艦艇裝備油液取樣技術(shù)研究

張金山，劉東風(fēng)，石新發(fā)

(海軍工程大學(xué) 青島油液檢測(cè)分析中心， 山東 青島 266012)

艦艇裝備油液取樣技術(shù)研究

張金山，劉東風(fēng)，石新發(fā)

(海軍工程大學(xué) 青島油液檢測(cè)分析中心， 山東 青島 266012)

文章結(jié)合艦艇工作環(huán)境的特殊性和艦艇裝備開(kāi)展油液監(jiān)測(cè)工作的特點(diǎn)，研究了艦艇裝備油液取樣的基本原則，現(xiàn)行的取樣方法以及取樣位置和取樣時(shí)機(jī)的確定，介紹了當(dāng)前取樣工作中存在的主要問(wèn)題，并提出相應(yīng)的解決方法，闡述了取樣問(wèn)題的研究方向。

艦艇裝備;油液監(jiān)測(cè);潤(rùn)滑油取樣

0 引言

油液監(jiān)測(cè)技術(shù)是將采集到的設(shè)備潤(rùn)滑油或工作介質(zhì)樣品，利用光、電、磁學(xué)等手段，分析其理化指標(biāo)、檢測(cè)所攜帶的磨損和污染物顆粒，從而獲得機(jī)器的潤(rùn)滑和磨粒狀態(tài)的信息，定性和定量地描述裝備的磨損狀態(tài)，找出誘發(fā)因素，評(píng)價(jià)機(jī)器的工況和預(yù)測(cè)其故障，并確定故障部位、原因和類型［1］。目前油液監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室配有鐵譜分析儀、原子發(fā)射油料光譜儀、傅立葉變換紅外光譜儀及X熒光能譜儀等先進(jìn)精密的儀器，形成了比較完整的儀器設(shè)備體系。但是由于摩擦學(xué)系統(tǒng)存在時(shí)變性和隨機(jī)性，反映機(jī)械狀態(tài)的代表性油樣的提取會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)論有很大的影響，任何儀器和專家都不能對(duì)錯(cuò)誤的油樣得出裝備運(yùn)行狀態(tài)的正確分析結(jié)果。因此，油液取樣關(guān)系到油液監(jiān)測(cè)的成敗，需要對(duì)取樣技術(shù)進(jìn)行更加深入的研究。

1 取樣基本原則

艦艇裝備油液監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展有其特殊性:首先，艦艇長(zhǎng)期在高溫、高濕、高腐蝕的惡劣環(huán)境下工作，裝備出現(xiàn)故障的概率相對(duì)較高;其次，航行中受到風(fēng)浪的影響，船體搖晃劇烈，限制了很多精密儀器在艦艇上的使用［2］;再次，艦艇結(jié)構(gòu)緊密，空間狹小，部分裝備取樣部位布置不合理，給監(jiān)測(cè)工作造成不便;最后，出于執(zhí)行任務(wù)的需要，對(duì)使用的潤(rùn)滑油、液壓油的質(zhì)量要求較高。所以在艦艇上進(jìn)行取樣工作既要正確反映裝備運(yùn)行狀況，又要貼合實(shí)際，保障任務(wù)順利完成，應(yīng)該符合以下基本原則。

1)代表性原則。

取樣問(wèn)題的核心是油樣的代表性問(wèn)題，所謂油樣的代表性，是指油樣中固體顆粒的濃度、大小分布，油液性質(zhì)與它們?cè)谘b備油液系統(tǒng)中一致［3］。要保證取出的油樣能夠代表艦艇裝備真實(shí)的狀況，包含監(jiān)測(cè)對(duì)象最大的信息量，同時(shí)盡量減少干擾性因素。

2)經(jīng)濟(jì)性原則。

艦艇裝備對(duì)在用油質(zhì)量要求高，相應(yīng)價(jià)格較高，檢測(cè)分析本身的成本也很高。一方面，如果取樣頻率過(guò)大，取樣量過(guò)多，勢(shì)必造成檢測(cè)人力物力的浪費(fèi)，甚至?xí)绊懷b備的正常運(yùn)行;另一方面，如果取樣頻率太低，取樣量太少，難以及時(shí)反映艦艇裝備存在的問(wèn)題，不但會(huì)造成油液大量污染或品質(zhì)快速下降而需大量換油，而且已有的故障會(huì)對(duì)裝備造成更大的損害，導(dǎo)致更嚴(yán)重的損失。

3)協(xié)調(diào)性原則。

潤(rùn)滑油取樣工作的進(jìn)行要融入到艦艇裝備使用的整個(gè)過(guò)程中，綜合考慮裝備運(yùn)行、檢修、管理等多方面因素，要與裝備的使用管理規(guī)程結(jié)合起來(lái)，爭(zhēng)取在不影響艦艇執(zhí)行任務(wù)的情況下完成取樣工作［4］。一般情況下取樣操作可以在船塢或碼頭進(jìn)行，取樣周期可以隨修程而定，但是在有故障征兆時(shí)，則要及時(shí)取樣。在裝備運(yùn)轉(zhuǎn)中取樣時(shí)，要防止取樣造成裝備潤(rùn)滑系統(tǒng)油壓的變化，避免造成不必要的損害。

2 艦艇裝備油液取樣實(shí)施現(xiàn)狀

多年以來(lái)，對(duì)取樣問(wèn)題的研究缺乏理論數(shù)據(jù)的支撐，部分艦艇裝備沒(méi)有對(duì)取樣點(diǎn)的布置進(jìn)行充分論證，給日后監(jiān)測(cè)造成很大不便，人員培訓(xùn)忽視取樣知識(shí)和技能方面的培訓(xùn)，使很多人對(duì)取樣存在錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì) (ASTM)制定了取樣標(biāo)準(zhǔn)standard practice for manual sampling of petroleum and petroleum products和standard practice for automatic sampling of petroleum and petroleum products，國(guó)內(nèi)也相應(yīng)出臺(tái)了《石油液體手工取樣法》，這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)油液取樣過(guò)程中涉及到的基本概念、原則、儀器設(shè)備、注意事項(xiàng)、不同取樣方法的操作和樣本處理方法等作出了十分詳細(xì)的規(guī)定。

目前普遍應(yīng)用的取樣方法主要有兩種，取樣閥取樣和取樣器取樣。取樣閥取樣是在選取的取樣點(diǎn)安裝專用的取樣閥進(jìn)行取樣;取樣器取樣是使用專門(mén)的取樣器材對(duì)油底殼、油箱或循環(huán)油柜取樣。艦艇上需要進(jìn)行取樣的對(duì)象主要有動(dòng)力裝置及其各種輔助裝置、發(fā)電柴油機(jī)、各支點(diǎn)軸承、減搖鰭、舵機(jī)、絞盤(pán)、空壓機(jī)、錨機(jī)、調(diào)距槳、齒輪箱等。對(duì)各支點(diǎn)軸承、減搖鰭、絞盤(pán)、調(diào)距槳等采用取樣器進(jìn)行取樣，對(duì)動(dòng)力裝置的輔助裝置如循環(huán)水泵、滑油泵、燃油泵等采用取樣閥取樣，對(duì)部分裝備如動(dòng)力柴油機(jī)既可以采用取樣器取樣，也可以采用取樣閥取樣，要視具體情況而定。通過(guò)取樣器取樣時(shí)，要控制好抽取油樣的位置，并避免取樣管中殘留的油液對(duì)后取油樣的污染;通過(guò)取樣閥取樣時(shí)，要避免在長(zhǎng)直管路中取樣，同時(shí)要放出足量的死油，防止對(duì)油樣的污染。

取樣的關(guān)鍵在于取樣位置和取樣時(shí)機(jī)的確定。實(shí)踐中，一般按照如下流程對(duì)艦艇裝備實(shí)施潤(rùn)滑油取樣工作:明確目的→確定對(duì)象→選擇位置→確定取樣方法→確定取樣時(shí)機(jī)→取樣→填寫(xiě)標(biāo)簽→封裝。取樣前最好保留新油和新油裝機(jī)怠速運(yùn)行15 min以后的油樣，以供日后與在用油監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析。明確目的時(shí)需要考慮的因素如圖1所示。

圖1 明確取樣目的需要考慮因素示意圖

取樣位置的選擇很大程度上決定了所取油樣的代表性，它的確定受取樣方法、檢測(cè)目的和檢測(cè)儀器等條件的制約。了解裝備的磨損狀況，理論上最佳的取樣位置是潤(rùn)滑系統(tǒng)摩擦副后濾清器前的回油管路上一點(diǎn)，這里的油液含有從各摩擦副帶出的最完整、最原始的磨粒;檢驗(yàn)潤(rùn)滑油品質(zhì)的變化，則無(wú)需一定選擇上述位置，甚至要對(duì)取出的油樣進(jìn)行過(guò)濾和沉淀;利用原子發(fā)射光譜儀對(duì)油樣進(jìn)行分析，則在濾器前后取樣的分析結(jié)果不會(huì)有明顯差距，因?yàn)樵影l(fā)射光譜分析對(duì)于大于10 μm的顆粒是不敏感的［5］。取樣閥要安裝在管路上油液處于紊流狀態(tài)的位置，這些部位油樣充分混合，顆粒比較均勻。取樣器取樣要避免在吸入管道和回流管路附近取，這些區(qū)域油液流動(dòng)太頻繁，容易產(chǎn)生不正常數(shù)量的雜質(zhì)，也要避免在油箱底部取，或用底部放油口取樣。取樣點(diǎn)一經(jīng)確定，日后取樣都要在同一個(gè)取樣點(diǎn)上，如圖2所示。

取樣周期的確定應(yīng)考慮油液監(jiān)測(cè)的目標(biāo)、維修周期、維修策略、裝備關(guān)鍵性、裝備在其壽命周期的位置等因素。例如，對(duì)處在磨合階段和劇烈磨損階段的機(jī)械，以及處在惡劣工作環(huán)境或其工作狀況與使用者的生命安全緊密相關(guān)的裝備，要增加取樣頻率，縮短取樣周期。原則上，在裝備狀態(tài)和油品狀態(tài)開(kāi)始異常和嚴(yán)重異常之間至少確保兩個(gè)樣品［6］，以防止嚴(yán)重故障的發(fā)生。而對(duì)處在穩(wěn)定磨損階段、工作環(huán)境良好和發(fā)生故障造成的危害、損失較小的裝備，取樣間隔可適當(dāng)長(zhǎng)一些。

圖2 油池中固定取樣位置示意圖

依據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，部分艦艇裝備和系統(tǒng)的取樣周期可參照表1，但在實(shí)踐中，要依據(jù)具體情況靈活處理取樣的時(shí)間。

表1 艦船部分裝備取樣周期

取樣環(huán)境也會(huì)影響到油樣的代表性，取樣時(shí)周圍環(huán)境要符合要求，避免在風(fēng)雨中或者周圍空氣中有大量粉塵時(shí)取樣，如果必須在環(huán)境狀況不允許的時(shí)候取樣，則應(yīng)采取相應(yīng)措施，在惡劣環(huán)境條件下，在取樣瓶外套塑料袋以保證所取油液不受外界環(huán)境的污染。此外，補(bǔ)換油后也不要立刻取樣，此時(shí)潤(rùn)滑系統(tǒng)中磨粒濃度被稀釋，尤其是小磨粒的濃度受到較大的影響，油樣代表性較差，要等系統(tǒng)中的磨粒濃度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后再取。每次取樣前都要先放出一定體積的死油，避免取出的油樣中含有長(zhǎng)期積累的雜質(zhì)和污染物。

取樣器具主要有取樣閥、取樣器、取樣容器、取樣管等。取樣閥的選用要依據(jù)安裝位置、油壓和油速來(lái)決定，常用的手動(dòng)取樣器是負(fù)壓油品取樣器;取樣容器一般選擇無(wú)色透明、半透明的潔凈玻璃瓶或塑料瓶，取油時(shí)要留1/3到1/4的容積空間，以便于分析前進(jìn)行加熱搖勻等預(yù)處理操作，要嚴(yán)格控制取樣容器本身的清潔度，Jim Fitch提出進(jìn)行工業(yè)油品分析時(shí)，取樣容器清潔度的選擇應(yīng)滿足最小信噪比5:1［7］，且原則上取樣容器的清潔度要比油樣的清潔度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)［8］。

3 對(duì)策與研究趨勢(shì)

隨著油液監(jiān)測(cè)技術(shù)在艦艇保障中的推廣，對(duì)取樣技術(shù)研究的重要性要有一個(gè)新的定位，改進(jìn)和加深取樣技術(shù)研究要從以下方面入手。

1)改進(jìn)并靈活運(yùn)用已有的取樣方法。

如先在濾清器之后，進(jìn)入裝備之前取樣，既可以考察濾清器對(duì)油的凈化效果，又可以確認(rèn)進(jìn)入裝備的潤(rùn)滑油是否合格;然后在經(jīng)過(guò)裝備各摩擦副之后，濾清器之前的回油管路上取樣，這時(shí)如果出現(xiàn)異常大磨粒，則可斷定裝備出現(xiàn)異常磨損。

2)結(jié)合其他監(jiān)測(cè)手段。

對(duì)當(dāng)前裝備潤(rùn)滑系統(tǒng)中不同的取樣點(diǎn)進(jìn)行取樣，進(jìn)行對(duì)比分析，判斷哪個(gè)位置取出的油樣較有代表性。在對(duì)某型艦船主機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，從潤(rùn)滑系統(tǒng)的兩個(gè)放油口分別取樣，第一個(gè)油樣的PQ值為5，第二個(gè)油樣的PQ值為30，相差較大，但振動(dòng)和紅外監(jiān)測(cè)均顯示主機(jī)工作正常。經(jīng)分析，第二個(gè)放油口所在位置管路冗長(zhǎng)復(fù)雜，積存了大量死油，所得油樣不能反映裝備潤(rùn)滑油中磨損顆粒的真實(shí)情況。

3)充分發(fā)掘不斷發(fā)展的新理論、新方法。

北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的王立勇等人利用灰色GM模型進(jìn)行磨損量預(yù)測(cè)，形成了基于灰色建模的加密取樣時(shí)刻預(yù)報(bào)方法，及時(shí)捕捉綜合傳動(dòng)裝置的異常故障征兆［9］，這種方法可以用來(lái)動(dòng)態(tài)確定取樣時(shí)機(jī)。程瑞琪［10］等提出了基于多元線性回歸和時(shí)間序列的光譜數(shù)據(jù)處理方法，不僅有效的彌補(bǔ)了補(bǔ)換油的不確定性對(duì)光譜分析的影響，還在一定程度上為解決實(shí)踐中取樣時(shí)機(jī)受補(bǔ)換油影響提供了理論參考。對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)中磨粒濃度的平衡問(wèn)題研究，不僅有助于確定取樣周期，也有助于尋找更合適的取樣位置。

4)將潤(rùn)滑油取樣工作與裝備測(cè)試性理念統(tǒng)一起來(lái)。

裝備測(cè)試性是指裝備能及時(shí)、準(zhǔn)確地確定其狀態(tài) (可工作、不可工作或性能下降)并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性［11］，測(cè)試性的故障檢測(cè)率、故障檢測(cè)時(shí)間和虛警率等要求與油液監(jiān)測(cè)對(duì)取樣工作的要求本質(zhì)上一致，可以把取樣設(shè)計(jì)融入到裝備的研制、生產(chǎn)和使用整個(gè)環(huán)節(jié)，并作為裝備測(cè)試性度量的參考因素。

5)推進(jìn)油液監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，加快制定統(tǒng)一的取樣標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各種裝備的取樣位置、取樣時(shí)機(jī)及取樣器材等進(jìn)行統(tǒng)一。

由于很難存在適用于所有監(jiān)測(cè)對(duì)象的通用標(biāo)準(zhǔn)，取樣位置和取樣時(shí)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的制定相對(duì)重要的是其確定方法本身而不是具體確定每型裝備的取樣位置和時(shí)間。隨著海軍艦艇裝備標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，針對(duì)其制定統(tǒng)一的取樣標(biāo)準(zhǔn)具有可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

一直以來(lái)，取樣技術(shù)理論的研究落后于檢測(cè)儀器和監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的研究步伐，隨著裝備的不斷發(fā)展，裝備保障工作要求越來(lái)越高，油液監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性、有效性的要求也不斷提高，取樣技術(shù)作為對(duì)艦艇裝備進(jìn)行油液監(jiān)測(cè)的前提，需要進(jìn)行更加深入的研究，裝備在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中，也應(yīng)當(dāng)考慮到日后進(jìn)行監(jiān)測(cè)保障的需求，對(duì)取樣位置進(jìn)行充分論證，以滿足裝備監(jiān)測(cè)的需求。

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This article introduces the basic principle of sampling，the current sampling methods，sampling location and sampling time，with the particularity working environment and the characteristics of oil monitoring for warships as well as the existing question and solutions.

vessels＇equipment;oil monitoring

U674

C

1001－8328(2012)05－0028－04

張金山 (1988-)，男，山東濟(jì)南人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榕灤瑒?dòng)力裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷與維修技術(shù)。

2012－04－20