初夏，感恩遇见
劣质VLSFO引发设备故障风险与防范探讨
朱晓亮 陈伟翔
文章概要 全球限硫新规刚起，VLSFO市场“鱼龙混杂”，劣质VLSFO给船舶机械设备的运行带来了“致命打击”。常见的故障包括缸套活塞环异常磨损，析蜡引起滤器堵塞、沥青质油泥引起分油困难， 柱塞偶件异常磨损，严重的会使船舶短时失去动力。面对这样的状况，笔者根据行业内相关技术信息，从VLSFO特点、潜在风险、应对策略等方面进行分析。
关键词 VLSFO 析蜡 沥青 Cat Fines 分离量 比重环
0.引言
2020.1.1全球限硫令实施，将SECA以外使用的燃油硫含量从小于3.5%m/m降到小于0.5%m/m。硫含量略小于0.5%m/m的低硫油燃油“VLSFO（very low sulfur oil）”投入使用以来，燃油市场“鱼龙混杂”，劣质的VLSFO给船舶机械设备的运行带来了“致命打击”，使得主、副机设备突发故障甚至使船舶失去动力，让船东、船员苦不堪言。针对这一残酷的事实，笔者根据行业内相关专家的技术信息，从VLSFO特点、潜在风险、应对策略等方面进行探讨，旨在提高重视程度，并汇集信息，共同提高管理水平，降低潜在风险。
1.目前VLSFO的主要特点
1.1 目前低硫燃油的来源
（1）船用低硫柴油：硫含量小于0.5%m/m的船用馏分油。
（2）低硫原油生产的低硫燃油：由低硫原油经过蒸馏等工艺产生的渣油调和出来，满足IMO要求的小于0.5%m/m 硫含量的低硫燃料标准，产量小，不能满足太多的需求。
（3）脱硫工艺生产的低硫燃油：如传统的加氢脱硫、吸附脱硫、催化裂化添加剂脱硫等技术对高硫油进行脱硫所生产的合规低硫油。粘度较高，范围在180-500cSt@50℃。因生产成本高而目前市场不多。
（4）调和低硫燃油：使用低硫组分轻质燃油同高硫重质燃油进行混兑、调和，既满足低于0.5%m/m 硫含量的要求，也保证燃油闪点、稳定性、兼容性、点火特性等要素，目前没有统一规范标准，行业建议按ISO 8217-2017的标准规范执行，以增加安全系数。这种VLSFO的粘度范围很大，一般在14-245cSt@50℃，如生产工艺不达标或其它不友好因素，导致大量“劣质VLSFO”流入燃油市场，不断导致船舶机械设备损坏的“海上惊魂”悲剧发生。
1.2 炼油用催化剂颗粒
催化剂颗粒主要成分是铝和硅的氧化物，也就是金刚砂Al2O3、石英SiO₂，以及与陶瓷相似的八面沸石，行业称Cat Fines。新加入的催化剂平均粒直径为70μm（20~200μm），但在炼油厂循环使用过程中，颗粒逐渐减小，当催化剂颗粒混入燃油时，平均粒径已降至20μm以下。实验表明，8-15μm的Cat Fines，且含量达到10ppm以上后，会对相互摩擦的运动表面产生快速的磨损。图1为显微镜下的组织结构图。
图1 显微镜下滤器中50um &10um催化颗粒
1.3 调和低硫燃油（VLSFO）存在的问题
1.3.1有害成份多
已发现的有植物油、动物脂肪；非石油制品，废润滑油，化工废料；有机卤化物；有机酸和其它氧化物等。
1.3.2给船舶操作带来不便
（1）粘度变化范围大，实际操作中对粘度、温度的把控困难。
（2）润滑性能降低，柱塞偶件磨损加速。
由于低硫柴油生产中普遍采用了苛刻的加氢脱硫工艺，柴油中改善润滑性的主要物质如含氧、氮化合物以及双环、多环芳烃的含量也随之降低，降低了柴油的自然润滑性能。
（3）低温流动性差，容易析蜡堵塞滤器。
讨论低温流动性，几个重要温度点，必须先说明。
v 浊点(Cloud Point)：指油品开始析出石蜡或其它组分，油品变浑浊的温度。
v 冷滤点（Cold Filter Plugging Point ）：指油品造成滤网堵塞的最高温度。
v 倾点(Pour Point)：指油品在规定的试验条件下，被冷却的油样能够流动的最低温度。
浊占›冷滤点›倾点。
目前已知的析出沉积物有蜡晶油泥、沥青质油泥、胶质油泥（树脂状）、棉絮状油泥等，如图2照片。实验表明，单组分石蜡（wax）的析出与温度有关，但由于VLSFO组分复杂，包含石蜡基、沥青基、芳香族、环烷烃等，这些组分在调和生产过程中的加工工艺直接影响了VLSFO在储存、分离、过滤、燃烧过程中，可能析出沉积物的组分。
图2 蜡晶、沥青、树脂状、棉絮状沉积物
（4）微生物污染而繁殖，会将“油”吃掉，并污染设备。
按ISO 8217-2017标准，脂肪酸甲酯FAME（Fatty Acid Methyl Ester） 含量最高达7%，FAME会带来微生物污染，可能由海藻、真菌、细菌引起。微生物以碳氢化合物为食物，需要水和空气以生存。当闻到与常规燃油异样的“臭”味时，应提高警惕。图3显示在柱塞油槽内发现微生物繁殖。
图3 微生物污染设备
（5）催化剂铝、硅颗粒等引发的磨损。
（6）相容性、稳定性更差。
(7) 粘度低造成泄漏，燃油系统压力下降，需要更换密封件、偶件和重新调整燃油系统压力。
2.劣质VLSFO引发的设备损坏和潜在风险
2.1引起主、副机突发故障，甚至造成船舶失去动力
（1）柱塞和针阀磨损造成燃油泄漏，主副机启动困难、加车迟缓、低负荷区域运行不稳定；高压油泵柱塞卡死在上升位置，使主、副机无法启动。
（2）两台副机间因各缸柱塞磨损不同，造成发电机无法稳定并车运行，大负荷突变后，出现一台机逆功率引起跳闸，另一台因短时过载再跳闸，最终致使全船失电。
（3）10~20μm直径的催化颗粒很容易混入主副机缸套表面的油膜和石墨层内，危害极大，会导致缸套内表面、活塞环急剧磨损。
（4）缩短排气阀的使用寿命。
2.2燃油的稳定性差(Stability)
稳定性，指单一的燃油中沥青质在整体溶液中保持稳定的能力。沥青质在芳香烃中容易稳定，在石蜡馏分中不易稳定。
2.3燃油的兼容性差（Compatibility）
兼容性,指两种或多种单独稳定的燃油以一定的比例混合后，形成稳定混合液的能力。低硫调和燃油中低硫石蜡馏分的增加导致不相容性可能性增加，不相容性可以通过添加沥青质分散剂或改善调油工艺过程来控制。
大量的实验室测试数据表明,VLSFO的兼容性和稳定性不可预测。许多符合ISO 8217标准的燃油仍会在船上造成严重的问题，期待更适用于VLSFO的燃油标准尽快出台。
3.船舶防范风险的操作建议
3.1燃油采购规范，建议满足ISO 8217-2017标准
注意馏分油和重油的系统要完全隔离，船舶使用全新、且没有使用经验的燃油时，注意验证机械设备性能。MSDS、BDN、全程取的油样等保留好。发生问题后的证据保存、操作记录、专业机构油样化验报告等是事后处理的关键证据。有任何问题，第一时间向公司职能部门反馈，可安排第三方专业机构检测。尽量避免不同批次、规格的燃油掺混，对于来源差异大的燃油，还要避免混油。加油前，发现油品有异臭味应提高警惕，可用试纸进行化验比较。
图6是VPS实验室的数据，第1、2份油样显示沥青沉淀，第3、4份油样显示有色素和蜡成分。
图6 试纸测试状态
3.2防止析蜡及沥青质油泥的应对措施
为了预防析蜡，建议油舱的储存温度应比倾点（Pour Point）高10℃，并尽快使用，存放时间越长，生成沥青质油泥的概率越大。
沥青质油泥的产生，与VLSFO的组分、加工工艺有重要关系，船上通过控制储存、分离温度的办法并不能有效解决根本问题。RZ轮在巴拿马加装的VLSFO规格是，粘度92.18cSt@50℃、密度0.9256g/cm3@15℃、硫含量0.488%m/m,分别加装于两个均已清洁干净的油舱内，一周内使用的油舱内的VLSFO没发现异常，而2个月后使用的另一个舱的VLSFO在燃油系统中出现沥青质油泥，分油机、滤器均出现堵塞现象，由于船舶老轨处理得当，化解了危机。选择合格供油商、使用前由专业机构化验、提前试用，添加燃油稳定分散剂也是应对劣质VLSFO可能存在的风险较为积极的方法。
（1）根据实船反馈和来自VPS新加坡化验室的数据分析，当储存温度低于WAT（Wax Appear Temperature）时，会出现析蜡现象。然目前的燃油化验参数中并没有WAT的具体参数，根据MEPC.320(74)决议的建议，储存温度控制在比倾点（PP）高10℃即可，这个建议是基于燃油中只存在单一蜡基组分燃油防止析蜡的理论要求。一旦出现析蜡现象，理论上将大多数单一蜡组分还原，满足（PP）+12℃即可，但实际VLSFO组分复杂，析蜡的同时也会出现其它组分沉淀，只靠升温不能解决问题。同时要明白，过高的储存温度会带来其它方面的风险，如油气浓度变大、形成沥青质油泥的速度加快、稳定性变差等等。图4是VPS新加坡实验室公布的232份VLSFO样本中WAT/WDT（Wax Disappear Temp.）对应的温度关系。可以看出，在油舱中析蜡后，基本上很难复原，而一旦出现析蜡，通过加热处理很难将蜡逆转溶解。
图4 VPS实验室232份VLSFO WAT/WDT数据
（2）由于“加氢裂化”工艺（Hydro-Cracking Processes），使得VLSFO产生了大量的石蜡基，当其储存温度接近“冷滤点CFPP(Cold Filter Plugging Point)”时，会析蜡堵塞滤器。
（3）根据FOBAS化验室SWPP(Sediment & Wax Precipitation Point)-Test研究数据表明，当VLSFO的粘度(Viscosity@50℃)在20-100cSt之间时，析蜡的概率增加，图5反馈了一份粘度30cSt@50℃的VLSFO油样中析蜡比例与温度的关系。操作者应该明白，不同的粘度，在不同温度下的析蜡比例是不同的，因此向供油商索要油品的CP、CFPP、PP数据可有助于船上操作。
图5 某30cSt@50℃油品SWPP Test 析蜡比与温度关系图
（4）FOBAS化验室根据已收集的相关油样数据，给出了VLSFO储存、分油机分离温度的参考值，如表1。
表1 FOBAS 化验室建议的VLSFO储存与分离温度
粘度@50℃
cSt
储存温度
℃
分离温度
℃
进机温度@13cSt
20
30
40
63
20-30
30
50
63-75
30-40
PP+15
60
75-83
40-50
PP+15
70
83-88
50-80
PP+15
80
88-100
80-180
PP+15
98
100-118
3.3重点解决催化剂颗粒(Cat Fines)问题
催化剂颗粒Cat Fines主要成分为硅、铝,大小5-30μm,其中8-15μm危害最大。主机生产厂家要求小于15 ppm，Cat Fines亲水，要做好下列工作。
（1）加強沉淀柜、日用柜的清洁与底部放残。
（2）建议使用两台分油机并联操作，目的是将每台分油机的分离量调到最小，以达到最佳分离效果。分离量调小应通过旁通和关小进油阀综合控制，防止从泵到分油机进口间的管路和加热器内压力太高。油柜内够用就好，并保证分油机出口压力在正常范围内。图7是分油机并联操作示意图。
图7 分油机并联模式示意图
（3）控制、调节分离温度。由于VLSFO的粘度范围太大，对于不同批次的燃油，不能固定分油机的分离温度，推荐分离的粘度20-30cSt为佳，并结合分离效果与闪点来确定不同规格VLSFO的分离温度。
（4）调整分油机比重环，由于VLSFO密度减小，只有改变比重环才能有效解决分离问题。原则是在最小分离量、最佳分离温度的情况下，不跑油，尽量选择大号的比重环（比小环大），如跑油后再换回小一号的比重环，表2是三菱分油机其中两种型号配置的比重环，图8是分油机内部介质分离状态图。
表2 三菱分油机两种型号配置的比重环内径
Model
Inside Diameter Of Gravity Disc (mm)
SJ20
64
65
66.5
68.5
71.5
75
77
78
82
83
SJ30
65
66.5
68.5
71.5
75
79
82
86
90
比重环的初步选择可根据图9诺莫图中的介质比重、分离温度、分离流量连线找到与比重环线的交点，选择合适内径的比重环。但还是要根据实际使用情况进行微调整，以达到最佳分离效果。
图8 内部介质分离状态图
图9 比重环选择的诺莫示意图
3.4选择高精度的燃油自动反冲洗滤器。这是排除催化颗粒的最后一道保护屏障，重点保证滤器的精度与质量。2003年出厂的MAN主机燃油滤器精度是48μm，目前标准是10μm。为了防控风险，可以重新配置高精度的燃油滤器。
3.5根据MAN SL2019-671/JAP通函建议，当使用VLSFO时，缸套水出口温度应从85℃减小到80℃。
3.6控制燃油进机温度，应以粘度控制为原则，MAN主机厂家推荐进机粘度是10-15cSt,满足2cSt是底线。
3.7储备合适总碱值的气缸油。建议根据主机型号，储存BN40-BN100不同规格的气缸油。
MAN SL2019-671/JAP通函建议，当使用硫含量0.1-0.5%m/m的燃油时，应换成总碱值BN4O-BN70气缸油，但当扫气口检查发现有“中和不足”现象时，或根据残油化验分析结果决定是否使用BN70气缸油。
也许是因为VLSFO多样式的原因，多台主机在长期使用了BN40的气缸油后出现了许多异常状况，如拉缸，近期MAN又发布了SL2020-694/JUSV通函，当使用硫含量0.1-0.5%m/m的燃油时，可以使用碱值BN4O-BN100气缸油。其中，对MARK 8及以下机型，建议使用BN40-BN70气缸油。对MARK 9及以上和ME机型，目前还没有批准一家供油商生产的BN40产品可以在实船使用，因此，建议使用BN70-BN100的气缸油。建议管理者仔细研读这两份通函，品味其中的含义。（注：MARK 8与 MARK 9的区别在于MEP - 平均有效压力的大小不同。）
根据实船管理经验，“RZ”轮（MAN 6S50MC-C MARK 8），在定速航行途中，大管轮班上换用BN70的气缸油，经过一个多月的航行之后，原产生的冷腐蚀黑斑纹消失。注油率的调整，应根据残油化验或扫气口检查的经验来判断注油率是否合适。经验表明，如果在停车后的第一时间检查扫气口时，发现环槽内气缸油较多且在积碳的内部发现白色硬质沉积物（CaCO3）,可适当减少气缸油注油率。
3.8配足主副机燃烧系统的相关备件，以防不测。
3.9如果粘度低，出现燃油系统泄漏与压力下降现象，应更换密封件、柱塞偶件，并根据主机说明书中燃油系统压力调整的要求重新调整燃油系统压力。
3.10利用电子示功仪，捕捉主副机燃烧不良时的细微变化。柱塞偶件的磨损是个渐进的过程，使用粘度较高的燃油时，其内部的泄漏对燃烧的影响不太明显；当使用粘度低的燃油后，泄漏严重。先进的电子示功仪能同时应用于二冲程和四冲程机型的气缸内压力测量，可以准确通过测量燃烧曲线反馈设备工况。图10反映了正常燃烧、燃烧后移、柱塞磨损泄漏严重的P-ψ示功图。
图10 正常燃烧、燃烧后移、柱塞磨损泄漏严重的P-ψ示功图
3.11加装燃油冷却装置。MAN主机厂家要求最低进机粘度不小于2cSt，当使用LSMGO时，对于没有冷却装置的燃油系统，船上能做的就是将管系蒸汽伴温管、燃油加热器的供给蒸汽彻底切断。但由于主副机回油的温度偏高，使得集油井的燃油温度会提高。为应对长时间使用LSMGO，加装燃油冷却器是有必要的。
3.12 VLSFO添加燃油稳定分散剂、燃烧催化剂，LSMGO添加润滑性改进剂。应主动与燃油添加剂供应商探讨解决低硫燃油润滑性、稳定性、兼容性、燃烧性能等的技术方案。笔者管理的具有17年船年的散货船的重油舱，一直使用某品牌（BT-8 plus）燃油添加剂，燃油舱内的沉积物很少。
3.13为供参考，提供一组实船操作数据。通过统计数据比较发现，部分船舶在实际操作中对VLSFO分离温度的控制，并没有按控制燃油粘度的原则来控制分离温度的建议执行。见表3。
表3 实船收集的使用VLSFO操作数据
序号
硫 /%m/m
闪点
粘度/cSt@50℃
密度 /g/cm3 @15℃
储存温度/℃
分离温度/℃
状况
1
0.488
›140 degF
92.18
0.9256
40
93
析蜡
2
0.46
›140 degF
75
0.931
35
90
正常
3
0.403
112℃
107.7
0.9358
40
93
正常
4
0.479
›100℃
63.83
0.9403
40
90
正常
5
0.34
›98℃
42.6
0.946
35
90
正常
6
0.488
›100℃
77.74
0.9354
40
92
正常
7
0.482
›84℃
112.3
0.9358
40
91
正常
8
0.482
86℃
146
0.9505
35
98
正常
9
0.488
105℃
70.19
0.9289
40
98
正常
10
0.474
›100℃
80.03
0.9529
40
97
正常
11
0.47
›100℃
247
0.9674
40
98
沥青状油渣
12
0.46
›98℃
32.6
0.903
40
93
树脂状油渣
13
0.453
›85℃
14
0.9118
40
93
棉絮状油渣
14
0.46
›94℃
54.62
0.939
35
93
正常
15
0.4
›75℃
380
0.9798
35
93
正常
16
0.451
97℃
120.5
0.9563
33
92
正常
3.14 劣质VLSFO的船上操作要点。一旦船上加装了劣质VLSFO，怎么办？根据前面的讨论，析蜡通过温度来控制，Cat Fines通过分离和过滤来处理，而沥青质和淤渣通过添加剂中的稳定剂、控制储存时间与温度是最好的处理方法，但由于船上使用添加剂缺少有效的调和手段，难以让沥青质和淤渣以胶体状态稳定在燃油中，因此下列几点要点，船上应做好：
² 储存时间不能太长，2-3天后应试用；
² 准备好索赔的所有证据；
² 条件允许的情况下，添加适当比例的LSMGO在沉淀柜内混合使用；
² 避免长时间低负荷运行；
² 主机停车前，应将整个燃油系统全部更换成可靠的燃油或LSMGO，避免主机在机动航行和停车状态下，燃油系统内存在劣质VLSFO。此操作的主要目的是防止沥青质在柱塞偶件不运动时沉积在缝隙内，机动航行时柱塞偶件卡住，以及淤渣在加热器内沉积的可能性。
4.结束语
综上所述，了解VLSFO主要特点和可能存在的风险，制定防范措施，使用高质量的燃油添加剂提高燃油的稳定性、兼容性、润滑性、可燃烧性，从根本上控制好燃油的质量。同时指导船舶做好有效的操作，如核对供油信息、MSDS，警惕粘度特别高和特别低的VLSFO，警惕有异臭味的VLSFO，使用试纸化验，控制储存温度与时间，控制分离量与温度，调整合适比重环，加强扫气口检查，备足备件，重视热功参数分析等。低硫油带给船舶还有很多未知风险，船东与船员只有积极面对，加强风险评估并积极面对，加强行业内技术交流与沟通，积累经验，信息共享，不断改进管理方法，方能在劣境中求发展。
【参考文献】
[1] MITSUBISHI Self-Jector instruction manual
[2] MEPC.320(74决议)2019年MARPOL 附则VI0.50%硫含量限值统一实施指南 2019.5.17
END
