鐵譜光譜檢測技術(shù)在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中的應(yīng)用
摘 要：介紹以光譜、鐵譜高精密技術(shù)在生產(chǎn)科研中應(yīng)用，分析鐵譜、光譜檢測技術(shù)各自的優(yōu)缺點。利用鐵譜的優(yōu)點檢測機械磨粒的大小；利用光譜的優(yōu)點檢測各元素機械磨粒的ppm值，從中發(fā)現(xiàn)各元素ppm的變化規(guī)律，從而，為預(yù)測維修提供依據(jù)，避免出現(xiàn)重大機械事故，節(jié)約成本費用。
關(guān)鍵詞： 光譜鐵譜技術(shù) 監(jiān)測 診斷 應(yīng)用
設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)是上世紀(jì)七十年代發(fā)展起來的,在近二十年來,發(fā)展較快,并得到了廣泛的應(yīng)用,而且也給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在我局，設(shè)備維修方式正從定期維修為基礎(chǔ)的計劃性維修向以設(shè)備實際運行狀態(tài)為基礎(chǔ)的預(yù)測性維修過渡。我站在建站之初，就開展了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，對不同的診斷對象形成了不同的診斷技術(shù)和診斷方法，其中主要檢測技術(shù)有：溫度檢測技術(shù)、無損探傷檢測技術(shù)、振動檢測技術(shù)、噪聲檢測技術(shù)、車輛檢測技術(shù)、油液分析技術(shù)。本文主要講述的是油液分析技術(shù)中的兩個主要方法-----鐵譜分析和光譜分析。
一、鐵譜分析和光譜分析技術(shù)
設(shè)備在運轉(zhuǎn)過程中，其內(nèi)部各對摩擦副作相對運動，摩擦副處于正常磨損時，產(chǎn)生的金屬磨粒在15μm以下；若發(fā)生異常磨損，產(chǎn)生的金屬磨損顆粒一般較大，個別的甚至超過100μm，油中的金屬元素濃度梯度值陡然增加。機械設(shè)備在不同的磨損狀態(tài)下產(chǎn)生帶有不同狀態(tài)特征的磨損顆粒留存于潤滑油系統(tǒng)中，這些磨損顆粒在尺寸、形貌和數(shù)量等方面都直接反映了機械摩擦副工作表面的狀態(tài)，這是判斷機械設(shè)備工作狀況正常與否的直接依據(jù)。
潤滑油的光譜分析是以發(fā)射光譜為主要手段，根據(jù)物質(zhì)受到電弧、火花等能量的直接激發(fā)會產(chǎn)生光譜，而每個元素有其固定的波長（特征光譜線），這是發(fā)射光譜分析的定性基礎(chǔ)，而光的強度就是定量的基礎(chǔ)。由此可以通過發(fā)射光譜儀迅速正確地得到潤滑油中各元素的種類及含量值，通過數(shù)據(jù)積累以及數(shù)據(jù)處理所得到的規(guī)律或模式相對照，就可以判斷摩擦副的磨損狀況。光譜分析的特點是速度快、分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和適合于大量數(shù)據(jù)的采集。但是該檢測技術(shù)有如下局限性：
（1）它對5μm以下的磨粒發(fā)光，對于大于5μm的磨粒就無能為力；
（2）光譜分析能監(jiān)測油中所含元素的濃度，所反映的是各摩擦副磨損積累的含量，而不能獲得磨粒尺寸和形貌等方面的信息。
鐵譜技術(shù)的創(chuàng)新之處在于它能鑒別摩擦副處于不同磨損狀態(tài)時所產(chǎn)生的不同特征的磨損顆粒，它著重于對金屬磨粒的形貌和尺寸大小的分析。鐵譜技術(shù)能檢測出機械設(shè)備潤滑油中的單個磨粒。借助于鐵譜顯微鏡能觀察磨粒形態(tài)，直觀反映出機械設(shè)備主要摩擦副的磨損情形。當(dāng)磨粒在數(shù)μm以上時，鐵譜技術(shù)的優(yōu)越性將得到很好的體現(xiàn)。同樣，雖然鐵譜分析具有其它檢測技術(shù)所不及的優(yōu)點，但其本身也存在以下缺陷：
（1）分析速度慢，操作繁瑣、費時；
（2）在磨粒識別以及磨損類型、磨損程度和故障判斷方面過多地憑借著人的經(jīng)驗積累，從而限制了其應(yīng)用和普及。
由此可見，每一種監(jiān)測技術(shù)都有自己的長處和不足。只有當(dāng)光譜和鐵譜兩種技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，互為補充、充分發(fā)揮各自特長，才能使機械設(shè)備工況監(jiān)測與故障診斷的成功率得到進(jìn)一步提高。
二、鐵譜光譜監(jiān)測系統(tǒng)
2.1系統(tǒng)的組成
1）鐵譜儀及其輔助儀器：分析式鐵譜儀；直讀式鐵譜儀；鐵譜顯微鏡；光密度儀。
2）光譜儀：M型（美國生產(chǎn)）發(fā)射光譜儀。
2.2系統(tǒng)的分析過程
1）工作流程
鐵譜光譜監(jiān)測系統(tǒng)的流程框圖如下圖所示：
2）數(shù)據(jù)處理
光譜數(shù)據(jù)處理 光譜儀測出的各元素光譜數(shù)據(jù)（ppm）是在一個換油期內(nèi)各磨損金屬元素的總量。對于正常磨損情況，各元素的光譜讀數(shù)在一定范圍內(nèi)波動，同時各元素單位時間的增量值也在一個控制范圍內(nèi)。根據(jù)設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的資料、維修人員的經(jīng)驗以及長期檢測的數(shù)據(jù)，制定被監(jiān)測設(shè)備潤滑油中各元素單位時間的遞增量的控制標(biāo)準(zhǔn)。對于每一個油樣，計算機所接收到所測的光譜數(shù)據(jù)后，先計算各元素的增量值，然后判斷各元素及其增量值是否在控制范圍內(nèi)。若超出，則打印超限的元素及其超出值。
3）磨粒分析
在鐵譜、光譜的定量數(shù)據(jù)表明被監(jiān)測設(shè)備出現(xiàn)異常時，則利用分析式鐵譜儀對同一油樣制取鐵譜片。將鐵譜片放在鐵譜顯微鏡下，利用鐵譜圖像分析系統(tǒng)或由人工進(jìn)行磨粒分析。由此對被監(jiān)測設(shè)備的磨損狀態(tài)做出最終的判斷并提出維修的建議。
4）趨勢分析
如果在利用鐵譜數(shù)據(jù)和光譜數(shù)據(jù)判斷檢測設(shè)備的機械工況的同時，還能準(zhǔn)確預(yù)報設(shè)備未來的運轉(zhuǎn)趨勢（磨損趨勢）的變化，則可對設(shè)備未來的運轉(zhuǎn)情況做到一定程度的掌握，為設(shè)備的未來監(jiān)測與維修提供重要的信息。
三、在設(shè)備管理中的應(yīng)用
鐵譜光譜監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用對象是油潤機械設(shè)備和液壓系統(tǒng)。它不受工作環(huán)境、背景噪聲、工作速度以及摩擦副運轉(zhuǎn)方式等限制，具有較廣的應(yīng)用范圍。在機械設(shè)備日常管理、實現(xiàn)預(yù)測性維修、可靠性分析和壽命預(yù)測方面已經(jīng)和將要起到重要作用。每個油樣分析結(jié)束后，向設(shè)備使用單位提供設(shè)備運行、注意監(jiān)視和停機維修的意見。
實例一、采油一廠氣采站有13臺進(jìn)口壓縮機組，氣舉原油為采油一廠總原油產(chǎn)量的40%以上。幾年來，我們分析在用油品391個，共出數(shù)據(jù)5665個，預(yù)報了32次潤滑不良和異常磨損，先后避免了10次設(shè)備事故隱患，維護(hù)成本下降46%，大修周期延長了三分之一，開機時率國內(nèi)最高，接近美國同類機組水平。下表是采油一廠氣采站11＃、2＃天然氣壓縮機的機油監(jiān)測診斷情況：
11＃、2＃天然氣壓縮機油光譜監(jiān)測數(shù)據(jù)表