旋转圆盘电极原子发射光谱仪在润滑油行业中的应用

一、前言

  润滑油中添加剂元素含量是油品质量和使用性能的重要指标之一，磨损颗粒和污染物元素含量是监控润滑油使用性能和预测各种润滑机械故障的重要参数，因此设备在用油中磨损金属、添加剂和污染物元素含量的测定是油液状态监测的一个重要诊断参数，由此可获取设备的润滑和磨损状态信息及油品的污染状态等信息，对设备的潜在故障进行预警，大限度地提高设备地可靠性。

  对于在用油磨损金属、添加剂和污染物元素地测定，上广泛采用美国材料与试验协会标准ASTM D5185-95和ASTM D6595-00（2005）。目前我国现有国家标准GB/T 17476-1998《使用过的润滑油中添加剂元素、磨损金属和污染物以及基础油中某些元素测定法（电感耦合等离子体发射光谱法）》，即为等效采用ASTM D5185-95建立的国家标准，所用设备为电感耦合等离子体发射光谱仪，该方法检出限低，用于元素含量低的测定结果准确，但对于样品含量较高的元素需要在测试前进行稀释处理，对于硫元素的测定要求仪器具备真空系统或使用惰性气体驱气，在使用过程中也需要惰性气体做载气，运转费用相对较高，对仪器操作人员要求也较高，设备价格较高。美国材料与试验协会标准ASTM D6595-00（2005），是美国液压标准中在用液压油中磨损金属和污染物元素含量的测定方法，采用石化行业标准NB/SH/T 0865-2013《再用润滑油中磨损金属和污染物元素测定旋转圆盘电极原子发射光谱法》，采用旋转圆盘电极原子发射光谱法测定在用润滑油中磨损金属及污染物元素含量，现广泛应用于国内外众多油品分析检测和油液监测实验室，可以实现对在用油元素含量的测定和趋势分析。该方法所用设备为旋转圆盘电极原子发射光谱仪，仪器功能全面，无需气源，操作简易，维护方便，对使用人员要求低，样品无需任何前处理，分析快速、准确。

  通过选取典型样品进行测试，测试结果就可以*在用油元素趋势分析的工作需要。

 

表1 在用油监测主要元素

 

磨损元素	铁、铬、铅、铜、锡、铝、镍、银、钼、镁、锌、钛、钒
添加剂	铜、硅、硼、镁、钙、钡、磷、锌、钼
污染物	硅、硼、钠、钾、铬

 

二、旋转圆盘电极技术

  旋转圆盘电极原子发射光谱仪在润滑油行业中应用广泛，早在1941年美国铁路行业即采用发射光谱分析方法，监测在用内燃机车润滑油中的磨粒元素种类和含量，极大的改善了机车运转的可靠性，减少了零部件的更换率。美国三军联合油液监测机构JOAP（Joint Oil Analysis Program）将该设备为军对油料分析的标准仪器，极大地推动了该设备地应用。迄今该设备在润滑油行业用于在用油分析已有60多年历史，成为这一领域常用地设备之一。

 

三、测试试验

（一）仪器与材料

  1、斯派超科技公司SPECTROIL M/C-W 型油料发射光谱仪。

  2、可加热地超声波均化器，均化样品用。

  3、石墨棒电极和圆盘电极。

  4、样品盒。

  5、电极切削器，打磨棒电极用。

  6、标油。

  7、清洗溶剂，用于清洗溢出或溅到样品台上的样品。

（二）样品的选择

  选取如下样品进行测试，包括：一个在用车用油，一个在用汽轮机油，一个在用齿轮油，一个在用柴油机油，一个液压油，一个军用油及一个校准标样（100ppm）。

四、结果

（一）影响因素

  1、光谱干扰

  大部分的光谱干扰都可以通过正确选择光谱线消除，高浓度的添加剂元素会对测试磨损金属的光谱线产生干扰，仪器厂商通常会在出厂校准时对光谱干扰做以补偿，也可通过背景校正扣除光谱干扰。当无法通过选择谱线和背景校正扣除光谱干扰时，需要通过仪器厂商提供的计算机软件进行必要的校正。

  2、粘度影响

  在用油的粘度差异直接影响圆盘电极携带样品的能力，仪器的内标可以补偿部分差异。对在用油的分析应用中，H的483.10谱线已作为工业标准用于内标。如果待测样品和基线样品的粘度不同，同时又不使用内标，有可能影响在用油的趋势分析。

  3、颗粒尺寸

  当样品中含有粒径大于10微米尺寸的颗粒时，测试结果会比其真实结果偏低。这是因为选择圆盘电极样品泵送系统不能将大颗粒有效泵送至激发间隙，且激发能量也不足以让其充分蒸发。

  4、取样

  在用油必须要有代表性。规范的取样程序是保证得到准确分析结果的关键，取样程序按照GB/T 4756《石油液体手工取样法》的标准要求。

  5、样品处理

  在用油中含有颗粒状物质，为了保证其具有代表性，必须在取样品前将样品摇匀。对于经过若干天运输、存放或比较粘稠的样品，在取样之前需将其先放置在可加热的超声波浴槽中超声，使聚集颗粒均匀分散在样品中，从浴槽中取出后将油样摇匀再倒入样品盒中测试。

  6、样品量

  为获取较好的重复性结果，需要保证每次倒入样品盒的样品量基本一致。

（二）样品测试结果

  对上述样品依次测定，因数据较多，故未按样品列出，按元素整理结果于下表中（单位均为mg/kg,按磨损金属表2-1、污染物表2-2和添加剂元素表2-3分别列出，交叉元素不再重复罗列），允许差值为依据ASTM D6595-00（2005）精密度的要求计算而得。

 

表2-1 样品（磨损金属）的测定结果

 

元素	重复性				再现性
	结果1	结果2	差值	允许差值	结果1	结果2	差值	允许差值
Cr	91.64	90.14	1.50	4.63	90.89	96.81	5.92	7.93
Cu	2.69	2.45	0.24	0.42	2.57	2.35	0.22	1.09
Fe	32.84	35.97	3.13	4.18	34.40	33.31	1.09	10.90
Pb	39.27	36.25	3.02	3.67	37.76	35.16	2.60	6.20
Al	16.08	15.69	0.39	1.91	15.88	14.53	1.35	5.04
Mg	11.62	11.54	0.08	1.21	11.58	9.65	1.93	3.75
Mn	54.77	52.95	1.82	2.73	53.86	53.29	0.57	8.82
Mo	2.54	2.03	0.51	0.99	2.28	2.34	0.06	2.96
Ni	1.52	1.11	.0.41	0.87	1.31	0.99	0.32	1.47
Ag	99.41	94.74	4.67	8.63	97.07	94.48	2.59	24.86
Sn	95.34	91.03	4.31	5.23	93.19	97.21	4.02	6.28
Ti	9.22	9.03	0.19	1.85	9.12	9.99	0.87	3.14
V	97.27	95.69	1.58	4.17	96.48	99.38	2.90	13.04
Zn	423.05	445.33	22.28	40.16	434.19	553.53	119.34	130.04

 

表2-2 样品（污染物元素）的测定结果

 

元素	重复性				再现性
	结果1	结果2	差值	允许差值	结果1	结果2	差值	允许差值
Si	10.14	10.26	0.12	1.75	10.20	11.88	1.68	4.03
B	0.99	1.02	0.03	0.45	1.01	1.76	0.65	1.21
K	101.01	98.74	5.27	7.48	101.38	103.23	1.85	18.90
Na	79.52	83.49	3.97	9.70	81.50	71.15	10.35	11.04

 

表2-2 样品（污染物元素）的测定结果

 

元素	重复性				再现性
	结果1	结果2	差值	允许差值	结果1	结果2	差值	允许差值
P	406.85	413.72	6.87	32.34	410.28	347.12	63.16	118.87
Ba	36.76	36..24	0.52	4.84	36.50	37.04	0.54	9.26
Ca	1508.33	1553.17	44.84	169.54	1530.75	1649.48	118.73	469.89

 

五、结论

  1、油液光谱分析技术广泛应用于油液监测，应用旋转圆盘电极原子发射仪测定油品中的磨损颗粒、添加剂元素和污染物含量，测试速度快、成本低、可靠性高，完够满足在用油元素含量测定的需要。

  2、通过旋转圆盘电极原子发射仪测定在用油中磨损金属、添加剂元素和污染物元素的含量，有助于判断添加剂的损耗，探究设备的磨损机理和预测磨损发展的趋势，在润滑油行业广泛应用。