船用低速柴油机的“漆膜”现象与危害

在【CCAI与燃烧特性 下】中我们提到了漆膜会引发缸套和活塞环的异常磨损，甚至发生“超磨”（拉缸）现象，那我们今天来具体了解一下什么是漆膜，漆膜形成的机理和原因，漆膜的危害以及如何预防和处理，希望可以在机务分析和处理漆膜现象时有所帮助。

关键词：漆膜，低硫燃油，黑斑，活塞环卡滞，超磨

 

以往漆膜一般都是发生在烧低硫柴油的中速机上，偶尔会发生在烧高硫油的低速机上（“冷腐蚀”引发的痛）。

 

在之前几篇文中所介绍的新型低硫燃油中含有某些不易燃烧的组分，并有可能存在石蜡基成分，这些物质不但是燃烧不良的根源，也是产生漆膜的主要原因。

由于2020的限硫令要求，目前大部分低速机都在使用0.5%低硫燃油，低硫调和油需求量大幅增加，石蜡基类和多环芳烃类组分几率和比例大大增加，从而造成越来越多的低速机也开始出现异常的漆膜现象。

 

1. 什么是漆膜

图1.缸套上的漆膜

 

如图1所示，漆膜一般是琥珀色，棕色甚至是黑色。如果缸壁上发现有黄斑（多余的未燃烧的燃油以及气缸油添加剂在热裂解下发生），则是刚开始出现漆膜的征兆，需要引起注意。一旦这种黄色胶状物质吸附了燃烧不完全产生的烟炱，就会加速氧化，在活塞环和缸壁的刮擦下，在活塞环以及缸套表面留下大面积的深色光亮斑痕。

2. 漆膜形成的主要机理

图2.漆膜形成的机理

如图2所示，高压喷射的油滴开始迅速燃烧，导致一些较大的燃油或是燃油中的某些组分的液滴不易燃烧（可以参考【CCAI和燃烧特性 上】以及【CCAI和燃烧特性 下】），但在液滴内部受到强烈加热，使得一些较大燃油的成分在液滴内发生热裂解。同时一些油滴接触到缸套上，热裂解反应继续发生并形成不饱和的活性烃物质，这些不饱和产物发生冷凝和聚合，在缸套表明形成树脂状有机化合物沉积。活塞环的运动将粘性树脂沉积物分布在缸套上，气缸油中的金属添加剂成分（灰分）会附着在沉积物上，沉积物不断暴露于燃烧下，轻组分被蒸发掉，剩下的被活塞环反复在缸套上摩擦。运动过程中缸套珩磨纹被漆状沉淀物填平，在缸套表面形成薄薄一层的漆膜，从而导致润滑失效。当燃烧不良并且发生窜气，就会发现漆膜会呈现黑色状。

柴油机原先长期使用高硫油，对喷油器关闭严密性和喷口磨损度不是特别敏感。改用低硫油后，其低粘度特性，对喷油器的技术要求相对就比较高。否则燃油雾化不好，更容易产生“漆膜”现象。

 

3. 扫气口上部的黑斑

图3. 黑斑

 

如果在扫气口上方发现黑斑（如图3），主要原因是进气湿度比较大，一方面气缸油会和水发生作用，造成某些添加剂的析出；另外一方面湿气破坏了油膜，造成缸套表面有轻微的腐蚀（这种轻微的腐蚀一般肉眼很难发现，但并不构成危险）。缸套表面形成轻微的腐蚀时，缸套表面就容易附着一些物质，如气缸油反应后的残留物，这些残留物在高温状态下进一步发生氧化，形成一些极性物质，这些极性物质容易吸附未燃烧完全的烟炱，就产生了我们所见图中的黑斑。

 

一般情况下如果黑斑面积不大的话则没什么大问题。关键是当发现这种情况时需要如何处理来避免情况继续恶化，一般情况下做好扫气脱水、加大主机负荷或是提高气缸油的碱值注入（切换高碱值气缸油或提高注油率）时黑斑就会慢慢消失。但如果处理不当就会继续引发严重后果。

 

介绍一下本人亲身经历过的案例，2013年我在新加坡做访船服务时，船东邀请我们到另外一条集装箱上帮忙做故障检查和分析。

主机型号（MAN 7S70ME - C8.2，负荷50%），燃油（含硫量2.7%），船上还在使用某品牌的中碱值气缸油产品（注油率0.9g/kwh），这种情况应该使用100碱值的气缸油。本来碱值注入就不够，而老轨看到这种黑斑以为是注油率偏高了，于是把注油率降到最低（0.6g/kwh）。

我们进行了扫气口检查并拍下各缸照片，发现有两个缸发生断环，所有缸的上半部都有大面积的黑斑和漆膜状物质。

图4所示第4缸的第2、3两道环都已断裂，缸套上半部一片漆黑。我们在现场测试了残油的残留碱值，居然发现4号缸测不出碱值，其他缸的残留碱值也只有个位数。由于酸腐蚀过于严重，造成缸套上部磨损异常，气缸窜气现象严重，并形成黑色漆膜。

图4. 4号缸活塞环和缸套状况

 

后来听说在吊缸的时候，缸套磨损量已经超出极限值，必须更换缸套，而这条船才出厂10个月！

这时候就体现了在船实时监控气缸残油状况的重要性！

 

4. 漆膜的危害

漆膜最早是处于粘滞状态，这些极性物质会吸附燃烧不完全的产物，沉积在活塞环槽中，在高温下烧结，造成活塞环卡滞，影响气密性发生窜气，从而进一步破坏缸套表面的润滑油膜，加剧异常磨损，引发恶性循环。

本来用于辅助润滑的绗磨纹被漆膜填平，缸套表面像镜子一样光滑，缸壁上不能形成有效的润滑油膜，造成活塞环和缸套直接接触，发生异常磨损，甚至造成拉缸。另一方面会发现滑油消耗量变大。

漆膜一旦形成，则很难改善或补救，不像扫气口上方的“黑斑”还能在有效手段干预下慢慢消失。因为漆膜是比较光亮比较硬质的物质，不容易去除。

 

5. 漆膜的预防

首先需要了解燃油的基本组分和特性，燃油的燃烧状况（详情请参考前面几章的介绍）

其次考量是否有促成漆膜形成的因素，如燃烧不良、缸套表面腐蚀，气缸油的清洁性是否可以及时带走燃烧产物和沉淀物，维持缸套和活塞环部位的清洁性。

另外需要注意喷油器的养护，保证燃油进入气缸有良好雾化质量，细化燃油雾化颗粒，让燃烧充分，并减少后燃时间。

最后还要注意气缸油的酸碱中和是否匹配。碱值太低容易酸腐蚀；太高则容易引发异常磨损，而这种磨损是肉眼很难发现的（除非能测量缸径），一旦等发现就无法逆转。

研究发现，在刚刚出现黄斑或者扫气口附近的黑斑，采取一些补救措施可以改善甚至消除这类黄斑和黑斑，如加强燃油的在船处理，加大机器功率，加大气缸油碱值的注入率，脱除扫气中的水分等。

 

6. 漆膜的处理

前面讲到漆膜一旦形成，就很难被清除，那如何处理漆膜呢？有些化学品供应商会提供一些清洗剂（酸性溶剂）来帮助清除漆膜，或者可以考虑用电动砂轮机在缸套表面打磨出绗磨纹来帮助增加润滑。

7. 中速机的漆膜

 

前面我们讲的都是低速机发生漆膜的现象，下面我们简单介绍一下中速机的漆膜现象（通常中速机很容易被我们忽略），中速机里漆膜的形成原因和低速机有些区别。但形成漆膜后的后果都是一样的：破坏润滑，触发“超磨”现象。

 

对中速机来说最大的因素是燃油中的硫含量，如果硫含量低，则形成漆膜的风险就比较高。例如一直在ECA区域航行的渡轮，始终使用低硫船用柴油。而这时酸引起的轻微腐蚀将防止形成漆膜。这就是为什么有时我们换碱值低一点的中速机油会减少漆膜发生的概率。

 

另外一方面取决于润滑油的成分是否均匀，是否容易和燃油燃烧产物发生反应，从而导致产生漆膜，这方面可以咨询滑油供应商，某些供应商可以提供针对中速机漆膜的产品。

 

喷嘴的状况非常重要。喷嘴磨损会使得燃油雾化不充分，导致不完全燃烧，未燃烧完全的燃油会与油膜发生反应并形成漆膜。

 

较高的扫气温度会对漆的形成产生积极影响。这会导致燃烧室中的温度升高，并且少量的油滴可能不会在缸套上沉淀而引起漆膜。在某些情况下，随着温度降低，进气阀会先形成漆膜。有时酸引起的轻度腐蚀将防止形成漆膜。

 

另外与固定式螺旋桨相比，带有CCP螺旋桨的发动机不易形成漆。在固定的螺旋桨，高负荷和低转速的情况下，燃油喷射的时间相对较长，因此不会立即或完全燃烧。因此，燃油会与油膜发生反应并形成漆膜。使用CPP时，转速保持恒定，燃烧比较稳定充分。

  

8. 结束语

 

我们大致了解了漆膜的概念，形成漆膜的机理和因素，漆膜的危害，如何预防漆膜，以及发生漆膜后如何应对。希望可以帮到机务和轮机员如何预防漆膜，并在发现漆膜时如何处理。