船舶推進(jìn)系統(tǒng)潤滑油液體污染檢測技術(shù)研究

劉享明，趙凱，李洋，易少強(qiáng)，劉威，劉梓珺

(中國人民解放軍91315部隊(duì)，遼寧 大連 116041)

0 引言

推進(jìn)系統(tǒng)是船舶核心設(shè)備，由主動(dòng)力裝置和軸系設(shè)備組成。船舶主要采用柴油機(jī)作為主動(dòng)力裝置，簡稱主機(jī)。對于大型船舶來說，主機(jī)一般是八缸或十六缸大型柴油機(jī)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備維修成本高；軸系設(shè)備主要包括傳動(dòng)軸、軸承及軸系附件[1]。

對于船舶推進(jìn)系統(tǒng)來說，主機(jī)和軸系潤滑是維持設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)、降低故障率、延長使用壽命及減少維修成本的關(guān)鍵一環(huán)。而液體污染一直是影響船舶推進(jìn)系統(tǒng)在用潤滑油潤滑性能的重要污染，主要包括水污染、燃油污染及冷卻液(特指除水以外的冷卻液如潤滑油)污染，其中對推進(jìn)系統(tǒng)危害最大的是水污染和燃油污染。

船舶推進(jìn)系統(tǒng)水和燃油污染會(huì)導(dǎo)致潤滑油潤滑性能下降，加劇柴油機(jī)各部件磨損，縮短設(shè)備使用壽命，甚至出現(xiàn)較嚴(yán)重故障或事故，如柴油機(jī)潤滑油一旦混入大量燃油，在曲軸箱中會(huì)形成大量的油氣，極易引起爆炸，產(chǎn)生嚴(yán)重事故[2]；軸系中間軸承潤滑油如果進(jìn)水會(huì)使?jié)櫥Ч麥p弱，最終導(dǎo)致軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)干摩擦而溫度升高燒毀軸承甚至損壞軸承。

本文主要以長期從事船用潤滑油檢測經(jīng)驗(yàn)作為依據(jù)，對船舶推進(jìn)系統(tǒng)潤滑油液體污染檢測的方式方法及注意事項(xiàng)進(jìn)行總結(jié)。

1 船舶推進(jìn)系統(tǒng)潤滑油液體污染的來源

船舶冷卻系統(tǒng)[3-4]一般采用海水、淡水作為冷卻液，所以船舶推進(jìn)系統(tǒng)潤滑油液體污染的來源重點(diǎn)是水和燃油污染。

1.1 水污染來源

船舶推進(jìn)系統(tǒng)潤滑油水污染主要有淡水污染和海水污染，其中淡水污染主要是冷凝水污染和冷卻淡水污染[4-6]。

主機(jī)潤滑系統(tǒng)一般是一個(gè)閉合回路系統(tǒng)，潤滑油從儲(chǔ)油柜進(jìn)入各油路管道，到達(dá)潤滑部位，最后回流到儲(chǔ)油柜。這些油柜、管道內(nèi)并不是真空而是含有一定量水蒸氣，另外各油路管道存在閥門或接頭密封，船舶本身就存在于水環(huán)境中，船艙內(nèi)空氣極度潮濕，含有大量水蒸氣，如果閥門和密封出現(xiàn)泄露，外界的水蒸氣就會(huì)大量進(jìn)入管道內(nèi)，當(dāng)主機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，管道內(nèi)溫度下降，這些水蒸氣就會(huì)變成冷凝水而進(jìn)入潤滑油，造成冷凝水污染。

軸系中間軸承潤滑油污染主要就是冷凝水污染。

船用主機(jī)冷卻系統(tǒng)采用的冷卻劑主要是海水和淡水，一般采取海水冷卻淡水，淡水直接冷卻柴油機(jī)的方式進(jìn)行。船用主機(jī)冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)管道一般相鄰安裝，潤滑和冷卻的部位主要是曲軸箱，所以如果閥門關(guān)閉不嚴(yán)、各管路密封失效甚至有管道破裂滲漏，就會(huì)造成海水或冷卻淡水進(jìn)入潤滑系統(tǒng)而污染潤滑油。

1.2 燃油污染來源

依據(jù)柴油機(jī)燃油、潤滑油系統(tǒng)構(gòu)造及柴油機(jī)工作原理，燃油污染主要有四種來源：燃油噴油器問題、燃燒效率低、缸套或活塞密封不嚴(yán)及燃油系統(tǒng)泄露。

柴油機(jī)燃油噴射器一般采用噴油泵，當(dāng)噴油泵油路密封有問題時(shí)，燃油經(jīng)齒輪室直接泄露進(jìn)入潤滑油油路或潤滑油油底殼；當(dāng)噴油泵有關(guān)零部件(如彈簧鞍)出現(xiàn)故障導(dǎo)致燃油霧化質(zhì)量不佳時(shí)，燃油會(huì)呈滴狀進(jìn)入氣缸，沿氣缸流入潤滑油管路或潤滑油油底殼[1]。

柴油機(jī)燃油品質(zhì)、換氣質(zhì)量、霧化質(zhì)量、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷等因素直接影響燃油燃燒過程[3]，當(dāng)燃油在氣缸中燃燒效率低下，燃燒不充分時(shí)，殘留的燃油和燃燒形成的積炭、氧化產(chǎn)物、硝化產(chǎn)物、硫化產(chǎn)物就會(huì)沿氣缸壁進(jìn)入潤滑油油路。

氣缸套或活塞密封不嚴(yán)直接導(dǎo)致燃油及燃燒產(chǎn)物滲漏進(jìn)入潤滑油油路。

燃油系統(tǒng)中管道出現(xiàn)破裂、閥門關(guān)閉不嚴(yán)、密封處密封損壞都會(huì)導(dǎo)致燃油直接泄露進(jìn)入潤滑油系統(tǒng)。

2 船舶推進(jìn)系統(tǒng)潤滑油液體污染檢測技術(shù)

2.1 常用水污染檢測技術(shù)

當(dāng)前從工作方便性、檢測經(jīng)濟(jì)性來講，用得最多的船用潤滑油水分檢測相關(guān)的技術(shù)有三種[4-7]：爆裂法水分檢測技術(shù)[5]、卡爾-費(fèi)休庫侖法水分檢測技術(shù)[8-9]及原子發(fā)射光譜技術(shù)[8]。

爆裂法水分檢測技術(shù)也稱為熱板爆響法是對所采取的油樣進(jìn)行初步的含水量檢測，屬于半定量檢測方法，船舶潤滑油日常水分檢測用的最頻繁的方法，其操作步驟就是用一根塑料膠棒或一次性吸管從樣品中取油，向熱板滴入1～3滴，通過氣泡的大小、數(shù)量及爆裂聲來判斷含水量的多少，如表1[5]。表1中的判斷依據(jù)只是作為實(shí)際工作中的參考，實(shí)際水分含量判斷不一定完全與表中一致，有時(shí)依賴檢測人員的長期檢測而積累的工作經(jīng)驗(yàn)。

表1 爆裂法水分含量判斷參考依據(jù)

卡爾-費(fèi)休庫侖法水分檢測技術(shù)是精密水分檢測，是屬于定量檢測。作為船用潤滑油來說只有在利用爆裂法不能明確確定水分是否超標(biāo)的情況下，才使用該方法進(jìn)一步檢測，存在一定的檢測成本。

原子發(fā)射光譜技術(shù)主要用來檢測水污染的類型，是海水污染還是淡水污染，一般來講海水污染時(shí)，原子發(fā)射光譜技術(shù)檢測的油樣中Na、Mg元素含量都比較高。

2.2 船舶推進(jìn)系統(tǒng)潤滑油水污染檢測流程

實(shí)際工作中為了提高檢測效率和降低檢測成本，一般要合理選擇三種水分檢測技術(shù)，本文總結(jié)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，提出船舶推進(jìn)系統(tǒng)潤滑油水污染檢測流程，如圖1。

圖1 船舶推進(jìn)系統(tǒng)潤滑油水污染檢測流程

第一步：對油樣進(jìn)行爆裂法檢測，如果能夠準(zhǔn)確確定含水量超標(biāo)，則直接進(jìn)行原子發(fā)射光譜檢測，進(jìn)一步確定進(jìn)水類型。

第二步：爆裂法檢測含水量在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值附近，可能超標(biāo)也可能不超標(biāo)即難以準(zhǔn)確判斷是否超標(biāo)時(shí)，進(jìn)行卡爾-費(fèi)休庫侖法水分檢測，進(jìn)而判斷油樣超標(biāo)與否，如果超標(biāo)進(jìn)行原子發(fā)射光譜檢測，進(jìn)一步確定進(jìn)水類型。

在筆者的實(shí)際工作中，一次需要檢測的油樣數(shù)量較多，少則幾十個(gè)多則上百甚至幾百個(gè)，因此首先采用爆裂法進(jìn)行檢測就能夠判斷出大部分油樣進(jìn)水量超標(biāo)與否，難以判斷的油樣并不多，相比所有油樣直接采用卡爾-費(fèi)休庫侖法水分檢測，這樣就大大減少了工作量，節(jié)省檢測成本。

2.3 常用燃油污染檢測技術(shù)

燃油污染檢測當(dāng)前的方法主要是閃點(diǎn)法和紅外光譜法。

閃點(diǎn)法：潤滑油在規(guī)定條件下，加熱到所逸出的蒸氣與空氣所形成的混合氣與火焰接觸發(fā)生瞬間閃火時(shí)的最低溫度稱為閃點(diǎn)[10-11]。閃點(diǎn)測定方法可分為開口閃點(diǎn)測量和閉口閃點(diǎn)測量，通常在用潤滑油采用閉口閃點(diǎn)法，新油采用開口閃點(diǎn)法。閃點(diǎn)測量有一個(gè)原則就是在閃點(diǎn)溫度下只能是空氣和油蒸氣的混合氣體燃燒，而不能使油液燃燒起來[10]。

紅外光譜法：紅外光譜技術(shù)[12]是在物質(zhì)的分子級結(jié)構(gòu)上對物質(zhì)成分和數(shù)量進(jìn)行檢測[8]。不同物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)不同，對紅外光的吸收程度不同。當(dāng)一束連續(xù)紅外光照射試樣時(shí)，某些波長的紅外光就會(huì)被試樣吸收而減弱，將吸收度值(或透過率)與試樣分子基團(tuán)對應(yīng)的紅外波長或波數(shù)進(jìn)行對應(yīng)，并以波長或波數(shù)作為橫坐標(biāo)，以百分吸光度或透過率作為縱坐標(biāo)作成曲線就形成紅外光譜圖[8]。根據(jù)紅外光譜圖上特征吸收峰的位置、數(shù)目、相對強(qiáng)度和形狀等參數(shù)可推斷試樣中存在哪些分子基團(tuán)，進(jìn)而確定其分子結(jié)構(gòu)。同一物質(zhì)吸收峰強(qiáng)度隨其濃度不同而不同，一定條件下試樣濃度與特征吸收峰強(qiáng)度成線性關(guān)系，這樣就可對試樣中不同物質(zhì)含量進(jìn)行定量分析，對于被燃油污染的柴油機(jī)潤滑油，可以根據(jù)各分子基團(tuán)吸光度強(qiáng)度分析判斷出燃油污染來源。

2.4 船舶推進(jìn)系統(tǒng)潤滑油燃油污染來源檢測

閃點(diǎn)法主要是用來檢測燃油污染。紅外光譜主要對油樣中的煙炱[13]、氧化值、硝化值、硫化值及燃料稀釋值進(jìn)行測定[14]，這些值分別代表柴油機(jī)潤滑油中積炭、氧化產(chǎn)物、硝化產(chǎn)物、硫化產(chǎn)物含量及燃油稀釋水平。但紅外光譜法成本相對較高，操作也相對復(fù)雜一些。

可以根據(jù)油液檢測實(shí)驗(yàn)室實(shí)際所擁有的檢測設(shè)備及檢測需求進(jìn)行選擇，如果單純只是檢測是否燃油污染建議直接用閃點(diǎn)檢測性價(jià)比較高。如果想進(jìn)一步確定燃油污染來源可以采用紅外光譜法。

如前所述船舶柴油機(jī)燃油污染來源主要是燃油噴油器問題、燃燒效率低、缸套或活塞密封不嚴(yán)及燃油系統(tǒng)泄露。每一種來源在紅外光譜法中煙炱、氧化值、硝化值及硫化值含量是不一樣的，可以根據(jù)這些指標(biāo)含量的不同來判斷來源，如表2，是筆者在工作中總結(jié)的指標(biāo)含量值來判斷燃油污染來源，以供參考。

表2 不同燃油污染來源對應(yīng)紅外光譜指標(biāo)含量

2.5 船舶推進(jìn)系統(tǒng)潤滑油燃油污染檢測流程

對于需要查明主機(jī)燃油污染來源的情況，可采取先閃點(diǎn)檢測再紅外光譜檢測，流程如圖2。

圖2 船舶推進(jìn)系統(tǒng)潤滑油燃油污染檢測流程

第一步閃點(diǎn)檢測以確定是否有燃油混入；當(dāng)閃點(diǎn)沒有下降，表明油樣沒有受到燃油污染；當(dāng)閃點(diǎn)下降，則可以確定油樣受到了燃油污染。

第二步紅外光譜檢測，按照表2中的燃油來源與紅外光譜指標(biāo)含量的定性關(guān)系，以確定燃油污染來源。

對于待檢油樣數(shù)量較多的情況相較全部油樣直接采用紅外光譜法檢測，能夠有效節(jié)省檢測時(shí)間和檢測成本。

3 船舶推進(jìn)系統(tǒng)潤滑油液體污染檢測準(zhǔn)確性影響因素

船舶系統(tǒng)潤滑油液體污染檢測準(zhǔn)確性影響因素，有常規(guī)油液檢測的影響因素，也有船舶推進(jìn)系統(tǒng)特有的影響因素，主要有：

(1)不規(guī)范采樣的影響[15]。樣液應(yīng)該全面而真實(shí)地反應(yīng)設(shè)備潤滑油中的信息，但往往人為操作不規(guī)范導(dǎo)致所采樣品有缺陷。主要有如下問題：①樣品在采取、運(yùn)輸及存儲(chǔ)過程中有污染，如采完樣瓶蓋未擰緊而導(dǎo)致污染；②采樣瓶不干燥；③油箱取油不是中間部位取油。對于船舶潤滑系統(tǒng)來說，很多油液是從油箱里取， 應(yīng)是油箱液面下中間部位取油，但有時(shí)操作不規(guī)范取的是液面油。

(2)檢測設(shè)備操作不規(guī)范的影響。檢測設(shè)備不規(guī)范操作直接導(dǎo)致油液檢測結(jié)果出現(xiàn)偏差。實(shí)際工作中主要有如下幾方面不規(guī)范操作：①熱板爆響法中熱板加熱溫度不夠；②原子發(fā)射光譜儀校準(zhǔn)不及時(shí)或不按規(guī)定校準(zhǔn)；③原子發(fā)射光譜儀采用品質(zhì)較差的盤電極和棒電極；④在用油使用開口閃點(diǎn)儀，一般應(yīng)用閉口閃點(diǎn)檢測儀；⑤紅外光譜儀基準(zhǔn)設(shè)置不合理。

4 結(jié)論及問題

文中對船舶推進(jìn)系統(tǒng)潤滑油中水和燃油兩種液體污染來源進(jìn)行了分析，對這兩種液體污染的常用檢測技術(shù)進(jìn)行了介紹，針對船舶推進(jìn)系統(tǒng)潤滑油檢測的實(shí)際，提出了檢測這些污染的檢測流程，總結(jié)了檢測準(zhǔn)確性的影響因素，通過這些檢測流程能夠有效提高檢測效率和降低檢測成本。

值得提出的是，本文分析了船舶主機(jī)潤滑油的污染來源主要是燃油噴油器問題、燃燒效率低、缸套或活塞密封不嚴(yán)及燃油系統(tǒng)泄露，但實(shí)際中還可能存在其他的燃油泄漏情況，如冷啟動(dòng)頻率較高、柱塞出現(xiàn)磨損及長時(shí)間怠速運(yùn)轉(zhuǎn)等。

另外，本文中提出的水和燃油檢測流程是筆者根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際工作量、人力資源、現(xiàn)有檢測設(shè)備及成本控制要求等因素采取的相對合理的檢測流程以供參考。對于有些檢測實(shí)驗(yàn)室或單位如果檢測油樣數(shù)量不大，檢測設(shè)備較全，檢測效率或檢測成本要求不高的情況下，結(jié)合實(shí)際工作情況，完全可以采用其他檢測方式方法，如所有油樣都采用紅外光譜法檢測，用色譜分析、比重實(shí)驗(yàn)等檢測，也完全可以不用采用本流程。