摘 要： 针对安捷伦GC7820型气相色谱仪基线漂移、CO不出峰、CO2检测偏低的故障现象进行分析与排除。通过对比故障前后段的症状来寻找线索，并使用完好的零件替换可疑部件来验证问题来源，最终找出故障原因。其中，重点就六通阀阀芯磨损更换，EPC电磁阀故障排查，5A柱柱效下降原因剖析，氢火焰离子化检测器清洗维护，镍触媒更换活化，色谱柱老化等关键部件的排查过程作探讨和处理，并提出了解决办法，使仪器检测恢复正常水平，保证仪器的稳定性。该研究为高效处理安捷伦系列气相色谱故障提供了参考价值，积累了维修经验和技巧，也为其他精密仪器的修复工作提供了思路。

关键词： 六通阀； EPC电磁阀； 5A柱； 氢火焰离子化检测器； 镍转化炉

 

安捷伦 GC7820 型气相色谱仪具有精密度高、检出限低等特点，主要用于测定痕量 CO2、CO，在煤化工、石油化工等行业应用颇为广泛，其分析样品包括空分分子筛纯化后空气、甲醇洗净化气和液氮洗合成气。该仪器对使用人员能力要求较高，不仅要强化日常的维护与保养工作，而且当仪器出现故障时，还需及时诊断原因、正确解决问题，从而确保工作得以持续进行。目前，有关气相色谱仪基线漂移诊断和维修的一般性研究较多，但针对基线漂移且 CO 不出峰进行系统性分析以及解决办法的详细报道相对较少，特别是在对EPC故障处理和更换镍触媒方面的研究更是稀少。

针对以上两种常见故障，笔者对仪器结构及核心控制系统展开综合分析，依次从气路进气系统、温控系统、分离系统、检测系统等核心系统部件进行推理剖析，找出造成故障的原因，并提出相应解决办法，保证了分析结果的准确度和精密度，满足了分析要求。通过对这些故障的处理，能显著减少仪器故障导致的工作延误和分析误差，同时可为该仪器使用者提供更具针对性和实用性的参考，以及切实可行的故障诊断与处理方案。

 

1、 仪器配置及工作流程

 

1.1 仪器组成

GC7820型气相色谱仪配有1个EPC电磁阀（控制隔垫吹扫进样口）、1个氢火焰离子化（FID）检测器、2个六通阀、PORAPAK.Q（柱1）和MoiSieve 5A（柱2）色谱柱以及镍转化炉辅助装置，阀柱系统如图1所示。

图1   阀柱系统

Fig. 1   Valve post system

1.2 仪器工作流程

样品在氮气的带动下利用阀切换技术通过定量环，阀1关闭，样品依次进入PQ柱分离CO2，5A柱分离CO，待CO进入5A柱后，阀2开启，让CO2走阻尼阀进入镍转化炉被转化为CH4，然后被FID检测器检测。

此时，CO被封存在5A柱上，待CO2被检测后，阀2关闭，则CO从5A柱分离，进入镍转化炉被转化为CH4，然后进入FID检测。

1.3 实验用试剂

CO2标准气体：3.92 mg/L，底气为H2；CO标准气体：4.98 mg/L，底气为H2；CH4标准气体：1 000 mg/L，底气为H2；氮气：高纯气体，纯度（体积分数）为99.999%；氢气：高纯气体，纯度（体积分数）为99.999%，以上气体均为大连大特气体有限公司生产。

空气：厂区仪表管网空气。

 

2、 两种常见故障及其排除

 

2.1 基线漂移且CO不出峰

2.1.1 故障现象

测定CO2和CO标准气体时，运行至阀2关闭后柱流量出现下降，分析CO不出峰且基线严重漂移。标准气体故障色谱图如图2所示。

图2   标准气体故障色谱图

Fig. 2   Standard gas fault chromatogram

t/min

 

2.1.2 故障排除方法

(1)检查气路系统是否存在堵塞或泄漏。根据经验首先排查气路系统[1]。检查气源压力，大于1 MPa，减压阀输出压力值大于0.05 MPa，两者均正常可满足稳压阀的工作条件。分别缓慢旋开气路干燥净化器和气体捕集阱出口与仪器气源入口的接头,无较强气流逸出，说明气路净化装置未堵塞[2]。关断阀路，对阀1上游和减压阀之间的净化器接头以及气源入口进行试漏，并观察减压阀上低压表的指示值，5 min内没有出现下降[3]，说明上路气密性良好。

(2)排查六通阀是否磨损。通过观察图2，发现基线每次都是在阀2关闭时间的位置开始出现大幅度瞬时严重漂移，随后又转为小幅度缓慢漂移。与此同时，开始出现载气流量逐渐降低的情况，因此初步判断阀2在切换时可能存在漏气，导致阀2切换峰异常偏大和基线漂移，故需要对控制气路方向的六通平面阀体进行排查[4]。

拆卸后用放大镜仔细检查，发现阀芯有轻微磨损，其中接口3号与4号通道密封面，有划痕但无污染堵塞情况。至此，确定阀2已不具备完好工作状态。锥形阀芯作为高精度零件和阀体紧密接触，两者整体配套，为色谱易损件，须更换全套[5]。安装新阀体并做试漏处理,用电子流量计测整个气路的流量为设定值24 mL/min，说明整个阀接口无漏气。最后运行高纯氮气，结果如图3所示。

图3   更换阀2后分析高纯氮气的色谱图

Fig. 3   Chromatogram of analyzing high-purity nitrogen gas after replacing valve 2

t/min

 

由图3可知，发现基线大幅度瞬时漂移现象消失，阀2切换峰效果极佳。但阀2关闭后柱流量下降基线缓慢漂移现象扔然存在。由于载气流量对基线稳定和组分的分离十分重要[6]，故需排查载气流量控制情况。

(3)检查载气流量是否稳定。根据故障现象，通过电子流量计实时监测载气流量，结果发现在阀2关闭后流量依然出现不稳定现象，并逐渐下降至18 mL/min左右，低于设定值24 mL/min。通过多次运行标准气体试验，观察并对比漂移的状况，发现每次柱流量下降幅度均不一致，一般为18～20 mL/min。由此可见，基线漂移的主要原因是载气控制不稳定所致[7]。

原因分析：一是柱温不稳定。查看室温恒定为25 ℃，柱温实际温度为50 ℃，在30 min内没有发现柱温有缓慢增长或下降的波动，故可排除柱温对载气气阻的影响。二是隔垫吹扫进样口橡胶隔垫老化，存在漏气现象，影响载气稳定。用检漏液试漏，发现无异常。三是系统压力不平衡。由于本色谱的气体压力和流量均是通过EPC进行控制的。其中，载气从钢瓶经过气体净化器进入EPC，出EPC进入隔吹扫进样口，然后进入色谱柱。因此，柱流量是否稳定取决于EPC控制单元。

依据样品特性推断：一方面由于该色谱仪长期分析具有高含量甲醇的净化气。在正常运行时，样品中CH4和CO先流出PQ柱形成合峰，进入5A柱被封存。由于柱温低，阀2开启后PQ柱中CO2先被分离后走阻尼阀，甲醇则最后被分离。如果这时阀2提前关闭，则可能使PQ柱中的部分甲醇没来得及被分离吹走，就被带入5A柱，则甲醇被5A柱吸附而污染。另一方面，由于PQ柱耐水性能良好，而5A柱易吸附水，所以当露点不合格的载气或样品，通过阀1进入分离系统后，极有可能污染5A柱[8]。查看分析方法，其程序升温仅保持220 ℃，3 min的时间对5A柱的污染物进行净化。如果出现上述污染情况，则净化不彻底，结果导致柱效下降，柱压升高。

综上所述，根据运行原理，当阀2关闭后，PQ柱与阻尼阀串联转至与5A柱串联。此时，如果5A柱柱压发生变化升高，则阻尼阀和5A柱之间的压力平衡被破坏，于是载气流量会受气阻影响而下降[9]。正常情况下，EPC会根据载气压力传感器的反馈信号，同时结合色谱柱制备信息和仪器方法参数，通过压力控制回路自动调控电磁比例阀频率，以达到持续稳定载气流量的效果[10]。目前是基线漂移且柱流量不稳定，5A柱也不能正常分离CO，故基线漂移有可能是5A柱污染或EPC载气控制单元异常所致。

(4)排查EPC是否异常。如果考虑5A柱存在污染，则需要老化处理，但老化时间较长，为提高维修效率，应首先证实故障由EPC电磁阀问题所致。采用经老化处理过的新5A柱分析CO2和CO标准气体，通过对比验证，结果发现基线依然存在不规则漂移，CO不出峰，因此确定EPC电磁阀不能精准控制载气流量是导致基线漂移且CO分离效果不好的主要原因。

(5)检查EPC载气通道和电磁阀密封是否存在污染。结果表明，EPC载气流量偏低，可能是EPC氮气通道污染或者是电磁阀污染。

处理措施：超声清洗EPC载气电磁阀和两个密封圈，回装复位EPC，并重新换回原5A柱，再次测定CO2和CO标准气体，结果发现阀2切换后载气流量依旧不稳定，故排除EPC载气通道和电磁阀的污染。

(6)检查进样流量调节机构—EPC。重点检查EPC模块[11]，通过万用表检查EPC电路板载气输出端电压是稳定的，故排除电路故障。

另经过多次运行试验发现，每次重新启动方法后，在阀1开启到阀2开启前，即5A柱封存CO阶段。此时PQ柱与5A柱也是同样串联，但载气总流量能稳定在24 mL/min。说明载气电磁比例阀在每次重新执行方法时能够初始复位，进样口载气总流量传感器接触完好无异常，同时，也表明5A柱在封存CO阶段，柱压与阻尼阀压力波动不大，甚至处于平衡。据此推断，应该是5A柱在分离CO阶段，其5A柱后压力开始升高，气阻增大。

原因可能是压力传感器异常，无法感应系统压力变化，扔执行初始压力，但实际柱流量已偏小，不能恒定在24 mL/min运行。或是EPC载气支路电磁比例阀故障，无法精准进行电控调整，不能精准稳定柱流量。

为验证是EPC的问题，需采用替代验证手段。即从其他色谱上拆卸下相同型号的EPC与本机互换。运行结果表明故障机在阀2关闭后流量保持不变，依然为24 mL/min，且基线漂移消失，因此确定EPC故障。

解决办法：通过拆卸其他色谱上备用的一块EPC来复位联机故障机，复查载气流量是稳定的，说明拆机EPC可以使用。然后，以CO2和CO标准气体验证更换EPC后的分析情况，结果如图4所示。

 

 

图4   更换EPC后分析标准样品的色谱图

Fig. 4   Chromatogram of analysis standard sample after EPC replacement

t/min

 

由图4可知，通过对EPC模块的更换及维护，仅解决了基线漂移的现象。而CO2检测偏低，CO不出峰的问题依然存在。

（7）老化色谱柱。根据上述故障分析，显然5A 柱可能存在污染问题。为排除柱效影响，优化色谱分离。分别单独对PQ柱和5A柱做老化处理。

按照以下条件老化：载气流量为20 mL/min，在室温下通载气20 min，再以柱箱起始温度为40 ℃，保持2 min，然后以5 ℃/min的速率升至100 ℃，之后以10 ℃/min的速率升温老化。其中，PQ柱最终升温至200 ℃，保持2 h，5A柱最终升温至280 ℃,保持5 h。最后将两根柱子，按照柱温为100 ℃，保持时间2 h进行整机系统老化。老化色谱柱完成后，检测CO2和CO标准气体，结果如图5所示。

图5   老化色谱柱之后分析标准样品的色谱图

Fig. 5   Chromatogram of standard sample after aging chromatographic column analysis

t/min

 

由图5可见，CO已出峰，其分析结果为4.125 mg/L(标准值为4.98 mg/L)，CO2分析为3.364 mg/L(标准值为3.92 mg/L），说明两柱在长时间的使用中均有污染，且5A柱被污染的更为严重，在经老化处理后，PQ柱效和5A柱效均得到了有力提高，然而检测结果偏低，灵敏度不高。

2.2 灵敏度偏低

2.2.1 故障现象

在排除柱效问题后色谱检测仍然偏低，灵敏度低。结合经验[12]，一般是检测器异常，操作条件不合适等情况造成。

由于该色谱长期分析空分分子筛纯化后空气。根据样品的特性，当空气中浓度较高的氧气进入镍转化炉时，会消耗大量氢气，如果此时炉内氢气含量低于氮气50%，则不能起到保护镍触媒的效果，反而使其被氧化而出现退化现象，减少镍催化剂使用寿命。

另经调研，该岗位发生过失操作，将富含高浓度CO2、低含量硫以及低含量甲醇的循环气进行分析。当浓度较高的CO2和硫化物进入镍转化炉时，在甲烷化反应过程中，不但增大镍触媒催化负荷，消耗大量氢气，而且在高温下含硫物质会迅速与镍触媒发生反应，导致其中毒，甚至失去活性[13]，同时产生的高浓度甲烷和大量水在氢火焰中燃烧。一方面会造成检测器积水，另一方面甲烷不能瞬时充分燃烧，而形成胶质积碳，最终沾污喷嘴，降低FID灵敏度[14]。

由此推断，该色谱的FID或者镍转化炉可能已经受到高含量氧气和硫化物等杂质影响，故需从检测系统以及辅助装置排查。

2.2.2 故障排除方法

首先排查FID离子室、喷嘴是否冷凝。该色谱运行方法检测器温度为300 ℃，高于样品组分沸点。分别观察柱温与检测器温度的变化趋势，没有出现温度波动，且基线运行稳定，说明温控系统精度正常，因此FID离子室、喷嘴不存在冷凝现象。

其次排查FID火焰是否稳定。查看仪器的运行日志，无温度异常报警记录；结合方法设置参数，分别用数字电子流量计、万用表检查各气体流量、电压信号，并对比仪器漏气自检参数。FID工作参数见表1。由表1可知，FID的空气和氢气流量满足配比要求，流量在点燃范围内，FID点火电压正常，因此FID燃烧工况稳定，但其输出电压偏高（33 pA）。采用万用表测试离子室和同轴电缆绝缘性能尚好，拆下收集器和喷嘴，发现绝缘瓷环表面微黄，喷嘴有轻微乌黑，由此判断FID有轻微污染[15]。用丙酮超声清洗喷嘴，用酒精清洗高阻部分，并用吹风机吹干[16]。经过优化处理后，其基线输出电压降到12 pA，说明FID清洗效果良好，灵敏度大幅度提高，因此排除检测器的影响。

表1   FID工作参数

Tab. 1   FID working parameters

 

2.3 检测结果偏低

2.3.1 故障现象

一般情况下镍转化炉的转换效率应该大于98%[17-18]。分别以氢气为底气的CO2、CO、CH4标准样品验证，并分别将CO2、CO、CH4色谱峰面积与其浓度进行校正，得出校正面积，再计算CO2、CO转化率，结果见表2。

表2   标准气体中CO2、CO、CH4校正面积及转化率

Tab. 2   Calibration area and conversion rate of CO2, CO and CH4 in standard gas

 

由表2可知，标准气体中CO2、CO的转化率分别为89.30%、75.03%，说明镍触媒受到污染而导致镍转化率低。

采用H2作为还原剂，对镍触媒进行活化处理。在380 ℃的恒温下还原24 h后测定标准样品，转化率依然偏低，说明镍触媒可能与杂质气体发生了反应，H2无法使镍触媒还原。

2.3.2 故障排除方法

采用纯氧气作为氧化剂通过转化炉，在一定条件下可以氧化镍触媒，再经氢气还原老化，可以恢复[19]。然而考虑高纯氧气管线连接安全条件不具备，风险较大，因此选择更换镍触媒。镍转化炉结构为直管式。拆卸后，先用无水甲醇清洗直管内部，再用棉团擦拭干净并风干。为确保最大催化效率，须防止镍触媒装填到加热区之外。所以，装填前，要保证直管底部玻璃棉压紧端离管口46 mm，装填后，保证镍触媒离管口22 mm，然后用玻璃棉压紧封堵，且其距管口5 mm。整个过程采用已分别刻有两个尺度的细木棒对直管深度进行测量，以确定镍触媒的正确位置，之后打开载气和氢气进行试漏，并对新的镍触媒分别进行200 ℃恒温4 h和250 ℃恒温12 h的低温活化处理，升温到375 ℃保持30 min，再按上述标准继续进行验证，试验结果见表3。

表3   更换镍催化剂后标准气体中CO2、CO、CH4校正面积及转化率

Tab. 3   Correction area and conversion rate of CO2, CO and CH4 in standard gas after nickel catalyst replacement

 

 

由表3可知，CO2、CO转化率分别为98.23%和98.16%，说明新换镍触媒维护成功，最后对该方法及保留时间进行对标校正优化处理，再分析CO2和CO标准气体，更换镍催化剂后分析标准样品色谱图见图6。

图6   更换镍催化剂后分析标准样品的色谱图

Fig. 6   Chromatogram of analysis standard sample after replacing nickel catalyst

t/min

 

方法经优化处理后，分析标准气体CO2为3.91 mg/L（标准3.92 mg/L），CO为4.96 mg/L(标准4.98 mg/L),即准确度达99.7%，说明该方法已满足空分、甲醇洗、液氮洗等装置工艺气中痕量CO2、CO的正常检测。

 

3、 结语

 

根据故障迹象，通过排查核心系统、对照参比条件、色谱图变化逐步分析故障原因，最终解决基线漂移和CO不出峰的问题，同时也提高了检测准确度，能够满足正常检测要求。结合色谱故障排查过程，若想保持色谱良好运行，降低故障率，关键在于加强维护，因此在日常工作中，要做好各种预防性的维护措施，及时保养。

 

参考文献：

 

1 张滨淳，岑凯辛.气相色谱试验常见气路故障分析及解决思路［J］.大众用电，2020，35（7）：29.

    ZHANG Binchun， CEN Kaixin. Analysis and solution of common gas circuit faults in gas chromatography testing ［J］. Popular Utilization of Electricity， 2020，35（7）：29.

 

2 孙元璐.气相色谱仪故障经验分析［J］.包钢科技，2020，46（1）：86.

    SUN Yuanlu. Analysis of gas chromatograph fault experience ［J］. Baosteel Technology， 2020，46（1）：86.

 

3 吴方迪，张庆合.色谱仪器维护与故障排除［M］.北京：化学工业出版社，2008：191.

    WU Fangdi， ZHANG Qinghe. Chromatographic instrument maintenance and troubleshooting ［M］. Beijing：Chemical Industry Press， 2008：191.

 

4 刘振芳.气相色谱中六通阀应用与维护［J］.科技创业家，2013（3）：115.

    LIU Zhenfang. Application and maintenance of six way valves in gas chromatography ［J］. Technology Entrepreneur，2013（3）：115.

 

5 罗时英.六通阀气体进样器在气体分析中的应用与维护［C］//云南省科学技术协会.第七届冶炼技术论文发布会论文集，2015：5.

    LUO Shiying. Application and maintenance of six way valve gas sampler in gas Analysis［C］//Yunnan Nonferrous Metals Society. Proceedings of the 7th Smelting Technology Paper Conference， 2015：5.

 

6 刘禄.浅谈在线色谱分析仪的维护及常见故障处理［J］.中国设备工程，2022（18）：63.

    LIU Lu. Maintenance and common troubleshooting of online chromatographic analyzers ［J］. China Equipment Engineering， 2022（18）：63.

 

7 蔡弘毅.空分系统气相色谱分析仪故障分析及处理［J］.冶金动力，2023，（4）：35.

    CAI Hongyi. Fault analysis and treatment of gas chromatography analyzer in air separation system ［J］. Metallurgical Power， 2023， （4）：35.

 

8 许国旺.分析化学手册（第5册）气相色谱分析［M］.北京：化学工业出版社，2016：39.

    XU Guowang. Handbook of analytical chemistry （volume 5） gas chromatography analysis ［M］. Beijing：Chemical Industry Press， 2016：39.

 

9 张志强.影响气相色谱分析数据准确性的因素探讨［J］.机电信息，2020（14）：139.

    ZHANG Zhiqiang. Exploration of factors affecting the accuracy of gas chromatography analysis data ［J］. Electromechanical Information， 2020（14）：139.

 

10 何淑芝.气相色谱仪载气压力异常问题探讨［J］.科技展望，2016，26（19）：62.

    HE Shuzhi. Discussion on abnormal carrier gas pressure in Gas Chromatograph ［J］. Science and Technology Outlook，2016，26（19）：62.

 

11 高艳艳，汪曣，赵学玒.气相色谱电子压力流量控制原理探讨［J］.分析仪器，2010，（6）：52.

    GAO Yanyan， WANG Yan， ZHAO Xuehong. Exploration of the principle of electronic pressure and flow control in gas chromatography ［J］. Analytical Instruments， 2010， （6）：52.

 

12 冯国荣.气相色谱法在炼化企业的应用及日常维护［J］.广州化工，2020，48（20）：77.

    FENG Guorong. Application and daily maintenance of gas chromatography in refining enterprises ［J］. Guangzhou Chemical， 2020，48（20）：77.

 

13 陈岩，连毓琪.色谱法测定工业氢气中微量CO和CO2含量［J］.广州化工，2011，39（13）：115.

    CHEN Yan， LIAN Yuqi. Chromatographic determination of trace amounts of CO and CO2 in industrial hydrogen ［J］. Guangzhou Chemical Industry， 2011， 39（13）：115.

 

14 赵德英. FID检测器气相色谱仪检定中常见问题及解决方法［J］.计量技术，2018，（7）：69.

    ZHAO Deying. Common problems and solutions in the calibration of FID detector gas chromatographs ［J］. Metrology Technology， 2018， （7）：69.

 

15 郭毅，贺宁，龚敏珍.气相色谱仪FID检定过程中的常见故障及排除［J］.化学分析计量，2013，22（6）：97.

    GUO Yi， HE Ning， GONG Minzhen. Common faults and troubleshooting during the FID calibration process of gas chromatographs ［J］. Chemical Analysis and Metrology， 2013，22 （6）：97.

 

16 巴兰凤.气相色谱仪FID检测器常见故障与处理措施分析［J］.西部探矿工程，2023，35（9）：99.

    BA Lanfeng. Analysis of common faults and handling measures of gas chromatography FID detectors ［J］. Western Exploration Engineering， 2023，35 （9）：99.

 

17 王建让.色谱仪镍转化炉转化效率的测定［J］.冶金动力，2013（12）：24.

    WANG Jianrang. Determination of conversion efficiency of nickel conversion furnace by chromatograph ［J］. Metallurgical Power， 2013（12）：24.

 

18 方协灵，胡锐.气相色谱法测定异戊烷中微量CO、CO2的研究［J］.石油炼制与化工，2024，55（4）：91.

    FANG Xieling， HU Rui. Study on the determination of trace amounts of CO and CO2 in isopentane by gas chromatography ［J］. Petroleum Refining and Chemical Industry， 2024，55 （4）：91.

 

19 路自强，李红献，柴元德.气相色谱仪转化炉污染后的活化处理［J］.青海电力，2000（2）：1.

    LU Ziqiang， LI Hongxian， CHAI Yuande. Activation treatment of gas chromatograph after pollution ［J］. Qinghai Electric Power， 2000（2）：1.

 

引用本文： 孙建恒，魏金刚，刘昌盛，等 . 安捷伦GC7820型气相色谱仪两种常见故障分析与排除［J］. 化学分析计量，2024，33（8）：111. (SUN Jianheng, WEI Jingang, LIU Changsheng, et al. Analysis and troubleshooting of two common faults in Agilent GC7820 gas chromatograph[J]. Chemical Analysis and Meterage, 2024, 33(8): 111.)

 

 

来源：化学分析计量

关键词： 气相色谱仪