摘要：本文分析了影響光譜儀在油液分析中可靠性的影響因素，提出了關(guān)于光譜儀可靠性的幾點(diǎn)考慮，對(duì)光譜儀在油液分析中的可靠性問題進(jìn)行了研究，以確保光譜儀的可靠性。
關(guān)鍵詞：光譜儀、可靠性、油液分析
The study about the spectrometer reliability during the oil analysis
Abstract: The paper is analyzing the factors affecting the spectrometer reliability during the oil analysis, and provides some ideas about the spectrometer reliability. The analysis contribute to ensure the reliability of the spectrometer.
Ke ywords: spectroscopy, reliability, oil analysis
（SINOPEC Henan Oilfield Company，henan nayang 473000 China)
引言
磨損和腐蝕是現(xiàn)代石化設(shè)備的兩種失效形式，其中磨損失效占60%到80%[1,2]。現(xiàn)如今，油液分析技術(shù)廣泛用于石化設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。通過油液分析技術(shù)進(jìn)行石化設(shè)備性能改變的監(jiān)測和油液磨粒的分析，可以獲得機(jī)械潤滑和磨損狀態(tài)的信息，從而可以評(píng)估和預(yù)測機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而確定失效原因和失效形式[3]。在分析過程中，理化指標(biāo)分析可以有效地監(jiān)測設(shè)備的潤滑狀態(tài)，油料光譜儀對(duì)磨粒進(jìn)行定量的分析[4,5]。將多種監(jiān)測手段獲得的信息進(jìn)行融合，得出診斷結(jié)論是十分重要的。
高壓鍋爐給水泵A和高壓鍋爐給水泵B是石化公司的核心設(shè)備，它們的功能是提供14.5MPa和135 ℃的鍋爐給水給裂解爐鼓，釋放高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)分餾氣體壓縮機(jī)渦輪。一旦兩機(jī)械設(shè)備失效，整個(gè)乙烯生產(chǎn)將會(huì)癱瘓。即使技術(shù)人員這些年積累了一些故障診斷的經(jīng)驗(yàn)，但缺少進(jìn)行科學(xué)的分析和診斷，因?yàn)樗麄兊慕?jīng)驗(yàn)判斷得不到設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的驗(yàn)證，因此對(duì)鍋爐給水泵的診斷精度較差，光靠他們的經(jīng)驗(yàn)判斷顯然不能滿足設(shè)備長期運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。石化公司要求煉油設(shè)備可以長期運(yùn)轉(zhuǎn)和定期設(shè)備檢修。通過檢測油液污染物、潤滑油金屬磨損程度以及趨勢可以及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。
在機(jī)械故障診斷中，油液分析通過獲得的參數(shù)能很好地判斷設(shè)備的潤滑磨損狀態(tài)，指導(dǎo)維修決策，因而被廣泛采用。光譜儀應(yīng)用于機(jī)械油液分析中，是油液分析所采用的重要手段之一。光譜油液分析方法適用于任何封閉式循環(huán)潤滑系統(tǒng)，例如燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)和汽油機(jī)、變速箱、齒輪箱、壓縮機(jī)水壓系統(tǒng)中的潤滑油液。[6]光譜儀是具有較高精確度及重復(fù)性的快速實(shí)驗(yàn)室用油液分析儀器，具有快速、準(zhǔn)確、方便的特點(diǎn)。[7]因此，研究其應(yīng)用可靠性具有十分重要的意義。
1.發(fā)射光譜學(xué)原理
光譜儀一般用于檢測和定量分析存在于小懸浮微粒中或溶解于天然或合成石油產(chǎn)品中的元素。光譜儀在油液分析中的應(yīng)用包括機(jī)器油液分析和燃料油分析，機(jī)器油主要為潤滑油和液壓油。
光譜儀采用的是發(fā)射光譜原理，發(fā)射光譜學(xué)(OES)是一項(xiàng)用于檢查和定量分析材料中組成元素的技術(shù)。OES利用每個(gè)元素都有其特有的原子結(jié)構(gòu)的事實(shí)。當(dāng)吸收到附加的能量時(shí)，每個(gè)元素發(fā)出特有波長的光，或顏色。因?yàn)闆]有兩個(gè)元素有相同的光譜線，所以元素能夠被分辨出來。發(fā)射光譜線的亮度與對(duì)應(yīng)的元素在油樣中的數(shù)量成正比，這樣可以確定元素的濃度。在通常情況下，激發(fā)之前，每個(gè)元素的電子以它的最低能量旋轉(zhuǎn)，稱為“基態(tài)”。在激發(fā)過程中，輻射源的能量被傳遞給油液或燃料，導(dǎo)致樣品汽化。原子中的電子吸收能量并暫時(shí)被迫離開其原子核而到達(dá)一較高的、不穩(wěn)定的運(yùn)行軌道。在達(dá)到此不穩(wěn)定狀態(tài)后，電子釋放所吸收的能量并返回基態(tài)或穩(wěn)定狀態(tài)。所釋放的能量是一特定值，與受激原子內(nèi)電子躍遷的能量變化值相對(duì)應(yīng)。能量以光的形式發(fā)出，此光線有一固定的頻率或波長(頻率與波長成反比)，其由電子躍遷時(shí)的能量決定。由于有些復(fù)雜原子的許多不同電子可能會(huì)有多種不同的能量躍遷，所以會(huì)發(fā)出許多不同波長的光線。這些光譜線唯一地對(duì)應(yīng)于某種元素的原子結(jié)構(gòu)。光譜線的強(qiáng)度正比于樣品中被測元素的濃度。如果在樣品中存在不止一種元素，則對(duì)應(yīng)每個(gè)元素將分別會(huì)出現(xiàn)明顯不同波長的光譜線。為了辨別和定量分析在樣品中出現(xiàn)的元素，必須分開這些譜線。通常在許多可能的選擇中只有一條光譜線被選來決定某一元素的濃度。被選譜線一般亮度較大，并能免受其它元素光譜線的干擾。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，需要一套光學(xué)系統(tǒng)。所有的發(fā)射光譜分析儀系統(tǒng)都由三個(gè)主要部分組成。它們是：1)激發(fā)源，2)光學(xué)系統(tǒng)，3)讀出系統(tǒng)。
2.影響光譜儀可靠性的因素
可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的功能的能力。提高產(chǎn)品的可靠性，能使產(chǎn)品總的費(fèi)用降低。[8]要研究光譜儀的可靠性問題，首先要分析影響光譜儀可靠性的因素。光譜儀平時(shí)可能長時(shí)間處于非工作狀態(tài)，或者只有少量時(shí)間處于工作狀態(tài)而大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，所以設(shè)備的非工作期和工作期可靠性需要同時(shí)考慮。
2.1 影響光譜儀非工作期可靠性的因素及影響結(jié)果
在非工作期中，影響光譜儀可靠性的主要因素是溫度、濕度和腐蝕作用。如果光譜儀不是長期貯存于溫、濕度恒定、適宜的良好環(huán)境條件下，而是放在溫度、濕度隨外界環(huán)境、氣候變化明顯，則其各構(gòu)成部分的性能會(huì)不同程度地受到影響，具體情況分析如下。
2.1.1高溫環(huán)境的影響
高溫造成潤滑油（脂）粘度下降、蒸發(fā)和產(chǎn)生沉積，降低潤滑、防塵性能，可導(dǎo)致機(jī)械傳動(dòng)部分如工作可靠性下降，也影響到光學(xué)系統(tǒng)的防霉、防塵性能。高溫加速金屬氧化，使金屬構(gòu)件強(qiáng)度降低，使電路接插件、接觸點(diǎn)接觸性元器件等的傳導(dǎo)電阻增大，影響電路系統(tǒng)工作可靠性。高溫加速橡膠、塑料件老化，導(dǎo)致相關(guān)結(jié)構(gòu)失效，比如排氣管等。
2.1.2低溫環(huán)境的影響
低溫造成潤滑油（脂）粘度和濃度增加，光譜儀器長期放置于高、低溫交替變化的環(huán)境中會(huì)造成潤滑油脂干涸，使機(jī)構(gòu)動(dòng)作不正常，并影響到調(diào)整、校正性維修工作的正常開展。物質(zhì)的低溫物理收縮特性可能改變那些加工精度不高、憑借密封圈設(shè)備的整體氣密性。低溫使橡膠、塑料件脆化或彈性降低，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件等的抗損壞能力明顯下降。
2.1.3高濕度環(huán)境的影響
光譜儀長時(shí)間處于高濕度環(huán)境會(huì)導(dǎo)致潮氣侵入內(nèi)部，尤其是在悶熱的雨季，高濕度與高溫綜合作用，會(huì)導(dǎo)致霉菌加速繁殖，造成光學(xué)透鏡表面薄膜侵蝕，嚴(yán)重時(shí)因霉菌吸附水分和分泌腐蝕性液體，導(dǎo)致玻璃腐蝕而使分劃板等光學(xué)件報(bào)廢。一量光學(xué)元件報(bào)廢，那將無法進(jìn)行測量。高濕度會(huì)增加金屬的銹蝕速度，降低機(jī)械構(gòu)件強(qiáng)度、阻礙活動(dòng)部分的動(dòng)作，造成電子元器件管腿腐蝕、接插件接觸不良等可調(diào)整元件接觸電阻增大、可靠性下降。
潮氣侵入光譜儀設(shè)備內(nèi)部后，如果氣候轉(zhuǎn)入低溫狀態(tài)，潮氣可能冷凝于光學(xué)玻璃的表面，影響光學(xué)系統(tǒng)的觀察性能。同時(shí)，試驗(yàn)完成后清潔不良，余留下的碳粉一旦附著在電路元件中，會(huì)產(chǎn)生離子玷污，則容易產(chǎn)生微短路通道，影響電路系統(tǒng)的工作可靠性，甚至導(dǎo)致復(fù)雜系統(tǒng)中元器件密度較高的電路板出現(xiàn)功能失常現(xiàn)象。此外，光譜儀的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也不能受潮，受潮后，計(jì)算機(jī)的硬件將會(huì)受到極大的影響，比如計(jì)算機(jī)硬盤不能讀取數(shù)據(jù)等等。
2.2影響光譜儀工作期可靠性的因素分析
一般來說，應(yīng)用于機(jī)械油液分析系統(tǒng)的光譜儀設(shè)備在工作期的工作環(huán)境條件（除了實(shí)驗(yàn)室外）都比較差。工作時(shí)，除前面已討論的高溫、低溫、高濕度及其相關(guān)的霉菌、電化學(xué)腐蝕等因素外，常見的還有振動(dòng)、沖擊、雨雪、鹽霧、風(fēng)、砂塵、噪聲干擾等。
振動(dòng)、沖擊的影響主要是機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致機(jī)械構(gòu)件松動(dòng)、裂縫、折斷、變形。一般來說，對(duì)于光譜儀這種精密儀器，是不允許出現(xiàn)振動(dòng)和沖擊的。如果光譜儀在特殊的條件下工作，周邊出現(xiàn)有雨雪、海邊鹽霧等，那么這些環(huán)境因素會(huì)加速化學(xué)反應(yīng)，侵蝕防護(hù)鍍層，并可能使潮氣和侵蝕性氣體滲入光譜儀內(nèi)部，造成內(nèi)部構(gòu)件腐蝕和電路絕緣性能下降。風(fēng)與砂塵的共同作用會(huì)增加暴露的光學(xué)表面及其它構(gòu)件表面的磨損，干燥環(huán)境中的風(fēng)砂與試驗(yàn)完后余留下的碳粉還可能造成靜電荷增多，產(chǎn)生電噪聲。通常情況下，噪聲對(duì)光譜儀的影響是比較小的。
3.實(shí)例分析
試驗(yàn)采用美國OSA公司MetalCheck油料分析光譜儀對(duì)不同季節(jié)下10號(hào)標(biāo)油進(jìn)行檢測，其檢測的結(jié)果如下：
表1、表2表3分別為溫度、濕度和正常情況下10號(hào)標(biāo)油的檢測數(shù)據(jù)結(jié)果。光譜儀為十分精密的儀器，其檢測結(jié)果十分準(zhǔn)確，10號(hào)標(biāo)油的光譜檢測數(shù)據(jù)中各元素的數(shù)值應(yīng)全部接近于10。從表1和表2中可以看出，在低溫和高溫高濕度條件下，10號(hào)標(biāo)油的檢測結(jié)果或多或少的有些偏差，這表明，原子發(fā)射光譜監(jiān)測儀器的可靠性出了問題。而在溫度和濕度正常的情況下，表3檢測出來的結(jié)果是可靠的。
4.提高光譜儀可靠性的幾點(diǎn)考慮
有針對(duì)性地改善光譜儀設(shè)備非工作期貯存環(huán)境。實(shí)踐證明，充分利用各種條件改善光譜儀存放的環(huán)境可以取得事半功倍的效果。非工作期間光譜儀設(shè)備一般放置在實(shí)驗(yàn)室等貯存環(huán)境較好的地方。平時(shí)亦可將光譜儀置于通風(fēng)（避免陽光直射）處自然干燥，以降低設(shè)備的局部環(huán)境濕度。在陰雨天氣時(shí)應(yīng)緊閉門窗，可以在一定時(shí)間內(nèi)保護(hù)設(shè)備免受高濕度的影響。如果預(yù)計(jì)陰雨期持續(xù)時(shí)間較長，應(yīng)除濕的機(jī)器一直開著，能夠使光譜儀較長時(shí)間地處于相對(duì)干燥的環(huán)境中，免受高濕度引起的霉菌、腐蝕的影響。
為防止炎熱季節(jié)的高溫影響，可在存放光譜儀的庫房安裝空調(diào)，以保證晴天庫房內(nèi)的溫度；可在晴天干燥的夜晚打開庫房門窗通風(fēng)以降溫除濕。為防止一些地區(qū)寒冷季節(jié)的低溫影響，可將光譜儀放置于溫、濕度條件較好的房間。若設(shè)備數(shù)量較少，可在條件較好的房間劃出一間集中存放。
盡管光譜儀是十分精密的儀器，大部分情況下工作環(huán)境良好，但也不排除在惡劣的環(huán)境下工作。工作期的光譜儀可能處于較為嚴(yán)酷的工作環(huán)境，前文討論的影響可靠性的種種因素均可能出現(xiàn)，而且設(shè)備應(yīng)用中的不正確操作與環(huán)境的綜合作用會(huì)顯著降低其應(yīng)用可靠性，甚至引發(fā)故障。雖然在光譜的可靠性設(shè)計(jì)中考慮了種種不利因素的影響，使其具有較好的環(huán)境適應(yīng)能力，但如果在設(shè)備應(yīng)用過程中注意以下問題可以取得更好的效果。
首先，盡量減少振動(dòng)沖擊的影響。持續(xù)長時(shí)間或經(jīng)常反復(fù)的振動(dòng)沖擊會(huì)使機(jī)械緊固件和電子元器件、可調(diào)整機(jī)構(gòu)等的安裝可靠性逐漸劣化。其次，應(yīng)避免潮氣、鹽霧等的侵蝕。避免光譜儀直接暴露于雨雪中，減少潮氣侵入設(shè)備內(nèi)部的機(jī)會(huì)。第三，應(yīng)減少溫度沖擊的影響。炎熱環(huán)境中使用時(shí)應(yīng)特別注意其工作時(shí)間和工作頻率，嚴(yán)格按照使用規(guī)程的要求操作。在低溫條件下使用光譜儀時(shí)，應(yīng)設(shè)法調(diào)整室溫（比如空調(diào)），使其經(jīng)過一個(gè)溫度緩沖過程，避免溫度驟變對(duì)設(shè)備的影響。平時(shí)使用時(shí)，也應(yīng)該對(duì)儀器進(jìn)行預(yù)熱處理。第四，防止光譜儀的關(guān)鍵件損傷。光譜儀是十分精密的儀器，某些器件如傳感器等，其靈敏度很高，使用中要避免其受到其損傷。最后，光譜儀的清潔工作也是十分重要的。除光學(xué)系統(tǒng)外，點(diǎn)火系統(tǒng)等各部分應(yīng)都要保持其清潔。
光譜儀操作人員日常所需對(duì)儀器進(jìn)行的維護(hù)工作主要是與操作人員和接近的部件有關(guān)，如樣品實(shí)驗(yàn)臺(tái)、讀出和控制面板以及自動(dòng)打印機(jī)。在激發(fā)光源、光學(xué)部件或計(jì)算機(jī)電路元件中需要進(jìn)行的任何保養(yǎng)都要由專門技術(shù)人員來進(jìn)行。維修工藝的改善有助于延長光譜儀設(shè)備的可靠工作期。故障維修中應(yīng)開展失效分析，分析應(yīng)到元件級(jí)而非部件級(jí)，根據(jù)元件失效機(jī)理改進(jìn)篩選或加工方案，提高設(shè)備維修后的可靠性。組織元器件使用經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)，加強(qiáng)元器件保管、篩選、裝配人員的培訓(xùn)，杜絕維修過程造成的可靠性隱患。
5.結(jié)束語
本文對(duì)光譜儀在油液分析中的可靠性問題做分析，得出以下結(jié)論：
a.光譜儀無論是在工作還是非工作間均要保證其工作環(huán)境的溫度、濕度等環(huán)境條件；
b.低溫和高溫高濕度均會(huì)影響光譜儀在油液檢測中的可靠性；
c.對(duì)精密儀器設(shè)備，要保證其可靠性，一定要注意其工作環(huán)境。
隨著光譜儀在油液分析中的不斷發(fā)展和應(yīng)用，需要不斷總結(jié)和探討其應(yīng)用可靠性問題，以滿足油液分析整體可靠性的需要。
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