船舶柴油机润滑油水污染类型鉴别研究

吴善跃，金 兰，钱 怡

(92957部队, 浙江 舟山 316000)

船舶柴油机润滑油水污染类型鉴别研究

吴善跃，金 兰，钱 怡

(92957部队, 浙江 舟山 316000)

文章针对船舶柴油机润滑油水污染类型鉴别需要，确立了污染类型鉴别主要区分特征，分析了传统水污染类型鉴别程序存在的问题，并对程序相应进行了改进。基于实测数据和理论推算，讨论了不同情况下的水污染类型鉴别数值。最后，在实际案例中应用上述程序方法对水污染类型进行了鉴别，从而说明程序方法的合理性。

润滑油；水污染；鉴别；柴油机

润滑油进水污染是船舶柴油机日常管理中经常遇到的典型故障问题。柴油机长期使用含水污染润滑油具有多重危害：①促使润滑油乳化，降低油品黏度和油膜强度，使润滑效果变差；②促使油品氧化变质，添加剂发生水解反应而失效，增加油泥；③促使柴油机内部出现锈蚀。

因此，柴油机润滑油水分含量被列为装备质量管理部门的必检项目[1-3]。然而，对于广大基层船员而言，仅知道润滑油水分含量超标是不够的，还需要进行水污染类型的鉴别分析。只有这样，船员才能判断故障部位，缩小排查范围，提高维修效率。

润滑油水污染类型的鉴别一般是通过分析润滑油中的钠元素含量来进行区别。然而，通过多年的工作实践，我们感到单纯以润滑油中钠元素含量鉴别水污染类型还存在一定问题，有时还需要求助其它技术手段加以分析。本文将结合船舶柴油机油液监测工作实际情况，对这一问题进行系统探讨。

1 润滑油水污染类型及主要特征

按照船舶柴油机原理及工作中遇到的实际案例，润滑油中水污染主要分为海水污染、缸套冷却水污染和外源淡水污染3种类型。水污染类型鉴别主要是通过分析润滑油水中特征成分含量进行区分，因而开展水污染类型鉴别首先需了解各种水污染的主要成分，再确立污染类型判别的主要特征依据。海水是一种非常复杂的多组分水溶液，其主要溶解成分以离子形式而存在，标准海水中主要溶解成分含量数据参见表1[4]。柴油机缸套冷却水主要是由缓蚀剂原液和淡水按一定比例混合而成，其中缓蚀剂原液主要为钠盐成分(如硼酸钠、硼氢酸钠、有机羧酸钠盐等)，阳离子主要为钠离子，阴离子则因厂家和牌号不同而存在一定的差异，但原液中氯离子含量较低，因为氯离子具有较强的腐蚀危害性，是冷却液需要严格控制的成分[5]。表2是某型缓蚀剂原液相关元素含量值，该缓蚀剂原液与淡水按1∶9进行配比。外源淡水污染主要来源于冷凝水或生活饮用水，水中离子含量较低，生活饮用水规定钠元素限值为200 μg/g，氯化物、硫化物限值为300 μg/g[6]。

按照前文所述不同水污染类型水中各溶解成分含量，水污染类型鉴别应以钠、镁、氯元素含量为分析对象，其主要区分特征具体参见表3。

表1 标准海水主要溶解成分含量 μg/g

表2 某型缓蚀剂原液部分元素含量 μg/g

表3 不同水污染类型主要区分特征

2 水污染鉴别程序问题与改进

2.1 传统鉴别程序存在问题

传统润滑油水污染分析程序一般分为2个步骤。首先，采用卡尔费休库伦法水分测定仪检测润滑油中含水量。如果水分含量正常，就认为不存在水污染，如果水分含量超标，再通过原子发射光谱法检测润滑油中的钠元素含量并确定污染类型。但在具体应用中这一程序还是存在一些问题。

1)单纯以润滑油含水量筛选水污染油样有可能存在问题遗漏。实际工作中经常会遇到润滑油含水量较低而钠元素含量却异常升高现象，此时如果是因为润滑油中水分含量低而认为不存在水污染，就会造成水污染问题遗漏。例如，某船在承担远航任务期间发现4号主机润滑油钠元素含量偏高(达到259 μg/g)，而水分含量正常；在后续监测中发现钠元素含量继续增长(达到431 μg/g)，水分含量依旧正常。结果拆检发现主机空气冷却器热交换管存在海水泄漏，进气道壁上积累了大量的固体盐分物质。这一案例表明，传统鉴别程序筛选水污染油样确实有可能存在问题遗漏，同时也说明润滑油中水分蒸发是润滑油水污染分析必须考虑的影响因素之一。

2)单纯以钠元素含量鉴别水污染问题有可能会造成误判。由前文可知，除海水污染外，润滑油混入缸套冷却水也会导致钠元素含量增高。如果仅凭润滑油水分含量和钠元素含量均高而鉴别水污染，就有可能将缸套冷却水污染误认为是海水污染，导致舰员在维修过程中出现不必要的拆检。例如，某船2号副机在定期监测中发现润滑油含水量达到0.26%，钠元素含量(838 μg/g)偏高，而镁元素含量(16.8 μg/g)正常，后检查发现缸套冷却水存在泄漏问题。在该案例中，如果单纯的从钠元素含量偏高现象分析水污染，就有可能误认为是海水污染。

2.2 鉴别程序改进

针对传统鉴别程序存在的问题，做如下改进：①不应将含水量作为润滑油是否存在水污染的唯一参考，还应将污染特征元素含量作为参考之一，也就是水分含量和污染特征元素含量只要其中之一存在偏高现象，就可考虑润滑油存在水污染问题；②为了有效区分不同水污染类型，除钠元素以外，还应将镁和氯列为污染特征元素。

由表3可知，钠、镁、氯3种元素中只要知道钠、镁元素含量或者是钠、氯元素含量，即可对3种水污染类型进行区分。相比较而言，采用钠、镁元素较为方便，因为镁元素可与钠元素一样通过油料原子发射光谱仪进行检测，而油料原子发射光谱仪是润滑油磨粒检测常用的检测技术手段。因此，一般情况下可通过油料原子发射光谱仪结合磨损分析得到的钠、镁元素含量，并通过钠、镁元素含量偏高情况和含量比例确认污染类型。然而，该方法的应用也存在一定的局限性：①不适用于含镁添加剂润滑油的水污染鉴别分析；②镁元素含量数值相对较低，仪器检测误差等其它因素对其数值影响较大，有可能会影响结果判别。

对于上述钠、镁元素分析存在不足，应进一步考虑采用氯元素鉴别污染类型。氯元素是海水中离子含量最高的元素种类，而在缸套冷却水和外源淡水中的离子含量又较低，因而比镁元素具有更好的区分度。但是，目前常用的油料原子发射光谱仪无法对氯元素含量进行检测，氯元素含量只能借助其它方法检测。其中，X荧光能谱仪分析是一种值得进一步发展的检测方法，其样品制备相对简单、所需检测时间较短，若方法应用恰当能够获得较为准确的检测结果。

3 水污染类型鉴别数值分析

对于船舶柴油机润滑油含水量，国内外相关技术标准一般规定换油界限值为0.5%，也有的将其规定为0.2%，而对于污染特征元素含量报警界限值却没有做出明确规定[2-3]。这就给油液监测实际工作开展带来困难。为了避免该情况的出现，应在实际数据分析基础上建立相关分析界限值。由于检测技术手段所限，目前所得到的污染特征元素历史监测数据主要为钠、镁元素含量，因而本文关于污染特征元素鉴别数值讨论仅限于钠、镁元素。

3.1 污染特征元素含量高于界限值时的鉴别

污染特征元素界限值基于实测数据统计分析，该统计分析对于样本数据有特定要求：①样本数量要大，并覆盖从正常到异常范围数据；②应按设备规格型号对样本进行分类处理；③样本分布的理想状态应具有陡峭的高/宽比，近似正态分布[3]。

图1和图2分别为某型船同型号柴油副机264个润滑油样本中钠元素和镁元素含量分布图，图中横坐标为元素含量，纵坐标为元素含量对应的样本数目。由图1和图2可知，钠、镁元素含量分布近似于正态分布。根据正态分布的“3σ原则”，随机变量以99.85%的可能性小于μ+3σ，油液光谱分析一般以μ+3σ作为特征元素含量异常的界限值。为此，对钠、镁元素含量分别进行统计处理，获取其样本均值和样本标准偏差，并按“平均值+2倍标准偏差”“平均值+3倍偏差”分别计算报警界限值和异常界限值。根据这一基本方法分别对图1和图2样本进行计算，具体结果如下：钠元素样本均值和标准偏差分别为88.3 μg/g和69.1 μg/g，其报警界限值和异常界限值分别为226.5 g/g和295.6 μg/g；镁元素样本均值和标准偏差分别为12.4 μg/g和7.0 μg/g，其报警界限值和异常界限值分别为26.4 μg/g和33.4 μg/g。从该机型的油液监测实际情况看，上述界限值的确定具有一定的合理性。例如，曾监测发现该型号某副机钠元素含量持续偏高，从252.0 μg/g增长到405 μg/g，超过钠元素含量异常界限值，而镁元素含量前后两次监测结果分别为11.4 μg/g和12.1 μg/g，均未超过镁元素含量报警界限值，由此可确认柴油机缸套冷却水混入润滑油。

图1 某型柴油副机润滑油钠元素含量分布图

图2 某型柴油副机润滑油镁元素含量分布图

一般而言，只要样本数据符合相应要求，采用上述方法建立的污染特征元素界限值具有一定可信度。只要污染特征元素含量大于异常界限值，就可以确认存在水污染，而且还可根据污染特征元素含量超出界限值情况相对容易地鉴别出污染类型。

3.2 污染特征元素含量低于界限值时的鉴别

对于润滑油中含水量超标而钠、镁污染元素含量均低于统计界限值的情况，是否可以认为润滑油水污染为淡水污染，以下结合实测数据对这一问题进行分析。

润滑油污染特征元素含量f按来源可用下式表达：

f=fbk+fw，

(1)

式中：fbk为污染特征元素本底含量；fw为机器故障引入的污染特征元素含量。

正常情况下fw的取值为零，fbk与润滑油的生产、运输、存储和使用等环节均有关。表4为典型润滑油样品中钠元素含量(表4中副机与图1和图2柴油机同型号)，由表4可知：①由于生产环节因素影响，润滑油新油中存在少量钠元素；②由于储存、运输等环节受污染，船上备用油柜中润滑油新油钠元素含量会有所上升；③对于正常运行柴油机，即使未发生污染性故障，随着润滑油使用时间增加，钠元素含量也会逐步增长。

表4 典型润滑油样品中钠元素含量 μg/g

假设上述典型样品混入标准海水，其含海水量为1%，由此增加的钠元素含量为109.0 μg/g。若润滑油中的钠元素本底含量为表4中的70.8 μg/g，则润滑油中总的钠元素含量为179.8 μg/g，小于该型机的报警界限值(226.5 μg/g)。同样，若润滑油中的钠元素本底含量为其统计均值(88.3 μg/g)，则润滑油中总的钠元素含量为197.3 μg/g，也小于该型机的报警界限值(226.5 μg/g)。由此可知，前文所述润滑油中含水量超标而钠、镁污染元素含量均低于统计界限值的情况，是不能简单认为润滑油水污染为淡水污染的。

对于此种情况的水污染类型鉴别，应综合分析润滑油污染物元素的故障引入含量fw和含水量x(质量百分比)。其中，fw根据公式(2)推算：

fw=f-fbk，

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:k为正常情况下污染特征元素含量增长率，该参数可根据历次监测数据进行线性拟合得到；Δt为前后2次监测时间间隔。

4 典型案例分析

4.1 某船柴油主机滑油冷却器破损故障

在对某船柴油主机润滑油定期监测中发现钠、镁元素含量分别为238.0 μg/g 和38.1 μg/g,，分别接近或超过报警界限值(钠元素为240.4 μg/g，镁元素为23.6 μg/g)，且比20 d前监测结果有明显增加(前次监测钠、镁元素含量分别为118.0 μg/g和32.6 μg/g)，而润滑油含水量却未超标(低于0.1%)。由于怀疑润滑油可能混入少量海水，船员对润滑系统和海水系统进行检查，结果发现滑油冷却器海水管路中流出的海水混有一小团黑色疑似油渍，而后就再也未发现存在其它油迹现象。由于当时润滑油中含水量较少，采取了跟踪观察措施。2个月后该船再次取样复测，结果发现润滑油污染状况急剧恶化：润滑油水分含量达到3%，钠元素含量达到786 μg/g，镁元素含量达到94.0 μg/g。拆检滑油冷却器，结果发现滑油冷却器海水管路中流出大量的黑色油水混合物(参见图3)，热交换管束中存在一处明显砂眼渗漏。

图3 冷却器海水管路流出黑色油水混合物

本案例最后一次监测钠、镁元素含量分别增长了548.0 μg/g和55.9 μg/g，钠、镁元素的增量比值为9.8，略大于8.3。而根据理论推算，假设润滑油中混入的海水量为3%，则钠、镁元素含量将分别增加327 μg/g和39.3 μg/g。钠、镁元素含量实际增量比理论增量大67%和42%，这说明润滑油水分在使用过程中会存在明显的蒸发现象。同时该案例也表明，对于润滑油海水污染问题，由于水分蒸发因素，钠、镁等污染特征元素含量的增长比含水量增加更为敏感。

4.2 某船柴油副机缸套冷却水渗漏故障

5 结束语

1)单纯以钠元素含量鉴别水污染问题有可能会造成误判，鉴于不同水污染类型水中溶解物成分含量存在差别，应将钠、镁、氯元素含量作为鉴别依据。

2)多数情况下通过分析钠、镁元素含量即可鉴别出不同污染类型，但该鉴别方法存在一定局限性，在一些特定情况下分析镁元素含量并不能有效鉴别出污染类型，此时需要将检测氯元素含量作为辅助分析手段。由于海水中氯离子含量远大于镁离子含量，分析润滑油中氯元素含量能获得更为理想区分效果，应积极发展润滑油氯元素含量检测方法。

3)润滑油在使用过程，其水分会存在明显的蒸发现象，从而导致污染物元素含量与含水量之间的比例会随着水分蒸发而动态增加。由于该因素的存在，润滑油发生水污染问题时，污染特征元素含量的异常变化比水分含量异常变化更为显著。在实际分析中，需要并列考虑水分含量和污染特征元素含量，只要其中之一存在异常偏高现象，就可认为润滑油存在水污染问题。

4)根据某型机实测数据统计，润滑油钠、镁等污染特征元素含量近似呈正态分布，可按照3σ原则建立异常界限值。如果污染特征元素含量超过异常界限值，可按照情况界限值的污染物特征元素种类鉴别污染类型。对于润滑油含水量超标而污染元素含量未超异常界限值情况，可通过含水量和污染特征元素故障引入含量的综合推算来鉴别污染类型。

[1]杨其明，严新平，贺石中，等.油液监测分析现场实用技术[M]. 北京：机械工业出版社，2006.

[2]魏海军，马玉莉，王宏志，等. 船用润滑油的实用与管理[M]. 大连:大连海事大学出版社， 2006.

[3]杨俊杰，陆思聪，周亚斌. 油液监测技术[M]. 北京:石油工业出版社，2009.

[4]刘雪堂. 海水盐度测量技术[M]. 北京：海洋出版社，1991.

[5]李斌. 船舶柴油机[M]. 大连:大连海事大学出版社， 2008.

[6]中华人民共和国卫生部.生活饮用水标准：GB 5749—2006[S]. 北京：中国标准出版社，2007.

To identify water pollution kinds of lubricating oil for marine diesel engines,the characteristics of different kinds of water pollution are established，and then the problems of the traditional identifying process analyzed and the process amended.Further,the identifying numerical values of the different cases are discussed based on the theoretical calculation and the testing data.The above method is applied well in the actual cases,which proves reasonable of the process.

lubricating oil;water pollution;identification;diesel engine

吴善跃(1976-)，男，浙江庆元人，高级工程师，博士，主要从事船舶设备状态监测和振动噪声控制研究工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.02.004

2016-11-07