油液分析技术及其应用.ppt

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1、油液分析诊断技术及其应用,石油大学（北京）故障诊断研究中心,设备故障诊断研究,油液分析诊断技术,振动分析诊断技术,声发射诊断技术,油气管道泄漏检测,油液分析诊断软件开发 磨损图像分析与自动识别 直读式旋转铁谱仪开发 X-射线荧光能谱在线监测仪 便携式数据采集系统 振动故障诊断专家系统 套管磨损机理及预测 现代设备管理理论与方法 大功率柴油机故障诊断 车用发动机故障诊断 输油泵故障诊断 大型压缩机故障诊断,人员结构（平均36岁）,大型仪器设备B&K模态分析仪声发射分析仪油液分析系统综合诊断试验台高性能计算机管道泄漏检测试验系统,主要科研成果：获奖项目（部省级以上科技进步奖）三缸泵工作状态分析 柴

2、油机故障诊断专家系统 重大机电设备磨损状态监测专家系统 油液分析在机电设备故障诊断中的应用已完成的相关科研项目 国家攻关项目：2项 部级基金项目：4项 局级科研项目：5项,拥有自主知识产权/已推广应用项目 大型柴油机故障诊断仪及专家系统 输油泵故障诊断仪及状态监测专家系统 油液分析仪及诊断专家系统,压缩机和泵机组故障诊断研究,目 录,油液分析诊断原理与方法油液分析诊断软件系统大功率柴油发电机组故障诊断大型齿轮减速器故障诊断大型压缩机/泵机组故障诊断,一、油液分析诊断原理与方法,油液分析技术：,通过对运行设备在用润滑油的代表性样品检测与分析，获得有关油品性能指标变化以及油中污染和变质产物的宏观或

3、微观物态特征变化信息，进而确定设备润滑与磨损状态并诊断相关故障的技术。,油液分析方法1941年，油分析光谱(Baird公司)，铁路机车磨损监控(美西方铁路）1972年，直读/分析式铁谱仪，磨损产物的定量/定性分析1985年，旋转式铁谱仪，高污染油液的铁谱分析红外光谱仪、x-射线荧光能谱仪、在线监测仪在欧美、日本等国家的应用：国际磨损监控会议(1982):从柴油机/汽轮机/压缩机到人工关节研究美国三军联合油液分析计划（JOAP）,海湾战争(F16发动机监控)丹麦海军：核潜艇；日本：炼化设备(出光）在国内的应用：80-90年代，铁路、船舶、煤炭、电力、石油化工等多个行业铁谱、发射光谱、红外光谱及常

4、规理化指标的综合分析发展方向：由在线监测、离线监测到近在线监测图象识别、人工智能、远程诊断和虚拟现实技术的应用,油液分析技术的发展,油液分析技术应用领域机械设备状态监测与故障诊断润滑材料的改进与开发典型摩擦副磨损机理研究车辆污染控制范围：往复机械/旋转机械,油液分析诊断技术的作用视情维修与风险检测的基本工具润滑、磨损及相关故障诊断确定最佳润滑剂（润滑油/润滑脂）实现润滑监控、确定合理的换油周期延长大修间隔，降低设备维修成本,润滑油在使用过程中的变化 油液分析的基本依据,润滑油品质的变化：变质与劣化的必然性工作条件（压力、温度、剪切等）作用导致氧化变质环境因素（大气、冷却液、燃油等）导致氧化或变

5、质添加剂（抗氧化、抗磨添加剂等）消耗磨损产物介入：油中磨粒浓度随磨损状态而改变金属表面磨损产物磨粒混入润滑油中并循环油中磨粒数量（平衡浓度）：反映磨损程度的变化油中磨粒的类型：与磨损机理相关油中磨粒的成分及磨粒形态：与磨损来源相关污染物介入：系统保护界面的缺失或破损来自周围环境及相关系统的水分、尘埃、纤维、溶解物等,某柴油机在用润滑油一年内的粘度和水分变化,螺杆压缩机油中的磨损微粒,离心式天然气压缩机油中的污染物,燃油系,进排气系统,冷却系统,温度,负荷,速度,环境气氛,尘埃,砂粒纤维,水分烟尘,冷却剂油泥,氧化物变质物硫化物硝化物金属微粒,油循环系统,内燃机在用润滑油品质变化及污染影响因素,

6、油液分析的内容与方法,磨损微粒分析分析内容：磨粒数量、尺寸分布、成分及形态/类型分析方法：铁谱、发射光谱、颗粒计数等目标：确定主要磨损部位、磨损程度和机理/原因,油品变质及污染物分析分析内容：油变质和污染物类型及数量分析方法：红外光谱、发射光谱、铁谱及其它方法目标：确定油的可用度及相关的系统故障及原因,常规理化指标分析分析内容：粘度、闪点、水分、总碱值/酸值等分析方法：粘度/闪点/水分仪、滴定法、斑点试验等目标：确定油的可用度及相关子系统故障及原因,不同检测手段的监测应用范围,油品摩擦学评价,颗粒计数器,红外光谱分析,机械工程师,油品化学工程师,设备磨损状态油变质状况油污染状况设备状态评价,油

7、样、设备背景,发射光谱分析,常规理化分析,设备润滑与磨损监测 系统,现场设备工程师,设备润滑与磨损状态监测系统,铁谱分析,铁谱分析技术,分析式铁谱仪利用高梯度磁场，将油液中的磨粒分离出来，按规则排列沉积在铁谱基片上；借助于显微镜，分析磨粒的数量、尺寸分布、成分、类型等，进而确定设备磨损的状况。,直读式铁谱仪利用高梯度磁场，将油液中的磨粒分离并按大小排列于沉积沉积管；借助于光密度计，测定所沉积大小磨粒的浓度，进而确定设备的磨损程度。,旋转式铁谱仪利用离心力和磁场力联合作用，将油液中的磨粒分离出来，呈辐射线状按大小排列于铁谱基片；借助于显微镜，分析磨粒的数量、尺寸、成分、类型等，进而确定设备磨损的

8、状况。,蠕动泵,磁铁,输油导管,铁谱基片,油流,油样,废液杯,铁谱片,导向槽,磨粒沉积带,60,24,磁铁的磁路结构,分析式铁谱仪工作原理,油样,置于一定高度的油样试管,毛细管,回油管,磁铁,废液杯,虹吸钮,光纤,光敏元件,光敏元件,Dl,Ds,沉积管,沉积管,油样,废液,磁铁,直读式铁谱仪工作原理,密封圈,油样,铁谱基片,磁铁,密封拉杆,驱动轴,废液杯,输油装置,铁谱基片,内磁芯,外磁环,铜套,隔离套,Di,Do,反射式光密度探测头器,显微放大CCD,直读式旋转铁谱仪工作原理（石油大学）,样品,直读式铁谱仪,分析式铁谱仪,双 色显微镜,铁谱片,大磨粒浓度读数Dl,小磨粒浓度读数Ds,磨粒类型

9、及其数量,正常磨损颗粒 切削磨损颗粒 粘着擦伤颗粒 疲劳磨损颗粒 腐蚀磨损颗粒 球形颗粒 金属氧化物,直读铁谱与分析铁谱分析的一般过程,直读式旋 转铁谱仪,双 色显微镜,铁谱片,大磨粒读数Di,小磨粒读数Do,磨粒类型及其数量,正常磨损颗粒 切削磨损颗粒 粘着擦伤颗粒 疲劳磨损颗粒 腐蚀磨损颗粒 球形颗粒 金属氧化物,样品,样品斑点,氧化度污染度腐蚀度,样品滴,油质评级,直读式旋转铁谱仪分析的一般过程,定量铁谱分析,直读铁谱参数 Dl,Ds 旋转铁谱参数 Di,Do 磨损烈度/磨损强度 累积磨损量 磨粒分布 大小磨粒比率 磨粒粒度统计分布 磨损趋势分析,定性铁谱分析,金属磨粒分析 正常磨损颗粒

10、 切削磨损颗粒 粘着擦伤颗粒 疲劳磨损颗粒 腐蚀磨损颗粒 球形颗粒 金属氧化物,磨损程度,污染物分析 纤维 砂粒、粉尘 油变质物谱片湿化学分析 有色金属磨粒鉴别 铁磁性磨粒鉴别 有机污染物鉴别,磨损类型,磨损部位,种类与数量,污染类型与程度,元素光谱分析,原子发射光谱分析元素原子内层轨道上的低能态电子受外界能量激发跃迁到高能态的外层轨道，由于高能态电子的不稳定性，当电子返回内层轨道时，多余能量以光的形式释放，通过检测光的波长及强度信息，区分元素的种类和浓度。,各种激发源,分光器,探测器,信号处理与分析系统,光谱仪工作原理,诊断要点背景分析：零部件/润滑/污染物材料组成诊断基准：各元素浓度阈值相

11、关分析：元素变化的相关性元素变化考察（柴油机）磨损金属元素Fe,Cu,Al,Pb,Mn,Mo,Cr污染物元素B,Na,V,Si添加剂元素Ca,Mg,Zn,P,红外光谱分析,红外光谱仪红外光辐射可导致分子官能团的振动，不同分子的振动发生在特定的红外辐射频率（波长）段，产生在红外谱图中可见的峰，这些峰对应不同的物质分子。,水分,羧基氧化物,硝基氧化物,硫酸盐类,积碳,燃油,乙二醇,吸光度,波数,主要红外光谱分析指标在谱图中的分布,油液分析的一般程序,收集设备原始资料、考察设备现场制定监测计划和取样规范按规范取样样品分析数据处理提交监测诊断报告收集反馈意见提出设备维护建议,二、油液分析诊断软件,在用

12、润滑油监测信息管理系统油液分析数据库系统管理监测指标趋势分析监测诊断报告生成/传输油液分析诊断专家系统油液分析数据库系统和诊断知识库管理诊断基准确定（统计、模糊集、神经网络）磨损微粒计算机辅助/自动识别监测指标综合分析润滑油和关键摩擦副状态评估故障诊断及监测诊断结论生成监测诊断报告生成/传输,设备,/,部件表,测试基础,（标准）,数据表,监测制度表,设备概况表,监测数据及状态表,诊断结论表,理化,指标,发射,光谱,数据,铁谱,数据,取样,状态,品质,评价,污染,评价,磨损,评价,客,户,表,摩擦元件表,综合,结论,红外,光谱,数据,其它,指标,数据,润滑油数据,磨粒图谱,发射光谱,红外光谱,定

13、量,数据,定性,数据,磨粒,图库,反馈信息表,三、大功率柴油机故障诊断,大功率柴油机故障诊断拉缸活塞破裂活塞销断裂预防润滑与磨损故障统计,大功率柴油机拉缸前从润滑油中分离出的球形颗粒（扫描电子显微镜图像）：产生机理：金属表面粘着磨损，局部接触点瞬间高的闪温使材料处于熔融状态，在迅速冷却中重结晶形成。作为柴油机拉缸的重要判据。,活塞裙部破裂产生的铝合金颗粒（扫描电镜像）产生机理：接触疲劳，疲劳裂纹扩展形成,柴油机轴瓦产生的疲劳磨损颗粒：由表面接触疲劳形成，X射线能谱分析可见主要成分为铜合金,柴油机中的滑动磨损颗粒：由表面擦伤形成，可见明显的擦痕,柴油机中的切削磨损颗粒：上：两体磨料磨损结果（硬表

14、面切削软表面）下：三体磨料磨损产物（外来磨料粒子在摩擦副表面间参与微切削）,活塞销断裂前，油中主要元素变化反映出铜套磨损加剧,四、大型齿轮减速箱故障诊断,P&G 生产线减速器润滑油错用案例,1、电机,2、联轴器,3、分减速器,4、主减速器小齿轮,5、主减速器大齿轮,6、滚柱轴承,7、转炉托圈,1,2,3,5,6,4,7,炼钢转炉倾动机构齿轮箱润滑失效,五、大型压缩机/泵机组故障诊断,温 度传感器,压力传感器,速 度传感器,加速度传感器,位 移传感器,油液分析仪,润滑系统回油管路,信号调理、采集与转换控制模块,信号处理,数据分析与特征提取,多源诊断信息融合,故障模式分类判断,诊断结论,维修决策,

15、系统知识库,诊断数据库,控制系统,多源诊断信息检测,标准化数据接口,网络化信息集成,数据通讯协议,智能化诊断软件系统,远程通讯,原动机,工作机,往复发动机,燃气轮机,离心压缩机,往复压缩机,拉缸烧瓦轴颈疲劳活塞破损润滑失效气阀破损叶片摩擦磨损滑动轴承疲劳磨损气阀破裂转子失稳油膜振荡气阀破裂活塞破裂连杆断裂液击润滑失效,多源信息获取硬件系统组建,标准化接口技术,模拟试验,现场试验,现场验证,多源信息融合技术,综合诊断推理方法,自动特征提取,智能诊断软件开发,辅助维修决策方法,振动压力温度油液品质声发射,目标,高性能价格比智能诊断系统,多参数监测诊断标准化数据接口故障特征自动提取多源信息融合综合诊

16、断推理辅助维修决策远程诊断协同,压缩机组诊断技术：目标、主要研究内容及关键技术,泵机组故障诊断技术：目标、主要内容及关键技术,转子不平衡转子不对中油膜振荡密封失效轴承疲劳磨损气蚀叶片摩擦磨损,柱塞磨损阀座破损密封失效轴承磨损润滑失效.,多源信息获取硬件系统组建,标准化接口技术,模拟试验,现场试验,现场验证,综合诊断推理技术,确定诊断标准方法,自动特征提取技术,智能诊断软件开发,辅助维修决策方法,振动压力温度油液品质声发射,目标：,智能诊断系统,高性能价格比适合各类泵组多参数诊断早期故障预测动态诊断标准自动特征提取辅助维修决策集成化,空气压缩机往复式,多级压缩结构压力:达200bar,400ba

17、r润滑方式：气缸：滴油润滑运动部件：飞溅/循环油润滑润滑油选用:依 TdTd 220C,出口压力350bars:合成油,空气压缩机旋转式（1）,叶片式压缩机润滑方式：润滑油由泵体吸入端注入泵内腔与叶轮刮片之间，起冷却、润滑和密封作用润滑油选择：抗氧矿物油、抗泡透平油抗磨液压油喷射润滑旋转压缩机专用高性能油发动机油：MIL-L-2104B SAE20/30/40,空气压缩机旋转式（2）,螺旋式空气压缩机：润滑方式：对由齿轮传动同步的螺杆压缩机，非喷油润滑对由初级螺杆直接驱动的压缩机，吸入端喷油润滑并冷却对润滑油的要求：优良的抗氧化性优异的抗磨性良好的抗泡性良好的抗氧化物胶结能力（在油水分离器上）

18、良好的空气释放能力和抗乳化性,功用：冷却 密封 润滑,空气,空气+油,油,抗磨性,抗腐蚀,抗氧化性,排温：100/130C,油水分离器,空气释放能力,抗泡性,无沉积物堆积,带喷油冷却的旋转式螺杆压缩机润滑剂的功用和特性,润滑油选择：同步型螺杆压缩机采用透平油非同步型螺杆压缩机具有抗磨性和优异抗氧化性的液压油特殊矿物油或合成油（DIN 51352,51506 VC-L 和VD-L级）；对喷射润滑压缩机，油品级别应较高些。CC或CD级发动机油（SAE 10W API)排温100C的双级压缩机，用合成油。,气体压缩机,与空气压缩机相比，特殊之处：若压缩气体对润滑油无损害作用对氢、氦、氮气压缩机，润滑

19、油选择与空压机类似对排压高于600bars的超级压缩机，使用高粘度油对压缩气体可溶于矿物油使油膜分解的压缩机应使用与碳氢化合物或烃类不相溶的合成油使用具有高粘度等级的空压机复合矿物油,真空泵,结构：实际为吸入端与真空腔连接的压缩机，一般为旋转叶片泵润滑油选择：当真空度不太高时，可选用空压机油对高真空泵，选用具有低蒸发压力点的润滑油,制冷压缩机,构造原理基于液化气蒸发原理，蒸发过程以消耗大量热吸收为代价，一般由如下部分组成：用于压缩并加热气体的压缩机靠循环水冷却热压缩气体使之液化的冷凝器控制液化气流动的减压阀借周围环境温度通过吸热使液化气体蒸发的蒸发器,润滑 制冷压缩机的润滑与空压机类似，但所使

20、用的润滑油应不能在机组的冷却部分冻结。要求：良好的抗氧化性不会产生沉积物或油泥，否则将导致磨损、降低压缩机效率应使用流动性较好、低倾点、易与制冷液混合的矿物油，使润滑剂能返回压缩机而不会在蒸发器上产生降低热交换率的沉积物很低温度的应用场合，存在矿物油与冷却剂混合问题，推荐使用合成油,容积压缩机类型,需润滑的零部件,往复压缩机（活塞式）,气缸、连杆轴承轴承,旋转压缩机(螺杆式、叶片),叶轮旋转压缩机(Roots system),流体环形旋转压缩机,隔膜压缩机,连杆轴承，液压系统,轴承滚动体,齿轮,螺杆、叶片、齿轮、滚动轴承,容积压缩机类型,需润滑的零部件,径向/离心压缩机轴向压缩机,轴承,空气压缩机、容积型压缩机的润滑（应用：所有工业）,动态压缩机（应用：需要大空气容积的化学工业）,压缩机/泵机组监控程序,取样方法取样量：150ml、500ml取样位置：回油路取样状态：运行状态样品标记机器、油品、位置、日期取样频率空压机/气体压缩机：500hr,1000hr(良好状态）制冷压缩机：1000hr,2000hr,压缩机/泵机组常规监测指标,表观检查 水分 总不溶物 运动粘度（40C)酸值 添加剂元素 磨损金属元素：Fe,Cu,Al,Pb,Si,Cr,Sn 铁谱磨损指标 磨损烈度、磨损量 磨粒分析,螺杆压缩机润滑失效时油中出现的球形颗粒、疲劳剥块、和粘着磨损颗粒,天然气压缩机故障诊断,