韓存中國石化潤滑油有限公司上海研究院
IMO 2020“限硫令”海事法規(guī)頒布實施以來,船舶陸續(xù)切換使用低硫燃油,二沖程主機隨之出現(xiàn)了不同類型的問題及故障,例如,沉積物及積碳嚴重、缸套磨損、活塞環(huán)斷環(huán)等。本文分析了使用低硫燃油的二沖程船舶低速機常見問題及故障的產(chǎn)生原因,并提出了相應(yīng)的預防建議和解決措施。
低硫燃油,即硫含量≤0.5%(質(zhì)量分數(shù))的低硫船用燃料油。根據(jù)國際海事組織頒布的IMO2020 排放法規(guī)規(guī)定:自2020 年1 月1 日起,若船舶未安裝脫硫塔,則船舶在硫排放控制區(qū)以外航行時,必須使用硫含量≤0.5%(質(zhì)量分數(shù))的低硫船用燃料油[1]。
據(jù)市場反饋,目前低硫燃油在使用中主要存在以下六類問題:
◇燃油的黏度變化范圍大。GB 17411—2015《船用燃料油》僅對低硫殘渣油的黏度上限做了限定,未對下限做出限定,各家煉油廠商生產(chǎn)的燃油黏度變化范圍較大。所以,在使用不同批次的燃油時,要注意燃油的加熱溫度不同。否則,將造成發(fā)動機的高壓油泵漏泄,噴油嘴堵塞、高壓油泵磨損或咬死,引發(fā)進機壓力降低、甚至斷油風險,影響發(fā)動機的使用性能,嚴重時,會出現(xiàn)停車故障[2]。
◇不兼容性問題。不同煉油廠商,使用的加工原料不同,加入催化劑種類不同,混合后可能產(chǎn)生劇烈的化學反應(yīng),加速燃油中的瀝青質(zhì)脫落沉淀,形成油泥,析出[3,4]。這些析出的油泥,同樣也會最終造成發(fā)動機磨損故障。
◇穩(wěn)定性差問題。燃油的穩(wěn)定性與瀝青質(zhì)特性有關(guān)。燃油中的芳香烴組分可使瀝青質(zhì)保持穩(wěn)定形態(tài),而石蠟組分會使瀝青質(zhì)聚合成油泥[5]。因此,當?shù)土蛉加椭械南灪科邥r,就會降低燃油穩(wěn)定性[2]。隨著燃油加熱溫度的升高,油泥加速析出。進而造成燃油燃燒效果不好[5]。
◇催化劑顆粒影響。低硫燃油在煉制過程采用了催化裂化技術(shù),原油煉制加入含有硅和鋁元素的催化劑,如果進入燃油系統(tǒng)會加速高壓油泵柱塞、出油閥卡阻、噴油器針閥偶件磨損;如果進入燃燒室,會沉積在活塞頭和活塞環(huán)處,導致缸套、活塞環(huán)、活塞環(huán)槽內(nèi)產(chǎn)生磨料磨損,引起活塞環(huán)卡阻、失去彈性導致活塞環(huán)斷裂[6]。
◇燃燒性能問題。由于燃油組分和配方差異性很大,可能會出現(xiàn)密度、黏度以及CCAI(碳芳香烴指數(shù))數(shù)值比較接近的不同燃油,燃燒特性差異卻很大的情況。這就有可能導致部分燃油在氣缸內(nèi)燃燒出現(xiàn)“早燃”或 “滯燃”現(xiàn)象,破壞潤滑油膜,進而造成缸套、活塞環(huán)磨損等故障。
◇低溫流動性問題。燃油的低溫流動性影響燃油系統(tǒng)供油情況。低溫下燃油中的蠟易析出結(jié)晶,堵塞燃油管路、燃油濾器、噴油嘴等,若蠟附著在加熱盤管表面還會影響燃油的加油泵出,出現(xiàn)斷油現(xiàn)象,造成發(fā)動機故障[4]。
隨著越來越多的二沖程船舶低速機切換使用低硫燃油,各類型問題、故障頻頻出現(xiàn),如缸套磨損、活塞環(huán)斷環(huán)、沉積物過多等。究其原因,與低硫燃油的使用有著直接或者間接的關(guān)系。因此,本文就收集到的常見問題及故障進行原因分析,并提出預防性建議和解決措施。
在對二沖程船舶發(fā)動機開展掃氣箱檢查的過程中發(fā)現(xiàn),活塞頂部出現(xiàn)了大量的白色沉積物(圖1),并且越積越多。隨著時間的推移,這些沉積物會隨著活塞的上下往復運動,掉落到活塞和缸套之間,破壞潤滑油形成的油膜,引起缸套、活塞的磨損。
圖1 活塞頂部白色沉積物
在發(fā)動機氣缸內(nèi)部,出現(xiàn)的白色沉積物類似于石灰,這些物質(zhì)主要是鈣的化合物。產(chǎn)生白色沉積物的原因主要有兩方面:
◇氣缸油堿值過剩,導致活塞頂部沉積大量白色沉積物。氣缸油配方研制過程中,會加入含鈣的堿性添加劑提高其清凈性能。氣缸油起到酸堿中和的作用,正常情況下,不會出現(xiàn)白色沉積物,但若堿值過剩時就會出現(xiàn)白色沉積物。堿值過剩的原因有很多,例如氣缸油的選用錯誤,會導致堿值過剩。船舶主機活塞表面清潔度不高時,輪機人員主要是通過調(diào)高注油率的形式,將活塞表面的物質(zhì)清理掉。若此時調(diào)節(jié)方式不當,調(diào)節(jié)幅度過大,極易出現(xiàn)“低硫高堿”(即燃油的硫含量低、氣缸油堿值過剩),酸堿不匹配,就會在活塞頂部形成白色沉積物。
◇低硫燃油中含有廢棄潤滑油。低硫燃油在煉制的過程中,有些煉油廠商會將廢棄的潤滑油加入其中,此時燃油指標中鈣的含量會超標,燃油在氣缸內(nèi)燃燒后,就會生成白色沉積物出現(xiàn)在活塞頂部。
船舶在切換使用低硫燃油后,關(guān)于氣缸油的選用,可參照OEM(原始發(fā)動機廠商)的通函,或者咨詢潤滑油服務(wù)廠商,由其工程師給出相應(yīng)的潤滑油推薦,避免出現(xiàn)“低硫高堿”或者“高硫低堿”等酸堿不匹配的現(xiàn)象。
另外,當船舶主機出現(xiàn)異常時,要先分析原因,不可盲目調(diào)節(jié)氣缸油的注油率。若想通過調(diào)節(jié)氣缸油注油率的方式改善主機情況時,應(yīng)該采取“少量多次”的模式,不宜采用調(diào)節(jié)幅度過大或者直接升至極限值的方式。在每次調(diào)節(jié)完后,要關(guān)注設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況,及時開展掃氣箱檢查,觀察活塞表面、活塞環(huán)槽的清潔情況,并對氣缸殘油及時進行取樣分析,依據(jù)油品檢測結(jié)果及掃氣箱檢查結(jié)果開展下一步工作。
關(guān)于低硫燃油的使用,要選擇正規(guī)煉油廠商出來的燃油。條件允許,可現(xiàn)場取樣化驗,各項指標均檢測正常,才可使用該批次的燃油。判定低硫燃油中是否存在廢棄潤滑油,可以根據(jù)GB 17411—2015 中低硫殘渣燃油的規(guī)定,若鈣含量>30 mg/kg 且鋅或磷含量>15 mg/kg 時,則判定該燃油中存在使用過的潤滑油。
在平時的掃氣箱檢查中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn),活塞頭部,尤其是第一道活塞環(huán)和第二道活塞環(huán)之間附著有大量質(zhì)地堅硬的積碳(圖2),且有時會發(fā)現(xiàn)這些積碳表面比較干燥。這些積碳長時間積聚,就會破壞潤滑油膜,造成缸套和活塞的磨損。
圖2 活塞表面積碳
積碳不是一時形成,而是經(jīng)過長時間的物質(zhì)積聚而形成的。發(fā)動機內(nèi)部的積碳主要是由于燃油和潤滑油不完全燃燒產(chǎn)生油煙、微粒等,在高溫和氧化作用下產(chǎn)生的硬質(zhì)膠結(jié)碳[7]。這些硬質(zhì)膠結(jié)碳包含易揮發(fā)的物質(zhì)(油、羥基酸)和不易揮發(fā)的物質(zhì)(瀝青質(zhì)、油焦和碳質(zhì)混合物)[7]。燃油質(zhì)量差、供入燃燒室的燃油過多、燃燒室內(nèi)空氣供入量不足等原因,會使燃油燃燒不完全。在高溫氧化作用下,活塞表面就會形成一層具有一定黏性的漆膜,這層黏性漆膜又會不可避免地摻雜燃油燃燒后形成的碳的沉積物、發(fā)動機磨損后金屬顆粒、空氣中細微的硅化合物[8]。隨著時間的推移,活塞表面就形成了一層堅硬的積碳。若氣缸氣密性不足等原因?qū)е赂Z氣發(fā)生,竄入燃燒室的潤滑油過多,其燃燒產(chǎn)物也會造成積碳的產(chǎn)生[7]。因此,積碳的形成與燃油和潤滑油的品質(zhì)有著密切的關(guān)系[9]。
當活塞表面出現(xiàn)過多的積碳時,則需要對相應(yīng)的氣缸進行吊缸、拆卸檢查,采取機械處理法將活塞表面的積碳清除掉。
同時,平時工作中,依據(jù)積碳產(chǎn)生原因進行預防,首先考慮燃油的品質(zhì),如燃油品質(zhì)差、雜質(zhì)多、燃燒性能不好、黏度過高、流動性差等會導致燃油燃燒不充分,進而產(chǎn)生積碳[9]。因此燃油加裝時,需對燃油進行分析,化驗其黏度、雜質(zhì)含量、CCAI 指數(shù)及十六烷值是否在正常范圍內(nèi)等。還要定期檢查燃燒系統(tǒng)是否正常,噴油量過多、燃油霧化不良、燃燒室進氣不足,也會導致燃燒效果不好。
在發(fā)現(xiàn)積碳異常過多時,輪機人員需要對燃油和潤滑油分別取樣化驗分析,后期根據(jù)化驗結(jié)果,選擇合適的燃油,或者切換高清凈分散性的潤滑油產(chǎn)品或者油品使用模式。當船舶工況發(fā)生變化、船舶新加裝燃油、切換氣缸油品牌時,輪機人員需要縮短掃氣箱檢查的頻次,關(guān)注活塞表面的積碳情況,視情況采取下一步舉措。
低硫燃油使用以來,發(fā)生缸套磨損故障的柴油機,不僅僅是一些傳統(tǒng)的凸輪軸控制的柴油機,也有電噴式柴油機發(fā)生故障[10]。缸套磨損主要表現(xiàn)在缸套珩磨紋路不清晰,甚至完全磨掉,出現(xiàn)溝槽狀的劃痕(圖3),久而久之,缸套和活塞就會發(fā)生“咬缸”。主機缸套磨損會導致氣缸氣密性不足、發(fā)生竄氣、耗油量增加、效率降低、發(fā)動機發(fā)生異響等問題的發(fā)生。
圖3 缸套磨損
缸套發(fā)生磨損的原因主要是由于活塞和缸套內(nèi)壁這對摩擦副表面,沒有足夠潤滑油進行潤滑,或者摩擦副表面存在磨粒,導致接觸面整體或者部分發(fā)生干摩擦,進而發(fā)生缸套磨損。造成這種現(xiàn)象的原因如下:
◇燃油方面:燃油質(zhì)量較差,含有雜質(zhì)或者催化劑顆粒過多,若燃油濾清器工作不良,這些顆?;蛘唠s質(zhì)就會在燃燒后附著在活塞表面。另一方面,燃油燃燒質(zhì)量差,燃燒存在“滯燃”或者“早燃”現(xiàn)象,破壞氣缸油形成的油膜;由于噴油定時錯誤、噴油嘴堵塞、燃油未充分霧化、進排氣系統(tǒng)故障等問題,燃油不完全燃燒,其產(chǎn)物積聚在活塞表面,破壞氣缸油形成的油膜,進而發(fā)生磨粒磨損,造成缸套磨損[11]。
◇氣缸油方面:若氣缸油清凈分散性不足,活塞表面雜質(zhì)或沉積物不能被及時清除,導致缸套磨損;若氣缸油注油量過多或者氣缸油堿值過高,出現(xiàn)“低硫高堿”現(xiàn)象,產(chǎn)生的大量白色沉積物積聚在活塞和缸套之間,導致缸套磨損;由于注油器故障、注油管路堵塞等原因,導致氣缸油的注油量不足,使得活塞和缸套發(fā)生干摩擦,導致缸套磨損。
◇設(shè)備及管理方面:設(shè)備材質(zhì)較差,耐磨性不足;導致缸套易發(fā)生磨損;設(shè)備在安裝的過程中存在誤差,或者活塞、活塞環(huán)、氣缸缸套在更換新的部件后,未按照說明書要求開展磨合,導致各部件之間配合間隙不佳,進而造成缸套磨損[11];另外,由于缸套冷卻水的溫度過低,燃油不能充分燃燒,也會導致缸套發(fā)生腐蝕磨損[10]。
◇嚴格把控燃油的選擇,選取資質(zhì)信譽較好的燃油廠商,加油過程中,全程取樣,注明具體規(guī)格,張貼標簽,現(xiàn)場封存。必要時,可現(xiàn)場取樣檢驗,確認合格之后再去使用;同時,合理安排加油艙及加油順序,避免不同批次燃油的混用。使用過程中,秉承“先裝先用”的原則,避免長時間儲存[12]。
◇在潤滑油的選擇上,建議根據(jù)發(fā)動機產(chǎn)品說明書推薦或者咨詢潤滑油廠商技術(shù)工程師,選取高清凈分散性、取得OEM 認證的潤滑油產(chǎn)品。在使用過程中,按照OEM 用油指導要求進行使用。例如MAN 針對低硫燃油下潤滑油的使用,發(fā)表了MAN SL2019-671/685/694 等通函。針對硫含量小于0.5%(質(zhì)量分數(shù))的低硫油,Mark 9 以下機型可以使用40 堿值的氣缸油,根據(jù)掃氣箱檢查結(jié)果,決定是否需要使用更高堿值的氣缸油產(chǎn)品;Mark 9 以上的機型,推薦使用滿足其要求的Cat I 40BN 的產(chǎn)品和Cat II 100BN 的氣缸油產(chǎn)品進行交替使用。這樣做的目的在于通過提高氣缸油的堿值,提高氣缸油的清凈分散性,及時將活塞表面的沉積物清除掉。同時在使用低硫油的過程中,輪機人員需要增加掃氣箱檢查的頻次,縮短檢查周期,根據(jù)活塞表面、活塞環(huán)槽、活塞頂部的清潔情況及缸套的磨損情況,采取措施。
◇按照OEM 要求,盡量選擇原廠設(shè)備部件,正確安裝各零部件,按照廠家要求進行磨合。同時,定期檢查各部件的使用情況,發(fā)現(xiàn)異常,及時處理或者換新,避免后期故障的發(fā)生。
活塞環(huán)是發(fā)動機氣缸內(nèi)部不可缺少的零件。其主要作用有4 個:
◇密封氣體,防止燃燒過程中氣體泄漏,發(fā)生竄氣;
◇布油,使氣缸油從噴油嘴噴出后能均勻地分布在氣缸內(nèi)壁表面,防止氣缸油竄入燃燒室;
◇導熱,將燃燒室、活塞熱量進行傳遞;
◇支撐,活塞在上下往復運動過程中,活塞環(huán)可以防止活塞直接與氣缸內(nèi)壁接觸,發(fā)生磨損[13]。
活塞環(huán)所處的工作環(huán)境較惡劣,通常是幾百攝氏度以上的高溫、高壓、強摩擦的環(huán)境,尤其表現(xiàn)在第一、二道環(huán)長時間受到高溫燃氣侵蝕[13]。
輪機人員對發(fā)生活塞環(huán)折斷后的活塞進行分析觀察,發(fā)現(xiàn)其環(huán)槽內(nèi)、環(huán)背面積聚了一層厚厚的沉積物(圖4)。這些沉積物是導致活塞環(huán)斷環(huán)的直接或者間接的原因[14]。
圖4 活塞環(huán)斷環(huán)
活塞環(huán)磨損斷環(huán)一般是多種故障累積造成的。斷環(huán)的原因是活塞環(huán)出現(xiàn)卡阻,活塞環(huán)槽內(nèi)積聚大量的積碳或者沉積物,導致活塞環(huán)自由活動受到限制,甚至出現(xiàn)活塞環(huán)“卡死”現(xiàn)象,進而發(fā)生活塞環(huán)斷環(huán)現(xiàn)象;另一方面,當活塞環(huán)背面堆積了大量沉積物或者積碳的時候,活塞環(huán)被頂出環(huán)槽,活塞在做上下往復運動過程中,當運動到掃氣口位置時,環(huán)掛住掃氣口,極易出現(xiàn)活塞環(huán)斷環(huán)現(xiàn)象。氣缸套磨損原因也會導致活塞環(huán)斷環(huán),首先缸套上部由于長時間磨損形成凸臺,當活塞運行到上止點時,第一道氣環(huán)會因凸臺的沖擊而導致斷裂。其次,缸套表面磨損,使缸套軸向出現(xiàn)錐度或呈鼓形,在圓周方向磨成橢圓形或不規(guī)則的棱圓形,從而使活塞環(huán)在上下運動中將產(chǎn)生局部應(yīng)力,不均的受力導致活塞環(huán)沖擊斷裂或疲勞斷裂[15]。極少部分還會因為活塞環(huán)質(zhì)量不合格,抑或在安裝過程中,安裝方向錯誤、安裝搭口間隙過小,冷熱交替易變形,使活塞環(huán)在運動過程中被折斷[16]。
針對造成活塞環(huán)斷環(huán)的原因,建議從4 個方面進行預防解決:
◇關(guān)于零部件的選擇和安裝,盡量選擇硬度高、耐磨性好的鍍鉻環(huán)、陶瓷環(huán)等,切忌使用其他舊環(huán)代替第一道環(huán)和第二道環(huán),在安裝時,按照說明書要求,準確測量天地間隙,使用專用工具進行裝配,確保搭口間隙在說明書要求的范圍內(nèi)[15]。在平時的掃氣箱檢查中,定期測量活塞環(huán)的搭口間隙,關(guān)注活塞環(huán)自由活動、缸套磨損等基本情況。當發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)發(fā)生黏著、斷裂等現(xiàn)象時,應(yīng)及時停機,并開展吊缸檢查,視情況,采取下一步舉措。
◇關(guān)于燃料油的選用,選擇正規(guī)煉油廠商煉出的燃油,避免不同批次的燃油混裝,減少油泥析出;使用過程中,采取“先裝先用”的原則,減少燃油長期靜置,帶來的燃油分層沉淀現(xiàn)象,以此來確保燃油在進入燃燒系統(tǒng)中的品質(zhì),避免燃油的非正常燃燒。
◇盡量選擇高質(zhì)量、高清凈分散性的氣缸油產(chǎn)品進行潤滑,及時將活塞表面的積碳或沉積物沖洗清潔掉,避免進入活塞環(huán)槽內(nèi)。
◇管理維護方面,輪機人員需縮短掃氣箱檢查的周期,當發(fā)現(xiàn)活塞表面較臟,或有過多的沉積物時,可以通過調(diào)高注油率或切換氣缸油的使用模式等方式,利用適當大流量氣缸油的沖洗,盡可能地將燃油產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物或者積碳從活塞和缸套之間沖洗掉。
綜上,結(jié)合二沖程船舶低速機發(fā)生常見問題和故障的原因分析,本文總結(jié)了以下幾點建議,供船舶管理者參考。
加強燃油管理,嚴選煉油廠商,關(guān)注燃油各性能指標,條件允許可先對燃油進行化驗分析,視結(jié)果,加裝燃油,以此從源頭上確保燃油質(zhì)量。做好油艙燃油的轉(zhuǎn)駁、并艙工作,避免不同批次的燃油混裝混用。燃油采取先裝先用的原則,避免因長期儲存,一些儲存穩(wěn)定性不好的燃油出現(xiàn)分層,影響后期使用。同時需定期清洗油艙,若長時間不洗艙,就會導致油艙底部邊角處積聚大量雜質(zhì)或燃油析出的催化劑顆粒,以此確保新加裝的燃油不受污染。燃油在加裝的過程中,全程取樣留存,方便后期油樣化驗。燃油在使用過程中,可按照要求使用燃油添加劑,保證燃油燃燒充分。
關(guān)于潤滑油的選用,可按照發(fā)動機的說明書要求或咨詢潤滑油廠商的技術(shù)人員,選擇適合船舶的高清凈分散性的潤滑油產(chǎn)品或者潤滑油使用模式。目前航運界關(guān)于氣缸油的使用模式主要有4 種:單獨使用40BN 的氣缸油、單獨使用70BN的氣缸油、40BN 與70BN 氣缸油交替使用、40BN 與100BN 氣缸油交替使用。依據(jù)船舶工況,船員需選擇適合自己船舶的使用模式。關(guān)于氣缸油的注油率調(diào)整,MAN 在其發(fā)動機說明書中規(guī)定注油率可設(shè)定在0.6~1.7 g/kWh。但結(jié)合目前發(fā)生故障的眾多案例中,不宜考慮需節(jié)省潤滑油消耗選擇低的注油率,也不宜設(shè)定得太高。具體調(diào)節(jié)方法可以參照MAN SL2019-671 通函。依據(jù)目前航運界的使用經(jīng)驗,可將氣缸油的注油率設(shè)定在1.0 g/kWh 左右,后期跟據(jù)掃氣箱檢查的結(jié)果進行調(diào)整。
首先設(shè)備選用方面,盡量選取原廠配件,使用過程中,按照說明書進行安裝、磨合。
機務(wù)管理方面,機務(wù)主管應(yīng)及時將每次加裝的燃油化驗單提供給輪機人員,并對燃油的使用及管理給出精準的指導。當船舶長時間拋錨時,要告知輪機人員核實各設(shè)備正常后,方可啟動機器。對于燃油艙長時間存儲的燃油,機務(wù)人員需及時告知船上可通過燃油駁運泵進行內(nèi)循環(huán)泵油,防止長時間靜置導致燃油分層[10]。
在平時的設(shè)備管理維護中,輪機人員需定期開展設(shè)備巡視、掃氣箱檢查。定期測量和調(diào)整主機熱工參數(shù),確保主機保持在最佳工況;定期測量示功圖,通過分析氣缸壓縮壓力、最大爆炸壓力、負荷分配、燃燒始末點等參數(shù),判斷燃油在氣缸內(nèi)燃燒質(zhì)量,一旦發(fā)生異常變化,需及時查找原因[16]。加強冷卻系統(tǒng)的維護與管理,控制冷卻水的溫度在80~90 ℃之間。定期檢查“三濾”設(shè)備(空氣濾清器、潤滑油濾清器、燃油濾清器)的清潔情況,提高分油機的分離質(zhì)量,采取控制分離時的溫度和流量,雙機并聯(lián)或串聯(lián)分離的模式。定期檢查高壓油泵、噴油嘴、排氣閥等磨損部件的磨損情況,縮短檢修周期。
在船舶切換使用低硫燃油后,二沖程船舶低速機出現(xiàn)問題和故障的頻率增加,本文主要介紹了一些頻繁發(fā)生、較為常見的問題和故障。通常,這些問題和故障不是一時就能爆發(fā)的,而是一個長時間累積的過程。因此我們應(yīng)該以預防為主,在平時做好對燃油、潤滑油及設(shè)備的管理,注重設(shè)備維護和保養(yǎng),以降低設(shè)備故障及問題發(fā)生的概率,最大程度地延長設(shè)備的使用壽命。