覃楚東，賀石中，龐晉山，張馳，陶輝

(廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司設(shè)備潤滑與檢測研究所，廣東 廣州 510000)

0 引言

吊機(jī)是海上平臺與外界聯(lián)系的“橋梁”，也是海洋工程和海洋油氣開發(fā)工程的重要裝備之一[1]。吊機(jī)的主要作用是從供給船上起吊作業(yè)人員和貨物，或是對平臺內(nèi)的貨物進(jìn)行搬運(yùn)。海上平臺吊機(jī)的種類繁多，主要包括定長箱體式吊臂液壓缸變幅起重機(jī)、可伸縮箱體式吊臂液壓缸變幅起重機(jī)、基座式折疊吊臂起重機(jī)、主柱固定式桁架吊臂鋼絲繩變幅起重機(jī)、回轉(zhuǎn)支承固定式桁架吊臂鋼絲繩變幅起重機(jī)等五類。回轉(zhuǎn)支承固定式桁架吊臂鋼絲繩變幅起重機(jī)，由于其額定載荷比較大，抗風(fēng)能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)更大的工作半徑，被廣泛運(yùn)用于海上平臺。由于平臺吊機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行工況復(fù)雜、承載狀況不穩(wěn)定、作業(yè)環(huán)境多變等特點(diǎn)，對安全性和可靠性要求較高[2]。因此加強(qiáng)對海上平臺吊機(jī)的研究，保障吊機(jī)的安全運(yùn)行，對平臺的日常生產(chǎn)和生活具有重要意義。

李記忠等[3]研究了吊機(jī)底座的受力形式并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了校核，分析了吊機(jī)底座高度、吊機(jī)工作半徑和吊重三個參數(shù)變化對底座強(qiáng)度、剛度及疲勞強(qiáng)度的影響規(guī)律。吳铦敏等[4-6]用有限元方法分析了吊機(jī)在不同載荷下的受力薄弱點(diǎn)，并計算和預(yù)測了吊機(jī)的剩余疲勞壽命。賀啟昌等[7]分析了平臺現(xiàn)場溜鉤情況，找出了故障原因并加以排除，減低了吊裝作業(yè)中的風(fēng)險。王寧等[8-9]通過對吊機(jī)加裝監(jiān)控系統(tǒng)和改造液壓系統(tǒng)，提高了吊機(jī)系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性和安全性。以上研究都是從吊機(jī)的受力分析或故障排除方面出發(fā)，卻鮮有運(yùn)用油液監(jiān)測技術(shù)來研究吊機(jī)的實(shí)際潤滑磨損狀況及可靠性。

油液監(jiān)測技術(shù)通過對機(jī)器的潤滑油樣定期取樣檢測，分析油品理化指標(biāo)和磨損指標(biāo)的變化情況，達(dá)到對機(jī)器故障有效診斷的目的[10]。本文通過分析某石油公司海上平臺吊機(jī)近六年來的油液監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲得吊機(jī)在潤滑和磨損方面的主要故障特征。通過分析不同類型故障產(chǎn)生的原因，給出相應(yīng)的建議措施，從而指導(dǎo)平臺吊機(jī)的日常監(jiān)測和維護(hù)，提高吊機(jī)的運(yùn)行可靠性。

1 吊機(jī)的主要潤滑點(diǎn)和用油情況

回轉(zhuǎn)支承固定式桁架吊臂鋼絲繩變幅起重機(jī)的主要結(jié)構(gòu)件包括吊臂、三腳架、回轉(zhuǎn)平臺、底座等。吊機(jī)的系統(tǒng)組成包括動力系統(tǒng)、起升系統(tǒng)、變幅系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等。動力系統(tǒng)為整個吊機(jī)的動力來源，分為電機(jī)驅(qū)動和柴油機(jī)驅(qū)動兩種，其中柴油機(jī)驅(qū)動的吊機(jī)在海上平臺的運(yùn)用更加廣泛。起升系統(tǒng)包括主絞車系統(tǒng)和副絞車系統(tǒng)，分別控制大鉤和小鉤的起升。

由于吊機(jī)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，潤滑點(diǎn)相對較多。而潤滑管理和油液監(jiān)測工作的開展，需要掌握每個潤滑點(diǎn)的實(shí)際潤滑和用油情況，從而指導(dǎo)設(shè)備的換油和運(yùn)行維保。根據(jù)本研究所對某石油公司在中國南海某平臺的調(diào)研結(jié)果，吊機(jī)的主要潤滑點(diǎn)和用油情況如表1所示。

表1 吊機(jī)的主要潤滑點(diǎn)和用油情況

2 吊機(jī)的整體監(jiān)測情況

2.1 油液監(jiān)測項(xiàng)目

由于不同部件的實(shí)際工況和重要性，實(shí)際進(jìn)行定期油液監(jiān)測的油品類型主要有液壓油、柴油機(jī)油、齒輪油，分別對應(yīng)吊機(jī)的液壓系統(tǒng)、柴油機(jī)、齒輪箱。具體的監(jiān)測項(xiàng)目如表2所示。

表2 吊機(jī)的油液監(jiān)測項(xiàng)目

2.2 監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計

本文中所有的分析數(shù)據(jù)，都是基于吊機(jī)設(shè)備實(shí)際的油液監(jiān)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于送檢的潤滑脂和鋼絲繩油數(shù)量非常少，且沒有進(jìn)行定期監(jiān)測，本文中不對其進(jìn)行統(tǒng)計和分析。

在某石油公司海上平臺近6年來的油液監(jiān)測中，共送檢吊機(jī)潤滑油樣品422個，其中液壓油樣76個，柴油機(jī)油樣69個，齒輪油樣277個。監(jiān)測結(jié)果顯示，有114個樣品的監(jiān)測報告中結(jié)論為警告，需要檢查磨損、防水、防塵情況或做出換油處理。有134個樣品的監(jiān)測報告中結(jié)論為注意，需要引起重視或采取過濾脫水等措施。各項(xiàng)指標(biāo)均正常的樣品有174個，吊機(jī)在用潤滑油總體合格率為41.2%。吊機(jī)不同類型的油液監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計如圖1所示。

從圖1中可以看出，盡管海上環(huán)境惡劣，但油液的整體監(jiān)測結(jié)果較好。柴油機(jī)油的故障出現(xiàn)次數(shù)最少，齒輪油出現(xiàn)的故障次數(shù)最多。這與它們的實(shí)際工況有關(guān)，柴油機(jī)發(fā)生磨損的情況較少，大多數(shù)故障由燃油泄漏造成。而齒輪箱由于其負(fù)載大等特點(diǎn)，經(jīng)常會出現(xiàn)異常磨損的情況。

圖1 吊機(jī)油液監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計

3 油液理化指標(biāo)分析

3.1 黏度

黏度是油品牌號的劃分依據(jù)，其源于液體的內(nèi)摩擦，表征摩擦副之間的油膜強(qiáng)度。對吊機(jī)的潤滑油進(jìn)行黏度監(jiān)測，可以實(shí)時獲取機(jī)組的潤滑狀態(tài)，并指導(dǎo)機(jī)組的換油和分析磨損情況。油品在使用過程中，黏度會因污染、氧化、劣化等原因升高或降低，也會因?yàn)槿粘＞S保過程中加錯油或補(bǔ)錯油導(dǎo)致黏度的上升與下降。

在監(jiān)測期間，吊機(jī)的所有在用潤滑油里面，黏度異常的樣品有33個，約占總樣品數(shù)的7.8%。其中，黏度嚴(yán)重異常的樣品有21個，約占總樣品數(shù)的5.0%。通過單獨(dú)分析不同類型的油品，發(fā)現(xiàn)液壓油中沒有發(fā)現(xiàn)黏度嚴(yán)重異常的樣品。柴油機(jī)油中有4個樣品的黏度嚴(yán)重異常，其中2個樣品是由水分污染引起，另外2個樣品是由燃油污染引起，因此建議檢查對應(yīng)的柴油機(jī)在使用過程中的密封情況，避免被水和燃油污染。齒輪油中有17個樣品的黏度嚴(yán)重異常，均是由用錯油或補(bǔ)錯油引起的，因此建議現(xiàn)場制定詳細(xì)的設(shè)備潤滑手冊，詳細(xì)列舉每個設(shè)備和每個潤滑點(diǎn)，以及所需添加潤滑油的具體牌號、加油量、加油工具等，避免油品錯用和混用現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.2 酸值/堿值

酸值/堿值是判斷設(shè)備潤滑狀況及油品劣化的重要指標(biāo)。酸值來源于潤滑油中的酸性組分，主要包括潤滑油的有機(jī)酸和酸性添加劑。潤滑油的酸值升高，通常是由于油品氧化而生成酸性物質(zhì)。這些酸性物質(zhì)會對金屬部件，特別是軸承等銅質(zhì)部件造成腐蝕。堿值來源于潤滑油中的堿性組分，主要包括有機(jī)堿、無機(jī)堿、胺基化合物和堿性添加劑等[10]。

在監(jiān)測期間，吊機(jī)的所有在用潤滑油里面，未發(fā)現(xiàn)酸值和堿值異常的油樣。這表明該石油公司海上平臺具有較好的設(shè)備潤滑管理體系，且定期對吊機(jī)設(shè)備進(jìn)行油液監(jiān)測，能夠在潤滑油氧化和劣化之前進(jìn)行相應(yīng)處理或換油，避免了酸值/堿值對設(shè)備產(chǎn)生異常影響。

3.3 閃點(diǎn)

閃點(diǎn)是潤滑油的蒸汽和空氣所形成的混合氣與火焰接觸發(fā)生瞬間閃火的最低溫度[10]。閃點(diǎn)值關(guān)系到柴油機(jī)在使用過程中的安全，柴油機(jī)油的閃點(diǎn)應(yīng)控制在180 ℃以上。

在監(jiān)測期間，吊機(jī)的柴油機(jī)油里面，閃點(diǎn)異常的樣品有6個，約占柴油機(jī)油樣品數(shù)的8.7%，未發(fā)現(xiàn)閃點(diǎn)嚴(yán)重偏低的油樣。柴油機(jī)油的閃點(diǎn)偏低，大多都是由燃油泄漏引起的。燃油泄漏不僅會造成閃點(diǎn)偏低，產(chǎn)生安全隱患，也會使柴油機(jī)油的黏度下降，產(chǎn)生異常磨損。因此建議對柴油機(jī)進(jìn)行定期監(jiān)測，以關(guān)注閃點(diǎn)值的變化趨勢。

4 油液污染情況分析

4.1 水分

水分表示油品中含水量的多少。潤滑油中水分過多，不僅會破壞油膜，加劇摩擦副表面的磨損，也會對設(shè)備材料造成腐蝕。因此，需要將潤滑油中的水分控制在較低水平。

在監(jiān)測期間，吊機(jī)的所有在用潤滑油里面，水分異常的樣品有41個，約占總樣品數(shù)的9.7%。其中水分指標(biāo)嚴(yán)重異常的樣品有11個，約占總樣品數(shù)的2.6%。通過單獨(dú)分析不同類型的油品，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)油中有2個樣品的水分嚴(yán)重異常，液壓油中有4個樣品的水分嚴(yán)重異常，齒輪油中有5個樣品的水分嚴(yán)重異常，均是由于外界的水分污染。由于吊機(jī)常年暴露在外面，且南海降水較多，容易受到水分的污染，建議日常的維保中注意檢查吊機(jī)各潤滑部件的防水密封情況。另外，吊機(jī)的液壓系統(tǒng)用油量相對較大，一般在700～2500 L之間，因?yàn)樗制叨鴵Q油會產(chǎn)生較大的成本。在油品其他指標(biāo)正常而水分偏高的情況下，建議對液壓油進(jìn)行脫水處理即可。

4.2 污染物

污染物是指潤滑油中因設(shè)備運(yùn)行而產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)(如油泥、磨損顆粒)和外界侵入的顆粒物質(zhì)(如粉塵、纖維等)。這些污染物容易堵塞油路和濾油器，影響設(shè)備運(yùn)行的可靠性，也會破壞潤滑油膜，造成摩擦副的異常磨損。污染物可以通過污染度等級、光譜分析、鐵譜分析等檢測技術(shù)發(fā)現(xiàn)，而鐵譜分析中表征的污染物最為直觀。

在監(jiān)測期間，吊機(jī)的所有在用潤滑油里面，污染物異常的樣品有149個，鐵譜分析中發(fā)現(xiàn)少量油泥或粉塵污染物，約占總樣品數(shù)的35.3%。污染物嚴(yán)重異常的樣品有31個，鐵譜分析中發(fā)現(xiàn)大量油泥或粉塵污染物，約占總樣品數(shù)的7.3%。分析發(fā)現(xiàn)污染物嚴(yán)重異常的樣品均為齒輪油，這是由于海上平臺吊機(jī)的齒輪箱負(fù)載較大、工況惡劣，使用過程中容易發(fā)生氧化而產(chǎn)生油泥，也會由于異常磨損而產(chǎn)生金屬顆粒。對污染嚴(yán)重異常的齒輪油，應(yīng)進(jìn)行過濾或做換油處理，并加強(qiáng)跟蹤監(jiān)測，避免嚴(yán)重異常磨損的發(fā)生。

5 吊機(jī)磨損狀況分析

設(shè)備的磨損狀況，主要通過光譜分析和鐵譜分析來表征。光譜分析可以獲知潤滑油中不同類型金屬元素的含量，從而判斷設(shè)備的磨損情況。鐵譜分析可以獲知潤滑油中磨損顆粒的類型、尺寸、形貌等特征，從而判斷設(shè)備的摩擦部位和磨損程度。對在用潤滑油進(jìn)行定期監(jiān)測，可以實(shí)時獲知設(shè)備的磨損狀況，避免嚴(yán)重磨損的發(fā)生。

元素Fe、Cu是分析設(shè)備磨損最重要的兩種元素，其直接對應(yīng)于設(shè)備油液中的鋼質(zhì)磨粒和銅合金磨粒。圖2、圖3為吊機(jī)監(jiān)測期間所有潤滑油的磨損金屬元素Fe、Cu的頻數(shù)分布直方圖。從圖中可以看出，檢測出的Cu元素含量的最大值為6000 mg/kg，要大于Fe元素含量的最大值3239 mg/kg。但是Fe元素的磨損情況更加嚴(yán)重，大量磨損數(shù)據(jù)集中在0～1000 mg/kg的區(qū)域，這與鐵譜分析的結(jié)果一致。而每種類型油品所對應(yīng)設(shè)備的磨損情況，會在下文中單獨(dú)做出詳細(xì)分析。

圖2 吊機(jī)在用潤滑油Fe元素含量檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖3 吊機(jī)在用潤滑油Cu元素含量檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

5.1 液壓油

對于液壓系統(tǒng)來說，光譜分析評價磨損的主要元素有Fe和Cu，F(xiàn)e元素主要來自液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸等部件，Cu元素主要來自閥門、墊片等部件。

監(jiān)測的76個吊機(jī)液壓油樣品中，F(xiàn)e元素含量基本正常，都在控制指標(biāo)范圍之內(nèi)。Cu元素含量有8個樣品超過了液壓油的控制指標(biāo)，其檢測結(jié)果分布如圖4所示。

圖4 液壓油Cu元素含量檢測結(jié)果

從圖中可以看出Cu元素含量數(shù)值均在較低范圍內(nèi)，表明吊機(jī)液壓系統(tǒng)維護(hù)較好，沒有產(chǎn)生嚴(yán)重異常磨損的情況。且Cu元素含量異常樣品的鐵譜分析中均未發(fā)現(xiàn)銅合金異常磨損顆粒，表明Cu元素來源于液壓系統(tǒng)相關(guān)部件的腐蝕。對于磨損異常的液壓系統(tǒng)，建議加強(qiáng)跟蹤監(jiān)測，關(guān)注Cu元素含量的變化趨勢，避免嚴(yán)重磨損或腐蝕的發(fā)生。

5.2 柴油機(jī)油

對于柴油機(jī)來說，光譜分析主要評價的元素有Fe、Cu、Pb、Sn。Fe元素來源于各種鋼質(zhì)摩擦副的磨損，如活塞環(huán)、缸套、曲軸、油泵齒面等，Cu、Pb、Sn元素通常來源于軸瓦等的磨損[11]。

監(jiān)測的69個柴油機(jī)油樣品中，F(xiàn)e元素含量有3個樣品超過了柴油機(jī)油的控制指標(biāo)，其檢測結(jié)果分布如圖5所示。Cu元素含量有7個樣品超過了柴油機(jī)油的控制指標(biāo)，其檢測結(jié)果分布如圖6所示。Sn元素含量有2個樣品超過了柴油機(jī)油的控制指標(biāo)，其檢測結(jié)果分布如圖7所示。Pb元素含量正常，都在控制指標(biāo)范圍之內(nèi)。

圖5 柴油機(jī)油Fe元素含量檢測結(jié)果

圖6 柴油機(jī)油Cu元素含量檢測結(jié)果

圖7 柴油機(jī)油Sn元素含量檢測結(jié)果

從圖中可以看出，除了個別樣品的磨損金屬元素含量較高外，絕大多數(shù)樣品的磨損元素含量均在較低范圍內(nèi)，表明吊機(jī)柴油機(jī)維護(hù)較好。在磨損元素異常的樣品中，只有一個樣品在鐵譜分析中發(fā)現(xiàn)了個別鋼質(zhì)顆粒，其他樣品的鐵譜分析中均未發(fā)現(xiàn)異常磨損顆粒，表明油液中的金屬元素大多來源于柴油機(jī)相關(guān)部件的腐蝕。因此，對于磨損異常的柴油機(jī)，建議加強(qiáng)跟蹤監(jiān)測，關(guān)注磨損元素含量的變化趨勢，避免嚴(yán)重磨損和腐蝕的發(fā)生。

5.3 齒輪油

對于齒輪油來說，光譜分析主要評價的元素有Fe和Cu。Fe元素來源于各種鋼質(zhì)部件，如軸頸、泵類、齒面等，Cu元素通常來源于軸承保持架、或滑動軸承的軸瓦。

監(jiān)測的277個齒輪油樣品中，F(xiàn)e元素含量有93個樣品超過了齒輪油的控制指標(biāo)，且其中有38個樣品的Fe元素含量嚴(yán)重偏高，其檢測結(jié)果分布如圖8所示。Cu元素含量有60個樣品超過了齒輪油的控制指標(biāo)，且其中有43個樣品的Cu元素含量嚴(yán)重偏高，其檢測結(jié)果分布如圖9所示。

圖8 齒輪油Fe元素含量檢測結(jié)果

圖9 齒輪油Cu元素含量檢測結(jié)果

從磨損元素分布圖中可以看出，齒輪油的磨損情況比較嚴(yán)重，少數(shù)樣品的磨損金屬元素Fe、Cu含量超過控制指標(biāo)的十倍以上，表明吊機(jī)齒輪箱的維護(hù)較差，存在嚴(yán)重異常磨損的情況。

監(jiān)測的277個齒輪油樣品中，鐵譜分析發(fā)現(xiàn)50個樣品中有大量的磨損顆粒，主要包括鋼質(zhì)顆粒和銅合金磨粒，且這些嚴(yán)重磨損樣品的鐵譜分析結(jié)果數(shù)據(jù)與光譜元素分析的數(shù)據(jù)吻合。齒輪油嚴(yán)重磨損的鐵譜如圖10所示，為該石油公司某平臺左舷吊車小鉤齒輪箱的油液樣品鐵譜磨粒圖。

圖10 齒輪油鐵譜磨粒

從鐵譜磨粒圖中可以看出，油中有大量的鋼質(zhì)顆粒和少量銅合金顆粒，磨粒最大尺寸超過100 μm，表明該齒輪箱存在嚴(yán)重異常磨損。對于磨損異常的齒輪箱，建議加強(qiáng)跟蹤監(jiān)測，關(guān)注磨損元素含量的變化趨勢，避免嚴(yán)重磨損的發(fā)生。對于嚴(yán)重磨損的齒輪箱，建議檢查齒輪箱的磨損情況，并立即沖洗系統(tǒng)，更換新油，避免停機(jī)故障的發(fā)生。

6 結(jié)論

(1) 油品錯用或混用，會改變油品黏度，降低油品性能，在吊機(jī)加換油時應(yīng)當(dāng)避免此類情況發(fā)生。

(2) 閃點(diǎn)偏低會造成柴油機(jī)使用時的安全隱患，應(yīng)根據(jù)檢測數(shù)據(jù)做出相應(yīng)檢查或換油處理。

(3) 油中如果出現(xiàn)水分和污染物，會影響潤滑油膜的強(qiáng)度，加劇設(shè)備磨損。當(dāng)檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，應(yīng)當(dāng)做出脫水、過濾處理，嚴(yán)重時應(yīng)該換油。

(4)齒輪箱是吊機(jī)中最容易發(fā)生異常磨損的部件，維保時應(yīng)當(dāng)定期檢查磨損和防塵密封情況，并根據(jù)檢測結(jié)果適當(dāng)縮短齒輪箱的換油周期。

(5)對設(shè)備潤滑部件的在用油進(jìn)行定期監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)每個異常的指標(biāo)數(shù)據(jù)，從而做出相應(yīng)處理，避免異常磨損和故障的發(fā)生。

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