蒸汽动力舰船汽轮机油散发挥发性有机物的组成特征

余 涛，张卫东，李 灿，周家勇，施红旗，沈旭东，段 晨

(1. 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430205；2. 海军驻431厂军代表室，辽宁 葫芦岛 125004；3. 中国人民解放军92609部队，北京 100077)

蒸汽动力舰船汽轮机油散发挥发性有机物的组成特征

余 涛1，张卫东2，李 灿3，周家勇1，施红旗1，沈旭东1，段 晨1

(1. 武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430205；2. 海军驻431厂军代表室，辽宁 葫芦岛 125004；3. 中国人民解放军92609部队，北京 100077)

利用 Tenax-TA 吸附管采样和 ATD-GC/MS 检测方法分析某舰船蒸汽动力系统汽轮机油散发挥发性有机物（VOCs）的组成特征。结果显示：散发口附近污染物浓度最高达 16.1 mg/m3，为舱室环境浓度（0.83 mg/m3）的近 20 倍。除常见的芳香烃和烷烃外，散发口附近还检出高浓度的 2,6-二叔丁基苯酚（DTBP），该物质为汽轮机油添加剂的主要成分之一。由此建议我国在进行舰船舱室空气治理时，应加强污染源头控制，开展汽轮机油品质改进和蒸汽动力系统优化设计。

蒸汽动力舰船；汽轮机油；挥发性有机物；室内空气品质

0 引 言

汽轮机油（又称涡轮机油，本文简称机油）广泛应用于舰船蒸汽动力系统润滑、冷却和调速。由于舰船舱室空间狭小，机油挥发分解可能严重影响舱室空气品质[1]。以美国为代表的发达国家在满足设备系统使用性能的基础上，结合舱室空气污染实测，对机油制订了明确的环保指标和添加剂使用标准[2]。

几十年来，随着舰船设计、建造和使用水平的不断提高，为控制舰船舱室空气污染，我国开展了一些研究工作，如制定舱室空气组分容许浓度限值标准[3–4]，组织舱室空气组分定性定量实测[5–7]，加强舱室非金属

材料选用控制[8]和污染传播特性研究[9]等，取得了显著效果。但是，其中针对机油污染释放的研究相对较为薄弱，未开展实际舰船环境下的机油散发挥发性有机化合物（VOCs）分析，也未在国家标准中明确毒性和环保要求[10–11]。

本文采用环境监测领域广泛应用的 Tenax-TA 吸附管，通过实验室热脱附-气相色谱-质谱联用仪（ATDGC/MS），分析某中型蒸汽动力舰船航行期间机油散发 VOCs 的组成特征，可为舰船舱室空气治理提供指导。

1 试验部分

1.1 主要试验仪器和材料

仪器设备：安捷伦 6850 + 5975 气相色谱-质谱联用仪，Marks TD100 自动热脱附，QC-2 型大气采样器、皂膜流量计等。

色谱柱：毛细管色谱柱 60 m × 0.32 mm × 1.80 μm，DB-624。

采样管：Tenax-TA 采样管，60-80 目 Tenax TA 填料。

标准样品：苯系物，2,6-二叔丁基苯酚（DTBP），甲基萘等。

1.2 试验条件

色谱柱升温程序：预热至 45 ℃ 并保持 5.0 min，以 4 ℃/min 的速率上升到 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。

1.3 试验方法

1.3.1 样品采集和前处理

双样采集，样品采样速率为 150 mL/min，采样时间为 10 min，采样体积为 1.5 L。采样前后利用流量计对采样流量进行校准，并记录采样期间环境温度和大气压力。采样完毕后，将样品密封保存，返回实验室分析。

1.3.2 定性定量分析

采用标准质谱库（NIST08）检索对样品中的 VOC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 VOC 进行外标定量分析。

2 结果与讨论

某中型舰船蒸汽动力系统采用双独立设计，使用68 号 L-TSA 汽轮机油。海上正常航行期间（舱室通风、空调系统正常运行），对蒸汽动力系统典型机油散发口（汽轮发电机组、汽轮给水泵冒气口）进行采样，并采集舱室背景环境作为对照。

2.1 污染物组成

图 1 为蒸汽动力系统典型冒气口和舱室环境采样样品的总离子流色谱图。

图1 典型采样样品的总离子流色谱图Fig.1 Total ion chromatogram of typical samples

从图 1 中可看出：

1）环境中存在大量污染物组分，如苯系物等。

2）冒气口存在的高浓度污染物在环境中均有检出，且冒气口浓度普遍高于环境浓度。

2.2 污染物浓度

2.2.1 标准曲线

甲苯定量标准曲线如图 2 所示。

参考 NIST 谱库定性，对样品中可能存在的高浓度物质进行定量，典型定量物质的保留时间和标准曲线见表 1。

图2 甲苯标准曲线Fig.2 Calibration curve of toluene

表1 保留时间和标准曲线Tab.1 Retention time and calibration curve of various components

2.2.2 结果分析

典型冒气口和环境检出的污染物总量（TVOC）如图 3 所示。结果表明：

1）同类型冒气口的污染物总量基本一致，但不同类型冒气口之间存在较大差异，如汽轮发电机组冒气口浓度为汽轮给水泵冒气口的近 5 倍，最高达 16.1 mg/m3。

图3 TVOC 浓度Fig.3 TVOC concentration

2）冒气口污染物总量显著高于舱室环境浓度（0.83 mg/m3），为环境污染物的主要来源之一。

2.2.3 典型污染物浓度

样品中的典型污染物浓度及其比例见表 2。结果表明：

1）除三氯乙烯外，冒气口的典型污染物浓度普遍高于舱室环境，但均未超过标准限值[3]。

2）冒气口污染物中浓度最高的为 DTBP，平均占污染物总量的 25%；第 2 高的为甲基萘（含 1-甲基萘和2-甲基萘两种同分异构体），平均占污染物总量的 17%。

表2 不同采样部位的污染物浓度Tab.2 Concentrations of various components at different sampling points

3）DTBP 和甲基萘占环境污染物总量的 12%，远低于冒气口组分比例，考虑除通风外，环境中无针对性的污染物净化手段，因此，这可能是物质在环境中发生二次反应转化，或在环境中存在高浓度的其他组分散发，DTBP 和甲基萘所占比例被相对稀释。

2.3 讨论

机油散发口检出的污染物中，甲基萘为基础油的组要成分，在舰船舱室环境中多次定性检出，但未见定量研究报导；DTBP 为机油抗氧化剂的主要成分之一，在某些条件（如通过静电除尘设备）下会反应生成对人员健康存在较大危害的 2,6-二叔丁基-4-硝基苯酚（DBNP），美国已禁止在军用机油中添加[2,12]。

目前，DTBP 未在我国重点关注的舰船舱室空气组分清单中，前期开展的舰船舱室空气组分定量检测中也均未开展定量检测，后续研究中应加强对该类物质的关注。

3 结 语

研究表明，我国蒸汽动力舰船机油散发为舱室环境污染的主要来源之一。在进行舰船舱室空气治理时，应加强源头控制，开展蒸汽动力系统机油品质改进和系统优化设计，如减少对人员健康危害大的挥发性添加剂使用，控制释放总量等。

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[3]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.

[4]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.

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Research on the composition of volatile organic compounds released from lubricating oils in steam power ship

YU Tao1, ZHANG Wei-dong2, LI Can3, ZHOU Jia-yong1, SHI Hong-qi1, SHEN Xu-dong1, DUAN Chen1
(1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China; 2. Navy Military Representative Department Resident in No. 431 Plant, Huludao 125004, China; 3. No. 92609 Unit of PLA, Beijing 100077, China)

The volatile organic compounds (VOCs) released from a marine steam turbine oil system was sampled with Tenax-TA tube and analyzed by thermal desorption and gas chromatography-mass spectrometry (ATD-GC/MS). The results show that higher TVOC mass concentration of 16.1 mg/m3is detected in released gas, which is about twenty times than that of background (0.83 mg/m3). Besides the common aromatic compounds and alkanes, higher concentration of 2,6-2 tertiary butyl phenol (DTBP) is also detected, which is used as additive in turbine oil. In order to control the cabin air pollution, we must strengthen the control of the sources of pollution, by improving the turbine oil quality and the steam power system design.

steam power ship；lubrication oil for turbines；VOC；indoor air quality

U674.761；X51

A

1672 – 7619(2016)11 – 0091 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.11.019

2016 – 01 – 06；

2016 – 01 – 21

海军装备预研资助项目

余涛(1987 – )，男，硕士，工程师，研究方向为船舶大气环境综合控制。