中国石化长城超低碱值船用气缸油的应用研究

周豪杰 秦振清

1 中国极地研究中心

2 中国石化润滑油有限公司上海研究院

2015 年至今，全球各地硫排放法规开始陆续生效，多个国家或地区的海域或码头开始要求使用硫含量在0.1%（质量分数）以下的极低硫燃料油。在这些海域长期航行的船舶，其所使用的二冲程低速机需要使用15～ 25 mgKOH/g 碱值的超低碱值气缸油产品。本文采用长城船用气缸油5025（碱值25mg KOH/g）在某船[使用0 号柴油，硫含量约0.03%（质量分数）]上进行了约2 500 h 的应用试验，考察气缸油、燃料油、发动机三者的匹配情况，为实际应用提供强有力的技术基础。

随着世界各国对环境保护的日益重视，2015 年1 月起，波罗的海地区、北海地区、美国和加拿大沿海、涵盖波多黎各海岸线以及美国维京群岛水域的美国加勒比海排放控制区（硫含量控制地区，简称SECA）要求船舶使用船用燃料油硫含量不能超过0.1%（质量分数），以降低船舶排放。

2020 年1 月起，进入中国内河排放控制区的海船应使用硫含量不大于0.1%（质量分数）的极低硫燃料油；2022 年1 月起，进入中国海南水域的船舶，要使用0.1%（质量分数）以下的极低硫燃料油，以降低船舶排放污染，从而帮助实现《打赢蓝天保卫战三年行动计划》。

长期使用低硫燃料油的船用二冲程发动机，相应地需要使用碱值15～25 mg KOH/g 的船用气缸油产品，为此中国石化润滑油有限公司开发了25 mgKOH/g 碱值的气缸油产品长城船用气缸油5025，并开展了该油品的OEM（原始设备制造商）认证，以满足用户的使用需求。目前，长城船用气缸油5025 已经获得WinGD[1]（温特图尔天然气和柴油）和J-ENG[2]（日本发动机公司）的认证。

长城船用气缸油5025 主要用于使用硫含量不超过0.1%（质量分数）的燃料的两冲程发动机气缸的润滑。某船长期使用硫含量小于0.1%（质量分数）的极低硫燃料油，WinGD建议使用15～25 mgKOH/g 碱值的超低碱值气缸油产品。为了进一步跟踪长城船用气缸油5025 的应用效果，通过在用油监测及吊缸检查等，对长城船用气缸油5025 开展不少于2 000 h 的应用跟踪，考察长城船用气缸油5025 的使用效果及适应性情况。

应用研究

应用研究概况

对使用长城船用气缸油5025的主机，共进行约2 500 h 的监控，监控内容包括气缸油残油检测、吊缸检查以及主机运行参数记录。

船舶情况

船舶情况见表1。

表1 船舶情况

燃油使用情况

试验期间，试验船舶共使用了1 个批次的燃料油，燃料油属于0号柴油，检测数据见表2。

由表2 可知，应用研究期间所用燃料油的硫含量在0.03%（质量分数）左右，属于硫含量小于0.1%（质量分数）的极低硫燃料油。

表2 应用研究中使用的燃料油部分实测数据

气缸油使用情况

试验过程中使用的船用气缸油5025 典型数据见表3。

表3 船用气缸油5025典型数据

结果与讨论

扫气残油分析

应用研究期间，每隔500 h 在扫气口取出各个气缸的气缸残油各150 mL，进行碱值和元素分析，以判断气缸油产品的酸中和能力和碱值储备能力，并间接反映设备的磨损情况。试验期间对No.1 至No.6共6 个气缸各收集了6 个批次气缸油残油样品，合计36 个样品，具体分析如下。

黏度分析

船用气缸油5025 的黏度等级为SAE50，这个黏度等级一方面能够拥有足够的承载能力，另一方面又能够在气缸内壁上快速扩散，从而达到润滑的目的。试验过程中的各气缸残油黏度变化见图1。

从图1 可以看出，气缸油残油的黏度在一定范围内呈现波动态势，说明油膜强度比较稳定，润滑情况良好。

图1 气缸残油黏度变化

碱值分析

船用气缸油要求具有适宜的碱值，来中和燃料燃烧生成的酸性物质，防止腐蚀磨损，保护发动机零部件。

长城船用气缸油5025 碱值较 低， 为25 mgKOH/g，WinGD要求气缸油残油的碱值不得低于10 mgKOH/g。试验过程中的各气缸残油碱值变化见图2。

从图2 可看出，各缸气缸残油的碱值由于燃料油硫含量不同呈平稳波浪趋势，油品大部分时间均保持足够的碱性储备，满足WinGD 的要求。

图2 气缸残油总碱值变化

元素分析

通过电感耦合等离子发射光谱（ASTM D5185），检测在用油中的磨损元素（如Fe、Ni、Sn、Pb、Cu、Cr 等，主要来自曲轴轴承、气缸套、活塞环等金属零件）、污染元素(如Si、Mg、K、Na 等，来自空气、燃油等)和添加剂元素(如P、Mg、Zn、Ca 等)，以掌握发动机设备的正常磨损和非正常磨损状况以及在用油的使用情况。

根据发动机各部件的材质分析可知，铁、铝、铜、镍含量的变化表明发动机缸套、活塞的磨损状况，硅主要来自空气带进来的灰尘、密封件的部件等。

气缸残油中主要元素含量的变化情况见图3。

WinGD 对于气缸油残油铁含量的要求为小于等于200 mg/kg。由图3 可见，在应用研究期间，各缸气缸残油铁含量满足WinGD 的要求。

图3 气缸残油铁含量变化趋势

由图4～图6 可见，铝、铜、镍的变化比较平稳，没有出现大的波动，说明缸套、活塞磨损较小，气缸润滑性能良好

图4 气缸残油铝含量变化趋势

图5 气缸残油铜含量变化趋势

图6 气缸残油镍含量变化趋势

由图7 可见，硅含量保持较小范围，说明无空气带来的灰尘，密封件部件密封良好；随着运行时间的变长，活塞与缸套的间隙保持稳定的趋势。

图7 气缸残油硅含量变化趋势

由气缸残油碱值和元素分析数据可以判断，气缸油润滑性能良好，对发动机活塞、活塞环、缸套起到良好的润滑保持，随着发动机运行时间的延长，没有发生磨损过大现象。

发动机吊缸拆检

为了进一步检验5025 的使用情况，应用研究跟踪2 438 h 后，由WinGD 工程师对No.1 气缸进行了吊缸检测，测量活塞环、缸套尺寸，对活塞、缸套、气阀部位进行检查，并拍照留存。

活塞环槽测量了四个点，数据见表4。1 号活塞清洁前后的外观如图8 所示。

表4 的测量结果显示，环槽间隙在可接受范围内。图8 显示沉积物情况在正常范围之内，表明气缸油的清净分散性较强。

图8 活塞照片

表4 No.1气缸活塞环槽间隙测量数据

吊缸拆检结果显示，缸套与活塞运作良好，不需更换活塞环。吊缸气缸缸套最大磨损处的千小时磨损率为约0.06 mm/1 000 h，说明气缸油润滑性能非常优异。发动机零部件磨损低，不同部位的沉积物量少而松软，且易于去除，活塞环灵活，曲轴箱及凸轮、阀系部位沉积物生成量少。

综合气缸油残油在用油分析结果以及发动机吊缸检测情况，表明长城船用气缸油5025 可以满足WinGD 发动机长时间使用极低硫燃料油的润滑要求。

结论

☆气缸残油分析结果表明，长城船用气缸油5025 具有较好的综合性能，油品各项指标变化平稳。

☆吊缸拆检结果显示，长城船用气缸油5025 对发动机具有较好的保护。

☆ 在WinGD 6RT-flex60C-B主机上对长城船用气缸油5025 开展了约2 500 h 的应用跟踪试验，应用结果显示，长城船用气缸油5025满足WinGD 两冲程发动机长期使用极低硫燃料油时的润滑要求。