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使用新型水穩(wěn)定技術進行現場 FTIR 礦物油中水的定量分析
閱讀：642 發(fā)布時間：2022-3-22前言水是所有潤滑油中需要檢測的一種重要污染物。紅外光譜 (FTIR) 是一種測量水的簡單方法。但是，紅外方法目前還不能滿足潤滑油行業(yè)所需的測量精度和范圍。安捷倫科技公司攻克了關鍵的技術難題，開發(fā)了一種測量礦物油中水的方法。該方法使用 Agilent 5500t紅外光譜儀，可以測量礦物油中水的濃度，其精度和范圍與行業(yè)標準的 Karl Fischer 方法相當。本文將討論這種方法用于汽輪機油的測量，該方法也可用于基于礦物油的液壓油及齒輪油的測量。
汽輪機油中水定量 — 需要測定的重要參數汽輪機油中的帶水量是決定設備性能和壽命長短的關鍵因素。汽輪機油含水過多，會引起透平機組的過早報廢，通常是因為水的存在引發(fā)了其物理性質的改變。水會影響油的物理性質，包括粘度（油流動阻力的度量）、比重（油相對于水的密度）和表面張力（衡量液體表面分子間的粘性）。所有這些性質對油的覆蓋、潤滑和保護關鍵機械間隙的能力至關重要。此外，汽輪機油帶水會加速添加劑損耗，導致如氧化、硝化、形成漆膜等化學降解過程。
現場分析急不可待現場對潤滑液體中水含量進行測量可獲得更為準確的結果。非現場分析時，油品中痕量水的含量很可能因樣品在儲存、運輸過程中發(fā)生改變。此外，汽輪機油中的抗乳化劑可以使油中的微小水滴從油中脫離，在容器的底部和側壁沉積成層。該抗乳化作用會緩慢發(fā)生，可導致分析測定結果出現較大差異。另外，油樣中的水可以通過蒸發(fā)或掛壁而減少。在安捷倫進行的一個短期研究中，使用標準的 KarlFischer 法，在幾天時間里對加水的汽輪機油樣品進行了測量。結果發(fā)現，汽輪機油在 24 小時內失去了約 100 ppm的水?；旌线^程也會產生氣泡，可以通過蒸發(fā)加快水的流失。為了得到汽輪機油中準確的水含量，需要在機器中的油樣取出后迅速測量。這表明了對現場分析的需求。
測定汽輪機油中帶水量Karl Fischer (KF) 庫侖滴定法通常用于測定汽輪機油中含水量。進行現場分析時，KF 法在操作方面存在一些弊端，包括樣品制備復雜、需使用有害且昂貴的化學試劑以及分析時間較長。但是即使有這些問題，KF 分析法能提供準確無誤的結果，因此被認為是分析油中水含量的“黃金標準"方法。在理想的情況下，KF 法預測油中水含量的精度為 3% ~ 5%。FTIR 光譜分析法用于水含量的測定消除了 KF 滴定法存在的許多問題。與 KF 法相比，光譜法的測量時間要短很多，而且不需要毒性試劑。如果使用堅固和易于使用的 FTIR 系統(tǒng)（如 Agilent 500/5500 系列光譜儀），那么 FTIR 光譜儀是非常適用于現場分析的。KF 滴定法需花費約 10-15 分鐘，而且儀器要進行適當調試并且平衡一夜。KF 分析中，油樣在注入滴定容器前后，都需要使用高精度天平仔細稱量。稱量誤差會對 KF 分析的準確性產生不利影響。每個 KF 分析之后，KF 庫侖滴定儀需要 5 到 10 分鐘重新平衡。相反，FTIR 分析僅需要大約 2 分鐘便可完成，并且在使用棉簽簡單的清洗后，儀器可以立即用于下一個樣品的分析。雖然 FTIR 分析法比 KF 方法更簡單快捷，但是 FTIR 法卻被認為不能準確測量水含量。我們仔細研究了傳統(tǒng) FTIR 法的誤差所在，發(fā)現了可以消除這些誤差的方法。我們已經開發(fā)出一種用于測量礦物油含水量的方法，其準確性可與 KF方法相媲美。如果將 KF 法潛在的稱量誤差也考慮在內，新FTIR 方法的誤差相對來說甚至更小。
汽輪機油中含水量測試 — FTIR 法常規(guī)方法直接測量礦物油中水含量的方法已經使用 30 多年了。ASTM E2412 方法規(guī)定可以通過 3350 cm-1 附近的吸收峰直接得到水的濃度，其吸收峰的面積與水濃度線性相關。圖 1給出了汽輪機油含水樣品的吸收譜圖，并標出了水的吸收峰位置。在該測量方法中，使用了 100 微米光程的樣品池測量了油的透射率。常規(guī)方法的問題ASTM 2412 方法最初設計用于機油。機油中含有能使水融入油的添加劑。通常含有 1000 至 2000 ppm 的水。該 FTIR方法適用于測量這些油中高濃度的水含量，相應的測量誤差也很大。與之不同的是，汽輪機油的含水量要少得多，通常為 50 至 100 ppm。大量的水會形成小液滴，并最終沉積于汽輪機油底部。一個基于 ASTM 2412 的方法被開發(fā)用于測量汽輪機油中的含水量。該方法對于相同的油樣具有高達 40% 的差異。由于水分的分離，經過配制的可快速分離水分的油品（如 DTE 和 Chevron GST）重現性更為糟糕。因此隨后建立了第二種測量凈油的方法。在第二種方法中，使用了偏最小二乘 (PLS) 算法來考慮油品的基線差異。該方法預測的更好，但得到的結果對于機器維護而言是不夠的。圖 2 給出了使用第二種方法從 DTE 和Chevron GST 汽輪機油中得到的水標定測試結果。曲線給出了基于 Karl Fischer 法得到的實際濃度與基于 PLS FTIR 法得到的預測濃度的對比。這種方法的誤差為 ± 250 ppm，應對機器維護明顯不夠。
測量汽輪機油中水含量的常規(guī)紅外光譜FTIR方法誤差大的主要原因是水會與油發(fā)生分離，變成小液滴分散在汽輪機油中。這些小水滴會散射而不是吸收紅外光。而在 FTIR 方法中，只有光被吸收，才有助于水含量的測量。液滴的大小和數量
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結論：紅外光譜為潤滑液中水含量、氧化程度和添加劑損耗的測量提供了一個易于使用的方法。然而直到現在，由于水在某些油中分散性不均勻造成測量誤差仍然很大。安捷倫的水穩(wěn)定方法解決了這些問題，其準確度可與行業(yè)標準的 KarlFischer 分析法相媲美。該方法采用安全的表面活性劑使水在油中均勻分散。用于油中水的現場測量更加簡易和輕便。