油液分析技术及其应用

石油大学（北京）故障诊断研究中心设备故障诊断研究油液分析诊断技术振动分析诊断技术声发射诊断技术油气管道泄漏检测•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硕士：18人博士：6人讲师/工程师：5人副教授/高工：4人教授：2人人员结构（平均36岁）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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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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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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的发展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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00.050.10.150.20.250.30.350.4123456789101112月份水分(%)125130135140145150155160165123456789101112月份粘度(cst)某柴油机在用润滑油一年内的粘度和水分变化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冷却系统温度负荷速度……环境气氛尘埃,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……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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颗粒计数器红外光谱分析机械工程师油品化学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油样、设备背景发射光谱分析常规理化分析设备润滑与磨损监测系统现场设备工程师设备润滑与磨损状态监测系统铁谱分析铁谱分析技术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。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。蠕动泵磁铁输油导管铁谱基片油流油样废液杯铁谱片导向槽磨粒沉积带6024磁铁的磁路结构分析式铁谱仪工作原理油样置于一定高度的油样试管毛细管回油管磁铁废液杯虹吸钮光纤光敏元件光敏元件DlDs沉积管沉积管油样废液磁铁直读式铁谱仪工作原理密封圈油样铁谱基片磁铁密封拉杆驱动轴废液杯输油装置铁谱基片内磁芯外磁环铜套隔离套DiDo反射式光密度探测头器显微放大CCD直读式旋转铁谱仪工作原理（石油大学）样品直读式铁谱仪分析式铁谱仪双色显微镜铁谱片大磨粒浓度读数Dl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直读式旋转铁谱仪双色显微镜铁谱片大磨粒读数Di小磨粒读数Do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样品样品斑点氧化度污染度腐蚀度样品滴油质评级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磨损程度•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磨损类型磨损部位种类与数量污染类型与程度元素光谱分析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。各种激发源分光器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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。红外光源检测器数据处理固定镜面移动镜面检测器分束器器单色器输出信号检测器信号移动镜面位置检测器信号到检测器样品BC(BD)D-1D-2D-3ZPD1/41/4(BC)A单色器棱镜衍射光栅干涉仪MICHELSON干涉仪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、积碳水平过程发生条件产物影响氧化高温、暴露于空气等积碳、油泥增加粘度，加速磨损，腐蚀硝化高温，来自空气中的氮氧化积碳、酸增加粘度，加速磨损，腐蚀磺化含硫燃料，有二氧化硫等产生强酸腐蚀水分羧基氧化物硝基氧化物硫酸盐类积碳燃油乙二醇吸光度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监测诊断报告生成/传输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状态描述润滑状态磨损状态磨粒形状颜色纹理边缘特征机器机器标识型号结构（材料）性能润滑系统标识结构型式润滑剂滤器故障描述故障模式故障部位故障原因维修建议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试验试验规范监测任务标识任务描述监测计划标识测试方法监测制度监测诊断报告（1）（2）（4）（5）（6）（3）磁性颗粒有色金属非金属设备/部件表测试基础（标准）数据表监测制度表设备概况表监测数据及状态表诊断结论表理化指标发射光谱数据铁谱数据取样状态品质评价污染评价磨损评价客户表摩擦元件表综合结论红外光谱数据其它指标数据润滑油数据磨粒图谱发射光谱红外光谱定量数据定性数据磨粒图库反馈信息表三、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柴油机中的滑动磨损颗粒：由表面擦伤形成，可见明显的擦痕柴油机中的切削磨损颗粒：上：两体磨料磨损结果（硬表面切削软表面）下：三体磨料磨损产物（外来磨料粒子在摩擦副表面间参与微切削）051015202581012246CuFePb活塞销断裂前，油中主要元素变化反映出铜套磨损加剧3%28%30%39%01020304050缸套-活塞环磨损轴瓦-铜合金类磨损腐蚀磨损其它类磨损图7柴油机主要磨损故障分布案例数7%7%17.322.5%52.5%020406080100120TBN偏低严重污染水分偏高钙含量偏低粘度超标闪点偏低图8润滑油故障分布故障数四、大型齿轮减速箱故障诊断表1原用油与拟用油对比试验结果指标原用油拟用油运动粘度（40℃,100℃），mm2/s53.95,7.61179.17,16.61P,Ba,Zn,Ca浓度(PPM)248.5,35.9,224.5,9.5640.14,0.0,1.3,3.36分析铁谱结果含少量粘着和腐蚀磨损颗粒无明显颗粒s,Cl含量(%)0.00,0.002.57,0.00极压添加剂吸收峰无十分明显最大烧结负荷(N)23524508P&G生产线减速器润滑油错用案例1、电机2、联轴器3、分减速器4、主减速器小齿轮5、主减速器大齿轮6、滚柱轴承7、转炉托圈1235647元素FeCrMnMoV含量（%）94.00000.01430.39500.00710.0170炼钢转炉倾动机构齿轮箱润滑失效五、大型压缩机/泵机组故障诊断温度传感器压力传感器速度传感器加速度传感器