中國(guó)石化長(zhǎng)城船用中速機(jī)油4012 在MAN四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究

占志恒 楊慧青 鄭金花

中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司上海研究院

船舶在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用極其廣泛，小到高速快艇，大到十幾萬(wàn)噸的貨船，均與國(guó)民經(jīng)濟(jì)密切相關(guān)。船用發(fā)動(dòng)機(jī)是船舶的心臟，為船舶提供動(dòng)力的同時(shí)，也是船舶設(shè)備用電的主要來(lái)源。根據(jù)船用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同，分為高速機(jī)、中速機(jī)、低速機(jī)，其中船用中速發(fā)動(dòng)機(jī)具有功率高、啟動(dòng)快、體積相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大型遠(yuǎn)洋船舶的發(fā)電機(jī)、中小型船舶的主機(jī)等。目前船用中速機(jī)主要來(lái)自芬蘭Wartsila公 司 和MAN Energy Solutions 公司，這兩家原始設(shè)備制造商（OEM）占據(jù)了約70%的市場(chǎng)份額[1]，其中 Wartsila 市場(chǎng)份額最高，約占46%，但在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，由于MAN四沖程中速機(jī)具有較好的性?xún)r(jià)比，深受?chē)?guó)內(nèi)船東青睞。

在燃料油方面，隨著全球范圍內(nèi)環(huán)保法規(guī)的發(fā)展，對(duì)船舶使用的燃料油硫含量限制日益嚴(yán)苛，無(wú)論是硫排放控制區(qū)（SECA）范圍，還是對(duì)船用燃料油硫含量的要求都在不斷提高[2]。根據(jù)MARPOL 附則Ⅵ排放法規(guī)要求，從2020 年1 月1 日起，全球范圍內(nèi)實(shí)施0.5% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硫含量限制，要求在SECA 以外航行的所有船舶使用硫含量不高于0.5% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))的燃油或者必須安裝脫硫裝置；中國(guó)從2020年1 月1 日起，中國(guó)海域要使用硫含量≤0.5% ( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 的燃油，海船進(jìn)入內(nèi)河使用硫含量≤0.1% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))的燃油[3，4]。隨著燃料油硫含量的降低，對(duì)低堿值船用四沖程中速機(jī)油的需求也將日益增加。同時(shí)隨著四沖程中速機(jī)朝高壓、大功率、低滑油消耗率方向發(fā)展，對(duì)中速機(jī)油的清凈性、油泥分散性、抗磨性和抗氧性均提出了更高的要求[5]。

船用四沖程中速機(jī)具有功率高、啟動(dòng)快、體積相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大型遠(yuǎn)洋船舶的發(fā)電機(jī)、中小型船舶的主機(jī)等；隨著全球范圍內(nèi)環(huán)保法規(guī)的發(fā)展，對(duì)船舶使用的燃料油硫含量限制也日益嚴(yán)苛。為驗(yàn)證長(zhǎng)城船用中速機(jī)油4012 在船用燃油低硫化下的性能表現(xiàn)，本文開(kāi)展了長(zhǎng)城船用中速機(jī)油4012在MAN四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)[使用燃油為MGO 船用輕柴油，硫含量小于0.05%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）]上的應(yīng)用研究，通過(guò)在用油監(jiān)控、拆機(jī)檢查，長(zhǎng)城中速機(jī)油4012 表現(xiàn)出了優(yōu)異的清凈性、抗磨性、堿值保持性等綜合性能，可以滿(mǎn)足MAN 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。

船用中速機(jī)油工作條件比較苛刻，且長(zhǎng)期循環(huán)工作，既要承擔(dān)船用氣缸油的作用，與高溫燃?xì)饨佑|，潤(rùn)滑缸套-活塞環(huán)，又要承擔(dān)船用系統(tǒng)油的作用，潤(rùn)滑曲軸軸承、凸輪-挺桿等摩擦部位，冷卻活塞。由于船用中速機(jī)油潤(rùn)滑部位眾多，因此受污染的范圍和途徑廣泛，其主要固體污染物包括燃燒產(chǎn)物、運(yùn)動(dòng)部件磨損產(chǎn)物、潤(rùn)滑油氧化產(chǎn)生的大分子物質(zhì)及外界空氣帶入的粉塵、沙粒等；液體污染物包括冷卻水、冷凝水、海水、淡水及機(jī)艙污水及未完全燃燒的燃料油。所以定期檢測(cè)在用油質(zhì)量是常用的有效手段之一，也可以間接反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[6]。

中國(guó)石化長(zhǎng)城船用中速機(jī)油4012（簡(jiǎn)稱(chēng)：長(zhǎng)城船用中速機(jī)油4012）適用于以柴油為燃料的四沖程中速柴油機(jī)或LNG/柴油雙燃料四沖程中速柴油機(jī)潤(rùn)滑；具有突出的抗磨損性能、清凈分散性能、防銹和抗腐蝕性能，能有效減少金屬機(jī)件的磨損、保持發(fā)動(dòng)機(jī)部件清潔等，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起到潤(rùn)滑保護(hù)作用。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證長(zhǎng)城船用中速機(jī)油4012 在發(fā)動(dòng)機(jī)上的性能表現(xiàn)，開(kāi)展了該油品在MAN 四沖程中速機(jī)上的應(yīng)用研究，通過(guò)6 000 h 應(yīng)用研究的發(fā)動(dòng)機(jī)檢查和在用油監(jiān)控，考察油品的綜合性能。

試驗(yàn)部分

試驗(yàn)概況

長(zhǎng)城中速機(jī)油4012 的應(yīng)用研究在MAN L21/31 發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行，使用的燃油為餾分油，應(yīng)用研究為6 000 h，通過(guò)對(duì)在用油的監(jiān)控，初、末次發(fā)動(dòng)機(jī)吊缸檢查，以驗(yàn)證油品綜合性能。試驗(yàn)期間，定期檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況，定期取油樣進(jìn)行理化分析測(cè)試；在測(cè)試開(kāi)始以及試驗(yàn)結(jié)束后，檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件，重點(diǎn)評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的磨損以及沉積物生成情況。

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為6 缸的MAN L21/31 中速機(jī)，應(yīng)用研究過(guò)程中載荷維持在75%。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 MAN L21/31試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

試驗(yàn)燃料油

試驗(yàn)期間使用 MGO（Marine Gas Oil，船用輕柴油)作為燃料，硫含量小于0.05%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。其典型參數(shù)見(jiàn)表2。

從表2 分析結(jié)果可見(jiàn)，在應(yīng)用研究過(guò)程中，各批次燃油質(zhì)量保持穩(wěn)定，關(guān)鍵指標(biāo)符合ISO 8217 中對(duì)餾分油的指標(biāo)要求。

試驗(yàn)用中速機(jī)油

長(zhǎng)城船用中速機(jī)油4012 典型數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 長(zhǎng)城中速機(jī)油4012典型數(shù)據(jù)

取樣檢測(cè)

在行船試驗(yàn)期間，對(duì)試驗(yàn)潤(rùn)滑油進(jìn)行取樣分析。在試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，每隔500 h 取樣一次。對(duì)采集的在用油樣的運(yùn)動(dòng)黏度、總堿值、磨損金屬元素（Fe、Cu）、污染元素（Si）等項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)。

在用油評(píng)價(jià)依據(jù)

本次應(yīng)用研究參考了MAN 公司船用中速機(jī)油在用油極限值，作為在用油性能的評(píng)價(jià)依據(jù)，見(jiàn)表4。

表4 MAN公司船用中速機(jī)油在用油極限值

MAN 公司對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)如運(yùn)動(dòng)黏度（40 ℃）、水含量、堿值、戊烷不溶物、鐵、銅元素進(jìn)行了極限值限制，中速機(jī)油在使用過(guò)程中在用油的各項(xiàng)指標(biāo)均要求在極限值以?xún)?nèi)。

試驗(yàn)結(jié)果及討論

在用油監(jiān)控

堿值變化

堿值的大小反映了油品中和酸性物質(zhì)的能力，中速機(jī)油在使用過(guò)程中需要中和燃料中硫元素燃燒產(chǎn)生的酸性物質(zhì)，避免對(duì)設(shè)備帶來(lái)腐蝕，為此需要對(duì)在用油的堿值進(jìn)行監(jiān)控。試驗(yàn)油品在試驗(yàn)過(guò)程中的堿值變化如圖1 所示。

從圖1 可以看出，在應(yīng)用研究過(guò)程中，試驗(yàn)油品堿值均在正常范圍以?xún)?nèi)，說(shuō)明油品具有良好的堿值保持性。

圖1 試驗(yàn)油品的堿值變化

黏度變化

黏度在一定程度上反映了油品在使用過(guò)程中的老化程度，即油品在使用過(guò)程中不可避免地與空氣中的氧氣發(fā)生氧化，生成氧化產(chǎn)物，在宏觀(guān)上出現(xiàn)黏度增高的現(xiàn)象，當(dāng)黏度增長(zhǎng)過(guò)高時(shí)，會(huì)對(duì)設(shè)備潤(rùn)滑帶來(lái)不利影響；另外當(dāng)餾分油混入中速機(jī)油中，試驗(yàn)油的黏度將出現(xiàn)下降，從而導(dǎo)致機(jī)油黏度過(guò)低，產(chǎn)生的油膜強(qiáng)度不夠，無(wú)法滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑要求的情況。試驗(yàn)油品在試驗(yàn)過(guò)程中的黏度變化如圖2 所示。

從圖2 可以看出，在應(yīng)用研究過(guò)程中，試驗(yàn)油品40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度均在正常范圍以?xún)?nèi)，說(shuō)明油品具有良好的黏度控制能力。

圖2 試驗(yàn)油品的40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化

戊烷不溶物和水分變化

在用油的戊烷不溶物和水分監(jiān)控反映了發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的密封性，同時(shí)戊烷不溶物多少也是抗氧化性能的重要體現(xiàn)，因?yàn)橛推吩诟邷剡\(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)中使用時(shí)，不可避免地會(huì)發(fā)生氧化作用，黏稠的氧化產(chǎn)物溶于油中，會(huì)導(dǎo)致其戊烷不溶物含量增加。試驗(yàn)油品在試驗(yàn)過(guò)程中的戊烷不溶物和水分變化如圖3 所示。

從圖3 可以看出，在應(yīng)用研究過(guò)程中，試驗(yàn)油品的戊烷不溶物和水分均處于較低水平，遠(yuǎn)低于MAN要求的戊烷不溶物和水分的警示線(xiàn)，由此說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒良好，沒(méi)有雜質(zhì)進(jìn)入，同時(shí)戊烷不溶物少，說(shuō)明油品形成的油泥較少，油品的抗氧化性能好。水分含量較低，說(shuō)明氣缸密封性良好，沒(méi)有出現(xiàn)水分的進(jìn)入。

圖3 試驗(yàn)油品的戊烷不溶物和水分變化

元素變化及其他

銅、鐵元素是重要的磨損元素，通過(guò)對(duì)銅、鐵元素的監(jiān)控可以反映出發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損情況。從磨損元素監(jiān)控來(lái)看，在應(yīng)用研究過(guò)程中，試驗(yàn)油品的銅含量、鐵含量均維持在5 mg/kg 以下，說(shuō)明潤(rùn)滑油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的保護(hù)良好，沒(méi)有出現(xiàn)磨損異常的情況；此外，閃點(diǎn)也均在正常范圍。

綜上所述，從應(yīng)用研究在用油監(jiān)控結(jié)果來(lái)看，長(zhǎng)城低堿值中速機(jī)油4012 具有良好的堿值保持性、黏度控制能力、抗氧化性能以及抗磨損性能，能夠?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)提高足夠的潤(rùn)滑保護(hù)。

吊缸檢查

在應(yīng)用研究過(guò)程中，分別在試驗(yàn)開(kāi)始、試驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行吊缸檢查。末次吊缸檢查的照片見(jiàn)表5。

從表5 可見(jiàn)，主軸瓦、燃燒室、曲柄銷(xiāo)等關(guān)鍵部位均保持良好，活塞環(huán)潔凈，說(shuō)明油品具有良好的清凈性和抗磨損性能，經(jīng)數(shù)千小時(shí)的應(yīng)用研究，長(zhǎng)城低堿值中速機(jī)油4012 對(duì)應(yīng)用研究的發(fā)動(dòng)機(jī)起到了良好的潤(rùn)滑保護(hù)作用。

表5 末次吊缸照片

通過(guò)在用油監(jiān)控和發(fā)動(dòng)機(jī)吊缸檢查，長(zhǎng)城中速機(jī)油4012 表現(xiàn)出了優(yōu)異的清凈性、抗磨性、堿值保持性等綜合性能，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起到了優(yōu)異的潤(rùn)滑保護(hù)作用。

結(jié)論

長(zhǎng)城中速機(jī)油4012 在MAN 發(fā)動(dòng)機(jī)的6 000 h 應(yīng)用研究表明，該油品具有良好的使用性能，可防止發(fā)動(dòng)機(jī)部件磨損，保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。從在用油跟蹤和發(fā)動(dòng)機(jī)拆機(jī)檢查果來(lái)看，長(zhǎng)城中速機(jī)油4012 表現(xiàn)出了優(yōu)異的清凈性、抗磨性、堿值保持性等綜合性能。