日常磨损 - 残留催化颗粒和发动机磨损，第 1 部分

一项将于 2020 年初生效的新监管制度将给全球船用燃料的种类和可用性带来全面的变化。 对于船舶操作员来说，可靠和安全运行发动机不可避免地需要比现在更深入的理解和更高级的燃料处理策略。 即便是现在，也无法准确预测未来挑战的规模。 不过，船舶运营商在避免问题方面取得的成功在很大程度上将取决于他们在未来几个月采取的行动。

燃料流量

2020 年 1 月 1 日，全球航运业将进入低硫时代，这将是自《MARPOL 73/78 公约》颁布以来航运业面临的最大监管变革，也是航运业有史以来面临的最大经营变革之一。 从那一天起，所有船舶都必须遵守国际海事组织 (IMO) 对燃料中硫含量的严格限制，即 0.50%（质量/质量）。

0.50% 的上限比 2012 年颁布的 3.50% 的上限要低得多，而且是对排放控制区 (ECA) 的 0.10% 的排放上限的补充。 虽然 IMO 正确地将新限制描述为环境和人类健康的胜利，但对于航运业来说，它正逐渐成为一个令人头痛的问题。 因为，不幸的是，消除环境危害意味着引入一种机械危害，即残留催化颗粒 - 如果没有捕捉到这种微小颗粒，就会对发动机造成严重破坏。

船用燃料油从来就不是人们所说的一种迷人的物质。 从原油开始，炼油厂从馏分塔顶部馏出并提取高价值的产品。 从天然气和汽油，到航空燃料和柴油，再到润滑油，直到剩下的东西 - 一种厚厚的黑色残渣 - 用于为船舶提供动力和制造沥青。 它并不漂亮，但它确实帮助创造了现代世界。

硫磺的问题

当发动机燃烧化石燃料时，它们释放出硫氧化物 (SOx)，而硫氧化物在大气中会导致一系列健康和环境问题，例如人和动物的呼吸道疾病以及土壤和水的酸化。

硫自然存在于所有原油中，在蒸馏过程中最高沸点的残余馏分中，硫的浓度更高。 这意味着从 2020 年开始，燃料生产将需要改变以更好地处理硫，船舶运营商将面临比以往更复杂的燃料选择。

运行液化天然气 (LNG) 的船舶将不会遇到任何问题，但 LNG 船舶只占全球船队的一小部分，而且由于投资成本高和缺乏供应基础设施，预计这种状况将持续数十年。 许多其他船舶将继续燃烧高硫燃料油 (HSFO)，依靠洗涤器技术将废气净化到符合规定的水平。 但对于大多数船队而言，2020 年及以后将意味着从越来越多的低硫馏出物、混合燃料，以及（在较小程度上）由植物油制成的新燃料中做出选择。

2020 年改变了一切

每种新型燃料都会引入一系列操作和经济变量来考虑。 探索所有这些变量是一篇单独文章的主题，但值得广泛注意的是粘度、润滑性和温度的变化对发动机、泵和其他设备的安全可靠运行具有深远的影响。

聚焦残留催化颗粒

但在低硫时代存在的所有变量中，可能最具潜在破坏性的是残留催化颗粒的存在。 尽管残留催化颗粒长期以来一直是航运业的一个众所周知但可控的事实，但即将到来的低硫时代将成为船舶发动机和运营商预算日益增长的风险因素。

那么，它们是什么呢？

残留催化颗粒是如何形成的

现代炼油厂首先使用常压蒸馏和真空蒸馏从蒸馏塔顶分离出挥发性最强、价值较高的产品。 然后，他们用热法和催化法将剩余的原油“裂化”成各种馏分。 在催化裂化过程中，炼油厂会加入物理催化剂来破坏油分子。

所使用的催化剂是各种形式的合成晶体沸石 - 铝和硅的矿物化合物，具有很高的多孔性和极高的硬度。

催化剂价格昂贵，炼油厂可以恢复并重复使用。但超过一定程度后，炼油厂再加大努力就不现实了，也没有经济激励。 残留催化颗粒是留下来的颗粒。 它们留在船用燃料中。 并通过泵输送到船只中。

制定燃料标准

船用燃料规格由国际标准 ISO 8217 规定，该标准限制了船用燃料中的残留催化颗粒浓度。 根据现行标准生产的燃料被限制在百万分之六十 (ppm)。 这个限制基本上是一种妥协 - 如果再降低一点，全球燃料油供应将无法得到保障。 但即使在 60 ppm 的浓度下，残留催化颗粒仍然是发动机的一个主要问题，而 MAN 和 Wärtsilä 等制造商建议，进入发动机的燃料中的残留催化颗粒浓度应为 15 ppm 或更低。

残留催化颗粒的特性

在物理上，残留催化颗粒的形状是不规则的，并且在船用燃料中，具有不同的亚微米大小（最大约 100 μm）- 大致说来，从一粒灰尘的大小到人类头发的宽度。 它们的密度也各不相同，但通常略高于重质燃料油 (HFO)。 较大的残留催化颗粒将沉淀在油中，但密度较低的小颗粒不会。

然而，在所有残留催化颗粒的物理特性中，对船舶来说最大的问题是硬度。 残留催化颗粒极其坚硬 - 在莫氏硬度计上可达 8.2，而钻石的硬度为 10 - 很容易划伤钢铁表面并嵌入其中。

残留催化颗粒造成的损坏

当残留催化颗粒通过注射器时，它们会被困在气缸套和活塞环之间，间隙约为 3-5 μm。 任何大于这个值的颗粒都会导致磨损。 随着活塞的每次行程，残留催化颗粒将通过光滑的表面被磨碎，并随着时间的推移雕刻出轨道。 燃油泵、喷油器、阀门和其他部件也面临风险。 甚至更小的颗粒也能造成严重的损害。

人们很容易将这种磨料损伤看作是正常的长期机械磨损。 在许多情况下，这可能就是全部。 但高浓度的残留催化颗粒也能在极短的时间内造成严重的灾难性损害。

一份在线报告描述了一场残留催化颗粒攻击，仅在 100 小时的使用中，就导致发动机瘫痪。 当发动机被拆卸下来时，工程师们发现“所有的活塞和衬套都被完全毁坏且必须更换”。

毫无疑问，这种性质的损害是非常昂贵的，有报告指明索赔金额从 30 万美元到 150 万美元。 这反过来使得残留催化颗粒不仅是运营商的问题，也是保险市场的主要问题。

一个沉睡中的问题正在苏醒

残留催化颗粒不是一个新问题。 催化裂化在 20 世纪 70 年代变得普遍，因为油价上涨迫使炼油厂从原油中提取更多有价值的产品。 因此，关于残留催化颗粒损害的第一次报道始于 20 世纪 80 年代。 虽然在海上清除残留催化颗粒一直是一个挑战，但用于降低污染水平的船载设备（我们将在本文第 2 部分进行讨论）采用了成熟的、广为人知的技术。

不幸的是，这种熟悉程度导致了该行业中产生了一定程度的自满情绪。 如果像预期的那样，残留催化颗粒污染在 2020 年后变得更加普遍，那么这种自满情绪可能会让不更新知识和实践的运营商付出极其高昂的代价。

最近一篇有关船舶推进的文章应足以让许多运营商感到震惊并重新予以关注。 文章引用了埃克森美孚公司对 40 多万份油样的分析，结果显示 43％的船只存在与残留催化颗粒有关的潜在灾难性问题。 即使这些潜在问题中只有一小部分得到了解决，仍然需要大量的资金、时间和中断。

据报道，在三年的时间里，MAN 的 PrimeServ 团队发现，在 226 起汽缸套损坏案例中，有 190 起 (84%) 涉及残留催化颗粒。

如上所述，残留催化颗粒是裂化和除硫的副产物。 油的裂化和硫的去除越多，残留催化颗粒水平就越高。 正如 Braemar 的 Paul Hill 简洁地表达的那样，“这是发动机和环境之间的根本权衡。 你不能有低硫和低残留催化颗粒。”

OPEC 2040年世界石油展望 (World Oil Outlook 2040) 预测，2017 年至 2022 年期间，每年将新增 1.38 亿吨的裂化产能，我们可以肯定，进入世界各地的燃料舱的残留催化颗粒量将大幅增加。

除了残留催化颗粒水平更高这一问题外，轶事观察显示，投产的新催化剂正在产生更硬的残留催化颗粒，并将其转化为燃料。 如果这还不够糟糕的话，低硫燃料的润滑性也往往低于重油，这意味着磨损会加剧。

当前硫上限的副作用是残留催化颗粒水平以及相关的损害显著增加了。 提高到 2020 年的合规性可能会将这个问题提升到一个全新的水平。 Lloyd’s Register 的 Fuel Oil Bunkering Analysis and Advisory Service (FOBAS) 监测世界各地港口的燃料舱质量，并在出现问题时发出警报。 当然，运营商应密切关注这些报告和其他报告。 但重要的是要注意，即使燃料完全符合 ISO 8217 标准，也会发生残留催化颗粒损害。

所有这些加起来就是一个老问题呈现出新的维度。 在我们的残留催化颗粒讨论的第 2 部分中，我们将研究解决方案并讨论运营商如何提高自身的水平或应对高昂的成本。