油液分析技术的应用与发展概况.ppt

油液分析技术的发展概况及宝钢设备 状态监测受控点管理模式介绍 1 一、 概 述 l 在欧共体国家中每年用于维修的经费总额 大约是850亿到1100亿英镑，它相当于欧共体国 家年产值的5%，等于荷兰全年工业总产值；同 时在欧共体国家的35万个工厂中大约有200万人 员从事维修方面的工作。另一项调查指出，在 英国每年用于维修的经费总额大约是140亿英镑 ，它相当于英国全年产品销售额的5%，亦相当 于英国全年贸易赤字的2倍。 2 l 美国每年用于维修的费用大约是3000亿 5000亿美元；如果在维修管理、设备故障 诊断方面加以改进，可以减少的费用。 3 l 壳牌石油公司对机械故障作了分类统计：在柴 油机中，30%的故障是由于污染造成的，其 中50%是由于磨损造成的。对于齿轮来说， 75%的故障是由于润滑不当、外来污染、腐 蚀、轴承失效、维修不足和连续或短暂的超 负荷运转造成的；其中51%的故障是与磨损 有关，49%的故障是与过载有关。对于滚动 轴承来说，40%的故障是由于润滑不当造成 的，其中有10%的故障是在轴承正常疲劳寿 命期内发生的。 4 由此可见，维修是工业生产成本中一项巨 大的支出，它涉及到大量的人力、物力和财力 。维修工作在很大程度上取决于设备使用和维 修人员对该设备的了解，所以建立有效的维修 系统可以大大减少停机时间和节约维修费用。 要实现这个目标，可以通过设备状态监测正确 了解设备的运行状况从而作出及时的判断和正 确的维修决策来实现。 5 油样分析技术是借助对该系统有代表性油 样的分析来实现机器状态监测和故障诊断的 ，它是近十几年迅速发展起来的用于机械设 备状态监测的新技术，尤其在发动机、齿轮 传动、轴承系统、液压系统等方面，该技术 取得了显著的效益，获得了广泛的应用。 6 目前在工业发达的国家中，油液分析技术 正在或已经成为机械设备状态监测及故障诊 断的不可缺少的方法之一，占有重要的地位 。 7 （1） 分析内容： 主要包括磨粒分析、油品理化分析、颗粒 计数分析等方面内容。 其中磨粒分析指油样中所含磨粒的数量、 大小、形态、成分及其变化。 二、油液分析技术的机理和分析内容 8 理化、颗粒计数分析则主要是监测油品的 衰变程度：氧化程度、聚合程度、被污染程 度、被燃油和水稀释程度以及添加剂成分的 损耗程度等。 9 （2） 分析功能： a 监测设备、诊断故障、失效分析、预测 预防； b 推行状态监测，实行视情维修，降低维 修费用，合理地利用设备的效益； c 保证油品的质量，判断油品的被污染和 变质程度； d 延长润滑油的使用期限； e 制定合理的设备磨合规范。 10 油液分析技术的机理和分析内容汇总表 11 三、如何采集具有代表性的油样 由于油液中的各种组分、磨损颗粒及污染 杂质在整个系统的油液中的分布是不均匀的 ，它们以不连续的分散相存在，特别是润滑 油中的磨损颗粒，它的浓度和尺寸分布是随 机器的运行工况及其它多方面的影响而变化 的，这就给取出具有代表性的油样带来了困 难。 12 影响油样正确采集的几种因素： （1） 油液过滤器的滤清作用； （2） 颗粒在油液中的沉降作用； （3） 颗粒在固体表面的粘附效应； （4） 颗粒反复通过机器运动表面时进一步破 碎细化； （5） 颗粒的氧化效应； （6） 颗粒的化学腐蚀； （7） 油液的耗损。 13 取样位置的选择： 由于油液中的磨粒平衡浓度及达到平衡浓 度所需的时间与机器的工作状态有关，而且整 个润滑系统中各部分的磨粒浓度是不同的，因 此从处于运转状态的机器中取出油样时，应在 某些特定工况下于润滑系统的某一固定位置上 进行，且取样位置应选择在过滤器前。 14 在机器的润滑系统中，最常用的两个取样 点是润滑油油箱和回油管处。 油箱内油流动缓慢，由于磨粒沉降等效应 的影响，给取出具有代表性磨粒的油样增加了 难度，因此在回油管取样比在油箱中取样有较 大的优越性 。 15 四、油液分析技术的分类介绍 1.油品理化分析 它是通过检测油液本身的性能及其组成，掌 握油液在使用过程中的变化情况。油液质量的 好坏，将直接影响机器的正常状态，因此检测 油液品质的变化是设备诊断的一种常用手段。 分类：油液物理化学性能的分析和油液中化 学组分的分析。 16 在设备的状态监测中，主要对润滑油或液 压油的以下指标进行常规分析内容如下：运 动粘度、酸值、水分、铜片腐蚀、机械杂质 。 宝钢股份对在用机械油建立了有关企业标 准，并规定容量大于500l的油箱进行更换新 油时，必须有检测报告，避免无序换油。 17 运动粘度是反应液体粘度大小的一个表示 方法，是用毛细管粘度计来进行测定的。它 是流体润润滑材料最重要的性能。 粘度大的润滑油能够承受大的压力负荷， 不易从摩擦面挤出来，并保持一定厚度的油 膜；但粘度过大则不能流到配合间隙很小的 两摩擦面间，因而不能起到润滑作用。 对液压油而言，粘度的大小直接影响设备 工作的性能，如液压动作的灵敏性，液压力 的传递以及供给等。 18 酸值值是中和1克油中酸性成分所需碱的毫 克数，以mgkoh/g表示。 一方面，酸值值是控制和反映油品精制程度 的重要指标标之一，油品精制深度愈深，其酸 值值愈小。 另一方面，油在储储存或使用中由于一定温 度下，与空气中的氧发发生化学反应应，生成一 定量的有机酸。此时，油品的酸值值越大，说说 明油品衰变变越严重，也是判定油的废废旧程度 的重要指标标。 19 水分是指油品中含水量的百分比。 水分的存在会使金属产生锈蚀，降低油品 润滑性，使油品更易蒸发和起泡，还会加速 油品水解和氧化，产生沉淀物和腐蚀性物质 等，所以合格油品中应无水分或只有水的痕 迹。 油中的水分主要是在储运、保管和使用过 程中由外界混入的。 20 铜片腐蚀性指油液对有色金属（铜）的腐 蚀程度。把经过磨光的干净铜片浸入试油中 ，再把存试油的试管放入规定的油浴中，以 规定的时间把铜片取出，洗净后，与腐蚀标 准色板进行比较，以评定其等级。 腐蚀蚀原因有油品的精制程度，如少量活性 的含硫化合物和水溶性低分子有机酸引起； 此外油品受氧化后也会产产生氧化产产物，这这些 物质对质对 金属都有腐蚀蚀性。 21 机械杂质杂质 是指油品中不溶于汽油和苯的 沉淀物，即把一定量的试试油溶于热热汽油或热热 苯中，然后过滤过滤 ，沉淀物则则留在滤纸滤纸 上，用 热热的汽油或苯把沉淀物洗净净、干燥、称重， 最后算出该该油品中所含机械杂质杂质 的重量百分 比。 22 23 2.污染度控制 随着液压技术在各个工业部门的广泛应用 ，对液压系统的工作可靠性提出了更高的要 求。大量事实表明，液压设备的工作可靠性 与油液的污染状况有密切的关系。根据国内 外统计资料，液压系统的故障大约有70是 由于油液污染引起的。因此，液压系统污染 问题已越来越受到国内外工业界的重视。 24 油液中污染物大致有如下三个来源： （1） 机器和油液系统安装（使用前）带来 的（如焊渣、切屑、铁锈、砂子、纤维、磨料 等）； （2） 油液运转时从外界混入的（如尘埃、 水等）； （3） 机器运转时，系统内部产生的（如金 属磨粒、锈、油变质后的生成物、密封材料磨 粒和剥离片、水等）。 25 污染物通常以金属磨粒为主，金属磨粒和 零件表面突起部分相互作用，而从零件表面拉 出凹槽，形成碎片。这些污染颗粒，混入系统 中后会加速零件的磨损、研损，甚至破坏。在 液压系统中，因污染造成的故障约90是由这 种磨损所致。 26 油液污染度有两种表示法。其中一种是按 照每100毫升油中含有不同大小颗粒的数量来 分级，另一种是按100毫升油中含有颗粒重量( 毫克)分级。宝钢采用的是前一种表示法，用 nas等级（1-12级）来衡量液压油或润滑油被 污染程度。 27 3.光谱和铁谱分析技术 光谱和铁谱分析是对机械设备进行油液磨 损诊断的主要手段。 1）. 光谱分析： 用于分析在用润滑油中的金属磨粒和污染 物微粒的元素组成和含量，以评价取样设备 和零件的磨损程度，并预报其剩余寿命。 28 实践证明：油料光谱分析是一种行之有效 且成熟的油液监测技术，尤其是现代专用光 谱仪具有自动化程度高、分析速度快、定量 精确而又可进行多元素分析的特点，使这一 监测方法应用更为广泛。 29 最常见的磨损金属元素测定技术包括原 子吸收光谱分析、原子发射光谱分析和x射 线荧光光谱分析；其中，原子发射光谱分析 用得最多。 光谱仪可以测定润滑油中的磨粒、添加 剂和污染物的成分和数量（浓度）。通过对 照机器零件的成分可以准确地诊断故障并预 报其发展趋势。 光谱分析的不足之处是只能准确测定尺 寸为10微米以下的微粒。 30 以下是spectro m发射光谱仪外观 31 2）.磨粒分析（铁谱分析） 润滑油液监测的核心是磨粒分析，分析内容 ： 1）磨粒数量：用于判断机器处于何种磨损 阶段； 2）磨粒尺寸：根据磨粒尺寸分布，判断机 器的磨损程度； 3）磨粒成分：用于确定磨损零部件和元素 的来源； 4）磨粒形态：用于分析磨损机理和磨损类 型。 32 铁谱技术的基本原理 利用高梯度强磁场的作用，将从设备润 滑系统内采集的油样中分离出磨损颗粒， 并借助不同仪器检验分析这些磨损颗粒的 形貌、大小、数量、成分，从而对机械设 备的运转工况、关键部件的磨损状态进行 分析判断。 33 根据分离磨粒、检测磨粒的不同方法 ，研制了不同的铁谱仪。 主要有分析式铁谱仪、直读式铁谱仪 、旋转式铁谱仪、磨粒定量仪以及磁塞等 ，它们均为离线测量分析。 另外还有能在设备的润滑系统中分析 测量磨粒的铁谱仪称之为在线式铁谱仪。 34 直读式铁谱仪1 35 直读式铁谱仪2 36 分析式铁谱仪1 37 分析式铁谱仪2 38 旋转式铁谱仪 39 蓟式铁谱仪和铁谱显微镜 40 olympus bx-60显微镜 41 pq磨粒定量仪 42 磁塞 43 磨粒分类 大致可以分为： 正常滑动磨粒 、片状磨粒 、切削磨粒 、 严重滑动磨粒 、疲劳剥离磨粒 、球状磨 粒 、 红色氧化物颗粒 、黑色氧化物颗粒、 亚微米级腐蚀磨粒 、摩擦聚合物颗粒等 44 正常滑动磨粒 45 片状磨粒 46 严重滑动磨粒 47 球状磨粒 48 块状磨粒 49 切削状磨粒 50 黑色氧化物颗粒 51 红色氧化物颗粒 52 摩擦聚合物 53 五 油液分析技术的现状 1. 技术与管理相结合，提高设备维修管理水平 技术与管理相结合，实质上是技术与经济相结合 的问题，一切工作最终都要落实到经济效益上。实践 证明：技术是管理的有效保障，而管理是技术发展的 支撑点。 54 1）. 油液分析成为维修制度的组成部分 例如，由于船舶设备运行的特殊性，其对可靠性 和安全性要求很高，长期来一直执行定期检验制度。 英国劳氏船级社、美国船级社、挪威船级社、日本船 级社以及中国船级社在上世纪九十年代先后对原有规 范进行了修改，把油液分析纳入规范内容，并指出在 此基础上可以延长柴油机，螺旋桨轴的拆验周期。这 对于油液分析技术的应用推广来说是一个很大的突破 。 其它行业也有类似的情况出现。 55 宝钢是国内冶金行业中最早把油液分析作为设备 状态管理重要组成部分的特大型企业，其油液监测的 开展可以追溯到上世纪八十年代的建厂初期，至今已 有二十多年的历史，取得了丰硕的成果。 56 2）管理软件的开发 （1）国外大型仪器商开发的专业软件： 如美国predict公司的passport system（ computerized wpa lab system for wear condition monitoring），该公司在1990年代曾开发fast，fast plus系统。 美国spectro公司的coast系统（customized oil analysis for tribology），该公司在1990年代曾开 发atlas系统。 这些系统主要通过铁谱分析实现预知维修。 57 （2）国内大型企业也自行开发了众多的专业软件： 如宝钢开发的设备诊断系统，能够用于全厂设备 的状态管理，该系统不仅包括了油液分析，还包括振 动、红外等诊断内容。 58 2. 定量分析方法 近年来，将专家系统、人工神经网络、信息融合 等理论用于油液监测诊断的研究较多，但是只在小范 围中得到应用。 目前使用最多的定量分析方法仍然是： （1）趋势分析 （2）定量算法 a）线性回归法 b）标准偏差法 （3）特定机械的定量标准 59 六、技术和仪器的发展方向 1 . 各种仪器综合应用，提高分析速度和故障诊断准确 程度 选用多种分析仪器，实行计算机综合信息管理。 spectro公司、predict公司推出的coast，passport 软件反映了这个动向。 60 2. 仪器的微型化、多功能、智能化 1）由于微机电系统（mems）的发展，微型传感器得 以实现，美国海军水面舰艇中心研制一系列在线仪器 用于测定发动机油的理化性能，它的关键元件就是微 型传感器系列。 2）自动磨粒分析仪（laser net fines） 此仪器把颗粒计数和磨粒分类识别集中起来，并实 现智能定性定量分析。 61 3）将油液分析技术与振动分析技术等其他技术结合。 比较成功的是美国海军研究实验室的nicop 研 究项目；此项目是在上述自动磨粒分析仪的基础上， 把磨粒分析和振动监测与声发射技术结合起来，通过 多传感器融合取得准确的诊断结果，此项目还处于实 验室研究阶段。 62 3. 油液分析的网络化 1）目前各种油液分析软件已经开发并使用，但是基 本上是数据库形式的简单软件，利用因特网和局域网 实现分析工作网络化是发展方向。webcheck软件是商 业化的软件。 2）美国有人提出今后分析工作网络化的设想：多种 传感器上设置通讯接口利用手持装置通过因特网传输 到主机，利用智能化软件来得出结论。 63 4. 分析工作社会化、商业化 1）专业性的油液分析中心是近年来发展起来的一 种服务行业，它面向社会，为各种企业服务，由于分 析量大，成本低，双方都可获利。有些大型企业和军 事单位拥有完善的仪器设备与人力，现在亦现向社会 ，提高效益。 2）代理制。由代理人或单位作为中介方代理委托 方的油样交试验分析单位分析。目前英国海军有采用 这种方法进行装备油液分析工作。 64 3）油品、产品供应商和行业单位承担本产品或本 行业的设备油液分析工作，如壳牌石油公司实行的润 滑油监测系统（shell care），卡特皮勒公司实行的 sos系统都是从提高产品服务质量的角度来建立的油 液分析机构。英国劳氏船级社建立的润滑剂质量扫描 系统（lqs）是面向船舶与海洋工程的分析机械，这 些工作都是全球性。 65 七、宝钢设备状态监测受控点管理模式介绍 宝钢积极探索先进的设备管理模式，1996年在点 检定修制的基础上开创了“设备状态诊断监测受控点 管理”新模式，将设备诊断技术有效地融于设备管理 体系中，使现场点检工作发生了革命性的改变。在指 导维修、降低维修成本、提高设备精度、避免设备事 故方面发挥了重要作用。 通过9年的实践和积累，已形成了一套较完善的 体制。 66 1.设备状态诊断监测受控点管理的形成过程 点检定修制 宝钢在建厂初期引进了国外先进的设备管理模式 点检定修制。 虽然十余年的生产实践证明，宝钢原推行的以点 检定修制为核心的预防维修为确保设备的稳定运行， 最大限度的减少设备事故和故障的发生发 挥了重要 的作用。但在坚持以预防为主指导思想的引导下，这 种维修模式造成的设备过维修和欠维修现象大量存在 的弊端也是显而易见的。 67 解决弊端的途径 为了防止设备过维修和欠维修，必须定量把握设 备状态，以达到降低维修成本，提高检修效率和经济 效益的目的，实现由预防维修向预知状态维修的转变 。而依托现代科学技术进步即于近年来得到迅猛发展 的设备诊断技术则为一条有效途径。 68 宝钢在1981年即开始发展设备诊断技术，历经10 多年的探索、研究和技术储备，至1996年宝钢的设备 诊断技术已趋于成熟。 在此基础上宝钢设备系统推出了设备状态受控点 管理模式，使诊断技术被大规模的应用到生产实践中 。诊断技术的全面展开并融入到现有的维修管理模式 中去，使宝钢摒弃了以时间为基准的检修状态，过渡 到预知状态维修模式。 69 2. 设备状态诊断监测受控点管理 设备诊断分为离线诊断和在线诊断两种形式 ，目前宝钢采用的是以离线为主，在线、离线相 结合的设备诊断方式。 宝钢从1981年进行设备诊断至今，已经形成 了较为完善的诊断系统，为把握设备状态提供了 有力的手段。具体技术手段包括： 70 1）.宝钢的设备诊断技术 1. 振动诊断：含离线诊断、在线诊断和三部分； 2. 油液诊断：含磨损、油质和清洁度分析、变压器油分 析（气相和液相色谱） 3. 红外热成像诊断； 4. 现场动平衡校正等 71 2）.宝钢状态受控点管理体系 受控对象 关键设备； 关键辅助设备； 全厂的在用油状态控制； 全厂的高压供电系统设备及电气传动设备； 72 诊断实施 现场层面：由现场设备点检人员实施，主要 是利用简易的便携式仪器仪表采集设备的状 态参数，进行状态初步判断，并对数据进行 倾向管理。 专业层面 ：由专业检测机构分析设备异常 的部位、程度、原因以及评估剩余寿命，并 对设备维修提出指导性意见。 73 建立了诊断、检修的闭环体系 宝钢设备系统从状态预报制度着手，使诊断 、检修形成一个闭环的格局。从1998年开始，在 公司内部刊物一周设备情况概览上，开辟了 “本周设备诊断情况跟踪”栏目，将一周内设备 诊断发现的异常情况及时向各单位反映，使诊断 预报的异常设备得到了及时检修并恢复正常，其 它异常设备也得到了不同程度的维护，使设备运 行状态得到了有效保证。 74 组织体制 经过不断完善和发展，宝钢目前已形成了 一套以倾向化管理为核心，以各设备室（车 间）为基础，以设备诊断为手段，以规范的 规程为指导的受控点管理基本体系。 设备车间基本单位 对其管辖区域内的设备、 人员进行全面的管理 逐步改变以时间为基准 的检修模式，使之朝以状态 为基准的检修模式发展，达 到预知状态维修的目的。 先进的诊断技术 75 以规范的设备检测、诊断规程指导受控点管理 设备受控点工作的深入开展必须以规范的 检测、诊断规程为指导，由技术部门根据设 备状态和诊断结果，编制和及时修订设备的 检测、诊断规程，并以此指导受控点管理工 作。只有这样，才能有效地按设备状态维修 ，从而保证设备的安全顺行。 76 设备倾向管理 设备诊断是为了更好地掌握设备状态，具 体反映在设备的倾向管理上。倾向管理是掌 握设备状态的有效工具，根据诊断的数据， 绘制成倾向管理表，通过分析，为编制检修 计划和备件计划提供了依据。 77 3.宝钢状态受控点管理的应用实践 1）.振动分析技术 宝钢开展振动诊断已经有二十多年的历史，对旋转机 械故障如不平衡、不对中、齿轮故障、轴承故障以及由于 安装不良或工艺匹配不当引起的运行状态不佳，有丰富的 判断能力和处理经验。对于重中之重的设备，如主轧线设 备、连续运行的动力设备则采用在线监测与诊断系统。目 前宝钢已建立了多个在线系统，对及时把握主轧线状态、 发现早期故障隐患起到了很好的作用。近期专业人员还对 振动分析技术进行了