电感耦合等离子体原子发射光谱炬管积碳成因分析

张静茹 贺石中 丘晖饶 张琳颖

(广州机械科学研究院有限公司，广州 510000)

1 前言

故障诊断在机械设备维护中是密不可分的一部分，通过检测设备的润滑油中磨损元素成分含量进行故障诊断不仅可以降低润滑油使用成本，还能通过检测润滑油的情况判断设备是否存在故障。其中，微量元素测试是故障诊断中非常重要的一部分。润滑油的日常检测中，电感耦合等离子体原子发射光谱法测定微量元素方便快捷，准确性高[1]。炬管在整个原子发射光谱测试中是核心部分，参数设置不当不仅会导致测试结果有偏差，还会导致炬管积碳无法进行测试。因此，研究炬管参数十分重要。

2 仪器及试剂

2.1 仪器及参数

美国Leeman公司的Prodigy XP ICP电感耦合等离子体原子发射光谱仪，工作参数为激发功率1.1kW[2]、冷却器气20Lpm、辅助气0.5Lpm、雾化气压力26PSI、蠕动泵速15RPM。

分析天平：精确至0.0001g。

2.2 试剂

航空煤油：经0.8μm滤纸过滤后煤油；

二甲苯：分析纯；

有机标准物质：VHGBlank oil、VHGcustom V23+Li 10mg/kg、VHG custom V23+Li 30 mg/kg、VHG custom V23+Li 50 mg/kg、VHG custom V23+Li 100 mg/kg、VHG custom V23+Li 300 mg/kg、VHG custom V23+Li 900 mg/kg[3]。

3 实验部分

(1)测试体系为煤油：准确称取多个0.5000g质控样加煤油至5.0000g，搅拌均匀。

(2)分别将泵速调节为10RPM、15RPM、20RPM，其他参数不变，正常测试质控样。

(3)选择同一根炬管，分别调节炬管高度为6.4cm、6.5cm、6.6cm，正常测试质控样。

(4)选取第二层管高度不同两根炬管，放置于相同位置高度6.5cm，正常测试质控样。

(5)测试体系为二甲苯：分别称取多个油牌号为“美孚格高150”样品0.5000g，加入二甲苯至5.0000g，搅拌均匀。

4 结果与讨论

4.1 不同泵速引起炬管积碳

Prodigy 7泵速设置与利曼其他系列的电感耦合等离子体发射光谱不同，泵速较慢，而Prodigy 7测试软件中可选择泵速为10RPM-40RPM，根据仪器厂商推荐，实验对不同泵速进行了测试。结果如表1。

表1 不同泵速炬管积碳情况

由测试结果可知[4]，最佳泵速为15RPM。泵速慢虽然不会使炬管积碳，但是相同进样时间检测器检测到样品浓度低，影响测试结果[2]。加长进样时间则会降低测试效率。泵速快可以提高测试效率，但导致相同时间内炬管沉积样品沉积过多，样品不完全燃烧形成积碳，影响测试效果。

4.2 炬管放置高度影响测试结果

当仪器点火时，点火器高频火花放电使得一小部分的氩气电离。此时线圈通电后形成稳定磁场，粒子更加剧烈碰撞，形成白色等离子体[5]。样品通过雾化器雾化送至中心管处，经过高频线圈形成等离子体。正常测试时，炬管顶端距离卡口位置约6.5cm，为研究炬管位置高低对测试数据结果的影响，分别调节炬管位置，相对于卡口位置6.4cm和6.6cm，其他条件相同情况下，分别测试同一个质控样品两次，所得结果平均值如表2。

表2 不同炬管高度测试结果

炬管的最佳观测位置为激发线圈以上火焰中上方位置。当炬管位置降低时，所激发的原子也就越多，观测位置仍然处于最佳观测位置范围内，检测器检测的元素含量也就越高。反之，将炬管位置抬高，线圈激发的原子减少，最观测位置不在火焰中下方，检测器检测所得有效激发原子减少，检测处结果也就偏低。根据表2测试结果，炬管顶端距离卡口位置约6.4cm时测试质控样品数值偏大，而炬管顶端距离卡口位置约6.6cm时测试质控样品数值偏小。因此，炬管顶端距离卡口位置约6.5cm为合适的炬管高度。

4.3 炬管第二层管位置高度影响测试结果

由于炬管生产批次不同，同样高度的炬管第二层管位置稍有差别，中层石英管有效位置高低直接影响炬管使用寿命。炬管的第二层管连接的是辅助气，辅助气气流量较小，起维持等离子体和抬高等离子体和炬管间位置作用，减少气溶胶所夹带盐成分沉积在中心管位置，并且可改变等离子体观察角度。第二层管呈现下小上大的“喇叭”状，目的可降低辅助气流速，便于等离子体充分燃烧，当第二层管处于较高位置时，辅助气气流量不能得到有效减少，影响等离子体完全燃烧。在日常检测中，多用于测量C,H含量高的润滑油产品，不完全燃烧容易导致积碳的形成[6]。

分别对比了两个批次的炬管，如图1所示，新批次的炬管“喇叭”状位置处于比较高位置，容易造成等离子体不完全燃烧致炬管积碳。因此，对于新批次炬管，稍微抬高炬管位置可减少积碳。

图1 炬管对比

4.4 等离子体火焰两端样品浓度不一致导致炬管积碳

当煤油溶液激发形成等离子体时，火焰呈现亮绿色，如图3所示。但等离子体火焰两端高低并不相同，高的一边激发煤油含量较低的一边高。因此，当测试大量润滑油样品后，炬管积碳会在浓度高一侧集聚。积碳刚开始形成过程非常缓慢，一旦已经形成积碳后，积碳聚集速度会加快，浓度越高形成速度越快。如图2所示，炬管左侧浓度较高，形成积碳的速度和含量都会高于右侧。由于软件控制仪器程序中的设置参数造成炬管两侧浓度不同，而这部分参数不可更改，因此，炬管两侧浓度不相同的情况无法通过更改参数解决。但在日常测试过程中可选择避免一次性大批量测试高浓度样品，可以降低炬管积碳的频次。

图2积碳分布

图3 等离子体火焰

4.5 测试溶剂引起炬管积碳

润滑油中存在聚乙二醇类润滑油(PAG)不溶于煤油，无法正常测试。但此类润滑油在二甲苯中有较好溶解性。因此，测试时需将此类润滑油单独用二甲苯溶解测试并将测试体系由煤油更换为二甲苯。以二甲苯为溶剂，重新配置相同浓度标准曲线和质控样，重新走校准并且测试。测试出质控样数据正常，但是连续多个测试多个样品后炬管产生积碳现象[7]。

煤油为C11-C17高沸点烃类混合物，主要成分为饱和烃类，少量不饱和烃类和芳香烃。二甲苯为饱和芳香烃。在提供相同能量时，饱和烃类更容易完全燃烧，二甲苯由于含有大π键，完全燃烧需要更多能量，当测定样品数目不多时，等离子体能够完全燃烧。当测试样品数目较多时，等离子体不能完全燃烧，导致炬管容易积碳。因此，在测试完以二甲苯为溶剂样品后，炬管最好进行清洁煅烧[8]。

5 结论

通过泵速、炬管位置、溶剂体系等方面对造成炬管积碳因素进行验证和总结。炬管积碳的根本原因就是样品的不完全燃烧，使含C量高的润滑油样品集聚在炬管中心管位置。电感耦合等离子体发射光谱是高精密度的检测仪器，其中任何一个参数设置不当都有可能导致炬管积碳，测试结果不准确。因此，设置参数时要全面考虑，以仪器厂商推荐参数为基础，根据实际使用情况进行调整。在日常测试过程中，根据实际情况，推荐使用煤油作为溶剂体系，泵速为15RPM，将炬管放置于顶端距离卡口位置约6.5cm处进行测试。而不同批次炬管需要注意炬管第二层管位置高度，根据高度进行调节。