仇光偉，胡以懷，芮曉松，方云虎，張成

（1.上海海事大學商船學院，上海201306；2.中航鼎衡造船有限公司，江都225217）

0 引言

全球油價飆升影響到全球航運的經營環(huán)境，給航運界帶來了不小的壓力。航運業(yè)燃油成本持續(xù)升高，船用燃油價格2018年較2017年同期高出50%。這些經濟方面的因素迫使船東選擇低價的劣質燃油，但近期頻繁發(fā)生因燃油質量問題而引發(fā)的船舶事故。從2018年3月美國休斯頓發(fā)生劣質油事件，到近期新加坡發(fā)現(xiàn)燃油質量問題，劣質燃油迅速在全球蔓延開來。包括中國香港、東南亞、美國、荷蘭等地區(qū)和國家的燃油被污染。燃油被污染（問題燃油）是指燃油被摻雜了一些其以往沒有的成分。問題燃油會導致船舶故障。截止2018年9月，據(jù)統(tǒng)計已有100多艘船受到影響[1]。

據(jù)全球第二大多用途船舶航運公司 （BBC Chartering）首席執(zhí)行官Svend Andersen透露，該公司旗下多艘船舶因遭遇問題燃油而致船舶故障，為此付出了大量的拖輪費用及清油費用，遭遇嚴重損失。據(jù)了解，從2018年春天以來，該公司旗下曾有5艘船舶在美國休斯敦港加注過燃油，之后船舶分別出現(xiàn)了不同程度的機損事故。美國知名的燃油檢測公司 （Veritas Petroleum Services，VPS） 確認超過30艘在休斯頓加注過受污染燃油的船舶都遇到了嚴重問題，如：柱塞偶件咬死，燃油泵損壞等。在美國遭遇問題燃油事件后，BBC Chartering旗下船舶還在新加坡遭遇了另外2起問題燃油所引起的事故[2]。

1 船用劣質燃油的特點及影響

使用劣質燃油雖然在經濟層面上解決了不少難題，但也引出了新的問題。從柴油機的運行工況來看，劣質燃油會大大增加柴油機的熱負荷與機械負荷，燃燒過程不好，造成煙氣增多、排氣溫度增高，甚至會引發(fā)氣缸結碳。原因在于劣質燃油密度比較大、黏度比較高，成分比較復雜、著火性能比較差。因此，有必要對其成分及理化性能進行深入了解。

1.1 化學組成及來源

船用劣質燃油也稱低質燃油或殘渣油，其相對質量密度可以高達0.98，主要來源于石油產品。此外，還有少量船用劣質燃油從頁巖產品提煉而得，其組成元素主要是碳和氫，即為烴類混合物。船用劣質燃油中存在不少的氮、氧、硫等元素，燃燒后會產生大量的氮氧化物、硫氧化物等，這些都是船舶造成污染的罪魁禍首。

船用劣質燃油按其化學成分的微觀結構，可分為脂肪烴、環(huán)烷烴和芳香烴三大類及相當數(shù)量的酚類化合物和脂。前三類是燃油的基礎，船用劣質燃油以不易燃燒的環(huán)烷烴和芳香烴為主。

脂肪烴又可細分為烷烴、烯烴和炔烴，是一種飽和烴，熱穩(wěn)定性差，碳原子呈長鏈狀依次排列。柴油機燃油中烷烴含量越高，其著火性能越好。烯烴和炔烴的主要作用是改善燃油的抗爆性。環(huán)烷烴呈環(huán)狀，熱穩(wěn)定性好，較適宜做汽油機的燃料。芳香烴含有苯環(huán)，結構最為穩(wěn)定，其著火性能最差，含量過高時禁止用于船用燃油。針對近來頻發(fā)的劣質油事故，VPS進行了更深入的化驗分析，找出了劣質油中含有高濃度的酚類和脂，還在一些油樣中檢測出了高沸點的羧酸。坐落于瑞士日內瓦的權威檢測機構瑞士通用公證行 （SGS）指出，高沸點的羧酸物質對柴油機危害極大。

在芳香族化合物中，若其苯環(huán)上的氫原子被羥基 （-OH）取代，形成的新的化合物就被稱為酚類化合物。酚類化合物具有微酸性，腐蝕性較強，其熔點比較高。如，對枯基苯酚 （C15H16O）熔點為74℃左右。柱塞偶件屬于精密偶件，配合精度要求很高，配合間隙一般控制在1.5～2.5 μm。由于對枯基苯酚熔點高并且缺乏良好的潤滑性能，其晶體進入柱塞偶件時會發(fā)生阻塞現(xiàn)象，引起燃油泵故障。酚類的來源主要有2種，一是頁巖油，二是酚焦油。在頁巖油中酚類化合物比較普遍，可達到1～8 g/L，因此酚類污染物有可能來源于頁巖油。使用異丙苯氧化法制備苯酚后剩下的部分混合物稱為苯酚焦油。苯酚焦油主要成分為α-甲基苯乙烯（含量最多）、對二甲苯、異丙苯、苯酚、苯乙酮等。據(jù)查證，其中酚類含量占據(jù)一半以上。

含酯污染物包括生物柴油和地溝油。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。其可以細分為含有碳-碳雙鍵的不飽和脂肪酸甲酯及碳鏈在12～18的飽和脂肪酸甲酯。作為生物柴油，它在性價比方面遠遠不如石化柴油，穩(wěn)定性差、不易保存、容易變質，進而產生脂肪酸，影響了燃油的總堿值，造成柴油機的腐蝕，因此很少用于船舶燃油。

一些非法商家向燃油中加入地溝油以降低成本。這些地溝油通常是植物性油。地溝油在制備過程中要加入多種溶劑。這使得燃油的安定性大打折扣，易產生油泥、結塊，不利于清理燃油艙，還會造成駁運燃油困難、過濾器阻塞、油水分離器故障、機械部件損傷，燃燒不完全而產生黑煙等不安全因素并污染海洋環(huán)境。這種燃油水分過多，易引起供油中斷；其鈉、釩和硫的含量較高，會發(fā)生高溫腐蝕和低溫腐蝕。

在中國市場上，船用殘渣型燃料油的生產方式發(fā)生了巨大轉變。從以傳統(tǒng)的直餾、減壓蒸餾的渣油為基礎原料，結合生產線上重質柴油餾分調制而成的較穩(wěn)定組分，演變成以油漿、頁巖油組分作為主要原料，使用、甚至出現(xiàn)大量使用溶劑油、煤焦油組分、乙烯焦油組分調制而成的船用殘渣型燃料油的現(xiàn)象[3]。

表1 近年來調制船用殘渣型燃料油的原料變化

1.2 劣質燃油特性及對柴油機的影響

劣質燃油具有十六烷值低、黏度高、密度高、殘?zhí)贾蹈摺r青質高等特點，并且所含的水分、硫分、灰分和機械雜質很多。

1.2.1 十六烷值

十六烷值用來衡量燃油的著火性能。其他條件相同時，十六烷值越高，著火性能越好、滯燃期越短、燃燒越平穩(wěn)。劣質燃油十六烷值低，導致滯燃期長、著火延遲、燃燒過程非常不平穩(wěn)，嚴重者在柴油機低速運行或起動時著火困難。因此，對于船用重油，其十六烷值要求不能低于25。除了十六烷值，還可以使用芳香度指數(shù)ICCAI的值衡量著火質量，二者存在對應關系[4]。ICCAI為850左右時相當于十六烷值29～31，ICCAI為875左右時相當于十六烷值18～20。ICCAI可以通過測量計算后得到，ISO 8217-1996也推薦使用：

ICCAI= ρ-81-141lg[lg（v+0.85）]-483lg[T+273/323] （1）式中：ρ為燃油在15℃下的密度，kg/m3；v為燃油的運動黏度，mm2/s；T為燃油的溫度，K。

1.2.2 黏度

一般來說，燃油的餾分越重，黏度越高。劣質燃油的黏度約在50～2 000 mm2/s。如此高的黏度造成燃油存儲、駁運、凈化和霧化方面的困難。

1.2.3 密度

劣質燃油的密度為940～1 060 kg/m3。密度高不利于燃油的凈化和霧化，燃燒時易形成結碳。

1.2.4 殘?zhí)贾?/p>

劣質燃油在不通空氣的條件下，加熱到全部蒸發(fā)后所留下的碳渣 （焦碳）的質量百分數(shù)稱為殘?zhí)贾怠Ｍㄟ^對殘?zhí)贾颠M行檢測，可以知道油中的膠質物質和不穩(wěn)定化合物的含量。劣質燃油殘?zhí)贾荡螅f明其燃燒時形成碳渣的傾向大。大量的碳渣就是很大的熱阻，粘附在溫度高的柴油機工作部件表面，不利于散熱，造成活塞環(huán)卡死，噴油孔阻塞。

1.2.5 瀝青質

瀝青質是一種由多種復雜高分子碳氫化合物及其非金屬衍生物組成的復雜混合物，無特定的化學方程式可以表示。劣質燃油中瀝青質含量高，加熱到300～350℃會引起瀝青質裂化，生成大量的油膠質、碳青質，進而發(fā)生聚沉。瀝青質呈膠狀懸浮于油中，燃燒后會冒黑煙，不容易燃燒，其中還含有氮、硫、氧，以及釩、鎳等金屬元素。使用劣質燃油會經常出現(xiàn)噴油器噴孔堵塞、活塞環(huán)折斷、氣缸組件出現(xiàn)熱裂紋等機械故障[5]。原因在于瀝青質燃燒時會形成堅硬的碳垢，其牢固程度與燃油的硫分含量成正比。

1.2.6 水分

劣質燃油中存在較多的水分，使燃油熱值降低，導致柴油機著火困難。水分中通常還有溶解性的鹽類，它會使氣缸表面附著積碳，加劇氣缸的磨損。

1.2.7 機械雜質

劣質燃油中的機械雜質較多，熔渣、沙粒和鐵屑的比重大。這些機械雜質有的是在儲存過程中混入的，有的是隨各種添加劑混入的，無法燃燒利用。如果劣質燃料中機械雜質含量高，會堵塞噴嘴，使噴射質量惡化，導致燃油燃燒效率降低，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對體積質量。劣質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%，對噴油器、噴油泵、燃油管路和儲油罐產生一定程度的腐蝕。燃燒產物SO3和H2O會形成酸霧，當氣缸壁溫度低于其露點溫度時會形成硫酸，對氣缸形成腐蝕，即所謂的低溫腐蝕。

1.2.9 灰分

灰分是一類無機物 （主要為無機鹽和氧化物），是指在高溫下進行完全燃燒殘留下來的固體部分。劣質燃油的灰分包括無機酸和有機酸的鹽類，它們溶解在燃油中，還包括一些機械雜質、金屬氧化物。由于灰分的大量存在，造成氣缸組件、活塞組件和氣缸蓋組件零部件的高溫腐蝕和磨料磨損。

由于劣質燃油有上述特性，給船舶運行和管理帶來了困難。主要體現(xiàn)在以下5個方面，需要特別注意。

（1）燃油系統(tǒng)易出故障。由于劣質燃油黏度高、密度大、流動性差、分裂困難，使得燃料噴射霧化不良，油滴貫穿距離 （即油滴的射程L）過長，進而導致燃燒不良并且容易產生積碳。積碳增多會導致熱阻變大，造成熱負荷上升。劣質燃油中含有大量的瀝青質、鈉、釩、硫、硅、殘?zhí)?，以及較多的水分、灰分等，這些物質會加速柴油機的磨損，使得機械負荷顯著增高，引起噴油設備偶件（柱塞與套筒、出油閥、進油閥與回油閥、針閥與針閥套）過度磨損和卡滯、腐蝕嚴重，甚至出現(xiàn)噴孔磨損、堵塞、熱裂紋和內外結碳[6]。

（2）燃燒性能惡化。劣質燃油噴射霧化困難，并且由于十六烷值低，著火性能差，使得最高爆發(fā)壓力偏低。霧化不良還會使可燃混合氣形成的速度放慢、滯燃期變長、燃燒不完全，柴油機工作不平穩(wěn)，后燃期變長、排氣冒黑煙且排氣溫度升高。

（3）曲軸箱潤滑油易變質。劣質燃油的燃燒產物中包含大量的硫氧化物，凝結后形成硫酸，極易通過活塞漏入曲軸箱，使曲軸箱潤滑油迅速變質。

（4）零部件易損壞。劣質燃油本身就含有鋁、鐵、釩、鈉等金屬顆粒和硅顆粒，原油提煉后剩下的渣油中含有大量瀝青質、機械雜質，重油生產過程中還要加入一定量的催化劑和添加劑，這些因素直接導致劣質油中有害成分的增多，使得摩擦副零件之間發(fā)生顆粒磨損。較高含量的硫、鈉、釩使得氣缸套、排氣閥及閥座、軸承、渦輪增壓器等零部件產生高溫腐蝕和低溫腐蝕，加速了零件的腐蝕磨損。

（5）供油困難。劣質燃油密度接近甚至超過水的密度，而油水分離器分離的燃油密度最大只能達到991 kg/m3，這給油水分離器造成了困難。另外，油料黏度過大，在管路中凝結，導致輸油泵吸不進油，進而導致進油和出油過程中斷。

2 使用劣質燃油的對策

2.1 劣質燃油的管理

輪機人員要對燃油的性能參數(shù)進行系統(tǒng)的認識，要加強對劣質燃油質量的檢查，特別要嚴禁不同類型的燃油混艙?？紤]到經濟性因素，正常航行時使用重油；當船舶機動操作，預計停機時間較長或拆檢燃油系統(tǒng)管路前，則更換成輕柴油，并把燃料系統(tǒng)管路中的劣質燃油沖凈。換油時要盡量避免油溫突變，以防因黏度變化導致噴油泵柱塞卡死。

2.2 調整噴油設備

噴油提前角直接影響柴油機的經濟性、最高爆發(fā)壓力、平均壓力增長率和排氣溫度。若噴油提前角過大，由于氣缸內溫度和壓力還比較低，會導致燃燒滯后，使得平均壓力增長率變大、工作粗暴、柴油機起動困難；若提前角過小，導致噴油延遲，若此時活塞下行，氣缸內溫度和壓力下降，也會使滯燃期延長、燃燒滯后、后燃嚴重、排氣溫度上升，熱效率下降。每一類型柴油機都有與之對應的最佳噴油提前角。

當使用劣質燃油時，應適當加大噴油提前角，以維持所需的燃燒壓力[7]。船員應定期進行測量并調整，保證噴油提前角處于最佳位置。

2.3 調節(jié)冷卻水溫度

應維持柴油機各系統(tǒng)內部位的溫度處于正常范圍內，避免由于溫度過高引起的高溫腐蝕以及溫度過低引起的低溫腐蝕。由于劣質燃油的硫分過高，特別容易引起低溫腐蝕，因此在柴油機低負荷工作時，視情況酌情提高進氣溫度和氣缸冷卻水溫度，使得氣缸壁溫度高于燃氣的露點，減少因形成硫酸而造成的腐蝕。

2.4 潤滑油

使用堿性適宜的柴油機氣缸潤滑油，以中和劣質燃油燃燒生成的硫酸[8]，而且氣缸潤滑油的總堿值 （TBN）應與劣質燃油的硫分相適應，以充分中和劣質燃油燃燒后產生的硫酸。否則不能被中和的硫酸會加劇缸套上部的腐蝕磨損，腐蝕磨損產物脫落到氣缸中間部位還會發(fā)生二次磨粒磨損。氣缸潤滑油加注率 （加注速度，即單位時間內注入單位功率所需的氣缸油質量）需要根據(jù)活塞與氣缸之間的摩擦情況進行調節(jié)。當活塞與氣缸摩擦過大發(fā)出異常聲音時，需要提高注油率。注油率過小會使得油膜不完整，活塞環(huán)與缸套過量磨損，嚴重時會引起拉缸或咬缸；注油率過大，不僅浪費氣缸油，還會使多余的氣缸油結焦而變成油漆狀的物體附著在活塞環(huán)槽內，進而產生沉積物。因此，最佳氣缸潤滑油注油率決定了缸套的最小磨損和最佳經濟效益。

加注燃油時須留意燃油的硫分，以便更換氣缸油時，選擇相適宜的潤滑油。更換新的氣缸油須待柴油機內的用完[9]。

2.5 換氣和增壓系統(tǒng)的管理

高溫腐蝕主要集中發(fā)生在排氣閥及閥座位置，因此對柴油機排氣閥閥殼進行冷卻很有必要，可以有效減輕鈉、釩引起的高溫腐蝕。即便有些柴油機使用氣閥旋轉機構，也需要對氣閥進行冷卻，以進一步減少高溫腐蝕。氣閥旋轉機構作用如下。

（1）氣閥在開啟和關閉的過程中，氣閥旋轉機構緩慢轉動，可以有效減少閥座與氣閥之間因導熱不良而形成的積碳，減少磨損，使貼合更加緊密，還有利于散熱，減小高溫腐蝕與燒蝕磨損。

（2）使氣閥閥盤受熱和散熱均勻，改善其熱應力狀態(tài)，減小閥盤由于溫差過大而引起的彎曲變形，進而防止漏氣現(xiàn)象。

（3）改善閥桿與導管之間的潤滑，消除兩者之間的積碳，減少閥桿漏氣與卡阻。

使用劣質燃油還會引起廢氣渦輪增壓器渦輪的工作葉輪、噴嘴環(huán)和壓氣機葉輪處堵塞、結碳、燒損和腐蝕，中冷器、掃氣箱和掃氣口發(fā)生污染，因此輪機員應定時檢查上述部位并進行清洗。

2.6 檢測曲軸箱潤滑油質量

現(xiàn)在的大型船舶在氣缸底部與曲軸箱之間都設有橫隔板，防止劣質燃油燃燒后產生的有害物質落入曲軸箱中，進而污染潤滑油，導致其變質。輪機員必須定時檢查曲軸箱潤滑油的質量，必要時更換潤滑油，確保柴油機的良好潤滑。

2.7 改善部件結構，提高摩擦表面的性能

氣缸套、活塞環(huán)、活塞環(huán)槽等部位由于工作環(huán)境較惡劣，極易產生磨損現(xiàn)象，尤其是第1道活塞環(huán)。因此，可以采用氮化、鍍鉻等工藝提高其表面的硬度，改善其耐磨性。

中、低速時，噴油器頭部容易因溫度過高而使燃油熱裂進而造成噴孔周圍結碳。因此，可以對頭部結構進行改善，并進行冷卻。冷卻介質為柴油或淡水。一般情況下，首先采用柴油對噴油器進行冷卻，再由淡水對柴油進行冷卻。若燃用劣質燃油，大多直接使用淡水，以加強冷卻效果。

3 結論

按照 “限硫令”線路圖，全球船用燃料0.5%的硫排放上限將于2020年1月1日強制生效。為了降低燃油中的硫含量，一些不法商家使用多種添加劑。濫用添加劑是劣質燃油的主要來源之一，而劣質燃油是造成各種事故的主要原因。本文對劣質燃油目前已檢測出的成分進行了簡單分析，針對不同的問題提出了相應的對策。目前工作的重點還是應加強劣質燃油管理，船員從燃油儲存、輸送、凈化、使用等各個環(huán)節(jié)進行正確的操作至關重要。

只有檢測出更多的劣質燃油的化學成分，才能對癥下藥。因此制定一種合理的劣質燃油的檢測標準非常有必要，可以指導船東如何選擇燃油，這是解決問題的根本，也是下一步研究工作的重點。