劉享明,孫貴芳,王廣志

(中國(guó)人民解放軍91315部隊(duì)，遼寧 大連 116041)

0 引言

船舶機(jī)械設(shè)備工作的外在環(huán)境就是水環(huán)境，所以船用潤(rùn)滑油更易被水污染，水是船用潤(rùn)滑油最主要的污染物之一。如果船用潤(rùn)滑油在早期能夠及時(shí)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(jī)械設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重故障，甚至能夠避免一些不可挽回的事故，節(jié)約機(jī)械設(shè)備維修成本，因此，船用潤(rùn)滑油水污染檢測(cè)及控制技術(shù)能夠確保船舶機(jī)械設(shè)備保持良好工作狀態(tài)。

1 潤(rùn)滑油水污染對(duì)船上機(jī)械設(shè)備的影響

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

(1)降低機(jī)械設(shè)備部件強(qiáng)度

有水的潤(rùn)滑油之所以會(huì)降低船舶機(jī)械設(shè)備部件強(qiáng)度是因?yàn)樗膮⑴c會(huì)使機(jī)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(shí)接觸，金屬表面就會(huì)銹蝕，這是金屬的固有特性，潤(rùn)滑油中進(jìn)入的水會(huì)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(rùn)滑油中的水會(huì)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(jī)或無(wú)機(jī)酸性物質(zhì)，大大增加了潤(rùn)滑油中的酸含量，無(wú)機(jī)酸對(duì)任何金屬都有強(qiáng)烈的腐蝕作用，而少量的有機(jī)酸對(duì)金屬腐蝕作用不大，反而能夠增加潤(rùn)滑油的油性以保持良好的邊界潤(rùn)滑性能，但有機(jī)酸含量較大時(shí)，就會(huì)對(duì)一些金屬產(chǎn)生腐蝕，尤其船舶柴油機(jī)中銅、鉛等材質(zhì)的零部件(如軸承)對(duì)酸敏感性較高，極易受到酸的腐蝕。

氣蝕：對(duì)于船舶柴油機(jī)主機(jī)來(lái)說(shuō)，其潤(rùn)滑部位主要有氣缸、曲軸，當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中這些部位溫度較高，尤其是氣缸溫度，高達(dá)幾百度，進(jìn)入油中的水會(huì)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(diǎn)； 水會(huì)減弱潤(rùn)滑油的抗泡消泡能力，使得油液中的空氣氣泡無(wú)法釋放或消除，當(dāng)帶有氣泡的潤(rùn)滑油(如液壓油、空壓機(jī)油)受到壓力而氣泡爆裂，會(huì)在金屬表面產(chǎn)生氣蝕。

機(jī)械設(shè)備部件上銹蝕、腐蝕或氣蝕部位應(yīng)力負(fù)荷承受強(qiáng)度就會(huì)降低，機(jī)械部件強(qiáng)度自然會(huì)降低。

(2)加速設(shè)備磨損

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

降低黏壓特性：當(dāng)潤(rùn)滑油所受壓力增加時(shí)，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(duì)摩擦副進(jìn)行保護(hù)，這就是潤(rùn)滑油的黏壓特性[1]。水會(huì)降低潤(rùn)滑油的黏壓特性，尤其是空壓機(jī)油和液壓油，這些設(shè)備對(duì)潤(rùn)滑油會(huì)產(chǎn)生較大壓力，使得潤(rùn)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(jì)，所以水的參入會(huì)降低潤(rùn)滑油的黏壓特性，增加摩擦副的磨損[2]。

降低潤(rùn)滑性能：過(guò)量的水長(zhǎng)期存在于潤(rùn)滑油中會(huì)使油液乳化，降低潤(rùn)滑性能，甚至使?jié)櫥蜐?rùn)滑失效，失去潤(rùn)滑作用，機(jī)械設(shè)備磨損自然會(huì)加大。

產(chǎn)生磨損顆粒：水的銹蝕和腐蝕都會(huì)產(chǎn)生金屬顆粒，這些顆粒就是磨損顆粒，進(jìn)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(huì)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(lái)源

船舶機(jī)械設(shè)備有其特有的潤(rùn)滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，船舶工作環(huán)境、潤(rùn)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(rùn)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(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)一般由曲軸箱潤(rùn)滑、廢氣渦輪增壓器潤(rùn)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(lái)儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，其潤(rùn)滑過(guò)程簡(jiǎn)要來(lái)說(shuō)就是將加熱后有一定溫度的潤(rùn)滑油(加熱潤(rùn)滑油是為保持其黏度)通過(guò)油泵從油柜里抽出，經(jīng)過(guò)濾器進(jìn)入一系列油路管道，最終到達(dá)被潤(rùn)滑設(shè)備相應(yīng)部位，最后回流到油柜，周而復(fù)始地進(jìn)行循環(huán)。這些油路管道有不同的閥門(mén)及密封點(diǎn)，同時(shí)整個(gè)潤(rùn)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(mén)未擰緊或密封不好，加之船舶本身工作在濕潤(rùn)的環(huán)境，外界水蒸氣將會(huì)大量進(jìn)入管道內(nèi)，當(dāng)柴油機(jī)停機(jī)，潤(rùn)滑停止后，潤(rùn)滑油冷卻，油路管道冷卻，管道內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)冷凝水[3-4]。另外柴油機(jī)缸套、缸蓋、缸墊燒蝕、曲軸箱密封及其他密封失效等也會(huì)使外界水蒸氣進(jìn)入形成冷凝水。

柴油機(jī)的冷卻介質(zhì)有淡水、海水、潤(rùn)滑油和柴油等四種，一般較常用的是淡水直接冷卻柴油機(jī)，海水再?gòu)?qiáng)制冷卻淡水。潤(rùn)滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)雖各自獨(dú)立，但一般二者的管道是相鄰安裝的，且他們潤(rùn)滑和冷卻的設(shè)備都是曲軸箱，一旦閥門(mén)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(huì)出現(xiàn)泄漏，極易直接污染潤(rùn)滑管路、油柜或者漏入曲軸箱進(jìn)而污染潤(rùn)滑油，這就造成了外部淡水污染和海水污染[3]。

船舶空壓機(jī)、液壓系統(tǒng)的潤(rùn)滑管路及冷卻管路相較柴油機(jī)要簡(jiǎn)單，但同樣存在閥門(mén)泄漏、管道破裂、密封失效等情況，同樣會(huì)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(cè)技術(shù)

船用油水污染檢測(cè)的一個(gè)重要目的是通過(guò)油品的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備早期故障的預(yù)測(cè)及故障診斷，所以船用油水污染的檢測(cè)應(yīng)分兩大步，第一步是檢測(cè)含水量多少，第二步鑒別水污染類型，為查清污染來(lái)源提供參考依據(jù)。

3.1 船用油水含量檢測(cè)技術(shù)

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

(1)目視法

對(duì)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(duì)于顏色較深、黏度較大的潤(rùn)滑油，游離水、乳化態(tài)水目測(cè)就不一定能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)，所以色淺、黏度小的潤(rùn)滑油適用于目視法[2]。實(shí)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(dòng)力系統(tǒng)用油、空壓機(jī)油一般呈黑色，采用目視法的效率和準(zhǔn)確性就不是太高。

目視法實(shí)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(duì)于船用油，尤其是液壓油，一般來(lái)說(shuō)是已處于可接受的上限，需要對(duì)機(jī)械設(shè)備或油采取措施了。

(2)熱板爆響法

對(duì)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(jī)油)，可以采用熱板爆響法，它是一種半定量的現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)易檢測(cè)方法，適用于在船上現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)水是否存在及其含量，從而快速判斷潤(rùn)滑油是否被水污染。

熱板爆響法原理是：潤(rùn)滑油沸點(diǎn)高于水，將熱板溫度控制在水沸點(diǎn)之上，油沸點(diǎn)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(guò)0.1%時(shí)，氣泡體積會(huì)急劇膨脹達(dá)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(guò)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(lái)判斷潤(rùn)滑油中是否含水及含量多少。表1為熱板爆響法檢測(cè)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(fèi)休滴定法

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

當(dāng)有水存在時(shí)，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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。

對(duì)于庫(kù)侖法，碘的來(lái)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(guò)計(jì)算消耗電量就可以測(cè)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(cè)量含水量較低的樣品，對(duì)于低含水量的樣品，庫(kù)侖法檢測(cè)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(cè)精度較高，一般適用于含水量<1000 μg/mg的樣品。

對(duì)于容量法，碘的來(lái)源是經(jīng)過(guò)標(biāo)定的含碘卡氏試劑，通過(guò)計(jì)量已消耗的卡氏試劑體積(容量)來(lái)測(cè)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(cè)，一般適用于含水量>1000 μg/mg的樣品。

對(duì)于船用油，一般來(lái)說(shuō)超過(guò)1000 μg/mg接近于可接受含水量的上限，同時(shí)庫(kù)侖法檢測(cè)效率高，精度高，所以船用油水分測(cè)量較常用的是卡爾—費(fèi)休庫(kù)侖法。

船用油水含量檢測(cè)技術(shù)除了目視法、熱板爆響法及卡爾—費(fèi)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(cè)技術(shù)

目視法、熱板爆響法及卡爾—費(fèi)休滴定法等方法能有效定性或定量地檢測(cè)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(cè)出污染水的類型對(duì)排查機(jī)械故障至關(guān)重要；另外，由于蒸發(fā)效應(yīng)，單純通過(guò)檢測(cè)含水量多少來(lái)檢測(cè)船用油是否水污染，不一定完全可靠，有時(shí)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(jìn)水了，所以一般還要檢測(cè)特征元素來(lái)進(jìn)一步確定水污染的存在及類型。

(1)元素檢測(cè)技術(shù)

元素檢測(cè)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(jì)性、日常維護(hù)、檢測(cè)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(cè)比較常用的技術(shù)。三種優(yōu)缺點(diǎn)[5]如表2所示。

表2 三種元素檢測(cè)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

(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(jiàn)表3。

通過(guò)Na、Mg元素含量能夠有效判斷出水污染類型，操作簡(jiǎn)單，只需要采用原子發(fā)射光譜儀就能檢測(cè)出，但對(duì)于含Mg元素添加劑的潤(rùn)滑油，只通過(guò)Na、Mg元素檢測(cè)水污染類型就會(huì)影響判斷的準(zhǔn)確性，這時(shí)就需要結(jié)合Cl元素含量來(lái)判斷，熒光能譜儀能夠有效檢測(cè)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(duì)船用油水污染的控制就是努力消除一切能夠使得水進(jìn)入潤(rùn)滑油的因素，從而避免船用潤(rùn)滑油發(fā)生水污染，可以從機(jī)械設(shè)備的安裝與日常維護(hù)、對(duì)潤(rùn)滑油本身的處理兩方面采取措施，進(jìn)行水污染控制。

(1)從機(jī)械設(shè)備的安裝與日常維護(hù)方面

可以采取如下措施：①采用封閉式油箱儲(chǔ)油，同時(shí)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(rùn)滑油系統(tǒng)管道是否有裂痕、各種閥門(mén)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(jī)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(mén)是否有泄漏、密封裝置是否良好。

(2)從對(duì)潤(rùn)滑油本身的處理方面

可以采取如下措施：①潤(rùn)滑油從油庫(kù)運(yùn)輸?shù)酱系倪^(guò)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(shí)間運(yùn)輸；②油在船上儲(chǔ)存過(guò)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(shí)間不要與冷卻系統(tǒng)加水同時(shí)進(jìn)行，最好二者間隔一段時(shí)間再操作；④及時(shí)從油箱底部排放油箱中沉積的游離水；⑤定期進(jìn)行水檢測(cè)，及時(shí)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(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài)及運(yùn)行成本，及時(shí)對(duì)船用油水分的檢測(cè)及對(duì)水污染進(jìn)行控制能夠有效提高潤(rùn)滑油的換油周期、延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備壽命、節(jié)約成本。