艦船機(jī)艙油霧濃度測試研究

李 燦，李曉旭，余 濤，金榮樂，葛春元

(1. 中國人民解放軍92609部隊，北京 100077；2. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205)

艦船機(jī)艙油霧濃度測試研究

李 燦1，李曉旭1，余 濤2，金榮樂1，葛春元1

(1. 中國人民解放軍92609部隊，北京 100077；2. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205)

本文采用計重法和氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用法對艦船機(jī)艙不同存在形態(tài)的油霧污染物進(jìn)行濃度測試。結(jié)果表明：直通艙室的冒氣口是艦船機(jī)艙油霧污染的主要來源，雖然油霧凈化裝置的凈化效率高（90% 以上），使艙室環(huán)境的油霧濃度保持在較低濃度水平（1.6～3.1 mg/m3），但機(jī)艙的空氣質(zhì)量狀況與船員對于空氣品質(zhì)的要求還有較大差距。因此建議加強(qiáng)對油霧的排放控制，增強(qiáng)凈化裝置的處理能力，同時繼續(xù)開展對機(jī)艙油霧的深化研究，切實改善和提高艙室的空氣質(zhì)量。

艦船；機(jī)艙；油霧；空氣質(zhì)量

0 引言

艦船使用的油品種類多，有燃油、滑油、液壓油、機(jī)油、特種儀器用油等十余種之多。這些油品存在于儲油柜、儀器儀表、旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸承部位和儲存容器內(nèi)。油霧產(chǎn)生的原因非常復(fù)雜，機(jī)械、物理和化學(xué)的因素互相交織，共同作用。一般認(rèn)為油霧的形成主要可以歸因于霧化和蒸發(fā)[1]2 種機(jī)理。霧化和蒸發(fā)[1]：霧化是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液滴表面能的過程，主要是由于液體對機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)的固定及旋轉(zhuǎn)單元的激烈沖擊，被其打碎，形成細(xì)小液滴漂浮在工作環(huán)境中；蒸發(fā)的發(fā)生是由于工作區(qū)產(chǎn)生大量的熱，這些熱量傳入含油介質(zhì)使它的溫度明顯高于飽和溫度，在固一液接觸面上就發(fā)生沸騰并產(chǎn)生蒸汽。這些蒸汽隨后以周圍空氣中的小液滴或其他粒子為核心凝結(jié)，形成油霧。

油霧廣泛存在于艦船機(jī)艙中，將導(dǎo)致艙室空氣質(zhì)量惡化，損害船員的身體健康[2–3]。美國等發(fā)達(dá)國家均相繼制定了嚴(yán)格的油霧控制標(biāo)準(zhǔn)[4]，如 2001 年美國政府工業(yè)衛(wèi)生醫(yī)師協(xié)會（ACGIH）提出了將車間油霧控制指標(biāo)改為 0.2 mg/m3的建議修訂值。針對艦船機(jī)艙油霧污染，美國海軍也分別制定了 10 mg/m3，2 mg/m3的1 h，24 h 應(yīng)急暴露指導(dǎo)限值（EEGL，前艙值）以及0.2 mg/m3的 90 天連續(xù)暴露指導(dǎo)限值（CEGL，前艙值）。但我國目前制定的艙室空氣組分容許濃度限值標(biāo)準(zhǔn)[5–6]沒有針對油霧提出總體控制標(biāo)準(zhǔn)。

多年來，隨著艦船建造和使用水平的提高，艙室的環(huán)境質(zhì)量也不斷改善。但目前艦船機(jī)艙的油霧污染問題還沒有引起足夠重視，艙室中的汽輪發(fā)電機(jī)組油箱和減速器的冒氣口直通艙室，并持續(xù)向艙室釋放未經(jīng)處理的油霧[7-8]，嚴(yán)重影響機(jī)艙空氣質(zhì)量，與船員對于環(huán)境品質(zhì)的要求還有較大差距。針對此問題，本文采用計重法和氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用法對艦船機(jī)艙不同存在形態(tài)的油霧污染物進(jìn)行測試，全面評價機(jī)艙油霧污染狀況，提出可行的控制方法，可為進(jìn)一步改善艦船機(jī)艙的空氣質(zhì)量提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 主要試驗儀器設(shè)備和材料

1）安捷倫 6 850 + 5 975 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國安捷倫科技有限公司；

2）AUW220D 雙量程分析天平，島津儀器設(shè)備有限公司；

3）QC-2 型大氣采樣器，北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所；

4）Tenax-TA 采樣管（60–80 目 Tenax TA 填料），美國 Camsco 公司；

5）LP-12 便攜式恒流空氣采樣器，美國 AP.BUCK公司；

6）37 mm 玻璃纖維濾膜，北京賽福萊博科技有限公司。

1.2 試驗條件和方法

1.2.1 濾膜計重法

濾膜計重法是將已知體積的空氣通過濾膜，使空氣中所含油霧液滴和顆粒有效阻留在濾膜上，然后根據(jù)分析天平稱量求出濾膜重量的增量，從而獲取空氣中的液態(tài)油霧濃度[8]。為保證測試精度，一般要求采樣后的濾膜重量具有顯著增加。

1）將在干燥器中恒重后的濾膜用1/105精度的分析天平進(jìn)行稱重；

2）將稱重后的濾膜編號后放入濾膜盒中備用，并堵上濾膜盒兩端堵頭；

3）設(shè)定采樣器的采樣時間和采樣流量，通過皂沫流量計校準(zhǔn)采樣器流量至 10 L/min；

4）用硅膠管連接采樣器和濾膜盒；

5）開始連續(xù)采樣 12 h，并記錄采樣時的大氣壓力數(shù)值和溫度數(shù)值；

6）采樣至規(guī)定時間停止采樣后，取出濾膜盒，并堵上兩端堵頭，放入密封箱中保存；

7）將采樣后的濾膜利用分析天平進(jìn)行稱重；8）按照式（1）～式（3）計算油霧濃度[9]。

式中：N為艙室中油霧濃度值，mg/m3；M1為采樣前濾膜質(zhì)量數(shù)值，mg；M2為采樣后濾膜質(zhì)量數(shù)值，mg；V0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0 ℃，101 325 Pa大氣壓）下采樣空氣體積，L；Vt為實際采樣體積數(shù)值，L；qV為采樣時抽氣流量數(shù)值，L/min；T為采樣時間數(shù)值，min；p為采樣時大氣壓力數(shù)值，Pa；t為采樣時溫度數(shù)值，℃。

1.2.2 氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用法

1）樣品采集

Tenax TA 采樣管可將空氣中的微量空氣組分進(jìn)行濃縮富集，通過實驗室檢測分析即可獲取采樣部位采樣期間空氣組分平均濃度。該方法作為國內(nèi)外環(huán)境空氣采樣的標(biāo)準(zhǔn)方法得到了廣泛應(yīng)用，美、英、法等國即采用此方法對核潛艇艙室進(jìn)行空氣采樣監(jiān)測。本文利用 Tenax-TA 采樣管對艦船機(jī)艙空氣組分進(jìn)行富集采樣，每個采樣點單次采集 2 個平行樣，且每個采樣支路需 2 根采樣管串接，以避免采樣管穿透。采樣流速0.15 L/min，采樣時間 10 min，采樣體積 1.5 L。采樣前后利用流量計對采樣流量進(jìn)行校準(zhǔn)，并記錄采樣期間的環(huán)境溫度和大氣壓力。采樣結(jié)束后，將采樣管密封保存后返回實驗室進(jìn)行分析。

2）測試條件

色譜柱升溫程序：預(yù)熱至 45 ℃ 并保持 5.0 min，以 4 ℃/min 的速率升溫至 250.0 ℃ 并保持 5 min。進(jìn)樣分流比 10:1；載氣：氦氣；質(zhì)譜掃描質(zhì)量數(shù)范圍：50～550 m/z。

3）分析方法

采用標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫（NIST08）檢索對樣品中的總烴（C2～C8）組分進(jìn)行定性分析。

參照美國國家環(huán)保局（US EPA）推薦的 TO-1 方法對樣品中的總烴（C2～C8）進(jìn)行外標(biāo)定量分析，得到氣態(tài)油霧組分的濃度。

2 結(jié)果與討論

某型艦船使用的汽輪機(jī)油牌號為 L-TSA68。分別在海上正常航行期間（通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行）和碼頭系泊?？科陂g，對其主機(jī)艙和輔機(jī)艙多個部位進(jìn)行采樣，同時采集艙室環(huán)境的油霧濃度背景作為對照。

2.1 油霧濃度測試結(jié)果

對某型艦船機(jī)艙不同部位以玻璃纖維濾膜和 Tenax TA 采樣管進(jìn)行采樣，分別以重量法和氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用法分析艙室中的液態(tài)油霧和氣態(tài)油霧濃度，兩者之和為油霧總濃度。測試結(jié)果分別如表 1～表 3 所示。

2.2 結(jié)果分析

1）從表 1 可以看出，某型艦船主機(jī)艙汽輪發(fā)電機(jī)組的軸承冒氣口和給水泵的油箱冒氣口的油霧總濃度（83 mg/m3，37 mg/m3，80 mg/m3，74 mg/m3）遠(yuǎn)高于艙室環(huán)境濃度（2.2 mg/m3），為主機(jī)艙油霧污染的主要來源。

2）從表 2 可看出，其輔機(jī)艙汽輪循環(huán)水泵齒輪箱冒氣口油霧總濃度（31 mg/m3，8.9 mg/m3）遠(yuǎn)高于艙室環(huán)境濃度（3.0mg/m3），為輔機(jī)艙油霧污染的主要來源。

3）但主機(jī)艙設(shè)置的2臺油霧凈化裝置和輔機(jī)艙的主機(jī)油霧凈化裝置凈化效率均達(dá) 90% 以上（見圖 2），可以去除艙室中的大部分油霧污染，使艙室環(huán)境的油霧濃度保持在較低濃度水平。

2.3 討論

目前我國還沒有制定艦船艙室油霧濃度的限值標(biāo)準(zhǔn)，一般參照相關(guān)國軍標(biāo)[5–6]對總烴的限值標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)測試結(jié)果，該艦船機(jī)艙航行狀態(tài)和系泊狀態(tài)下其艙室油霧濃度值為 1.6～3.1 mg/m3，雖低于國軍標(biāo) 40 mg/m3的總烴 90d 濃度限值，但遠(yuǎn)高于美國海軍制定的 0.2 mg/m3（前艙值）的 90d 連續(xù)暴露指導(dǎo)限值?？梢姡€需進(jìn)一步減輕艙室油霧污染，提高和改善艙室空氣質(zhì)量狀況，為船員營造一個更加舒適的艙室空氣環(huán)境，進(jìn)而提升船員的作戰(zhàn)力。

表 1 主機(jī)艙不同部位油霧濃度測試結(jié)果Tab. 1 Test results of oil mist concentration in different parts of the main engine room

表 2 輔機(jī)艙不同部位油霧濃度測試結(jié)果Tab. 2 Test results of oil mist concentration in different parts of the auxiliary engine room

表 3 系泊狀態(tài)艙室環(huán)境油霧濃度Tab. 3 Oil mist concentration in the cabin environment on moor base

3 結(jié)語

研究表明，油霧是機(jī)艙最主要的污染物。艙室局部區(qū)域仍存在明顯油霧氣味，空氣質(zhì)量與船員對于舒適性的要求尚有不小的差距。要有效減輕機(jī)艙油霧污染，還需要在前端的源頭控制和后端的凈化處理兩方面下功夫。一是要對油霧冒氣口出來的油霧加以處理后再排放至艙室中，進(jìn)一步控制油霧污染物排放總量；同時，對油霧凈化處理裝置進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，增強(qiáng)其對油霧的凈化處理能力。此外，繼續(xù)對機(jī)艙油霧開展深化研究工作也十分必要，通過持續(xù)努力制定出符合我國實情的艦船機(jī)艙油霧控制標(biāo)準(zhǔn)，切實改善艦船艙室的空氣質(zhì)量。

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Research on oil mist concentration test of ship engine room

LI Can1, LI Xiao-xu1, YU Tao2, JIN Rong-le1, GE Chun-yuan1
(1. No. 92609 Unit of PLA, Beijing 100077, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China)

This paper uses weight method and GC-MS for ship engine room of different forms of oil mist pollutants concentration test. The results show that through the cabin port steaming is the main source of ship engine room of oil mist. Although the oil mist purification device of high purification efficiency, the oil mist concentration compartment environment an low concentration level, but the air quality condition and the crew cabin for there is a large gap between the air quality requirements. It is proposed to strengthen the oil mist emissions control, enhance the processing ability of purification device, while continuing to carry out a further study on the engine oil mist, effectively improve and enhance the carbin air quality.

ship；engine room；oil mist；air quality

U674.761；X51

A

1672–7619(2017)03–0123–04

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.03.025

2017–01–20；

2017–02–09

李燦(1979–)，男，工程師，主要從事艦船化生防護(hù)和艙室有害氣體處理等方面的研究工作。