铁谱分析技术在石化行业的应用及前景展望

太原理工大学 孙志伟 段滋华

广东石油化工学院 宣征南

论述了铁谱分析技术在国内外各行业的研究和应用现状及其在石化行业的应用前景，讨论了铁谱分析技术应用的最新进展，认为铁谱分析技术的研究热点是建立摩擦学系统的铁谱磨损数学模型、多种油液监测技术综合使用、磨粒自动识别技术和新型在线铁谱仪研制与开发。根据分析论证，认为铁谱技术可以为石油化工设备的安、稳、长、满、优运行提供有力的保障。

一、引言

石化行业是我国的支柱产业，在我国国民经济的发展中起着举足轻重的作用。石化行业又是一个高风险的行业，有着自己的行业特点：（1）石化生产中涉及物料危险性大，发生火灾、爆炸、群死群伤事故几率高；（2）石化生产工艺技术复杂，运行条件苛刻，易出现突发灾难性事故；（3）装置大型化，生产规模大，连续性强，个别事故影响全局；（4）石化装置技术复杂、设备制造、安装成本高，装置资本密集，发生事故时损失巨大。因此保证石化机械设备安全可靠运行是十分必要的。

机械设备运行过程中磨损是不可避免的，所造成的损失也是巨大的。因而进行机械设备磨损状态监测对提高机器的可靠性和延长寿命，减少维修费用具有重大的意义。

油液监测是机器状态监测的重要手段之一，目前油液监测分析方法包括磁塞检测法、光谱分析法和铁谱分析法等。其主要检测范围见表1。

表1 各种油样分析法主要检测范围

由表1可看出，与其他方法相比，铁谱分析法具有以下优点：

1.磨粒尺寸检测范围宽

大量统计资料表明，磁塞检测和光谱分析分别只适用于检测尺寸较大(＞100μm)和极微小磨粒(＜10μm)，而大多数设备失效期磨粒特征尺寸多在15-200μm之间，当磁塞检测收集到一定数量的大磨粒时，可能设备中的某些零件已经损坏，故磁塞检测早期损坏预报的可靠性较低。铁谱分析的磨粒尺寸在1-1000μm，包含了对于磨损状态识别和故障原因诊断具有特殊意义的尺寸范围。

2.能同时进行磨粒的定量检测和定性分析

光谱分析法尽管能精确测量油样中小于5μm的磨粒含量和成分，并以此为依据判断机械设备的磨损状态，但是限于其工作原理，它不能分析磨粒的形态，无法将磨粒按尺寸大小均匀排列，即无法定性分析，只能对磨粒进行定量分析。

磁塞检测法能够有效地检测出上百μm甚至mm级的磨粒，若辅以检测过滤器，亦可收集摩擦副的有色金属磨粒，但难以进行定量分析。

铁谱分析技术较光谱方法、磁塞检测法的一个最大优点就是能够同时实现对磨粒的定性检测和定量分析，不仅观察磨粒的类型、形态、尺寸、颜色、表面特征与结构等还可以测量磨粒量、磨损剧烈程度、磨粒材质成分等，这既给分析机械设备磨损状态、故障原因和研究设备失效机理等提供了全面而宝贵的信息，又大大提高了机械设备状态监测的可靠性。

3.能准确监测机器中一些不正常磨损的轻微征兆，具有磨损故障早期诊断效果

铁谱分析技术的另一个优点是它能准确检测出机械设备中一些不正常磨损的轻微征兆，如早期的疲劳磨损、粘着、擦伤与腐蚀磨损等，从而可为设备状态检测人员提供宝贵信息，避免机械事故发生。

可见，铁谱分析技术可以简便而有效地从润滑油中分离出有价值的磨粒；同时，铁谱分析还可以观察磨粒的表面形貌、颜色等，从而能获得更为丰富的关于机器磨损状态及其机理的信息，以实现机器磨损状态的有效监测与诊断。这些优点，是其他油样分析方法所无法比拟的。因此，利用铁谱分析技术对石化设备磨损进行故障诊断是十分合理的，不但可以对设备的磨损状况进行定性检测和定量分析，还可以准确监测机器中一些不正常磨损的轻微征兆，具有磨损故障早期诊断效果。

二、技术进展

铁谱技术(Ferrography)是20世纪70年代出现的一种磨损颗粒分析新技术，美国麻省理工学院W.W.Seifert和美国Foxboro公司V.C.Westcott于1970年最早提出其原理，并于1971年研制出用于分离磨损颗粒并进行观察分析的仪器——铁谱仪和铁谱显微镜。它的原理是利用专门设计的高梯度强磁场装置，把油样中金属磨粒分离出来，使其按照尺寸大小依次沉积，然后进行磨粒粒子特征的定性和定量分析，以获得机械磨损的可靠信息，从而分析机器的磨损机理和判断磨损的状态，并作出运转设备故障预测等。

铁谱分析技术对于摩擦系统的各种摩擦故障的诊断十分敏感，它可在不停机的情况下通过分析油液中的微粒，检测出系统中一些不正常磨损的轻微征兆。上世纪80年代，铁谱技术逐步传入我国并得已发展。而今铁谱技术在国内外应用范围涉及石油化工、生物、医疗工程、航空、航海、铁路等各个领域，并在发挥越来越重要的作用。

铁谱分析技术最初用于飞机发动机的状态监测，20世纪70年代D.Scott和V.C.Westcott对飞机发动机润滑油中铁元素磨损磨粒的分析式铁谱检测表明：润滑油中金属铁磨损磨粒的粒径稳定在2～3μm时，发动机磨损状态未发生异常。由此揭开了以磨粒为信息载体对机械设备进行磨损监测诊断和磨损机理研究的新篇章，并且推动了摩擦学的发展，产生了微粒摩擦学的概念。

铁谱分析技术的发展主要体现在理论方法的不断完善和仪器设备的不断改进两方面。

在理论方法上，铁谱分析技术最初是对磨粒进行定性分析，单纯依靠磨粒的尺寸判断设备磨损状态，因该方法需要积累大量的经验，不利于推广；随后有了进一步的发展，根据谱片上磨粒的数量、形状、粒径、表面形貌及颜色综合进行判断，这种方法将磨粒进行分类并给出了产生磨粒的原因，只要根据观测到的磨粒类型就可以判断设备故障原因及其部位，但该方法最主要的缺点就是如果设备中含有大量的摩擦副，那么正常磨损时也会产生较多的异常磨粒，很容易造成误判，从而导致不必要的损失；于是对磨粒进行定量分析的方法应运而生，根据大、小磨粒的浓度值，结合磨损烈度指数、累积总磨损、累积磨损烈度、磨粒浓度、大磨粒百分比等多个参数利用统计学原理做出磨损状态趋势图对设备磨损状态进行判断，与定性分析方法形成互补，极大的提高了对磨损状态判断的准确性和可靠性。近年来，为了满足一些特殊场合的需要，又产生了一些新的方法，如为了判断磨粒的材质以便准确判断故障发生的部位，可以采用铁谱片加热法或偏振光法，根据磨粒加热后不同的回火色或偏振光下光强的变化进行判断；当设备中含有非金属和非磁性材料时，这些材料产生的磨粒沉积是随机的，且在大多数情况下无法捕捉(捕捉率只有15%)，这时可采用磁化铁谱分析技术，利用磁化液中存在大量均匀分散于溶剂中的强磁性超微粒吸附磨粒表面使磨粒磁化，从而使这些磨粒可以被正常捕捉。这些方法的不断完善使铁谱技术在对设备磨损状态判断的准确性和可靠性上有了极大的提高，而随着现代工业要求的不断提高和科技的不断进步，铁谱分析技术的方法也将不断进步。

在仪器设备方面，已经开发出了分析式铁谱仪、直读式铁谱仪、旋转式铁谱仪、气动式铁谱仪等适用于不同场合的多种设备。如当油样取自采煤机械等含有大量外界污染物的设备时，铁谱片上往往会覆盖一层煤粉或其他污染物，若采用旋转式铁谱仪则可以借助离心力甩除那些往往磁化率很低的污染物留下真正反映磨损状态的磨粒起到“去伪存真”的作用；而当需要进行干磨料磨损条件下磨粒分析时，采用气动式铁谱仪可以将磨粒与沙子或其他粉状物料分开并按照尺寸大小有序的沉积在玻璃基片上，既快捷又便于观察分析；近年来，为避免蠕动泵输送油样时将大磨粒挤碎影响分析，改为采用气压的方式；而为克服其他铁谱仪需从机器中先取油样，再送入分析室进行分析，不利于随时发现问题，有时甚至因为间隔时间过长导致报告得出时设备已经发生故障的缺点，又开发出了安装在油路上，实现现场监测设备工况的在线式铁谱仪。

铁谱分析技术限于其对监测人员的技术水平和经验要求较高，且建设实验室投资成本较高，因此目前相关实验室多建在高校或专门的油液监测机构。据相关文献记载，目前铁谱分析技术在航空、远洋航海及陆路交通等方面应用较多，在石化行业的应用尚未普遍开展。

三、研究热点及问题

近年来，铁谱分析技术的研究热点主要集中在油液在线监测和磨粒自动识别与分析两方面。

1.油液在线监测

油液在线监测主要是依靠在线式铁谱仪对设备工况实现现场监测，一方面极大的缩短了油样提取和结论得出之间的时间差，使得操作人员可以及时收到分析报告，便于对设备的实时监测；另一方面省去了严格繁琐的油样提取步骤，避免由于取样不规范，没有获取具有代表性的油样而导致分析结果不准确，对设备状态误判，造成严重后果。

但在线式铁谱仪并不是完美无缺的，它自身的局限性使其并不适合在石化行业广泛应用。

首先，目前在线式铁谱仪都只能对油样进行定量分析，无法通过对磨粒数量、形状、粒径、表面形貌及颜色的定性分析来判断设备故障发生的部位和原因，即只能进行状态监测而无法进行故障诊断。同时，由于石化行业的设备普遍具有大型、复杂、重载的特点，设备中有大量的摩擦副，运行时会产生比其他设备更多的磨粒，只依靠定量分析有可能会得出错误的结论，从而造成不必要的损失。

其次，石化行业的设备中包含大量的齿轮和轴承，这些摩擦副产生的磨粒中含有大量非铁磁性成分，在线式铁谱仪依靠电磁铁对这些磨粒的沉积效果并不好，且无法通过加磁化液的方法使这些磨粒具有磁性以增加沉积效果，因此有可能没有及时预报故障而造成损失。

第三，石化行业的设备众多，而目前在线式铁谱仪由于通道数的限制只能同时对少量设备进行监测，若要实现大量设备的同时监测只能依靠多台在线式铁谱仪，必须投入大量的资金。

2.磨粒自动识别与分析

自铁谱分析技术产生以来，磨粒识别与分析就是其中的核心内容，但长期以来，磨粒识别与分析始终依靠技术人员借助铁谱显微镜来实现，因而其结论的准确性过分依赖技术人员的经验，且消耗了大量的人力，又增加了结论的主观性。近年来，随着计算机技术、图像分析理论、模糊识别技术、人工神经网络技术等的产生和发展，以此为基础的磨粒自动识别与分析已成为国内外研究的热点。

磨粒自动识别与分析主要是利用扫描摄像机将显微镜里的图像输入到图像分析仪中，按照给定的灰度反差对磨粒的轮廓特征、边缘细节、表面纹理、颜色粒度等进行识别，并按照一定的优先顺序得到相关信息，再依靠铁谱分析专家系统得出最终的结论，这可以节省大量的人力同时也使分析结果更加客观准确，因此其在拥有大量设备且对监测结果准确性要求极高的石化行业有着广泛的应用前景。但这项技术涉及到多学科的交叉领域，目前仍处于探索阶段。

四、前景与展望

利用铁谱监测技术进行在线磨损监测和自动故障诊断是近期研究的热点，但设备的状态监测是一个复杂的系统工程，它要求油液分析不仅包含对现役设备磨损状况的监测，而且包含对磨损产生原因的判断，以及是否会产生故障的预判。在这方面国内外都已经做了一些工作，但主要是对某种设备磨损状况进行监测，并根据其对应的谱图判断磨损原因，对监测人员的经验要求较高，检测周期较长，还没有对磨损量和铁谱分析结果间的对应关系进行定量分析，且没有推广到所有设备。因此未来铁谱监测技术将朝着智能化、现场化、远程化、综合化的方向发展。其可能发展方向如下。

1.建立摩擦学系统的铁谱磨损数学模型

影响设备磨损的重要参数有很多，包括摩擦副材料特征、磨粒生成机理、运动轨迹、工况负荷变化时磨粒生成与损耗的动态过程等，并且各个参数之间还存在相互影响，将这些参数量化并建立摩擦学系统的铁谱磨损数学模型，不仅可以提高设备磨损定量分析的客观准确性，而且加强了铁谱分析技术的现场应用能力，同时也为设备磨损状态自动识别和故障诊断提供了依据。通过大量的实验找出规律将是今后研究的重点和难点。

2.多种油液监测技术综合使用

铁谱分析技术与其他油液监测技术（特别是常规理化分析）综合使用，对现代企业而言，设备的润滑故障诊断在一定程度上比机械磨损故障诊断更为重要，因为设备的润滑故障往往是导致设备磨损故障的主要原因，要从根本上减少甚至避免设备的异常磨损，加强油液理化性能监测，保持设备良好润滑状态是必不可少的，而且与铁谱分析技术相比，常规理化分析较为简单，因此如果对油样先做常规理化分析，判断其理化性质有否明显改变，做到快速判定润滑故障发生的原因，这样不但可以节省人力和时间，还可以提高监测的准确率。

3.磨粒自动识别与分析技术的研究

磨粒自动识别与分析技术的研究，需要借助图像分析理论、模糊识别技术、人工神经网络技术等多学科的交叉使用，将自动识别的磨粒图像经过处理后与标准图谱数据库进行对比分析，最后由故障诊断专家系统得出结论。

4.新型线式铁谱仪的开发

开发一种多通道，并且能利用超声波技术进行定性分析的新型在线式铁谱仪，既保留了传统在线式铁谱仪监测方便快捷的优点，又可以依靠超声波穿透力强的特点提高监测的准确性，在石化等对监测速度和准确性都要求较高行业中有广泛的应用前景。

5.利用网络技术，搭建企业与科研机构之间的桥梁，进行在线技术支持和远程故障诊断，在科研机构为企业提供技术支持的同时，企业也为科研机构提供课题和研究方案，两者相互促进提高，这也是铁谱分析技术努力追求的未来目标。

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