油液中水分的在線監(jiān)測機(jī)理研究

武宏陽，陳彬，韓超，顏歡

(重慶工商大學(xué)廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067)

1 研究背景

潤滑油在汽車、船舶、機(jī)械加工、交通運(yùn)輸、電力等各類行業(yè)中都有著廣泛的應(yīng)用，在潤滑油的生產(chǎn)制造、儲存運(yùn)輸及實(shí)際應(yīng)用過程中，各種各樣的環(huán)境條件對潤滑油的理化性質(zhì)有著不同程度的影響，其中微量水分會通過各種途徑混入潤滑油中而引起潤滑油物理化學(xué)性質(zhì)的變化［1-2］。潤滑油理化性能的變化意味著在其使用過程中對機(jī)械設(shè)備本身和機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行會產(chǎn)生各種不良后果，影響潤滑油的使用壽命。如大型液壓系統(tǒng)中水分的存在會導(dǎo)致水滴對機(jī)械系統(tǒng)的高速撞擊形成水蝕，在變壓器中起冷卻絕緣消弧作用的變壓器油則會因?yàn)樗值奈廴緦?dǎo)致油液絕緣性能降低而影響其運(yùn)行和操作安全性［3-4］。前蘇聯(lián)空軍某機(jī)型用航空液壓油75%的油中含水量在300 ～500 mg/L，2%的油中水分超出700 mg/L。美國聯(lián)合航空公司對空運(yùn)貨物地面支持設(shè)備進(jìn)行的調(diào)研情況見表1、表2。表1 表明這些設(shè)備用油中的水分污染是十分嚴(yán)重的，表2 說明油中水分污染對軸承部件使用壽命的影響是極大地。

表1 初始油液取樣中的水含量及其推薦值范圍Table 1 Initial water content in oil sample and its recommended value

表2 含水量對軸承疲勞壽命的影響Table 2 Effect of water content on bearing fatigue life

除此之外，水分侵入潤滑油之后會與潤滑油緩慢的發(fā)生水解反應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的水解產(chǎn)物，加速油液老化變質(zhì)，加劇廢油的產(chǎn)生量，增加環(huán)境污染的處理成本，據(jù)統(tǒng)計［5］2011 年我國潤滑油實(shí)際消費(fèi)量710 萬t，廢潤滑油量約有350 萬t，其中20%左右的廢潤滑油是由于水分污染引起的，約為每年70 萬t，給國民經(jīng)濟(jì)中資源利用帶來了很大的壓力。

因此，實(shí)現(xiàn)油中水分的快速、準(zhǔn)確檢測是潤滑油品質(zhì)診斷、機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測及循環(huán)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。本文首先對目前國內(nèi)外在油中水分含量對潤滑油理化性能影響規(guī)律及其離線檢測和在線監(jiān)測方法等方面的研究動態(tài)及進(jìn)展進(jìn)行了闡述;提出了一種基于水分對油液多個關(guān)鍵理化性能影響規(guī)律的在線監(jiān)測方法，突破了目前在線監(jiān)測方案中以單一理化性能變化來實(shí)現(xiàn)水分含量監(jiān)測的局限性，以提高油中水分在線監(jiān)測的效果，實(shí)現(xiàn)水分的實(shí)時、連續(xù)、同步的在線監(jiān)測。

2 油中水分對油液理化性能的影響

潤滑油中水分的存在狀態(tài)主要有游離水、懸浮水和溶解水［6-7］三種狀態(tài)，其在潤滑油中含量依次減小，且在不同的條件下三種狀態(tài)的水分可以相互轉(zhuǎn)化［8］，它們對潤滑油理化性能的影響程度則在不同的理化性能指標(biāo)上均有體現(xiàn)。國內(nèi)外已有諸多專家學(xué)者針對油中水分對油液理化性能的影響規(guī)律開展了深入研究并取得了很多成果。

Harika 等［9］通過對含水量在0 ～10%的無添加劑的油水混合物的實(shí)驗(yàn)，研究表明含水量在0.1%以下時油液的粘度有較小的降低，當(dāng)油中水分含量超過0.2%時油液粘度隨著含水量的增加而增大，并導(dǎo)出了油液粘度與溫度和含水量的變化關(guān)系模型。Mariana 等［10］通過圖像分析檢測實(shí)驗(yàn)對絕緣油界面張力的檢測研究中發(fā)現(xiàn)未經(jīng)使用的新絕緣油的界面張力值是較大的，但是隨著使用過程中水分等極性物質(zhì)的累積其界面張力會明顯的減小，這也就說明了油液中水分含量的增加會使得油液界面張力這一理化性能指標(biāo)值減小。宮偉軍等［11］對含水量在0.05% ～0.25%的船用潤滑油的研究表明水分會使油液的擴(kuò)散性、抗凝膠實(shí)驗(yàn)、DSC 氧化、強(qiáng)化氧化和酸中和速度變差，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 DCA5040 船用氣缸油不同含水量性能考察Table 3 Properties testing of DCA5040 marine cylinder oil in different water content

水對運(yùn)行中潤滑油的酸化速率也有一定的影響，在田亞等［12］進(jìn)行的發(fā)電廠潤滑油系統(tǒng)水對油酸化的影響實(shí)驗(yàn)中表明，在潤滑油中含有鐵屑等金屬的條件下，含水的潤滑油在使用過程中酸值增大速度非常明顯，結(jié)果見表4。

表4 水對油酸化影響Table 4 The influence of water on oil acidfication

在變壓器油中，水分對油液理化性能的影響主要體現(xiàn)在油液的電氣絕緣性能［13-14］上，如介電強(qiáng)度［15-16］、擊穿電壓［13，17-19］、體積電阻率［13，18］、介質(zhì)損耗因數(shù)等［19］。變壓器油有水分存在將導(dǎo)致油紙絕緣性能降低和絕緣老化加速，而且微水受熱后會轉(zhuǎn)化為氣泡，極易導(dǎo)致局部放電的產(chǎn)生。Ismail 等［19］對精煉漂白脫臭棕櫚油(RBDPO)和Hyrax 礦物絕緣油用作變壓器油時水分的影響作用進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究，其結(jié)果表明了隨著油液中水分含量的增加油液的擊穿電壓值有所下降，見圖1，介質(zhì)損耗因數(shù)有所增加，見圖2。

圖1 不同水含量的RBDPO 和Hyrax 絕緣油擊穿電壓測試Fig.1 Breakdown voltages of RBDPO ＆ Hyrax oil

圖2 不同水含量的RBDPO 和Hyrax 絕緣油介質(zhì)損耗因數(shù)測試Fig.2 Dissipation factor of RBDPO ＆ Hyrax oil

劉玉仙等［20］研究表明變壓器油中水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增長1 倍，油液的絕緣壽命將會減半;趙艷麗等［21］研究表明水分的存在會嚴(yán)重影響變壓器油的擊穿電壓值，見圖3，當(dāng)油中含水量僅為幾十個mg/L時，其耐壓值就已下降至較低水平，油中的含水量為30 mg/L 時，擊穿電壓為40 kV 左右，而油中含水量為50 mg/L 時則只有20 kV 左右。

圖3 變壓器油的含水量對擊穿電壓的影響Fig.3 Effect of variable water content on electrical breakdown strength of transformer oil

3 油中水分的檢測方法

目前對油中水分含量的檢測主要分為離線檢測和在線監(jiān)測兩大類［22-24］。國內(nèi)外常用的離線檢測方法有卡爾·費(fèi)休滴定法(庫侖法)、蒸餾法、氣相色譜法、紅外光譜法［25-29］等，這幾種方法有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)?？枴べM(fèi)休滴定法的測量結(jié)果可達(dá)到10 mg/L 級別，但是測定試劑費(fèi)用相對昂貴;蒸餾法測量下限為300 mg/L 不夠精確;色譜法儀器要達(dá)到穩(wěn)定的時間較長，標(biāo)樣的重復(fù)性差。而紅外光譜法是近年來研究十分熱門的一種定量測定方法，其檢測原理是:當(dāng)紅外光通過被測物質(zhì)時，一定頻率的紅外光被吸收，吸收強(qiáng)度與被測物質(zhì)的濃度有關(guān)，其定量關(guān)系符合朗伯-比爾定律:

式中，A 為吸光度;I0為入射光強(qiáng)度;I1為透射光強(qiáng)度;a 為吸光系數(shù);b 為被測介質(zhì)厚度;c 為水分含量。

可見吸光度A 與水分含量c 成正比，因此通過吸光度的測量即可求得含水量。這種檢測油中水分的方法可在不破壞被檢測油液物相的條件下實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的檢測。例如，韓曉等［30］采用遺傳算法結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于FTIR 檢測航空潤滑油中水分含量相關(guān)研究結(jié)果表明，對不同含水量油液進(jìn)行傅里葉紅外光譜數(shù)據(jù)通過預(yù)處理，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)優(yōu)化選擇，運(yùn)用遺傳算法提取最優(yōu)波數(shù)點(diǎn)信息，經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化確立了最佳的GA-BP-ANN 紅外光譜定量分析模型。其模型預(yù)測精度與卡爾費(fèi)休法測定結(jié)果相比有很好的精確度，對比結(jié)果見表5。

表5 GA-BP-ANN 模型預(yù)測航空潤滑油中水分含量結(jié)果Table 5 Forecast the water content of aviation lubricating oil through the GA-BP-ANN model %

Van 等［31-32］采用傅里葉變換紅外光譜法對58個不同含水量的油樣進(jìn)行檢測(其中23 個樣品為軍用車輛廢舊潤滑油，35 個樣品為篩選油樣)，其檢測結(jié)果與卡爾費(fèi)休法相比，見圖4。

圖4 對58 個新油和舊油油樣進(jìn)行傅里葉紅外法水分預(yù)測與卡爾費(fèi)休法檢測結(jié)果的回歸分析Fig.4 Regression of FTIR moisture predictions vs.the KF results for 58 used and new oil samples

離線檢測是“在線抽樣，離線測量”的方式［33］，具有準(zhǔn)確度和靈敏度高、方法成熟、應(yīng)用廣泛的優(yōu)點(diǎn)，但是其最大的缺點(diǎn)就是不具有實(shí)時、連續(xù)、同步性，不能夠同步反映油液中水分的含量，需要定期的抽取油樣，分析費(fèi)時，且在油樣的采集儲存過程可能發(fā)生變化。為了克服離線檢測的缺點(diǎn)，國內(nèi)外針對潤滑油中在線監(jiān)測技術(shù)開展了許多研究。在線監(jiān)測［34-35］可在機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，對機(jī)械設(shè)備中的油液進(jìn)行實(shí)時、連續(xù)的監(jiān)測并及時動態(tài)的獲取被監(jiān)測油液對象的運(yùn)行狀態(tài)等信息。

國內(nèi)外常用的潤滑油中水分含量在線檢測的機(jī)理主要有光譜射線法、微波衰減法、電容法等［36-37］。光譜射線法是利用潤滑油和水對某一特定的光譜射線的吸收、反射、折射能力不同，由此計算出潤滑油含水量;微波法原理是微波可以被物質(zhì)吸收，而水對微波的吸收最為顯著，潤滑油和水對微波的吸收比可達(dá)1∶75，因此采用微波水分傳感器，將有水分引起的微波衰減量轉(zhuǎn)化為電流信號輸出，建立輸出電流與含水量之間的關(guān)系來得到含水量;電容法將油液及其中的污染物作為一個特別構(gòu)造的電容器電介質(zhì)，水分等存在及數(shù)量引起介電常數(shù)變化，從而改變這個電容器的電容量，傳感器通過對電容量變化大小的檢測實(shí)現(xiàn)對油液中水分的狀態(tài)監(jiān)測。其中對光譜射線相關(guān)水分傳感器和電容式濕度傳感器方面的研究最為豐富。Laskar 等［38］采用光纖傳感器結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對變壓器油中水分含量在線監(jiān)測進(jìn)行了研究，其光纖傳感器是利用油液混入不同含量水分后的折射率不同，而以油水混合液為光譜傳導(dǎo)介質(zhì)時，光束穿過光纖彎曲部分時由于其中含水油液的折射率不同，傳導(dǎo)的光束會發(fā)生相應(yīng)的變化，在光纖的輸出端借助檢測器分析輸出光和輸入光的差別，結(jié)合校正過的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型判別分析即可實(shí)現(xiàn)油液中水分的在線監(jiān)測，其在不同的油液溫度條件下所做的水分試驗(yàn)檢測結(jié)果見表6。

表6 不同含水量和溫度的變壓器油樣品折射率測定Table 6 Measure of refractive index of transformer oil samples with different moisturecontent and temperature

KOCH 等［39］對變壓器油的不同水分測定方法研究中提到，目前廣泛應(yīng)用的電容式水分傳感器中聚合物薄膜探頭其基本部件是由兩個電極和聚合物薄膜吸濕介質(zhì)組成，見圖5，其基本原理是油液中的水分滲入聚合物薄膜達(dá)到平衡后使得其介電常數(shù)發(fā)生變化，對不同介電常數(shù)的表征則對應(yīng)著油液中不同的含水率。

圖5 聚合物薄膜探頭Fig.5 Polymer thin film probe

胡志坤等［40］根據(jù)聚合物薄膜在不同水分含量條件下聚合物薄膜之間的介電常數(shù)值不同而設(shè)計出水分的在線監(jiān)測系統(tǒng);陳偉根等［41］在對變壓器油中水分在線監(jiān)測的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算模型研究中提到電容式濕度傳感器中聚酰亞胺薄膜與變壓器油之間存在水分動態(tài)平衡，當(dāng)油中含水量變化時，聚酰亞胺薄膜吸附水分子數(shù)量也相應(yīng)變化，從而導(dǎo)致聚酰亞胺感濕膜的相對介電常數(shù)εr發(fā)生變化，將聚酰亞胺薄膜電容式濕度傳感器等效為一個平板電容器，其電容量為:

C=ε0×εr×Se×D (2)

式中，ε0為真空介電常數(shù)，Se為聚酰亞胺薄膜有效面積，D 為聚酰亞胺薄膜厚度。再通過二次測量電路將電容量的變化轉(zhuǎn)化為計算機(jī)所能識別的信號，從而實(shí)現(xiàn)油中微水含量的在線監(jiān)測;陳衛(wèi)民等［42］研制的油品含水率多點(diǎn)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)中采用電容式傳感器實(shí)現(xiàn)了油中含水率為1% ～4%的準(zhǔn)確檢測，其中傳感器中關(guān)于油水混合物介電常數(shù)的計算公式如下:

式中，εm為混合介質(zhì)的介電常數(shù);εr1為純水的介電常數(shù);εr2為純油的介電常數(shù);d 為介質(zhì)水的體積分?jǐn)?shù)。

國內(nèi)的先波科技公司開發(fā)的FWD-1 在線潤滑油含水率監(jiān)測傳感器［43］是通過傳感器探頭測量潤滑油電阻抗參數(shù)的變化和內(nèi)部運(yùn)算獲得所接觸潤滑油的含水率變化信息;而Kittiwake 公司開發(fā)的在線水分傳感器［44］、美國迪沃森公司開發(fā)的EASZ-1 型在線水分監(jiān)測傳感器［45］、Lubrigard 公司開發(fā)的油質(zhì)在線監(jiān)測傳感器［46］以及西安交通大學(xué)的謝友柏等［47］研究開發(fā)的潤滑油液微量水分傳感器探頭，其原理都是通過測量油液中的介電常數(shù)這一單個理化性能的變化來反映油液含水率的變化。

綜上所述，國內(nèi)外在水分對潤滑油理化性能的影響和在線監(jiān)測方面的研究進(jìn)展對我們開展?jié)櫥椭兴衷诰€監(jiān)測的機(jī)理研究具有一定的指導(dǎo)與借鑒意義。國內(nèi)外的研究多是集中于單個理化指標(biāo)或某一類指標(biāo)的影響研究上，而水分對多個理化指標(biāo)的綜合影響研究方面較為少見，其對油質(zhì)的綜合影響性和重點(diǎn)指標(biāo)的影響程度方面還需進(jìn)一步探索。

4 基于水分對油液多個關(guān)鍵理化性能影響規(guī)律的在線監(jiān)測方法

在通過潤滑油理化性能指標(biāo)的變化來檢測油中水分含量方面，國內(nèi)外研究多是通過單個理化性能指標(biāo)變化值(如介電常數(shù)等)來實(shí)現(xiàn)油中水分含量的間接檢測，其可靠性和準(zhǔn)確性方面仍需進(jìn)行深入研究，尤其是在以單個理化指標(biāo)變化為參考時通過檢測系統(tǒng)油液壓力流量參數(shù)變化值來間接檢測水分含量，其中以單因子為變化值時其誤差勢必要高于多個理化指標(biāo)綜合變化的情況。因此，從多個理化性能指標(biāo)變化時引起的系統(tǒng)油液壓力流量參數(shù)變化這一角度入手，開展對油液中水分含量在線監(jiān)測的研究將能克服目前油中水分在線監(jiān)測的問題。

以多相流體力學(xué)、模糊數(shù)學(xué)以及信息科學(xué)等技術(shù)支持，首先通過實(shí)驗(yàn)研究不同微量水分含量的油液的多個理化性能指標(biāo)的影響，確立影響較大的關(guān)鍵理化性能指標(biāo);建立一種微量水分與關(guān)鍵理化性能指標(biāo)的模糊關(guān)系，獲取微量水分對油液理化性能指標(biāo)的影響規(guī)律;然后通過油水兩相流理論建立油液與微量水分的運(yùn)動動力學(xué)模型，利用希爾伯特包絡(luò)譜技術(shù)對油液動態(tài)信號進(jìn)行處理，消除環(huán)境和系統(tǒng)本體振動的影響;通過連續(xù)投影算法(SPA)提取油液與不同微量水分含量的動態(tài)特征，利用T_S 模糊辨識模型能以任意精度逼近非線性系統(tǒng)建立油液與微量水分的T_S 模糊辨識模型，構(gòu)建油液微量水分的在線監(jiān)測系統(tǒng);最后通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置監(jiān)測油液的動態(tài)信號特征反向獲取油液中微量水分的含量，與理論結(jié)果比較，并修正理論模型;可見通過實(shí)驗(yàn)獲取微量水分對油液多個理化性能指標(biāo)的影響規(guī)律，為理論建立的油液動態(tài)特征模型提供先驗(yàn)知識，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論結(jié)果，進(jìn)而闡明油液微量水分在線監(jiān)測機(jī)理，實(shí)現(xiàn)油液微量水分的在線監(jiān)測。

5 結(jié)論

(1)國內(nèi)外的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究和理論研究內(nèi)容針對油中水分對其理化性能的影響方面，較為豐富的是針對變壓器絕緣油的電氣性能指標(biāo)，分別有介電常數(shù)、擊穿電壓、介質(zhì)損耗因數(shù)、體積電阻率等;其次則是潤滑油的粘度、界面張力、酸化速率、擴(kuò)散性能等。

(2)油中水分的在線監(jiān)測方法研究方面，國內(nèi)外的相關(guān)研究中成果最為豐富的是基于油液介電常數(shù)變化的電容式傳感器研究;其次是基于光譜射線法原理(如紅外光譜、紫外光譜、x 射線光譜)的光譜吸收或透過等研發(fā)的傳感器;除此之外，相關(guān)的傳感器研究還有根據(jù)油液折射率變化開發(fā)的傳感器等。這些方法都是根據(jù)油液的單一理化性能變化來反映水分含量變化，檢測原理較單一。

(3)提出一種基于水分對油液多個關(guān)鍵理化性能影響規(guī)律的在線監(jiān)測方法，克服了目前基于單一理化性能指標(biāo)進(jìn)行在線監(jiān)測的問題。為準(zhǔn)確的檢測油液中水分含量提供一種理論支撐，為延長潤滑油使用壽命，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

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