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论船舶柴油机在用润滑油的现场监测

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摘要:针对船舶柴油机在用润滑油的现场监测问题,研究确定了监测参数为水分、黏度、红外特征、元素浓度和铁磁性磨粒总量,并选择了相应的测量仪器。爆裂法水分现场快速检测仪可有效、快速判别含水量大于0.2%的油样;基于Hele-Shaw原理的黏度快速检测仪重复性误差小于3%,具有工程实用价值;安捷伦傅里叶红外光谱仪可用于监测在用油的红外特征变化;可采用基于电磁感应原理的铁量仪测量油样中的铁磁性磨粒总量;转盘电极原子发射光谱仪可测量油样中尺寸小于10μm的金属颗粒的元素浓度。铁量仪和发射光谱仪结合可有效监测异常磨损。指出船舶柴油机油样现场监测急须解决的问题是:缺少非铁磁性磨粒总量的快速、有效、可信的检测方法。

关键词:船舶柴油机;再用润滑油;现场监测

0引言

在船舶运行条件下监测柴油机润滑油具有工程上的迫切性。柴油机润滑油中含有以下三类信息:第一类是润滑油老化变质信息,包括氧化、磺化、硝化、积炭、漆膜等[1];第二类是有关污染物信息,包括进冷却水、进海水、进灰尘以及加错油等[2];第三类是摩擦副磨损信息,如曲轴主轴颈和主轴承、连杆轴颈和连杆轴瓦、凸轮和凸轮轴、活塞组件和气缸套等摩擦副的磨损信息[3]。所以,分析在用润滑油可以获得润滑油本身的信息、污染信息和机器的磨损信息。远离港口持续执行任务的船舶中高速柴油机更须对其润滑油做持续有效监测[4]。目前陆地试验室对柴油机润滑油的黏度、总碱值和水分等分析有标准的方法,但因涉及化学试剂、滴定或蒸馏等,这些参数的测量较难在船舶条件下完成。又如,无论是转盘电极发射光谱还是离子耦合发射光谱对大于10μm的金属磨粒检测效率都较低,而大磨粒恰恰反映了摩擦副的异常磨损。大于10μm的金属磨粒可由分析式铁谱监测,但因分析式铁谱技术对环境的要求,在船舶条件下无法现场使用。

1分析参数确定

关于柴油机润滑油监测参数的确定,国标GB/T7606柴油机换油指标列出如下内容:黏度、水分、酸值增值、碱值下降率和磨损元素(铁、铜、铝、硅)浓度门阈值;而美国ASTMD6224关于柴油机在用润滑油的监测则列出了如下的内容:黏度、水分、闪点、酸值、碱值、磨损金属、颗粒数等。关于元素浓度门阈值的确定,文献[5]专门做了分析,认为:针对油料发射光谱分析对大颗粒不敏感的问题,可在监测磨损大颗粒时增加铁量仪。铁量仪可以测量润滑油中铁磁性磨粒的总量,以数值表示,单位是(μg•g-1)。事实上,ASTMD6224认为:关于元素浓度的测定,可采用原子吸收光谱(AA)、转盘电极(RDE)、等离子耦合(ICP)和X射线荧光光谱(XRF)等方法,然而上述方法对磨损金属大颗粒的检测效率均受尺寸大小的影响,磨粒尺寸越大,检测效率就越低。针对船舶柴油机润滑油的理化性能指标,选定监测参数为黏度和水分。针对润滑油的劣化、衰变,选定监测仪为傅里叶红外(FIR)光谱仪。目前该类型的光谱仪可以监测润滑油的氧化、硝化、磺化、燃油稀释、进水、醇、添加剂分子等浓度。针对润滑油携带的摩擦副磨损信息,选定监测仪为转盘电极(RDE)油料发射光谱仪和铁量仪。

2分析仪器选择

2.1润滑油中水分测量润滑油中水分的标准测量方法是蒸馏法和卡尔•菲休法,这两种方法均适合实验室条件下使用;现场条件下测量水分的实用方法有:压力法和热板爆裂方法等。压力法是利用化学试剂二氢化钙与油样中的水分发生化学反应,产生氢气,在密闭的空间中引起压力增大,如果油样一定,通过标定可以获得压力增大和含水率之间的定量关系。该方法的使用需要两种化学试剂,分析后有化学废弃物。热板爆裂法是利用受热油样中的水分形成气泡或发生爆裂。

2.2润滑油黏度测量黏度是柴油机润滑油最重要的理化性能指标。标准的测量方法是毛细管法,该方法须使用恒温水浴,故不适合在现场使用。在船舶条件下,现场测量润滑油黏度的方法有落球法、平板流动法[6]和基于Hele-Shaw原理的黏度计。试验表明:由于柴油机润滑油比较黑,落球法很难测量;平板流动法的测量误差比较大,工程应用价值小;基于Hele-Shaw原理的黏度计可满足实际使用。

2.3润滑油傅里叶红外光谱仪目前润滑油傅里叶红外光谱仪品种比较多,根据实际使用和试验需求,选择安捷伦630便携式现场傅里叶红外光谱仪。该红外光谱仪测量结果以图形表示,在有比较样的情况下,可以叠加多个分析结果,从而判断趋势。

2.4油料发射光谱仪选用美国超谱公司的SpectroM型转盘电极(RDE)油料发射光谱仪。该仪器一次可分析油样中的21个常见元素,正常情况下每分析一个油样约2~3min左右,重复性较好,分析结果数字化表达。

2.5铁量仪针对油料发射光谱仪对尺寸10μm以上的大颗粒磨粒检测效率低的问题,通过试验分析,选择采用电磁感应原理的铁磁性磨粒现场快速检测仪[7]。

3数据测量及结果分析

3.1在用润滑油水分和黏度数据测量与分析

在现场利用爆裂法油液水分快速检测仪监测柴油机在用润滑油的目的是判断其中有无水分,水分是否超过0.2%。该方法检测润滑油水分的低限是0.05%,大于0.05%含水量的油样,会有气泡,且随着含水量的增加,气泡越来越多,并伴随有爆裂声。如觉得难以掌握判断标准,可配置含水量为0.2%的标油,检测待测油样时,将一滴标油和一滴待测油样同时滴入不同的孔中,如果待测油样的气泡数比标油的多,就说明油样含水量已大于0.2%。每个油样的分析时间小于1min。某船舶柴油机在进行可靠性试验时,每隔20h对润滑油进行取样并分析,部分油样黏度测量结果。当黏度急剧下降至82(mm2•s-1)(40℃)时,停机检查发现:泵喷油器的回油管松动,有柴油从回油管漏出,进入摇臂区与润滑摇臂、凸轮轴的润滑油回油混合,导致润滑油黏度下降,主润滑管路的润滑油压力降低。

3.2傅里叶红外光谱数据分析

利用傅里叶红外光谱分析仪分析船舶柴油机的在用润滑油,可以通过分子的基团特征获得有关润滑油劣化和污染的许多信息。例如,通过建立标准的不同燃油稀释比获得图谱,并与在用油的图谱比较,从而得到油样的稀释比。

3.3铁量仪数据和油料发射光谱数据分析

铁量仪基于电磁感应原理:油样中铁磁性磨粒使读数为正,非铁磁性大磨粒使读数为负;在灵敏度方面,铁磁性磨粒远大于非铁磁性磨粒,故铁量仪的读数一般为铁磁性磨粒的总量,正常情况下,可以忽略非铁磁性磨粒的影响。表2为部分船舶柴油机油样的铁量仪数据和发射光谱数据。GB/T7606规定:Fe元素的浓度大于100(μg•g-1)(ASTMD6595标准检测),或大于(150μg•g-1)(GB/T17476标准检测)时,应该换油。但原子发射光谱对大颗粒不敏感,而大颗粒却真实反映了摩擦副的异常磨损。在实验室条件下,借助于磁力法可以有效测量油液中铁磁性磨粒的总量,借助于分析式铁谱可以分析大颗粒的有色金属(非铁磁性金属)颗粒。上述的分析表明:铁量仪在某种程度上可以有效监测铁磁性磨粒的总量,特别是大尺寸的铁磁性颗粒。

4结论

(1)在船舶条件下,对柴油机的在用润滑油进行监测,选定以下参数:水分、黏度、元素浓度、铁磁性磨粒总量是合理,且有效的。(2)参数选定后,选择测量仪器十分重要。研究及实际应用表明:选择爆裂法水分仪、基于Hele-Shaw原理的快速黏度计、傅里叶红外光谱仪及原子发射光谱仪和铁量仪效果较好。(3)在现场快速监测方面,急须解决的问题是非铁磁性磨粒总量的快速、有效、可信检测。

作者:田洪祥;李婧;孙云岭 单位:海军工程大学动力工程学院

润滑油杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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