大型風機滑油分析監測維護案例

3. 如何使用XRF做機組零件成分鑑別(金屬PMI，Positive Material Identification)

4.1 XRF在風機上軸承齒輪潤滑油監測定期抽樣在離岸風機維護案例

5. 手持XRF與攜帶型XRF在潤滑油監測微量金屬元素應用分析上的比較說明

摘要

離岸風力發電機造價費用8~10億起跳，一般使用年限約在20~25年，而在維護費用上，潤滑油成本占維護費用約40%，軸承維修費雍至少美金30萬起跳，而潤滑油如同是離岸風電機的血液，對風電機潤滑油做監測就如同對人做抽血檢查，來了解風電機載運營上的品質，如何使用XRF做有效維護保養，來提升風電機使用率及延長風機設備與潤滑油使用壽命，為離岸風機維護工作上重要的關鍵技術。

XRF原理及應用特點

光的發現

自西元1666年牛頓發現太陽光經過三菱鏡折射後可呈現彩色的光後的現象，一直到愛因斯坦將光做出可量化的方程式將光的現象可量化後，有各種光量測工具，其中之一: XRF是將X光對材料中元素的電子移動方式而產生出化學的訊號，作為目前市場上廣為應用的非破壞金屬材料牌號鑑別快篩工具及材料元素分析濃度資訊。

何謂XRF及XRF檢測設備種類

XRF是X光螢光的簡稱，其英文全名是:X-Ray Fluorescence，簡稱XRF，一般目前在市場上常見的XRF光學系統約分為2大類，分別為:ED-XRF(能量散射式XRF，Energy Dispersive XRF)，WD-XRF(波長散射式XRF，Wavelength Dispersive XRF)。

X光特性

X光為一個能量強波長短的光，當X光照射到材料中元素時，因每個元素皆有不同的電子數及相對應電子軌域，如:元素週期表中的鎂，原子序:12，有12個電子，電子組態(軌域分布):1S，2S，3SK層軌域，2PL層軌域，依此類推電子軌域共有K，L，M，N等不同電子層軌域(由內到外層電子軌域，圖2)。

甚麼是XRF工作原理

X光照射在鎂(Mg)元素的如何產生XRF特性光譜分解步驟如下：

當X光照射的元素鎂(Mg)時，因X光為短波能量強的光，最容易將距離原子核最近的電子軌域電子激發，因最靠近原子核的電子(內層軌域電子)束縛能(Binding Energy)越大(對原子核引力引響最大)，只需要較少能量就能將其內層電子擊飛(躍遷)，產生一個內層(K層)電子(2S)軌域電洞。
為了讓內層電子軌域內電子雲的穩定，離電洞最近的電子會向內層做遞補，將內層電子補起來。
而外層(L層)電子(能量高)跳進內層(K層)電子(能量低)軌域時因其能量不同，這時外層(L層)電子會釋放出多餘的能量產生個元素的X光特性螢光。

如何定義出XRF特性光譜線

XRF光譜就是將在元素週期表上每個元素因電子數不同，產生不同電子軌域電子郵外層軌域躍遷到內層軌域的能量釋放式恆定值，來依其不同軌域上電子躍遷產生不同特性X光螢光能量，如:從L層(外層)軌域電子躍遷到K層(內層)軌域，我們會稱為元素X光的Kα分析線，若是從M層(更外層)軌域電子躍遷到K層(內層)軌域，我們會稱為元素X光的Kβ分析線。

由上依此類推，若是L層電子軌域電子被擊飛，那次層(M)軌域電子會補此電洞，這是我們會說此X光分析線為Lα，同理若是由次兩層軌域電子補進L層電洞，我們就稱Lβ線。

各元素XRF螢光分析光譜線(K，L線)圖釋

在XRF定性分析上，原則上依產生X光螢光特性光譜難易度，在同一個元素若同時能看到K及L分析線的話，其訊號強度由大到小(易到難)順序為: Kα>Kβ>Lα>Lβ。

XRF激發目標分析元素最佳參數

到底要使用多高的電壓才能將目標元素產生電子軌域的電洞? 是越高越好嗎?還是有一定的條件呢? 就需要參考 Henry Moseley(亨利莫斯萊)定律: 1/λ=k(Z-σ)2，約為目標元素分析線的1.6~3.3倍的電壓來激發，如:若要分析鎂元素，其XRF分析電壓就要設定在2~4KV(1.25×1.6=2，1.25×3.3=4.125)。

圖2. 光一是種同時具有兩種現象的特性-波粒二象性(頻率(波)與熱(粒))

圖3. 光一是種同時具有兩種現象的特性-波粒二象性(頻率(波)與熱(粒))

因輕元素其電子數少，所以X光不容易打到電子使X光直接穿透過去，所以一班在分析輕元素(低原子序)時，會要求在抽真空或吹氦氣的環境來分析減少在低KeV下的環境背景干擾，來提升輕元素的感度，一般EDXRF在抽真空(或吹氦氣)環境下最低可以分析到碳(C，原子序6)，有些WDXRF最低可分析元素為:硼(B，原子序5)，一般XRF在分析元素從碳(或硼)到鈉其感度都較差(約在0.x~%等級)。

圖5. XRF在元素週期表上各原素的XRF特性分析譜線(Kα，Kβ線與Lα，Lβ線)

由上述XRF原理我們可以了解XRF檢測設備是可以快速無損提供元素的定性與定量資訊，在離岸風電運營維護上就可以做來做金屬材料PMI快速鑑別，及風電潤滑油微量金屬濃度分析來研判金屬磨耗的情況。

離岸風機維護上常見的13種金屬材料牌號與化學成分濃度

在造價不斐的大型離岸風力發電機運營與維護上，是需要多種技術與資訊來維護風機運轉使用率與壽命，只要能保持正常運作就能不斷的增加收入，但因為離岸風機裝設的環境是在海上，所使用的材料都需要有良好的抗蝕性，耐磨，有韌性，剛性強不易斷裂….等多項特性功能，而各種金屬的特性功能會與內含的元素濃度都會有相互的關聯，尤其在緊固件或螺絲，在離岸風電上的規格要求會更為重要嚴謹，在重要零件上，如鋼珠，齒輪，軸承，支架材料….等，皆須要做好金屬材質確認(金屬PMI)，以避免讓設備產生不必要的風險及高昂維護成本。

表1.整理出在離岸風機維護常見的重要風電機組與常用牌號與化學成分，常見6種風電機組有: 剛性箱體，軸承，齒輪，軸，塔筒用鋼，支架材料及13種金屬牌號，分別為: QT 400-18AL(球墨鑄鐵)，FCD 800(球墨鑄鐵)，20CrMnMo(合金結構鋼)，15CrNi6(合金結構鋼)，17CrNiMo6(合金結構鋼)，42CrMoAC(合金結構鋼)，34Cr2Ni2MOA(合金結構鋼)，Q345E(低合金鋼)，Q345D(低合金鋼)，Q345C(低合金鋼)，S690Q(合金鋼)，A36(碳鋼)，EN40(鉻鉬合金鋼)等。

表1. 離岸風機維護常見6種機組與13種金屬牌號與化學成分

如何使用XRF做機組零件成分鑑別(金屬PMI，Positive Material Identification)

我們可以從表1的各種金屬成分表中看出，在離岸風電所使用的金屬材料成分上，大致可分為兩個群組，一為輕元素:碳(0.12~3.8%)，硫(0.025~0.05%)，磷(0.015~0.06%)，矽(0.15~0.8%)，鎂(0.04~0.05%)鋁(≥0.015)及其他元素，其中碳，硫，磷對材料鋼的特性影響如下:

表2. 金屬鋼材中碳硫磷元素對鋼的特性功能說明

從表2可知，磷硫對鋼強度與脆度是有一定程度影響，而碳為對材料硬度的影響，可用硬度計來做確認。手持式XRF在金屬領域上已被認可應用於金屬成分快篩鑑別上(PMI)，XRF廣泛應用在:石化工廠，航太零件，各種管件，控制閥零件，緊固件，焊道與焊料…等，對離岸風機在維護上，確認更換新金屬零件牌號確認(金屬PMI，Positive material identification，金屬材料牌號確認)，也是一個快速又精確的有效方式。

如何使用XRF做潤滑油微量金屬元素分析案例說明

風電潤滑油監測如同風機血液健康檢查，尤其在離岸風機對潤滑油的要求，更是希望能達到更高品質與性能、並在更嚴苛環境下擁有更長的壽限與保養間隔，這是目前風力發電運營商對潤滑油的期望，從此期望值發現，在更更嚴苛環境下擁有更長的壽限與保養間隔，其意思是指:要能夠更精準確提供該換潤最佳時間，非定期或產生電力量數，因為金屬機械磨耗並不是只有使用時間或運轉的情況，更重要的是在其間使用的情況(強弱，快慢，震動強弱，酸鹼度，溫度變化….)等環境對金屬衝擊與潤滑油質變的問題。

目前離岸風機維護常見的維護工作項目有: 主傳動軸偏移、軸承與潤滑油溫度、潤滑油壓力、潤滑油油位、潤滑油油質(顏色，乳化，雜質，潤滑油化學品質變化…等)、主傳動軸轉速、傳動功率、噪音及傳動扭力。這些日常檢查維護工作項目，都是對潤滑油本身品質或對金屬機械零件本身外觀做檢查，這種方式比較偏向對機組零件的”驗屍報告”，並沒有更有效做到”評估預測”的目標，能邁科技有鑑於此，專案特別研究如何提供給運營商更有效及關鍵的資訊，能做到預防的效果，如同人到醫院做抽血檢查，由抽血相關數據，來判斷身體健康情況，在風機上各項有使用到潤滑油的機組，如:增速齒輪，風機上相關軸承，滾珠，發電機軸承，葉片軸承，轉向軸承，各項軸承座組，轉向齒輪，葉片齒輪…等。