油液分析技术及其应用

分光器
各种激发源 探测器
信号处理与分析系统
光谱仪工作原理
诊断要点 – 背景分析：零部件/润滑/污染物材料组成 – 诊断基准：各元素浓度阈值 – 相关分析：元素变化的相关性 元素变化考察（柴油机） – 磨损金属元素
• Fe, Cu, Al, Pb, Mn, Mo, Cr
– 污染物元素
• B, Na, V, Si
润滑油在使用过程中的变化 ——油液分析的基本依据
润滑油品质的变化： 变质与劣化的必然性 – 工作条件（压力、温度、剪切等）作用导致氧化变质 – 环境因素（大气、冷却液、燃油等）导致氧化或变质 – 添加剂（抗氧化、抗磨添加剂等）消耗 磨损产物介入：油中磨粒浓度随磨损状态而改变 – 金属表面磨损产物——磨粒混入润滑油中并循环
固定镜面
ZPD
1/4
1/4
单色器输出信号 A 检测器信号 移动镜面位置
检测器信号
油液变质途径
表征参数
油液 降解
氧化/硝化/磺 化添加剂损耗
粘度、总酸值、总碱值、氧化深度、硝化深度、硫酸 盐、抗氧剂水平、抗磨剂水平
油液 污染
燃油稀释 水分 冷却液 积碳/固体杂质 发生条件
闪点、粘度、燃料水平 水含量、水（羟基）水平 冷却剂水平 不溶物含量、积碳水平 产物 积碳、油 泥 积碳、酸 影响 增加粘度，加速磨损，腐蚀 增加粘度，加速磨损，腐蚀
过 程 氧 化 硝 化
高温、暴露于空气等 高温，来自空气中的氮氧 化
磺 化
含硫燃料，有二氧化硫等 产生
强酸
腐蚀
水分
硫酸盐类 硝基氧化物
羧基氧化物 吸 光 度
燃油
积碳
乙二醇
波数
主要红外光谱分析指标在谱图中的分布
油液分析的一般程序
收集设备原始资料、考察设备现场 制定监测计划和取样规范 按规范取样 样品分析 数据处理 提交监测诊断报告 收集反馈意见 提出设备维护建议
导 向 槽 24
磨粒沉积带
铁谱片
蠕 动 泵
60 输油导管 油流 磁铁的磁路结构 铁谱基片
油 样
磁铁 废 液 杯
分析式铁谱仪工作原理
油样 Dl 置于一定高度的油样试管
光敏元件
Ds
光敏元件
毛 细 管 沉积管
光纤
虹吸钮 回油管
沉积管 油样
磁铁
废液 杯
废 液
磁铁
直读式铁谱仪工作原理
铁谱基片
反射式光密 度探测头器
常规理化指标分析
– 分析内容 ：粘度、闪点、水分、总碱值/酸值等 – 分析方法：粘度/闪点/水分仪、滴定法、斑点试验等 – 目标：确定油的可用度及相关子系统故障及原因
不同检测手段的监测应用范围
油品摩擦学评价 铁谱分析 机 械 工 程 师 设备磨损状态 油变质状况 油污染状况 设备状态评价 现场设备工程师
– 添加剂元素
• Ca, Mg, Zn, P
红外光谱分析
红外光谱仪
– 红外光辐射可导致分子官能团的振动，不同 分子的振动发生在特定的红外辐射频率（波 长）段，产生在红外谱图中可见的峰，这些
峰对应不同的物质分子。
红外光源
单色器 棱镜 衍射光栅 干涉仪
检测器
数据处理 MICHELSON干涉仪 C 移动镜面检测器 D-1 到检测器 样品 (BC) 分束器器 B (BD) D-2 D-3
二、油液分析诊断软件
在用润滑油监测信息管理系统
– 油液分析数据库系统管理 – 监测指标趋势分析 – 监测诊断报告生成/传输
油液分析诊断专家系统
– – – – – – – 油液分析数据库系统和诊断知识库管理 诊断基准确定（统计、模糊集、神经网络） 磨损微粒计算机辅助/自动识别 监测指标综合分析 润滑油和关键摩擦副状态评估 故障诊断及监测诊断结论生成 监源自文库诊断报告生成/传输
Di Do
输油装置
显微放大CCD 油样 铁谱基片
密 封 圈
内磁芯
磁 铁 外磁环 隔离套
驱 动 轴
废液杯
密封拉杆
铜套
直读式旋转铁谱仪工作原理（石油大学）
大磨粒浓度读数Dl 直读式 铁谱仪 样品 分析式 铁谱仪 铁谱片 双 色 显微镜
小磨粒浓度读数Ds
磨粒类型及其数量
正常磨损颗粒 切削磨损颗粒 粘着擦伤颗粒
直读式旋转铁谱仪分析的一般过程
定量铁谱分析
• 直读铁谱参数 Dl, Ds • 旋转铁谱参数 Di, Do • 磨损烈度/磨损强度 • 累积磨损量 • 磨粒分布 • 大小磨粒比率 • 磨粒粒度统计分布 • 磨损趋势分析
定性铁谱分析 • 金属磨粒分析
正常磨损颗粒 切削磨损颗粒 粘着擦伤颗粒 疲劳磨损颗粒 腐蚀磨损颗粒 球形颗粒 金属氧化物
油样 样品标识 取样时间 理化指标 元素浓度 磨粒 氧化物 污染物
（4 ）
状态描述 润滑状态 磨损状态
（5 ）
故障描述 故障模式 故障部位 故障原因 维修建议
（ 6）
监测 诊断 报告
（ 3）
磨粒 形状 颜色 纹理 边缘特征
（2 ）
机器 机器标识 型号 结构（材料） 性能
监测试验 试验规范
（1 ）
监测任务 标识 任务描述
油液分析诊断技术及其应用
石油大学（北京）故障诊断研究中心
油液分析 诊断技术 声发射 诊断技术 • 油液分析诊断软件开发 • 磨损图像分析与自动识别 • 直读式旋转铁谱仪开发 • X-射线荧光能谱在线监测仪 • 便携式数据采集系统 • 振动故障诊断专家系统 • 套管磨损机理及预测 • 现代设备管理理论与方法 • 大功率柴油机故障诊断 • 车用发动机故障诊断 • 输油泵故障诊断 • 大型压缩机故障诊断
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165 160 155 150 145 140 135 130 125 1 2 3 4 5 6 Â Ý Ô · 7 8 9 10 11 12
螺杆压缩机油中的磨损微粒
离心式天然气压缩机油中的污染物
燃油系
进排气系统
环境气氛
温度
负荷
速度 …… 冷却系统 尘埃,砂粒 纤维,水分 烟尘,冷却剂 油泥,氧化物 变质物 硫化物 硝化物 金属微粒 ……
润滑系统 标识 结构型式 润滑剂 滤器
摩擦元件 名称 结构材料 配偶件名称 润滑方式 磨损型式
监测计划 标识 测试方法 监测制度
磁 性 颗 粒
有 色 金 属
非 金 属
摩擦元件表 监测制度表 反馈信息表 设备概况表
客 户 表
测试基础 （标准） 数据表
润滑油数据
磨粒图谱 发射光谱 红外光谱
设备/部件表
诊断结论表
监测数据及状态表
品质 评价
污染 评价
磨损 评价
综合 结论
取样 理化 状态 指标
铁谱 数据
发射 光谱 数据
磨粒 图库
红外 其它 光谱 指标 数据 数据
定量 数据
定性 数据
三、大功率柴油机故障诊断
大功率柴油机故障诊断 – 拉缸 – 活塞破裂 – 活塞销断裂预防 – 润滑与磨损故障统计
油循环系统
内燃机在用润滑油品质变化及污染影响因素
油液分析的内容与方法
磨损微粒分析
– 分析内容：磨粒数量、尺寸分布、成分及形态/类型 – 分析方法：铁谱、发射光谱、颗粒计数等 – 目标：确定主要磨损部位、磨损程度和机理/原因
油品变质及污染物分析
– 分析内容：油变质和污染物类型及数量 – 分析方法：红外光谱、发射光谱、铁谱及其它方法 – 目标：确定油的可用度及相关的系统故障及原因
大功率柴油机拉缸前 从润滑油中分离出的 球形颗粒（扫描电子 显微镜图像）： 产生机理：金属 表面粘着磨损，局部 接触点瞬间高的闪温 使材料处于熔融状态 ，在迅速冷却中重结 晶形成。 作为柴油机拉缸的 重要判据。
活塞裙部破裂产生的铝合金颗粒（扫描电镜像） 产生机理：接触疲劳，疲劳裂纹扩展形成
柴油机轴瓦产生的 疲劳磨损颗粒： 由表面接触疲 劳形成，X射线能 谱分析可见主要成 分为铜合金
一、油液分析诊断原理与方法
油液分析技术：
通过对运行设备在用润滑油的代表性
样品检测与分析，获得有关油品性能指标 变化以及油中污染和变质产物的宏观或微 观物态特征变化信息，进而确定设备润滑 与磨损状态并诊断相关故障的技术。
油液分析技术的发展
油液分析方法
• • • • 1941年，油分析光谱(Baird公司)，铁路机车磨损监控(美西方铁路） 1972年，直读/分析式铁谱仪，磨损产物的定量/定性分析 1985年，旋转式铁谱仪，高污染油液的铁谱分析 红外光谱仪、x-射线荧光能谱仪、在线监测仪
拥有自主知识产权/已推广应用项目 • 大型柴油机故障诊断仪及专家系统
• 输油泵故障诊断仪及状态监测专家系统 • 油液分析仪及诊断专家系统
压缩机和泵机组故障诊断研究
目 录
油液分析诊断原理与方法 油液分析诊断软件系统 大功率柴油发电机组故障诊断 大型齿轮减速器故障诊断 大型压缩机/泵机组故障诊断
• 油中磨粒数量（平衡浓度）：反映磨损程度的变化 • 油中磨粒的类型：与磨损机理相关 • 油中磨粒的成分及磨粒形态：与磨损来源相关
污染物介入：系统保护界面的缺失或破损 – 来自周围环境及相关系统的水分、尘埃、纤维、溶解物等
某柴油机在用润滑油一年内的粘度和水分变化
0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 1 2 3 4 5 6 Â Ý Ô · 7 8 9 10 11 12
污染类型与程度
• 污染物分析
纤维 砂粒、粉尘 油变质物
•谱片湿化学分析
有色金属磨粒鉴别 铁磁性磨粒鉴别 有机污染物鉴别
种类与数量
磨损程度
磨损类型
磨损部位
元素光谱分析
原子发射光谱分析
– 元素原子内层轨道上的低能态电子受外界能 量激发跃迁到高能态的外层轨道，由于高能 态电子的不稳定性，当电子返回内层轨道时， 多余能量以光的形式释放，通过检测光的波 长及强度信息，区分元素的种类和浓度。
直读式铁谱仪
– 利用高梯度磁场，将油液中的磨粒分离并按大小排列于沉积 沉积管；借助于光密度计，测定所沉积大小磨粒的浓度，进 而确定设备的磨损程度。
旋转式铁谱仪
– 利用离心力和磁场力联合作用，将油液中的磨粒分离出来， 呈辐射线状按大小排列于铁谱基片；借助于显微镜，分析磨 粒的数量、尺寸、成分、类型等，进而确定设备磨损的状况。
疲劳磨损颗粒
腐蚀磨损颗粒 球形颗粒
金属氧化物
直读铁谱与分析铁谱分析的一般过程
样品斑点
样品滴
样品 直读式 旋 转 铁谱仪 铁谱片
氧化度 污染度 腐蚀度
油质评级
大磨粒读数Di 小磨粒读数Do 双 色 显微镜
磨粒类型及其数量
正常磨损颗粒 切削磨损颗粒 粘着擦伤颗粒 疲劳磨损颗粒 腐蚀磨损颗粒 球形颗粒
金属氧化物
– 发展方向：
• 由在线监测、离线监测到近在线监测 • 图象识别、人工智能、远程诊断和虚拟现实技术的应用
油液分析技术应用领域
– – – – – 机械设备状态监测与故障诊断 润滑材料的改进与开发 典型摩擦副磨损机理研究 车辆污染控制 范围：往复机械/旋转机械
油液分析诊断技术的作用
– – – – – 视情维修与风险检测的基本工具 润滑、磨损及相关故障诊断 确定最佳润滑剂（润滑油/润滑脂） 实现润滑监控、确定合理的换油周期 延长大修间隔，降低设备维修成本
颗粒计数器
设备润滑 与磨损监测 系统
油品化学工程师
油样、设备背景
发射光谱分析
常规理化分析
红外光谱分析
设备润滑与磨损状态监测系统
铁谱分析技术
分析式铁谱仪
– 利用高梯度磁场，将油液中的磨粒分离出来，按规则排列沉 积在铁谱基片上；借助于显微镜，分析磨粒的数量、尺寸分 布、成分、类型等，进而确定设备磨损的状况。
设备故障 诊断研究
振动分析 诊断技术
油气管道 泄漏检测
人员结构（平均36岁）
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主要科研成果：
获奖项目 （部省级以上科技进步奖）
• • • • 三缸泵工作状态分析 柴油机故障诊断专家系统 重大机电设备磨损状态监测专家系统 油液分析在机电设备故障诊断中的应用
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已完成的相关科研项目 • 国家攻关项目：2项 • 部级基金项目：4项 • 局级科研项目：5项
大型仪器设备
B&K模态分析仪 声发射分析仪 油液分析系统 综合诊断试验台 高性能计算机 管道泄漏检测试验系统
– 在欧美、日本等国家的应用：
• 国际磨损监控会议(1982): 从柴油机/汽轮机/压缩机到人工关节研究 • 美国三军联合油液分析计划（JOAP）,海湾战争(F16发动机监控) • 丹麦海军：核潜艇；日本：炼化设备(出光）
– 在国内的应用：
• 80-90年代，铁路、船舶、煤炭、电力、石油化工等多个行业 • 铁谱、发射光谱、红外光谱及常规理化指标的综合分析