基于通过 润滑油分析进行状态监测的有效预测油分析程序，需要及时确定机器状态和润滑剂状态。润滑油可用作诊断介质，其将磨损碎片带离磨损表面。因此，对磨损碎片的分析可以提供有关机器或发动机内部部件状况的重要信息 。此外，了解润滑剂本身的状况也很重要。润滑剂是否符合规格?粘度是否正确?油是否被水、颗粒物或化合物污染?
在基于润滑油分析的现代状态监测程序中，以预定的采样间隔从一台设备中采集一个样品，或者在某些情况下多个油样，并将其送到实验室进行分析。根据分析， 生成诊断报告 并向负责设备的人员提供建议。该报告可能显示一切正常、警告可能出现的问题或提出具体的维护建议。从取样到诊断报告的整个过程应尽可能少地花费时间，以便有效。如果样本被发送到外部实验室，并且过了几天或几周才收到结果，这会降低维护计划的有效性，因为设备可能在报告返回之前就已经发生故障。在许多环境中，例如 海洋 或近海石油和天然气勘探，将样本发送到实验室几乎是不可能的，而且肯定不切实际。
在现代油液分析程序中，生成和收集的数据还用于提供定期维护摘要。这些报告本质上可以是统计性的，可以让管理人员深入了解计划的有效性、维护部门的效率、设备的维修状态、重复出现的问题，甚至不同润滑剂的性能信息。操作员的工作是让设备处于健康状态，因此追踪维护对于这些组织来说至关重要。美国海军陆战队使用 便携式油品分析 来维护其重型车辆车队，并通过避免不必要的油品更换和在维护问题变得灾难性之前检测到它们而节省了大量成本。
一、油品测试技术
通常在实验室或现场测量几个油参数，以确定油和机械的健康状况。在本文中，我们将描述每个参数以及通常如何测量它。
1.粘度
润滑油重要的物理性质是粘度。粘度决定了油的承载能力以及其循环的容易程度。对于任何润滑剂及其应用，都须考虑承载高粘度和易于循环的低粘度之间的正确平衡。除了润滑之外，油还具有其他优点，并且至关重要的是它能够在所有条件内流动。使用时，水、进入油中的燃油、氧化、烟灰等污染物都会影响粘度。因此粘度测量是机械系统中油品重要的测试之一。
重力毛细管——测量运动粘度广泛使用的技术是使用温度受控的重力毛细管，对于单级油通常为 40°C，对于多级油通常为 40°C 和 100°C。使用毛细管粘度计的测量基于粘度与时间之间的关系。油的粘度越高，仅在重力影响流过毛细管所需的时间就越长。当今使用的有几种标准化毛细管。大多数实验室仪器都使用玻璃毛细管或“管子”。运动粘度现场测量的进展采用了分体式铝电池毛细管。
这些仪器设计为直流或逆流毛细管。在直流毛细管中，样品池位于测量标记下方。在逆流类型中，储液器位于标记上方。逆流毛细管可以测试不透明液体，有些可以有第三个测量标记。具有三个测量标记可提供两个连续的流动时间并提高测量的重复性。
2.颗粒
颗粒计数是任何机器调节程序的一个关键方面，有许多工具可用于监控和追踪污染的数量和严重程度，无论是由于外部污染还是机器磨损。颗粒的具体应用和类型通常决定适合当前工作的颗粒计数技术。例如，液压系统的持续清洁度非常关键，即使是非常低水平的污垢进入也会堵塞执行器和阀门，导致过早失效。另一方面，具有许多运动部件的齿轮和传动系统比干净的液压系统能够承受更多的磨损颗粒。
3.元素光谱学
评估设备的磨损状况是状态监测计划的首要要求。油浸湿的设备在其整个使用寿命期间都会产生磨损颗粒，磨损的性质和速率从当初的磨合到寿命结束的卡死都有所不同。用于检测磨损及其严重程度的技术是光谱学。光谱学是一种检测和量化材料中元素存在的技术。光谱学利用了每个元素都具有独特原子结构的事实。当受到能量的添加时，每个元素都会发出
特定波长或颜色的光。由于没有两个元素具有相同的谱线图案，因此可以区分这些元素。发射光的强度与样品中存在的元素的数量成正比，从而可以确定该元素的浓度。通常，这些技术的名称来源于用于激发元素的方法。
1)旋转盘电极光学发射显微镜
现代光谱仪中用于激发源的典型方法是放电。该源设计用于将电弧或火花产生的能量传递给样品。对于油分析光谱仪，在两个电极之间建立一个大电势。常用的有两种：固定钨电极或银电极;或盘状和棒状石墨电极。两者都在其之间的间隙中使用油样进行操作。电容器存储的电荷
穿过该间隙放电，产生高温电弧，使部分样品蒸发形成等离子体。该过程发出的光包含样品中所有元素的发射光。
2)X射线荧光
另一种元素分析方法使用 X 射线为样品提供能量。能量足够高的 X 射线辐射会将电子从元素的内壳中击出。这些空位被具有更高能级的电子填充。为了向下移动到较低的能级，这些电子以发射 X 射线的形式损失能量。这些发射的 X 射线具有所分析元素的典型特定能量。产生的 X 射线强度与存在的元素浓度成正比。
3)焰原子吸收
原子吸收 (AA) 光谱仪是一种具有很好灵敏度的低成本光谱仪，通常在仅监测少数元素时使用。这项技术依赖于原子吸收——一个独特的原子会吸收其激发时发射光的波长的光。通过用溶剂稀释或酸消化来制备油样品，并且该样品通过雾化器雾化并引入氧乙炔和一氧化二氮-乙炔火焰中。辐射源(例如空心阴极射线管)通常为感兴趣的元素提供光，并且光通过火焰引导至检测器。如果样品中不存在任何元素，则穿过火焰并在检测器处测量的光量最大。随着感兴趣元素的浓度增加(来自油样)，会发生吸收，并且检测器信号减小。
4.黑色金属监测
铁合金构成了大多数润滑机器表面的大部分。铸铁和钢合金的物理强度和磨损特性使其成为机器磨损表面的良好选择。流体动力润滑表面旨在以缓慢而适度的速度磨损并将磨损颗粒剥落到润滑剂中。这些细颗粒是由表面和润滑剂之间的磨损产生的，在磨损表面末端形成恒定的再生层。
这些颗粒是细小的铁质磨损颗粒，它们可用于指示油何时变脏且需要更换，或者何时磨损表面的力导致正常润滑层破裂并产生更大、更严重的铁质磨损颗粒。后一种情况会导致润滑表面的正常磨料磨损机制崩溃，并切换到更严重的粘着异常磨损模式。一旦磨损表面受到损害并且较大的粘附力接管，从而去除较大的颗粒，如果不加以解决，这可能很快导致机器的灾难性故障。石油分析师可以使用各种黑色金属监测技术，以便根据机器部件的物理状态提出建议
5.红外光谱
众所周知，红外是一种用途极其广泛的油品分析技术。红外可以提供有关一系列油品特性的信息，例如污染、分解、添加剂包、流体特性等。在所有这些情况下，都会检查和加权油品对红外光谱中特定区域的响应，每个区域都在分析的特征。
润滑剂的红外光谱依赖于一种非常简单的方法。您可以观察润滑剂吸收多少红外辐射，作为辐射频率的函数。该图显示了典型润滑剂的此类光谱。这就是我们对红外光谱本身所需要的一切——我们只需要确保获得准确的红外光谱。正如您所看到的，不同的润滑剂类型以及通常不同的润滑剂可能具有非常不同的光谱。我们正是利用这些差异将这些光谱转化为可用信息。
6.表面声波燃料稀释
燃油稀释会导致发动机严重损坏。润滑油中的燃油含量过高 (>2%) 会导致粘度下降、油品降解、分散性丧失和氧化稳定性丧失。燃油稀释是内燃机中重要的润滑油失效模式之一。它通常是由于燃油空气比不当而发生的。由于过度空转、活塞环磨损或喷油器有缺陷和连接器松动，也可能导致燃油稀释。
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二、油品监测参数
1.粒子
颗粒计数是任何机器调节程序的一个关键方面。有许多工具可用于监控和跟踪污染的数量和严重程度，无论是来自外部污染还是机器磨损。颗粒的具体应用和类型通常会决定要使用的颗粒计数技术。例如，液压系统的持续清洁度至关重要，甚至极少量的污垢进入也会堵塞执行器和阀门，导致过早失效。相反，具有大量运动部件的齿轮和传动系统比干净的液压系统能够承受更多的磨损颗粒。
ISO清洁度代码代表油品的清洁度。每个 ISO 代码代表每毫升液体的颗粒范围。表 1 显示了常见的 ISO 代码及其相应的颗粒计数范围。
2.总碱值/总酸值
润滑剂中高浓度的酸性化合物会由于清漆和油泥的形成而导致机器零件腐蚀和油过滤器堵塞。当润滑剂分解时，基础油和添加剂在空气和热量存在下化学分解，会形成酸性副产物。总酸值 (TAN) 是润滑剂中酸浓度的量度。润滑剂的酸浓度取决于添加剂包、酸性污染物和氧化副产物的存在。有时，添加剂包的消耗可能会导致新鲜油的 TAN 下降。然而，随着时间的推移，油中氧化副产物和酸性污染物的积累总会导致 TAN 的增加。该测试在工业机械应用中的意义，尽管有时在发动机应用中建议与总碱值 (TBN) 一起使用。
3.总碱基数
总碱值 (TBN) 是润滑剂中碱浓度的量度。发动机油采用碱性添加剂配制，以防止润滑油分解时酸的积聚。润滑剂中的总碱值 (TBN) 水平是根据其应用而定的。汽油发动机油的起始总碱值通常约为 5-10 mg KOH/g，而柴油发动机油由于工作条件更为严酷，往往更高(15-30 mg KOH/g)。特殊应用，例如船用发动机，可能需要 >30 mg KOH/g。当油继续使用时，这种 BN 添加剂就会耗尽。一旦碱性添加剂的消耗超过一定限度，润滑剂就不再发挥其功能，发动机就会面临腐蚀、油泥和漆膜的风险。此时需要加满或更换机油。
4.元素分析
光谱学是一种检测和量化材料中元素存在的技术。光谱学
利用了以下事实：每种元素都具有独特的原子结构，并且当受到能量的增加时，每种元素都会发出特定波长或颜色的光。如果使用色散元件(例如棱镜)来色散该光，则会产生线光谱。由于没有两种元素具有相同的谱线图案，因此可以分析收集到的光并识别样品中包含的每种元素。此外，发射光的强度与样品中存在的元素的数量成正比，从而可以确定该元素的浓度。这些谱线仅是一种元素的原子结构所独 有的。
对于原子序数为 1 的氢原子，光谱相当简单。另一方面，原子序数为 26 的铁的光谱要复杂得多，可见光谱中有许多发射线，对应于可能发生的许多可能的电子跃迁。如果样品中存在多种元素，则每种元素都会出现明显不同波长的光谱线。须将这些线分开，以便识别和量化样品中存在的元素。通常只选择众多谱线中的一条来确定某种元素的浓度。选择这条线是因为它的强度和不受其他元素谱线干扰的自由度。为了实现这一点，需要一个光学系统。
5.油中冷却剂测试
乙二醇用于冷却车辆的发动机和其他部件。乙二醇会通过有缺陷的密封件进入发动机油并污染发动机油和变速箱油(如果使用中间冷却器)。Gycol 是一种特别令人讨厌的油污染物，对于实验室来说检测起来具有挑战性。根据油温，乙二醇冷却剂可能会迅速或随着时间的推移而分解。这种不稳定性是确定给定时间油中真实乙二醇含量的主要挑战，也是现场和实验室测试经常不一致的主要原因。
油样取样后立即使用 FluidScan 通常可以为您提供检测油中乙二醇污染的机会。另一种用于发现冷却剂污染迹象的测试是元素光谱。元素测试可以发现乙二醇冷却剂中高浓度存在的金属有机腐蚀抑 制剂，但并非油配方中固有的。钠、硼、钾和硅通常添加到冷却剂中以抑 制腐蚀。
6.粘度
润滑油重要的物理性质是粘度。粘度决定了油的承载能力以及其循环的容易程度。对于任何润滑剂及其应用，都须考虑承载高粘度和易于循环的低粘度之间的正确平衡。除了润滑之外，油还具有其他优点，并且至关重要的是它能够在所有条件下流动。使用时，水、进入油中的燃油、氧化、烟灰等污染物都会影响粘度。因此粘度测量是机械系统中油品重要的测试之一。对于机器状态监测，运动粘度(定义为重力作用下的流动阻力)是既定方法。
7.颗粒测量
测量油中颗粒的方法有很多，包括激光直接成像、光阻挡和孔隙堵塞。Spectro Scientific 产品实际上使用了所有这三种技术。
激光直接成像 - LaserNet 200 系列使用激光直接成像按尺寸和类型对图像进行计数和分类。它是通用的颗粒计数方法，并具有以下优点：
无巧合效应 – 低于 500 万 p/ml
分辨率准确至 1um
无需校准(本质上正确)
附加形状分类
光堵塞 - MicroLab 系列采用光堵塞粒子计数器作为对发动机、变速箱和液压油进行的测试之一。光阻挡粒子计数器的优点包括：
准确的污染控制
便携的
易于自动化
毛孔堵塞——它们采用细网，颗粒物积聚在网上。这些粒子计数器基于恒流或恒压设计。恒流仪器在保持流量恒定的同时测量穿过网格的压降。恒压设计在保持压力恒定的同时测量流量的变化。FieldLab 58 将孔隙堵塞颗粒计数器作为其测试之一。毛孔堵塞的优点是：
不受添加剂或水的干扰
不受烟尘干扰
无需脱气去除气泡
然后可以通过其他方式分析累积的颗粒，例如 XRF
8.黑色金属磨损
含铁设备可大致分为总含铁量监测器和含铁颗粒监测器。总含铁量监测仪将告诉分析人员油中的总含铁量，并且还可以了解任何向更严重磨损状态的转变。发现从正常磨损到严重或异常磨损的转变取决于设备的准确性。闭环润滑系统的定期采样将始终看到细粒总含铁材料的稳定增加，直到更换油为止。这些设备可以作为实验室和终用户环境中额外测试的良好筛选工具，因为测量快速且易于执行。
铁颗粒监测器在识别关键磨损转变点和薄膜厚度分解方面特别有用。这些是识别大颗粒并阻止对机器和磨损表面造成任何进一步损坏的重要设备。
9.煤烟
由于没有一台发动机是 100% 高 效的，燃烧过程中会形成二氧化碳和水以外的产物。不完全燃烧产生的一种这样的产物是烟灰。烟灰主要由碳颗粒组成，通常呈球形。随着烟灰水平上升，烟灰颗粒开始聚集在一起并变得更加危险。烟灰水平将继续增加，颗粒聚集在一起，直到达到足以从油中沉淀出来的水平。这种沉淀会增加机油的粘度并附着在发动机表面，从而显着增加发动机的磨损。这种沉淀还会导致过滤器堵塞。定期进行烟灰检查可以延长换油期、减少废油处理并延长柴油发动机的使用寿命，从而节省成本。
热重分析 (TGA) 是 ASTM D5967 中用于测量油中烟灰含量的方法。TGA 是一种相当耗时的实验室方法，需要纯气体和烘箱，并且不适合现场测试。红外光谱法是一种更简单的方法，具有可比的 ASTM 方法 D7889，用于通过使用光栅红外光谱法测量烟灰含量。这是 FluidScan 手持式分析仪使用的方法。
10.氧化、硝化和硫酸化
氧化、硝化和硫酸化只能使用光谱法测量。其他方法，例如粘度变化或阻抗，可用于推断由于氧化、硝化或硫酸化而发生的变化，但要真的了解每个参数，须使用光谱学来分析油品。
红外光谱使用辐射源、探测器和计算机来研究物质和光的相互作用。氧化和硝化产物在红外光谱中以 1600 至 1800 cm-1 之间的峰出现。硫酸化产物在红外光谱中以 1120-1180 cm-1 附近的峰出现。由于氧化、硝化和硫酸化没有绝 对的参考标准，因此结果总是与新油的结果进行比较。例如，如果在指 定时间内对发动机油进行采样时 1650 cm-1 附近的硝化峰变得明显更强，则可能由于空燃比不当而发生硝化。
有实验室级 FTIR 测量以及便携式现场测试的测试方法。ASTM E2412 描述了这些特性的 FTIR 测量的标准实践。此外，还定义了氧化(D7414)、硝化(D7624)和硫酸化(D7415)的具体测试方法。为了监测现场的油化学成分，ASTM D7889 使用了 FluidScan® 等光栅红外光谱仪，该光谱仪易于操作且不需要经验丰富的技术人员。
11.燃油稀释
燃油稀释是一个严重的润滑油污染问题，可能会导致昂贵的发动机损坏。有多种方法可用于测量燃油稀释度。粘度是一种很好的筛选方法，传统上作为废润滑油测试套件的一部分进行。直接方法包括 GC、闪点测试和 SAW 传感。最佳使用方法取决于应用程序的需要。
粘度是一种间接方法，仅表明可能发生燃油稀释。它无法直接测量燃油稀释情况，并且粘度可能会因其他原因而发生变化。
闪点测试既简单又便宜，但可能很危险，需要有经验的操作员来解释结果。
气相色谱法是一种非常准确的方法，并且有多个与之相关的 ASTM 标准，但它是一种实验室方法，很难在现场实施。
表面声波 (SAW) 传感快速、简单、安全且准确。它不需要溶剂，可以直接读取油中燃料稀释的百分比。
12.水
我们都听过这样一句话：“油和水不能混合。” 不幸的是，这并不一定适用于润滑油。润滑油中的水可以以多种状态存在，如果不加以控制，可能会对宝贵的资产造成相当大的损害。在本指南中，我们探讨了润滑油中水所带来的挑战，并讨论了可靠性专业人员测量油中水的可用方法。
工业油中的水污染可能会导致机械部件出现严重问题。水的存在会改变润滑剂的粘度，并引起化学变化，导致添加剂耗尽并形成酸、污泥和清漆。水测试始终是任何润滑剂状态监测计划的一部分。具有很强水分离特性的工业油中的水污染历来难以用任何技术来测量。
13.新油分析
新润滑油分析主要是一个质量控制过程。对于润滑油混合商来说，在生产阶段验证添加剂和污染物的含量非常重要，对于润滑油用户来说，在使用前确认规格也同样重要。不到 40% 的润滑专业人员在使用前测试输入的油。在交付石油时进行测试有很多充分的理由，便携式现场工具使这项工作变得容易。
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