使用新型水稳定技术进行现场 FTIR 矿物油中水的定量分析

 前言水是所有润滑油中需要检测的一种重要污染物。红外光谱 (FTIR) 是一种测量水的简单方法。但是，红外方法目前还不能满足润滑油行业所需的测量精度和范围。安捷伦科技公司攻克了关键的技术难题，开发了一种测量矿物油中水的方法。该方法使用 Agilent 5500t红外光谱仪，可以测量矿物油中水的浓度，其精度和范围与行业标准的 Karl Fischer 方法相当。本文将讨论这种方法用于汽轮机油的测量，该方法也可用于基于矿物油的液压油及齿轮油的测量。

汽轮机油中水定量 — 需要测定的重要参数汽轮机油中的带水量是决定设备性能和寿命长短的关键因素。汽轮机油含水过多，会引起透平机组的过早报废，通常是因为水的存在引发了其物理性质的改变。水会影响油的物理性质，包括粘度（油流动阻力的度量）、比重（油相对于水的密度）和表面张力（衡量液体表面分子间的粘性）。所有这些性质对油的覆盖、润滑和保护关键机械间隙的能力至关重要。此外，汽轮机油带水会加速添加剂损耗，导致如氧化、硝化、形成漆膜等化学降解过程。

现场分析急不可待现场对润滑液体中水含量进行测量可获得更为准确的结果。非现场分析时，油品中痕量水的含量很可能因样品在储存、运输过程中发生改变。此外，汽轮机油中的抗乳化剂可以使油中的微小水滴从油中脱离，在容器的底部和侧壁沉积成层。该抗乳化作用会缓慢发生，可导致分析测定结果出现较大差异。另外，油样中的水可以通过蒸发或挂壁而减少。在安捷伦进行的一个短期研究中，使用标准的 KarlFischer 法，在几天时间里对加水的汽轮机油样品进行了测量。结果发现，汽轮机油在 24 小时内失去了约 100 ppm的水。混合过程也会产生气泡，可以通过蒸发加快水的流失。为了得到汽轮机油中准确的水含量，需要在机器中的油样取出后迅速测量。这表明了对现场分析的需求。

测定汽轮机油中带水量Karl Fischer (KF) 库仑滴定法通常用于测定汽轮机油中含水量。进行现场分析时，KF 法在操作方面存在一些弊端，包括样品制备复杂、需使用有害且昂贵的化学试剂以及分析时间较长。但是即使有这些问题，KF 分析法能提供准确无误的结果，因此被认为是分析油中水含量的“黄金标准”方法。在理想的情况下，KF 法预测油中水含量的精度为 3% ~ 5%。FTIR 光谱分析法用于水含量的测定消除了 KF 滴定法存在的许多问题。与 KF 法相比，光谱法的测量时间要短很多，而且不需要毒性试剂。如果使用坚固和易于使用的 FTIR 系统（如 Agilent 500/5500 系列光谱仪），那么 FTIR 光谱仪是非常适用于现场分析的。KF 滴定法需花费约 10-15 分钟，而且仪器要进行适当调试并且平衡一夜。KF 分析中，油样在注入滴定容器前后，都需要使用高精度天平仔细称量。称量误差会对 KF 分析的准确性产生不利影响。每个 KF 分析之后，KF 库仑滴定仪需要 5 到 10 分钟重新平衡。相反，FTIR 分析仅需要大约 2 分钟便可完成，并且在使用棉签简单的清洗后，仪器可以立即用于下一个样品的分析。虽然 FTIR 分析法比 KF 方法更简单快捷，但是 FTIR 法却被认为不能准确测量水含量。我们仔细研究了传统 FTIR 法的误差所在，发现了可以消除这些误差的方法。我们已经开发出一种用于测量矿物油含水量的方法，其准确性可与 KF方法相媲美。如果将 KF 法潜在的称量误差也考虑在内，新FTIR 方法的误差相对来说甚至更小。

汽轮机油中含水量测试 — FTIR 法常规方法直接测量矿物油中水含量的方法已经使用 30 多年了。ASTM E2412 方法规定可以通过 3350 cm-1 附近的吸收峰直接得到水的浓度，其吸收峰的面积与水浓度线性相关。图 1给出了汽轮机油含水样品的吸收谱图，并标出了水的吸收峰位置。在该测量方法中，使用了 100 微米光程的样品池测量了油的透射率。常规方法的问题ASTM 2412 方法最初设计用于机油。机油中含有能使水融入油的添加剂。通常含有 1000 至 2000 ppm 的水。该 FTIR方法适用于测量这些油中高浓度的水含量，相应的测量误差也很大。与之不同的是，汽轮机油的含水量要少得多，通常为 50 至 100 ppm。大量的水会形成小液滴，并最终沉积于汽轮机油底部。一个基于 ASTM 2412 的方法被开发用于测量汽轮机油中的含水量。该方法对于相同的油样具有高达 40% 的差异。由于水分的分离，经过配制的可快速分离水分的油品（如  DTE 和 Chevron GST）重现性更为糟糕。因此随后建立了第二种测量净油的方法。在第二种方法中，使用了偏最小二乘 (PLS) 算法来考虑油品的基线差异。该方法预测的更好，但得到的结果对于机器维护而言是不够的。图 2 给出了使用第二种方法从 DTE 和Chevron GST 汽轮机油中得到的水标定测试结果。曲线给出了基于 Karl Fischer 法得到的实际浓度与基于 PLS FTIR 法得到的预测浓度的对比。这种方法的误差为 ± 250 ppm，应对机器维护明显不够。

测量汽轮机油中水含量的常规红外光谱FTIR方法误差大的主要原因是水会与油发生分离，变成小液滴分散在汽轮机油中。这些小水滴会散射而不是吸收红外光。而在 FTIR 方法中，只有光被吸收，才有助于水含量的测量。液滴的大小和数量

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结论：红外光谱为润滑液中水含量、氧化程度和添加剂损耗的测量提供了一个易于使用的方法。然而直到现在，由于水在某些油中分散性不均匀造成测量误差仍然很大。安捷伦的水稳定方法解决了这些问题，其准确度可与行业标准的 KarlFischer 分析法相媲美。该方法采用安全的表面活性剂使水在油中均匀分散。用于油中水的现场测量更加简易和轻便。