COD油樣化驗知多少(一)-道達爾技術工程師 莊瑞仁

2007-11-05

道達爾技術工程師 莊瑞仁

前言

隨著原油自1998年由每桶10美元左右漲至今日每桶80美元，並有可能持續維持此高價位；甚至有財經專家預估油價可能繼70年代油價狂飆後（1970年的1.3美元至1982年的35美元），另一波既快且急的石油危機即將到來，預估於2015年左右，油價將可能上飆至每桶260美元（引述自Stephen Leeb–“石油衝擊”一書）。

雖然潤滑油的花費在整個工廠或船舶的營運成本中所占的比例相當低，但藉由延長潤滑油的換油週期，卻是最容易達成節省成本的方法之一。問題是，換油週期並非隨便決定延長就延長，若處理不當，可能會損及設備的使用壽命，甚至影響產能與正常營運。如何確知油品是否可繼續使用，透過定期的油樣化驗即可知曉。

油樣化驗的目的，是希望透過收集具代表特性的油樣，經精密儀器檢測其物理特性及各種金屬含量，藉以判斷系統內油品的適用性以及設備的磨損狀況，故此，如何正確汲取具代表性的油樣即相當重要。

油樣化驗目的與分類

油樣的種類根據設備使用類別約可簡易分為兩類：一是非引擎類油樣，如齒輪油、液壓油、循環油、空壓機油等，此類油樣的化驗比較偏向油品的特性分析，如黏度（Kinematic Viscosity @40℃）、不溶物（Insolubles）、含水量（Water Content）、酸值（Acid number）、 黏度指數（Viscosity Index）等，對於此類油品是否繼續適用的建議，只要根據化驗結果的控制值(各油公司皆有各自的設定值control limit)即可作判斷，基本上較簡單也無太大爭議，但若能根據化驗結果告知客戶化驗結果造成的原因與設備的狀況，這需要有足夠的經驗作依據。

另一類是引擎油樣，這類油樣化驗結果的判斷與建議，則需要更專業的訓練與經驗，藉以協助判斷與分析。引擎滑油因與燃燒室有所接觸，引擎的燃燒狀況與引擎的磨損程度可藉由油樣化驗作初步預判，故在化驗項目上除上述油品特性的化驗外，金屬成分的分析更需要特別詳細。

二衝程低速引擎（一般應用於船舶，作為推動系統之動力來源）的潤滑系統與四衝程中速引擎（一般應用於陸上發電廠或船上發電系統）的設計相當不同。四衝程機僅有一套潤滑油循環系統，潤滑油潤滑汽缸與曲軸；二衝程機則分為兩潤滑系統，汽缸部分由汽缸油（Cylinder Oil）潤滑，曲軸部分由系統油（System Oil）潤滑，兩部分由填料函（Stuffing box）設備作區隔。因汽缸油會與燃燒過程的高溫直接接觸，屬於一次性潤滑方式，即潤滑油在爆炸燃燒過程燒掉，部分少數剩餘的汽缸油則會隨汽缸壁或刮油環收集至底部，此部份的油樣即可作為分析。此種汽缸油油樣（Cylinder drain oil, CDO）分析較具技術基礎，故本文將針對此系統油類的化驗結果作分析與闡述，特別是此油樣需經由特別的過程才能收集。

二衝程引擎汽缸油樣（CDO）收集與化驗

汽缸油油樣（CDO）的收集原理，在各家主機廠商（MAN B&W, Wartsila)的設計上大致相同。首先，主機需維持在一定的負載(如70% MCR）下進行收集油樣，因結果的分析與負載有關，在愈高負載狀況下收集的油樣愈能反映引擎實際運轉狀況。接下來需關閉各汽缸主排放閥以便進行油樣收集，收集的時間長短與目前各缸的注油率有關，如MAN B&W 8K90MC-C（(8個缸，缸徑為900mm）引擎，因為各缸的狀況是獨立的，所以必須收集8個CDO油樣以及一個系統油油樣進行分析。油樣取完後，主機的運轉狀況，燃料油的成份報告，各缸的注油率等資料，都必須一併紀錄，作為報告分析的依據。圖一為取樣知簡易說明。


圖一 、CDO的取樣方式

主機系統油分析

主機系統油（Main Engine System Oil）在二衝程引擎中，極易受到外來污染物污染，造成油品狀況急速惡化；其中以黏度(Viscosity)與鹼值(BN)變化最快，一般同時會伴隨不溶物（Insolubles），釩（Vanadium）與鈣（Calcium）值的增加。而這些污染物來源不外乎汽缸油，氧化物，燃燒產物，燃油與金屬磨損物。而造成的主要原因為填料函或活塞連桿（Piston Rod）磨損所致，特別是長衝程引擎更易發生此問題。早期引擎設計會有大量的汽缸油回收至系統油再使用（節省成本的設計），但由於種種不利問題的衍生，基本上目前已不再有此種設計。

從潤滑與冷卻的觀點，黏度是一重要的特性，如同燃料系統對燃料油黏度控制，潤滑油黏度於進入引擎前必須藉由溫度控制於一定的黏度條件。引擎製造商一般設定主機系統油黏度于SAE 30，當黏度因污染或氧化造成急速升高（如SAE 50），會對循環系統造成快速的衝擊，如活塞冷卻的高溫部分，因黏度的升高，引至熱傳導係數的下降，進而降低從活塞移除熱量的效能。

鹼值成分為碳酸鈣（CaCO3）主要溶於汽缸油中，用來中和燃料油中的硫份因燃燒所形成的酸，但從汽缸油來的過多的鹼值，因污染且存在於系統油中時，在某些狀況下會於軸承（Bearing）形成青漆（Lacquer）現象。

系統油有時也會透過填料函，被向上刮入掃汽室，故當進行CDO化驗分析時，必須同時分析系統油對CDO污染的程度，才能準確的判斷引擎實際狀況。因汽缸油添加劑中不含鋅（Zinc）的成分（系統油添加劑才有此成分），故可依據此金屬含量來判別是否有汽缸油油樣受污染。圖二是各缸鋅成分化驗報告。


圖二 、鋅含量分析

CDO化驗報告彙整與分析

CDO金屬成分的來源主要有三個方面，主機金屬部分的磨損，外來的污染物，以及汽缸油本身的添加劑成分。主機磨損及外來污染物部分將是分析的重點。


圖三、報告中金屬成分的可能來源

將化驗報告結果彙整如表一，將有助於進一步的分析與評論。


表一、化驗結果資料彙整表

黏度-釩-水分（Viscosity（100℃）/ Vanadium / Water）

黏度的變化主要來自油品的氧化所造成，但也有可能是水分與燃油乳化後造成油泥產物所致。水分過高會造成汽缸的低溫腐蝕。釩是燃油中的成分，當與鈉值存在一定比例時，排氣閥處會有高溫腐蝕的危險，若鈉值偏高，有可能是燃油污染所致。第一缸有釩些許偏高，但整體化驗數值並不高；水分含量各缸皆偏高，特別在第一缸比其他缸高；黏度各缸皆很穩定。