石化机械设备润滑油中大粒径磨损颗粒监测技术现状及应用

郭兴建

（中国石油独山子石化分公司研究院，新疆 独山子 833699)

1 引言

工业生产过程离不开大型转动机械设备，设备润滑状态的好坏对于装置长周期、安全、稳定生产至关重要。机械设备运行时，润滑油液中携带着各摩擦副的磨损碎屑。通过对润滑油采样和分析处理，监测在用润滑油中的磨损颗粒情况，能获得设备各摩擦副的磨损状况信息，判断设备异常情况发生的部位和磨损的类型，判定磨损的总量程度，预测可能的失效和磨损率，判断磨损的严重程度和磨损类型等。其中大粒径磨损颗粒（大于15μm的磨损颗粒）能灵敏地反映设备异常磨损，在一定程度上反映机器的磨损程度。本文对大粒径磨损颗粒的监测技术进行了调研总结和分析，对其优缺点进行了比较，并对该技术的发展进行了展望。

2 常用的磨粒监测技术

2.1 铁谱分析技术

铁谱分析技术是将谱片以一定角度倾斜在高梯度强磁场上，使油样流经该磁场，在磁力和重力及其他作用力的作用下，将油样中所含磨损微粒进行小有序地分离，利用铁谱显微镜对磨粒的大小、形态、浓度、成分和分布等进行定性定量观测，得到有关摩擦磨损状态的相关信息。铁谱分析技术通过对微观磨粒形貌、大小及成分的分析，可以直观地了解机械主要摩擦副表面的具体情况。

目前，国内外各类的铁谱仪种类很多。根据磁铁的工作原理来分，可分为永磁式铁谱仪和电磁式铁谱仪。根据实际现场监测方式来分，又可分为离线铁谱仪和在线铁谱仪。还可以按磨粒定量分析与定性的功能进行分类，分为分析式铁谱仪、直读式铁谱仪等。

2.1.1 分析式铁谱技术

分析式铁谱仪可使磨粒依照尺寸大小有序地沉积在谱片上，从而制成铁谱片，之后利用铁谱显微镜等分析仪器，实现对润滑油中磨粒的定性、定量铁谱分析。根据不同磨损机理，磨粒外部形状不同，有块状、条状、球状、锯齿状等。表面形貌也有各有不同，有的磨粒表面存在皱折和划痕，这是在磨粒形成过程中发生过严重滑动所致。有的大磨粒表面附着其他磨屑等等。下图1、2为某大型高速轻载荷机组在用润滑油进行油液监测过程中的磨粒形态。

图1 切削磨粒（放大500倍）

图2 球形磨粒（放大500倍）

分析式铁谱在实际工作中不仅可以测量磨粒的三维尺寸，并且可以判别磨粒的材质，所以该方法所承载的信息量丰富，是目前在线、旋转式铁谱所不具备的，该方法也是国内各监测单位对于润滑油中大颗粒监测的重要手段，对目前的油液监测工作意义重大。

2.1.2 直读式铁谱分析技术

直读式铁谱仪也是利用高梯度强磁场来收集油样中的铁质磨粒。下图3、4为某大型低速重载荷机组在用润滑油进行油液监测过程中的2017．1～2018．1直读数据。

2.1.3 在线铁谱分析技术

在线铁谱仪与离线铁谱仪最大的区别，在线铁谱仪是现场固定使用，安装在转动设备的回油管线上，可以实时监测在用润滑油中的磨粒浓度。安装示意图如图5所示。

2.1.4 旋转式铁谱分析技术

旋转式铁谱仪是利用磁场力和离心力共同作用沉积磨粒的铁谱仪。在制成的谱片上，其磨粒排列成内、中、外三个同心圆磨粒环，在同心圆磨粒环之间有一定的间隔。按其尺寸大小分别排列在基片上。

在采用旋转式铁谱仪制谱片时，不必稀释油样，还能避免磨粒沉积时的堆积问题，也不会发生磨粒受蠕动泵的挤压而破碎的现象。对于含有大量磨粒和污染物的油样，极为实用。

图3 磨损严重度指数趋势图

图4 大、小磨粒浓度趋势图

图5 安装在润滑系统中的在线铁谱仪

2.2 磁塞法技术

磁塞法是将磁塞插入在用润滑油油路中的，安装位置应保证在轴瓦的回流线上，在距离轴瓦较近位置，在颗粒较易汇聚处。安装运行之后，其通过磁力收集铁磁性磨粒。若发现均匀分布的磨粒，尺寸小且数量较少，这是正常磨损阶段的特征。如果发现磨粒尺寸较大，应该立即严密注视机器运转情况。如果情况继续恶化，应立即采取必要的措施。

2.3 ICP元素光谱技术

ICP元素光谱技术是利用等离子火焰作为激发源，通过高频线圈将惰性气体（氩气）高度离子化，将其点燃后产生极高温度的等离子火焰区，将油样吸入，极高的能量激发其原子辐射出特征光谱线。

ICP有较好的精密度，且对周期表中多数元素均有较好的检出限。ICP元素光谱激发所要的油样很少，大颗粒在油中的随机分布，能被ICP元素光谱激发的大颗粒很难确定，所以对大颗粒分析并不敏感，即使通过对样品进行消解前处理，也只是将样品中的所有颗粒全部溶解形成均一溶液，对大颗粒分析并不敏感，但对均匀溶解态样品中所含元素的含量有准确的测定。所以如果通过直接从在用润滑油油路中取样，无法确认分析成分具体是何类颗粒，应结合其他方法进行具体分析。

表1 几种大粒径监测技术对比

3 大粒径监测技术对比

几种大粒径监测技术对比如表1所示，每种技术都各有特点。在实际监测中，应该努力发掘一种检测技术潜力，但同时必须寻求多种检测技术的联合使用。

4 国内外大粒径磨损颗粒监测技术应用情况

美国、德国对大粒径磨粒监测比较重视，目前主要是通过铁谱分析和滤膜分析的技术进行分析。采用不同等级的滤膜（5微米、10微米、20微米等）将大颗粒物理分离，通过显微镜进行甄别、观测、分析。

国内主要是运用铁谱分析诊断技术对机器润滑油（脂）的机械磨损产物，特别是大粒径磨粒进行分析。在不拆机的情况下，监测机器的磨损状态，预测可能发生的故障以及判断故障的位置和原因。运用于各类大型机组、液压系统和转动零部件的油液监测，具有磨损故障早期诊断的效果，从而为设备状态监测人员提供宝贵的信息，避免机械事故的发生。

5 总结与展望

目前国内外在用润滑油中大粒径磨粒的分析技术，主流采取的是铁谱分析技术，直观的观测磨粒形貌。对于含有大量磨粒和污染物的油样，大多采用旋转式铁谱仪，可以避免磨粒沉积的堆积和磨粒受蠕动泵挤压发生破碎等问题。故旋转式铁谱仪是一种简便、快捷、廉价的磨粒分离工具。由于ICP等离子光谱技术对均匀溶解态样品中所含元素的含量有准确的测定，所以含有大颗粒的监测样品可以通过进行消解，利用现有的ICP等离子光谱技术进行针对性的分析。

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