2017, Vol. 39
2. 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430205
2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China
舰船使用的油品种类多，有燃油、滑油、液压油、机油、特种仪器用油等十余种之多。这些油品存在于储油柜、仪器仪表、旋转机械轴承部位和储存容器内。油雾产生的原因非常复杂，机械、物理和化学的因素互相交织，共同作用。一般认为油雾的形成主要可以归因于雾化和蒸发[1] 2 种机理。雾化和蒸发[1]：雾化是机械能转化为液滴表面能的过程，主要是由于液体对机械系统内的固定及旋转单元的激烈冲击，被其打碎，形成细小液滴漂浮在工作环境中；蒸发的发生是由于工作区产生大量的热，这些热量传入含油介质使它的温度明显高于饱和温度，在固一液接触面上就发生沸腾并产生蒸汽。这些蒸汽随后以周围空气中的小液滴或其他粒子为核心凝结，形成油雾。
油雾广泛存在于舰船机舱中，将导致舱室空气质量恶化，损害船员的身体健康[2 –3]。美国等发达国家均相继制定了严格的油雾控制标准[4]，如 2001 年美国政府工业卫生医师协会（ACGIH）提出了将车间油雾控制指标改为 0.2 mg/m3 的建议修订值。针对舰船机舱油雾污染，美国海军也分别制定了 10 mg/m3，2 mg/m3 的 1 h，24 h 应急暴露指导限值（EEGL，前舱值）以及 0.2 mg/m3 的 90 天连续暴露指导限值（CEGL，前舱值）。但我国目前制定的舱室空气组分容许浓度限值标准[5 –6]没有针对油雾提出总体控制标准。
多年来，随着舰船建造和使用水平的提高，舱室的环境质量也不断改善。但目前舰船机舱的油雾污染问题还没有引起足够重视，舱室中的汽轮发电机组油箱和减速器的冒气口直通舱室，并持续向舱室释放未经处理的油雾[7-8]，严重影响机舱空气质量，与船员对于环境品质的要求还有较大差距。针对此问题，本文采用计重法和气相色谱/质谱联用法对舰船机舱不同存在形态的油雾污染物进行测试，全面评价机舱油雾污染状况，提出可行的控制方法，可为进一步改善舰船机舱的空气质量提供技术依据。
1 试验部分 1.1 主要试验仪器设备和材料1）安捷伦 6 850 + 5 975 气相色谱-质谱联用仪，美国安捷伦科技有限公司；
2）AUW220D 双量程分析天平，岛津仪器设备有限公司；
3）QC-2 型大气采样器，北京市劳动保护科学研究所；
4）Tenax-TA 采样管（60–80 目 Tenax TA 填料），美国 Camsco 公司；
5）LP-12 便携式恒流空气采样器，美国 AP.BUCK 公司；
6）37 mm 玻璃纤维滤膜，北京赛福莱博科技有限公司。
1.2 试验条件和方法 1.2.1 滤膜计重法滤膜计重法是将已知体积的空气通过滤膜，使空气中所含油雾液滴和颗粒有效阻留在滤膜上，然后根据分析天平称量求出滤膜重量的增量，从而获取空气中的液态油雾浓度[8]。为保证测试精度，一般要求采样后的滤膜重量具有显著增加。
1）将在干燥器中恒重后的滤膜用1/105精度的分析天平进行称重；
2）将称重后的滤膜编号后放入滤膜盒中备用，并堵上滤膜盒两端堵头；
3）设定采样器的采样时间和采样流量，通过皂沫流量计校准采样器流量至 10 L/min；
4）用硅胶管连接采样器和滤膜盒；
5）开始连续采样 12 h，并记录采样时的大气压力数值和温度数值；
6）采样至规定时间停止采样后，取出滤膜盒，并堵上两端堵头，放入密封箱中保存；
7）将采样后的滤膜利用分析天平进行称重；
8）按照式（1）～式（3）计算油雾浓度[9]。
| $N= 1 000\left( {{M_2} - {M_1}} \right)/{V_0}\text{，}$ | (1) |
| ${V_0} = {V_t}\frac{{273}}{{273 + t}} \times \frac{p}{{101 325}}\text{，}$ | (2) |
| ${V_t} = {q_V}T\text{。}$ | (3) |
式中：N为舱室中油雾浓度值，mg/m3；M1为采样前滤膜质量数值，mg；M2为采样后滤膜质量数值，mg；V0为标准状态（0 ℃，101 325 Pa大气压）下采样空气体积，L；Vt 为实际采样体积数值，L；qV 为采样时抽气流量数值，L/min；T为采样时间数值，min；p为采样时大气压力数值，Pa；t为采样时温度数值，℃。
1.2.2 气相色谱/质谱联用法1）样品采集
Tenax TA 采样管可将空气中的微量空气组分进行浓缩富集，通过实验室检测分析即可获取采样部位采样期间空气组分平均浓度。该方法作为国内外环境空气采样的标准方法得到了广泛应用，美、英、法等国即采用此方法对核潜艇舱室进行空气采样监测。本文利用 Tenax-TA 采样管对舰船机舱空气组分进行富集采样，每个采样点单次采集 2 个平行样，且每个采样支路需 2 根采样管串接，以避免采样管穿透。采样流速 0.15 L/min，采样时间 10 min，采样体积 1.5 L。采样前后利用流量计对采样流量进行校准，并记录采样期间的环境温度和大气压力。采样结束后，将采样管密封保存后返回实验室进行分析。
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图 1 采样管双样采样连接示意图 Fig. 1 Schematic diagram of sampling tube connection |
2）测试条件
色谱柱升温程序：预热至 45 ℃ 并保持 5.0 min，以 4 ℃/min 的速率升温至 250.0 ℃ 并保持 5 min。进样分流比 10:1；载气：氦气；质谱扫描质量数范围：50～550 m/z。
3）分析方法
采用标准质谱库（NIST08）检索对样品中的总烃（C2～C8）组分进行定性分析。
参照美国国家环保局（US EPA）推荐的 TO-1 方法对样品中的总烃（C2～C8）进行外标定量分析，得到气态油雾组分的浓度。
2 结果与讨论某型舰船使用的汽轮机油牌号为 L-TSA68。分别在海上正常航行期间（通风及空调系统正常运行）和码头系泊停靠期间，对其主机舱和辅机舱多个部位进行采样，同时采集舱室环境的油雾浓度背景作为对照。
2.1 油雾浓度测试结果对某型舰船机舱不同部位以玻璃纤维滤膜和 Tenax TA 采样管进行采样，分别以重量法和气相色谱/质谱联用法分析舱室中的液态油雾和气态油雾浓度，两者之和为油雾总浓度。测试结果分别如表 1～表 3 所示。
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表 1 主机舱不同部位油雾浓度测试结果 Tab.1 Test results of oil mist concentration in different parts of the main engine room |
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表 2 辅机舱不同部位油雾浓度测试结果 Tab.2 Test results of oil mist concentration in different parts of the auxiliary engine room |
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表 3 系泊状态舱室环境油雾浓度 Tab.3 Oil mist concentration in the cabin environment on moor base |
1）从表 1 可以看出，某型舰船主机舱汽轮发电机组的轴承冒气口和给水泵的油箱冒气口的油雾总浓度（83 mg/m3，37 mg/m3，80 mg/m3，74 mg/m3）远高于舱室环境浓度（2.2 mg/m3），为主机舱油雾污染的主要来源。
2）从表 2 可看出，其辅机舱汽轮循环水泵齿轮箱冒气口油雾总浓度（31 mg/m3，8.9 mg/m3）远高于舱室环境浓度（3.0mg/m3），为辅机舱油雾污染的主要来源。
3）但主机舱设置的2台油雾净化装置和辅机舱的主机油雾净化装置净化效率均达 90% 以上（见图 2），可以去除舱室中的大部分油雾污染，使舱室环境的油雾浓度保持在较低浓度水平。
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图 2 机舱油雾净化装置净化效率 Fig. 2 Purification efficiency of oil mist purifier in engine room |
目前我国还没有制定舰船舱室油雾浓度的限值标准，一般参照相关国军标[5 –6]对总烃的限值标准。根据测试结果，该舰船机舱航行状态和系泊状态下其舱室油雾浓度值为 1.6～3.1 mg/m3，虽低于国军标 40 mg/m3 的总烃 90d 浓度限值，但远高于美国海军制定的 0.2 mg/m3（前舱值）的 90d 连续暴露指导限值。可见，还需进一步减轻舱室油雾污染，提高和改善舱室空气质量状况，为船员营造一个更加舒适的舱室空气环境，进而提升船员的作战力。
3 结语研究表明，油雾是机舱最主要的污染物。舱室局部区域仍存在明显油雾气味，空气质量与船员对于舒适性的要求尚有不小的差距。要有效减轻机舱油雾污染，还需要在前端的源头控制和后端的净化处理两方面下功夫。一是要对油雾冒气口出来的油雾加以处理后再排放至舱室中，进一步控制油雾污染物排放总量；同时，对油雾净化处理装置进行改进优化，增强其对油雾的净化处理能力。此外，继续对机舱油雾开展深化研究工作也十分必要，通过持续努力制定出符合我国实情的舰船机舱油雾控制标准，切实改善舰船舱室的空气质量。
| [1] |
张巍巍, 裴宏杰, 张春燕, 等. 金属切削液油雾的形成及控制[J]. 机床与液压, 2008, 36(1): 25–30.
ZHANG Wei-wei, PEI Hong-jie, ZHANG Chun-yan, et al. Generation and control of metal cutting fluid mist[J]. Maching Tool and Hydraulics, 2008, 36(1): 25–30. |
| [2] |
杨敏, 邹剑明, 张子群, 等. 油雾检测在机械加工行业化学危害分析中的应用[J]. 中国职业医学, 2010, 37(5):373–375.
YANG Min, ZOU Jian-ming, ZHANG Zi-qun, et al. Application of oil mist detection in chemical hazard analysis for machining industry [J]. China Occup Med, 2010, 37(5):373–375. |
| [3] |
傅树琴, 周炜, 严丽珍, 等. 金属加工润滑剂油雾控制的现状与进展[J]. 润滑油, 2003, 18(6):1–5.
FU Shu-qin, ZHOU Wei, YAN Li-zhen, et al. Present status and development of oil mist control for metal working lubricant. [J]. Lubricating Oil, 2003, 18(6):1–5. |
| [4] | 肖存杰, 陈茜. 潜艇环境毒理学研究进展[M]. 上海: 第二军医大学出版社, 2010. |
| [5] | 中国人民解放军海军. 水面舰艇舱室空气组分容许浓度:GJB7497-2012 [S].北京:总装备部军标发行部, 2012. |
| [6] | 中国人民解放军海军. 核潜艇舱室空气组分容许浓度:GJB11B-2012[S]. 北京:总装备部军标发行部, 2012. |
| [7] |
白韬光, 王亚鸿, 朱晓清, 等. 船用汽轮机组油雾危害及其净化技术研究[J]. 船舶与海洋工程, 2013(2):40–43.
BAI Tao-guang, WANG Ya-hong, ZHU Xiao-qing, et al. Study on oil mist hazards and purification technology of marine steam turbine[J]. Naval Architecture and Ocean Engineering, 2013(2):40–43. |
| [8] |
余涛, 张卫东, 李灿, 等. 蒸汽动力舰船汽轮机油散发挥发性有机物的组成特征[J]. 舰船科学技术, 2016, 38(11):91–94.
YU Tao, ZHANG Wei-dong, LI Can, et al. Research on the composition of volatile organic compounds released from lubricating oils in steam power ship[J]. Ship Science and Technology, 2016, 38(11):91–94. |
| [9] | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 金属切削机床 油雾浓度的测量方法.:GB/T 23574-2009 [S]. 北京, 中国标准出版社, 2009. |