铁谱技术在设备磨损状态监测中的应用研究

丁芳玲 李曙光 谢惊春 周亚斌

摘要:阐述了铁谱仪的工作原理及其在设备磨损状态监测中独特的优势,考察验证了ZTP/FTP-X2直读铁谱仪的重复性和区分性。结果表明:ZTP/FTP-X2直读铁谱仪相对标准偏差在1%～9%之间,不影响正常的磨损趋势监测。并对固定式燃气发动机-压缩机组进行了定量磨损趋势和定性磨损状态的监测研究,监测结果表明:铁谱技术对机械设备的磨损趋势及突发故障能进行有效的监测。

关键词:ZTP/FTP-X2铁谱仪;铁谱分析 ;重复性;区分性;状态监测

中图分类号:TH871 文献标识码:A

Application of Ferrography Technology in Equipment Wearing Condition Monitoring

DING Fang-ling, LI Shu-guang,XIE Jing-chun, ZHOU Ya-bin

(PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R&D Institute, Lanzhou 730060,China)

Abstract:The working principle of ferrograph and it′s unique advantage in oil condition monitoring field are described in this paper .The repeatability and discrimination performance of ZTP/FTP-X2 direct reading ferrograph instrument were verified. The test result showed that the standard deviation within 1-9 percentages will not affect the normal wear trend. The research work also involved the quantitative wearing tendency and the qualitative wear status monitoring function for natural gas engine and compressor. The monitoring result showed that ferrography technology can do effective monitoring and be a meaningful diagnosis tool for mechanical equipment′s wearing trend and its abnormal failure.

Key words:ZTP/FTP-X2 ferrography instrument; ferrographic analysis; repeatability; discrimination performance; condition monitoring

0 前言

铁谱技术是20世纪70年代发展起来的一种磨损颗粒分析新技术,近年来,机械设备状态监测技术在机械润滑行业中得到了快速发展,它的广泛应用已产生了明显的经济效益,已引起国内外越来越多的润滑油业内人士的高度重视。因此,为在用油监测与技术服务做出突出贡献的铁谱技术首当其冲成为重点研究及应用的对象。

铁谱技术以不用停机和不用拆检机器而直接观测磨损微粒,了解机器内部摩擦副磨损状态的方法来实现机械设备的状态监测和故障诊断,是润滑油摩擦磨损性能质量检测的有效手段之一。通过对设备在用油中磨损金属颗粒的定量、定性分析,监测诊断设备主要摩擦副的磨损失效状态及原因,指导企业及时采取视情维修措施,保证设备安全运行。由于在实验过程中运用铁谱技术不仅可以指出故障发生的部位、确定故障的类型,还可以解释故障产生的原因,预告故障恶化的时间;同时,它以对磨粒分离的简便性、沉积的有序性、观测的多样性以及对大磨粒的敏感性等优点而在机械设备状态监测与故障诊断中得到了广泛应用[1]。

由于中国石油昆仑润滑油产品在使用中存在大量的技术服务工作,要做好油品使用的技术跟踪服务工作,指导企业选择优质并合理地使用润滑油,拥有专业监测设备的支持,也有利于增强润滑油产品在市场中的竞争力及润滑油研发技术的改进工作。为此中国石油兰州润滑油研发中心于2007年购置了ZTP/FTP-X2型铁谱仪,对在用油设备的磨损监测提供有效分析手段。为了更好地配合在用油设备磨损监测,本文对铁谱仪器的重复性、区分性等进行了考察,并对固定式燃气发动机-压缩机组在用油进行了铁谱跟踪监测。

1 铁谱技术

1.1 直读铁谱仪

直读铁谱技术是利用具有高梯度强磁场作用,将油液中带有机械设备磨损信息的磨屑颗粒与油液、杂质等分离出来, 按照尺寸大小依次沉积在一个玻璃管内,经过电路处理后,直接测读油液中大磨粒直读数(D_L)和小磨粒直读数(D_S)。可快速测定机器润滑油中所含两种不同粒度范围(大于5 μm和1～2 μm)内的磨粒浓度值。用于对油液中磨粒浓度的定量测量,以达到对运行中的机械设备进行磨损趋势监测的目的。

1.2 分析铁谱仪

铁谱分析技术是利用高梯度强磁场的作用,将油液中带有机械设备磨损信息的磨损颗粒、杂质等分离出来, 按粒度大小的规律沉积在玻璃基片上形成谱片, 然后借助专业铁谱显微镜观察和测量其沉积分离物的形貌、数量、尺寸、成分及粒度分布等情况, 以获得磨损过程中的特征信息,从而对机械设备的运转工况、关键零件的磨损状态进行分析判断。

直读铁谱仪通过对磨损定量数据的趋势监测,回答监测对象是否有问题,分析铁谱对有问题的油样进行磨粒的分离和观测,可回答发生了什么问题,在何处发生问题。两者是统一的整体,据此可以判断机器的磨损状态,并可进一步分析机器的磨损机理[2]。

2 直读式铁谱仪试验的重复性、区分性

为了保证在用油监测的可靠性,对购置的ZTP/FTP-X2型直读铁谱仪的重复性、区分性等进行了考察。

2.1 试验油的选择

选用了三个油样,一号油-1、一号油-2是同一油品在同一闭式齿轮箱运转一定时间周期前后分别采集的油样。一是考察设备的重复性;二是考察随着设备运转时间的延长,磨粒浓度的变化情况以考察设备的区分性。二号油是在相同类型不同的闭式齿轮箱上采集的油样,和一号油-2是同一时间周期取出的油样,一是考察同类设备的重复性,二是考察不同油品在同类设备、同一采样周期的磨粒浓度的差异。

2.2 试验的重复性和区分性

影响直读式铁谱仪重复性的主要原因有以下几个方面,一是磨损颗粒沉淀过程的随机性较大;二是沉淀磨粒对磁场的影响;三是操作者熟练程度与经验;四是油样计量的准确性。但是铁谱仪操作者的熟练程度与经验可以减少测试中的一些随机误差,在实际测试中有经验的操作人员只测取一次基本上就可以满足监测要求。直读式铁谱仪一般的相对偏差在4%～12%之间变动[3],该量值在此范围内分散不会对提供的设备磨损变化趋势有较大影响。为考察仪器的重复性和区分性,对采集的三个油样进行了重复性和区分性试验,每个油样重复试验5次。其试验结果见表1。

从表1数据可以看出:直读式铁谱仪相对标准偏差在1%～9%之间,该量值说明ZTP/FTP-X2铁谱仪具有可以接受的重复性。

表1数据说明同一油样在同一设备运转一定时间周期前后的监测数据具有一定的区分性。不同油样在同类设备、同一采样周期的监测数据也有一定的区分性。

2.3 直读式铁谱仪试验数据的比对试验

为了验证ZTP/FTP-X2型直读铁谱仪监测数据,对增压六缸柴油机450 h耐久性试验的在用油每间隔25 h取样一次,进行直读铁谱定量跟踪监测,图1、图2是增压六缸柴油机450 h耐久性试验的大小磨粒浓度变化曲线,是典型的带有机油滤清器的润滑系统的磨损曲线(浴盆曲线),它直观地反映了450 h耐久性试验的磨合阶段、正常磨损阶段和异常磨损阶段。由于机油滤清器对磨粒的排除效应,所以曲线的磨粒浓度所代表的是摩擦副的磨损率。在磨合阶段,由于摩擦表面都是机械加工后的,所以此阶段是从一个粗糙的机械加工表面向一个低磨损的光滑表面的磨损过程,油中的磨粒浓度需要一段时间才能达到平衡;柴油机磨粒浓度发展的总趋势是由小到大,然后由大到小,最后稳定在正常磨损状态的过程(由于机况在此期间不稳,导致此过程延长),当达到平衡时,磨粒的排除率等于产生率,磨粒浓度达到动态平衡,此阶段为正常磨损阶段;随着运转时间的延长,零部件表面破坏的发展,其磨粒浓度和粒度会朝着更为浓密和粗大的方向进一步恶化,打破了正常磨损阶段的动态平衡,最终导致机械故障发生(450 h由于突发故障导致停机)。如用此设备大量的正常磨损阶段的数据制定出相应的基准线、报警线、危险线,在设备磨粒浓度大大超出预先制定的基准线之上时,便可结合谱片对机械设备磨损状态进行综合评价。我们用同一油样和国内另外一家具有第三方商业性专业油液监测资质机构的直读铁谱定量数据进行对比,其大磨粒D_L浓度趋势图见图1,小磨粒D_S浓度趋势图见图2。

由图1、图2可以直观看出兰州研发中心和第三方商业性专业油液监测机构对同一油样大磨粒和小磨粒的磨粒浓度监测趋势一致。

3 铁谱技术在固定式燃气发动机-压缩机组中的实际应用

铁谱技术实际应用的主要目的,是通过分析磨粒的特征来区分正常磨损和异常磨损,并对磨损失效提出早期预报。本次监测对象是固定式燃气发动机-压缩机组,此设备是国内某油田公司的关键设备,该机型号为COOPER-2804,配有机油滤清器的润滑系统,自2008年3～11月先后采集油样12次,期间共运行11238 h,其铁谱定量磨损趋势图见图3。磨损趋势图表明,该机在运转过程中,大体经历了柴油机的三个磨损阶段。

从图3可以看出前4000 h之前属磨合阶段,磨粒浓度发展的总趋势是由小到大,最后由大到小,4000~8389 h之前在用油定量磨损趋势平缓,磨粒浓度值变化率较小,属正常磨损阶段,谱片显示磨粒浓度不大,粒度较小,总体为正常磨粒(谱片略),说明该机组在此期间处于正常磨损状况。

8389 h设备突发故障停机,采油样进行铁谱分析,其定量磨损数据略有上升,但分析谱片上存在大量的摩擦聚合物,并出现较多的铜和铝等异常磨粒(见图4),分析认为有大量的摩擦聚合物说明设备出现了高温过载现象,在摩擦面过载和表面局部高温的极压状态下油品发生聚合反应。油中铜和铝磨粒来自于和曲轴匹配的铝合金轴瓦和连杆小端铜套,说明发动机有异常磨损迹象,通过分析认为此次事故为突发机械故障所致,与油品质量无关,建议用户检查高温过载原因并排除故障。

根据上述分析结果,拆机检查发现连杆轴瓦已磨损到可见铜衬底并有多处剥落,连杆小端铜套及销钉发生严重磨损,由于突发过载导致压缩缸活塞和十字头之间的接杆断裂,拆检结果表明与铁谱分析基本一致。因故障较大,相关检修部门对设备进行大修处理,更换了磨损的零部件,换油后对设备进行了试运转。运转22 h后,进行采样分析,直读数据显示磨粒浓度明显升高,磨损率加快,分析有异常磨损,建议缩短采样周期,密切监测设备的磨损趋势及磨损状态。运转200 h采样分析,直读数据显示磨粒浓度较22 h大幅升高,产生了严重的异常磨损(见图3),分析谱片显示有大量异常磨粒,见图5。

图5谱片表明磨粒以铁系为主,有标志着异常磨损尺寸较大的切削和疲劳磨粒,疲劳磨粒表面因高温而呈现黄蓝回火色,并有较多暗金属氧化物和少量铝粒,严重的切削磨粒和疲劳磨粒表明摩擦表面有损伤迹象,黄蓝回火色表明摩擦面温度较高,暗金属氧化物表明润滑有不良迹象,铝粒表明相应部件发生磨损,再次建议停机检查。请专业人员对该机组进行检修,检查后发现压缩缸进排气阀弹簧安装错误,导致设备工作异常,机组发生异常磨损,故障排除后,该机组振动及噪音恢复正常状态。铁谱监测及时诊断了这个故障,防止了二次恶性故障的发生。在运行9211 h铁谱分析显示磨损浓度虽高,但呈下降趋势,异常磨粒较少,变化率趋缓,设备运转平稳,说明故障已经排除。继续对该机组铁谱跟踪监测,11238 h在用油监测定量数据明显降低,磨损趋势及谱片表明设备属正常磨损,设备运转状况和润滑状态正常。

4 结论

(1)ZTP/FTP-X2型直读铁谱仪具有可以接受的重复性和区分性。

(2)通过对固定式燃气发动机-压缩机组的铁谱跟踪监测分析, 结果表明:在实际监测的应用中,铁谱分析技术对机械设备的磨损趋势及故障能进行有效的诊断和监测,可避免异常磨损故障的发生。

参考文献:

[1] 杨其明,严新平,贺石中,等.油液检测分析现场实用技术[M].机械工业出版社,2006.

[2] 杨其明.磨粒分析:磨粒图谱与铁谱技术[M].北京:中国铁道出版社,2002.

[3] 张鄂. 铁谱技术及其工业应用[M].西安交通大学出版,2001.

收稿日期:2009-05-04。

作者简介:丁芳玲(1976-),女,助理工程师,1996年毕业于兰州化工学校化工机械专业,2008年于兰州理工大学化学工程与工艺专业毕业,长期从事润滑油评定工作,公开发表论文2篇。