紅外光譜分析技術(shù)在潤滑油監(jiān)測中的應(yīng)用

韓風(fēng)梅，胡 煉，陳 峰

（中國石油獨山子石化分公司研究院設(shè)備研究所，新疆 獨山子 833600）

紅外光譜分析技術(shù)在潤滑油監(jiān)測中的應(yīng)用

韓風(fēng)梅，胡 煉，陳 峰

（中國石油獨山子石化分公司研究院設(shè)備研究所，新疆 獨山子 833600）

對FTIR紅外光譜分析技術(shù)在石化公司潤滑油監(jiān)測中定量分析和定性分析的應(yīng)用情況加以總結(jié)和展望。

FTIR紅外光譜；關(guān)鍵機組；潤滑油；監(jiān)測

長期以來，在石化關(guān)鍵機組潤滑油監(jiān)測方面通常采用理化檢測分析。開展FTIR紅外光譜分析技術(shù)，可以獲得潤滑油氧化、硝化、硫酸化、添加劑損耗等多項指標(biāo)。與傳統(tǒng)的理化指標(biāo)分析技術(shù)相比，具有分析速度快、精度高和重復(fù)性好等優(yōu)勢。紅外光譜分析方法已廣泛應(yīng)用于船舶、冶金、醫(yī)藥、食品、機械、化工等諸多領(lǐng)域。

一、FTIR紅外光譜分析技術(shù)簡介

由分子的振動－轉(zhuǎn)動能級躍遷形成的光譜為分子光譜，因其波長通常出現(xiàn)在紅外區(qū)段，故稱作紅外光譜。當(dāng)一束具有連續(xù)波長的紅外光照射某一物質(zhì)時，該物質(zhì)的分子就要吸收一部分光能，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥恼駝雍娃D(zhuǎn)動內(nèi)能。若將透過物質(zhì)的光進行色散，就可以得到一條紅外光譜帶，將紅外光譜帶以波長(單位μm)或波數(shù)(cm-1)為橫坐標(biāo)，以百分透過率或吸光度為縱坐標(biāo)，就可得到該物質(zhì)的紅外吸收光譜圖。

紅外光譜分析能從分子層次上分析油品內(nèi)部成分組成與添加劑含量。不同化學(xué)物質(zhì)在紅外光譜圖中有其特征吸收區(qū)，且吸收峰的高度和面積與該物質(zhì)的濃度成正比，因此可通過對紅外光譜圖的分析，進行樣品中各化學(xué)物質(zhì)的定性和定量分析，從而獲得油品的質(zhì)量和性能信息，判定油品的衰變、添加劑消耗和污染狀況等。

紅外光譜所含信息量豐富，對不同油品有良好的適應(yīng)性。這對于及時、準(zhǔn)確評價機組潤滑狀況，延長油品的使用周期，保障機組的長周期平穩(wěn)運行具有重要意義。

二、紅外光譜分析在油液監(jiān)測中的應(yīng)用

1.A2PAL紅外光譜儀介紹

某石化公司設(shè)備研究所使用的A2PAL紅外光譜儀，是美國研制開發(fā)的PAL系列油液監(jiān)測FTIR紅外光譜儀，光譜范圍4 500～600cm-1，分辨率為4 cm-1，背景光及樣品掃描速度為8張/s光譜，可用于對壓縮機油、汽輪機油、齒輪油、液壓油、發(fā)動機用油等油品的定量與定性分析。

該儀器的進樣系統(tǒng)為光程長100μm的寶石透射池。當(dāng)不同波長的紅外光依次照射油樣時，某些波長的光將被樣品選擇吸收而減弱，含有樣品信息的干涉光到達檢測器，通過傅里葉變換對信號進行處理，得到吸光度隨波長變化的紅外吸收光譜，并獲得氧化值、硝化值、硫酸化、抗氧劑、抗磨劑及積碳、煙炱等多項定量檢測指標(biāo)。通過定量數(shù)值變化趨勢分析，結(jié)合油品特征基團的紅外特征吸收峰的位置、強度和形狀等參數(shù)，對新油和在用油紅外譜圖差異對比，判定在用潤滑油添加劑的損耗及性能衰變。分析檢測無需試劑及油樣制備，分析速度快。

2.FTIR紅外光譜定量分析法的應(yīng)用

自2012年以來，對公司的35臺關(guān)鍵機組及部分?jǐn)D壓造粒機在用潤滑油進行FTIR紅外光譜分析，涉及汽輪機油、液壓油、齒輪油。現(xiàn)以某廠3#發(fā)電機組為例，說明FTIR紅外光譜分析在油液監(jiān)測中的定量分析應(yīng)用。

2013年2月，某廠3#發(fā)電機組在用潤滑油目測發(fā)現(xiàn)顏色由淡黃色透明變?yōu)榧t棕色發(fā)黑，隨后進行常規(guī)理化指標(biāo)分析、鐵譜分析及顆粒污染度分析，未發(fā)現(xiàn)異常，后使用A2PAL紅外光譜儀進行紅外光譜分析，2013年2～9月3#發(fā)電機組在用潤滑油分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 3#機組在用潤滑油常規(guī)理化、污染度定量分析

由表1可見，2～9月間理化指標(biāo)分析合格，但酸值存在增大趨勢；常規(guī)理化指標(biāo)分析機械雜質(zhì)含量無明顯變化，9月該機組在用潤滑油污染度等級有明顯增大。

由表2可見，2～9月間，其氧化值、抗磨劑副產(chǎn)物及極壓添加劑的損耗均明顯高于新油；硫酸鹽稍有增大；而酚類抗氧劑的含量與新油相比處于極低水平。說

明該機組在用潤滑油顏色變化的原因主要是油品氧化及添加劑大量損耗，特別是酚類抗氧劑幾乎耗盡所造成的。

結(jié)合表1、2可知，該機組在用潤滑油理化指標(biāo)分析酸值存在增大的趨勢，而FTIR紅外光譜分析，硫酸鹽也表現(xiàn)出略微增大的趨勢。

通過以上分析結(jié)果可以看出，F(xiàn)TIR紅外光譜分析在對在用潤滑油性能衰變和添加劑損耗方面的檢測中，優(yōu)于傳統(tǒng)的常規(guī)理化分析。

3.FTIR紅外光譜定性分析法在油液監(jiān)測中的應(yīng)用以上述某廠3#發(fā)電機組為例，其在用潤滑油與新油紅外譜圖比對如圖1所示。

表2 3#機組在用潤滑油FTIR紅外光譜定量分析

圖1 在用潤滑油與新油紅外譜圖對比

圖1 中橫坐標(biāo)為紅外光譜波數(shù)(單位：cm-1)，縱坐標(biāo)為吸光度(Abs/0.1mm)，藍色線為3#發(fā)電機組在用潤滑油，紅色線為新油。波數(shù)在1 300～900 cm-1紅外光譜區(qū)內(nèi)，化合物分子的結(jié)構(gòu)對紅外光十分敏感，分子結(jié)構(gòu)的細微變化都會引起紅外光譜的明顯改變。

⑴在810～800 cm-1處出現(xiàn)一個小峰，在用潤滑油的吸收峰明顯高于新油，反映了潤滑油極壓添加劑的變化。隨著極壓添加劑損耗的不斷增大，潤滑油對機組摩擦副部件的減摩作用將下降，造成機組的異常磨損，從而縮短機組的運行周期。

⑵在1 080～1 070 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰位，表明產(chǎn)生了一定量的抗磨劑副產(chǎn)物，潤滑油中抗磨劑發(fā)生一定的損耗。

⑶在1 170～1 155 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰，表明油中硫酸鹽的存在，這通常是在用潤滑油受到氧化的產(chǎn)物，會引起油品酸值增大，最終造成機械部件的腐蝕。在常規(guī)理化指標(biāo)分析中酸值也呈現(xiàn)增大的趨勢。

⑷在1 800～1 660 cm-1處，有一個明顯高于新油的吸收帶，說明油液中產(chǎn)生了氧化降解產(chǎn)物，生成高分子量的黏性液體、漆膜和油泥。

(5)在4 000～1 300 cm-1紅外光譜區(qū)內(nèi)，有機化合物的重要基團在此區(qū)域有特征吸收帶。

4.某廠3#發(fā)電機組在用潤滑油品質(zhì)變化的分析及討論

(1)原因分析。潤滑油在使用的過程中，會因外界因素如粉塵、水分、空氣等以及內(nèi)部磨損顆粒的增加造成污染，運轉(zhuǎn)中的高溫會造成基礎(chǔ)油揮發(fā)、分解及氧化，從而使油品的性能變差，導(dǎo)致機組的異常磨損。因此對機組在用潤滑油進行定期監(jiān)測是保證機組長周期運行的重要手段。通過使用A2PAL紅外光譜儀進行潤滑油FTIR紅外光譜定量與定性分析，能方便直觀地看出油品性能衰變及添加劑消耗情況。

通過對某廠3#發(fā)電機組在用潤滑油2013年2～9月間監(jiān)測，分析該機組在用潤滑油顏色變深的原因，一是在用潤滑油發(fā)生氧化，氧化是潤滑油基礎(chǔ)油發(fā)生衰化變質(zhì)的主要原因，它會導(dǎo)致油品酸值增大，造成潤滑油顏色變深、性能變差、濾網(wǎng)堵塞、機件磨損加劇及腐蝕。二是潤滑油在使用中與灼熱的機件表面接觸，產(chǎn)生熱降解，基礎(chǔ)油降解產(chǎn)物懸浮在油中所致。

該機組在用潤滑油酚類抗氧劑幾乎消耗殆盡，污染度增大，表明油品性能已出現(xiàn)衰變，建議加強監(jiān)測，根據(jù)情況進行換油。

(2)驗證。根據(jù)紅外光譜分析，某廠于2013年9月22日安排3#機組潤滑油進行部分更換，并對過濾器濾網(wǎng)清掃，發(fā)現(xiàn)過濾器濾網(wǎng)已被厚厚的黏性物質(zhì)和油泥堵塞，過濾器內(nèi)取出的潤滑油沉淀后，也呈現(xiàn)為黑色黏性物質(zhì)及油泥。

三、結(jié)語

FTIR紅外光譜分析技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地分析出油液性能衰變情況及劣化的原因，依據(jù)分子結(jié)構(gòu)信息從油品劣化機理上深層次分析劣化的原因，在油液劣化早期監(jiān)測診斷中具有明顯優(yōu)勢。為關(guān)鍵機組在用潤滑油的使用狀況提供更全面的分析評價依據(jù)和更加可靠的維護策略。

[1] 楊其明，嚴(yán)新平，賀石中.油液監(jiān)測分析現(xiàn)場實用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006，115-125.

[2] 楊俊杰，陸思聰，周亞斌.油液監(jiān)測技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2009，40-46.

[3] 陳閩杰，丁丹，賀石中.FTIR紅外光譜分析技術(shù)在油液監(jiān)測實驗室中的應(yīng)用[G].第八屆全國摩擦學(xué)大會論文集，2007(11).

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2013-12-30)