ZESZYTY NAUKOWE NR 10(82) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE. Analiza zmian właściwości użytkowych olejów smarowych firmy BP w czasie ich eksploatacji

Transkrypt

1 ISSN ZESZYTY NAUKOWE NR 10(82) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA EXPLO-SHIP 2006 Jan Krupowies Analiza zmian właściwości użytkowych olejów smarowych firmy BP w czasie ich eksploatacji Słowa kluczowe: okrętowe silniki pomocnicze, właściwości użytkowe oleju, starzenie eksploatacyjne oleju, parametry graniczne oleju Na podstawie badań eksploatacyjnych stanu wybranych olejów smarowych firmy BP, użytkowanych w okrętowych silnikach pomocniczych na statkach Grupy PŻM, dokonano analizy i oceny zmian lepkości, liczby zasadowej i temperatury zapłonu tych olejów oraz zawartości w nich wody i zanieczyszczeń. An Analysis of Operational Qualities of BP Lubricating Oils Key words: marine auxiliary engines, oil operational qualities, operational ageing of oil, limit parameters of oil On the basis of operational research on the condition of selected BP lubricating oils used in auxiliary engines of the Polish Steamship Company vessels, the author analyzes and assesses the changes in viscosity, base number and flashpoint of these oils, as well as their water content and pollution. 309

2 Jan Krupowies Wstęp Starzenie oleju smarowego w czasie jego eksploatacji w okrętowym silniku spalinowym ma charakter losowy. Proces ten zależy m.in. od stanu technicznego silnika, stosowanych na statku metod oczyszczania oleju, od jego odświeżania poprzez dolewki oleju świeżego oraz od zdarzeń losowych (incydentalnych), jakimi są awaryjne przecieki paliwa lub wody chłodzącej do systemu oleju smarowego. Autor nie miał wpływu na przebieg i jakość zabiegów pielęgnacyjnych oleju oraz na sposób pobierania jego próbek do analizy, gdyż było to w gestii załóg maszynowych statków. Wpływa to na nieliniowy przebieg krzywych zmian parametrów użytkowych olejów w funkcji czasu ich pracy w silniku oraz na wielkość i częstość zmian tych parametrów, co potwierdzono w szeregu prac autora opublikowanych już wcześniej [2 7]. Celem niniejszego artykułu jest analiza zmian właściwości użytkowych wybranych gatunków olejów firmy BP, eksploatowanych w okrętowych silnikach pomocniczych produkcji firm Sulzer i MAN-B&W na wybranych statkach Grupy PŻM. W szczególności zaś celem pracy jest analiza eksploatacyjna i ocena zmian lepkości badanych olejów, ich liczby zasadowej, temperatury zapłonu oraz zawartości w olejach wody i zanieczyszczeń. 1. Materiał użyty do badań i analizy W artykule tym wykorzystano wyniki standardowych analiz właściwości fizykochemicznych olejów smarowych firmy BP, wykonanych w Zakładzie Chemii Akademii Morskiej w Szczecinie, które obszernie przedstawiono w pracy autora [6]. Próbki olejów do analiz były pobierane przez załogi maszynowe statków z systemów smarowych 40 silników pomocniczych produkcji firm Sulzer i MAN-B&W, eksploatowanych na 18 wybranych statkach Grupy PŻM. W tabeli 1 zestawiono oleje smarowe firmy BP, które były przedmiotem badań. 310

3 Analiza zmian właściwości użytkowych olejów smarowych firmy BP w czasie ich eksploatacji Analizowane oleje smarowe eksploatowane w silnikach pomocniczych na wybranych statkach Grupy PŻM Analysed lubricating oils used in auxiliary engines of selected Polish Steamship Company vessels Tabela 1 Lp. Nazwa statku Nazwa oleju silnikowego Typ i producent silnika m/s Armia Krajowa SP nr 1 MAN-B&W/5L 23/30 IC-HF 303 SP nr 2 MAN-B&W/5L 23/30 2 m/s Legiony Polskie SP nr 1 MAN-B&W/5L 23/30 SP nr 2 MAN-B&W/5L 23/30 IC-HF m/s Orlęta Lwowskie 4 m/s Polska Walcząca 5 m/s Solidarność 6 m/s Szare Szeregi 7 8 m/s Ziemia Chełmińska m/s Ziemia Gnieźnieńska SP nr 3 MAN-B&W/5L 23/30 SP nr 1 MAN-B&W/5L 23/30 SP nr 2 MAN-B&W/5L 23/30 IC-HF 303 SP nr 3 MAN-B&W/5L 23/30 SP nr 1 MAN-B&W/5L 23/30 SP nr 2 MAN-B&W/5L 23/30 IC-HF 303 SP nr 3 MAN-B&W/5L 23/30 SP nr 1 MAN-B&W/5L 23/30 SP nr 2 MAN-B&W/5L 23/30 IC-HF 303 SP nr 3 MAN-B&W/5L 23/30 SP nr 1 MAN-B&W/5L 23/30 SP nr 2 MAN-B&W/5L 23/30 IC-HF 303 SP nr 3 MAN-B&W/5L 23/30 SP nr 1 MAN-B&W/5L 23/30 IC-HF 303 SP nr 2 MAN-B&W/5L 23/30 SP nr 1 MAN-B&W/5L 23/30 IC-HF 303 SP nr 2 MAN-B&W/5L 23/30 9 m/s Stanisław Kulczyński IC-HF 304 SP nr1 Sulzer 5ATL 25H m/s Uniwersytet Jagielloński m/s Uniwersytet Wrocławski DL-MP 30 DL-MP 30 SP nr 1 MAN-B&W/6T23 HH SP nr 2 MAN-B&W/6T23 HH SP nr 3 MAN-B&W/6T23 HH SP nr 1 MAN-B&W/6T23 H SP nr 2 MAN-B&W/6T23 H SP nr 3 MAN-B&W/6T23 H 12 m/s Generał Bem DL-MP 40 SP nr1 Sulzer 5AL 25/30 13 m/s Generał Jasiński DL-MP 40 SP nr1 Sulzer 5AL 25/30 SP nr2 Sulzer 5AL 25/30 SP nr3 Sulzer 5AL 25/30 14 m/s Mirosławiec DL-MP 40 SP nr1 Sulzer 5AL 25/30 311

4 Jan Krupowies 15 m/s Powstaniec Styczniowy Tabela 1 cd. SP nr1 Sulzer 6AL 20/24 DL-MP 40 SP nr2 Sulzer 6AL 20/24 16 m/s Reduta Ordona DL-MP 40 SP nr1 Sulzer 5AL 25/30 SP nr1 Sulzer 5AL 25/30 17 m/s Syn Pułku SP nr2 Sulzer 5AL 25/30 DL-MP 40 SP nr3 Sulzer 5AL 25/30 18 m/s Generał Madaliński DL-MP 40 SP nr1 Sulzer 5AL 25/30 2. Metodyka badań i analiz Badania próbek olejów wykonane zostały w laboratorium Zakładu Chemii Akademii Morskiej w Szczecinie według znormalizowanych metod [6]. Badaniom były poddane następujące właściwości wybranych olejów smarowych firmy BP: Są to parametry użytkowe oleju smarowego, określające stan oleju i jego przydatność eksploatacyjną. Zmiany tych parametrów (w zależności od czasu pracy oleju w silniku) przedstawiono w formie wykresów na 80 rysunkach oraz zestawiono w 40 tabelach w pracy autora [6]. W tabeli 2 przedstawiono parametry świeżych olejów silnikowych firmy BP [1], które były przedmiotem badań eksploatacyjnych. Nazwa oleju Właściwości użytkowe świeżych olejów silnikowych firmy BP [1] Operational qualities of fresh BP lubricating oils [1] lepkość (w 100 C), temperatura zapłonu, liczba zasadowa (BN), zawartość wody, zawartość zanieczyszczeń stałych (części nierozpuszczalne w n-pentanie). Klasyfikacja SAE Lepkość kinematyczna Liczba [mm 2 /s] zasadowa (BN) [mg KOH/g] 40 C 100 C DL-MP ,5 9,0 DL-MP ,0 9,0 IC-HF ,5 30,0 IC-HF ,0 30,0 Krótka charakterystyka Tabela 2 Oleje obiegowe do silników bezwodzikowych pracujących na paliwie lekkim Oleje obiegowe do silników bezwodzikowych pracujących na paliwie ciężkim 312

5 Analiza zmian właściwości użytkowych olejów smarowych firmy BP w czasie ich eksploatacji 3. Analiza eksploatacyjna zmian właściwości badanych olejów i wynikające z niej wnioski 3.1. Analiza zmian lepkości i temperatury zapłonu Analiza zmian lepkości wykazała, że parametr ten dla olejów eksploatowanych w czternastu silnikach oscylował w pobliżu wartości właściwych dla olejów świeżych, nie wychodząc poza klasę lepkości SAE danego typu oleju. Dla czterech silników spadła lepkość używanych olejów, a w trzynastu wzrosła, przekraczając klasę lepkości SAE, lecz mieszcząc się jeszcze w przedziale od 20% do + 30% lepkości oleju świeżego. W ośmiu silnikach lepkość eksploatowanych olejów spadła na tyle, że oleje te osiągnęły stan graniczny. Na czterdzieści monitorowanych silników, w których pracowały analizowane oleje, tylko w jednym z nich (SP1 MAN-B&W/5T 23LH4 na m/s Ziemia Gnieźnieńska ) lepkość używanego oleju firmy BP typu Energol IC-HF 303 wzrosła na tyle (19,2 mm 2 /s w 100 C), że przekroczyła wartość graniczną lepkości (wynoszącą w tym przypadku 14,95 mm 2 /s). W związku z tym konieczna była pełna wymiana oleju. Tak gwałtowny wzrost lepkości (w ciągu 23 dni od poprzedniego badania próbki oleju), przy niewielkiej ilości zanieczyszczeń i wody oraz gwałtownie spadającym BN (do 1,3 mgkoh/g), można wytłumaczyć zanieczyszczeniem oleju dużą ilością paliwa pozostałościowego. Analiza zmian oznaczanych parametrów oleju potwierdziła istnienie korelacji pomiędzy lepkością i zawartością zanieczyszczeń oraz lepkością i temperaturą zapłonu oleju. Dla znacznej części rozpatrywanych przypadków, zarówno dla silników pracujących na paliwie pozostałościowym, jak i lekkim, stwierdzono, że wzrost bądź spadek lepkości połączony był ze wzrostem bądź spadkiem zawartości zanieczyszczeń. W niektórych przypadkach było to spowodowane znaczącymi dolewkami oleju świeżego, co obrazuje wzrost BN. Zawartość zanieczyszczeń w oleju spada, ponieważ maleje ich udział masowy, a lepkość (zależnie od tego czy silnik pracuje na paliwie ciężkim, czy lekkim) może rosnąć, bądź maleć. Jednakże dla pozostałych przypadków, przy braku znaczących dolewek i utrzymującej się na stałym poziomie temperaturze zapłonu oleju, stwierdzono, iż wzrost bądź spadek lepkości oleju spowodowany był najczęściej wzrostem bądź spadkiem zawartości zanieczyszczeń. Jak uprzednio wspomniano, na zmianę lepkości oleju ma również wpływ zanieczyszczenie oleju paliwem. Przy przedostawaniu się do oleju smarowego paliwa pozostałościowego jego lepkość rośnie, a przy przedostawaniu się paliwa lekkiego lepkość oleju spada. Analizując zmiany lepkości i temperatury zapłonu eksploatowanych olejów stwierdzono, że niemalże dla wszystkich 22 silników pomocniczych (poza jednym), spalających paliwo pozostałościowe, temperatura zapłonu utrzymywała się na właściwym poziomie, nie spadając nigdy poniżej wartości 190 C. Inaczej rzecz się miała dla 18 silników pomocniczych pracują- 313

6 Jan Krupowies cych na paliwie lekkim. Tylko dla trzech z nich temperatura zapłonu oleju utrzymywała się na właściwym poziomie. Dla ośmiu silników spadek temperatury miał charakter incydentalny, prawdopodobnie załogi maszynowe po otrzymaniu raportu z analizy oleju zlokalizowały i usunęły niesprawność aparatury wtryskowej. Natomiast dla siedmiu silników pomocniczych temperatura zapłonu oscylowała na niebezpiecznie niskim poziomie C, a jej zmiany były w pełnej korelacji z lepkością oleju. Charakterystyczne dla tej zależności było to, że często duże spadki temperatury zapłonu oleju (poniżej wartości granicznej) nie doprowadzały jednak do przekroczenia wartości granicznej przez lepkość oleju. Można z tego wnioskować, że znaczny spadek temperatury zapłonu oleju, ale nie przekraczający temperatury 160 C, stwarza wprawdzie zagrożenie wybuchem par paliwa w karterze, lecz nie zawsze grozi utratą właściwości smarnościowych przez olej Analiza zmian zawartości zanieczyszczeń Przeprowadzona analiza zmian zawartości zanieczyszczeń wykazuje, że parametr ten ma bardzo indywidualny przebieg, zależny od charakteru wymuszeń działających na olej smarowy, intensywności wirowania i wielkości dolewek oleju świeżego, a jego wielkość zależna jest w istotny sposób od typu silnika. Stwierdzono, że niezależnie od rodzaju spalanego paliwa zawartość zanieczyszczeń w olejach pracujących w silnikach pomocniczych firmy MAN-B&W była średnio o połowę niższa, niż zawartość zanieczyszczeń w olejach pracujących w silnikach pomocniczych firmy Sulzer. Zawartość zanieczyszczeń w olejach użytkowanych w 27 silnikach MAN-B&W oscylowała na poziomie 0,2 0,6% i tylko dla 4 z nich przekroczyła wartość graniczną zawartości zanieczyszczeń, określoną przez firmę MAN-B&W na poziomie 1,5%. Przekroczenia te dla dwóch przypadków miały charakter pojedynczych pików wzrostu, a dla dwóch stałego trendu. Zawartość zanieczyszczeń w olejach użytkowanych w silnikach Sulzer oscylowała na poziomie 1 2% i tylko w jednym silniku (na 13 monitorowanych), w postaci pojedynczego piku wzrostu, przekroczyła wartość graniczną, wynoszącą dla silników tego producenta 2,5%. Z przebiegu krzywej zmian zawartości zanieczyszczeń oraz krzywej zmian BN [6], wnioskować można o charakterze dokonywanych dolewek oleju świeżego do systemów smarowych silników. Jednoczesny spadek zawartości zanieczyszczeń i wzrost wartości BN świadczy o dokonywaniu znaczących dolewek oleju świeżego lub wymianie całego ładunku oleju (gdy BN wzrastało do wartości właściwej dla oleju świeżego). Wzrastająca ilość zanieczyszczeń wywołuje wzrost lepkości oleju, a w niektórych przypadkach kompensuje spodziewany spadek lepkości, spowodowany przedostawaniem się paliwa do oleju smarowego. 314

7 Analiza zmian właściwości użytkowych olejów smarowych firmy BP w czasie ich eksploatacji 3.3. Analiza zmian liczby zasadowej Dla wszystkich 18 silników spalających paliwo lekkie wartość BN eksploatowanego oleju (DL-MP30 i DL-MP40) osiągała poziom wyższy od wartości właściwej dla oleju świeżego. Wytłumaczyć to można stosowaniem dolewek oleju świeżego o wyższej liczbie BN, niż BN oleju świeżego będącego w eksploatacji. Wzrost wartości liczby zasadowej użytkowanego oleju (ponad wymagany poziom) nie jest korzystny, gdyż zwiększona ilość dodatków alkalicznych może powodować intensyfikację procesu zużycia ciernego tulei cylindrowej. W przypadku zaś stosowania jako dolewek oleju cylindrowego zachodzi dodatkowe niebezpieczeństwo zmniejszenia w oleju obiegowym ilości substancji dyspergujących i wytrącania się z tego oleju zanieczyszczeń stałych w postaci szlamów. Dokonana analiza wykazała, że problemy eksploatacyjne związane ze spadkiem poziomu BN poniżej 50% wartości liczby zasadowej oleju świeżego wystąpiły incydentalnie dla 9 silników, a dla dwóch miały charakter stałego trendu. Wszystkie silniki, w których odnotowano tak duży spadek rezerwy alkalicznej, pracowały na paliwie pozostałościowym. W pięciu przypadkach spadkowi BN poniżej wartości granicznej towarzyszył jednoczesny spadek zawartości zanieczyszczeń przy utrzymującej się na stałym poziomie lepkości oleju. Nasuwają się tu dwa możliwe wyjaśnienia. Pierwsze, iż na skutek przedostawania się do oleju zwiększonej ilości zanieczyszczeń w postaci kwasowych produktów spalania nastąpił spadek rezerwy alkalicznej oleju, po czym zanieczyszczenia te zostały odwirowane. Drugie, iż w kontakcie oleju z wodą podczas intensywnego puryfikowania, nastąpiło wypłukanie z niego dodatków alkalicznych. Interesujące z eksploatacyjnego punktu widzenia zmiany parametrów zaobserwowano dla oleju Energol IC-HF eksploatowanego w SP nr1 MAN-B&W/5T 23LH4 na m/s Ziemia Gnieźnieńska. Dla oleju tego nastąpił spadek BN do poziomu 1,3 mg KOH/g, przy jednoczesnym spadku zanieczyszczeń do wartości 0,19% i wzroście lepkości oleju do 19,2 mm 2 /s [6]. Sytuacja ta została najprawdopodobniej spowodowana dużymi przeciekami paliwa pozostałościowego do oleju smarowego. Był to jeden z nielicznych przypadków przekroczenia stanów granicznych przez dwa parametry użytkowe oleju jednocześnie Analiza zmian zawartości wody Analiza zmian zawartości wody w olejach eksploatowanych w 40 silnikach pomocniczych wykazała, że jedynie dla pięciu z nich parametr ten przekroczył wartość graniczną ustaloną przez firmy: MAN-B&W i Sulzer na poziomie 0,5% masowych [6]. W dwóch przypadkach (SP nr 2 MAN-B&W/5T 23LH4 na m/s Ziemia Gnieźnieńska i w SP nr 2 MAN-B&W/5T 23LH4 na m/s Ziemia Chełmińska ) doszło prawdopodobnie do utworzenia się emulsji wodno-olejo- 315

8 Jan Krupowies wej, ponieważ dokonano całkowitej wymiany oleju. Dla 22 silników zawartość wody w eksploatowanych olejach osiągała poziom mieszczący się w granicach 0,05 0,5 %, a w trzynastu nie przekroczyła wartości 0,05 % masowych. W analizowanych zmianach zawartości wody w badanych olejach nie dostrzeżono jakichkolwiek regularności oraz korelacji z pozostałymi parametrami użytkowymi olejów. Obserwowane wzrosty zawartości wody spowodowane były nieprawidłowościami w pracy systemu oczyszczania oraz przeciekami z układu chłodzenia [6]. W żadnym z użytkowanych olejów nie stwierdzono obecności wody morskiej. Podsumowanie Prezentowany we wcześniejszej pracy autora [6] obszerny materiał eksploatacyjny umożliwił dokonanie szczegółowej analizy zmian właściwości olejów smarowych użytkowanych w 40 silnikach pomocniczych na 18 wybranych statkach Grupy PŻM. Analiza ta wykazuje, iż poza naturalnym starzeniem, przyczynami osiągania przez olej stanu granicznego były: niesprawności aparatury paliwowej, prowadzące do przecieków nie spalonego paliwa do oleju i spadku jego temperatury zapłonu; zużycie układu TPC, intensyfikujące przedostawanie się kwasowych produktów spalania do oleju, co prowadziło do spadku BN i wzrostu ilości zanieczyszczeń w oleju; awarie układu chłodzenia, powodujące przedostawanie się wody do oleju; nieefektywne oczyszczanie oleju w procesie wirowania. Wśród analizowanych parametrów użytkowych oleju wartość graniczną osiągały najczęściej następujące z nich: temperatura zapłonu oleju (w jedenastu spośród 40. monitorowanych silników, co stanowi 27,5% ogółu badanych silników), w postaci stałego trendu oraz pojedynczych zmian; liczba zasadowa oleju (BN) (w jedenastu silnikach, co stanowi 27,5% ogółu monitorowanych silników), w tym w większości w postaci pojedynczych zmian; lepkość oleju (w dziewięciu silnikach, co stanowi 22,5% ogółu monitorowanych silników), w postaci pojedynczych pików zmian; zanieczyszczenia stałe oleju (w pięciu silnikach, co stanowi 12,5% ogółu monitorowanych silników), w postaci stałego trendu oraz pojedynczych zmian; zanieczyszczenia oleju wodą (w pięciu silnikach, co stanowi 12,5% ogółu monitorowanych silników), w postaci pojedynczych zmian. 316

9 Analiza zmian właściwości użytkowych olejów smarowych firmy BP w czasie ich eksploatacji Wyniki analiz właściwości fizykochemicznych użytkowanych olejów potwierdziły wpływ stanu technicznego silnika oraz rodzaju spalanego przez silnik paliwa na stan oleju smarowego. Ponadto można zaobserwować, że niezależnie od rodzaju paliwa, zawartość zanieczyszczeń w olejach eksploatowanych w silnikach firmy Sulzer, jest większa od zawartości zanieczyszczeń w olejach eksploatowanych w silnikach firmy MAN-B&W. Można również stwierdzić, że problemy ze spadkiem temperatury zapłonu oleju występowały częściej w silnikach firmy Sulzer, niż w silnikach firmy MAN-B&W. Potwierdza to tezę, że oprócz stanu technicznego silnika, również jego konstrukcja ma znaczący wpływ na parametry użytkowanego oleju. Poznanie charakteru oddziaływań silnik olej i wyciągnięcie prawidłowych wniosków diagnostycznych o stanie silnika nastręcza duże trudności. Wymaga systematycznej kontroli stanu oleju, zgromadzenia wyników analiz w komputerowej bazie danych, która umożliwi śledzenie trendów zmian parametrów oleju w ciągu dłuższego czasu jego eksploatacji w silniku. W analizie tej bardzo pomocne byłyby informacje o częstotliwości i wielkości dolewek oleju świeżego oraz precyzyjne określenie czasu wymiany oleju, a także podejmowanych zabiegów pielęgnacyjnych. Trafność decyzji eksploatacyjnych dotyczących oleju, a często także samego silnika, zależna jest od wniosków wyciąganych z analizy zmian właściwości fizykochemicznych używanego oleju oraz od regularności, częstotliwości i prawidłowego poboru reprezentatywnych próbek oleju do analizy. Zbyt duże przedziały czasowe pomiędzy kolejnymi analizami oleju powodują, że wnioski eksploatacyjne wyciągnięte na podstawie tych analiz są spóźnione i w silniku przez wiele godzin pracuje olej, który nie spełnia już założonych funkcji. Literatura 1. Katalog olejów firmy BP (1991). 2. Krupowies J.: Analiza statystyczna zmian parametrów eksploatacyjnych olejów smarowych okrętowych silników spalinowych, Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Szczecinie, Nr 5(77), OMiUO 2005, Szczecin 2005, s Krupowies J.: Analiza zmian parametrów użytkowych olejów smarowych okrętowych silników pomocniczych, Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Szczecinie, Nr 1(73), Explo-Ship, Szczecin 2004, s Krupowies J.: Badania pierwiastków śladowych w oleju obiegowym jako element diagnostyki silnika, Wydawnictwa WSM w Szczecinie, Studia nr 34, Szczecin

10 Jan Krupowies 5. Krupowies J.: Badania zmian parametrów fizykochemicznych silnikowych olejów smarowych eksploatowanych na statkach Polskiej Żeglugi Morskiej, Wydawnictwa WSM w Szczecinie, Studia nr 27, Szczecin Krupowies J.: Badania zmian właściwości oleju obiegowego okrętowych silników pomocniczych, Wydawnictwa WSM w Szczecinie, Studia nr 40, Szczecin Krupowies J., Listewnik J.: Analiza zmian właściwości fizykochemicznych olejów smarowych firm Castrol, ELF i Mobil, XI Sympozjum Paliw Płynnych i Produktów Smarowych w Gospodarce Morskiej, Jachranka/k Warszawy, grudnia, Recenzent prof. dr hab. inż. Jerzy Girtler Adres Autora dr inż. Jan Krupowies Akademia Morska w Szczecinie Instytut Matematyki, Fizyki i Chemii Szczecin, ul. Wały Chrobrego 1-2 Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r. 318