浅析低硫燃油下二冲程船舶低速机常见问题及故障

韩存中国石化润滑油有限公司上海研究院

IMO 2020“限硫令”海事法规颁布实施以来，船舶陆续切换使用低硫燃油，二冲程主机随之出现了不同类型的问题及故障，例如，沉积物及积碳严重、缸套磨损、活塞环断环等。本文分析了使用低硫燃油的二冲程船舶低速机常见问题及故障的产生原因，并提出了相应的预防建议和解决措施。

低硫燃油，即硫含量≤0.5%（质量分数）的低硫船用燃料油。根据国际海事组织颁布的IMO2020 排放法规规定：自2020 年1 月1 日起，若船舶未安装脱硫塔，则船舶在硫排放控制区以外航行时，必须使用硫含量≤0.5%（质量分数）的低硫船用燃料油[1]。

据市场反馈，目前低硫燃油在使用中主要存在以下六类问题：

◇燃油的黏度变化范围大。GB 17411—2015《船用燃料油》仅对低硫残渣油的黏度上限做了限定，未对下限做出限定，各家炼油厂商生产的燃油黏度变化范围较大。所以，在使用不同批次的燃油时，要注意燃油的加热温度不同。否则，将造成发动机的高压油泵漏泄，喷油嘴堵塞、高压油泵磨损或咬死，引发进机压力降低、甚至断油风险，影响发动机的使用性能，严重时，会出现停车故障[2]。

◇不兼容性问题。不同炼油厂商，使用的加工原料不同，加入催化剂种类不同，混合后可能产生剧烈的化学反应，加速燃油中的沥青质脱落沉淀，形成油泥，析出[3，4]。这些析出的油泥，同样也会最终造成发动机磨损故障。

◇稳定性差问题。燃油的稳定性与沥青质特性有关。燃油中的芳香烃组分可使沥青质保持稳定形态，而石蜡组分会使沥青质聚合成油泥[5]。因此，当低硫燃油中的蜡含量偏高时，就会降低燃油稳定性[2]。随着燃油加热温度的升高，油泥加速析出。进而造成燃油燃烧效果不好[5]。

◇催化剂颗粒影响。低硫燃油在炼制过程采用了催化裂化技术，原油炼制加入含有硅和铝元素的催化剂，如果进入燃油系统会加速高压油泵柱塞、出油阀卡阻、喷油器针阀偶件磨损；如果进入燃烧室，会沉积在活塞头和活塞环处，导致缸套、活塞环、活塞环槽内产生磨料磨损，引起活塞环卡阻、失去弹性导致活塞环断裂[6]。

◇燃烧性能问题。由于燃油组分和配方差异性很大，可能会出现密度、黏度以及CCAI（碳芳香烃指数）数值比较接近的不同燃油，燃烧特性差异却很大的情况。这就有可能导致部分燃油在气缸内燃烧出现“早燃”或 “滞燃”现象，破坏润滑油膜，进而造成缸套、活塞环磨损等故障。

◇低温流动性问题。燃油的低温流动性影响燃油系统供油情况。低温下燃油中的蜡易析出结晶，堵塞燃油管路、燃油滤器、喷油嘴等，若蜡附着在加热盘管表面还会影响燃油的加油泵出，出现断油现象，造成发动机故障[4]。

随着越来越多的二冲程船舶低速机切换使用低硫燃油，各类型问题、故障频频出现，如缸套磨损、活塞环断环、沉积物过多等。究其原因，与低硫燃油的使用有着直接或者间接的关系。因此，本文就收集到的常见问题及故障进行原因分析，并提出预防性建议和解决措施。

问题1：活塞顶部的沉积物偏多

在对二冲程船舶发动机开展扫气箱检查的过程中发现，活塞顶部出现了大量的白色沉积物（图1），并且越积越多。随着时间的推移，这些沉积物会随着活塞的上下往复运动，掉落到活塞和缸套之间，破坏润滑油形成的油膜，引起缸套、活塞的磨损。

图1 活塞顶部白色沉积物

原因分析

在发动机气缸内部，出现的白色沉积物类似于石灰，这些物质主要是钙的化合物。产生白色沉积物的原因主要有两方面：

◇气缸油碱值过剩，导致活塞顶部沉积大量白色沉积物。气缸油配方研制过程中，会加入含钙的碱性添加剂提高其清净性能。气缸油起到酸碱中和的作用，正常情况下，不会出现白色沉积物，但若碱值过剩时就会出现白色沉积物。碱值过剩的原因有很多，例如气缸油的选用错误，会导致碱值过剩。船舶主机活塞表面清洁度不高时，轮机人员主要是通过调高注油率的形式，将活塞表面的物质清理掉。若此时调节方式不当，调节幅度过大，极易出现“低硫高碱”（即燃油的硫含量低、气缸油碱值过剩），酸碱不匹配，就会在活塞顶部形成白色沉积物。

◇低硫燃油中含有废弃润滑油。低硫燃油在炼制的过程中，有些炼油厂商会将废弃的润滑油加入其中，此时燃油指标中钙的含量会超标，燃油在气缸内燃烧后，就会生成白色沉积物出现在活塞顶部。

建议及解决措施

船舶在切换使用低硫燃油后，关于气缸油的选用，可参照OEM（原始发动机厂商）的通函，或者咨询润滑油服务厂商，由其工程师给出相应的润滑油推荐，避免出现“低硫高碱”或者“高硫低碱”等酸碱不匹配的现象。

另外，当船舶主机出现异常时，要先分析原因，不可盲目调节气缸油的注油率。若想通过调节气缸油注油率的方式改善主机情况时，应该采取“少量多次”的模式，不宜采用调节幅度过大或者直接升至极限值的方式。在每次调节完后，要关注设备的运转情况，及时开展扫气箱检查，观察活塞表面、活塞环槽的清洁情况，并对气缸残油及时进行取样分析，依据油品检测结果及扫气箱检查结果开展下一步工作。

关于低硫燃油的使用，要选择正规炼油厂商出来的燃油。条件允许，可现场取样化验，各项指标均检测正常，才可使用该批次的燃油。判定低硫燃油中是否存在废弃润滑油，可以根据GB 17411—2015 中低硫残渣燃油的规定，若钙含量＞30 mg/kg 且锌或磷含量＞15 mg/kg 时，则判定该燃油中存在使用过的润滑油。

问题2：积碳偏多

在平时的扫气箱检查中经常会发现，活塞头部，尤其是第一道活塞环和第二道活塞环之间附着有大量质地坚硬的积碳（图2），且有时会发现这些积碳表面比较干燥。这些积碳长时间积聚，就会破坏润滑油膜，造成缸套和活塞的磨损。

图2 活塞表面积碳

原因分析

积碳不是一时形成，而是经过长时间的物质积聚而形成的。发动机内部的积碳主要是由于燃油和润滑油不完全燃烧产生油烟、微粒等，在高温和氧化作用下产生的硬质胶结碳[7]。这些硬质胶结碳包含易挥发的物质（油、羟基酸）和不易挥发的物质（沥青质、油焦和碳质混合物）[7]。燃油质量差、供入燃烧室的燃油过多、燃烧室内空气供入量不足等原因，会使燃油燃烧不完全。在高温氧化作用下，活塞表面就会形成一层具有一定黏性的漆膜，这层黏性漆膜又会不可避免地掺杂燃油燃烧后形成的碳的沉积物、发动机磨损后金属颗粒、空气中细微的硅化合物[8]。随着时间的推移，活塞表面就形成了一层坚硬的积碳。若气缸气密性不足等原因导致窜气发生，窜入燃烧室的润滑油过多，其燃烧产物也会造成积碳的产生[7]。因此，积碳的形成与燃油和润滑油的品质有着密切的关系[9]。

建议及解决措施

当活塞表面出现过多的积碳时，则需要对相应的气缸进行吊缸、拆卸检查，采取机械处理法将活塞表面的积碳清除掉。

同时,平时工作中，依据积碳产生原因进行预防，首先考虑燃油的品质，如燃油品质差、杂质多、燃烧性能不好、黏度过高、流动性差等会导致燃油燃烧不充分，进而产生积碳[9]。因此燃油加装时，需对燃油进行分析，化验其黏度、杂质含量、CCAI 指数及十六烷值是否在正常范围内等。还要定期检查燃烧系统是否正常，喷油量过多、燃油雾化不良、燃烧室进气不足，也会导致燃烧效果不好。

在发现积碳异常过多时，轮机人员需要对燃油和润滑油分别取样化验分析，后期根据化验结果，选择合适的燃油，或者切换高清净分散性的润滑油产品或者油品使用模式。当船舶工况发生变化、船舶新加装燃油、切换气缸油品牌时，轮机人员需要缩短扫气箱检查的频次，关注活塞表面的积碳情况，视情况采取下一步举措。

故障1：缸套磨损

低硫燃油使用以来，发生缸套磨损故障的柴油机，不仅仅是一些传统的凸轮轴控制的柴油机，也有电喷式柴油机发生故障[10]。缸套磨损主要表现在缸套珩磨纹路不清晰，甚至完全磨掉，出现沟槽状的划痕（图3），久而久之，缸套和活塞就会发生“咬缸”。主机缸套磨损会导致气缸气密性不足、发生窜气、耗油量增加、效率降低、发动机发生异响等问题的发生。

图3 缸套磨损

原因分析

缸套发生磨损的原因主要是由于活塞和缸套内壁这对摩擦副表面，没有足够润滑油进行润滑，或者摩擦副表面存在磨粒，导致接触面整体或者部分发生干摩擦，进而发生缸套磨损。造成这种现象的原因如下：

◇燃油方面：燃油质量较差，含有杂质或者催化剂颗粒过多，若燃油滤清器工作不良，这些颗粒或者杂质就会在燃烧后附着在活塞表面。另一方面，燃油燃烧质量差，燃烧存在“滞燃”或者“早燃”现象，破坏气缸油形成的油膜；由于喷油定时错误、喷油嘴堵塞、燃油未充分雾化、进排气系统故障等问题，燃油不完全燃烧，其产物积聚在活塞表面，破坏气缸油形成的油膜，进而发生磨粒磨损，造成缸套磨损[11]。

◇气缸油方面：若气缸油清净分散性不足，活塞表面杂质或沉积物不能被及时清除，导致缸套磨损；若气缸油注油量过多或者气缸油碱值过高，出现“低硫高碱”现象，产生的大量白色沉积物积聚在活塞和缸套之间，导致缸套磨损；由于注油器故障、注油管路堵塞等原因，导致气缸油的注油量不足，使得活塞和缸套发生干摩擦，导致缸套磨损。

◇设备及管理方面：设备材质较差，耐磨性不足；导致缸套易发生磨损；设备在安装的过程中存在误差，或者活塞、活塞环、气缸缸套在更换新的部件后，未按照说明书要求开展磨合，导致各部件之间配合间隙不佳，进而造成缸套磨损[11]；另外，由于缸套冷却水的温度过低，燃油不能充分燃烧，也会导致缸套发生腐蚀磨损[10]。

建议及解决措施

◇严格把控燃油的选择，选取资质信誉较好的燃油厂商，加油过程中，全程取样，注明具体规格，张贴标签，现场封存。必要时，可现场取样检验，确认合格之后再去使用；同时，合理安排加油舱及加油顺序，避免不同批次燃油的混用。使用过程中，秉承“先装先用”的原则，避免长时间储存[12]。

◇在润滑油的选择上，建议根据发动机产品说明书推荐或者咨询润滑油厂商技术工程师，选取高清净分散性、取得OEM 认证的润滑油产品。在使用过程中，按照OEM 用油指导要求进行使用。例如MAN 针对低硫燃油下润滑油的使用，发表了MAN SL2019-671/685/694 等通函。针对硫含量小于0.5%（质量分数）的低硫油，Mark 9 以下机型可以使用40 碱值的气缸油，根据扫气箱检查结果，决定是否需要使用更高碱值的气缸油产品；Mark 9 以上的机型，推荐使用满足其要求的Cat I 40BN 的产品和Cat II 100BN 的气缸油产品进行交替使用。这样做的目的在于通过提高气缸油的碱值，提高气缸油的清净分散性，及时将活塞表面的沉积物清除掉。同时在使用低硫油的过程中，轮机人员需要增加扫气箱检查的频次，缩短检查周期，根据活塞表面、活塞环槽、活塞顶部的清洁情况及缸套的磨损情况，采取措施。

◇按照OEM 要求，尽量选择原厂设备部件，正确安装各零部件，按照厂家要求进行磨合。同时，定期检查各部件的使用情况，发现异常，及时处理或者换新，避免后期故障的发生。

故障2：活塞环断环

活塞环是发动机气缸内部不可缺少的零件。其主要作用有4 个：

◇密封气体，防止燃烧过程中气体泄漏，发生窜气；

◇布油，使气缸油从喷油嘴喷出后能均匀地分布在气缸内壁表面，防止气缸油窜入燃烧室；

◇导热，将燃烧室、活塞热量进行传递；

◇支撑，活塞在上下往复运动过程中，活塞环可以防止活塞直接与气缸内壁接触，发生磨损[13]。

活塞环所处的工作环境较恶劣，通常是几百摄氏度以上的高温、高压、强摩擦的环境，尤其表现在第一、二道环长时间受到高温燃气侵蚀[13]。

原因分析

轮机人员对发生活塞环折断后的活塞进行分析观察，发现其环槽内、环背面积聚了一层厚厚的沉积物（图4）。这些沉积物是导致活塞环断环的直接或者间接的原因[14]。

图4 活塞环断环

活塞环磨损断环一般是多种故障累积造成的。断环的原因是活塞环出现卡阻，活塞环槽内积聚大量的积碳或者沉积物，导致活塞环自由活动受到限制，甚至出现活塞环“卡死”现象，进而发生活塞环断环现象；另一方面，当活塞环背面堆积了大量沉积物或者积碳的时候，活塞环被顶出环槽，活塞在做上下往复运动过程中，当运动到扫气口位置时，环挂住扫气口，极易出现活塞环断环现象。气缸套磨损原因也会导致活塞环断环，首先缸套上部由于长时间磨损形成凸台，当活塞运行到上止点时，第一道气环会因凸台的冲击而导致断裂。其次，缸套表面磨损，使缸套轴向出现锥度或呈鼓形，在圆周方向磨成椭圆形或不规则的棱圆形，从而使活塞环在上下运动中将产生局部应力，不均的受力导致活塞环冲击断裂或疲劳断裂[15]。极少部分还会因为活塞环质量不合格，抑或在安装过程中，安装方向错误、安装搭口间隙过小，冷热交替易变形，使活塞环在运动过程中被折断[16]。

建议及解决措施

针对造成活塞环断环的原因，建议从4 个方面进行预防解决：

◇关于零部件的选择和安装，尽量选择硬度高、耐磨性好的镀铬环、陶瓷环等，切忌使用其他旧环代替第一道环和第二道环，在安装时，按照说明书要求，准确测量天地间隙，使用专用工具进行装配，确保搭口间隙在说明书要求的范围内[15]。在平时的扫气箱检查中，定期测量活塞环的搭口间隙，关注活塞环自由活动、缸套磨损等基本情况。当发现活塞环发生黏着、断裂等现象时，应及时停机，并开展吊缸检查，视情况，采取下一步举措。

◇关于燃料油的选用，选择正规炼油厂商炼出的燃油，避免不同批次的燃油混装，减少油泥析出；使用过程中，采取“先装先用”的原则，减少燃油长期静置，带来的燃油分层沉淀现象，以此来确保燃油在进入燃烧系统中的品质，避免燃油的非正常燃烧。

◇尽量选择高质量、高清净分散性的气缸油产品进行润滑，及时将活塞表面的积碳或沉积物冲洗清洁掉，避免进入活塞环槽内。

◇管理维护方面，轮机人员需缩短扫气箱检查的周期，当发现活塞表面较脏，或有过多的沉积物时，可以通过调高注油率或切换气缸油的使用模式等方式，利用适当大流量气缸油的冲洗，尽可能地将燃油产生的燃烧产物或者积碳从活塞和缸套之间冲洗掉。

船舶管理建议

综上，结合二冲程船舶低速机发生常见问题和故障的原因分析，本文总结了以下几点建议，供船舶管理者参考。

燃油方面

加强燃油管理，严选炼油厂商，关注燃油各性能指标，条件允许可先对燃油进行化验分析，视结果，加装燃油，以此从源头上确保燃油质量。做好油舱燃油的转驳、并舱工作，避免不同批次的燃油混装混用。燃油采取先装先用的原则，避免因长期储存，一些储存稳定性不好的燃油出现分层，影响后期使用。同时需定期清洗油舱，若长时间不洗舱，就会导致油舱底部边角处积聚大量杂质或燃油析出的催化剂颗粒，以此确保新加装的燃油不受污染。燃油在加装的过程中，全程取样留存，方便后期油样化验。燃油在使用过程中，可按照要求使用燃油添加剂，保证燃油燃烧充分。

润滑油方面

关于润滑油的选用，可按照发动机的说明书要求或咨询润滑油厂商的技术人员，选择适合船舶的高清净分散性的润滑油产品或者润滑油使用模式。目前航运界关于气缸油的使用模式主要有4 种：单独使用40BN 的气缸油、单独使用70BN的气缸油、40BN 与70BN 气缸油交替使用、40BN 与100BN 气缸油交替使用。依据船舶工况，船员需选择适合自己船舶的使用模式。关于气缸油的注油率调整，MAN 在其发动机说明书中规定注油率可设定在0.6～1.7 g/kWh。但结合目前发生故障的众多案例中，不宜考虑需节省润滑油消耗选择低的注油率，也不宜设定得太高。具体调节方法可以参照MAN SL2019-671 通函。依据目前航运界的使用经验，可将气缸油的注油率设定在1.0 g/kWh 左右，后期跟据扫气箱检查的结果进行调整。

设备及管理

首先设备选用方面，尽量选取原厂配件，使用过程中，按照说明书进行安装、磨合。

机务管理方面，机务主管应及时将每次加装的燃油化验单提供给轮机人员，并对燃油的使用及管理给出精准的指导。当船舶长时间抛锚时，要告知轮机人员核实各设备正常后，方可启动机器。对于燃油舱长时间存储的燃油，机务人员需及时告知船上可通过燃油驳运泵进行内循环泵油，防止长时间静置导致燃油分层[10]。

在平时的设备管理维护中，轮机人员需定期开展设备巡视、扫气箱检查。定期测量和调整主机热工参数，确保主机保持在最佳工况；定期测量示功图，通过分析气缸压缩压力、最大爆炸压力、负荷分配、燃烧始末点等参数，判断燃油在气缸内燃烧质量，一旦发生异常变化，需及时查找原因[16]。加强冷却系统的维护与管理，控制冷却水的温度在80～90 ℃之间。定期检查“三滤”设备（空气滤清器、润滑油滤清器、燃油滤清器）的清洁情况，提高分油机的分离质量，采取控制分离时的温度和流量，双机并联或串联分离的模式。定期检查高压油泵、喷油嘴、排气阀等磨损部件的磨损情况，缩短检修周期。

结束语

在船舶切换使用低硫燃油后，二冲程船舶低速机出现问题和故障的频率增加，本文主要介绍了一些频繁发生、较为常见的问题和故障。通常，这些问题和故障不是一时就能爆发的，而是一个长时间累积的过程。因此我们应该以预防为主，在平时做好对燃油、润滑油及设备的管理，注重设备维护和保养，以降低设备故障及问题发生的概率，最大程度地延长设备的使用寿命。