前言水是所有潤(rùn)滑油中需要檢測(cè)的一種重要污染物。紅外光譜 (FTIR) 是一種測(cè)量水的簡(jiǎn)單方法。但是，紅外方法目前還不能滿(mǎn)足潤(rùn)滑油行業(yè)所需的測(cè)量精度和范圍。安捷倫科技公司攻克了關(guān)鍵的技術(shù)難題，開(kāi)發(fā)了一種測(cè)量礦物油中水的方法。該方法使用 Agilent 5500t紅外光譜儀，可以測(cè)量礦物油中水的濃度，其精度和范圍與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 Karl Fischer 方法相當(dāng)。本文將討論這種方法用于汽輪機(jī)油的測(cè)量，該方法也可用于基于礦物油的液壓油及齒輪油的測(cè)量。

汽輪機(jī)油中水定量 — 需要測(cè)定的重要參數(shù)汽輪機(jī)油中的帶水量是決定設(shè)備性能和壽命長(zhǎng)短的關(guān)鍵因素。汽輪機(jī)油含水過(guò)多，會(huì)引起透平機(jī)組的過(guò)早報(bào)廢，通常是因?yàn)樗拇嬖谝l(fā)了其物理性質(zhì)的改變。水會(huì)影響油的物理性質(zhì)，包括粘度（油流動(dòng)阻力的度量）、比重（油相對(duì)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(zhì)對(duì)油的覆蓋、潤(rùn)滑和保護(hù)關(guān)鍵機(jī)械間隙的能力至關(guān)重要。此外，汽輪機(jī)油帶水會(huì)加速添加劑損耗，導(dǎo)致如氧化、硝化、形成漆膜等化學(xué)降解過(guò)程。

現(xiàn)場(chǎng)分析急不可待現(xiàn)場(chǎng)對(duì)潤(rùn)滑液體中水含量進(jìn)行測(cè)量可獲得更為準(zhǔn)確的結(jié)果。非現(xiàn)場(chǎng)分析時(shí)，油品中痕量水的含量很可能因樣品在儲(chǔ)存、運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生改變。此外，汽輪機(jī)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(cè)壁沉積成層。該抗乳化作用會(huì)緩慢發(fā)生，可導(dǎo)致分析測(cè)定結(jié)果出現(xiàn)較大差異。另外，油樣中的水可以通過(guò)蒸發(fā)或掛壁而減少。在安捷倫進(jìn)行的一個(gè)短期研究中，使用標(biāo)準(zhǔn)的 KarlFischer 法，在幾天時(shí)間里對(duì)加水的汽輪機(jī)油樣品進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)油在 24 小時(shí)內(nèi)失去了約 100 ppm的水。混合過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生氣泡，可以通過(guò)蒸發(fā)加快水的流失。為了得到汽輪機(jī)油中準(zhǔn)確的水含量，需要在機(jī)器中的油樣取出后迅速測(cè)量。這表明了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)分析的需求。

測(cè)定汽輪機(jī)油中帶水量Karl Fischer (KF) 庫(kù)侖滴定法通常用于測(cè)定汽輪機(jī)油中含水量。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析時(shí)，KF 法在操作方面存在一些弊端，包括樣品制備復(fù)雜、需使用有害且昂貴的化學(xué)試劑以及分析時(shí)間較長(zhǎng)。但是即使有這些問(wèn)題，KF 分析法能提供準(zhǔn)確無(wú)誤的結(jié)果，因此被認(rèn)為是分析油中水含量的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”方法。在理想的情況下，KF 法預(yù)測(cè)油中水含量的精度為 3% ~ 5%。FTIR 光譜分析法用于水含量的測(cè)定消除了 KF 滴定法存在的許多問(wèn)題。與 KF 法相比，光譜法的測(cè)量時(shí)間要短很多，而且不需要毒性試劑。如果使用堅(jiān)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(xiàn)場(chǎng)分析的。KF 滴定法需花費(fèi)約 10-15 分鐘，而且儀器要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)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(xì)稱(chēng)量。稱(chēng)量誤差會(huì)對(duì) KF 分析的準(zhǔn)確性產(chǎn)生不利影響。每個(gè) KF 分析之后，KF 庫(kù)侖滴定儀需要 5 到 10 分鐘重新平衡。相反，F(xiàn)TIR 分析僅需要大約 2 分鐘便可完成，并且在使用棉簽簡(jiǎn)單的清洗后，儀器可以立即用于下一個(gè)樣品的分析。雖然 FTIR 分析法比 KF 方法更簡(jiǎn)單快捷，但是 FTIR 法卻被認(rèn)為不能準(zhǔn)確測(cè)量水含量。我們仔細(xì)研究了傳統(tǒng) FTIR 法的誤差所在，發(fā)現(xiàn)了可以消除這些誤差的方法。我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種用于測(cè)量礦物油含水量的方法，其準(zhǔn)確性可與 KF方法相媲美。如果將 KF 法潛在的稱(chēng)量誤差也考慮在內(nèi)，新FTIR 方法的誤差相對(duì)來(lái)說(shuō)甚至更小。

汽輪機(jī)油中含水量測(cè)試 — FTIR 法常規(guī)方法直接測(cè)量礦物油中水含量的方法已經(jīng)使用 30 多年了。ASTM E2412 方法規(guī)定可以通過(guò) 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(xiàn)性相關(guān)。圖 1給出了汽輪機(jī)油含水樣品的吸收譜圖，并標(biāo)出了水的吸收峰位置。在該測(cè)量方法中，使用了 100 微米光程的樣品池測(cè)量了油的透射率。常規(guī)方法的問(wèn)題ASTM 2412 方法最初設(shè)計(jì)用于機(jī)油。機(jī)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(cè)量這些油中高濃度的水含量，相應(yīng)的測(cè)量誤差也很大。與之不同的是，汽輪機(jī)油的含水量要少得多，通常為 50 至 100 ppm。大量的水會(huì)形成小液滴，并最終沉積于汽輪機(jī)油底部。一個(gè)基于 ASTM 2412 的方法被開(kāi)發(fā)用于測(cè)量汽輪機(jī)油中的含水量。該方法對(duì)于相同的油樣具有高達(dá) 40% 的差異。由于水分的分離，經(jīng)過(guò)配制的可快速分離水分的油品（如  DTE 和 Chevron GST）重現(xiàn)性更為糟糕。因此隨后建立了第二種測(cè)量?jī)粲偷姆椒?。在第二種方法中，使用了偏最小二乘 (PLS) 算法來(lái)考慮油品的基線(xiàn)差異。該方法預(yù)測(cè)的更好，但得到的結(jié)果對(duì)于機(jī)器維護(hù)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(jī)油中得到的水標(biāo)定測(cè)試結(jié)果。曲線(xiàn)給出了基于 Karl Fischer 法得到的實(shí)際濃度與基于 PLS FTIR 法得到的預(yù)測(cè)濃度的對(duì)比。這種方法的誤差為 ± 250 ppm，應(yīng)對(duì)機(jī)器維護(hù)明顯不夠。

測(cè)量汽輪機(jī)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(huì)與油發(fā)生分離，變成小液滴分散在汽輪機(jī)油中。這些小水滴會(huì)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(cè)量。液滴的大小和數(shù)量

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結(jié)論：紅外光譜為潤(rùn)滑液中水含量、氧化程度和添加劑損耗的測(cè)量提供了一個(gè)易于使用的方法。然而直到現(xiàn)在，由于水在某些油中分散性不均勻造成測(cè)量誤差仍然很大。安捷倫的水穩(wěn)定方法解決了這些問(wèn)題，其準(zhǔn)確度可與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)場(chǎng)測(cè)量更加簡(jiǎn)易和輕便。