船用潤滑油水污染檢測技術(shù)及控制研究

劉享明,孫貴芳,王廣志

(中國人民解放軍91315部隊，遼寧 大連 116041)

0 引言

船舶機械設(shè)備工作的外在環(huán)境就是水環(huán)境，所以船用潤滑油更易被水污染，水是船用潤滑油最主要的污染物之一。如果船用潤滑油在早期能夠及時發(fā)現(xiàn)被水污染，并采取相應(yīng)污染控制措施，就可以避免機械設(shè)備發(fā)生嚴重故障，甚至能夠避免一些不可挽回的事故，節(jié)約機械設(shè)備維修成本，因此，船用潤滑油水污染檢測及控制技術(shù)能夠確保船舶機械設(shè)備保持良好工作狀態(tài)。

1 潤滑油水污染對船上機械設(shè)備的影響

船上需用潤滑油的設(shè)備主要有動力系統(tǒng)設(shè)備(如柴油機、齒輪箱、軸系軸承)、液壓設(shè)備及空氣壓縮機，這些設(shè)備直接影響整個船舶工作狀態(tài)，尤其動力系統(tǒng)設(shè)備是船舶的核心設(shè)備，所以水對這些設(shè)備所用潤滑油的污染將影響這些設(shè)備的工作狀態(tài)，進而影響整條船的工作狀態(tài)。

(1)降低機械設(shè)備部件強度

有水的潤滑油之所以會降低船舶機械設(shè)備部件強度是因為水的參與會使機械設(shè)備部件發(fā)生銹蝕、腐蝕、氣蝕。

銹蝕：水、氧氣和金屬三者同時接觸，金屬表面就會銹蝕，這是金屬的固有特性，潤滑油中進入的水會與金屬表面發(fā)生氧化反應(yīng)，形成銹蝕斑塊。

腐蝕：金屬表面受周圍介質(zhì)的化學(xué)或電化學(xué)作用而被破壞稱為金屬的腐蝕[1]。潤滑油中的水會和油中本身存在的一些物質(zhì)(如硫和氯)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成有機或無機酸性物質(zhì)，大大增加了潤滑油中的酸含量，無機酸對任何金屬都有強烈的腐蝕作用，而少量的有機酸對金屬腐蝕作用不大，反而能夠增加潤滑油的油性以保持良好的邊界潤滑性能，但有機酸含量較大時，就會對一些金屬產(chǎn)生腐蝕，尤其船舶柴油機中銅、鉛等材質(zhì)的零部件(如軸承)對酸敏感性較高，極易受到酸的腐蝕。

氣蝕：對于船舶柴油機主機來說，其潤滑部位主要有氣缸、曲軸，當(dāng)柴油機運行過程中這些部位溫度較高，尤其是氣缸溫度，高達幾百度，進入油中的水會很快變成水蒸氣，水蒸氣氣泡在金屬表面爆裂導(dǎo)致氣蝕點； 水會減弱潤滑油的抗泡消泡能力，使得油液中的空氣氣泡無法釋放或消除，當(dāng)帶有氣泡的潤滑油(如液壓油、空壓機油)受到壓力而氣泡爆裂，會在金屬表面產(chǎn)生氣蝕。

機械設(shè)備部件上銹蝕、腐蝕或氣蝕部位應(yīng)力負荷承受強度就會降低，機械部件強度自然會降低。

(2)加速設(shè)備磨損

潤滑油中有了過量的水參與，后果是降低黏壓特性、降低潤滑性能、產(chǎn)生磨損顆粒，這些不良后果都會加速設(shè)備的磨損。

降低黏壓特性：當(dāng)潤滑油所受壓力增加時，分子間距減小而分子間作用力增大，其黏度隨之增高，從而對摩擦副進行保護，這就是潤滑油的黏壓特性[1]。水會降低潤滑油的黏壓特性，尤其是空壓機油和液壓油，這些設(shè)備對潤滑油會產(chǎn)生較大壓力，使得潤滑油黏度升高，但水的黏度隨壓力的變化很小，可以忽略不計，所以水的參入會降低潤滑油的黏壓特性，增加摩擦副的磨損[2]。

降低潤滑性能：過量的水長期存在于潤滑油中會使油液乳化，降低潤滑性能，甚至使?jié)櫥蜐櫥?，失去潤滑作用，機械設(shè)備磨損自然會加大。

產(chǎn)生磨損顆粒：水的銹蝕和腐蝕都會產(chǎn)生金屬顆粒，這些顆粒就是磨損顆粒，進一步大大增加了設(shè)備的磨損；水和油液中的添加劑發(fā)生反應(yīng)生成的沉淀物和膠質(zhì)等不溶物會造成濾網(wǎng)堵塞，增加磨損顆粒，加速設(shè)備磨損。

2 船用油水污染類型及來源

船舶機械設(shè)備有其特有的潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，船舶工作環(huán)境、潤滑和冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理及安裝位置決定了船舶潤滑油水污染主要有三種類型：海水污染、冷凝水污染、外部淡水污染。

船舶柴油機潤滑系統(tǒng)一般由曲軸箱潤滑、廢氣渦輪增壓器潤滑和曲軸箱油凈化等系統(tǒng)組成[3]，這些系統(tǒng)都設(shè)有循環(huán)油柜，用來儲存潤滑油，其潤滑過程簡要來說就是將加熱后有一定溫度的潤滑油(加熱潤滑油是為保持其黏度)通過油泵從油柜里抽出，經(jīng)過濾器進入一系列油路管道，最終到達被潤滑設(shè)備相應(yīng)部位，最后回流到油柜，周而復(fù)始地進行循環(huán)。這些油路管道有不同的閥門及密封點，同時整個潤滑系統(tǒng)一般還裝設(shè)通氣管、溢流管等，所以油路管道內(nèi)本身就不是真空，空氣、水蒸氣本身就充斥在管路中，若管路中部分閥門未擰緊或密封不好，加之船舶本身工作在濕潤的環(huán)境，外界水蒸氣將會大量進入管道內(nèi)，當(dāng)柴油機停機，潤滑停止后，潤滑油冷卻，油路管道冷卻，管道內(nèi)就會出現(xiàn)冷凝水[3-4]。另外柴油機缸套、缸蓋、缸墊燒蝕、曲軸箱密封及其他密封失效等也會使外界水蒸氣進入形成冷凝水。

柴油機的冷卻介質(zhì)有淡水、海水、潤滑油和柴油等四種，一般較常用的是淡水直接冷卻柴油機，海水再強制冷卻淡水。潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)雖各自獨立，但一般二者的管道是相鄰安裝的，且他們潤滑和冷卻的設(shè)備都是曲軸箱，一旦閥門未擰緊、水泵密封失效或其他管路密封不好甚至管道破裂，這些淡水或海水就會出現(xiàn)泄漏，極易直接污染潤滑管路、油柜或者漏入曲軸箱進而污染潤滑油，這就造成了外部淡水污染和海水污染[3]。

船舶空壓機、液壓系統(tǒng)的潤滑管路及冷卻管路相較柴油機要簡單，但同樣存在閥門泄漏、管道破裂、密封失效等情況，同樣會產(chǎn)生冷凝水污染、外部淡水污染和海水污染。

3 船用油水污染檢測技術(shù)

船用油水污染檢測的一個重要目的是通過油品的檢測實現(xiàn)機械設(shè)備早期故障的預(yù)測及故障診斷，所以船用油水污染的檢測應(yīng)分兩大步，第一步是檢測含水量多少，第二步鑒別水污染類型，為查清污染來源提供參考依據(jù)。

3.1 船用油水含量檢測技術(shù)

潤滑油中的水以游離、乳化、溶解三種形式存在。沒有溶入油中的水為游離水；進入油中的水與油經(jīng)過激烈的攪動混合形成W/O型乳化體，即水在油中以乳化形態(tài)存在；進入油中的水既沒有成為游離態(tài)，也沒與油形成乳化態(tài)，則水溶解于油中。針對這三種水存在形式的油液，可以采取不同的方法檢測水的含量，達到事半功倍的效果。

(1)目視法

對于游離水、乳化態(tài)水一般用肉眼就可以看出含水量大約是多少，所以目視法能夠快速地發(fā)現(xiàn)油液中是否存在水及其含量大概值。但目視法也存在局限，對于顏色較深、黏度較大的潤滑油，游離水、乳化態(tài)水目測就不一定能準確發(fā)現(xiàn)，所以色淺、黏度小的潤滑油適用于目視法[2]。實際工作中船舶液壓系統(tǒng)用油一般呈淺紅色，游離水、乳化態(tài)較明顯，適用目視法；但船舶動力系統(tǒng)用油、空壓機油一般呈黑色，采用目視法的效率和準確性就不是太高。

目視法實際操作方法及含量判定：采用透明取樣瓶取樣，取樣后靜置1～2 h以上，然后觀察樣液中是否有游離水或樣液已呈乳化態(tài)，如果出現(xiàn)游離水或已乳化，則表明油液含水量已在0.1%以上，這對于船用油，尤其是液壓油，一般來說是已處于可接受的上限，需要對機械設(shè)備或油采取措施了。

(2)熱板爆響法

對于有溶解水的油液或目視法難以明顯觀察到游離水或乳化態(tài)的油液(如船用柴油機油)，可以采用熱板爆響法，它是一種半定量的現(xiàn)場簡易檢測方法，適用于在船上現(xiàn)場快速檢測水是否存在及其含量，從而快速判斷潤滑油是否被水污染。

熱板爆響法原理是：潤滑油沸點高于水，將熱板溫度控制在水沸點之上，油沸點之下，當(dāng)油滴入熱板，油液中的水分迅速汽化形成氣泡，當(dāng)水分含量超過0.1%時，氣泡體積會急劇膨脹達1000倍以上，產(chǎn)生爆裂聲，而油中的空氣泡，加熱后其體積膨脹不超過兩倍，不產(chǎn)生爆裂聲。所以可以根據(jù)氣泡數(shù)量、大小及爆裂聲來判斷潤滑油中是否含水及含量多少。表1為熱板爆響法檢測水半定量判斷依據(jù)。表中油滴指鐵筷子粗的塑料棒插入油樣瓶后拿出自然下滴而形成的油滴。

表1 熱板爆響法水含量半定量判斷依據(jù)

(3)卡爾—費休滴定法

卡爾—費休滴定法能夠精確測量潤滑油中的含水量，是目前廣泛使用的水含量檢測方法，它分庫侖法和容量法，其檢測水分含量的原理是一樣的，都按照卡爾-費休化學(xué)反應(yīng)式：

當(dāng)有水存在時，卡氏試劑中的I2、SO2、甲醇與水生成甲基硫酸吡啶，I2和H2O以1∶1的比例進行化學(xué)反應(yīng)。

對于庫侖法，碘的來源是電解含I-的卡氏試劑獲得，即：

根據(jù)法拉第電解定律，所產(chǎn)生碘的數(shù)量與電荷量成正比，電解1 μg的水需要約10.72 mC電量，通過計算消耗電量就可以測量樣品水分含量，由于電解速度有限，產(chǎn)生碘的速度就有限，所以適用測量含水量較低的樣品，對于低含水量的樣品，庫侖法檢測速度快，平行性好，由于電量消耗與含水量有精確的固定比例關(guān)系，含水量檢測精度較高，一般適用于含水量<1000 μg/mg的樣品。

對于容量法，碘的來源是經(jīng)過標(biāo)定的含碘卡氏試劑，通過計量已消耗的卡氏試劑體積(容量)來測定加入的樣液中水分含量，由于I2的量可以人為控制，可大可小，適用于含水量高的樣品檢測，一般適用于含水量>1000 μg/mg的樣品。

對于船用油，一般來說超過1000 μg/mg接近于可接受含水量的上限，同時庫侖法檢測效率高，精度高，所以船用油水分測量較常用的是卡爾—費休庫侖法。

船用油水含量檢測技術(shù)除了目視法、熱板爆響法及卡爾—費休滴定法這三種較常用方法外，還有氫氧化鈣試劑法、蒸餾法、傅里葉紅外光譜法等。

3.2 船用油水污染類型檢測技術(shù)

目視法、熱板爆響法及卡爾—費休滴定法等方法能有效定性或定量地檢測出含水量多少，但不能鑒別是什么類型的水，特別是船用油，能夠有效檢測出污染水的類型對排查機械故障至關(guān)重要；另外，由于蒸發(fā)效應(yīng)，單純通過檢測含水量多少來檢測船用油是否水污染，不一定完全可靠，有時含水量不一定超標(biāo)，但油液中Na、Mg、Cl等特征元素超標(biāo)，油液中也可能進水了，所以一般還要檢測特征元素來進一步確定水污染的存在及類型。

(1)元素檢測技術(shù)

元素檢測技術(shù)主要有原子發(fā)射光譜技術(shù)、原子吸收光譜技術(shù)及X射線熒光光譜技術(shù)。

從操作方便性、安全性、經(jīng)濟性、日常維護、檢測效率等因素綜合考慮，原子發(fā)射光譜是當(dāng)前船用油檢測比較常用的技術(shù)。三種優(yōu)缺點[5]如表2所示。

表2 三種元素檢測技術(shù)優(yōu)缺點

(2)不同類型水污染船用油特征元素含量

船用油污染主要是海水污染、冷凝水污染、外部淡水污染三種類型，它們的特征元素含量[6]是不同的，見表3。

通過Na、Mg元素含量能夠有效判斷出水污染類型，操作簡單，只需要采用原子發(fā)射光譜儀就能檢測出，但對于含Mg元素添加劑的潤滑油，只通過Na、Mg元素檢測水污染類型就會影響判斷的準確性，這時就需要結(jié)合Cl元素含量來判斷，熒光能譜儀能夠有效檢測出Cl 元素含量。

表3 不同類型水污染船用油特征元素含量

4 船用油水污染的控制

對船用油水污染的控制就是努力消除一切能夠使得水進入潤滑油的因素，從而避免船用潤滑油發(fā)生水污染，可以從機械設(shè)備的安裝與日常維護、對潤滑油本身的處理兩方面采取措施，進行水污染控制。

(1)從機械設(shè)備的安裝與日常維護方面

可以采取如下措施：①采用封閉式油箱儲油，同時在油箱呼吸孔上安裝干燥器等干燥設(shè)施；②經(jīng)常檢查潤滑油系統(tǒng)管道是否有裂痕、各種閥門是否擰緊；③經(jīng)常檢查各密封裝置密封性能是否良好，尤其是主機的曲軸箱密封、軸系密封等部位；④定期檢查冷卻系統(tǒng)的管道、閥門是否有泄漏、密封裝置是否良好。

(2)從對潤滑油本身的處理方面

可以采取如下措施：①潤滑油從油庫運輸?shù)酱系倪^程中要防止裝油裝置的密封泄漏，盡量不要淋雨或濕度較大的時間運輸；②油在船上儲存過程中要保持環(huán)境處于干燥狀態(tài)、裝油桶密封良好；③加油時間不要與冷卻系統(tǒng)加水同時進行，最好二者間隔一段時間再操作；④及時從油箱底部排放油箱中沉積的游離水；⑤定期進行水檢測，及時發(fā)現(xiàn)水污染，避免大的損失。

5 結(jié)論

水污染是船用油的一種重要污染，它直接影響船上機械設(shè)備的工作狀態(tài)及運行成本，及時對船用油水分的檢測及對水污染進行控制能夠有效提高潤滑油的換油周期、延長機械設(shè)備壽命、節(jié)約成本。