用便携式红外分析测量船上残余汽缸油基数(BN)

由于运力过剩和最近经济衰退后运费下降的影响，为了降低成本，船舶运营商实施了“慢速航行”业务。当二冲程发动机在慢蒸模式下运行时，燃料费用显著降低;然而，如果不能有效地管理气缸润滑，则发生气缸冷腐蚀的风险会增加。

如何防止汽缸套的冷腐蚀是船东面临的主要挑战。所有船舶发动机供应商都发布了描述所面临挑战的技术公告(图1)。

图1所示。冷腐蚀的影响可以在这个气缸套上看到。表面有凹凸不平的麻子痕;这使严重的滑动磨损发生。

此外，对全球贸易路线（SECA）的低硫排放控制区域（SECA）的扩展和燃料中硫磺的未来限制正在改变正常实践。使用双燃料处理的使用增加，这需要基于所用燃料在中间和高BN润滑剂之间切换。由于不同燃料中存在不同的硫含量，因此需要基于所使用的燃料来改变由润滑油提供的BN。

这导致圆柱润滑油饲料速率的改变成为日常生活。对于这种优化，需要常规监测残余排水油BN。目前的方法不适合这种监测频率，因为它可以采取相当大的时间来测量每个气缸。

与Winterthur Gas & Diesel (WinGD)和Wärtsilä Services合作设计了一种新的手持BN分析仪，为船东提供了一种快速、精确的方法来确定BN，以优化气缸润滑。

本文详细介绍了常规实验室和现场技术对BN测量的挑战，并描述了一种新的红外方法手持红外分析仪．

背景

Wärtsilä Services、Winterthur Gas & Diesel、MAN Turbo和主要的润滑油供应商强调，有必要对他们的二冲程发动机进行更频繁的活塞下油分析，并为慢蒸工况提供具体建议(图2)。

图2。瓦锡兰对二冲程发动机剩余汽缸油中BN的推荐限值

除了通过确定活塞底部的泄油来监测剩余BN外，设计师还建议测量进口(新鲜)汽缸油BN，特别是当船舶操作员在船上进行调合时。

基于技术公告建议（图2），活塞下侧油BN值应高于25mg KOH / g。需要在这些准则中维持残留油BN所需的频繁直接监控。

了解气缸润滑

防止缸套过早失效对船东来说是很重要的。如图3所示，当所有关键变量都得到平衡和控制时，就可以实现可靠的运行。

关键变量是负载率、缸温、缸油BN、润滑器进给速率和燃料硫含量。这些变量都是相互依赖的。例如，如果硫含量增加，则需要相应地改变BN和进料速率。

图3。许多变量都会影响气瓶的健康状况。直接测量所有这些变量是必要的，以确保适当的发动机健康。

使用发动机控制系统数据或BN测量（图4），船舶工程师可以改变气缸润滑油进给量(LOFR)以补偿蒸腾时这些变量的变化。大多数气缸润滑系统都是前馈工作的，因为发动机控制系统不接收任何基于活塞运行条件的反馈。

因此，当燃料硫浓度发生变化(从HFO向MGO转变)时，在改变润滑器喷雾设置方面很容易落后。这可能是一个持续72小时的渐进变化。

这种滞后可能导致润滑不足或过度。润滑不足可能导致滑动磨损和冷腐蚀，而过度润滑可能导致良好的汽缸油和内径抛光/液压锁的浪费。

图4。Wartsila脉冲润滑系统允许更紧密地控制气缸润滑。

传统上,油缸进给速率图,工程师取决于燃料含硫量的变量在假定BN范围基于新的石油值(图5)。这些指南最初开发用于长途旅行的高硫燃料油(高频振荡器)成分是已知的和有最小的变化。当船舶进入SECA区域和BN油切换时，硫率每小时都会发生变化，因此，这就成为了一种微妙的平衡，以防止冷腐蚀。

图5。根据所使用燃料的含硫量绘制的润滑油进给量图表

进料速率控制的理想度量是活塞下侧油的BN（图6）。传统上，它尚未以这种方式使用，主要是由于快速获得可靠和精确的BN结果的挑战。通过使用此信息，可以准确地调整LOFR设置。

图6。BN结果为发动机健康和润滑考虑了许多问题。

理解BN测量

基数(BN或中和数)是一种衡量润滑剂碱度储备的指标。最新的符合船舶发动机要求的汽缸油使用了钡、钙、镁磺酸盐或碳酸盐、水杨酸钙和酚酸盐等洗涤剂，用于应对高腐蚀性环境。

全球测试机构使用的裁判方法是电位滴定技术，即在开发的三溶剂中，将酸性滴定剂添加到润滑剂中，以促进溶解。

通常，在汽缸油BN分析中，高氯酸(HClO₄)滴定剂已被用于冰乙酸溶剂混合物(ASTM D 2896)，因为它有能力中和汽缸油中的强碱性和弱碱性添加剂。

对于消耗低硫油的四冲程或系统发动机，另一种广泛使用的方法ASTM D4739通常被指定。在这种方法中，滴定剂是HCl，它是特定时间段内发动机BN趋势的首选方法，特别是在存在磨损碎片的情况下。

目前可用的裁判方法是这样的，它们可以在实验室中进行，由训练有素的技术人员进行，他们了解测试和处理危险化学品、通风和玻璃器皿的适当基础设施(图7)。

ASTM D2896特别需要进一步的管道工作的基础设施规范，因为高氯酸烟雾是高度腐蚀性的。高氮化硼样品的适当滴定可能需要超过半小时的时间来确定终点，因此，今天大多数实验室在滴定器中使用了一定程度的自动化。这些程序是正式的，但不适合船上监控。

图7。实验室使用的滴定仪器。

红外光谱分析

红外(IR)光谱法，应用于汽缸油的分析，是一种通过已知路径的油样品传输红外能量并分析其光谱的方法。红外能量吸收是基于样品中的分子振动。

这些振动模式的相互作用仅采用IR辐射的特定和可重复频率（或波长）进行，并且在吸收光谱中产生清晰的图案，可以研究有关油样的定量化学数据。

主要使用中红外区域(4000到400波数)。气缸油中的碱性储备添加剂和随着储备的耗尽而增加的酸可以看作是样品红外光谱的变化。

在实验室设置中测定润滑油样品的TBN或TAN时，红外光谱被用来缩短达到一个值的时间，并避免常规样品的高昂化学成本。直接探测润滑剂的“现状”，可以了解样品中碱或酸含量的变化趋势，即使实际值未知。

通过基于流体类型的独特校准，可以使用多元方法将红外光谱的变化与滴定TAN或TBN值关联起来;然而，这些方法对类型混淆、配方变化和流体污染表现出敏感性。

由于在对未知样品进行校准时存在挑战，这些技术仅限于实验室，直到2009年开发出FluidScan红外分析仪。

这款分析仪是几年来研究的成果，为了满足美国军事成本降低和环境改善计划的延长油排放和流体状况评估要求。

该分析仪是独立和便携式的，为用户提供即时流体状况评估。专利翻转式采样盒可方便快速地进行现场分析，省去了样品制备和繁琐的清理工作。

核心的FluidScan是一种没有任何运动部件的中红外专利光谱仪。红外光线通过翻转式电池中的流体传输到波导中，由光谱仪采集，如图8所示。

图8。FluidScan红外光栅光谱仪的光学原理图。红外能量通过翻转顶部电池中的样品，集中并衍射到调谐探测器。信号随后在船上进行处理，以迅速提供可用的数据。

FluidScan增加了便携式仪器的光学吞吐量和光谱分辨率。因此，FluidScan提供了最佳的光谱范围、信噪比和分辨率，用于快速分析在用润滑剂。这种创新技术已经优化为低功耗，允许制造一个强大的，高度精确的分析仪，工作在锂离子电池长达8小时。

圆柱氮化硼在流体扫描中的应用

虽然汽缸油中使用的添加剂化学成分有所变化，但红外光谱中存在明显的光谱特征，这与TBN值有关。为了开发应用，收集了一些新的和残留的汽缸油。

用滴定剂和IR光谱仪进行每个样品的测试，用于将每个样品的IR光谱和滴定结果（ASTM D4739和D2896）的滴定仪进行。

为了研究目前不同的添加剂配方，对新型润滑剂的光谱进行了定性检测。采用主成分分析(PCA)方法对几种不同添加剂配方和品牌的新型气缸润滑油的红外光谱进行了分析。根据ASTM D2896确定的新润滑剂的BN值与第一个主成分有很高的相关性(图9)。

图9。主成分分析(PCA)表明，PC1与D2896新油BN具有良好的相关性。

这种强相关性使得对所有这些油的BN进行通用校准成为可能。这在1000到1700厘米的光谱区域可以清楚地看到^{- 1}．特定基数范围的轮廓和峰值强度是独特的，与油的混合或品牌无关。(图10)。

图10。几十种汽缸油的红外光谱显示，由于添加剂的作用，这些峰在1000到1700厘米的范围内彼此密切相关^－1的范围内。

在中间BN范围内研究残留的油光谱（图11）。

图11。在12 ~ 38mgKOH范围内，BN油的红外光谱表明，其碱性储量减少，酸性副产物富集。

随着氮化硼的变化，峰有明显的变化，这与碱性添加剂包的消耗和酸与氮化硼包反应的副产物的生成有关。这一转变在本研究中检查的所有汽缸油类型中都是常见的，这将使红外光谱对BN进行通用校准成为可能。

实验的程序

为了观察红外光谱与底数的相关性，随机选取8种新油，在每个起始底数范围内有两种油类型。用浓硫酸(97%)进行滴定，合成BN值范围从新到10mgKOH/g的样品(图12)。

图12。将强硫酸加入到汽缸基础油中以模拟腐蚀效应。光谱变化与现实世界样本一致。

将样品搅拌过夜，然后进行红外光谱和滴定分析。利用这些数据，a通用汽缸BN校准与添加剂包装或样品的特定油类型无关。

成功建立了三因素偏最小二乘(PLS)回归模型(RMSEC = 6.2mgKOH/g)，并将其微调至1320-1850 cm的频率范围^－1在2到102mgKOH/g的BN范围内。

在新油和旧油的验证中，校准结果与D2896碱数滴定结果具有良好的相关性(R2 = 0.94)(图13)。在10 ~ 25mgKOH/g的临界范围内，对一组真实的剩余油样品，IR结果与D2896滴定值的平均绝对误差约为2mgKOH/g(表1)。

图13。对BN (mgkOH/g)的预测陆上红外定标与海上D2896实验室结果吻合较好。

表格1。使用样本的选择

测试样品	PRED BN (mgKOH / g)	实验室BN (mgKOH / g)
w508	7.77	10.98
w507	8.99	12.82
w503	14.38	14.37
w512	12.08	14.46
w531	12.67	15.00
w548	12.48	15.43
w533	14.75	15.66
w547	13.43	16.82
w527	20.94	19.35
W539.	19.48	20.04
新	57.16	62.70

讨论

目前，活塞下侧油的BN测量是在油分析实验室进行的，或越来越多地在船上使用激振器测试套件进行测量。机载激振器套件非常耗时，需要工作台空间，涉及危险化学品，并需要将样本带到套件中。

这项工作非常复杂，每天只有一次TBN测试在飞机上进行——在公共排水管上。观察从每个活塞排出的油来校准每个气缸的润滑系统需要额外的成本和努力，而不是仅仅调整进给速度造成的损耗和损坏。

BN测量与新的圆筒润滑系统一起具有更高的准确进料速率和气缸喷涂图案，最小化气缸润滑剂使用。像刮削油分析一样的其他间接技术靶向熨斗含量，这是由于控制技术差而发生的铁含量。

实时BN测量可以显著改变机载进给速率指令(表2)，因此，结果是决策的组成部分，而不是历史观察。

表2。

燃料类型是…	船上的结果是…	进料速率设置应该…	为什么？
高频振荡器	＜15	增加	在lubrication-scuffing风险
高频振荡器	> 25	减少	过度润滑液压锁/化学孔抛光风险
m	> 25	减少	过度润滑机械镗孔有抛光风险
m	＜15	增加	在润滑风险下

结论

新的分析仪大大降低了船上基数汽缸油分析的成本和时间，消除了对危险化学品的需要和操作人员对结果的解释。

这种新仪器是便携式的，可以从一个气瓶携带到另一个气瓶。BN测试结果在一分钟内得到，从而节省了相当数量的船上稀缺人力。分析只需要几滴油就可以大大减少废物流。

通过仪器简化了测量油状况的过程，操作员不需要任何解释，以获得精确和可重复的结果。仪器存储结果并提供自动报警，因此，无需手动记录。

的FluidScan^®1200是一个便携式，强大的红外油分析仪，确定船舶汽缸油基数使用通用校准。只需要引入样品进行测量，就可以得到BN。不需要什么牌子的油。Fluidscan 1200在5到10BN范围内进行校准，结果与实验室滴定系统一致。

除了BN测试外，该分析仪还配备了机载软件，允许船主测试其他船上机械中使用的合成润滑油和石油基润滑油的几个关键油况参数，包括系统油、液压和齿轮油以及其他辅助设备的润滑油。2020欧洲杯下注官网

润滑退化、污染和交叉污染是由设备在使用点通过确定关键的油况参数来确定的。这反过来又使操作人员能够快速做出维护决策。

在该技术中，首先将流体通过其红外光谱分类并识别到其普通化学家族中。从该数据中，仪器选择合适的化学计量算法，用于流体分析和提供定量总碱基（TBN），总酸数（TAN），硝化，氧化，硫化，添加剂耗尽，乙二醇，水和烟灰。

使用一个关键效益红外油分析仪从内置流体库中确定未知新油的能力。通过这种方式，船上操作人员可以识别油的混合或对存储区域内的新润滑油进行进货质量控制，从而减轻由于使用错误的油而导致的设备问题风险。2020欧洲杯下注官网

基数(BN)一直是监测气缸润滑状况的重要指标，但数据传输非常耗时且不方便。新的BN分析仪使BN数据的获取非常容易和快速，从而使船舶工程师能够快速决策，实时降低成本。

这些信息已经从AMETEK Spectro Scientific提供的材料中获得，审查和改编。欧洲杯足球竞彩

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