基于通過 潤滑油分析進行狀態(tài)監(jiān)測的有效預測油分析程序，需要及時確定機器狀態(tài)和潤滑劑狀態(tài)。潤滑油可用作診斷介質，其將磨損碎片帶離磨損表面。因此，對磨損碎片的分析可以提供有關機器或發(fā)動機內部部件狀況的重要信息 。此外，了解潤滑劑本身的狀況也很重要。潤滑劑是否符合規(guī)格?粘度是否正確?油是否被水、顆粒物或化合物污染?

　　在基于潤滑油分析的現(xiàn)代狀態(tài)監(jiān)測程序中，以預定的采樣間隔從一臺設備中采集一個樣品，或者在某些情況下多個油樣，并將其送到實驗室進行分析。根據(jù)分析， 生成診斷報告 并向負責設備的人員提供建議。該報告可能顯示一切正常、警告可能出現(xiàn)的問題或提出具體的維護建議。從取樣到診斷報告的整個過程應盡可能少地花費時間，以便有效。如果樣本被發(fā)送到外部實驗室，并且過了幾天或幾周才收到結果，這會降低維護計劃的有效性，因為設備可能在報告返回之前就已經發(fā)生故障。在許多環(huán)境中，例如 海洋 或近海石油和天然氣勘探，將樣本發(fā)送到實驗室?guī)缀跏遣豢赡艿?，而且肯定不切實際。

　　在現(xiàn)代油液分析程序中，生成和收集的數(shù)據(jù)還用于提供定期維護摘要。這些報告本質上可以是統(tǒng)計性的，可以讓管理人員深入了解計劃的有效性、維護部門的效率、設備的維修狀態(tài)、重復出現(xiàn)的問題，甚至不同潤滑劑的性能信息。操作員的工作是讓設備處于健康狀態(tài)，因此追蹤維護對于這些組織來說至關重要。美國海軍陸戰(zhàn)隊使用 便攜式油品分析 來維護其重型車輛車隊，并通過避免不必要的油品更換和在維護問題變得災難性之前檢測到它們而節(jié)省了大量成本。

　　一、油品測試技術

　　通常在實驗室或現(xiàn)場測量幾個油參數(shù)，以確定油和機械的健康狀況。在本文中，我們將描述每個參數(shù)以及通常如何測量它。

　　1.粘度

　　潤滑油重要的物理性質是粘度。粘度決定了油的承載能力以及其循環(huán)的容易程度。對于任何潤滑劑及其應用，都須考慮承載高粘度和易于循環(huán)的低粘度之間的正確平衡。除了潤滑之外，油還具有其他優(yōu)點，并且至關重要的是它能夠在所有條件內流動。使用時，水、進入油中的燃油、氧化、煙灰等污染物都會影響粘度。因此粘度測量是機械系統(tǒng)中油品重要的測試之一。

　　重力毛細管——測量運動粘度廣泛使用的技術是使用溫度受控的重力毛細管，對于單級油通常為 40°C，對于多級油通常為 40°C 和 100°C。使用毛細管粘度計的測量基于粘度與時間之間的關系。油的粘度越高，僅在重力影響流過毛細管所需的時間就越長。當今使用的有幾種標準化毛細管。大多數(shù)實驗室儀器都使用玻璃毛細管或“管子”。運動粘度現(xiàn)場測量的進展采用了分體式鋁電池毛細管。

　　這些儀器設計為直流或逆流毛細管。在直流毛細管中，樣品池位于測量標記下方。在逆流類型中，儲液器位于標記上方。逆流毛細管可以測試不透明液體，有些可以有第三個測量標記。具有三個測量標記可提供兩個連續(xù)的流動時間并提高測量的重復性。

　　2.顆粒

　　顆粒計數(shù)是任何機器調節(jié)程序的一個關鍵方面，有許多工具可用于監(jiān)控和追蹤污染的數(shù)量和嚴重程度，無論是由于外部污染還是機器磨損。顆粒的具體應用和類型通常決定適合當前工作的顆粒計數(shù)技術。例如，液壓系統(tǒng)的持續(xù)清潔度非常關鍵，即使是非常低水平的污垢進入也會堵塞執(zhí)行器和閥門，導致過早失效。另一方面，具有許多運動部件的齒輪和傳動系統(tǒng)比干凈的液壓系統(tǒng)能夠承受更多的磨損顆粒。

　　3.元素光譜學

　　評估設備的磨損狀況是狀態(tài)監(jiān)測計劃的首要要求。油浸濕的設備在其整個使用壽命期間都會產生磨損顆粒，磨損的性質和速率從當初的磨合到壽命結束的卡死都有所不同。用于檢測磨損及其嚴重程度的技術是光譜學。光譜學是一種檢測和量化材料中元素存在的技術。光譜學利用了每個元素都具有獨特原子結構的事實。當受到能量的添加時，每個元素都會發(fā)出

　　特定波長或顏色的光。由于沒有兩個元素具有相同的譜線圖案，因此可以區(qū)分這些元素。發(fā)射光的強度與樣品中存在的元素的數(shù)量成正比，從而可以確定該元素的濃度。通常，這些技術的名稱來源于用于激發(fā)元素的方法。

　　1)旋轉盤電極光學發(fā)射顯微鏡

　　現(xiàn)代光譜儀中用于激發(fā)源的典型方法是放電。該源設計用于將電弧或火花產生的能量傳遞給樣品。對于油分析光譜儀，在兩個電極之間建立一個大電勢。常用的有兩種：固定鎢電極或銀電極;或盤狀和棒狀石墨電極。兩者都在其之間的間隙中使用油樣進行操作。電容器存儲的電荷

　　穿過該間隙放電，產生高溫電弧，使部分樣品蒸發(fā)形成等離子體。該過程發(fā)出的光包含樣品中所有元素的發(fā)射光。

　　2)X射線熒光

　　另一種元素分析方法使用 X 射線為樣品提供能量。能量足夠高的 X 射線輻射會將電子從元素的內殼中擊出。這些空位被具有更高能級的電子填充。為了向下移動到較低的能級，這些電子以發(fā)射 X 射線的形式損失能量。這些發(fā)射的 X 射線具有所分析元素的典型特定能量。產生的 X 射線強度與存在的元素濃度成正比。

　　3)焰原子吸收

　　原子吸收 (AA) 光譜儀是一種具有很好靈敏度的低成本光譜儀，通常在僅監(jiān)測少數(shù)元素時使用。這項技術依賴于原子吸收——一個獨特的原子會吸收其激發(fā)時發(fā)射光的波長的光。通過用溶劑稀釋或酸消化來制備油樣品，并且該樣品通過霧化器霧化并引入氧乙炔和一氧化二氮-乙炔火焰中。輻射源(例如空心陰極射線管)通常為感興趣的元素提供光，并且光通過火焰引導至檢測器。如果樣品中不存在任何元素，則穿過火焰并在檢測器處測量的光量最大。隨著感興趣元素的濃度增加(來自油樣)，會發(fā)生吸收，并且檢測器信號減小。

　　4.黑色金屬監(jiān)測

　　鐵合金構成了大多數(shù)潤滑機器表面的大部分。鑄鐵和鋼合金的物理強度和磨損特性使其成為機器磨損表面的良好選擇。流體動力潤滑表面旨在以緩慢而適度的速度磨損并將磨損顆粒剝落到潤滑劑中。這些細顆粒是由表面和潤滑劑之間的磨損產生的，在磨損表面末端形成恒定的再生層。

　　這些顆粒是細小的鐵質磨損顆粒，它們可用于指示油何時變臟且需要更換，或者何時磨損表面的力導致正常潤滑層破裂并產生更大、更嚴重的鐵質磨損顆粒。后一種情況會導致潤滑表面的正常磨料磨損機制崩潰，并切換到更嚴重的粘著異常磨損模式。一旦磨損表面受到損害并且較大的粘附力接管，從而去除較大的顆粒，如果不加以解決，這可能很快導致機器的災難性故障。石油分析師可以使用各種黑色金屬監(jiān)測技術，以便根據(jù)機器部件的物理狀態(tài)提出建議

　　5.紅外光譜

　　眾所周知，紅外是一種用途極其廣泛的油品分析技術。紅外可以提供有關一系列油品特性的信息，例如污染、分解、添加劑包、流體特性等。在所有這些情況下，都會檢查和加權油品對紅外光譜中特定區(qū)域的響應，每個區(qū)域都在分析的特征。

　　潤滑劑的紅外光譜依賴于一種非常簡單的方法。您可以觀察潤滑劑吸收多少紅外輻射，作為輻射頻率的函數(shù)。該圖顯示了典型潤滑劑的此類光譜。這就是我們對紅外光譜本身所需要的一切——我們只需要確保獲得準確的紅外光譜。正如您所看到的，不同的潤滑劑類型以及通常不同的潤滑劑可能具有非常不同的光譜。我們正是利用這些差異將這些光譜轉化為可用信息。

　　6.表面聲波燃料稀釋

　　燃油稀釋會導致發(fā)動機嚴重損壞。潤滑油中的燃油含量過高 (>2%) 會導致粘度下降、油品降解、分散性喪失和氧化穩(wěn)定性喪失。燃油稀釋是內燃機中重要的潤滑油失效模式之一。它通常是由于燃油空氣比不當而發(fā)生的。由于過度空轉、活塞環(huán)磨損或噴油器有缺陷和連接器松動，也可能導致燃油稀釋。

　　相關閱讀：油液在線監(jiān)測系統(tǒng)

　　二、油品監(jiān)測參數(shù)

　　1.粒子

　　顆粒計數(shù)是任何機器調節(jié)程序的一個關鍵方面。有許多工具可用于監(jiān)控和跟蹤污染的數(shù)量和嚴重程度，無論是來自外部污染還是機器磨損。顆粒的具體應用和類型通常會決定要使用的顆粒計數(shù)技術。例如，液壓系統(tǒng)的持續(xù)清潔度至關重要，甚至極少量的污垢進入也會堵塞執(zhí)行器和閥門，導致過早失效。相反，具有大量運動部件的齒輪和傳動系統(tǒng)比干凈的液壓系統(tǒng)能夠承受更多的磨損顆粒。

　　ISO清潔度代碼代表油品的清潔度。每個 ISO 代碼代表每毫升液體的顆粒范圍。表 1 顯示了常見的 ISO 代碼及其相應的顆粒計數(shù)范圍。

　　2.總堿值/總酸值

　　潤滑劑中高濃度的酸性化合物會由于清漆和油泥的形成而導致機器零件腐蝕和油過濾器堵塞。當潤滑劑分解時，基礎油和添加劑在空氣和熱量存在下化學分解，會形成酸性副產物。總酸值 (TAN) 是潤滑劑中酸濃度的量度。潤滑劑的酸濃度取決于添加劑包、酸性污染物和氧化副產物的存在。有時，添加劑包的消耗可能會導致新鮮油的 TAN 下降。然而，隨著時間的推移，油中氧化副產物和酸性污染物的積累總會導致 TAN 的增加。該測試在工業(yè)機械應用中的意義，盡管有時在發(fā)動機應用中建議與總堿值 (TBN) 一起使用。

　　3.總堿基數(shù)

　　總堿值 (TBN) 是潤滑劑中堿濃度的量度。發(fā)動機油采用堿性添加劑配制，以防止?jié)櫥头纸鈺r酸的積聚。潤滑劑中的總堿值 (TBN) 水平是根據(jù)其應用而定的。汽油發(fā)動機油的起始總堿值通常約為 5-10 mg KOH/g，而柴油發(fā)動機油由于工作條件更為嚴酷，往往更高(15-30 mg KOH/g)。特殊應用，例如船用發(fā)動機，可能需要 >30 mg KOH/g。當油繼續(xù)使用時，這種 BN 添加劑就會耗盡。一旦堿性添加劑的消耗超過一定限度，潤滑劑就不再發(fā)揮其功能，發(fā)動機就會面臨腐蝕、油泥和漆膜的風險。此時需要加滿或更換機油。

　　4.元素分析

　　光譜學是一種檢測和量化材料中元素存在的技術。光譜學

　　利用了以下事實：每種元素都具有獨特的原子結構，并且當受到能量的增加時，每種元素都會發(fā)出特定波長或顏色的光。如果使用色散元件(例如棱鏡)來色散該光，則會產生線光譜。由于沒有兩種元素具有相同的譜線圖案，因此可以分析收集到的光并識別樣品中包含的每種元素。此外，發(fā)射光的強度與樣品中存在的元素的數(shù)量成正比，從而可以確定該元素的濃度。這些譜線僅是一種元素的原子結構所獨 有的。

　　對于原子序數(shù)為 1 的氫原子，光譜相當簡單。另一方面，原子序數(shù)為 26 的鐵的光譜要復雜得多，可見光譜中有許多發(fā)射線，對應于可能發(fā)生的許多可能的電子躍遷。如果樣品中存在多種元素，則每種元素都會出現(xiàn)明顯不同波長的光譜線。須將這些線分開，以便識別和量化樣品中存在的元素。通常只選擇眾多譜線中的一條來確定某種元素的濃度。選擇這條線是因為它的強度和不受其他元素譜線干擾的自由度。為了實現(xiàn)這一點，需要一個光學系統(tǒng)。

　　5.油中冷卻劑測試

　　乙二醇用于冷卻車輛的發(fā)動機和其他部件。乙二醇會通過有缺陷的密封件進入發(fā)動機油并污染發(fā)動機油和變速箱油(如果使用中間冷卻器)。Gycol 是一種特別令人討厭的油污染物，對于實驗室來說檢測起來具有挑戰(zhàn)性。根據(jù)油溫，乙二醇冷卻劑可能會迅速或隨著時間的推移而分解。這種不穩(wěn)定性是確定給定時間油中真實乙二醇含量的主要挑戰(zhàn)，也是現(xiàn)場和實驗室測試經常不一致的主要原因。

　　油樣取樣后立即使用 FluidScan 通?？梢詾槟峁z測油中乙二醇污染的機會。另一種用于發(fā)現(xiàn)冷卻劑污染跡象的測試是元素光譜。元素測試可以發(fā)現(xiàn)乙二醇冷卻劑中高濃度存在的金屬有機腐蝕抑 制劑，但并非油配方中固有的。鈉、硼、鉀和硅通常添加到冷卻劑中以抑 制腐蝕。

　　6.粘度

　　潤滑油重要的物理性質是粘度。粘度決定了油的承載能力以及其循環(huán)的容易程度。對于任何潤滑劑及其應用，都須考慮承載高粘度和易于循環(huán)的低粘度之間的正確平衡。除了潤滑之外，油還具有其他優(yōu)點，并且至關重要的是它能夠在所有條件下流動。使用時，水、進入油中的燃油、氧化、煙灰等污染物都會影響粘度。因此粘度測量是機械系統(tǒng)中油品重要的測試之一。對于機器狀態(tài)監(jiān)測，運動粘度(定義為重力作用下的流動阻力)是既定方法。

　　7.顆粒測量

　　測量油中顆粒的方法有很多，包括激光直接成像、光阻擋和孔隙堵塞。Spectro Scientific 產品實際上使用了所有這三種技術。

　　激光直接成像 - LaserNet 200 系列使用激光直接成像按尺寸和類型對圖像進行計數(shù)和分類。它是通用的顆粒計數(shù)方法，并具有以下優(yōu)點：

　　無巧合效應 – 低于 500 萬 p/ml

　　分辨率準確至 1um

　　無需校準(本質上正確)

　　附加形狀分類

　　光堵塞 - MicroLab 系列采用光堵塞粒子計數(shù)器作為對發(fā)動機、變速箱和液壓油進行的測試之一。光阻擋粒子計數(shù)器的優(yōu)點包括：

　　準確的污染控制

　　便攜的

　　易于自動化

　　毛孔堵塞——它們采用細網，顆粒物積聚在網上。這些粒子計數(shù)器基于恒流或恒壓設計。恒流儀器在保持流量恒定的同時測量穿過網格的壓降。恒壓設計在保持壓力恒定的同時測量流量的變化。FieldLab 58 將孔隙堵塞顆粒計數(shù)器作為其測試之一。毛孔堵塞的優(yōu)點是：

　　不受添加劑或水的干擾

　　不受煙塵干擾

　　無需脫氣去除氣泡

　　然后可以通過其他方式分析累積的顆粒，例如 XRF

　　8.黑色金屬磨損

　　含鐵設備可大致分為總含鐵量監(jiān)測器和含鐵顆粒監(jiān)測器?？偤F量監(jiān)測儀將告訴分析人員油中的總含鐵量，并且還可以了解任何向更嚴重磨損狀態(tài)的轉變。發(fā)現(xiàn)從正常磨損到嚴重或異常磨損的轉變取決于設備的準確性。閉環(huán)潤滑系統(tǒng)的定期采樣將始終看到細?？偤F材料的穩(wěn)定增加，直到更換油為止。這些設備可以作為實驗室和終用戶環(huán)境中額外測試的良好篩選工具，因為測量快速且易于執(zhí)行。

　　鐵顆粒監(jiān)測器在識別關鍵磨損轉變點和薄膜厚度分解方面特別有用。這些是識別大顆粒并阻止對機器和磨損表面造成任何進一步損壞的重要設備。

　　9.煤煙

　　由于沒有一臺發(fā)動機是 100% 高 效的，燃燒過程中會形成二氧化碳和水以外的產物。不完全燃燒產生的一種這樣的產物是煙灰。煙灰主要由碳顆粒組成，通常呈球形。隨著煙灰水平上升，煙灰顆粒開始聚集在一起并變得更加危險。煙灰水平將繼續(xù)增加，顆粒聚集在一起，直到達到足以從油中沉淀出來的水平。這種沉淀會增加機油的粘度并附著在發(fā)動機表面，從而顯著增加發(fā)動機的磨損。這種沉淀還會導致過濾器堵塞。定期進行煙灰檢查可以延長換油期、減少廢油處理并延長柴油發(fā)動機的使用壽命，從而節(jié)省成本。

　　熱重分析 (TGA) 是 ASTM D5967 中用于測量油中煙灰含量的方法。TGA 是一種相當耗時的實驗室方法，需要純氣體和烘箱，并且不適合現(xiàn)場測試。紅外光譜法是一種更簡單的方法，具有可比的 ASTM 方法 D7889，用于通過使用光柵紅外光譜法測量煙灰含量。這是 FluidScan 手持式分析儀使用的方法。

　　10.氧化、硝化和硫酸化

　　氧化、硝化和硫酸化只能使用光譜法測量。其他方法，例如粘度變化或阻抗，可用于推斷由于氧化、硝化或硫酸化而發(fā)生的變化，但要真的了解每個參數(shù)，須使用光譜學來分析油品。

　　紅外光譜使用輻射源、探測器和計算機來研究物質和光的相互作用。氧化和硝化產物在紅外光譜中以 1600 至 1800 cm-1 之間的峰出現(xiàn)。硫酸化產物在紅外光譜中以 1120-1180 cm-1 附近的峰出現(xiàn)。由于氧化、硝化和硫酸化沒有絕 對的參考標準，因此結果總是與新油的結果進行比較。例如，如果在指 定時間內對發(fā)動機油進行采樣時 1650 cm-1 附近的硝化峰變得明顯更強，則可能由于空燃比不當而發(fā)生硝化。

　　有實驗室級 FTIR 測量以及便攜式現(xiàn)場測試的測試方法。ASTM E2412 描述了這些特性的 FTIR 測量的標準實踐。此外，還定義了氧化(D7414)、硝化(D7624)和硫酸化(D7415)的具體測試方法。為了監(jiān)測現(xiàn)場的油化學成分，ASTM D7889 使用了 FluidScan® 等光柵紅外光譜儀，該光譜儀易于操作且不需要經驗豐富的技術人員。

　　11.燃油稀釋

　　燃油稀釋是一個嚴重的潤滑油污染問題，可能會導致昂貴的發(fā)動機損壞。有多種方法可用于測量燃油稀釋度。粘度是一種很好的篩選方法，傳統(tǒng)上作為廢潤滑油測試套件的一部分進行。直接方法包括 GC、閃點測試和 SAW 傳感。最佳使用方法取決于應用程序的需要。

　　粘度是一種間接方法，僅表明可能發(fā)生燃油稀釋。它無法直接測量燃油稀釋情況，并且粘度可能會因其他原因而發(fā)生變化。

　　閃點測試既簡單又便宜，但可能很危險，需要有經驗的操作員來解釋結果。

　　氣相色譜法是一種非常準確的方法，并且有多個與之相關的 ASTM 標準，但它是一種實驗室方法，很難在現(xiàn)場實施。

　　表面聲波 (SAW) 傳感快速、簡單、安全且準確。它不需要溶劑，可以直接讀取油中燃料稀釋的百分比。

　　12.水

　　我們都聽過這樣一句話：“油和水不能混合。” 不幸的是，這并不一定適用于潤滑油。潤滑油中的水可以以多種狀態(tài)存在，如果不加以控制，可能會對寶貴的資產造成相當大的損害。在本指南中，我們探討了潤滑油中水所帶來的挑戰(zhàn)，并討論了可靠性專業(yè)人員測量油中水的可用方法。

　　工業(yè)油中的水污染可能會導致機械部件出現(xiàn)嚴重問題。水的存在會改變潤滑劑的粘度，并引起化學變化，導致添加劑耗盡并形成酸、污泥和清漆。水測試始終是任何潤滑劑狀態(tài)監(jiān)測計劃的一部分。具有很強水分離特性的工業(yè)油中的水污染歷來難以用任何技術來測量。

　　13.新油分析

　　新潤滑油分析主要是一個質量控制過程。對于潤滑油混合商來說，在生產階段驗證添加劑和污染物的含量非常重要，對于潤滑油用戶來說，在使用前確認規(guī)格也同樣重要。不到 40% 的潤滑專業(yè)人員在使用前測試輸入的油。在交付石油時進行測試有很多充分的理由，便攜式現(xiàn)場工具使這項工作變得容易。

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