柴油机润滑油污染监测方法研究

石新发,刘东风,,李广太,李 莎

(1.91663部队,山东青岛 266012;2.海军工程大学青岛油液检测分析中心,山东青岛 266012)

柴油机润滑油污染主要指磨损颗粒、油泥、积碳、粉尘、水和燃油等物质的污染。正常情况下,柴油机的冷却系统、燃油系统和润滑系统是相隔离的,与以上几种物质的污染相比,水污染、燃油稀释是柴油机的故障现象,会造成润滑油性能的迅速下降,引起柴油机的异常磨损,除故障出现并且延续外,水污染、燃油稀释的表征指标没有时间依赖性。对水污染、燃油稀释的诊断原则是早发现,早解决,避免故障延续。

1 水污染的监测

1.1 水污染原因及影响

柴油机润滑油水污染的主要来源有两个:冷凝水和冷却系统泄漏。柴油机启停工况和工作温度较低时,空气中水蒸气凝结进入润滑油,但当柴油机达到正常工作温度时,会被蒸发,所以冷凝水不作为污染监测的重点。舰用柴油机采用的基本都是闭式冷却系统,冷却水泄漏通常有淡水系统泄漏和海水系统泄漏,泄漏故障原因很多,既和柴油机本身有关,又与辅助系统有关,比如汽缸盖垫圈密封不良、缸套或汽缸盖裂纹、润滑油冷却装置密封不严及冷却系统管路裂纹等都会造成冷却水泄漏进入润滑油,该部分水量较大,一旦泄漏故障出现,如果没有得到及时排除就会有量的积累。

水污染不但对润滑油物理稳定性有影响,还对润滑油的化学稳定性有影响,水与添加剂反应使添加剂沉积,促进润滑油氧化生成酸类物质,油泥增多,产生沉淀堵塞管路;还可以造成润滑油乳化,降低油膜强度或难以形成油膜,使润滑效果变差,磨损加剧。另外,海水有较强的腐蚀性,加剧柴油机的零部件腐蚀和锈蚀,产生异常磨损。

1.2 监测方法

柴油机润滑油含有大量的清净分散剂,且处于高温、高剪切和高速搅动的工作环境,进入润滑油的水分很容易蒸发,含水量达不到一定程度时,润滑油的进水故障很难被发现。润滑油中的水使润滑油性能大幅度下降,导致柴油机运动部件产生异常磨损。

本文采用了原子发射光谱仪、傅立叶变换红外光谱仪和精密水分测试仪对采集的油样进行了检测分析,其数据见表 1。

通过分析表 1数据,精密水分仪检测到在0.2%以下水含量时,红外光谱水含量指标基本上为 0,如 2、3、4、5号油样,在精密水分检测到水含量较大时,二者的表征结果是一致的。在实验中选取了几种常用柴油机润滑油新油进行精密水分检测,其数据见表 1,在储存或运输中各种牌号的新油中已经含有 0.1%左右的水分。

表1 油样原子发射光谱数据表

红外光谱油品分析系统采用的是差谱分析法,即在用油的红外光谱与新油的红外光谱进行差减后得到在用油的红外光谱指标值,其检测到的是相对水含量,由于新油已经含水,经差减后水分吸收峰很有可能被削减;而精密水分仪检测到的是绝对水含量。所以,红外光谱测得的水含量普遍较精密水分仪测得的水含量低。冷却水泄漏为故障现象,正常情况下,润滑油中水的相对含量是低于红外光谱油品分析系统所能检测的水含量的最低限度0.1%,红外光谱检测不到水。

海水中含有大量的 Na、Mg等元素,部分冷却淡水缓蚀剂也含有 Na、B、Si等元素,在某些润滑油中的添加剂中也含有这些元素,柴油机正常运行时,这些元素在润滑油中的含量基本上不会变化,如果出现冷却系统泄漏,冷却水中所含的元素也会进入润滑油,即使在高温、高速搅动环境下水被蒸发,这些元素也会保留在润滑油中,相应元素的原子发射光谱数据就会增大,这是确定冷却系统泄漏的一个重要依据。由表 1可以看出,原子发射光谱数据中的 4、5号油样中的 Na、Mg元素数据较高,明显存在泄漏进海水现象,而在表 1中精密水分检测到的水含量较低,红外光谱检测到的水含量指标为 0,说明仅仅靠水含量来判定冷却水泄漏是不可靠的,只有当润滑油进水量较大时,如 1、6、7号油样,故障才能被检出。

2 燃油稀释的监测

2.1 燃油稀释原因及影响

燃油稀释主要有以下原因:喷油器故障,燃油雾化不良,缸套/活塞间隙过大和燃油系统泄漏。燃油稀释将降低油膜强度、润滑油的密封能力和清净能力,还将引起润滑油粘度、闪点下降,影响润滑油的物理稳定性,造成柴油机磨损加剧,闪点下降,会使柴油机运行的安全性下降。

2.2 监测诊断方法

燃油稀释的检测方法通常有闪点法、粘度法、比重实验、色谱分析,但这些方法实验费用较高、耗时较长,在日常的监测中很难实施;另一个方面由于燃油和润滑油的基础油物理化学性质比较相似,上述方法很难准确定量的对污染水平进行诊断。本文采用了红外光谱法对油样进行检测分析,发现部分油样有燃油稀释现象,并进行了闭口闪点测试,具体数据见表 2,其中 C、O、N、S、F、ZDDP(二烷基二硫代磷酸锌 -抗磨添加剂)分别代表润滑油中的积碳、氧化产物、硝化产物、硫化产物、燃油稀释水平、ZDDP。

表2 燃油稀释油样数据表

通过对表 2数据的对比发现,红外光谱指标中的燃油稀释值和闪点下降幅度有一定的对应关系,2、3、4、5号油样为同一台柴油机油样,可以看出随着燃油稀释的加大,其闪点下降幅度很明显。正常情况下,润滑油系统和燃油系统是相隔离的,润滑油中不会含燃油或含极少量燃油,本文所使用的红外光谱油品分析系统的燃油稀释最低检测限为2%,油样是检测不到燃油的。

在对燃油稀释的诊断中,可以借助于红外光谱的其他指标对燃油稀释原因进行诊断,从而更加明确的掌握柴油机的状态,如 1号油样,从其积碳、氧化产物、硝化产物、硫化产物指标看,积碳、氧化产物两项指标为零,可以判定燃油雾化是正常的,从其硝化产物、硫化产物指标来看,吸光度值也不高,说明活塞环密封性能较好,从上述分析可以判定其燃油稀释是由于燃油系统泄漏引起的,同理,可以判定 2、3、4、5号油样对应的柴油机的燃油系统也存在泄漏现象;6号油样的积碳吸光度值较高,其氧化产物、硝化产物、硫化产物不高,是由于柴油机燃油雾化不良或缸套/活塞间隙过大造成的燃油稀释。

从表 3的原子发射光谱数据可以看出,存在燃油稀释的油样对应的原子发射光谱数据未见异常,说明燃油稀释还没有引起异常磨损,但是已经形成故障隐患,同时也说明红外光谱对原子发射光谱起到很好的补充作用。

表3 油样发射光谱数据

3 污染监测流程

目前,油液监测实验室润滑油监测主要有两种情况,一种侧重于磨粒分析,较少进行油品监测,因此获得的监测信息减少,导致监测诊断的准确率和故障检出率降低;另一种把磨粒分析和油品监测都作为重点,在油品监测方面主要采用常规理化指标分析,理化性能指标检测方法虽然测试项目详细、方法比较成熟,但是耗时长,实验费用高。

经过实践,按照图 1流程对柴油机润滑油污染进行监测诊断,能有效地对故障和润滑油状态进行诊断。

图1 柴油机润滑油水污染、燃油稀释污染监测流程图

该流程可分为 3个环节:例行监测、数据处理与状态判别、外来污染的诊断与润滑油状态评价。①例行监测环节:该环节采用原子发射光谱仪和傅立叶变换红外光谱仪组合应用完成对润滑油的监测,实践证明二者组合能够准确的反映水污染和燃油稀释、磨损产物、衰变产物、添加剂损耗的增加和减少,不但能够较全面的提供润滑油信息,而且经济、快捷。②数据处理与状态判别环节:该环节主要针对上一环节所得数据进行数学分析,判断润滑油油品状态。③污染的诊断与润滑油状态评价环节:在此环节中,主要对存在受污染的润滑油进行详细的诊断,如对冷却水泄漏故障判断是淡水系统泄漏还是海水系统泄漏,对燃油稀释的诊断判断是燃油泄漏还是其他原因等,并且能实现被污染的润滑油性能评价以确定其使用性能。

4 结论

润滑油的水污染和燃油稀释是柴油机主要的故障源之一,如果不及时消除将会引起磨损故障,影响柴油机的正常运行。实践表明,本文提出的柴油机润滑油污染监测流程能够可靠的反映磨损产物、衰变产物、添加剂、水污染和燃油稀释的增加和减少,并能利用指标间的相互关系对故障进行相应的诊断,在柴油机润滑油水污染和燃油稀释的监测中取得了很好的效果,提高了监测的工作效率和故障检出率。