大型船舶柴油機使用劣質(zhì)燃油的問題與對策

仇光偉，胡以懷，芮曉松，方云虎，張成

（1.上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海201306；2.中航鼎衡造船有限公司，江都225217）

0 引言

全球油價飆升影響到全球航運的經(jīng)營環(huán)境，給航運界帶來了不小的壓力。航運業(yè)燃油成本持續(xù)升高，船用燃油價格2018年較2017年同期高出50%。這些經(jīng)濟方面的因素迫使船東選擇低價的劣質(zhì)燃油，但近期頻繁發(fā)生因燃油質(zhì)量問題而引發(fā)的船舶事故。從2018年3月美國休斯頓發(fā)生劣質(zhì)油事件，到近期新加坡發(fā)現(xiàn)燃油質(zhì)量問題，劣質(zhì)燃油迅速在全球蔓延開來。包括中國香港、東南亞、美國、荷蘭等地區(qū)和國家的燃油被污染。燃油被污染（問題燃油）是指燃油被摻雜了一些其以往沒有的成分。問題燃油會導(dǎo)致船舶故障。截止2018年9月，據(jù)統(tǒng)計已有100多艘船受到影響[1]。

據(jù)全球第二大多用途船舶航運公司 （BBC Chartering）首席執(zhí)行官Svend Andersen透露，該公司旗下多艘船舶因遭遇問題燃油而致船舶故障，為此付出了大量的拖輪費用及清油費用，遭遇嚴重損失。據(jù)了解，從2018年春天以來，該公司旗下曾有5艘船舶在美國休斯敦港加注過燃油，之后船舶分別出現(xiàn)了不同程度的機損事故。美國知名的燃油檢測公司 （Veritas Petroleum Services，VPS） 確認超過30艘在休斯頓加注過受污染燃油的船舶都遇到了嚴重問題，如：柱塞偶件咬死，燃油泵損壞等。在美國遭遇問題燃油事件后，BBC Chartering旗下船舶還在新加坡遭遇了另外2起問題燃油所引起的事故[2]。

1 船用劣質(zhì)燃油的特點及影響

使用劣質(zhì)燃油雖然在經(jīng)濟層面上解決了不少難題，但也引出了新的問題。從柴油機的運行工況來看，劣質(zhì)燃油會大大增加柴油機的熱負荷與機械負荷，燃燒過程不好，造成煙氣增多、排氣溫度增高，甚至?xí)l(fā)氣缸結(jié)碳。原因在于劣質(zhì)燃油密度比較大、黏度比較高，成分比較復(fù)雜、著火性能比較差。因此，有必要對其成分及理化性能進行深入了解。

1.1 化學(xué)組成及來源

船用劣質(zhì)燃油也稱低質(zhì)燃油或殘渣油，其相對質(zhì)量密度可以高達0.98，主要來源于石油產(chǎn)品。此外，還有少量船用劣質(zhì)燃油從頁巖產(chǎn)品提煉而得，其組成元素主要是碳和氫，即為烴類混合物。船用劣質(zhì)燃油中存在不少的氮、氧、硫等元素，燃燒后會產(chǎn)生大量的氮氧化物、硫氧化物等，這些都是船舶造成污染的罪魁禍首。

船用劣質(zhì)燃油按其化學(xué)成分的微觀結(jié)構(gòu)，可分為脂肪烴、環(huán)烷烴和芳香烴三大類及相當數(shù)量的酚類化合物和脂。前三類是燃油的基礎(chǔ)，船用劣質(zhì)燃油以不易燃燒的環(huán)烷烴和芳香烴為主。

脂肪烴又可細分為烷烴、烯烴和炔烴，是一種飽和烴，熱穩(wěn)定性差，碳原子呈長鏈狀依次排列。柴油機燃油中烷烴含量越高，其著火性能越好。烯烴和炔烴的主要作用是改善燃油的抗爆性。環(huán)烷烴呈環(huán)狀，熱穩(wěn)定性好，較適宜做汽油機的燃料。芳香烴含有苯環(huán)，結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，其著火性能最差，含量過高時禁止用于船用燃油。針對近來頻發(fā)的劣質(zhì)油事故，VPS進行了更深入的化驗分析，找出了劣質(zhì)油中含有高濃度的酚類和脂，還在一些油樣中檢測出了高沸點的羧酸。坐落于瑞士日內(nèi)瓦的權(quán)威檢測機構(gòu)瑞士通用公證行 （SGS）指出，高沸點的羧酸物質(zhì)對柴油機危害極大。

在芳香族化合物中，若其苯環(huán)上的氫原子被羥基 （-OH）取代，形成的新的化合物就被稱為酚類化合物。酚類化合物具有微酸性，腐蝕性較強，其熔點比較高。如，對枯基苯酚 （C15H16O）熔點為74℃左右。柱塞偶件屬于精密偶件，配合精度要求很高，配合間隙一般控制在1.5～2.5 μm。由于對枯基苯酚熔點高并且缺乏良好的潤滑性能，其晶體進入柱塞偶件時會發(fā)生阻塞現(xiàn)象，引起燃油泵故障。酚類的來源主要有2種，一是頁巖油，二是酚焦油。在頁巖油中酚類化合物比較普遍，可達到1～8 g/L，因此酚類污染物有可能來源于頁巖油。使用異丙苯氧化法制備苯酚后剩下的部分混合物稱為苯酚焦油。苯酚焦油主要成分為α-甲基苯乙烯（含量最多）、對二甲苯、異丙苯、苯酚、苯乙酮等。據(jù)查證，其中酚類含量占據(jù)一半以上。

含酯污染物包括生物柴油和地溝油。其中生物柴油的主要成分是脂肪酸甲酯 （fatty acid methyl ester），由脂肪酸甲基化生成。其可以細分為含有碳-碳雙鍵的不飽和脂肪酸甲酯及碳鏈在12～18的飽和脂肪酸甲酯。作為生物柴油，它在性價比方面遠遠不如石化柴油，穩(wěn)定性差、不易保存、容易變質(zhì)，進而產(chǎn)生脂肪酸，影響了燃油的總堿值，造成柴油機的腐蝕，因此很少用于船舶燃油。

一些非法商家向燃油中加入地溝油以降低成本。這些地溝油通常是植物性油。地溝油在制備過程中要加入多種溶劑。這使得燃油的安定性大打折扣，易產(chǎn)生油泥、結(jié)塊，不利于清理燃油艙，還會造成駁運燃油困難、過濾器阻塞、油水分離器故障、機械部件損傷，燃燒不完全而產(chǎn)生黑煙等不安全因素并污染海洋環(huán)境。這種燃油水分過多，易引起供油中斷；其鈉、釩和硫的含量較高，會發(fā)生高溫腐蝕和低溫腐蝕。

在中國市場上，船用殘渣型燃料油的生產(chǎn)方式發(fā)生了巨大轉(zhuǎn)變。從以傳統(tǒng)的直餾、減壓蒸餾的渣油為基礎(chǔ)原料，結(jié)合生產(chǎn)線上重質(zhì)柴油餾分調(diào)制而成的較穩(wěn)定組分，演變成以油漿、頁巖油組分作為主要原料，使用、甚至出現(xiàn)大量使用溶劑油、煤焦油組分、乙烯焦油組分調(diào)制而成的船用殘渣型燃料油的現(xiàn)象[3]。

表1 近年來調(diào)制船用殘渣型燃料油的原料變化

1.2 劣質(zhì)燃油特性及對柴油機的影響

劣質(zhì)燃油具有十六烷值低、黏度高、密度高、殘?zhí)贾蹈摺r青質(zhì)高等特點，并且所含的水分、硫分、灰分和機械雜質(zhì)很多。

1.2.1 十六烷值

十六烷值用來衡量燃油的著火性能。其他條件相同時，十六烷值越高，著火性能越好、滯燃期越短、燃燒越平穩(wěn)。劣質(zhì)燃油十六烷值低，導(dǎo)致滯燃期長、著火延遲、燃燒過程非常不平穩(wěn)，嚴重者在柴油機低速運行或起動時著火困難。因此，對于船用重油，其十六烷值要求不能低于25。除了十六烷值，還可以使用芳香度指數(shù)ICCAI的值衡量著火質(zhì)量，二者存在對應(yīng)關(guān)系[4]。ICCAI為850左右時相當于十六烷值29～31，ICCAI為875左右時相當于十六烷值18～20。ICCAI可以通過測量計算后得到，ISO 8217-1996也推薦使用：

ICCAI= ρ-81-141lg[lg（v+0.85）]-483lg[T+273/323] （1）式中：ρ為燃油在15℃下的密度，kg/m3；v為燃油的運動黏度，mm2/s；T為燃油的溫度，K。

1.2.2 黏度

一般來說，燃油的餾分越重，黏度越高。劣質(zhì)燃油的黏度約在50～2 000 mm2/s。如此高的黏度造成燃油存儲、駁運、凈化和霧化方面的困難。

1.2.3 密度

劣質(zhì)燃油的密度為940～1 060 kg/m3。密度高不利于燃油的凈化和霧化，燃燒時易形成結(jié)碳。

1.2.4 殘?zhí)贾?/p>

劣質(zhì)燃油在不通空氣的條件下，加熱到全部蒸發(fā)后所留下的碳渣 （焦碳）的質(zhì)量百分數(shù)稱為殘?zhí)贾?。通過對殘?zhí)贾颠M行檢測，可以知道油中的膠質(zhì)物質(zhì)和不穩(wěn)定化合物的含量。劣質(zhì)燃油殘?zhí)贾荡?，說明其燃燒時形成碳渣的傾向大。大量的碳渣就是很大的熱阻，粘附在溫度高的柴油機工作部件表面，不利于散熱，造成活塞環(huán)卡死，噴油孔阻塞。

1.2.5 瀝青質(zhì)

瀝青質(zhì)是一種由多種復(fù)雜高分子碳氫化合物及其非金屬衍生物組成的復(fù)雜混合物，無特定的化學(xué)方程式可以表示。劣質(zhì)燃油中瀝青質(zhì)含量高，加熱到300～350℃會引起瀝青質(zhì)裂化，生成大量的油膠質(zhì)、碳青質(zhì)，進而發(fā)生聚沉。瀝青質(zhì)呈膠狀懸浮于油中，燃燒后會冒黑煙，不容易燃燒，其中還含有氮、硫、氧，以及釩、鎳等金屬元素。使用劣質(zhì)燃油會經(jīng)常出現(xiàn)噴油器噴孔堵塞、活塞環(huán)折斷、氣缸組件出現(xiàn)熱裂紋等機械故障[5]。原因在于瀝青質(zhì)燃燒時會形成堅硬的碳垢，其牢固程度與燃油的硫分含量成正比。

1.2.6 水分

劣質(zhì)燃油中存在較多的水分，使燃油熱值降低，導(dǎo)致柴油機著火困難。水分中通常還有溶解性的鹽類，它會使氣缸表面附著積碳，加劇氣缸的磨損。

1.2.7 機械雜質(zhì)

劣質(zhì)燃油中的機械雜質(zhì)較多，熔渣、沙粒和鐵屑的比重大。這些機械雜質(zhì)有的是在儲存過程中混入的，有的是隨各種添加劑混入的，無法燃燒利用。如果劣質(zhì)燃料中機械雜質(zhì)含量高，會堵塞噴嘴，使噴射質(zhì)量惡化，導(dǎo)致燃油燃燒效率降低，加大燃油消耗。

1.2.8 硫分

硫分是指硫元素在燃油中所占的相對體積質(zhì)量。劣質(zhì)燃油中的硫元素主要以H2S和硫醇的形式存在，且硫分大于2%，對噴油器、噴油泵、燃油管路和儲油罐產(chǎn)生一定程度的腐蝕。燃燒產(chǎn)物SO3和H2O會形成酸霧，當氣缸壁溫度低于其露點溫度時會形成硫酸，對氣缸形成腐蝕，即所謂的低溫腐蝕。

1.2.9 灰分

灰分是一類無機物 （主要為無機鹽和氧化物），是指在高溫下進行完全燃燒殘留下來的固體部分。劣質(zhì)燃油的灰分包括無機酸和有機酸的鹽類，它們?nèi)芙庠谌加椭?，還包括一些機械雜質(zhì)、金屬氧化物。由于灰分的大量存在，造成氣缸組件、活塞組件和氣缸蓋組件零部件的高溫腐蝕和磨料磨損。

由于劣質(zhì)燃油有上述特性，給船舶運行和管理帶來了困難。主要體現(xiàn)在以下5個方面，需要特別注意。

（1）燃油系統(tǒng)易出故障。由于劣質(zhì)燃油黏度高、密度大、流動性差、分裂困難，使得燃料噴射霧化不良，油滴貫穿距離 （即油滴的射程L）過長，進而導(dǎo)致燃燒不良并且容易產(chǎn)生積碳。積碳增多會導(dǎo)致熱阻變大，造成熱負荷上升。劣質(zhì)燃油中含有大量的瀝青質(zhì)、鈉、釩、硫、硅、殘?zhí)?，以及較多的水分、灰分等，這些物質(zhì)會加速柴油機的磨損，使得機械負荷顯著增高，引起噴油設(shè)備偶件（柱塞與套筒、出油閥、進油閥與回油閥、針閥與針閥套）過度磨損和卡滯、腐蝕嚴重，甚至出現(xiàn)噴孔磨損、堵塞、熱裂紋和內(nèi)外結(jié)碳[6]。

（2）燃燒性能惡化。劣質(zhì)燃油噴射霧化困難，并且由于十六烷值低，著火性能差，使得最高爆發(fā)壓力偏低。霧化不良還會使可燃混合氣形成的速度放慢、滯燃期變長、燃燒不完全，柴油機工作不平穩(wěn)，后燃期變長、排氣冒黑煙且排氣溫度升高。

（3）曲軸箱潤滑油易變質(zhì)。劣質(zhì)燃油的燃燒產(chǎn)物中包含大量的硫氧化物，凝結(jié)后形成硫酸，極易通過活塞漏入曲軸箱，使曲軸箱潤滑油迅速變質(zhì)。

（4）零部件易損壞。劣質(zhì)燃油本身就含有鋁、鐵、釩、鈉等金屬顆粒和硅顆粒，原油提煉后剩下的渣油中含有大量瀝青質(zhì)、機械雜質(zhì)，重油生產(chǎn)過程中還要加入一定量的催化劑和添加劑，這些因素直接導(dǎo)致劣質(zhì)油中有害成分的增多，使得摩擦副零件之間發(fā)生顆粒磨損。較高含量的硫、鈉、釩使得氣缸套、排氣閥及閥座、軸承、渦輪增壓器等零部件產(chǎn)生高溫腐蝕和低溫腐蝕，加速了零件的腐蝕磨損。

（5）供油困難。劣質(zhì)燃油密度接近甚至超過水的密度，而油水分離器分離的燃油密度最大只能達到991 kg/m3，這給油水分離器造成了困難。另外，油料黏度過大，在管路中凝結(jié)，導(dǎo)致輸油泵吸不進油，進而導(dǎo)致進油和出油過程中斷。

2 使用劣質(zhì)燃油的對策

2.1 劣質(zhì)燃油的管理

輪機人員要對燃油的性能參數(shù)進行系統(tǒng)的認識，要加強對劣質(zhì)燃油質(zhì)量的檢查，特別要嚴禁不同類型的燃油混艙?？紤]到經(jīng)濟性因素，正常航行時使用重油；當船舶機動操作，預(yù)計停機時間較長或拆檢燃油系統(tǒng)管路前，則更換成輕柴油，并把燃料系統(tǒng)管路中的劣質(zhì)燃油沖凈。換油時要盡量避免油溫突變，以防因黏度變化導(dǎo)致噴油泵柱塞卡死。

2.2 調(diào)整噴油設(shè)備

噴油提前角直接影響柴油機的經(jīng)濟性、最高爆發(fā)壓力、平均壓力增長率和排氣溫度。若噴油提前角過大，由于氣缸內(nèi)溫度和壓力還比較低，會導(dǎo)致燃燒滯后，使得平均壓力增長率變大、工作粗暴、柴油機起動困難；若提前角過小，導(dǎo)致噴油延遲，若此時活塞下行，氣缸內(nèi)溫度和壓力下降，也會使滯燃期延長、燃燒滯后、后燃嚴重、排氣溫度上升，熱效率下降。每一類型柴油機都有與之對應(yīng)的最佳噴油提前角。

當使用劣質(zhì)燃油時，應(yīng)適當加大噴油提前角，以維持所需的燃燒壓力[7]。船員應(yīng)定期進行測量并調(diào)整，保證噴油提前角處于最佳位置。

2.3 調(diào)節(jié)冷卻水溫度

應(yīng)維持柴油機各系統(tǒng)內(nèi)部位的溫度處于正常范圍內(nèi)，避免由于溫度過高引起的高溫腐蝕以及溫度過低引起的低溫腐蝕。由于劣質(zhì)燃油的硫分過高，特別容易引起低溫腐蝕，因此在柴油機低負荷工作時，視情況酌情提高進氣溫度和氣缸冷卻水溫度，使得氣缸壁溫度高于燃氣的露點，減少因形成硫酸而造成的腐蝕。

2.4 潤滑油

使用堿性適宜的柴油機氣缸潤滑油，以中和劣質(zhì)燃油燃燒生成的硫酸[8]，而且氣缸潤滑油的總堿值 （TBN）應(yīng)與劣質(zhì)燃油的硫分相適應(yīng)，以充分中和劣質(zhì)燃油燃燒后產(chǎn)生的硫酸。否則不能被中和的硫酸會加劇缸套上部的腐蝕磨損，腐蝕磨損產(chǎn)物脫落到氣缸中間部位還會發(fā)生二次磨粒磨損。氣缸潤滑油加注率 （加注速度，即單位時間內(nèi)注入單位功率所需的氣缸油質(zhì)量）需要根據(jù)活塞與氣缸之間的摩擦情況進行調(diào)節(jié)。當活塞與氣缸摩擦過大發(fā)出異常聲音時，需要提高注油率。注油率過小會使得油膜不完整，活塞環(huán)與缸套過量磨損，嚴重時會引起拉缸或咬缸；注油率過大，不僅浪費氣缸油，還會使多余的氣缸油結(jié)焦而變成油漆狀的物體附著在活塞環(huán)槽內(nèi)，進而產(chǎn)生沉積物。因此，最佳氣缸潤滑油注油率決定了缸套的最小磨損和最佳經(jīng)濟效益。

加注燃油時須留意燃油的硫分，以便更換氣缸油時，選擇相適宜的潤滑油。更換新的氣缸油須待柴油機內(nèi)的用完[9]。

2.5 換氣和增壓系統(tǒng)的管理

高溫腐蝕主要集中發(fā)生在排氣閥及閥座位置，因此對柴油機排氣閥閥殼進行冷卻很有必要，可以有效減輕鈉、釩引起的高溫腐蝕。即便有些柴油機使用氣閥旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，也需要對氣閥進行冷卻，以進一步減少高溫腐蝕。氣閥旋轉(zhuǎn)機構(gòu)作用如下。

（1）氣閥在開啟和關(guān)閉的過程中，氣閥旋轉(zhuǎn)機構(gòu)緩慢轉(zhuǎn)動，可以有效減少閥座與氣閥之間因?qū)岵涣级纬傻姆e碳，減少磨損，使貼合更加緊密，還有利于散熱，減小高溫腐蝕與燒蝕磨損。

（2）使氣閥閥盤受熱和散熱均勻，改善其熱應(yīng)力狀態(tài)，減小閥盤由于溫差過大而引起的彎曲變形，進而防止漏氣現(xiàn)象。

（3）改善閥桿與導(dǎo)管之間的潤滑，消除兩者之間的積碳，減少閥桿漏氣與卡阻。

使用劣質(zhì)燃油還會引起廢氣渦輪增壓器渦輪的工作葉輪、噴嘴環(huán)和壓氣機葉輪處堵塞、結(jié)碳、燒損和腐蝕，中冷器、掃氣箱和掃氣口發(fā)生污染，因此輪機員應(yīng)定時檢查上述部位并進行清洗。

2.6 檢測曲軸箱潤滑油質(zhì)量

現(xiàn)在的大型船舶在氣缸底部與曲軸箱之間都設(shè)有橫隔板，防止劣質(zhì)燃油燃燒后產(chǎn)生的有害物質(zhì)落入曲軸箱中，進而污染潤滑油，導(dǎo)致其變質(zhì)。輪機員必須定時檢查曲軸箱潤滑油的質(zhì)量，必要時更換潤滑油，確保柴油機的良好潤滑。

2.7 改善部件結(jié)構(gòu)，提高摩擦表面的性能

氣缸套、活塞環(huán)、活塞環(huán)槽等部位由于工作環(huán)境較惡劣，極易產(chǎn)生磨損現(xiàn)象，尤其是第1道活塞環(huán)。因此，可以采用氮化、鍍鉻等工藝提高其表面的硬度，改善其耐磨性。

中、低速時，噴油器頭部容易因溫度過高而使燃油熱裂進而造成噴孔周圍結(jié)碳。因此，可以對頭部結(jié)構(gòu)進行改善，并進行冷卻。冷卻介質(zhì)為柴油或淡水。一般情況下，首先采用柴油對噴油器進行冷卻，再由淡水對柴油進行冷卻。若燃用劣質(zhì)燃油，大多直接使用淡水，以加強冷卻效果。

3 結(jié)論

按照 “限硫令”線路圖，全球船用燃料0.5%的硫排放上限將于2020年1月1日強制生效。為了降低燃油中的硫含量，一些不法商家使用多種添加劑。濫用添加劑是劣質(zhì)燃油的主要來源之一，而劣質(zhì)燃油是造成各種事故的主要原因。本文對劣質(zhì)燃油目前已檢測出的成分進行了簡單分析，針對不同的問題提出了相應(yīng)的對策。目前工作的重點還是應(yīng)加強劣質(zhì)燃油管理，船員從燃油儲存、輸送、凈化、使用等各個環(huán)節(jié)進行正確的操作至關(guān)重要。

只有檢測出更多的劣質(zhì)燃油的化學(xué)成分，才能對癥下藥。因此制定一種合理的劣質(zhì)燃油的檢測標準非常有必要，可以指導(dǎo)船東如何選擇燃油，這是解決問題的根本，也是下一步研究工作的重點。