船舶润滑油品手册

船舶润滑油品手册内容摘要：

了柴油机性能的发挥。 对筒状活塞柴油机来讲，它气缸下端和曲轴相连，活塞和缸壁靠曲轴转动时飞溅润滑，同时起到冷却、密封的作用。 对大型筒状活塞柴油机也同时可在缸壁上设置注 油孔进行润滑。 图 21 船用十字头发动机典型的润滑系统 与筒状活塞柴油机不同，船用二冲程十字头柴油机设置了横隔板，将气缸部分与曲轴箱分开润滑，气缸部分的润滑油称为船用气缸油，它由缸壁上的注油孔，如 MAN 公司的低速十字头发动机，每缸至少八个注油孔，由注油孔注油至环带区，在十字头柴油机中气缸润滑油是不循环使用的，属一次性消耗，一般不注入曲轴箱。 而其曲轴箱润滑油是独立的循环油系统，亦称系统油，其主要在油泵的压力下流向各润滑面同时冷却活塞。 润滑系统 作为船舶动力装置，船舶柴油机的润滑系统，通常由曲轴箱强制润滑，废气涡轮增压器润滑和气缸油注油润滑等。 在某些机型中，曲轴箱强制润滑还为活塞提供冷却用润滑油。 曲轴箱强制润滑 该系统一般有两种形式：湿式曲轴箱润滑和干式曲轴箱润滑。 ◆ 湿式曲轴箱润滑 全部润滑油贮存在油低壳中，油低壳起着循环油箱作用，这种润滑系统较简单，但由于润滑油易漏到曲轴箱中的燃气接触机会较多，所以油质变化严重。 ◆ 干式曲轴箱润滑 为保证柴油机可靠地润滑和延长润滑油的使用寿命，目前大多数船用主机和辅机都采用干式曲轴箱润滑。 涡轮增压器润滑系统 涡轮增压器是高转速的机械，选用柴油机曲轴箱油亦可满足其轴承的润滑要求，那样可简化或和主机同一个润滑系统，否则需要专用的透平油，则需有另一专门的润滑系统。 气缸注油润滑 大型低速十字头柴油机的底部有横隔板将气缸空间与曲轴箱空间分开，缸套的润滑采用注油方式润滑，也就是专设的气缸注油器将润滑油 经注油接头达到气缸周壁的各注油孔，是独立的润滑系统。 图 22 气缸注油润滑系统示意图 1气缸油储存柜； 2气缸油滤器； 3气缸油输送泵； 4手动泵； 5气缸油日用油柜； 6气缸注油器； 7注油接头； 8气缸套； 船用柴油机油分类 根据船舶动力装置中所涉及船舶上的机械繁多，而且都有润滑和使用润滑油脂的地方，品种也杂，但归纳起来，大致可分为 四大类： 气缸油 用于润滑大型低速十字头二冲程柴油机油活塞和气缸套间的润滑，由于二冲程十字头发动机的冲程比较长，所以气缸和曲轴箱是分开润滑的，这从图 22 中可看出。 系统油又称曲轴箱油 主要作用是润滑、冷却、防腐等，用于大型低速十字头式发动机的曲轴箱润滑，有时亦可用于增压器轮机等的润滑。 中速筒状活塞柴油机油 主要用于主机为筒状活塞的中速柴油机的润滑 , 亦可用于高速的辅机，其特征是燃用劣质渣油燃料，因此它的燃烧产物也很易进入曲轴箱中，所以亦应具有气缸油中和酸性产物 的作用。 高速柴油机油 主要用于发动机为高速柴油机的发动机润滑，其发动机特点和使用的燃料基本与陆用柴油机类似，因此相应质量级别的柴油机油可以满足船用高速柴油机的润滑，但要注意使用场合，并考虑油品的防锈和与水分离性的作用。 其他油品 舷外机油、以及用于不同的机械油品，如透平油、液压油、冷冻机油、齿轮油、压缩机油，尾轴油等。 船用柴油机油的发展 与普通柴油机油和汽油机油相比，船用柴油机油的发展速度较慢，也没有明显的质量等级的更替。 但是为了满足船舶用户的使用要求和新的发动机设计对机械润滑的要求，船用油的质量水平也在不断地提高。 碱值的提高只是其更新的一个方面，它反映了船舶用户所用燃油的变化情况，应该说，发动机设计的革新对于船用油的发展则更具有具体的技术意义，而正在不断推出的船舶排放法规将对船用油的发展产生更为积极和深刻的影响。 海洋环保法规的要求 据统计，在航运发达的国家（如挪威）， 40%~50%的氮氧化物 NOx 排放来自船舶。 在港口和航线密集的海区，如英吉利海峡，船舶排放的废气是该地区的主要污染源。 加之船舶越来越多地使用劣质燃料，硫化物 SOx 的排放量也随之增加。 船舶发动机的排放也成为影响全球 空气质量和环境的重要因素之一。 为此，国际海事组织 IMO（ International Maritime Organization）提出了让海洋更清洁的口号，于 1990 年 9 月在“防止船舶空气污染及燃油品质”中提出了船舶排放控制标准， 1997年 9 月制定了《 73/78 国际防止船舶造成污染公约》（又称 MARPOL73/78 公约）的新增附录 VI—— 《防止船舶污染大气规则》，规定了船用柴油机的排放控制标准，要求 2020年 1月 1 日以后建造或重大改装柴油机都要执行合约的规定。 该附录于 2020 年 5 月被 15 个签约国批准，要求 2020年 5月 19日起强制执行。 MARPOL73/78 公约中对船舶柴油机的有害排放主要控制以下 2 点： ① 关于 NOx 排放的限制 低速机（转速 130r/min） 为 17g/kW h 中速机（ 130r/min转速 2020r/min）为 17~ h 高速机（转速 2020r/min）为 h ② 关于 SOx 排放的限制 禁止使用硫含量大于 %的燃料，并设置了 SOx 排放控制区，在这些区域中燃油硫含量不得高于 %。 MARPOL73/78 公约对航运业的主要影响：一是含硫低质燃料的使用受到了 限制，而使用含硫低质燃料是降低运输成本的一项最有效的成果，目前，燃料油的平均硫含量是 %。 二是对发动机设计的影响，经过多年的改进，目前绝大部分的发动机已经能够满足对 NOx的控制。 但是在控制区还是会受到较大影响，特别是欧洲议会提出的实施计划，将会对在欧盟码头停靠的船只、在欧盟领海水域的船只使用燃油硫含量加以限制。 发动机技术的发展 船用柴油发动机的设计思想是在满足环保法规的前提下，追求更大的功率，和最低的使用费用。 目前，在低速十字头发动机方面，最强劲的发动机输出功率已经超过 65000kW，而每 千瓦小时的燃油用量已经从先前的 200210 克降至 165170 克乃至更低。 围绕这两个目的进行的发动机设计方面的改进是： ① 为了更高的工作效率，不断提高冲程 /缸径比例，目前这个数值已经接近 4/1，称为超长，紧凑型柴油机。 与之相应的是发动机转速不断降低，已从 70 年代的 120170rpm 降至目前的 58100rpm。 国内沪东造船厂从丹麦引进的 5S50MC－ C 型柴油发动机即属于这种新型发动机，其冲程增加了 ％，而缸径减少了 ％，主机功率增加了 10％。 ② 为了提高燃油经济性，延长了燃油燃烧时间，并且 降低了螺旋推进器的旋转速度，从而获得更高的推进效率。 ③ 提高平均有效压力，从而大幅度提高发动机的输出功率。 平均有效压力已从 70 年代的 912bar 提高到目前的。 ④ 燃烧室温度比以往有所提高，但发动机部件的热载荷并不因此而提高。 ⑤ 为了满足 MARPOL73/78 公约， NOx 的降低是以牺牲部分燃油经济性和热效率为代价的，第一环区的温度还将有所降低，采用直喷式燃烧室、可变喷油定时、废气再循环、缸内喷水等措施。 而 SOx 降低的最有效措施是降低燃料油的硫含量 ,虽然使用含硫低质燃料是降低运输 成本的一项最有效的效果。 因此发动机的设计需要在环保法规和燃油经济性之间得到平衡 ⑥ 其他方面的改进，包括针对发动机部件承载更有效的涡轮增压系统；改进燃油注射器，从而使得劣质燃料能够有效地燃烧；改进气缸油供应装置以便于润滑控制；降低润滑油的消耗量；延长大修期间隔等等。 气缸油的发展 最先研制出的气缸油是乳化型气缸油，是将水溶性高碱性化合物如醋酸钙，用一种乳化剂掺混到合适的基础油里，水占乳化液重量的 21%，这种气缸油由于稳定性差已经完全被淘汰。 后来研制出一种不溶于水的碱性物质，它在油里保持极细的 颗粒悬浮状态，这种气缸油有良好的中和酸和承载能力，但长期储存时，一部分极细颗粒的碱性物质会脱离悬浮状态，形成泥渣和沉淀物，这种气缸油也基本被淘汰。 自 50 年代开始研制一种油溶性气缸油，它是在油中加入油溶性的碱性添加剂而成的。 这类气缸油除具有良好的中和能力、承载能力、降低磨损外，还有长期储存时添加剂不会沉淀下来，使用时能保持气缸内部清洁等特性。 现在大型低速十字头发动机都是使用这种油，一般均选用 SAE50 粘度等级。 50 年代开始发展的油品碱值只有 10~40mgKOH/g，以后随着船用燃料向重油劣质、高含硫量发展， 逐渐出现碱值 70、 100 mgKOH/g 的气缸油。 但用得最多的还是 70mgKOH/g 的气缸油，它可适用于燃用硫含量 ~%的船用燃料的发动机润滑。 系统油的发展 最先使用的是精制较好的纯矿物油，不加添加剂，而是通过油中本身的天然抗氧组分，来保持油品稳定，它允许水洗分油以除去酸性物和其他污染物。 然后使用的是含有抗氧剂和防锈剂的系统油，这种油改进了纯矿物油的抗氧和防锈性能，但它碱性太低，目前很少使用。 自 50 年代起开始发展清净 分散剂油，这种油除了加入抗氧、防锈剂外，还加入清净剂。 具有抗 氧、防腐以及防高温沉积物性能，这种油一般不能水洗分油，但不可避免地要被水污染。 所以，这种系统油还具有抗水性和破乳性。 中速机油的发展 第一代中速机油中，没有或较少加入金属清净剂；第二代中速机油中，只加入金属清净剂和少量抗氧剂；第三代中速机油中，不但加入金属清净剂而且加入无灰分散剂和抗氧剂。 现在使用的是第三代中速机油，它具有良好的抗氧、防腐、抗水性能，以及碱性保持性和控制活塞沉积物性能。 由于中速机油燃料也向重质、劣质燃料发展，大功率的船舶使用的燃料硫含量也在逐步提高，已经达到 %以上，所以中 速机油的碱值也跟气缸油一样不断提高，现在已经有 40 mgKOH/g 的中速机油，但用得最多的还是 25~30 mgKOH/g 的中速机油。 船用柴油机油的未来发展 发动机设计的改进无疑使得船用油的使用工况更加苛刻，而其中对润滑油性能要求有较大影响的参数包括：发动机燃烧性能、涡轮增压和平均有效压力、单位气缸体积的燃油消耗以及发动机轴的转动频率等等。 针对于以上发动机参数的变化，船用润滑油的发展趋势可以概括为以下几点： ① 新的设计导致了更高的燃烧温度以及更高的系统压力，相应地提高了润滑油膜的热负荷和承载负荷。 这就要求润滑油在高温下依然能够保持足够的粘度，能够形成足够强度的油膜。 提高粘度等级或者选用更高粘度指数的基础油是船用油的发展趋势之一。 ② 在某些新型的发动机中考虑到了发动机部件的冷却问题，较低的温度对于润滑油的高温性能的要求降低了。 但是冷却之后的温度却逐渐接近硫酸的露点，从而加剧了设备的腐蚀。 而且随着气缸压力的增加，硫酸的露点也相应增高，从而对船用油的碱值及其保持性提出了更高的要求。 ③ 燃烧时间的延长使得润滑油膜更长时间地处于高温下，这就要求气缸油具有更好的高温安定性、低挥发性、良好的扩散性、粘附性能。 ④ 新的发 动机设计增加了系统压力，粘着磨损成为主要关注点，因此要求润滑油有更好的抗磨性能，同时也应具备更好的碱保持性能，及时中和酸性生成物。 ⑤ 为降低排放，要求润滑油低灰份、低磷、低金属含量，同时还要考虑到新型船机的尾气后处理系统对润滑油组成的限制。 ⑥ 船舶的应用范围在不断扩大，小至小型快艇，大至万吨级的轮船，都有快速发展，因此船用柴油机油的品种也在不断延伸，高速柴油机油的品种随着发动机技术的发展也在不断升级。 船用柴油机油性能要求 气缸油的性能要求 在大型十字头式柴油机中，气缸润滑是一个独立的润滑系统，在当代船用柴油机的高强化，燃油劣质化的发展中对气缸润滑提出更为苛刻的要求，气缸油的质量直接影响到发动机功率的发挥和使用寿命，同时关系到整机的安全运转，维修周期的长短和航行的安全。 为此，船用气缸油应起到以下的作用： ① 减少摩擦损失，防止活塞和缸套的过渡磨损 ② 带走热量和燃烧产物 ③ 帮助密封燃烧室空间 ④ 在金属表面形成油膜，避免燃气和金属表面接触而引起腐蚀 ⑤ 降低噪音 根据气缸油所的工作特点，以及需要的作用，优质的气 缸油应有以下的性能： ① 润滑性 润滑的基本性能，对发动机来讲必须保证发动机在工作状况下，各摩擦副间有足够的油膜，从而减少金属磨损，而作为船用大型十字头发动机，由于活塞缸径大，尽管缸壁上有多个注油孔，假如没有良好的扩散性，也保证不了有良好的润滑，同时亦要保证在较高温度下，既保证气缸油一定的粘度，又要使其迅速均匀的覆盖在有关摩擦副面。 ② 酸中和性 船舶发动机为了降低成本，一般使用劣质燃料，燃料中硫含量起码在 %以上，甚至有燃用硫含量在 5%的。 因此气缸油除了必须有足够的总碱值外，还必须有较强的酸中和能力 ，以中和含硫燃料燃烧产生的腐蚀性物质，克服由此产生的腐蚀磨损，为了控制此类磨损，气缸油除了要具有与燃料硫含量相匹配的总碱值和一定的气缸油注油功率外，还必须使总碱值有效并具有较快的酸中和速度。 ③ 清净分散性 船用气缸油的清净分散性，以活塞、缸套与扫气口三个主要部位的沉积物和清洁程度来衡量，但燃烧和燃烧产物对清净分散性能起着重要作用，虽然高质量的气缸油配方是经过科学的复配而成，它具有良好的减少沉积物趋势，但不良的燃烧在很大程度上影响了气缸油清净分散性的发挥。