深圳亚泰光电技术有限公司    邹军发

    摘要：本文分析了影响光谱仪在油液分析中可靠性的影响因素，提出了关于光谱仪可靠性的几点考虑，对光谱仪在油液分析中的可靠性问题进行了研究，以确保光谱仪的可靠性。

关键词：光谱仪、可靠性、油液分析

引言 

    磨损和腐蚀是现代石化设备的两种失效形式，其中磨损失效占60%到80%[1,2]。现如今，油液分析技术广泛用于石化设备的状态监测和故障诊断。通过油液分析技术进行石化设备性能改变的监测和油液磨粒的分析，可以获得机械润滑和磨损状态的信息，从而可以评估和预测机械设备运行状态，进而确定失效原因和失效形式[3]。在分析过程中，理化指标分析可以有效地监测设备的润滑状态，油料光谱仪对磨粒进行定量的分析[4,5]。将多种监测手段获得的信息进行融合，得出诊断结论是十分重要的。  

    高压锅炉给水泵A和高压锅炉给水泵B是石化公司的核心设备，它们的功能是提供14.5MPa和135 ℃的锅炉给水给裂解炉鼓，释放高压蒸汽驱动分馏气体压缩机涡轮。一旦两机械设备失效，整个乙烯生产将会瘫痪。即使技术人员这些年积累了一些故障诊断的经验，但缺少进行科学的分析和诊断，因为他们的经验判断得不到设备实际运行状态参数的验证，因此对锅炉给水泵的诊断精度较差，光靠他们的经验判断显然不能满足设备长期运转的要求。石化公司要求炼油设备可以长期运转和定期设备检修。通过检测油液污染物、润滑油金属磨损程度以及趋势可以及时对设备进行状态监测和故障诊断。 

    在机械故障诊断中，油液分析通过获得的参数能很好地判断设备的润滑磨损状态，指导维修决策，因而被广泛采用。光谱仪应用于机械油液分析中，是油液分析所采用的重要手段之一。光谱油液分析方法适用于任何封闭式循环润滑系统，例如燃气轮机、柴油机和汽油机、变速箱、齿轮箱、压缩机水压系统中的润滑油液。[6]光谱仪是具有较高精确度及重复性的快速实验室用油液分析仪器，具有快速、准确、方便的特点。[7]因此，研究其应用可靠性具有十分重要的意义。

1.发射光谱学原理

    光谱仪一般用于检测和定量分析存在于小悬浮微粒中或溶解于天然或合成石油产品中的元素。光谱仪在油液分析中的应用包括机器油液分析和燃料油分析，机器油主要为润滑油和液压油。

    光谱仪采用的是发射光谱原理，发射光谱学(OES)是一项用于检查和定量分析材料中组成元素的技术。OES利用每个元素都有其特有的原子结构的事实。当吸收到附加的能量时，每个元素发出特有波长的光，或颜色。因为没有两个元素有相同的光谱线，所以元素能够被分辨出来。发射光谱线的亮度与对应的元素在油样中的数量成正比，这样可以确定元素的浓度。在通常情况下，激发之前，每个元素的电子以它的最低能量旋转，称为“基态”。在激发过程中，辐射源的能量被传递给油液或燃料，导致样品汽化。原子中的电子吸收能量并暂时被迫离开其原子核而到达一较高的、不稳定的运行轨道。在达到此不稳定状态后，电子释放所吸收的能量并返回基态或稳定状态。所释放的能量是一特定值，与受激原子内电子跃迁的能量变化值相对应。能量以光的形式发出，此光线有一固定的频率或波长(频率与波长成反比)，其由电子跃迁时的能量决定。由于有些复杂原子的许多不同电子可能会有多种不同的能量跃迁，所以会发出许多不同波长的光线。这些光谱线唯一地对应于某种元素的原子结构。光谱线的强度正比于样品中被测元素的浓度。如果在样品中存在不止一种元素，则对应每个元素将分别会出现明显不同波长的光谱线。为了辨别和定量分析在样品中出现的元素，必须分开这些谱线。通常在许多可能的选择中只有一条光谱线被选来决定某一元素的浓度。被选谱线一般亮度较大，并能免受其它元素光谱线的干扰。为了实现这个目的，需要一套光学系统。所有的发射光谱分析仪系统都由三个主要部分组成。它们是：1)激发源，2)光学系统，3)读出系统。

元素分析光谱仪原理图

    油液分析在过去几十年里得到了迅速的发展，它的市场比军事应用场合更加广泛，基于油液分析的机器状态监控技术在所有以下工业场合都获得应用: 商业实验室、铁路、航空、公共交通运输公司、发电厂、采矿、提炼化学处理钢铁厂、制造业、船队、军事部门等。光谱仪作为油液分析的一种手段，应用也十分广泛。不管何种应用场合，一套完整的设备管理程序都应该为用户节省成本和提高效率。

2.影响光谱仪可靠性的因素

    可靠性是指产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的能力。提高产品的可靠性，能使产品总的费用降低。[8]要研究光谱仪的可靠性问题，首先要分析影响光谱仪可靠性的因素。光谱仪平时可能长时间处于非工作状态，或者只有少量时间处于工作状态而大部分时间处于休眠状态，所以设备的非工作期和工作期可靠性需要同时考虑。

2.1 影响光谱仪非工作期可靠性的因素及影响结果

    在非工作期中，影响光谱仪可靠性的主要因素是温度、湿度和腐蚀作用。如果光谱仪不是长期贮存于温、湿度恒定、适宜的良好环境条件下，而是放在温度、湿度随外界环境、气候变化明显，则其各构成部分的性能会不同程度地受到影响，具体情况分析如下。

2.1.1高温环境的影响

    高温造成润滑油（脂）粘度下降、蒸发和产生沉积，降低润滑、防尘性能，可导致机械传动部分如工作可靠性下 降，也影响到光学系统的防霉、防尘性能。高温加速金属氧化，使金属构件强度降低，使电路接插件、接触点接触性元器件等的传导电阻增大，影响电路系统工作可靠性。高温加速橡胶、塑料件老化，导致相关结构失效，比如排气管等。

2.1.2低温环境的影响

    低温造成润滑油（脂）粘度和浓度增加，光谱仪器长期放置于高、低温交替变化的环境中会造成润滑油脂干涸，使机构动作不正常，并影响到调整、校正性维修工作的正常开展。物质的低温物理收缩特性可能改变那些加工精度不高、凭借密封圈设备的整体气密性。低温使橡胶、塑料件脆化或弹性降低，使计算机系统的硬件等的抗损坏能力明显下降。

2.1.3高湿度环境的影响

    光谱仪长时间处于高湿度环境会导致潮气侵入内部，尤其是在闷热的雨季，高湿度与高温综合作用，会导致霉菌加速繁殖，造成光学透镜表面薄膜侵蚀，严重时因霉菌吸附水分和分泌腐蚀性液体，导致玻璃腐蚀而使分划板等光学件报废。一量光学元件报废，那将无法进行测量。高湿度会增加金属的锈蚀速度，降低机械构件强度、阻碍活动部分的动作，造成电子元器件管腿腐蚀、接插件接触不良等可调整元件接触电阻增大、可靠性下降。

    潮气侵入光谱仪设备内部后，如果气候转入低温状态，潮气可能冷凝于光学玻璃的表面，影响光学系统的观察性能。同时，试验完成后清洁不良，余留下的碳粉一旦附着在电路元件中，会产生离子玷污，则容易产生微短路通道，影响电路系统的工作可靠性，甚至导致复杂系统中元器件密度较高的电路板出现功能失常现象。此外，光谱仪的计算机系统也不能受潮，受潮后，计算机的硬件将会受到极大的影响，比如计算机硬盘不能读取数据等等。
2.2影响光谱仪工作期可靠性的因素分析

    一般来说，应用于机械油液分析系统的光谱仪设备在工作期的工作环境条件（除了实验室外）都比较差。工作时，除前面已讨论的高温、低温、高湿度及其相关的霉菌、电化学腐蚀等因素外，常见的还有振动、冲击、雨雪、盐雾、风、砂尘、噪声干扰等。

    振动、冲击的影响主要是机械应力，导致机械构件松动、裂缝、折断、变形。一般来说，对于光谱仪这种精密仪器，是不允许出现振动和冲击的。如果光谱仪在特殊的条件下工作，周边出现有雨雪、海边盐雾等，那么这些环境因素会加速化学反应，侵蚀防护镀层，并可能使潮气和侵蚀性气体渗入光谱仪内部，造成内部构件腐蚀和电路绝缘性能下降。风与砂尘的共同作用会增加暴露的光学表面及其它构件表面的磨损，干燥环境中的风砂与试验完后余留下的碳粉还可能造成静电荷增多，产生电噪声。通常情况下，噪声对光谱仪的影响是比较小的。

3.实例分析

    试验采用美国OSA公司MetalCheck油料分析光谱仪对不同季节下10号标油进行检测，其检测的结果如下： 
 


    表1、表2表3分别为温度、湿度和正常情况下10号标油的检测数据结果。光谱仪为十分精密的仪器，其检测结果十分准确，10号标油的光谱检测数据中各元素的数值应全部接近于10。从表1和表2中可以看出，在低温和高温高湿度条件下，10号标油的检测结果或多或少的有些偏差，这表明，原子发射光谱监测仪器的可靠性出了问题。而在温度和湿度正常的情况下，表3检测出来的结果是可靠的。

4.提高光谱仪可靠性的几点考虑

    有针对性地改善光谱仪设备非工作期贮存环境。实践证明，充分利用各种条件改善光谱仪存放的环境可以取得事半功倍的效果。非工作期间光谱仪设备一般放置在实验室等贮存环境较好的地方。平时亦可将光谱仪置于通风（避免阳光直射）处自然干燥，以降低设备的局部环境湿度。在阴雨天气时应紧闭门窗，可以在一定时间内保护设备免受高湿度的影响。如果预计阴雨期持续时间较长，应除湿的机器一直开着，能够使光谱仪较长时间地处于相对干燥的环境中，免受高湿度引起的霉菌、腐蚀的影响。

    为防止炎热季节的高温影响，可在存放光谱仪的库房安装空调，以保证晴天库房内的温度；可在晴天干燥的夜晚打开库房门窗通风以降温除湿。为防止一些地区寒冷季节的低温影响，可将光谱仪放置于温、湿度条件较好的房间。若设备数量较少，可在条件较好的房间划出一间集中存放。

    尽管光谱仪是十分精密的仪器，大部分情况下工作环境良好，但也不排除在恶劣的环境下工作。工作期的光谱仪可能处于较为严酷的工作环境，前文讨论的影响可靠性的种种因素均可能出现，而且设备应用中的不正确操作与环境的综合作用会显著降低其应用可靠性，甚至引发故障。虽然在光谱的可靠性设计中考虑了种种不利因素的影响，使其具有较好的环境适应能力，但如果在设备应用过程中注意以下问题可以取得更好的效果。

    首先，尽量减少振动冲击的影响。持续长时间或经常反复的振动冲击会使机械紧固件和电子元器件、可调整机构等的安装可靠性逐渐劣化。其次，应避免潮气、盐雾等的侵蚀。避免光谱仪直接暴露于雨雪中，减少潮气侵入设备内部的机会。第三，应减少温度冲击的影响。炎热环境中使用时应特别注意其工作时间和工作频率，严格按照使用规程的要求操作。在低温条件下使用光谱仪时，应设法调整室温（比如空调），使其经过一个温度缓冲过程，避免温度骤变对设备的影响。平时使用时，也应该对仪器进行预热处理。第四，防止光谱仪的关键件损伤。光谱仪是十分精密的仪器，某些器件如传感器等，其灵敏度很高，使用中要避免其受到其损伤。最后，光谱仪的清洁工作也是十分重要的。除光学系统外，点火系统等各部分应都要保持其清洁。

    光谱仪操作人员日常所需对仪器进行的维护工作主要是与操作人员和接近的部件有关，如样品实验台、读出和控制面板以及自动打印机。在激发光源、光学部件或计算机电路元件中需要进行的任何保养都要由专门技术人员来进行。维修工艺的改善有助于延长光谱仪设备的可靠工作期。故障维修中应开展失效分析，分析应到元件级而非部件级，根据元件失效机理改进筛选或加工方案，提高设备维修后的可靠性。组织元器件使用经验交流会，加强元器件保管、筛选、装配人员的培训，杜绝维修过程造成的可靠性隐患。

5.结束语

本文对光谱仪在油液分析中的可靠性问题做分析，得出以下结论：
a.光谱仪无论是在工作还是非工作间均要保证其工作环境的温度、湿度等环境条件；
b.低温和高温高湿度均会影响光谱仪在油液检测中的可靠性；
c.对精密仪器设备，要保证其可靠性，一定要注意其工作环境。
随着光谱仪在油液分析中的不断发展和应用，需要不断总结和探讨其应用可靠性问题，以满足油液分析整体可靠性的需要。

参考文献

1 温诗铸，黄平.摩擦学原理[M]，清华大学出版社, 2002 
2 赵桂芹，樊建春，柴晓强，李传华，油液分析在压缩机故障诊断中的应用[J]，润滑与密封，2006(12):186-188 
3 严新平，谢友柏，萧汉梁，油液监测技术的研究现状和发展[J]，润滑与密封，1997(8): 102—105 
4 杨其明，严新平，贺石中，油液监测分析现场实用技术[M] 北京：机械工业出版社,2006 
5 张鄂.铁谱技术及工业应用 [M].西安：西安交通大学出版社,2001
6. Karl Slicker.自动原子发射频谱学，1983
7. 符小敏,龚立平,华叙清.光谱仪在油液分析中的应用.科技风,2009
8. 史荣.军用设备可靠性、保障性、维修性要求.2008

通讯员：羽轩转载