欧阳以燃 孙芳园

（河南油田技术监测中心，河南 南阳 473132）

1 引言

光谱分析技术是最早应用于机械设备状态监测和故障诊断的油液监测技术之一。它既可以有效地测定机械设备润滑系统所含磨损颗粒的成分及含量，也可以准确地检测润滑油中添加剂状况，以及监测润滑油污染程度和衰变过程，从而对设备运行趋势进行预判，保障设备正常运转。

2 光谱的基本工作原理

本实验室用的光谱仪是OSA3发射光谱仪，美国进口，原理是利用电弧激发油液试样，其核外电子就会从低能级跃迁到高能级的轨道上去，这时的原子处于不稳定状态，原子由不稳定状态返回稳定状态要释放一定频率的电磁波能量，每种元素发出特有波长的光和颜色。将辐射出的光经过色散，得到按波长排列的线光谱，根据特征谱线有无出现判断物质是否存在，根据特征谱线的强弱判断该物质含量的多少。

发射光谱的谱线强度与元素含量间的定量关系可以用下面的公式给出：

I—分析谱线与比较谱线的相对强度；c—被分析元素的含量；a—在浓度变化的较大范围内一般为常数；b—取决于光谱线自蚀现象的一个常数。

将式（1）两过取常用对数，有：

从（2）式中可看出：I与c的对数呈线性关系。故可以通过光谱仪对所测谱线的强度来计算出该元素的含量。

现在使用的原子发射光谱是将分光后的各种单色光照在与各种元素谱线位置相吻合的光电转换器件上，光能直接转化为电能，能过A/D转换，可以直接读出元素的浓度值。

3 光谱在油液监测中的应用

图1 原子能量吸收和发射示意图

3.1 监测设备的磨损趋势。通过原子光谱分析可以得到润滑油中各种微量元素成分及其含量，获得下列信息：（1）磨损元素的成分和含量：根据设备运动摩擦副零件的材料构成，可以判断磨粒产生的可能部位。（2）添加剂元素及污染元素的成分及含量：根据润滑油的性能要求，可以判断润滑油的劣化变质程度。（3）磨损元素变化率：根据磨损元素变化率可以判断摩擦副的磨损趋及其严重程度。（4）磨损趋势监测：对监测对象进行原子光谱的跟踪监测，可得到主要磨损元素的变化趋势图。

3.2 确定最佳磨合规范。对于新的重要运动零件摩擦副，都要在一定规范下进行磨合，以形成良好的工作表面。磨合期太长，既影响使用寿命，又浪费能源，很不经济。但如果磨合期态度太短也不能达到磨合的要求。在磨合期间不可能拆开摩擦副进行表面检查后再回装。通过磨合过程的光谱分析，监测磨合过程，在不拆机的情况下便可了解摩擦副表面的变化，从而可以合理确定最佳磨合规范。

3.3 确定合理换油期。设备的润滑系统中的润滑油的品质是很重要的。不同的设备、不同的工况其换油期限是不一样的，通过油样的原子光谱分析可以确定合理的换油期限。通常润滑油中的Ca、Ba、Zn、Mg、P、Mo、B等元素是监测添加剂的特征元素，而Si、B、Na、K等是监测污染和水分的特征元素。上述元素的变化是判断润滑油是否使用到限、因而必须换油的重要依据。

4 光谱监测技术应用实例

采油厂注氮车价值上千万，且需连续运转，对采油工艺有极其重要影响，属油田大型关键设备，本文以注氮车为例进行研究。注氮车所使用的润滑油品牌和规格为壳牌劲霸CF-4 15W/40，取样时，注氮车润滑油已使用240小时。光谱监测结果见表1和表2。

表1 注氮车新油检测结果

表2 注氮车用油元素检测结果

从表1和表2对比可看出，铁的含量有所增加，说明铁制的摩擦副发生了磨损，但其磨损量并不大，这些摩擦副仍处于正常的工作状态中。而铅的含量显著增加，已经远远超过了铅含量的界限值，说明了用铅抽制的摩擦副已发生了不正常磨损；而对于注氮车而言，铅制摩擦副主要有轴承、轴瓦以及密封件，建议使用者对注氮车的这几对摩擦副给予重点检查。对于硅、硼、钠、钾等元素来说，其含量基本不变，则说明该润滑油没有外来污染。对铜、镁、钙、钡、锌、磷的含量来说，除了钙的含量有所增加，其它的含量基本保持不变，从总体上上来说，润滑油添加剂没什么损耗，润滑油的润滑效力仍处于正常水平。

通过对此润滑的光谱分析可以做出两项判断：①含铅制摩擦副发生异常磨损，建议需检修；②该润滑油总体上来说可以不用换油。

结语

光谱分析技术在设备状态监测和故障诊断中起着举足轻重的地位，能有效的监测出设备磨损元素，判断设备润滑油的质量好坏，并能对设备磨损趋势进行分析判断，达到预防维修的效果，提高设备的可靠性。

[1]杨其明，严新平，贺石中.油液监测分析现场实用技术.北京：机械工业出版社，2006.