文 / 陳思佳，哈維·博拉森（荷蘭特溫特大學）

寫信告訴我今天，海是什麼顏色nn夜夜陪著你的海，污染又幾何nn彩色是潤滑油，黑色是原油nn而蔚藍的海，潔白的浪，又在哪裡nn---改編自張惠妹《聽海》n

依稀記得前幾年，一首《聽海》紅遍了全國的大街小巷，也理所當然地成了我和朋友們每次K歌時的必點曲目。這首歌曲，除了優美的旋律以及阿妹深情的演繹之外，歌詞中以海擬人的故事性寫法也是其一大亮點---n「聽，海哭的聲音」，這裡的「海」代指的是受到感情傷害的人。

不過，如果海真的也像人一樣有感情，它或許也會有哭泣的時候吧 ---尤其是當它受到傷害的時候。近年來，隨著世界工業的發展，人類排放的有害物質已經對海洋環境造成了巨大的傷害，船舶污染就是其中一例。圖1中左邊的是一艘船舶的油箱泄漏導致附近的海水被染成了黃綠色；右邊是一艘運送原油的船泄漏，導致海水被染成了黑色。在這樣的污染下，蔚藍的海、潔白的浪正在遭受著侵蝕。開篇這幾句改編的歌詞，描述的就是這樣一個場景。本文的目光，聚焦於前者---船舶潤滑油泄漏所導致的污染，以及為阻止其進一步的污染，人類所作出的努力。

船舶潤滑油的泄漏

美國環境研究諮詢所（EnvironmentalnResearch Consulting）在2010年的一項研究表明，全世界船舶每年泄漏到海里的潤滑油量是37~61兆升 (1兆升=100000升)[1]。這些潤滑油大部分都是礦物油，對生物體有致癌性（本文隨後會提到）。這麼多可以致癌的潤滑油是什麼概念呢？比如我們將1.25升的家庭裝可口可樂瓶灌滿潤滑油，每年我們將會傾倒3000~5000萬瓶這樣的「可樂」到海里……想想都覺得可怕。

在這些泄漏的潤滑油中，從船尾泄漏出去的潤滑油量為4.6~28.6兆升 [1]，佔總泄漏量的12%~47%。引發這一巨大損耗的關鍵，在於現有船舶的結構設計存在缺陷。接下來，我們就從機械結構的角度來看看，潤滑油是如何從船尾泄漏的。

圖2是一個船尾的結構示意圖。船尾軸與船尾螺旋槳固定在一起，被滾珠軸承在徑向支撐。當船尾軸在電機驅動下旋轉時，它會帶動螺旋槳旋轉，從而驅動船前進。由於軸承的轉速很高，為避免其失效，需要潤滑油來進行潤滑、冷卻以及防鏽。L形的密封圈則起到密封潤滑油的作用，以免其泄漏到海里。

圖中深藍色和黑色區域都是潤滑油區，和潤滑油箱連通。深藍色區域的壓強高于海水的壓強，黑色的區域的壓強低于海水壓強。為什麼這樣安排呢？試想，如果黑色區域的壓強高于海水壓強，2號密封圈將會受力而順時針彎曲，脫離與船尾軸的接觸，潤滑油就漏到海里了。所以，這樣安排的好處是，綠色的密封圈可以被緊緊地壓在船尾軸上，從而保證潤滑油密封得很嚴。（註：右側黑色區域的壓強其實高於左側，這裡做了簡化。有興趣知道背後技術原因的讀者，歡迎通過可道聯繫作者）

Ok，一切看起來都設計得如此聰明。然而，理論上看起來很美的東西，到了實際場合也許並不那麼靠譜。密封起來的潤滑油，在船舶使用一段時間後，照樣會泄漏。這主要是因為：

• 船尾軸和密封圈之間有不規則的摩擦，時間長了之後會導緻密封圈磨損而密封不嚴密。潤滑油就會從磨損的地方泄漏出去。

• 密封圈會逐漸老化變硬而失去彈性，無法像新密封圈那樣緊密貼合船尾軸，因而也會導致漏油。

所以，以現有輪船的結構設計，潤滑油的泄漏是不可避免的。為了阻止其海域繼續被潤滑油污染，2013年12月19日，EPA發布了一項新法案，規定所有進入美國水域（沿海3海里）、長度大於79英尺（24米）的船舶在油水界面上必須使用環保潤滑油，除非技術上不可行[2]。那麼，何為環保潤滑油？它在技術上有什麼局限性呢？

潤滑油與環保潤滑油

nn潤滑油是由基礎油和添加劑組成的。對於發動機油，基礎油通常約佔90%，它提供了潤滑油最基礎的潤滑性能；少量添加劑可以進一步提高基礎油的性能。根據基礎油種類的不同，潤滑油被分為礦物油（其基礎油是通過物理蒸餾方法從石油中提煉出的，目前使用最為廣泛），固定油（其基礎油是植物油和動物油，因為一般不揮發，所以稱之為固定油）以及合成油（基礎油通過化學合成，其成份多數並不直接存在於石油中）。

環保潤滑油指可生物降解，最低限度毒性，非生物累積的潤滑油。在以上的三種油中，礦物油被國際癌症研究機構列為1類致癌物[3]，它的大量泄漏對於人類以及其它水生動物來說都將是災難性的，故不屬於環保潤滑油；固定油來自生物體，可以降解且沒有毒性，故屬於環保潤滑油。然而，固定油很難用於船舶潤滑，因為它們價格高，易水解（容易在水裡分解），易氧化（放在空氣里容易變質）以及熱穩定性低（想想船一開就是一股廚房的油煙子味兒… ）。所以要找到真正能用於船舶的環保潤滑油，突破口還是在合成油上。

礦物油和固定油主體上都是大自然的產物，而合成油則更像是人類的產物。它誕生於上世紀三十年代，用於克服當時礦物油短缺的問題，最開始是在二戰中用于飛機發動機的燃料。它的製備是以原油中較好的成分為基礎，加以複雜的化學反應達到預期的分子形態。其分子排列整齊，抵抗外來變數的能力很強[4]，各方面性質都要比天然的油好得多，而且可以在製造過程中人為控制（圖3），因而用途廣泛。其中有一些合成油具有生物可降解性，可以在自然環境下分解成對生物無害的成分單元。合成油分為聚烯類（POA），聚酯類（SE），聚內烯烴類（PIO）等等，EPA官方建議前兩者可以作為環保潤滑油的重點考慮對象。

環保潤滑油的前景

目前，世界各國的科學家們已經對POA和SE做了很多研究，希望在維持其環保特性的同時能夠降低成本，以及減弱它和橡膠密封圈之間的化學反應。在現階段，它還存在以下幾個局限性：

• 由於其複雜的製備工藝，SE比傳統的礦物油貴很多（一般是15倍的價格），因而使用SE的船舶公司的利潤受到了很大影響。很多船舶公司傾向於僅僅在美國海域使用環保潤滑油，出了美國海域之後換成傳統潤滑油。因此，潤滑油泄漏對於整個海洋的污染問題依然沒有得到根治。

• SE容易與橡膠做的密封圈發生化學反應，導緻密封圈發生不規則變形，導緻密封圈與船尾軸貼合不嚴密而發生潤滑油泄漏。科學家們正在嘗試改變SE或是橡膠密封圈的成分來減小變形量，然而收效甚微。大多數使用SE的船隻，每隔半年就需要更換一次密封圈，否則SE潤滑油將大量泄漏，導致行船成本過高。頻繁更換密封圈也使得船舶的維修成本升高。

• SE在受熱的時候也會水解，產生酸與酒精。酸是無法被海洋生物分解的，所以同樣會造成海洋污染，只不過這種污染由礦物油污染變成了酸污染。

• 對於POA而言，其粘度會隨著軸承轉速的升高而降低（所謂的剪切稀化），進而導致潤滑油所形成的油膜厚度降低。當油膜厚度降低到一定程度時，軸承部件之間會發生干摩擦而導致軸承磨損失效，甚至可能會同時損壞別的零件。更換這些零件將會帶來巨額的船舶維修費用。因此，和SE相比，POA適用的可能性更低。

所以，環保潤滑油雖然對於環保大有裨益，但是這也大大增加了船舶運營商的經濟負擔。因此，全世界需要在美國海域航行的運營商都在研究新技術，看如何在使用環保潤滑油的情況下，盡量降低經濟成本以及維持潤滑的效果。但願在不久的將來，這個目標能夠實現，從而實現環保潤滑油在船舶領域的大規模運用，逐步降低對海洋的污染。

（文章僅代表作者個人觀點）

參考文獻

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

[2] 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]合成油_百度百科

作者簡介

陳思佳，來自湖北武漢，荷蘭特溫特大學機械工程專業摩擦學PDEng，熱衷於機械設計與創新。

哈維·博拉森，來自西班牙巴塞羅那，荷蘭特溫特大學機械工程專業摩擦學PhD，研究領域為潤滑油的建模，模擬與優化。本文所討論的主題就是他的博士項目，在此特別感謝他提供信息，祝願他博士生活順利。

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