石新發(fā),劉東風(fēng),,李廣太,李 莎

(1.91663部隊(duì),山東青島 266012;2.海軍工程大學(xué)青島油液檢測(cè)分析中心,山東青島 266012)

柴油機(jī)潤(rùn)滑油污染主要指磨損顆粒、油泥、積碳、粉塵、水和燃油等物質(zhì)的污染。正常情況下,柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)是相隔離的,與以上幾種物質(zhì)的污染相比,水污染、燃油稀釋是柴油機(jī)的故障現(xiàn)象,會(huì)造成潤(rùn)滑油性能的迅速下降,引起柴油機(jī)的異常磨損,除故障出現(xiàn)并且延續(xù)外,水污染、燃油稀釋的表征指標(biāo)沒(méi)有時(shí)間依賴性。對(duì)水污染、燃油稀釋的診斷原則是早發(fā)現(xiàn),早解決,避免故障延續(xù)。

1 水污染的監(jiān)測(cè)

1.1 水污染原因及影響

柴油機(jī)潤(rùn)滑油水污染的主要來(lái)源有兩個(gè):冷凝水和冷卻系統(tǒng)泄漏。柴油機(jī)啟停工況和工作溫度較低時(shí),空氣中水蒸氣凝結(jié)進(jìn)入潤(rùn)滑油,但當(dāng)柴油機(jī)達(dá)到正常工作溫度時(shí),會(huì)被蒸發(fā),所以冷凝水不作為污染監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。艦用柴油機(jī)采用的基本都是閉式冷卻系統(tǒng),冷卻水泄漏通常有淡水系統(tǒng)泄漏和海水系統(tǒng)泄漏,泄漏故障原因很多,既和柴油機(jī)本身有關(guān),又與輔助系統(tǒng)有關(guān),比如汽缸蓋墊圈密封不良、缸套或汽缸蓋裂紋、潤(rùn)滑油冷卻裝置密封不嚴(yán)及冷卻系統(tǒng)管路裂紋等都會(huì)造成冷卻水泄漏進(jìn)入潤(rùn)滑油,該部分水量較大,一旦泄漏故障出現(xiàn),如果沒(méi)有得到及時(shí)排除就會(huì)有量的積累。

水污染不但對(duì)潤(rùn)滑油物理穩(wěn)定性有影響,還對(duì)潤(rùn)滑油的化學(xué)穩(wěn)定性有影響,水與添加劑反應(yīng)使添加劑沉積,促進(jìn)潤(rùn)滑油氧化生成酸類(lèi)物質(zhì),油泥增多,產(chǎn)生沉淀堵塞管路;還可以造成潤(rùn)滑油乳化,降低油膜強(qiáng)度或難以形成油膜,使?jié)櫥Ч儾?磨損加劇。另外,海水有較強(qiáng)的腐蝕性,加劇柴油機(jī)的零部件腐蝕和銹蝕,產(chǎn)生異常磨損。

1.2 監(jiān)測(cè)方法

柴油機(jī)潤(rùn)滑油含有大量的清凈分散劑,且處于高溫、高剪切和高速攪動(dòng)的工作環(huán)境,進(jìn)入潤(rùn)滑油的水分很容易蒸發(fā),含水量達(dá)不到一定程度時(shí),潤(rùn)滑油的進(jìn)水故障很難被發(fā)現(xiàn)。潤(rùn)滑油中的水使?jié)櫥托阅艽蠓认陆?導(dǎo)致柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生異常磨損。

本文采用了原子發(fā)射光譜儀、傅立葉變換紅外光譜儀和精密水分測(cè)試儀對(duì)采集的油樣進(jìn)行了檢測(cè)分析,其數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1。

通過(guò)分析表 1數(shù)據(jù),精密水分儀檢測(cè)到在0.2%以下水含量時(shí),紅外光譜水含量指標(biāo)基本上為 0,如 2、3、4、5號(hào)油樣,在精密水分檢測(cè)到水含量較大時(shí),二者的表征結(jié)果是一致的。在實(shí)驗(yàn)中選取了幾種常用柴油機(jī)潤(rùn)滑油新油進(jìn)行精密水分檢測(cè),其數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1,在儲(chǔ)存或運(yùn)輸中各種牌號(hào)的新油中已經(jīng)含有 0.1%左右的水分。

表1 油樣原子發(fā)射光譜數(shù)據(jù)表

紅外光譜油品分析系統(tǒng)采用的是差譜分析法,即在用油的紅外光譜與新油的紅外光譜進(jìn)行差減后得到在用油的紅外光譜指標(biāo)值,其檢測(cè)到的是相對(duì)水含量,由于新油已經(jīng)含水,經(jīng)差減后水分吸收峰很有可能被削減;而精密水分儀檢測(cè)到的是絕對(duì)水含量。所以,紅外光譜測(cè)得的水含量普遍較精密水分儀測(cè)得的水含量低。冷卻水泄漏為故障現(xiàn)象,正常情況下,潤(rùn)滑油中水的相對(duì)含量是低于紅外光譜油品分析系統(tǒng)所能檢測(cè)的水含量的最低限度0.1%,紅外光譜檢測(cè)不到水。

海水中含有大量的 Na、Mg等元素,部分冷卻淡水緩蝕劑也含有 Na、B、Si等元素,在某些潤(rùn)滑油中的添加劑中也含有這些元素,柴油機(jī)正常運(yùn)行時(shí),這些元素在潤(rùn)滑油中的含量基本上不會(huì)變化,如果出現(xiàn)冷卻系統(tǒng)泄漏,冷卻水中所含的元素也會(huì)進(jìn)入潤(rùn)滑油,即使在高溫、高速攪動(dòng)環(huán)境下水被蒸發(fā),這些元素也會(huì)保留在潤(rùn)滑油中,相應(yīng)元素的原子發(fā)射光譜數(shù)據(jù)就會(huì)增大,這是確定冷卻系統(tǒng)泄漏的一個(gè)重要依據(jù)。由表 1可以看出,原子發(fā)射光譜數(shù)據(jù)中的 4、5號(hào)油樣中的 Na、Mg元素?cái)?shù)據(jù)較高,明顯存在泄漏進(jìn)海水現(xiàn)象,而在表 1中精密水分檢測(cè)到的水含量較低,紅外光譜檢測(cè)到的水含量指標(biāo)為 0,說(shuō)明僅僅靠水含量來(lái)判定冷卻水泄漏是不可靠的,只有當(dāng)潤(rùn)滑油進(jìn)水量較大時(shí),如 1、6、7號(hào)油樣,故障才能被檢出。

2 燃油稀釋的監(jiān)測(cè)

2.1 燃油稀釋原因及影響

燃油稀釋主要有以下原因:噴油器故障,燃油霧化不良,缸套/活塞間隙過(guò)大和燃油系統(tǒng)泄漏。燃油稀釋將降低油膜強(qiáng)度、潤(rùn)滑油的密封能力和清凈能力,還將引起潤(rùn)滑油粘度、閃點(diǎn)下降,影響潤(rùn)滑油的物理穩(wěn)定性,造成柴油機(jī)磨損加劇,閃點(diǎn)下降,會(huì)使柴油機(jī)運(yùn)行的安全性下降。

2.2 監(jiān)測(cè)診斷方法

燃油稀釋的檢測(cè)方法通常有閃點(diǎn)法、粘度法、比重實(shí)驗(yàn)、色譜分析,但這些方法實(shí)驗(yàn)費(fèi)用較高、耗時(shí)較長(zhǎng),在日常的監(jiān)測(cè)中很難實(shí)施;另一個(gè)方面由于燃油和潤(rùn)滑油的基礎(chǔ)油物理化學(xué)性質(zhì)比較相似,上述方法很難準(zhǔn)確定量的對(duì)污染水平進(jìn)行診斷。本文采用了紅外光譜法對(duì)油樣進(jìn)行檢測(cè)分析,發(fā)現(xiàn)部分油樣有燃油稀釋現(xiàn)象,并進(jìn)行了閉口閃點(diǎn)測(cè)試,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表 2,其中 C、O、N、S、F、ZDDP(二烷基二硫代磷酸鋅 -抗磨添加劑)分別代表潤(rùn)滑油中的積碳、氧化產(chǎn)物、硝化產(chǎn)物、硫化產(chǎn)物、燃油稀釋水平、ZDDP。

表2 燃油稀釋油樣數(shù)據(jù)表

通過(guò)對(duì)表 2數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn),紅外光譜指標(biāo)中的燃油稀釋值和閃點(diǎn)下降幅度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,2、3、4、5號(hào)油樣為同一臺(tái)柴油機(jī)油樣,可以看出隨著燃油稀釋的加大,其閃點(diǎn)下降幅度很明顯。正常情況下,潤(rùn)滑油系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)是相隔離的,潤(rùn)滑油中不會(huì)含燃油或含極少量燃油,本文所使用的紅外光譜油品分析系統(tǒng)的燃油稀釋最低檢測(cè)限為2%,油樣是檢測(cè)不到燃油的。

在對(duì)燃油稀釋的診斷中,可以借助于紅外光譜的其他指標(biāo)對(duì)燃油稀釋原因進(jìn)行診斷,從而更加明確的掌握柴油機(jī)的狀態(tài),如 1號(hào)油樣,從其積碳、氧化產(chǎn)物、硝化產(chǎn)物、硫化產(chǎn)物指標(biāo)看,積碳、氧化產(chǎn)物兩項(xiàng)指標(biāo)為零,可以判定燃油霧化是正常的,從其硝化產(chǎn)物、硫化產(chǎn)物指標(biāo)來(lái)看,吸光度值也不高,說(shuō)明活塞環(huán)密封性能較好,從上述分析可以判定其燃油稀釋是由于燃油系統(tǒng)泄漏引起的,同理,可以判定 2、3、4、5號(hào)油樣對(duì)應(yīng)的柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)也存在泄漏現(xiàn)象;6號(hào)油樣的積碳吸光度值較高,其氧化產(chǎn)物、硝化產(chǎn)物、硫化產(chǎn)物不高,是由于柴油機(jī)燃油霧化不良或缸套/活塞間隙過(guò)大造成的燃油稀釋。

從表 3的原子發(fā)射光譜數(shù)據(jù)可以看出,存在燃油稀釋的油樣對(duì)應(yīng)的原子發(fā)射光譜數(shù)據(jù)未見(jiàn)異常,說(shuō)明燃油稀釋還沒(méi)有引起異常磨損,但是已經(jīng)形成故障隱患,同時(shí)也說(shuō)明紅外光譜對(duì)原子發(fā)射光譜起到很好的補(bǔ)充作用。

表3 油樣發(fā)射光譜數(shù)據(jù)

3 污染監(jiān)測(cè)流程

目前,油液監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)主要有兩種情況,一種側(cè)重于磨粒分析,較少進(jìn)行油品監(jiān)測(cè),因此獲得的監(jiān)測(cè)信息減少,導(dǎo)致監(jiān)測(cè)診斷的準(zhǔn)確率和故障檢出率降低;另一種把磨粒分析和油品監(jiān)測(cè)都作為重點(diǎn),在油品監(jiān)測(cè)方面主要采用常規(guī)理化指標(biāo)分析,理化性能指標(biāo)檢測(cè)方法雖然測(cè)試項(xiàng)目詳細(xì)、方法比較成熟,但是耗時(shí)長(zhǎng),實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐,按照?qǐng)D 1流程對(duì)柴油機(jī)潤(rùn)滑油污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)診斷,能有效地對(duì)故障和潤(rùn)滑油狀態(tài)進(jìn)行診斷。

圖1 柴油機(jī)潤(rùn)滑油水污染、燃油稀釋污染監(jiān)測(cè)流程圖

該流程可分為 3個(gè)環(huán)節(jié):例行監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理與狀態(tài)判別、外來(lái)污染的診斷與潤(rùn)滑油狀態(tài)評(píng)價(jià)。①例行監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié):該環(huán)節(jié)采用原子發(fā)射光譜儀和傅立葉變換紅外光譜儀組合應(yīng)用完成對(duì)潤(rùn)滑油的監(jiān)測(cè),實(shí)踐證明二者組合能夠準(zhǔn)確的反映水污染和燃油稀釋、磨損產(chǎn)物、衰變產(chǎn)物、添加劑損耗的增加和減少,不但能夠較全面的提供潤(rùn)滑油信息,而且經(jīng)濟(jì)、快捷。②數(shù)據(jù)處理與狀態(tài)判別環(huán)節(jié):該環(huán)節(jié)主要針對(duì)上一環(huán)節(jié)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析,判斷潤(rùn)滑油油品狀態(tài)。③污染的診斷與潤(rùn)滑油狀態(tài)評(píng)價(jià)環(huán)節(jié):在此環(huán)節(jié)中,主要對(duì)存在受污染的潤(rùn)滑油進(jìn)行詳細(xì)的診斷,如對(duì)冷卻水泄漏故障判斷是淡水系統(tǒng)泄漏還是海水系統(tǒng)泄漏,對(duì)燃油稀釋的診斷判斷是燃油泄漏還是其他原因等,并且能實(shí)現(xiàn)被污染的潤(rùn)滑油性能評(píng)價(jià)以確定其使用性能。

4 結(jié)論

潤(rùn)滑油的水污染和燃油稀釋是柴油機(jī)主要的故障源之一,如果不及時(shí)消除將會(huì)引起磨損故障,影響柴油機(jī)的正常運(yùn)行。實(shí)踐表明,本文提出的柴油機(jī)潤(rùn)滑油污染監(jiān)測(cè)流程能夠可靠的反映磨損產(chǎn)物、衰變產(chǎn)物、添加劑、水污染和燃油稀釋的增加和減少,并能利用指標(biāo)間的相互關(guān)系對(duì)故障進(jìn)行相應(yīng)的診斷,在柴油機(jī)潤(rùn)滑油水污染和燃油稀釋的監(jiān)測(cè)中取得了很好的效果,提高了監(jiān)測(cè)的工作效率和故障檢出率。