船舶及机械润滑油基本知识.doc

船舶及机械润滑油基本知识润滑油,关乎内燃机工作的可靠性、动力性、经济性以及寿命,若选用不当,轻者油耗上升 成本增加,重者故障增多甚至损坏发动机。发动机说明书中都有制造商推荐的润滑油牌号。 没有充足的理由和绝对把握, 不可改变润滑油品种、牌号和规格。选择润滑油,各种指标都不得低于柴油机生产厂商推荐范围,绝不可选用低 于发动机制造商推荐的质量等级的润滑油。选择润滑油,不仅需要充分了解机械 摩擦、润滑机理,深刻理解和全面考虑发动机的结构、工作环境、功率、燃油品 质等因素并经过认真论证,而且需要具备足够丰富的润滑油知识,了解润滑油生 产工艺流程、添加剂种类和作用,熟知润滑油理化性能指标、分类方法、油品牌 号及其中各符号的意义。本文介绍润滑油的生产过程、理化性能指标、分类方法、油品牌号等,为读 者以柴油机生产厂商推荐为主要依据选择润滑油时提供参考。1、船用(矿物润滑油的生产成品润滑油是由基础油和添加剂调合而成的。基础油又分为矿物基础油和合 成基础油两类。合成基础油,用化学方法合成,性能比矿物基础油好,能满足矿物油所不能 满足的某些使用要求,但成本昂贵,目前使用范围十分有限。矿物基础油,由石油原油炼制而成,应用广泛,占基础油的 95%以上。船用 润滑油几乎百分之百是矿物基础油调制而成。1.1原油分馏产生(矿物基础油原油先后在常压分馏塔和减压分馏塔内分馏。原理和过程示意图如图 1。(1常压分馏(在常压分馏塔内完成常压分馏塔,压力同大气,自下而上温度渐低。经加热的原油进入常压分馏塔后,各种烃类气化上升沸点高的重馏分,在温 度较高的下部就凝结分流;沸点越低的轻馏分,越能上升到温度较低的分馏塔上 部分流。因此,由塔顶到塔底得到的馏分由轻到重:塔顶是汽油馏分,往下依次 是煤油、轻柴油、重柴油馏分,沸点大于 350的馏分称为重油,原油中未气化 的部分称为残渣油从常压分馏塔底部排出。常压分馏所得的重油,是炼制基础油 的主要原料。(2减压分馏为了得到不同性质的基础油,需进一步分馏重油将其分割成窄馏分。但是重 油沸点高达 300700,若仍用常压分馏,某些烃类会裂化分解,无法得到所需 的润滑油馏分。因此,将重油加热后进一步减压分馏(或称低压分馏 。减压分馏在减压分馏塔内完成。减压分馏塔,用抽真空方法将塔内绝对压力 降低到 18KPa ,温度也是由下而上逐渐降低,将重油分馏出所需的各种轻质基 础油、中质基础油、重质基础油和渣油基础油。轻质基础油,主要用作高速轻载机械的润滑油和绝缘油(如透平油、变压器 油的原料。中质基础油,主要用作中等载荷的发动机(如小汽车等和相当要求的工业 机械润滑油的原料。重质基础油,主要用作重载发动机(如船用柴油机等润滑油的原料。 渣油基础油,是制造高黏度润滑油例如气缸油、齿轮油等润滑油的原料。图 1原油分馏原理和过程示意图1.2润滑基础油的精制减压分馏所得的各种馏分,仍含有许多不良成份和有害成分,例如多环烃、固体烃(蜡 、胶质、沥青以及影响色度的物质等,还不能直接用作润滑油,必须进一 步精制提纯,以保留润滑油中的理想成分和去除非理想组分,使基础油具有较好 的低温性能、黏温性能、抗氧化安定性能和良好的色度等。基础油精制,主要包 括丙烷脱沥青、溶剂精制、溶剂脱蜡、白土或加氢补充精制等。1.3润滑油产品的调合润滑油添加剂经过精制的不同基础油,还要根据对润滑油性能的不同要求添加相应的添加剂调 合,才成为润滑油产品上市场销售。添加剂, 是一类油溶性化合物, 只需在润滑油中加入百分之几甚至百万分之 几,就能显著改善润滑油的一种或几种品质(使用性能 。润滑油添加剂种类繁多。发动机管理使用者不必详知每一种添加剂,但应了解主 要添加剂的作用。(1清净剂和分散剂清净剂,基本结构主要包括亲油基、极性基和连接部分,多数具有碱性或高 碱性。根据“分子结构相似相溶”的原理,清净剂能够溶解润滑油中胶质、漆膜、 积炭等,持续中和润滑油使用过程中氧化生成的酸性物质和含硫燃油燃烧后产生 的强酸物质并防止其沉积,从而保护发动机金属部件不受酸性物质腐蚀。分散剂,基本结构与清净剂类似,能溶解粘附在活塞上的漆膜和积炭,并分 散到润滑油中在润滑油循环过程中过滤掉,从而保持金属机件的清洁;同时防止 润滑油中氧化胶质沉积,减少曲轴箱中的油泥,延长润滑油使用寿命。柴油机, 特别是烧渣油的大型船用柴油机,系统油和气缸油都对清净剂的要求较高。 (2黏度指数改进剂润滑油的黏度随温度升高而降低。为使润滑油黏度随温度升高而降低不致过 大,即改进其黏温性能,需加入黏度指数改进剂。效果较好的黏度指数改进剂是 一种高分子聚合物。润滑油加入这种高分子聚合物后,低温时长链缩成一团,润滑油黏度增加较小;随着温度升高,长链逐渐伸展开来,增大润滑油分子间的运 动阻力,减少滑油黏度下降的程度,满足高温时的黏度要求。目前,可满足四季 通用的多级润滑油,既具有良好的低温起动性能,又具有高温润滑性能,主要是 黏度指数改进剂在起作用。(3抗氧抗腐蚀添加剂添加抗氧抗腐蚀添加剂后,虽不能完全防止润滑油氧化,却能大幅改善抗氧 化性能,有效防止酸性物质腐蚀金属,减少漆状物生成。据有关资料介绍,添加 了抗氧抗腐蚀添加剂,润滑油的寿命可延长四倍以上。(4极压抗磨剂润滑油添加极压抗磨剂,能提高润滑油工作载荷,减少摩擦磨损,防止烧结。 发动机体积越来越小而功率越来越大,极压抗磨剂起到至关重要的作用。(5油性剂和摩擦改进剂油性剂和摩擦改进剂,极性基团对金属有很强的亲和力,油性基团吸附在摩擦表 面,形成分子定向吸附膜,阻隔金属间接触,从而减少摩擦和磨损。(6降凝剂降凝剂能显著降低润滑油凝点, 改善低温流动性能, 降低润滑油使用的温度下限, 拓展了润滑油使用范围,还可减少对优质原油的依赖。2、润滑油的主要理化指标润滑油有一套理化指标评价体系,反映润滑品质优劣,指标达数十个,每个 指标都有规定的测定方法和数值标准。船用润滑油的指标,主要有黏度、黏温性能、凝点、闪点、碱值、黏度指数、 倾点、油性和极压性、水溶性酸及碱、抗乳化性、抗泡性、腐蚀性、抗氧化安定 性、杂质、水分等等。选用船用润滑油,主要考虑黏度、黏温性能、凝点、闪点 和碱值等五个指标。(1黏度黏度, 即是润滑油黏稠程度, 是润滑油最重要的指标之一, 常用运动黏度表示, 常用单位是 mm2/s。黏度对润滑性能影响巨大,对于两个摩擦面间楔形油膜的形 成起决定性作用。黏度得当,不仅能保护发动机,而且提高其动力性能和经济性, 既是润滑油分级的依据,也是选用润滑油的主要依据。(2黏温性能反映润滑油黏度随温度变化而变化的程度。 黏度随温度变化小, 称为黏温性能好。 (3凝点凝点是润滑油失去流动能力的最高温度,对润滑油的使用、管理和运输都有很大 影响。(4闪点润滑油可燃,闪点是评定润滑油着火危险性的指标,对润滑油的使用、储存和运 输有重要的安全意义。船用要求,新油闪点高于 65,使用中不得低于 45,否则必须换油。(5碱值(TBN 碱值是润滑油中碱性物质含量,单位 mgKOH/g,是选用船用润滑油的主要指标之 一。润滑油中的碱性物质,用来中和润滑油中的酸性物质,对使用含硫燃油的发 动机尤其重要。3、内燃机润滑油性能的标准目前, 内燃机润滑油性能还没有世界统一的标准, 不同标准的命名方法和牌 号标识也不同。国际上比较通行的标准:黏度等级标准,是美国汽车工程师协会的 SAE 。质量等级标准,是美国石油协会的 API ,和国际润滑剂标准化及认证委员会(ILSAC 的 GF-规格。 ILSAC 的 GF-X 规格, 是鉴于磷引起转化尾气的催化剂 中毒,在 API 相应指标基础上更严格地限定油品含磷量,同时相应提高油品的氧 化安定性、 高温抗磨性、 高温沉积物控制、 泵送性能等指标, 规格有 GF-1、 GF-2、 GF-3、 GF-4等。3.1润滑油黏度的等级和牌号美国汽车工程师协会的 SAE 黏度等级标准,依据边界泵送温度、低温动力 黏度、运动黏度、高温高剪切黏度(SE 和 SF 级汽油机润滑油无此指标 、黏度指 数、倾点等指标,将润滑油黏度分为 11个等级,含“ W ”的是冬季润滑油,不含 “ W ”的是夏季润滑油。按黏温性能,又分为单级润滑油和多级润滑油。表 1我国内燃机油黏度等级 (GB/T14906-1994黏度 等级低温黏度不大于 mPas边界泵送温度不高于 运动黏度 mm2/s(1000W3250(30 -35 3.85W3500(25 -30 3.810W3500(20 -25 4.115W3500(15 -20 5.620W4000(10 -15 5.625W6000(5 -10 9.320-5.6 9.330-9.3 12.540-12.5 16.350-16.3 21.960-21.9 16.1我国基本按照以上标准分类, 1994年颁布了内燃机润滑油黏度分级国家标 准 GB/T14906-1994,与美国汽车工程师协会的黏度等级标准(SAE J 300FEB92基本相同, “表 1”是内燃机润滑油黏度基本等级分级情况。需注意,等级号只是 规定温度下测得的润滑油黏度范围代码,而不是具体黏度值。(1单级润滑油单级润滑油, 只能满足既定的低温或高温条件使用, 明显地受地区范围和季 节范围限制。冬季润滑油,以最大低温黏度、最高边界泵送温度、 100时最小运动黏度 等三个指标分为 0W 、 5W 、 10W 、 15W 、 20W 、 25W 等六个级号,突出润滑油低 温性能,以保证低温环境下润滑油的流动性和发动机低温起动性能。从表 1所列 100运动黏度标准看, 冬季润滑油不能保证高温环境下发动机对黏度的要求, 因 此冬季润滑油几乎没有实际使用价值,市场上也没有供应。夏季润滑油,以 100时最小运动黏度分为 20、 30、 40、 50、 60等 5个级 号,突出高温性能,对低温性能不作要求。低温环境下,夏季润滑油黏度变得很 大甚至失去流动性, 可能造成发动机启动困难甚至损坏。 船舶一般都使用单级 (夏 季润滑油 , 如 SAE30、 SAE40和 SAE50等,因为船舶保温设施完善,夏季润滑 油已经能够满足船用柴油机的环境温度条件。(2多级润滑油多级润滑油,能同时满足 2个黏度级,即其黏度既满足含“ W ”的低温黏度使用 条件,又能满足不含“ W ”的高温使用条件,可冬夏通用。有资料介绍,多级润 滑油能降低发动机磨损和节省燃料, 比同黏度级别单级润滑油节省燃料 2%3%。 多级润滑油广泛应用于陆用,尤其是汽车、列车机车、保温措施较差的小型船用 柴油机,如救生艇发动机、应急发电机等。多级润滑油的 SAE 标识,使用三段表 示:例如 SAE10W-40, 表明按 SAE 黏度等级标准, 同时符合 10W 和 40两个黏度 等级指标。3.2润滑油的质量等级我国的质量等级分类标准采用美国石油协会 API 的质量等级标准,和国际润 滑剂标准化及认证委员会(ILSAC 的“ GF-X ”规格:按发动机种类, S 代表汽油机用润滑油, C 代表柴油机用润滑油;两种发动机的润滑油质量等级均以英文字母 A 、 B 、 C 、为序,序号靠后的 质量更高。其中 A 、 B 级这两个质量等级润滑油质量过低,不能满足当代发动机 使用要求,已经废止并停止生产。汽油机润滑油产品,分为 SE 、 SF 、 SG 、 SH 、 SJ 、 SL 、 GF-1、 GF-2、 GF-3等 9个质量等级;而行业标准已发展到 SM 、 GF-4高质量等级规格,其中 GF-1、 GF-2、 GF-3和 GF-4是节能和环保型润滑油规格。柴油机润滑油产品,分为 CC 、 CD 、 CE 、 CF 、 CF-4、 CH-4、 CI-4等 6个质 量等级:后一等级比前一等级具有更优越的性能, 包括适应的使用条件更苛刻, 保护 发动机的效果更好;CF 及其后的等级是节能环保型滑油,越往后减排性能也更高;CF-4、 CH-4、 CI-4规格的“ 4” ,代表适用于高速四冲程柴油机。3.3成品润滑油的规范牌号成品润滑油在市场上销售, 必须有一个代表其质量和黏度的标识, 以供用户 选用。这个标识就是润滑油的牌号。3.3.1国际润滑油牌号润滑油的完整牌号,一般有四部分标识:例如“ APICFSAE10W-30” ,其中:第一部分为润滑油质量标准。 “ API ”表示采用美国石油协会润滑油质量等级标 准,有些润滑油产品牌号省略这一标识。第二部分为润滑油质量等级。 “ CF ”表示该油品质量符合 API 的 CF 级。第三部分为润滑油黏度标准。 “ SAE ”表示采用美国汽车工程师协会润滑油黏度 等级标准。有些润滑油产品省略这一标识。第四部分是润滑油黏度等级。 “ 10W-30”表示该润滑油是多级润滑油,黏度符合 10W 级和 30级指标。3.3.2国产润滑油牌号标识(1通用润滑油我国通用润滑油牌号,与国际常用标准一样,直接标注为“质量等级 +黏度等级” , 例如:CD15W-40,其代号意义与国际常用标准同;SJ/CF-415W-40或 CF-4/SJ15W-40,表示汽油机和柴油机通用润滑油,其代号意 义同上。(2船用柴油机润滑油鉴于船舶柴油机广泛燃用高硫燃油,润滑油碱值是选择润滑油的主要指标。 与美国石油协会 API 的质量等级和国际润滑剂标准化及认证委员会(ILSAC 标 准的标注的方法不同,我国船用柴油机润滑油牌号使用文字加连续的四位数字:文字,直接标明“油品名称” ,即适用于高速船用柴油机、中速柴油机、低速柴 油机系统油以及低速柴油机气缸油的哪一种;连续的四位数字,前两位标明黏度等级,后两位标明碱值。例如,长城润滑油产品“船用气缸油 4070” :“船用气缸油” 表示该油品适用于气缸与曲轴箱之间有横隔板的船用二冲程柴油 机的气缸润滑;“ 40” (省略 SAE ,表示符合 SAE 标准的 40黏度等级指标;“ 70” ,表示总碱值 70mgKOH/g。其他例如 “系统油 3012” 、 “船用中速筒状活塞柴油机润滑油 3040” 等, 也是如此。4、润滑油的选择选择润滑油,一般说来 , 先根据用于哪类发动机确定润滑油品种,然后选定 黏度,最后确定质量等级。4.1选择润滑油品种内燃机种类众多,按用途,可分为汽油机、燃气轮机和柴油机,柴油机又分 为陆用和船用,船用柴油机又分为低速(十字头式 、中速(筒形活塞和高速, 各种内燃机对润滑油的要求各不相同,低速船用柴油机润滑油还分系统油和气缸 油。所以选择润滑油,首先要根据用途正确选定品种。否则后续选择不仅毫无意 义,而且可能产生严重后果。(1汽油机与柴油机,使用的燃料、油气混合方式、点火方式、压缩比、负荷强 度等都不同,所以应选择不同的润滑油。(2船用柴油机润滑油,要求更高的碱值、更优异的清净分散能力和抗氧化抗磨 损性能、更好的耐水性能,绝不能以陆用柴油机润滑油代替。因为船用柴油机比 陆用柴油机工作条件更苛刻:燃料含硫量一般较高。为中和燃料燃烧产生的强酸物质,船用柴油机润滑油的 碱值比陆用润滑油高。易受水侵蚀,引起总碱值下降、添加剂降解而降低性能,要求既能抵抗水的侵 蚀 (遇水稳定 ,又能快速将水分离掉。(3船用低速(二冲程十字头式柴油机的气缸油,有别于系统油。4.2选择滑油黏度等级选择润滑油黏度等级,需考虑发动机工作环境温度、负荷、转速、成色(磨 损程度等因素。因为环境温度低,润滑油粘度大,流动性差,可能出现短时干 摩擦或半干摩擦,运动副磨损严重,要以工作环境温度为主。按下列经验公式选择润滑油黏度是安全的:最低泵送温度 +7环境温度(1二冲程低速柴油机和四冲程中速柴油机大中型船舶保温设施较完善, 即便航行到南北极圈或者热带地区, 仍然有能 力控制柴油机启动时润滑油温度在理想范围,多使用单级(夏季润滑油,通常 采用 SAE30、 SAE40两个等级。长期航行于环境气温偏高区域,黏度等级在发动 机生产厂商推荐的范围内偏高些为宜;反之,应偏低些。中小型船舶,通常设施简陋,保温措施较差,多使用多级润滑油。长期航行 于环境气温偏高区域,黏度等级应接近发动机生产厂商推荐范围的上限;反之, 接近下限。(2四冲程高速柴油机和汽油机船上的特殊用途发动机 (例如应急发电原动机、救生艇机、应急消防泵发动 机等 ,以及某些船舶的主发电机,采用四冲程高速柴油机或汽油机:无限航区船舶,最好选用多级润滑油如 0W-40、 5W-30等,以适应较大的航区 温差变化。长期航行于环境气温偏高区域, 黏度等级应接近发动机生产厂推荐范围的上限; 反之接近下限。长城船用高速柴油机润滑油,分 300和 500两大系列,每个系列再根据不同黏度 分为若干产品,见表 2。船用高速柴油机润滑油分类情况牌号 API 质量等级 SAE 黏度等级540CF-44058015W-4059020W-504.3选择滑油质量等级(1汽油机某些船上的特殊用途发动机,例如应急发电原动机、救生艇机、应急消防泵 发动机等,是汽油机。反映汽油机热负荷和机械负荷的主要是压缩比。压缩比越大,热负荷和机械 负荷越大,对润滑油的清净分散性、抗磨极压性和抗氧化防腐性要求越高,即对 润滑油的质量等级要求越高。此外,汽油机的附设装置也影响润滑油的质量等级 选择。汽油机压缩比和附设装置与滑油质量等级对应关系见表 3(仅供参考 。 表 3汽油机压缩比和附设装置与滑油质量等级对应关系压缩比附设装置最低质量等级9.5ECR装置、废气催化转化器 SJ9.5涡轮增压装置、废气催化转化器 SL 、 SM(2柴油机首先, 考虑柴油机工作强度。 柴油机工作强度越大即热负荷和机械负荷越大, 工作温度越高,对润滑油质量的要求也越高。柴油机工作强度,可用强化系数 K 表示。强化系数计算公式:K =PeCm Z其中:Pe 为气缸平均有效压力, MPa ; Cm 为活塞平均线速度, m/s; Z ,四冲程 Z=0.5,二冲程 Z=1。按强化系数选择润滑油质量等级,参见表 4。表 4柴油机强化系数与润滑油质量等级对应关系强化系数(K 120质量等级 CCCDCF 、 CF-4CH-4、 CI-4注:表中推荐的质量等级,适应于燃油含硫量 0.4%以下,柴油含硫量超过 1%时应提高一档。其次,考虑柴油机增压度。增压度越高,需要润滑油等级越高。非增压或低 增压 CD 、 CE 级即可;高增压需用 CF 、 CH 级润滑油。第三,考虑润滑油消耗量。润滑油消耗(补加量少,即润滑油更换周期长,应 选用 CF 、 CH 等高等级润滑油。4.4选择润滑油碱值选择润滑油碱值,根据柴油机型式和燃油含硫量。(1燃油含硫量燃油含硫量高,中和燃油燃烧产生的酸性物质所需的碱性物质多,要求润滑油碱 值高,同时也需要润滑油的清净性和氧化安定性好。(2柴油机型式船用高速、中速柴油机,都是四冲程筒形活塞,需选用较高碱值润滑油,因为:系统油兼有气缸油的作用;燃烧产生的酸性物质例如硫化物等,会从缸壁漏入曲轴箱。若柴油发电机组的发电机也使用柴油机系统油,还应考虑发电机的要求,选用更 高质量等级的润滑油。船用低速柴油机:转速低,对滑油质量等级要求较低。二冲程十字头式,绝大部分燃烧产物例如硫化合物等被活塞杆密封挡在曲轴箱 之外,系统油基本不接触燃气,所需碱值较小。活塞的冷却方式有油冷式和水冷式。油冷式,系统油要冷却活塞,受热循环次 数多,润滑油碱值应偏高;水冷式,则润滑油碱值应偏低。长城滑油推荐燃油含硫量与碱值关系见表 5。表 5长城滑油推荐的燃油含硫量与碱值关系含硫量 %0.51.522.52.53.53.5总碱值 mgKOH/g1220253040滑油牌号 30124012302