原子發(fā)射光譜檢測(cè)船用潤(rùn)滑油實(shí)驗(yàn)分析

劉享明

(中國(guó)人民解放軍91315部隊(duì)，遼寧 大連 116041)

0 引言

當(dāng)前潤(rùn)滑油檢測(cè)技術(shù)和手段主要有理化分析、污染度檢測(cè)、紅外光譜分析、元素光譜分析、鐵譜分析、閃點(diǎn)分析等[1-4]。元素光譜分析可以對(duì)潤(rùn)滑油中金屬元素進(jìn)行定量檢測(cè)和分析[5]，特別是對(duì)在用油，金屬元素含量能夠反應(yīng)機(jī)器的磨損狀態(tài)[6]。元素光譜分析[1-4]主要有原子發(fā)射光譜技術(shù)[7-8]、原子吸收光譜技術(shù)[7-8]，以及X射線熒光光譜技術(shù)[7-9]，從使用的經(jīng)濟(jì)性和方便性來(lái)講，原子發(fā)射光譜技術(shù)在潤(rùn)滑油檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。

該文所研究的船用潤(rùn)滑油主要指船舶在用潤(rùn)滑油。原子發(fā)射光譜廣泛應(yīng)用于船用潤(rùn)滑油檢測(cè)，文章結(jié)合實(shí)際工作和船用潤(rùn)滑油特點(diǎn)，選取實(shí)際工作中一些案例對(duì)原子發(fā)射光譜檢測(cè)船用潤(rùn)滑油的有關(guān)問題進(jìn)行系統(tǒng)闡述和總結(jié)。

1 原子發(fā)射光譜檢測(cè)船用潤(rùn)滑油的作用

原子發(fā)射光譜檢測(cè)船用潤(rùn)滑油主要能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)定潤(rùn)滑油中磨粒元素含量、檢測(cè)潤(rùn)滑油中添加劑狀況以及測(cè)定潤(rùn)滑油中污染類信息[10-12]。

(1)測(cè)定潤(rùn)滑油中磨粒元素含量

原子發(fā)射光譜能夠測(cè)定近20種元素及其含量，其中與磨粒有關(guān)的主要是鐵(Fe)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、錫(Sn)、鋁(Al)6種元素，通過(guò)對(duì)船用潤(rùn)滑油樣品中這些元素含量的測(cè)定能夠判斷機(jī)械設(shè)備磨損情況、早期故障診斷及故障預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的科學(xué)使用和維護(hù)。

(2)檢測(cè)潤(rùn)滑油中添加劑狀況

原子發(fā)射光譜能夠測(cè)定的元素中與添加劑有關(guān)的主要是鈣(Ca)、磷(P)、鋅(Zn)、鈉(Na)、鎂(Mg)。通過(guò)對(duì)油樣中這些元素的測(cè)定和分析可以判斷潤(rùn)滑油中添加劑是否失效、潤(rùn)滑油是否變質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)在用潤(rùn)滑油的科學(xué)管理。

(3)測(cè)定潤(rùn)滑油中污染類信息

潤(rùn)滑油污染物主要有水、燃油、粉塵、煙炱等[13-15]，船舶潤(rùn)滑油中水污染分淡水污染和海水污染2種，可以通過(guò)鈉(Na)、鎂(Mg)元素含量加以鑒別，粉塵污染可以通過(guò)硅(Si)元素檢測(cè)。

另外原子發(fā)射光譜測(cè)定的其他一些元素如硼(B)、鎳(Ni)、鋇(Ba)、鉬(Mo)、銀(Ag)、鈦(Ti)、釩(V)等可根據(jù)具體設(shè)備零部件材質(zhì)來(lái)確定其來(lái)源。

2 原子發(fā)射光譜檢測(cè)船用潤(rùn)滑油案例

以某條大型船舶一臺(tái)主機(jī)為例，對(duì)其連續(xù)航行期間8次取樣，取樣間隔為一周，運(yùn)用原子發(fā)射光譜儀進(jìn)行檢測(cè)分析，根據(jù)該主機(jī)具體情況及篇幅限制選取16個(gè)元素的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，檢測(cè)結(jié)果如表1所示，主要元素趨勢(shì)如圖1所示。

表1 主機(jī)潤(rùn)滑油原子發(fā)射光譜數(shù)據(jù)

由表1中可看出，這臺(tái)主機(jī)潤(rùn)滑油中與磨損相關(guān)的6種元素中Fe和Cu的含量較高，其他元素含量很低，這說(shuō)明該主機(jī)主要磨損來(lái)源是Fe和Cu零部件。由圖1元素含量趨勢(shì)可以看出，F(xiàn)e元素含量在不斷增加，由第1次取樣的6.2 μg/g上升到第8次的21.6 μg/g，可見這臺(tái)主機(jī)鐵部件磨損有逐漸加劇的趨勢(shì)。

圖1 典型元素含量趨勢(shì)

其他元素含量趨勢(shì)比較穩(wěn)定，沒有大的變化，特別是Na、Mg的含量沒有變化，如果二者成一定比例增加，則有可能海水進(jìn)入，出現(xiàn)海水污染，如果只是Na不斷增加可能為淡水進(jìn)入；如果Na、Mg含量不斷減少，附帶其他與添加劑相關(guān)的元素不斷減少，那有可能添加劑失效；另外這臺(tái)主機(jī)潤(rùn)滑油中含有少量的Si，可能存在少量的粉塵污染，但Si在趨勢(shì)圖中含量變化不大，說(shuō)明主機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)密封性較好，在使用過(guò)程中不存在粉塵污染，粉塵污染可能來(lái)自加油過(guò)程中或加油前潤(rùn)滑油其他環(huán)節(jié)，如存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)。

通過(guò)對(duì)表1和圖1的分析可知：這臺(tái)主機(jī)的潤(rùn)滑油中Fe元素含量不斷增加，存在Fe部件異常磨損情況；其他元素含量穩(wěn)定，不存在水污染、添加劑失效的情況；潤(rùn)滑油含有少量Si但含量穩(wěn)定，存在加油過(guò)程或滑油存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)粉塵污染的情況。

3 原子發(fā)射光譜檢測(cè)船用潤(rùn)滑油遵循的原則

原子發(fā)射光譜檢測(cè)船用潤(rùn)滑油過(guò)程中，需要遵循相關(guān)原則或規(guī)范才能確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，下面以對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法加以說(shuō)明。

(1)檢測(cè)前要搖勻油樣

實(shí)際工作中油樣采集后一般需要拿到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行光譜檢測(cè)，所以采集后的油樣就會(huì)靜置一段時(shí)間，靜置后的油樣中有些磨?？赡軙?huì)沉降到樣瓶下部甚至底部，有些可能會(huì)上浮到樣品上部甚至表面，導(dǎo)致磨粒分布不均勻，不能準(zhǔn)確反映設(shè)備中油液的狀態(tài)，檢測(cè)前如果不進(jìn)行搖勻，就極易導(dǎo)致檢測(cè)不準(zhǔn)確，表2是對(duì)一個(gè)油樣進(jìn)行搖勻前和搖勻后的光譜檢測(cè)結(jié)果，圖2是搖勻前后數(shù)據(jù)差與搖勻后數(shù)據(jù)的百分比值，反應(yīng)了搖勻前數(shù)據(jù)相較搖勻后數(shù)據(jù)變化大小。

表2 搖勻前后原子發(fā)射光譜檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖2 搖勻前后數(shù)據(jù)變化百分比

由表2和圖2 中數(shù)據(jù)可以看出搖勻前后元素含量還是有區(qū)別的，有些相差還很大，如Sn搖勻前后分別是2.610 μg/g和0.48 μg/g，變化比443.75%；Mg搖勻前后分別是62.296 μg/g和17.016 μg/g，變化比266.1%。另外Fe、Cu、Pb、Al這些與磨損相關(guān)的關(guān)鍵元素?fù)u勻前后數(shù)據(jù)也有一些變化，其中Pb的變化比達(dá)到43.3%。對(duì)于不同設(shè)備、不同狀態(tài)的油樣搖勻前后有些檢測(cè)數(shù)據(jù)的變化可能更大。

(2)采用高品質(zhì)的耗材

原子發(fā)射光譜檢測(cè)潤(rùn)滑油主要耗材有盤電極、棒電極以及盛油盒。盤電極和盛油盒一般是一次性耗材，棒電極用完一次就需要重新磨削。如果這些耗材質(zhì)量不達(dá)標(biāo)就會(huì)對(duì)檢測(cè)準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大影響，特別是盤電極的品質(zhì)要求較高。實(shí)際工作中，有時(shí)為了節(jié)省成本，購(gòu)買的盤電極和棒電極品質(zhì)不夠高，對(duì)油液檢測(cè)的影響主要體現(xiàn)在2個(gè)方面。

一是盤電極和棒電極所含雜質(zhì)比較多，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)。這些盤電極和棒電極的雜質(zhì)中一般包含Si、Sn、Ni、Fe、Pb、Cu等元素，這些雜質(zhì)如果大量存在于盤電極和棒電極中，將會(huì)增加這些元素的含量，如表3同一個(gè)油樣采用不同品質(zhì)的盤電極得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)。由表可知，采用高低品質(zhì)的盤電極進(jìn)行檢測(cè)，Si含量變化最大，分別是5.481 μg/g和18.572 μg/g，Pb含量略微有點(diǎn)變化，分別是7.649 μg/g、10.542 μg/g，其他元素含量變化不大，可見低品質(zhì)盤電極引入了Si和Pb污染，也說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)中所用低品質(zhì)盤電極含大量Si元素雜質(zhì)，少量Pb元素雜質(zhì)。

表3 不同品質(zhì)盤電極原子發(fā)射光譜檢測(cè)數(shù)據(jù)

二是樣品皿(俗稱盛油盒)抗高溫性能差導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)。檢測(cè)過(guò)程中油樣在盛油盒中燃燒會(huì)產(chǎn)生高溫，抗高溫差的盛油盒就會(huì)被燒熔、燒漏，盛油盒中的樣液就會(huì)漏出，導(dǎo)致檢測(cè)所需的油液減少，從而影響檢測(cè)準(zhǔn)確性。

(3)校準(zhǔn)

校準(zhǔn)對(duì)于不同廠家生產(chǎn)的原子發(fā)射光譜儀來(lái)說(shuō)，說(shuō)法和包含的內(nèi)容有些差別，但實(shí)質(zhì)都是大同小異，主要是光譜儀標(biāo)準(zhǔn)化和光譜儀光學(xué)成像校準(zhǔn)，具體操作流程，任何原子發(fā)射光譜儀說(shuō)明書中都會(huì)進(jìn)行說(shuō)明，在此不再贅述。在實(shí)際工作中往往會(huì)忽視標(biāo)準(zhǔn)化和光學(xué)成像校準(zhǔn)時(shí)機(jī)，因此，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化及校準(zhǔn)時(shí)機(jī)進(jìn)行總結(jié)。

標(biāo)準(zhǔn)化一般分完全標(biāo)準(zhǔn)化和日常標(biāo)準(zhǔn)化，需要進(jìn)行完全標(biāo)準(zhǔn)化的時(shí)機(jī)主要有：①光譜儀關(guān)機(jī)再開機(jī)準(zhǔn)備進(jìn)行樣品檢測(cè)時(shí)，要先進(jìn)行完全標(biāo)準(zhǔn)化；②光譜儀移動(dòng)了位置，開機(jī)后要進(jìn)行完全標(biāo)準(zhǔn)化；③光學(xué)成像校準(zhǔn)后要進(jìn)行完全標(biāo)準(zhǔn)化；④日常標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果不符合要求時(shí)要進(jìn)行完全標(biāo)準(zhǔn)化；⑤光譜儀一直保持開機(jī)，距上次樣品檢測(cè)間隔時(shí)間較長(zhǎng)(間隔時(shí)間一般指三天以上)，再次進(jìn)行樣品檢測(cè)前一般要進(jìn)行完全標(biāo)準(zhǔn)化；⑥光譜儀所處的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境有較大變化時(shí)，如溫濕度變化很大、環(huán)境灰塵較大、振動(dòng)較大(如地震)，一般要進(jìn)行完全標(biāo)準(zhǔn)化。

日常標(biāo)準(zhǔn)化的時(shí)機(jī)主要有：①完全標(biāo)準(zhǔn)化后要進(jìn)行日常標(biāo)準(zhǔn)化；②更換不同批次的盤電極時(shí)要進(jìn)行日常標(biāo)準(zhǔn)化；③光譜儀一直保持開機(jī)，距上次樣品檢測(cè)間隔時(shí)間較短(一般指一至兩天)，再次進(jìn)行樣品檢測(cè)前一般要進(jìn)行日常標(biāo)準(zhǔn)化；④根據(jù)樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)酌情進(jìn)行日常標(biāo)準(zhǔn)化。

光學(xué)成像校準(zhǔn)時(shí)機(jī)：①光譜儀移動(dòng)到新的位置后，要開機(jī)進(jìn)行光學(xué)成像校準(zhǔn)；②光譜儀所處的環(huán)境溫度變化較大時(shí)(一般指變化大于15 ℃以上)；③在完全標(biāo)準(zhǔn)化后，再進(jìn)行日常標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果依然不達(dá)標(biāo)時(shí)，需要進(jìn)行光學(xué)成像校準(zhǔn)。

原子發(fā)射光譜在進(jìn)行潤(rùn)滑油檢過(guò)程中還有很多需要遵循的原則和注意的細(xì)節(jié)，如盤電極不要用手直接拿、棒電極燃燒端要磨削光滑等，筆者只是總結(jié)了在實(shí)際工作中對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響比較大且容易忽視的原則。

4 船用潤(rùn)滑油原子光譜檢測(cè)結(jié)果分析方法

原子發(fā)射光譜檢測(cè)船用潤(rùn)滑油實(shí)現(xiàn)的3個(gè)作用主要是通過(guò)潤(rùn)滑油中各元素含量的變化來(lái)判定，這就需要采用一些分析方法，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析和判定，當(dāng)前在實(shí)際工作中主要采取3種方法：歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)法、特定限制法和同類比較法。

(1)歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)法

歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)法就是將每次同一設(shè)備原子發(fā)射光譜檢測(cè)的油樣結(jié)果中各元素含量進(jìn)行記錄，做成歷史數(shù)據(jù)曲線，看數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)法關(guān)鍵是需要對(duì)同一設(shè)備進(jìn)行一定量的數(shù)據(jù)積累。

(2)特定限值法

特定限值法就是根據(jù)某型設(shè)備的特點(diǎn)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及維護(hù)保養(yǎng)規(guī)則制定特定的元素含量界限值，超過(guò)界限值就認(rèn)為該設(shè)備潤(rùn)滑油中元素含量有異常。

特定限值法關(guān)鍵是要通過(guò)合理、科學(xué)的方法得出界限值，一般可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)、歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)或參考國(guó)內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定。另外，對(duì)于某些特定設(shè)備來(lái)說(shuō)，制定的界限值不是一成不變的，需要隨著設(shè)備的工作情況進(jìn)行不斷地調(diào)整。

(3)同類型比較法

同類型比較就是對(duì)相同的兩臺(tái)或多臺(tái)設(shè)備在工作環(huán)境相近的情況下油樣原子發(fā)射光譜檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，俗稱“橫向”比較。同類型比較法關(guān)鍵是要確保相同設(shè)備工作環(huán)境相近，包括工況、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、換油時(shí)間等。

3種方法并不是獨(dú)立的，可以相互補(bǔ)充、相互印證，在實(shí)際工作中往往三者結(jié)合分析，目的是對(duì)原子發(fā)射光譜檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確分析和判定。

5 結(jié)論

原子發(fā)射光譜技術(shù)在船用潤(rùn)滑油液檢測(cè)中已經(jīng)進(jìn)行了成功應(yīng)用，原子發(fā)射光譜檢測(cè)船用潤(rùn)滑油主要能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)定潤(rùn)滑油中磨粒元素含量、檢測(cè)潤(rùn)滑油中添加劑狀況、測(cè)定潤(rùn)滑油中污染類信息3大作用，為了實(shí)現(xiàn)這3個(gè)作用，需要遵循相關(guān)的檢測(cè)原則、注意事項(xiàng)及采用科學(xué)的結(jié)果分析方法才能保證其準(zhǔn)確性。