船舶柴油機(jī)潤滑油水污染類型鑒別研究

吳善躍，金 蘭，錢 怡

(92957部隊, 浙江 舟山 316000)

船舶柴油機(jī)潤滑油水污染類型鑒別研究

吳善躍，金 蘭，錢 怡

(92957部隊, 浙江 舟山 316000)

文章針對船舶柴油機(jī)潤滑油水污染類型鑒別需要，確立了污染類型鑒別主要區(qū)分特征，分析了傳統(tǒng)水污染類型鑒別程序存在的問題，并對程序相應(yīng)進(jìn)行了改進(jìn)?；趯崪y數(shù)據(jù)和理論推算，討論了不同情況下的水污染類型鑒別數(shù)值。最后，在實際案例中應(yīng)用上述程序方法對水污染類型進(jìn)行了鑒別，從而說明程序方法的合理性。

潤滑油；水污染；鑒別；柴油機(jī)

潤滑油進(jìn)水污染是船舶柴油機(jī)日常管理中經(jīng)常遇到的典型故障問題。柴油機(jī)長期使用含水污染潤滑油具有多重危害：①促使?jié)櫥腿榛档陀推佛ざ群陀湍?qiáng)度，使?jié)櫥Ч儾睿虎诖偈褂推费趸冑|(zhì)，添加劑發(fā)生水解反應(yīng)而失效，增加油泥；③促使柴油機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)銹蝕。

因此，柴油機(jī)潤滑油水分含量被列為裝備質(zhì)量管理部門的必檢項目[1-3]。然而，對于廣大基層船員而言，僅知道潤滑油水分含量超標(biāo)是不夠的，還需要進(jìn)行水污染類型的鑒別分析。只有這樣，船員才能判斷故障部位，縮小排查范圍，提高維修效率。

潤滑油水污染類型的鑒別一般是通過分析潤滑油中的鈉元素含量來進(jìn)行區(qū)別。然而，通過多年的工作實踐，我們感到單純以潤滑油中鈉元素含量鑒別水污染類型還存在一定問題，有時還需要求助其它技術(shù)手段加以分析。本文將結(jié)合船舶柴油機(jī)油液監(jiān)測工作實際情況，對這一問題進(jìn)行系統(tǒng)探討。

1 潤滑油水污染類型及主要特征

按照船舶柴油機(jī)原理及工作中遇到的實際案例，潤滑油中水污染主要分為海水污染、缸套冷卻水污染和外源淡水污染3種類型。水污染類型鑒別主要是通過分析潤滑油水中特征成分含量進(jìn)行區(qū)分，因而開展水污染類型鑒別首先需了解各種水污染的主要成分，再確立污染類型判別的主要特征依據(jù)。海水是一種非常復(fù)雜的多組分水溶液，其主要溶解成分以離子形式而存在，標(biāo)準(zhǔn)海水中主要溶解成分含量數(shù)據(jù)參見表1[4]。柴油機(jī)缸套冷卻水主要是由緩蝕劑原液和淡水按一定比例混合而成，其中緩蝕劑原液主要為鈉鹽成分(如硼酸鈉、硼氫酸鈉、有機(jī)羧酸鈉鹽等)，陽離子主要為鈉離子，陰離子則因廠家和牌號不同而存在一定的差異，但原液中氯離子含量較低，因為氯離子具有較強(qiáng)的腐蝕危害性，是冷卻液需要嚴(yán)格控制的成分[5]。表2是某型緩蝕劑原液相關(guān)元素含量值，該緩蝕劑原液與淡水按1∶9進(jìn)行配比。外源淡水污染主要來源于冷凝水或生活飲用水，水中離子含量較低，生活飲用水規(guī)定鈉元素限值為200 μg/g，氯化物、硫化物限值為300 μg/g[6]。

按照前文所述不同水污染類型水中各溶解成分含量，水污染類型鑒別應(yīng)以鈉、鎂、氯元素含量為分析對象，其主要區(qū)分特征具體參見表3。

表1 標(biāo)準(zhǔn)海水主要溶解成分含量 μg/g

表2 某型緩蝕劑原液部分元素含量 μg/g

表3 不同水污染類型主要區(qū)分特征

2 水污染鑒別程序問題與改進(jìn)

2.1 傳統(tǒng)鑒別程序存在問題

傳統(tǒng)潤滑油水污染分析程序一般分為2個步驟。首先，采用卡爾費休庫倫法水分測定儀檢測潤滑油中含水量。如果水分含量正常，就認(rèn)為不存在水污染，如果水分含量超標(biāo)，再通過原子發(fā)射光譜法檢測潤滑油中的鈉元素含量并確定污染類型。但在具體應(yīng)用中這一程序還是存在一些問題。

1)單純以潤滑油含水量篩選水污染油樣有可能存在問題遺漏。實際工作中經(jīng)常會遇到潤滑油含水量較低而鈉元素含量卻異常升高現(xiàn)象，此時如果是因為潤滑油中水分含量低而認(rèn)為不存在水污染，就會造成水污染問題遺漏。例如，某船在承擔(dān)遠(yuǎn)航任務(wù)期間發(fā)現(xiàn)4號主機(jī)潤滑油鈉元素含量偏高(達(dá)到259 μg/g)，而水分含量正常；在后續(xù)監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)鈉元素含量繼續(xù)增長(達(dá)到431 μg/g)，水分含量依舊正常。結(jié)果拆檢發(fā)現(xiàn)主機(jī)空氣冷卻器熱交換管存在海水泄漏，進(jìn)氣道壁上積累了大量的固體鹽分物質(zhì)。這一案例表明，傳統(tǒng)鑒別程序篩選水污染油樣確實有可能存在問題遺漏，同時也說明潤滑油中水分蒸發(fā)是潤滑油水污染分析必須考慮的影響因素之一。

2)單純以鈉元素含量鑒別水污染問題有可能會造成誤判。由前文可知，除海水污染外，潤滑油混入缸套冷卻水也會導(dǎo)致鈉元素含量增高。如果僅憑潤滑油水分含量和鈉元素含量均高而鑒別水污染，就有可能將缸套冷卻水污染誤認(rèn)為是海水污染，導(dǎo)致艦員在維修過程中出現(xiàn)不必要的拆檢。例如，某船2號副機(jī)在定期監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)潤滑油含水量達(dá)到0.26%，鈉元素含量(838 μg/g)偏高，而鎂元素含量(16.8 μg/g)正常，后檢查發(fā)現(xiàn)缸套冷卻水存在泄漏問題。在該案例中，如果單純的從鈉元素含量偏高現(xiàn)象分析水污染，就有可能誤認(rèn)為是海水污染。

2.2 鑒別程序改進(jìn)

針對傳統(tǒng)鑒別程序存在的問題，做如下改進(jìn)：①不應(yīng)將含水量作為潤滑油是否存在水污染的唯一參考，還應(yīng)將污染特征元素含量作為參考之一，也就是水分含量和污染特征元素含量只要其中之一存在偏高現(xiàn)象，就可考慮潤滑油存在水污染問題；②為了有效區(qū)分不同水污染類型，除鈉元素以外，還應(yīng)將鎂和氯列為污染特征元素。

由表3可知，鈉、鎂、氯3種元素中只要知道鈉、鎂元素含量或者是鈉、氯元素含量，即可對3種水污染類型進(jìn)行區(qū)分。相比較而言，采用鈉、鎂元素較為方便，因為鎂元素可與鈉元素一樣通過油料原子發(fā)射光譜儀進(jìn)行檢測，而油料原子發(fā)射光譜儀是潤滑油磨粒檢測常用的檢測技術(shù)手段。因此，一般情況下可通過油料原子發(fā)射光譜儀結(jié)合磨損分析得到的鈉、鎂元素含量，并通過鈉、鎂元素含量偏高情況和含量比例確認(rèn)污染類型。然而，該方法的應(yīng)用也存在一定的局限性：①不適用于含鎂添加劑潤滑油的水污染鑒別分析；②鎂元素含量數(shù)值相對較低，儀器檢測誤差等其它因素對其數(shù)值影響較大，有可能會影響結(jié)果判別。

對于上述鈉、鎂元素分析存在不足，應(yīng)進(jìn)一步考慮采用氯元素鑒別污染類型。氯元素是海水中離子含量最高的元素種類，而在缸套冷卻水和外源淡水中的離子含量又較低，因而比鎂元素具有更好的區(qū)分度。但是，目前常用的油料原子發(fā)射光譜儀無法對氯元素含量進(jìn)行檢測，氯元素含量只能借助其它方法檢測。其中，X熒光能譜儀分析是一種值得進(jìn)一步發(fā)展的檢測方法，其樣品制備相對簡單、所需檢測時間較短，若方法應(yīng)用恰當(dāng)能夠獲得較為準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。

3 水污染類型鑒別數(shù)值分析

對于船舶柴油機(jī)潤滑油含水量，國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一般規(guī)定換油界限值為0.5%，也有的將其規(guī)定為0.2%，而對于污染特征元素含量報警界限值卻沒有做出明確規(guī)定[2-3]。這就給油液監(jiān)測實際工作開展帶來困難。為了避免該情況的出現(xiàn)，應(yīng)在實際數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上建立相關(guān)分析界限值。由于檢測技術(shù)手段所限，目前所得到的污染特征元素歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)主要為鈉、鎂元素含量，因而本文關(guān)于污染特征元素鑒別數(shù)值討論僅限于鈉、鎂元素。

3.1 污染特征元素含量高于界限值時的鑒別

污染特征元素界限值基于實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，該統(tǒng)計分析對于樣本數(shù)據(jù)有特定要求：①樣本數(shù)量要大，并覆蓋從正常到異常范圍數(shù)據(jù)；②應(yīng)按設(shè)備規(guī)格型號對樣本進(jìn)行分類處理；③樣本分布的理想狀態(tài)應(yīng)具有陡峭的高/寬比，近似正態(tài)分布[3]。

圖1和圖2分別為某型船同型號柴油副機(jī)264個潤滑油樣本中鈉元素和鎂元素含量分布圖，圖中橫坐標(biāo)為元素含量，縱坐標(biāo)為元素含量對應(yīng)的樣本數(shù)目。由圖1和圖2可知，鈉、鎂元素含量分布近似于正態(tài)分布。根據(jù)正態(tài)分布的“3σ原則”，隨機(jī)變量以99.85%的可能性小于μ+3σ，油液光譜分析一般以μ+3σ作為特征元素含量異常的界限值。為此，對鈉、鎂元素含量分別進(jìn)行統(tǒng)計處理，獲取其樣本均值和樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差，并按“平均值+2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差”“平均值+3倍偏差”分別計算報警界限值和異常界限值。根據(jù)這一基本方法分別對圖1和圖2樣本進(jìn)行計算，具體結(jié)果如下：鈉元素樣本均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為88.3 μg/g和69.1 μg/g，其報警界限值和異常界限值分別為226.5 g/g和295.6 μg/g；鎂元素樣本均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為12.4 μg/g和7.0 μg/g，其報警界限值和異常界限值分別為26.4 μg/g和33.4 μg/g。從該機(jī)型的油液監(jiān)測實際情況看，上述界限值的確定具有一定的合理性。例如，曾監(jiān)測發(fā)現(xiàn)該型號某副機(jī)鈉元素含量持續(xù)偏高，從252.0 μg/g增長到405 μg/g，超過鈉元素含量異常界限值，而鎂元素含量前后兩次監(jiān)測結(jié)果分別為11.4 μg/g和12.1 μg/g，均未超過鎂元素含量報警界限值，由此可確認(rèn)柴油機(jī)缸套冷卻水混入潤滑油。

圖1 某型柴油副機(jī)潤滑油鈉元素含量分布圖

圖2 某型柴油副機(jī)潤滑油鎂元素含量分布圖

一般而言，只要樣本數(shù)據(jù)符合相應(yīng)要求，采用上述方法建立的污染特征元素界限值具有一定可信度。只要污染特征元素含量大于異常界限值，就可以確認(rèn)存在水污染，而且還可根據(jù)污染特征元素含量超出界限值情況相對容易地鑒別出污染類型。

3.2 污染特征元素含量低于界限值時的鑒別

對于潤滑油中含水量超標(biāo)而鈉、鎂污染元素含量均低于統(tǒng)計界限值的情況，是否可以認(rèn)為潤滑油水污染為淡水污染，以下結(jié)合實測數(shù)據(jù)對這一問題進(jìn)行分析。

潤滑油污染特征元素含量f按來源可用下式表達(dá)：

f=fbk+fw，

(1)

式中：fbk為污染特征元素本底含量；fw為機(jī)器故障引入的污染特征元素含量。

正常情況下fw的取值為零，fbk與潤滑油的生產(chǎn)、運輸、存儲和使用等環(huán)節(jié)均有關(guān)。表4為典型潤滑油樣品中鈉元素含量(表4中副機(jī)與圖1和圖2柴油機(jī)同型號)，由表4可知：①由于生產(chǎn)環(huán)節(jié)因素影響，潤滑油新油中存在少量鈉元素；②由于儲存、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)受污染，船上備用油柜中潤滑油新油鈉元素含量會有所上升；③對于正常運行柴油機(jī)，即使未發(fā)生污染性故障，隨著潤滑油使用時間增加，鈉元素含量也會逐步增長。

表4 典型潤滑油樣品中鈉元素含量 μg/g

假設(shè)上述典型樣品混入標(biāo)準(zhǔn)海水，其含海水量為1%，由此增加的鈉元素含量為109.0 μg/g。若潤滑油中的鈉元素本底含量為表4中的70.8 μg/g，則潤滑油中總的鈉元素含量為179.8 μg/g，小于該型機(jī)的報警界限值(226.5 μg/g)。同樣，若潤滑油中的鈉元素本底含量為其統(tǒng)計均值(88.3 μg/g)，則潤滑油中總的鈉元素含量為197.3 μg/g，也小于該型機(jī)的報警界限值(226.5 μg/g)。由此可知，前文所述潤滑油中含水量超標(biāo)而鈉、鎂污染元素含量均低于統(tǒng)計界限值的情況，是不能簡單認(rèn)為潤滑油水污染為淡水污染的。

對于此種情況的水污染類型鑒別，應(yīng)綜合分析潤滑油污染物元素的故障引入含量fw和含水量x(質(zhì)量百分比)。其中，fw根據(jù)公式(2)推算：

fw=f-fbk，

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:k為正常情況下污染特征元素含量增長率，該參數(shù)可根據(jù)歷次監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得到；Δt為前后2次監(jiān)測時間間隔。

4 典型案例分析

4.1 某船柴油主機(jī)滑油冷卻器破損故障

在對某船柴油主機(jī)潤滑油定期監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)鈉、鎂元素含量分別為238.0 μg/g 和38.1 μg/g,，分別接近或超過報警界限值(鈉元素為240.4 μg/g，鎂元素為23.6 μg/g)，且比20 d前監(jiān)測結(jié)果有明顯增加(前次監(jiān)測鈉、鎂元素含量分別為118.0 μg/g和32.6 μg/g)，而潤滑油含水量卻未超標(biāo)(低于0.1%)。由于懷疑潤滑油可能混入少量海水，船員對潤滑系統(tǒng)和海水系統(tǒng)進(jìn)行檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)滑油冷卻器海水管路中流出的海水混有一小團(tuán)黑色疑似油漬，而后就再也未發(fā)現(xiàn)存在其它油跡現(xiàn)象。由于當(dāng)時潤滑油中含水量較少，采取了跟蹤觀察措施。2個月后該船再次取樣復(fù)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)潤滑油污染狀況急劇惡化：潤滑油水分含量達(dá)到3%，鈉元素含量達(dá)到786 μg/g，鎂元素含量達(dá)到94.0 μg/g。拆檢滑油冷卻器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)滑油冷卻器海水管路中流出大量的黑色油水混合物(參見圖3)，熱交換管束中存在一處明顯砂眼滲漏。

圖3 冷卻器海水管路流出黑色油水混合物

本案例最后一次監(jiān)測鈉、鎂元素含量分別增長了548.0 μg/g和55.9 μg/g，鈉、鎂元素的增量比值為9.8，略大于8.3。而根據(jù)理論推算，假設(shè)潤滑油中混入的海水量為3%，則鈉、鎂元素含量將分別增加327 μg/g和39.3 μg/g。鈉、鎂元素含量實際增量比理論增量大67%和42%，這說明潤滑油水分在使用過程中會存在明顯的蒸發(fā)現(xiàn)象。同時該案例也表明，對于潤滑油海水污染問題，由于水分蒸發(fā)因素，鈉、鎂等污染特征元素含量的增長比含水量增加更為敏感。

4.2 某船柴油副機(jī)缸套冷卻水滲漏故障

5 結(jié)束語

1)單純以鈉元素含量鑒別水污染問題有可能會造成誤判，鑒于不同水污染類型水中溶解物成分含量存在差別，應(yīng)將鈉、鎂、氯元素含量作為鑒別依據(jù)。

2)多數(shù)情況下通過分析鈉、鎂元素含量即可鑒別出不同污染類型，但該鑒別方法存在一定局限性，在一些特定情況下分析鎂元素含量并不能有效鑒別出污染類型，此時需要將檢測氯元素含量作為輔助分析手段。由于海水中氯離子含量遠(yuǎn)大于鎂離子含量，分析潤滑油中氯元素含量能獲得更為理想?yún)^(qū)分效果，應(yīng)積極發(fā)展?jié)櫥吐仍睾繖z測方法。

3)潤滑油在使用過程，其水分會存在明顯的蒸發(fā)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致污染物元素含量與含水量之間的比例會隨著水分蒸發(fā)而動態(tài)增加。由于該因素的存在，潤滑油發(fā)生水污染問題時，污染特征元素含量的異常變化比水分含量異常變化更為顯著。在實際分析中，需要并列考慮水分含量和污染特征元素含量，只要其中之一存在異常偏高現(xiàn)象，就可認(rèn)為潤滑油存在水污染問題。

4)根據(jù)某型機(jī)實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，潤滑油鈉、鎂等污染特征元素含量近似呈正態(tài)分布，可按照3σ原則建立異常界限值。如果污染特征元素含量超過異常界限值，可按照情況界限值的污染物特征元素種類鑒別污染類型。對于潤滑油含水量超標(biāo)而污染元素含量未超異常界限值情況，可通過含水量和污染特征元素故障引入含量的綜合推算來鑒別污染類型。

[1]楊其明，嚴(yán)新平，賀石中，等.油液監(jiān)測分析現(xiàn)場實用技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

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To identify water pollution kinds of lubricating oil for marine diesel engines,the characteristics of different kinds of water pollution are established，and then the problems of the traditional identifying process analyzed and the process amended.Further,the identifying numerical values of the different cases are discussed based on the theoretical calculation and the testing data.The above method is applied well in the actual cases,which proves reasonable of the process.

lubricating oil;water pollution;identification;diesel engine

吳善躍(1976-)，男，浙江慶元人，高級工程師，博士，主要從事船舶設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和振動噪聲控制研究工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.02.004

2016-11-07