机化合物量成正比的电信号，被收集后形成检测器信号，因此可以根据信号的大小对有机物进行定量分析。

1.2 FID检测器的结构

FID 检测器由电离室和放大电路组成。FID 的电离室由金属圆筒作外罩，底座中心有喷嘴；喷嘴附近有环状金属圈，上端有一个金属圈筒。两者间加90～300V的直流电压，形成电离电场，加速电离的离子。收集极捕集的离子流经放大器的高阻产生信号、放大后送至数据采集系统；燃烧气、辅助气和色谱柱由底座引入；燃烧气及水蒸气由外罩上方小孔逸出。

1.3 FID检测器的响应机理

FID的工作原理是以氢气在空气中燃烧为能源，载气携带被分析组分和可燃气从喷嘴进入检测器，助燃气从四周导入，被测组分在火焰中被分解成正负离子，在极化电压形成的电场中，正负离子向各自相反的电极移动，形成的离子流被收集极收入、输出，经阻抗转化，放大器便可获得可测量的电信号。

2 FID检测器常见故障及处理措施

当色谱仪出现故障时，不要急于动手维修。首先要回顾和分析以往的情况，查阅过去的维修记录。这里要注意的是，不要轻易地把所有问题到归咎于检测器本身，应该先判断气源、色谱柱、进样口是否有问题，保留时间是否有改变；基线漂移和噪声跟以往有何不同；峰形有没有改变等，很多时候出现问题都是集中出现在进样口、色谱柱或气源上面。排除这些可能，然后再着手去排除故障，不要就事论事，头痛医头，脚痛医脚。这样往往会忽视或不注意别的信息，造成事倍功半。

2.1 点火故障及处理措施

2.1.1 气体问题

（1）空气、氢气比例不合适。在实际工作中，我们一般设置氢气与空气的比例是1∶10。所谓的空气氢气比例不合适，在保证软件参数设置没有问题的情况下，比如说我们设置氢气流量30mL/min，空气流量300mL/min，可是实际的空气、氢气流量与设定的流量值不符，导致不点火。此时应该用流量计测量真实的空气、氢气流量，调整气源，使其符合设定的流量值。

（2）氢气的纯度不够。氢气的纯度不够，尤其要注意仪器是否使用的是氢气发生器，有可能氢气含水量较高，是否安装水分补集阱，水分捕集阱是否饱和，是否按时更换。逐一排查后，按不同情况进行更换、维修。

（3）尾吹气或载气流量过大。气相色谱仪是把尾吹气、氢气和载气是混合在一起的，通过喷嘴，在上方碰到空气，点燃产生的氢火焰。所以我们知道尾吹气、氢气和载气是先混合的，相当于稀释了氢气。当点火困难时，我们应尝试手动关闭尾吹气，调低载气流量，然后再点火。等点火成功后，再打开尾吹气，把载气流量调回正常设定值。

2.1.2 硬件问题

（1）点火线圈故障。点火线圈金属丝断了，点火线圈的寿命到了，应该及时更换点火线圈。

（2）喷嘴或管线堵塞。喷嘴堵塞，燃气就会上不来。什么情况会使得喷嘴堵塞呢？比如说我们在装柱子的时候，不小心柱子一直往上顶，顶到顶不动了，没有往回拉，或者说柱子不小心断在里面了，都有可能会堵塞喷嘴。还有我们在接柱子的时候，可能用的是石墨密封垫，这个密封石墨比较松软，石墨的碎屑可能会随着气流往上走，堵在我们喷嘴口的地方。当然还有可能是碳氢化合物不完全燃烧，在喷嘴口的地方形成积碳。这些情况都可能造成喷嘴堵塞，出现点火困难，或者是不容易点着火。解决喷嘴堵塞，一般有两种方法。一是要把它拆下来进行疏通，用喷嘴清洗工具包里粗细不等的细丝来进行疏通，二是用有机试剂对喷嘴使用超声清洗。

管线堵塞指的是某一路管线堵塞。空气管线堵塞，没有助燃气，都会造成点火失败。此时应检查找出管线堵塞处，一般选用丙酮、甲苯等有机溶剂对管线进行清洗。堵塞严重的管线有时用单纯清洗的方法很难清洗干净，需要采取一些其他辅助的机械方法来完成。例如选取粗细合适的钢丝对管线进行疏通，然后再用有机溶剂进行清洗。

（3）检测器积水。仪器长时间关机，雨季空气湿度大，容易造成检测器积水。打开仪器电源，检测器还没点火，理论上检测器信号应该没有输出值，在0PA 左右。但是仪器打开后，输出值已经达到几十，甚至上百，这就是典型的积水表现。因为水是导电介质，它把外界电信号导入，通过静电器把外部信号放大，即使没有点火，也会有很高的输出值，这时候点火就不容易成功。应先对检测器烘烤，随着水气的蒸发，基线会慢慢降下来，当输出值降到1PA 以内的时候，再尝试点火，容易成功。

2.1.3 安装错误

对检测器维护后，安装是否正确。比如，柱子安装是否正确，色谱柱进入喷嘴长度是否合适，拆装喷嘴时，喷嘴是否拧紧，拆装收集极后，安装是否正确，弹簧有没有顶到收集极的侧面。有上述情况，按正确的安装方法重新进行安装、调试。

2.1.4 设置问题

（1）点火补偿值设置不正确。点火补偿值在配置界面进行设置。点火补偿值默认2.0PA，帮助仪器判断有没有点火成功。没点火前，输出值是0PA左右，点火时，基线会一下子抬高到几十，后面的信号减去前面的信号，如果大于2.0PA，就认为点火成功。所以设置好的补偿值，尽量不要去更改，输出值改的特别大或者特别小都不太合适，建议按默认的2.0PA就可以。

（2）温度设置不正确。设置FID 温度不得低于100℃，目前通常设置为150℃，以免水蒸气在离子室冷凝。检测器必须在120℃以上点火，如果低于这个温度，点火器是不工作的。只有当实际温度达到设定温度，此时我们的检测器才开始点火。点火困难时可以增大氢气流速，降低空气流速，成功后再调回来。

（3）使用大量的芳烃做溶剂。可能使用大量的芳烃做溶剂引起火焰熄灭。这个也比较容易判断，仪器本来是点着火的，可是一进样发现火就熄灭了，这时候就要检查是不是样品的问题，很有可能溶剂是用在大量的芳烃作为溶剂的。

2.2 基线噪音的分析及处理措施

2.2.1 电路问题

首先降低炉箱温度，将进样口压力设置为0PA，排查基线噪音大是否由柱流失带来的。如果基线噪音还是存在，尝试关闭氢气、空气流量，在不点火的情况下，仪器的输出值应该为0PA，如果输出值大于2.0PA，并且波动很大，说明噪音就不是由火焰带来的，而是电路本身的问题。

（1）有漏电点。有可能收集极和绝缘片没有安装、仪器有漏电点。正确安装收集极和绝缘片；关机并拔下电源插头，检查电网电压以及接地线是否正常；应用万用表R×10K 档测量输入对地端绝缘电阻，若为零则找出对地短路之处，进行排除；检查电路各接头处是否松动。

（2）检测器信号板出现问题。由于积碳或二氧化硅的沉积而堵塞接触不良线路板的插件，接线端子的表面氧化、松动以及导线的似断非断状态都是造成信号板故障的原因。切断仪器电源，操作过程中佩戴手套，防止静电或手上的汗渍等对信号板上的部分元件造成影响。取出插件，使用有机溶剂进行清洗；用仪表空气或氮气对电路板和电路板插槽进行吹扫，吹扫时用软毛刷配合对电路板和插槽中灰尘较多的部分进行仔细清理。吹扫工作完成后，对信号板上沾染有机物的电子元件用脱脂棉蘸取酒精小心擦拭，信号板接口和插槽部分也要进行擦拭。

2.2.2 污染问题

关闭氢气、空气流量后，如果噪音消失了，就是污染造成的，可能是气体被污染。我们断开色谱柱，用死堵堵住检测器，再尝试点火。如果噪音消失了，说明噪音应该是由载气带来的，可能是载气纯度不够，捕集阱饱和了，进样口色谱柱污染了。使用高质量的载气，例如更换更高纯度的载气钢瓶；更换补集阱；烘焙色谱柱，限定时间为1～2h。

关闭氢气、空气流量后，如果噪音依然存在，就是检测器本身受到污染，可能是收集极或喷嘴受到污染。可以先对检测器喷嘴和收集极用丙酮、甲苯、甲醇等有机溶剂进行清洗，用软布进行擦拭。有条件的使用超声波清洗15min效果更理想。

2.2.3 灵敏度低

喷嘴是否堵塞或泄露，柱子安装是否正确，氢气、空气、尾吹气的流量实际值和设定值是否一致，各温度区的温度值是否和设定值一样，有时候喷嘴脏或有沉积物，尾吹气或辅助气流量增加，这都会影响检测器中的气体比例，从而影响了灵敏度。此时应清洗或更换喷嘴，色谱柱安装插入的长度要根据说明书而定，正确设置各项流量值，分流比。

2.2.4 冷凝

检查检测器的各项温度设置是否正确。检测器主体温度低于300℃，顶部的主件温度可能会降到100℃以下，从而导致冷凝或生锈，遇到氯代溶剂或氯代样品的时候，就会造成腐蚀，从而导致检测器的噪声增大，灵敏度降低。所以我们设置检测器温度比柱温微高，作用是保证样品在FID 腔内不冷凝。检测器必须在120℃以上点火，100℃以上灭火，道理也是一样的。