中红外光谱在船用润滑油低含水量定量测量的进一步研究20140331.doc

中红外光谱在船用润滑油低含水量定量测量的进一步研究 杨琨* 武汉理工大学 能源与动力工程学院 可靠性工程研究所 湖北，武汉，430063 摘要：在利用中红外光谱对液压油含水量监测的基础上，针对FTIR在ASTM标准测试方法下检测油液低于1000ppm含水量的困难，开展对CD40润滑油在低含水量范围定量测量的探索性试验研究。首先验证该方法对于被测润滑油含水量测定的有效性，然后利用实验探索中红外光谱能量吸收与1000ppm以下水含量之间的函数关系，对实验数据分析获得了定量测量的数学模型。实验结果表明，该方法能够有效定量测量低于1000ppm的油液含水量，拟合的数学模型相对测量数据的相对误差最大为2.04%。利用该方法对0.1%以下含水量的测量精度略低于0.1%以上含水量的测量精度。该研究为这一类型传感器的研究和发展提供了借鉴。 关键词：中红外光谱；船用机械；润滑油；含水量；定量 中图分类号 文章标识码 文章编号 引言 对船舶润滑油系统的监测能够反映船舶机械运行的状态，具有非常重要的工程价值[1]。船舶航行过程中其润滑油系统极易被水污染，当润滑油中含有一定量水时，水分将与氧气等介质共同作用对机械表面产生腐蚀[2]，这一影响对于其他如汽轮机等机械设备也同样是非常致命的[3]，因而必须对船用润滑油含水量做定期或者是实时监测。 目前可用于润滑油水分检测的方法较多，包括如卡尔费休法，蒸馏法，压力法等[4-5]。Marianne Duncanson在其文章中比较了多种测量润滑油水含量的方法的测量范围和精度优势等。文章指出利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量润滑油中水含量存在精度低和检出限高等问题，即FTIR无法用于测量油液中低于1000ppm（或0.1%）的含水量[6]。通常采用FTIR按照ASTM的方法测量润滑油含水量所选择的中红外波段在3400cm-1附近，主要通过水分在该波段的吸收峰来测量油液中的含水量[7]。然而，在3400cm-1这一波段有吸收的官能团不仅限于水分中的羟基，也可能是乙二醇中的羟基等，这同时也给准确定量测量带来麻烦。因此，作者在之前的研究中提出利用中红外范围内的其他波段的吸收来定量测量机械润滑油油液中含水量，并以HM32/H液压油作为油样，对其含水量在0.1%以上的红外吸收光谱的定量测量做了研究[8]。结果表明，对于所选液压油样品，实验中所选择的波段3773-3509cm-1内的能量吸收与油液含水量满足二次函数关系。但之前的研究工作没有对Marianne Duncanson所提出的FTIR无法定量测量润滑油0.1%以下含水量的问题进行探索。本文的工作主要集中在利用中红外光谱，在所选择波段范围对船用润滑油在低含水量情况下定量测量开展研究，证明FTIR能够用于定量测量润滑油的低含水量。 在线测量日趋成为设备状态监测的主流，对油液水分在线监测的传感器的需求非常巨大。当前基于测量油液介电常数的方法被用于机械油液的含水量测量的研究[9-11]，可由于油液中含有的金属颗粒和酸碱的浓度在不断变化，导致油液介电常数不断变化，干扰了传感器对水分的测量。因而这种传感器只适合测量油液中水分的大幅度突变，不能精确测量油液含水量。本文研究工作是新型油液含水量在线监测传感器的研究和开发工作的理论基础。 1实验部分 实验中所采用的中红外光谱仪为Nicolet的AVATAR 360傅里叶变换红外光谱仪。根据 讨论在文献[8]中做了详细介绍。实验中采用CD40的船用润滑油作为研究对象，通过AVATAR 360研究其油液含水量变化对其中红外光谱能量吸收所产生的影响。制备含有一定量水分的润滑油样品的过程如下。 首先要确定测量混入油液的水分体积的方法。主要采用两种方法来测量混入油液的体积，一种是滴定管滴定，另一种是0.1ml和0.5ml的玻璃吸管。滴定管的刻度精确到0.1ml，只能用于含水量0.1%以上的润滑油样品的配置。经测量，滴定管每滴下18滴蒸馏水时，管内液面下降1ml刻度；玻璃吸管的总吸入容积有0.1ml和0.5ml两种，其每个刻度的精度分别能达到0.001ml和0.005ml，可以用于低于0.1%的低含水量甚至是微量含水量润滑油油样的配置。 然后利用量杯量取100ml的CD40船用润滑油新油倒入干燥的塑料试剂瓶中作为实验的基础油。基础油是未经水分污染的，但不能排除含有极微量水分的可能性，实验中认为这部分含水量是作为一个常数存在，主要研究含水量变化值与红外光谱能量吸收之间的关系。 最后通过计算滴入油液中的水滴滴数或者是从玻璃吸管注入润滑油中的水体积来测定实际混入油液的水量。每完成一次加水过程后就将润滑油用力摇匀使水分与油液充分混合，测量完光谱数据之后再进行下一次加水的滴定过程，直到完成所有含水量对应的红外光谱的采集为止。 Fig. 1 The