大型船舶柴油机使用劣质燃油的问题与对策

仇光伟，胡以怀，芮晓松，方云虎，张成

（1.上海海事大学商船学院，上海201306；2.中航鼎衡造船有限公司，江都225217）

0 引言

全球油价飙升影响到全球航运的经营环境，给航运界带来了不小的压力。航运业燃油成本持续升高，船用燃油价格2018年较2017年同期高出50%。这些经济方面的因素迫使船东选择低价的劣质燃油，但近期频繁发生因燃油质量问题而引发的船舶事故。从2018年3月美国休斯顿发生劣质油事件，到近期新加坡发现燃油质量问题，劣质燃油迅速在全球蔓延开来。包括中国香港、东南亚、美国、荷兰等地区和国家的燃油被污染。燃油被污染（问题燃油）是指燃油被掺杂了一些其以往没有的成分。问题燃油会导致船舶故障。截止2018年9月，据统计已有100多艘船受到影响[1]。

据全球第二大多用途船舶航运公司 （BBC Chartering）首席执行官Svend Andersen透露，该公司旗下多艘船舶因遭遇问题燃油而致船舶故障，为此付出了大量的拖轮费用及清油费用，遭遇严重损失。据了解，从2018年春天以来，该公司旗下曾有5艘船舶在美国休斯敦港加注过燃油，之后船舶分别出现了不同程度的机损事故。美国知名的燃油检测公司 （Veritas Petroleum Services，VPS） 确认超过30艘在休斯顿加注过受污染燃油的船舶都遇到了严重问题，如：柱塞偶件咬死，燃油泵损坏等。在美国遭遇问题燃油事件后，BBC Chartering旗下船舶还在新加坡遭遇了另外2起问题燃油所引起的事故[2]。

1 船用劣质燃油的特点及影响

使用劣质燃油虽然在经济层面上解决了不少难题，但也引出了新的问题。从柴油机的运行工况来看，劣质燃油会大大增加柴油机的热负荷与机械负荷，燃烧过程不好，造成烟气增多、排气温度增高，甚至会引发气缸结碳。原因在于劣质燃油密度比较大、黏度比较高，成分比较复杂、着火性能比较差。因此，有必要对其成分及理化性能进行深入了解。

1.1 化学组成及来源

船用劣质燃油也称低质燃油或残渣油，其相对质量密度可以高达0.98，主要来源于石油产品。此外，还有少量船用劣质燃油从页岩产品提炼而得，其组成元素主要是碳和氢，即为烃类混合物。船用劣质燃油中存在不少的氮、氧、硫等元素，燃烧后会产生大量的氮氧化物、硫氧化物等，这些都是船舶造成污染的罪魁祸首。

船用劣质燃油按其化学成分的微观结构，可分为脂肪烃、环烷烃和芳香烃三大类及相当数量的酚类化合物和脂。前三类是燃油的基础，船用劣质燃油以不易燃烧的环烷烃和芳香烃为主。

脂肪烃又可细分为烷烃、烯烃和炔烃，是一种饱和烃，热稳定性差，碳原子呈长链状依次排列。柴油机燃油中烷烃含量越高，其着火性能越好。烯烃和炔烃的主要作用是改善燃油的抗爆性。环烷烃呈环状，热稳定性好，较适宜做汽油机的燃料。芳香烃含有苯环，结构最为稳定，其着火性能最差，含量过高时禁止用于船用燃油。针对近来频发的劣质油事故，VPS进行了更深入的化验分析，找出了劣质油中含有高浓度的酚类和脂，还在一些油样中检测出了高沸点的羧酸。坐落于瑞士日内瓦的权威检测机构瑞士通用公证行 （SGS）指出，高沸点的羧酸物质对柴油机危害极大。

在芳香族化合物中，若其苯环上的氢原子被羟基 （-OH）取代，形成的新的化合物就被称为酚类化合物。酚类化合物具有微酸性，腐蚀性较强，其熔点比较高。如，对枯基苯酚 （C15H16O）熔点为74℃左右。柱塞偶件属于精密偶件，配合精度要求很高，配合间隙一般控制在1.5～2.5 μm。由于对枯基苯酚熔点高并且缺乏良好的润滑性能，其晶体进入柱塞偶件时会发生阻塞现象，引起燃油泵故障。酚类的来源主要有2种，一是页岩油，二是酚焦油。在页岩油中酚类化合物比较普遍，可达到1～8 g/L，因此酚类污染物有可能来源于页岩油。使用异丙苯氧化法制备苯酚后剩下的部分混合物称为苯酚焦油。苯酚焦油主要成分为α-甲基苯乙烯（含量最多）、对二甲苯、异丙苯、苯酚、苯乙酮等。据查证，其中酚类含量占据一半以上。

含酯污染物包括生物柴油和地沟油。其中生物柴油的主要成分是脂肪酸甲酯 （fatty acid methyl ester），由脂肪酸甲基化生成。其可以细分为含有碳-碳双键的不饱和脂肪酸甲酯及碳链在12～18的饱和脂肪酸甲酯。作为生物柴油，它在性价比方面远远不如石化柴油，稳定性差、不易保存、容易变质，进而产生脂肪酸，影响了燃油的总碱值，造成柴油机的腐蚀，因此很少用于船舶燃油。

一些非法商家向燃油中加入地沟油以降低成本。这些地沟油通常是植物性油。地沟油在制备过程中要加入多种溶剂。这使得燃油的安定性大打折扣，易产生油泥、结块，不利于清理燃油舱，还会造成驳运燃油困难、过滤器阻塞、油水分离器故障、机械部件损伤，燃烧不完全而产生黑烟等不安全因素并污染海洋环境。这种燃油水分过多，易引起供油中断；其钠、钒和硫的含量较高，会发生高温腐蚀和低温腐蚀。

在中国市场上，船用残渣型燃料油的生产方式发生了巨大转变。从以传统的直馏、减压蒸馏的渣油为基础原料，结合生产线上重质柴油馏分调制而成的较稳定组分，演变成以油浆、页岩油组分作为主要原料，使用、甚至出现大量使用溶剂油、煤焦油组分、乙烯焦油组分调制而成的船用残渣型燃料油的现象[3]。

表1 近年来调制船用残渣型燃料油的原料变化

1.2 劣质燃油特性及对柴油机的影响

劣质燃油具有十六烷值低、黏度高、密度高、残碳值高、沥青质高等特点，并且所含的水分、硫分、灰分和机械杂质很多。

1.2.1 十六烷值

十六烷值用来衡量燃油的着火性能。其他条件相同时，十六烷值越高，着火性能越好、滞燃期越短、燃烧越平稳。劣质燃油十六烷值低，导致滞燃期长、着火延迟、燃烧过程非常不平稳，严重者在柴油机低速运行或起动时着火困难。因此，对于船用重油，其十六烷值要求不能低于25。除了十六烷值，还可以使用芳香度指数ICCAI的值衡量着火质量，二者存在对应关系[4]。ICCAI为850左右时相当于十六烷值29～31，ICCAI为875左右时相当于十六烷值18～20。ICCAI可以通过测量计算后得到，ISO 8217-1996也推荐使用：

ICCAI= ρ-81-141lg[lg（v+0.85）]-483lg[T+273/323] （1）式中：ρ为燃油在15℃下的密度，kg/m3；v为燃油的运动黏度，mm2/s；T为燃油的温度，K。

1.2.2 黏度

一般来说，燃油的馏分越重，黏度越高。劣质燃油的黏度约在50～2 000 mm2/s。如此高的黏度造成燃油存储、驳运、净化和雾化方面的困难。

1.2.3 密度

劣质燃油的密度为940～1 060 kg/m3。密度高不利于燃油的净化和雾化，燃烧时易形成结碳。

1.2.4 残碳值

劣质燃油在不通空气的条件下，加热到全部蒸发后所留下的碳渣 （焦碳）的质量百分数称为残碳值。通过对残碳值进行检测，可以知道油中的胶质物质和不稳定化合物的含量。劣质燃油残碳值大，说明其燃烧时形成碳渣的倾向大。大量的碳渣就是很大的热阻，粘附在温度高的柴油机工作部件表面，不利于散热，造成活塞环卡死，喷油孔阻塞。

1.2.5 沥青质

沥青质是一种由多种复杂高分子碳氢化合物及其非金属衍生物组成的复杂混合物，无特定的化学方程式可以表示。劣质燃油中沥青质含量高，加热到300～350℃会引起沥青质裂化，生成大量的油胶质、碳青质，进而发生聚沉。沥青质呈胶状悬浮于油中，燃烧后会冒黑烟，不容易燃烧，其中还含有氮、硫、氧，以及钒、镍等金属元素。使用劣质燃油会经常出现喷油器喷孔堵塞、活塞环折断、气缸组件出现热裂纹等机械故障[5]。原因在于沥青质燃烧时会形成坚硬的碳垢，其牢固程度与燃油的硫分含量成正比。

1.2.6 水分

劣质燃油中存在较多的水分，使燃油热值降低，导致柴油机着火困难。水分中通常还有溶解性的盐类，它会使气缸表面附着积碳，加剧气缸的磨损。

1.2.7 机械杂质

劣质燃油中的机械杂质较多，熔渣、沙粒和铁屑的比重大。这些机械杂质有的是在储存过程中混入的，有的是随各种添加剂混入的，无法燃烧利用。如果劣质燃料中机械杂质含量高，会堵塞喷嘴，使喷射质量恶化，导致燃油燃烧效率降低，加大燃油消耗。

1.2.8 硫分

硫分是指硫元素在燃油中所占的相对体积质量。劣质燃油中的硫元素主要以H2S和硫醇的形式存在，且硫分大于2%，对喷油器、喷油泵、燃油管路和储油罐产生一定程度的腐蚀。燃烧产物SO3和H2O会形成酸雾，当气缸壁温度低于其露点温度时会形成硫酸，对气缸形成腐蚀，即所谓的低温腐蚀。

1.2.9 灰分

灰分是一类无机物 （主要为无机盐和氧化物），是指在高温下进行完全燃烧残留下来的固体部分。劣质燃油的灰分包括无机酸和有机酸的盐类，它们溶解在燃油中，还包括一些机械杂质、金属氧化物。由于灰分的大量存在，造成气缸组件、活塞组件和气缸盖组件零部件的高温腐蚀和磨料磨损。

由于劣质燃油有上述特性，给船舶运行和管理带来了困难。主要体现在以下5个方面，需要特别注意。

（1）燃油系统易出故障。由于劣质燃油黏度高、密度大、流动性差、分裂困难，使得燃料喷射雾化不良，油滴贯穿距离 （即油滴的射程L）过长，进而导致燃烧不良并且容易产生积碳。积碳增多会导致热阻变大，造成热负荷上升。劣质燃油中含有大量的沥青质、钠、钒、硫、硅、残碳，以及较多的水分、灰分等，这些物质会加速柴油机的磨损，使得机械负荷显著增高，引起喷油设备偶件（柱塞与套筒、出油阀、进油阀与回油阀、针阀与针阀套）过度磨损和卡滞、腐蚀严重，甚至出现喷孔磨损、堵塞、热裂纹和内外结碳[6]。

（2）燃烧性能恶化。劣质燃油喷射雾化困难，并且由于十六烷值低，着火性能差，使得最高爆发压力偏低。雾化不良还会使可燃混合气形成的速度放慢、滞燃期变长、燃烧不完全，柴油机工作不平稳，后燃期变长、排气冒黑烟且排气温度升高。

（3）曲轴箱润滑油易变质。劣质燃油的燃烧产物中包含大量的硫氧化物，凝结后形成硫酸，极易通过活塞漏入曲轴箱，使曲轴箱润滑油迅速变质。

（4）零部件易损坏。劣质燃油本身就含有铝、铁、钒、钠等金属颗粒和硅颗粒，原油提炼后剩下的渣油中含有大量沥青质、机械杂质，重油生产过程中还要加入一定量的催化剂和添加剂，这些因素直接导致劣质油中有害成分的增多，使得摩擦副零件之间发生颗粒磨损。较高含量的硫、钠、钒使得气缸套、排气阀及阀座、轴承、涡轮增压器等零部件产生高温腐蚀和低温腐蚀，加速了零件的腐蚀磨损。

（5）供油困难。劣质燃油密度接近甚至超过水的密度，而油水分离器分离的燃油密度最大只能达到991 kg/m3，这给油水分离器造成了困难。另外，油料黏度过大，在管路中凝结，导致输油泵吸不进油，进而导致进油和出油过程中断。

2 使用劣质燃油的对策

2.1 劣质燃油的管理

轮机人员要对燃油的性能参数进行系统的认识，要加强对劣质燃油质量的检查，特别要严禁不同类型的燃油混舱。考虑到经济性因素，正常航行时使用重油；当船舶机动操作，预计停机时间较长或拆检燃油系统管路前，则更换成轻柴油，并把燃料系统管路中的劣质燃油冲净。换油时要尽量避免油温突变，以防因黏度变化导致喷油泵柱塞卡死。

2.2 调整喷油设备

喷油提前角直接影响柴油机的经济性、最高爆发压力、平均压力增长率和排气温度。若喷油提前角过大，由于气缸内温度和压力还比较低，会导致燃烧滞后，使得平均压力增长率变大、工作粗暴、柴油机起动困难；若提前角过小，导致喷油延迟，若此时活塞下行，气缸内温度和压力下降，也会使滞燃期延长、燃烧滞后、后燃严重、排气温度上升，热效率下降。每一类型柴油机都有与之对应的最佳喷油提前角。

当使用劣质燃油时，应适当加大喷油提前角，以维持所需的燃烧压力[7]。船员应定期进行测量并调整，保证喷油提前角处于最佳位置。

2.3 调节冷却水温度

应维持柴油机各系统内部位的温度处于正常范围内，避免由于温度过高引起的高温腐蚀以及温度过低引起的低温腐蚀。由于劣质燃油的硫分过高，特别容易引起低温腐蚀，因此在柴油机低负荷工作时，视情况酌情提高进气温度和气缸冷却水温度，使得气缸壁温度高于燃气的露点，减少因形成硫酸而造成的腐蚀。

2.4 润滑油

使用碱性适宜的柴油机气缸润滑油，以中和劣质燃油燃烧生成的硫酸[8]，而且气缸润滑油的总碱值 （TBN）应与劣质燃油的硫分相适应，以充分中和劣质燃油燃烧后产生的硫酸。否则不能被中和的硫酸会加剧缸套上部的腐蚀磨损，腐蚀磨损产物脱落到气缸中间部位还会发生二次磨粒磨损。气缸润滑油加注率 （加注速度，即单位时间内注入单位功率所需的气缸油质量）需要根据活塞与气缸之间的摩擦情况进行调节。当活塞与气缸摩擦过大发出异常声音时，需要提高注油率。注油率过小会使得油膜不完整，活塞环与缸套过量磨损，严重时会引起拉缸或咬缸；注油率过大，不仅浪费气缸油，还会使多余的气缸油结焦而变成油漆状的物体附着在活塞环槽内，进而产生沉积物。因此，最佳气缸润滑油注油率决定了缸套的最小磨损和最佳经济效益。

加注燃油时须留意燃油的硫分，以便更换气缸油时，选择相适宜的润滑油。更换新的气缸油须待柴油机内的用完[9]。

2.5 换气和增压系统的管理

高温腐蚀主要集中发生在排气阀及阀座位置，因此对柴油机排气阀阀壳进行冷却很有必要，可以有效减轻钠、钒引起的高温腐蚀。即便有些柴油机使用气阀旋转机构，也需要对气阀进行冷却，以进一步减少高温腐蚀。气阀旋转机构作用如下。

（1）气阀在开启和关闭的过程中，气阀旋转机构缓慢转动，可以有效减少阀座与气阀之间因导热不良而形成的积碳，减少磨损，使贴合更加紧密，还有利于散热，减小高温腐蚀与烧蚀磨损。

（2）使气阀阀盘受热和散热均匀，改善其热应力状态，减小阀盘由于温差过大而引起的弯曲变形，进而防止漏气现象。

（3）改善阀杆与导管之间的润滑，消除两者之间的积碳，减少阀杆漏气与卡阻。

使用劣质燃油还会引起废气涡轮增压器涡轮的工作叶轮、喷嘴环和压气机叶轮处堵塞、结碳、烧损和腐蚀，中冷器、扫气箱和扫气口发生污染，因此轮机员应定时检查上述部位并进行清洗。

2.6 检测曲轴箱润滑油质量

现在的大型船舶在气缸底部与曲轴箱之间都设有横隔板，防止劣质燃油燃烧后产生的有害物质落入曲轴箱中，进而污染润滑油，导致其变质。轮机员必须定时检查曲轴箱润滑油的质量，必要时更换润滑油，确保柴油机的良好润滑。

2.7 改善部件结构，提高摩擦表面的性能

气缸套、活塞环、活塞环槽等部位由于工作环境较恶劣，极易产生磨损现象，尤其是第1道活塞环。因此，可以采用氮化、镀铬等工艺提高其表面的硬度，改善其耐磨性。

中、低速时，喷油器头部容易因温度过高而使燃油热裂进而造成喷孔周围结碳。因此，可以对头部结构进行改善，并进行冷却。冷却介质为柴油或淡水。一般情况下，首先采用柴油对喷油器进行冷却，再由淡水对柴油进行冷却。若燃用劣质燃油，大多直接使用淡水，以加强冷却效果。

3 结论

按照 “限硫令”线路图，全球船用燃料0.5%的硫排放上限将于2020年1月1日强制生效。为了降低燃油中的硫含量，一些不法商家使用多种添加剂。滥用添加剂是劣质燃油的主要来源之一，而劣质燃油是造成各种事故的主要原因。本文对劣质燃油目前已检测出的成分进行了简单分析，针对不同的问题提出了相应的对策。目前工作的重点还是应加强劣质燃油管理，船员从燃油储存、输送、净化、使用等各个环节进行正确的操作至关重要。

只有检测出更多的劣质燃油的化学成分，才能对症下药。因此制定一种合理的劣质燃油的检测标准非常有必要，可以指导船东如何选择燃油，这是解决问题的根本，也是下一步研究工作的重点。