文 / 陈思佳，哈维·博拉森（荷兰特温特大学）

图1. 船舶润滑油泄漏（左图）与原油泄漏（右图）（图片来自网络）

写信告诉我今天，海是什么颜色

夜夜陪着你的海，污染又几何

彩色是润滑油，黑色是原油

而蔚蓝的海，洁白的浪，又在哪里

---改编自张惠妹《听海》

依稀记得前几年，一首《听海》红遍了全国的大街小巷，也理所当然地成了我和朋友们每次K歌时的必点曲目。这首歌曲，除了优美的旋律以及阿妹深情的演绎之外，歌词中以海拟人的故事性写法也是其一大亮点--- “听，海哭的声音”，这里的“海”代指的是受到感情伤害的人。

不过，如果海真的也像人一样有感情，它或许也会有哭泣的时候吧 ---尤其是当它受到伤害的时候。近年来，随着世界工业的发展，人类排放的有害物质已经对海洋环境造成了巨大的伤害，船舶污染就是其中一例。图1中左边的是一艘船舶的油箱泄漏导致附近的海水被染成了黄绿色；右边是一艘运送原油的船泄漏，导致海水被染成了黑色。在这样的污染下，蔚蓝的海、洁白的浪正在遭受着侵蚀。开篇这几句改编的歌词，描述的就是这样一个场景。本文的目光，聚焦于前者---船舶润滑油泄漏所导致的污染，以及为阻止其进一步的污染，人类所作出的努力。

船舶润滑油的泄漏

美国环境研究咨询所（Environmental Research Consulting）在2010年的一项研究表明，全世界船舶每年泄漏到海里的润滑油量是37~61兆升 (1兆升=100000升)[1]。这些润滑油大部分都是矿物油，对生物体有致癌性（本文随后会提到）。这么多可以致癌的润滑油是什么概念呢？比如我们将1.25升的家庭装可口可乐瓶灌满润滑油，每年我们将会倾倒3000~5000万瓶这样的“可乐”到海里……想想都觉得可怕。

在这些泄漏的润滑油中，从船尾泄漏出去的润滑油量为4.6~28.6兆升[1]，占总泄漏量的12%~47%。引发这一巨大损耗的关键，在于现有船舶的结构设计存在缺陷。接下来，我们就从机械结构的角度来看看，润滑油是如何从船尾泄漏的。

图2是一个船尾的结构示意图。船尾轴与船尾螺旋桨固定在一起，被滚珠轴承在径向支撑。当船尾轴在电机驱动下旋转时，它会带动螺旋桨旋转，从而驱动船前进。由于轴承的转速很高，为避免其失效，需要润滑油来进行润滑、冷却以及防锈。L形的密封圈则起到密封润滑油的作用，以免其泄漏到海里。

图2. 船尾机械结构示意图（作图：哈维·博拉森）

图中深蓝色和黑色区域都是润滑油区，和润滑油箱连通。深蓝色区域的压强高于海水的压强，黑色的区域的压强低于海水压强。为什么这样安排呢？试想，如果黑色区域的压强高于海水压强，2号密封圈将会受力而顺时针弯曲，脱离与船尾轴的接触，润滑油就漏到海里了。所以，这样安排的好处是，绿色的密封圈可以被紧紧地压在船尾轴上，从而保证润滑油密封得很严。（注：右侧黑色区域的压强其实高于左侧，这里做了简化。有兴趣知道背后技术原因的读者，欢迎通过可道联系作者）

Ok，一切看起来都设计得如此聪明。然而，理论上看起来很美的东西，到了实际场合也许并不那么靠谱。密封起来的润滑油，在船舶使用一段时间后，照样会泄漏。这主要是因为：

船尾轴和密封圈之间有不规则的摩擦，时间长了之后会导致密封圈磨损而密封不严密。润滑油就会从磨损的地方泄漏出去；

密封圈会逐渐老化变硬而失去弹性，无法像新密封圈那样紧密贴合船尾轴，因而也会导致漏油。

所以，以现有轮船的结构设计，润滑油的泄漏是不可避免的。为了阻止其海域继续被润滑油污染，2013年12月19日，EPA发布了一项新法案，规定所有进入美国水域（沿海3海里）、长度大于79英尺（24米）的船舶在油水界面上必须使用环保润滑油，除非技术上不可行[2]。那么，何为环保润滑油？它在技术上有什么局限性呢？

润滑油与环保润滑油

润滑油是由基础油和添加剂组成的。对于发动机油，基础油通常约占90%，它提供了润滑油最基础的润滑性能；少量添加剂可以进一步提高基础油的性能。根据基础油种类的不同，润滑油被分为矿物油（其基础油是通过物理蒸馏方法从石油中提炼出的，目前使用最为广泛），固定油（其基础油是植物油和动物油，因为一般不挥发，所以称之为固定油）以及合成油（基础油通过化学合成，其成份多数并不直接存在于石油中）。

环保润滑油指可生物降解，最低限度毒性，非生物累积的润滑油。在以上的三种油中，矿物油被国际癌症研究机构列为1类致癌物[3]，它的大量泄漏对于人类以及其它水生动物来说都将是灾难性的，故不属于环保润滑油；固定油来自生物体，可以降解且没有毒性，故属于环保润滑油。然而，固定油很难用于船舶润滑，因为它们价格高，易水解（容易在水里分解），易氧化（放在空气里容易变质）以及热稳定性低（想想船一开就是一股厨房的油烟子味儿… ）。所以要找到真正能用于船舶的环保润滑油，突破口还是在合成油上。

图3. 嘿嘿，我可以合成我想要的一切（图片来自网络）

矿物油和固定油主体上都是大自然的产物，而合成油则更像是人类的产物。它诞生于上世纪三十年代，用于克服当时矿物油短缺的问题，最开始是在二战中用于飞机发动机的燃料。它的制备是以原油中较好的成分为基础，加以复杂的化学反应达到预期的分子形态。其分子排列整齐，抵抗外来变数的能力很强[4]，各方面性质都要比天然的油好得多，而且可以在制造过程中人为控制（图3），因而用途广泛。其中有一些合成油具有生物可降解性，可以在自然环境下分解成对生物无害的成分单元。合成油分为聚烯类（POA），聚酯类（SE），聚内烯烃类（PIO）等等，EPA官方建议前两者可以作为环保润滑油的重点考虑对象。

环保润滑油的前景

目前，世界各国的科学家们已经对POA和SE做了很多研究，希望在维持其环保特性的同时能够降低成本，以及减弱它和橡胶密封圈之间的化学反应。在现阶段，它还存在以下几个局限性：

由于其复杂的制备工艺，SE比传统的矿物油贵很多（一般是15倍的价格），因而使用SE的船舶公司的利润受到了很大影响。很多船舶公司倾向于仅仅在美国海域使用环保润滑油，出了美国海域之后换成传统润滑油。因此，润滑油泄漏对于整个海洋的污染问题依然没有得到根治；

SE容易与橡胶做的密封圈发生化学反应，导致密封圈发生不规则变形，导致密封圈与船尾轴贴合不严密而发生润滑油泄漏。科学家们正在尝试改变SE或是橡胶密封圈的成分来减小变形量，然而收效甚微。大多数使用SE的船只，每隔半年就需要更换一次密封圈，否则SE润滑油将大量泄漏，导致行船成本过高。频繁更换密封圈也使得船舶的维修成本升高；

SE在受热的时候也会水解，产生酸与酒精。酸是无法被海洋生物分解的，所以同样会造成海洋污染，只不过这种污染由矿物油污染变成了酸污染；

对于POA而言，其粘度会随着轴承转速的升高而降低（所谓的剪切稀化），进而导致润滑油所形成的油膜厚度降低。当油膜厚度降低到一定程度时，轴承部件之间会发生干摩擦而导致轴承磨损失效，甚至可能会同时损坏别的零件。更换这些零件将会带来巨额的船舶维修费用。因此，和SE相比，POA适用的可能性更低。

所以，环保润滑油虽然对于环保大有裨益，但是这也大大增加了船舶运营商的经济负担。因此，全世界需要在美国海域航行的运营商都在研究新技术，看如何在使用环保润滑油的情况下，尽量降低经济成本以及维持润滑的效果。但愿在不久的将来，这个目标能够实现，从而实现环保润滑油在船舶领域的大规模运用，逐步降低对海洋的污染。

（文章仅代表作者个人观点）

参考文献

[1] Worldwide Analysis of In-Port Vessel Operational Lubricant Discharges and Leakages, by D. S. Etkin, Environmental Research Consulting, Cortlandt Manor, NY 10567-1160 USA

[2] http://tribonet.org/bio-lubricants-and-environmentally-acceptable-lubricants-eal/

[3] https://zh.wikipedia.org/wiki/1%E7%B1%BB%E8%87%B4%E7%99%8C%E7%89%A9

[4]http://baike.baidu.com/link?url=t2JewxbSFtOEKE6uOwpoacvAf9oclas6c57e_eDS3AmJVHKf0U0xl8Hmw1H1vDJPfGtqUWX_J-xFlsGtvmohqK

作者简介

陈思佳，来自湖北武汉，荷兰特温特大学机械工程专业摩擦学PDEng，热衷于机械设计与创新。

哈维·博拉森，来自西班牙巴塞罗那，荷兰特温特大学机械工程专业摩擦学PhD，研究领域为润滑油的建模，仿真与优化。本文所讨论的主题就是他的博士项目，在此特别感谢他提供信息，祝愿他博士生活顺利。

本文为原创，赞赏请扫下方二维码