推动红外光谱的进步：充分利用润滑油状态现场监测

简介润滑油是机械装置中一种至关重要的组成。与其它组成一样，早期损耗检测对于润滑油的及时更换是非常必要的，可以在降低严重损毁的风险同时又避免不必要的维护——。润滑油在使用过程中会不可避免地产生降解，而且会暴露于各种导致其降解而减弱机械部件保护效力的内部或外部污染。对即将发生的润滑油失效的早期识别可以预防代价严重的损坏。红外光谱(IR)是一种快速、低成本的分析技术，既可以提供润滑油化学状态的特定信息，还可以提供润滑油样本采集处的机械部件工作状态信息。定期采样产生的趋势数据可以用来监测引擎性能和运行状况。这使得润滑油可以在最佳周期进行更换，从而具有两大益处：只在必需的时候更换润滑油，降低成本；问题可以在早期被发现，从而可以采取恰当的预防措施。通过实验室常规测试与便携分析仪现场分析的互补，润滑油状态监测的益处可以被进一步增大。本文评论了润滑油状态的珀金埃尔默红外光谱监测，叙述了来自PerkinElmer的“在用润滑油傅里叶变换红外光谱分析系统（In-Service Lubricants FT-IR Analysis System）”这一润滑油现场分析仪的设计考量。

润滑油状态的红外光谱监测通过测量润滑油样品的红外光透射，可以得到红外光谱。当其中的振动模式被激发时，润滑油中的分子会吸收特定频率的红外光。红外光谱的众多优点使其成为润滑油状态监测的有力工具。吸收峰的强度与吸收物种的浓度成正比，因而红外光谱测试提供的信息既可以定性又可以定量。红外光谱的主要优点之一是测试的快速性：所需的样品预处理极少（除了均匀化和过滤），数秒钟内即可获得光谱。红外光谱可被用于检测润滑油中可能存在的多种添加剂、降解产物和潜在污染物。例如：污染物烟灰是不wan全燃烧的副产物。尽管润滑油中可以容许存在较高浓度的烟灰，如果超出预期的烟灰浓度随时间推移而增加，可能说明燃料空气比错误、空气过滤器堵塞或者润滑油更换周期过长。润滑油中水和乙二醇的出现说明制冷系统存在泄漏，需要马上注意。如果只出现水，可能是因为运行温度较低导致的冷凝。液压系统中的水可能来自储油器中的冷凝。润滑油中未燃烧的燃油可能说明了燃烧过程较差。尽管燃油与润滑油的化学结构非常相似，燃油中的芳香化合物含量可以用于建立校正模型。

化学降解润滑油在较高温度下暴露于氧气中时会发生氧化。润滑油氧化反应的机理非常复杂，然而最终的结果是润滑油黏度增加、清漆形成、以及使润滑油酸度增加并可能导致腐蚀的羧酸类物质的增加。抗氧化剂存在时润滑油氧化速度较慢，而抗氧化剂耗尽时润滑油氧化速度显著加快。润滑油的定期监测是非常重要的，以便在润滑油氧化速度突然增加之前采取正确的措施。燃烧过程中产生的氮氧化物也会氧化润滑油，生成含氮和氧的产物。与氧气氧化一样，这也会导致润滑油黏度增加、清漆形成和油基储备消耗。较高的硝化氧化水平可能说明了一系列的问题，例如燃料空气比错误、火花定时错误、载荷过大、运行温度较低或者活塞环漏气。如果燃油或润滑油的杂质或添加剂中含有含硫化合物，燃烧过程中会产生酸性含硫化合物。这会导致碱性添加剂的消耗并最终产生腐蚀。在温度较高且有水存在时，以多羟基酯为基础的合成润滑油容易发生水解。酯分解产物也会增加润滑油的酸度，有时会产生结晶堵塞过滤器。添加剂耗尽为了使润滑油具有所需要的特定性能，各种各样的化合物被添加到其中。在润滑油使用过程中这些添加剂可能会被耗尽，而对添加剂的消耗进行监测可以为即将发生的润滑油失效提供早期预警。二烷基或二芳基二硫代磷酸锌（ZDDPs）等抗磨剂可以通过摩擦热的活化而在金属表面形成包覆层，以阻止金属与金属的直接接触。这些添加剂可能会因为水解或氧化而耗尽，导致磨损速率的增加。酚类抗氧化剂经常用于涡轮机润滑油中。抗氧化剂的耗尽会导致氧化速率的迅速增加。图3所示为同一润滑油在使用前和超期使用后的光谱。高品质的FT-IR系统很容易地测出二者的显著化学差异。图中显示了上述一些成分对应的特征吸收。

标准化测试方法实施的联合油品分析计划（Joint Oil AnalysisP ro gr am,J OAP）建立了润滑油的红外光谱测试方法，这些方法已经被广泛应用。近来，ASTM国际组织（ASTM®International）提出了一系列标准操作和测试方法（参见ASTM®E2412, D7412, D7414, D7415,D7418）。PerkinElmer的OilExpress等新软件支持这些测试方法。使用红外光谱可以建立定量校正方法，对润滑油中的重要成分进行准确的浓度测试。然而，实际中这不是必需的——大多数情况下，用特征红外吸收峰的强度来表示测试结果（以及预警或警报限）就足够了。有两种原理不同的测试方法。在以往，最常见的方法是将已使用润滑油的光谱减去未使用润滑油的光谱。差谱上的谱图特征来自润滑油的变化，例如降解、添加剂耗尽或污染物。该方法简化了谱图解析，但是依赖于有效的润滑油参比光谱以进行差减——并非所有时候都存在可用的参比光谱，例如当润滑油中混入了其它产品的时候。

目前，上文所述的JOAP和ASTM®测试方法等“直接趋势”方法的应用更为广泛。这些方法将测试过程简化为直接测量使用后润滑油的光谱，根据润滑油使用寿命期间的趋势对测试结果进行解析。根据大量机械部件的趋势结果，可以建立报废限度。由于不需要对每一台仪器都进行校正，这些方法可以很容易地应用于新的系统。然而，这要求所使用的光谱仪可以提供重复性和重现性都很好的测试结果。分析操作：现场测试的要求测试过程迅速，测试结果信息量大，使红外光谱成为润滑油分析实验室的常规方法之一。通常情况下，这些实验室要应对的样品量极大，因而依赖于具有自动进样功能的FT-IR系统来实现较高的分析速度。获得图3所示数据使用的是PerkinElmer OilExpress系统，该系统支持ASTM®、JOAP和用户自定义的分析规程，使用基于注射泵的液体自动进样仪来满足每天要分析成百上千个样品的实验室对测试通量的要求。尽管高性能的实验室FT-IR系统非常成熟健全，但是将润滑油样本从机器转移到检测实验室是有相当的时间延迟的，特别是采样地点遥远且位于崎岖地带时。这些恰恰是最需要避免仪器故障和停机时间的环境。因此，近来人们日益关注于将润滑油状态检测移出实验室而在采样地点对样品进行分析。现场检测可以立即反馈润滑油的状态——如果检测结果指示出严重的缺陷，可以马上停机寻找缺陷原因，以免产生更加严重的破坏。在以前，坚固性不足、移动性较差或者用户界面复杂而要求专业的操作，使得FT-IR润滑油状态监测系统并不很适用于现场分析。然而，现在的仪器使得通过移动系统获得实验室质量的测试结果成为可能。耐用性和便携性最新推出的Spectrum Two FT-IR光谱仪被设计于能够面对现场分析的挑战而不降低其分析性能。该仪器小巧紧凑（重量仅为13千克），使用专门的搬运箱可以很容易地运输。在确保采集数据可靠性的前提下，该系统不到30秒即可扫描一个样品，将实验室级别的测试结果带到现场。