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，提出了關于光譜儀可靠性的幾點考慮，對光譜儀在油液分析中的可靠性問題進行了研究，以確保光譜儀的可靠性。
關鍵詞：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，油液分析技術廣泛用于石化設備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。通過油液分析技術進行石化設備性能改變的監(jiān)測和油液磨粒的分析，可以獲得機械潤滑和磨損狀態(tài)的信息，從而可以評估和預測機械設備運行狀態(tài)，進而確定失效原因和失效形式[3]。在分析過程中，理化指標分析可以有效地監(jiān)測設備的潤滑狀態(tài)，油料光譜儀對磨粒進行定量的分析[4,5]。將多種監(jiān)測手段獲得的信息進行融合，得出診斷結論是十分重要的。
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，釋放高壓蒸汽驅動分餾氣體壓縮機渦輪。一旦兩機械設備失效，整個乙烯生產(chǎn)將會癱瘓。即使技術人員這些年積累了一些故障診斷的經(jīng)驗，但缺少進行科學的分析和診斷，因為他們的經(jīng)驗判斷得不到設備實際運行狀態(tài)參數(shù)的驗證，因此對鍋爐給水泵的診斷精度較差，光靠他們的經(jīng)驗判斷顯然不能滿足設備長期運轉的要求。石化公司要求煉油設備可以長期運轉和定期設備檢修。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對設備進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。
在機械故障診斷中，油液分析通過獲得的參數(shù)能很好地判斷設備的潤滑磨損狀態(tài)，指導維修決策，因而被廣泛采用。光譜儀應用于機械油液分析中，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)，例如燃氣輪機、柴油機和汽油機、變速箱、齒輪箱、壓縮機水壓系統(tǒng)中的潤滑油液。[6]光譜儀是具有較高精確度及重復性的快速實驗室用油液分析儀器，具有快速、準確、方便的特點。[7]因此，研究其應用可靠性具有十分重要的意義。
1.發(fā)射光譜學原理
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用包括機器油液分析和燃料油分析，機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(OES)是一項用于檢查和定量分析材料中組成元素的技術。OES利用每個元素都有其特有的原子結構的事實。當吸收到附加的能量時，每個元素發(fā)出特有波長的光，或顏色。因為沒有兩個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應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，每個元素的電子以它的最低能量旋轉，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，導致樣品汽化。原子中的電子吸收能量并暫時被迫離開其原子核而到達一較高的、不穩(wěn)定的運行軌道。在達到此不穩(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，與受激原子內電子躍遷的能量變化值相對應。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)，其由電子躍遷時的能量決定。由于有些復雜原子的許多不同電子可能會有多種不同的能量躍遷，所以會發(fā)出許多不同波長的光線。這些光譜線唯一地對應于某種元素的原子結構。光譜線的強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，則對應每個元素將分別會出現(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。為了實現(xiàn)這個目的，需要一套光學系統(tǒng)。所有的發(fā)射光譜分析儀系統(tǒng)都由三個主要部分組成。它們是：1)激發(fā)源，2)光學系統(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)定的時間內完成規(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。光譜儀平時可能長時間處于非工作狀態(tài)，或者只有少量時間處于工作狀態(tài)而大部分時間處于休眠狀態(tài)，所以設備的非工作期和工作期可靠性需要同時考慮。
2.1 影響光譜儀非工作期可靠性的因素及影響結果
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，則其各構成部分的性能會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，可導致機械傳動部分如工作可靠性下降，也影響到光學系統(tǒng)的防霉、防塵性能。高溫加速金屬氧化，使金屬構件強度降低，使電路接插件、接觸點接觸性元器件等的傳導電阻增大，影響電路系統(tǒng)工作可靠性。高溫加速橡膠、塑料件老化，導致相關結構失效，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)境中會造成潤滑油脂干涸，使機構動作不正常，并影響到調整、校正性維修工作的正常開展。物質的低溫物理收縮特性可能改變那些加工精度不高、憑借密封圈設備的整體氣密性。低溫使橡膠、塑料件脆化或彈性降低，使計算機系統(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
光譜儀長時間處于高濕度環(huán)境會導致潮氣侵入內部，尤其是在悶熱的雨季，高濕度與高溫綜合作用，會導致霉菌加速繁殖，造成光學透鏡表面薄膜侵蝕，嚴重時因霉菌吸附水分和分泌腐蝕性液體，導致玻璃腐蝕而使分劃板等光學件報廢。一量光學元件報廢，那將無法進行測量。高濕度會增加金屬的銹蝕速度，降低機械構件強度、阻礙活動部分的動作，造成電子元器件管腿腐蝕、接插件接觸不良等可調整元件接觸電阻增大、可靠性下降。
潮氣侵入光譜儀設備內部后，如果氣候轉入低溫狀態(tài)，潮氣可能冷凝于光學玻璃的表面，影響光學系統(tǒng)的觀察性能。同時，試驗完成后清潔不良，余留下的碳粉一旦附著在電路元件中，會產(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，甚至導致復雜系統(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，光譜儀的計算機系統(tǒng)也不能受潮，受潮后，計算機的硬件將會受到極大的影響，比如計算機硬盤不能讀取數(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，應用于機械油液分析系統(tǒng)的光譜儀設備在工作期的工作環(huán)境條件（除了實驗室外）都比較差。工作時，除前面已討論的高溫、低溫、高濕度及其相關的霉菌、電化學腐蝕等因素外，常見的還有振動、沖擊、雨雪、鹽霧、風、砂塵、噪聲干擾等。
振動、沖擊的影響主要是機械應力，導致機械構件松動、裂縫、折斷、變形。一般來說，對于光譜儀這種精密儀器，是不允許出現(xiàn)振動和沖擊的。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)境因素會加速化學反應，侵蝕防護鍍層，并可能使潮氣和侵蝕性氣體滲入光譜儀內部，造成內部構件腐蝕和電路絕緣性能下降。風與砂塵的共同作用會增加暴露的光學表面及其它構件表面的磨損，干燥環(huán)境中的風砂與試驗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，噪聲對光譜儀的影響是比較小的。
3.實例分析
試驗采用美國OSA公司MetalCheck油料分析光譜儀對不同季節(jié)下10號標油進行檢測，其檢測的結果如下：
表1、表2表3分別為溫度、濕度和正常情況下10號標油的檢測數(shù)據(jù)結果。光譜儀為十分精密的儀器，其檢測結果十分準確，10號標油的光譜檢測數(shù)據(jù)中各元素的數(shù)值應全部接近于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號標油的檢測結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檢測出來的結果是可靠的。
4.提高光譜儀可靠性的幾點考慮
有針對性地改善光譜儀設備非工作期貯存環(huán)境。實踐證明，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備一般放置在實驗室等貯存環(huán)境較好的地方。平時亦可將光譜儀置于通風（避免陽光直射）處自然干燥，以降低設備的局部環(huán)境濕度。在陰雨天氣時應緊閉門窗，可以在一定時間內保護設備免受高濕度的影響。如果預計陰雨期持續(xù)時間較長，應除濕的機器一直開著，能夠使光譜儀較長時間地處于相對干燥的環(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，以保證晴天庫房內的溫度；可在晴天干燥的夜晚打開庫房門窗通風以降溫除濕。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)，而且設備應用中的不正確操作與環(huán)境的綜合作用會顯著降低其應用可靠性，甚至引發(fā)故障。雖然在光譜的可靠性設計中考慮了種種不利因素的影響，使其具有較好的環(huán)境適應能力，但如果在設備應用過程中注意以下問題可以取得更好的效果。
首先，盡量減少振動沖擊的影響。持續(xù)長時間或經(jīng)常反復的振動沖擊會使機械緊固件和電子元器件、可調整機構等的安裝可靠性逐漸劣化。其次，應避免潮氣、鹽霧等的侵蝕。避免光譜儀直接暴露于雨雪中，減少潮氣侵入設備內部的機會。第三，應減少溫度沖擊的影響。炎熱環(huán)境中使用時應特別注意其工作時間和工作頻率，嚴格按照使用規(guī)程的要求操作。在低溫條件下使用光譜儀時，應設法調整室溫（比如空調），使其經(jīng)過一個溫度緩沖過程，避免溫度驟變對設備的影響。平時使用時，也應該對儀器進行預熱處理。第四，防止光譜儀的關鍵件損傷。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。除光學系統(tǒng)外，點火系統(tǒng)等各部分應都要保持其清潔。
光譜儀操作人員日常所需對儀器進行的維護工作主要是與操作人員和接近的部件有關，如樣品實驗臺、讀出和控制面板以及自動打印機。在激發(fā)光源、光學部件或計算機電路元件中需要進行的任何保養(yǎng)都要由專門技術人員來進行。維修工藝的改善有助于延長光譜儀設備的可靠工作期。故障維修中應開展失效分析，分析應到元件級而非部件級，根據(jù)元件失效機理改進篩選或加工方案，提高設備維修后的可靠性。組織元器件使用經(jīng)驗交流會，加強元器件保管、篩選、裝配人員的培訓，杜絕維修過程造成的可靠性隱患。
5.結束語
本文對光譜儀在油液分析中的可靠性問題做分析，得出以下結論：
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影響光譜儀在油液檢測中的可靠性；
c.對精密儀器設備，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)展和應用，需要不斷總結和探討其應用可靠性問題，以滿足油液分析整體可靠性的需要。
參考文獻
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