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使用低硫燃油时的气缸油应用

在步入2020这个多事之秋后,船舶大面积开始使用低硫燃油,由于最初直硫油的价格高居不下以及供应不足等问题,大部分没有加装脱硫塔的船舶开始使用新型低硫燃油。如今大家发现“超磨”案例越来越多,其中有老船,也有新船,有的船全部缸发生异常积碳和磨损,有的船个别缸发生“超磨”拉缸,有的船还发生活塞头和缸套有“红色沉积物”的现象。

一文中介绍了某个“超磨”的案例,这些比较特殊的“超磨”案例一般都是在使用低硫油后开始发生,目前还处于散发的状态,初步分析是由于不同因素叠加造成的,如燃油种类和品质、燃油进机粘度控制、cat fines异常、燃油在船处理、分油机设置、发动机(缸套,活塞环,油头,喷嘴等的)技术参数、气缸油的应用等等。前几篇文章我们具体介绍了,,以及。

对于某些案例,有船东开始怀疑是否气缸润滑出了问题,难道是40碱值气缸油不适用于目前的低硫油?还是注油率不够?或是普通HSFO状态下的所推荐的注油率不适用于新型低硫燃油的应用?为了帮助大家对气缸油有更加深入的认识,现在我们针对气缸油做些详细介绍,希望可以帮助大家解决一些疑惑。

关键词:超磨,粘温特性,清洁性,积碳,气缸油配方,碱值,注油率,磨损率

1.气缸油的重要参数

说到气缸油,大家都是在讲70还是40,除了碱值有区别,很多人会认为各家的气缸油基本都差不多,只是品牌和价格有所区别罢了。

一款合格的气缸油除了能满足酸碱中和的基本要求外,需要在四个主要方面发挥应有的作用,如图1所示,气缸油(不同颜色代表不同的产品)性能千差万别,越靠近外围的性能越好:

250摄氏度下的粘度,气缸油是否能在高温下保持油膜的完整性和连续性。

总沉积物控制,一方面是气缸油的清洁能力,另一方面是气缸油在高温下形成沉积物的趋势;

总氧化度控制,油膜在高温下是否容易发生热裂解而产生沉积物;

挥发性,气缸油挥发性的高低决定了高温下油膜的厚度,而油膜厚度决定了是否能提供足够的保护;

图1:气缸油的重要性能和参数

1.1粘度/高温粘度

主机厂对气缸油的粘度有一个最低要求:18.5 ~ 21.9 cSt@100C ,粘温指数VI不能低于95。

在图2中用红色粘温曲线代表最低要求,而蓝色代表了市面上质量比较好的气缸油产品。

图2:两种气缸油的粘温曲线对比图

图2中,在250摄氏度时,蓝色的粘度为2.03 cSt,要比红色的高0.23 cSt,不要小看这细微的差别,往往就是这点区别在关键时候发挥了重要的作用。

在中介绍了燃烧室各个部件的典型温度(图3),缸套上部的温度接近250摄氏度,所以气缸油能否经得起高温的考验,我们必须要考量气缸油在250摄氏度时的粘度,是否能够形成足够的油膜来保护缸套和活塞环。而不只是单单看100度时的粘度。正常情况下温度每升高10摄氏度,滑油的氧化速度就会翻翻。

图3:燃烧室各个部件的典型温度

1.2总沉积物控制

气缸油要有足够的清洁性,特别是当燃油质量不好的情况下,需要气缸油有强大的清洁分散能力来去除燃烧不良产生的异常产物,保持活塞头以及活塞环槽的清洁度。如图4中所示,A油的沉积物控制力要比B油好很多。

图4:活塞环槽沉积物控制对比

研究结果显示,活塞环槽积碳厚度越大,那么对活塞环的磨损就越大,严重时还会引发活塞环卡滞甚至拉缸。所以控制沉积物对延长活塞环甚至缸套寿命至关重要。

图5:积碳厚度和活塞环磨损率的关系

1.3 总氧化度测试

图6.热管测试 – 热稳定性对比

气缸油要能承受高温,否则分子结构可能会被破坏,使得添加剂失效,粘度增加,产生酸性物质、油泥以及沉积物。热管测试(hot tube test) 用来评估气缸油在活塞头和活塞环槽形成积碳的趋势。测试中将气缸油通过玻璃管,加热到300+摄氏度。然后观察玻璃管内积碳的程度。

如图7所示,数字越低说明热稳定性越好,玻璃管内的沉积物越少。现在新型发动机的设计使得燃烧室温度和压力越来越高,对气缸油越来越具有挑战性,如果气缸油的热稳定性不好,那么就很容易在高温下发生高温裂解形成积碳。容易造成活塞头和活塞环槽的沉积物堆积,严重甚至引发异常磨损。

图7.热管测试结果对比

1.4 高温挥发性

气缸油挥发性决定了在高温下是否能保持足够油膜的厚度,挥发性主要取决于气缸油采用了哪种基础油原料,不同类型的基础油原料的高温粘度和挥发性是不一样的(图8)。气缸油基础油一般是有多种原料调和而成,表1是部分具有代表性的原料,Solvent xxx Neutral,其中xxx代表了粘度等级,如S600N,也可以称为SN600,一般粘度越高价格越贵。

表1:不同基础油原料的参数

图8:不同原料的粘度和挥发性的比较

前面讲到,主机厂要求气缸油在100摄氏度的粘度在18.5~21.9cSt,一般气缸油的基础油需要几种原料调和而成,为了提高粘度,有时必须加入Bright Stock(简称BS,白油或光亮油),因为质量一般的BS在高温下容易氧化形成油泥和积碳,所以有的气缸油配方为了增强性能而加入PIB(聚异丁烯)等合成型的增稠剂,PIB的高温表现非常显著,而且VI非常高,有利于提高气缸油的高温粘度。但是PIB的价格往往比较高,所以如何在成本和性能之间找到最佳的配方,各家滑油供应商的方法往往不太一样。好的气缸油一般会采用Heavy Neutral,如SN600或以上,再加入高质量的BS或PIB。还有一点需要大家注意的是,因为供应网络和成本因素,不是每个滑油供应商都可以保证其产品性能在全球范围内的一致性,需要大家注意。

那油膜厚度意味着什么呢?一是可以建立有效的润滑体系(图9),油膜越厚越容易形成弹性流体润滑,从而避免异常磨损。

图9:不同的润滑类型,边界润滑、混合型润滑以及弹性流体润滑

二是对金属表面形成比较好的抗腐蚀保护,避免酸过度侵蚀缸套和活塞环表面(图10),厚油膜有足够的“空间”进行酸碱中和以及提供有效“距离”的防护。

图10:油膜厚度和酸腐蚀防护性能的关系

综上所述,通过对气缸油各项重要性能非常简要的介绍,大家可能会意识到:不是市面上的气缸油都差不多,相反气缸油的性能千差万别。

随着发动机设计的日新月异以及排放法规的日趋严格,气缸油的科技含量被迫提升,市面上的气缸油产品五花八门、鱼龙混杂,有十几年前的老配方,也有超前开发的新配方。我们需要看到气缸油的总体性价比,而不是简单的进行单价的对比,需要看整体的“润滑成本”,也就是气缸油总消耗量以及对发动机的维护保养来算总成本支出,有时简单的润滑失效可能造成数十万美金的损失。

2.气缸油的选择

针对新型的0.5%低硫燃油,气缸油特别是40碱值气缸油是否拿到了主机厂针对0.5%低硫燃油的最新认证是非常重要的。气缸油需要通过4000小时的在船测试,并且主机厂对测试机器有具体要求,需要有较新型号的发动机参与测试,在测试中期和测试结束后需要对油品的性能表现和发动机的磨损情况做全面评估才能获得主机厂的认证。

所以并不是市面上所有的40碱值气缸油都能通过测试,有的滑油供应商会有两种或以上的40碱值产品,有时由于供应问题会交替供应不同的产品,需要大家注意一定要选择主机厂推荐清单上的产品。

2.1 MAN的要求

根据MAN的服务通函SL2019-671/JAP,对于0.5%的低硫油,有一句“Start by using a 40 BN cylinder oil,depending on condition, up to 100 BN cylinder oil can be used”,“从40碱值气缸油开始,然后根据发动机状况,最高到100碱值可以被使用”。针对这句话有两层含义,一是40碱值的气缸油理论上足以应付0.5%的低硫油,前提机器运行正常;二是如果所使用的气缸油清洁能力不足或润滑性能不够,导致有异常积碳或磨损发生,那么就需要考虑调高注油率或者是换用更高碱值的气缸油产品。

MAN推荐的油品清单可以参考服务通函SL2019-686/JUSV (2019年12月)。对于新型低硫燃油来说,有的40碱值气缸油可以满足实际使用需求,而有的不行,所以需要从40碱值开始试用。文章前半部分也讲到每种气缸油的性能是千差万别的,需要在实际使用中来体验和证实。

图11:摘自MAN SL2019-671/JAP

在MAN服务通函SL2019-671/JAP中对不同的检查状况有相应的建议。发现一些异常现象后会要求增加气缸油的注油率来帮助解决问题,但也提到了如果发动机状况恢复正常后需要调低注油率。

图12:活塞环间状况(摘自SL2019-671/JAP)

图12中1是正常状态;如果第一道活塞环间有积碳(2)或第一道/第二道活塞环间都有积碳(3),那么需要考虑:将注油率加大0.2g/kwh,如果注油率已经超过1.0g/kwh,则可以考虑换碱值更高的气缸油。

图13:活塞环状况(摘自SL2019-671/JAP)

图13中的1活塞环状态良好;2(传统镀层)和4(陶瓷镀层)的活塞环有磨损痕迹,需要将注油率升高到1.2g/kwh,然后根据监控/检查的结果调降注油率;3的活塞环有损坏的痕迹,建议先将注油率升高到1.2g/kwh,监控这个缸的状态,考虑在合适的时候把活塞环换掉,并检查缸套的状况。

另外MAN也强调,要密切监控气缸残油的残留碱值和总铁含量,具体限值请参考MAN服务通函SL2019-671/JAP,不同缸径的缸套铁含量限值不一样。在以后的文章会针对气缸残油检测做详细介绍和分析。

2.2 WGD的要求

WGD对于气缸油的选择,针对图14有两项要求:

定期检测气缸残油的碱值和总铁含量,限值请参考WGD Issue 004 2019-12中的图2(25碱值及以下的气缸油)和图3(40碱值及以上的气缸油),以确保在安全区域内运行发动机。

通过扫气口定期检查活塞和活塞环的状况

图14:摘自WGD Issue 004 2019-12

WGD推荐的油品清单请参考WGD Issue 0042019-12指南,目前有家滑油供应商的产品(Mobilgard 540X)可以满足燃气和燃油模式,而双燃料主机的高温高压工况更加具有挑战性。

3. 气缸油的注油率

主机厂对不同类型的机器以及注油器有个通用的推荐值,最低从0.6g/kwh或0.8g/kwh开始,这个推荐是基于燃油的硫含量(高硫燃油)以及正常的燃油质量。照理说现在我们使用0.5%的低硫燃油,从酸碱中和的角度来说,最低注油率绰绰有余,那注油率是否可以参照最低的推荐值呢?低硫燃油和高硫燃油,以及在不同的机器上,注油率会存在一定差异性。事实上在实际使用中发现,由于目前新型低硫油的成分相对比较复杂,主机厂推荐的最低注油率已然不能满足新的需求,最主要的因素是新型低硫燃油燃烧不像以往那么顺利,形成的产物也是花样繁多,一方面需要气缸油有足够的清洁能力,保持发动机部件的清洁性,另一方面在燃烧产物异常的情况下,需要有额外的气缸油把杂质及时冲刷带走。所以在使用新型低硫燃油时,我们会发现相比正常情况下要临时提高注油率才能缓解相应的问题。

但是在相对较高的碱值注入的情况下(使用高碱值气缸油或高注油率),需要注意的是大部分的气缸油中残留的过量碱值在高温下会烧结形成灰白色的碳酸钙,这种物质如果过度的沉积在活塞头或活塞环槽中,就会引发过度磨损。此外过多的灰分可能会损坏增压器、废弃循环系统(EGR),甚至后处理系统(SCR),并有可能降低增压器的运行效率,从而增加油耗。如图15所示,在使用质量不太好的低硫油情况下,需要额外的气缸油来冲刷燃烧产物,那么高碱值的气缸油往往会产生负面效果,如产生额外的沉积物和磨损等,当然还要取决于气缸油本身的性能(如前文讲的四个主要参数特点)。

图15:活塞头和排气阀的积碳

下图16著名的“浴盆”曲线阐述了我们的“中庸”之道,不偏不倚谓之中。之前有两个因素来决定注油率的高低,一个是缸套磨损率,另一个就是气缸油消耗量,在两者之间谋求一个平衡。现在又要增加一个低硫燃油的因素,在使用成分复杂的新型低硫燃油情况下,如果气缸油的清洁性能不够,或是燃烧产生的杂质太多,油膜强度不够,则如主机厂的建议,可以考虑稍稍加大注油率,就当作“磨合期”需要冲洗杂质一样,在跑一段时间后(例如48小时),检查扫气口,如果发现有白色沉积物,则需要及时下调注油率,以确保没有白色沉积物的产生。这也说明了碱值(灰分)和清洁性之间平衡的重要性。

图16:注油率和缸套磨损率的关系

另外,不同的气缸油在相同的注油率下,对缸套的磨损率也是不一样的,如图17。这就说明了为什么好的气缸油在相同的注油率下能更好地保护发动机。

图17:不同气缸油在相同注油率下缸套的磨损率

以前我们在三条同型姐妹船上做过长期测试,航线相同,燃油基本一致,发动机工况也差不多。然而三种品牌的相同碱值的气缸油性能表现大相径庭。如图18所示,A油在相对低的注油率下还能保持很好的状态,并且残油检测结果都比较好;相比之下B和C油就差强人意,残油检测结果也表明铁含量偏高。

图18:不同气缸油的表现

重要的是如何判定使用中的注油率是否合适,需要在日常检查中积累经验,必要时的扫气口检查,以及定期的气缸残油检测是非常有必要的,特别是在发动机工况变化时,如换了燃油以后,负荷变化比较大时,甚至是海况比较恶劣的情况下,需要增加检测的频率以确保发动机的安全运行。

4. 关于40碱值气缸油

如果单单是中和0.5%的硫分,那么40碱值绰绰有余。在燃油质量没有异常的情况下,如果选择的气缸油碱值过高,或者注油率太大,都会造成气缸残油的残留碱值太高,短期(一般定义为两周)可能影响不大,但长期使用势必会造成缸套的异常磨损(磨损量接近或大于主机厂的极限值,如0.1mm/1000 hours)。

磨损量在日常的扫气口检查中很难发现,只有在吊缸的时候去详细测量或借助一些专业工具放入扫气口来测量缸径(很少有船会配备此类工具),从而得到准确的磨损数据。因为普通检查很难发现这些缓慢的异常磨损,很容易被忽视,一般会认为,为了保证安全,注油率就高不就低,但日积月累就会造成缸套寿命缩短的问题。

气缸油的清净分散剂是具有basic(中碱性)或者是overbased(超碱性),所以传统配方的气缸油清洁性能和碱值是成一定的比例的,给大家造成的理解误区就是,碱值越高,清洁性能越好。

现在新型的低硫油往往有些异常组分,这些组分产生的燃烧产物需要被及时清理掉,否则累积在燃烧室金属表面就会造成一些不良的后果。所以原本是由气缸油的清洁分散能力来完成的工作就交给了过量的碱值来完成,从而发现清洁问题没有根本解决,反而造成残留碱值过高而引发的一些问题。

所以碱值和清洁性平衡非常重要,一方面有合适的酸碱中和能力,另一方面有足够的清洁性,而市面上一些传统配方的40碱值气缸油不能胜任目前新型低硫燃油的挑战。如图19所示,新型气缸油在保持碱值前提下,增加了清洁性能,以满足实际使用中的需求。

图19:不同气缸油的碱值和清洁能力的区别

而且两种配方的气缸油表现差异是非常明显的,如图20所示。

图20:两种配方气缸油的表现

结束语

了解气缸油的重要性能参数对发动机安全运行的意义,选用合适的气缸油产品以及配以合适的注油率。各船使用的燃油和气缸油状况都不一样,如发现气缸内部沉积物异常或者活塞头/活塞环部位比较脏,如果当前使用的气缸油清洁能力不够,可以考虑稍稍加大气缸油注油率或换用高碱值气缸油数日,待情况改善后再调降注油率或切换到原来的气缸油产品。

对于成分复杂的新型低硫燃油,由于燃烧的产物异常,产生的杂质需要被及时带离气缸,在这种情况下,所推荐的低注油率往往不能满足需求,需要考虑临时加大注油率来冲刷杂质,在一定程度上可以缓解燃烧造成的问题。

了解气缸油酸碱中和能力和清洁能力的平衡,需要认识到有时候并不是碱值越高越好,在此基础上选择合适的气缸油产品以及调整合适的注油率,并做好燃油的识别以及在船处理操作,以确保主机安全运行。

由于航行中不能每天都进行扫气口检查,所以在日常船舶管理中定期检测气缸残油碱值和铁含量的变化趋势,可以及时发现故障发生的前兆,并及时采取一些补救措施,从而避免气缸“超磨”状况的突发。如何有效利用气缸残油检测,会在以后做详细介绍。

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