4-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 41 Piotr BIELAWSKI, Zygmunt RAUNMIAGI Akademia Morska, Szczecin NAPRAWY ELEMENTÓW W EKSPLOATACJI SILNIKA SPALINOWEGO STATKU Słowa kluczowe Silniki spalinowe, uszkodzenia, naprawy, regeneracje, zawory, tuleje, wtryskiwacze. Streszczenie Wskazano na specyficzne zużycie elementów spalinowego silnika okrętowego, nowe materiały i technologie wytwarzania części i podkreślono rosnące ceny elementów. Przedstawiono i uzasadniono możliwe scenariusze odnów elementów. Wykazano, że istnieje możliwość zmniejszania kosztów poprzez optymalizację akwizycji części wymiennych. Przedstawiono statystykę uszkodzeń silników spalinowych. Wprowadzenie Trwająca konkurencja w transporcie z jednej strony i dogodne warunki żeglugowe i potencjał gospodarczy offshore państw europejskich z drugiej strony skłaniają do wprowadzania do eksploatacji nowych jednostek pływających i obszernej modernizacji starszych obiektów celem dopasowania do zmieniających się zadań i warunków. Poszukuje się rozwiązań konstrukcyjnych i eksploatacyjnych, pozwalających na uzyskiwanie jak największych korzyści z użytkowania m.in. statków przy jak najmniejszych kosztach eksploatacji statku. Ponieważ wyczerpuje się możliwość redukcji kosztów użytkowania, rozwiązania upatruje się w optymalizacji kosztów obsługiwania.
42 PROBLEMY EKSPLOATACJI 4-2007 W niniejszym artykule podjęto się wykazania, że: naprawy mogą obniżyć koszty obsługiwania, nie powodując przy tym zmniejszenia korzyści z eksploatacji obiektu, istnieją elementy silnika okrętowego, których naprawy są szczególnie uzasadnione. 1. Odnowy elementów Czas życia elementu liczony od chwili zamontowania elementu w maszynie do chwili kasacji tego elementu może być wydłużony poprzez spowalnianie procesów zużycia oraz poprzez odnowy przywracanie potencjału eksploatacyjnego. Odnowy elementów maszyny/urządzenia przeprowadzane podczas remontów muszą być nie tylko możliwe technologicznie, ale również uzasadnione ekonomicznie. W przypadku wystąpienia stanu niezdatności urządzenia element uszkodzony, to znaczy element o wartości zużycia powodującej przejście urządzenia ze stanu zdatności w stan niezdatności może być: zastąpiony elementem nowym wyprodukowanym jako część zamienna przez producenta urządzenia lub producenta elementów maszyn, np. łożysk tocznych, łożysk ślizgowych itp.; zastąpiony elementem naprawionym lub regenerowanym, oferowanym jako część zamienna; naprawiany w czasie między demontażem i montażem urządzenia. Wybór sposobu odnowy zdeterminowany jest: czasem dostępu do danej części/czasem naprawy, ceną części/kosztami naprawy, jakością i niezawodnością części. Czas dostępu/czas naprawy wpływa na tak zwane koszty pośrednie remontu związane ze skutkami zatrzymania systemu produkcyjnego np. statku z powodu braku danej części i ze skutkami postoju systemu w oczekiwaniu na daną część. Koszty pośrednie ogranicza się poprzez zgromadzenie odpowiedniej ilości odpowiednich części z odpowiednim wyprzedzeniem. Należy jednak przy tym uwzględnić to, że zmniejszanie czasów przestojów poprzez zwiększane zapasów prowadzi generalnie do wzrostu kosztów. Duże zapasy gromadzone z dużym wyprzedzeniem: przyczyniają się do bezproblemowej realizacji prac remontowych, ale wiążą niepotrzebnie kapitał i powodują powstawanie kosztów kapitałowych, kosztów zarządzania i magazynowania. Wpływają negatywnie na płynność finansową przedsiębiorstwa. Cena elementu odzwierciedla wszystkie nakłady związane z uzyskaniem elementu o wymaganej jakości i niezawodności z uwzględnieniem wszystkich
4-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 43 faz życia elementu. Fazy życia zależne są od przyjętego i możliwego technologicznie scenariusza życia elementu. Dwa podstawowe scenariusze to [2]: 1. Pozyskanie materiału wytworzenie elementu użytkowanie kasacja odzyskanie materiału. 2. Pozyskanie materiału wytworzenie elementu użytkowanie naprawa użytkowanie naprawa użytkowanie regeneracja użytkowanie kasacja odzyskanie materiału. Naprawa rozumiana jest tutaj jako przywrócenie elementowi właściwości użytkowych, natomiast regeneracja to nie tylko przywrócenie właściwości użytkowych, ale również przywrócenie własności pierwotnych, w tym przywrócenie wymiarów (według normy [11] naprawa to czynności organizacyjno-techniczne, mające na celu przywrócenie obiektowi stanu zdatności użytkowej). Istnieje sprzężenie zwrotne pomiędzy ceną/kosztami elementu a jakością i niezawodnością elementu. Jakość i niezawodność elementu zależą od zastosowanych materiałów, zastosowanych technologii oraz jakości sterowania procesami technologicznymi. Im większa ilość operacji technologicznych, tym większy koszt. Uzasadnione ekonomicznie jest postępowanie polegające na ograniczaniu ilości operacji podczas wytwarzania elementu i wykonywaniu tych operacji podczas regeneracji elementu. Dotyczy to tylko kosztownych operacji podwyższających jakość i niezawodność powyżej wartości nominalnych. Podczas remontu maszyny, w fazie weryfikacji elementów, w zależności od obrazu zużycia, elementy mogą być zakwalifikowane jako elementy nadające się do ponownego montażu, elementy nadające się do naprawy lub regeneracji oraz elementy przeznaczone do kasacji. Decyzja o przeznaczeniu elementu do naprawy lub regeneracji musi być uzasadniona ekonomicznie i technicznie. Koszty naprawy lub regeneracji muszą być znacząco niższe od kosztów zakupu nowego elementu, a obciążalność naprawionego lub regenerowanego elementu musi być porównywalna z obciążalnością nowego elementu [2]. W wielu przypadkach intensywność zużycia i tym samym czas pracy elementu do uszkodzenia zależą od przeprowadzonych napraw naprawy o niewielkim zakresie mogą być traktowane jako zabiegi konserwacyjne, spowalniające procesy zużycia. Przykładem są zawory silników; zlikwidowanie niewielkiego przedmuchu gazów przez szlifowanie lub skrawanie może zapobiec wypaleniu zaworów i kosztownym regeneracjom. Elementy maszyn podczas ich wytwarzania uzyskują tzw. potencjał eksploatacyjny, który podczas eksploatacji maszyny, w której pracują, ulega wyczerpywaniu w wyniku różnorodnych procesów zużycia. Graficznie przedstawiono to na rysunku 1. Podczas użytkowania nie dopuszcza się do całkowitego wyczerpania potencjału eksploatacyjnego; wyznacza się granice zużycia elementu. Wartość graniczną określić można ze względu na [1]: instensywność zużycia, naprawialność (podatność na naprawę) elementu, przydatność użytkową elementu (gotowość).
44 PROBLEMY EKSPLOATACJI 4-2007 Na rysunku 1 zobrazowano wartość graniczną ze względu na intensywność zużycia: wartość graniczna odpowiada drugiemu charakterystycznemu punktowi na krzywej zużycia początkowi intensywnego zużycia kończącego się destrukcją materiału i dalej awarią maszyny. Ma to wpływ na bezpieczeństwo maszyny i efektywność finansową przedsiębiorstwa. Wartość graniczna ze względu na naprawialność zdeterminowana jest technologią i kosztami naprawy i dotyczy tylko tych elementów, których naprawy ujęto w planach obsługiwania. Ze względu na naprawialność, element jest zużyty w 100%, jeżeli z powodu zaistniałego uszkodzenia (przekroczenia wartości granicznej naprawialności) naprawa elementu stała się niemożliwa lub ekonomicznie nieuzasadniona. W odniesieniu natomiast do całej maszyny potencjał eksploatacyjny jest większy od zera (> 0), jeżeli naprawa maszyny jest możliwa technicznie i uzasadniona ekonomicznie. 100 0 Potencjał eksploatacyjny [%] 50 Zużycie [%] 50 0 100 Rys. 1. Potencjał eksploatacyjny/zużycie elementu [1] Wartość graniczna ze względu na przydatność użytkową elementu zależy od wpływu stanu danego elementu na stan zdatności całej maszyny i dalej w pierwszej kolejności na efektywność maszyny i przedsiębiorstwa. Element wymaga odnowy, jeżeli jedna z wartości granicznych zostanie osiągnięta. Rozwój terotechnologii, a w szczególności rozwój technologii materiałów i technologii napraw powoduje (przy tym samym obciążeniu maszyny) wydłużenie czasu użytkowania i/lub zmniejszenie wartości granicznych ze względu na intensywność zużycia i naprawialność: maleje intensywność zużycia i wzrastają możliwości napraw.
4-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 45 2. Cechy obsługowe okrętowych silników spalinowych Według [8]: od 3 do 5% produktu krajowego brutto krajów europejskich wytwarzane jest przez przemysł i usługi związane z morzem (bez wliczania wartości pozyskiwanych surowców: gazu, ropy naftowej, ryb, kruszywa itp.); prawie 90% towarów w handlu zagranicznym i ponad 40% w handlu wewnętrznym EU odbywa się drogą morską; rocznie w 1200 europejskich portach morskich przeładowuje się 3,5 miliarda ton towaru i odprawia 350 milionów pasażerów; udział floty EU we flocie światowej jest dominujący i wynosi 40%. Okrętowe silniki spalinowe są głównymi elementami okrętowych systemów energetycznych, charakteryzują się dużymi obciążeniami jednostkowymi, dużymi wymiarami, wysokimi kosztami inwestycyjnymi, długim czasem eksploatacji oraz tym, że posadowione są na fundamentach ulegających statycznym i dynamicznym odkształceniom. Procentowy udział uszkodzeń silników w uszkodzeniach maszyn i urządzeń statku jest dominujący i wynosi dla silników wolnoobrotowych 38% i średnioobrotowych 15,7% [3, 10]. Według [7] udział uszkodzeń silników napędu głównego w liczbie uszkodzeń maszyn okrętowych wynosi aż 46%. Elementy składowe silników, w szczególności elementy komory spalania obciążane są kolektywem obciążeń, na który składają się obciążenia: mechaniczne, termiczne, korozyjne oraz tribologiczne. Obraz zużycia tego samego elementu silnika nie jest jednakowy, zależy nie tylko od dominującego rodzaju obciążenia i efektu wzajemnego wzmacniania procesów zużycia wywoływanych różnymi rodzajami obciążeń, ale również od odchyłek powstałych we wszystkich fazach wytwarzania elementów i montażu silnika, co skutkuje losowym charakterem wartości czasu do uszkodzenia elementu. Intensywność zużycia i rozległość uszkodzeń powiększane są z generacji na generację silnika przez ciągły wzrost mocy i obciążeń głównie obciążeń mechanicznych (wzrost ciśnień wtrysku, ciśnień spalania), termicznych i korozyjnych. Obciążenia korozyjne wynikają głównie ze stosowanych paliw o obniżonej jakości: przykładowo zanieczyszczone cząstkami stałymi paliwo powoduje szybkie zużywanie się rozpylaczy, co skutkuje zrywaniem filmu olejowego przez strumień niedostatecznie rozpylonego paliwa i zacieraniem tłoka/pierścieni tłokowych na tulei. Przeciwdziałanie nadmiernemu zużyciu sprowadza się do wprowadzania nowych (bardziej skomplikowanych) konstrukcji elementów, nowych technologii wytwarzania elementów, a także materiałów od materiałów odlewanych poprzez stale stopowe, kompozyty, nadstopy i stale domieszkowane mikrododatkami (stale mikrostopowe) do materiałów odpornych na działanie gorących gazów (korozję gazową). Ważniejsze elementy silnika mają warstwy wierzchnie ukształtowane poprzez nakładanie stopów metodami spawalniczymi, galwanicz-
46 PROBLEMY EKSPLOATACJI 4-2007 nymi lub chemicznymi. Skutkuje to tym, że elementy silnika uznawane są za elementy drogie, dla których należy poszukiwać efektywnych technologii wydłużających ich czas życia. 3. Uszkodzenia elementów silnika Ze statystyk uszkodzeń wynika, że: prawie 50% uszkodzeń to uszkodzenia układu paliwowego, z czego 41% to uszkodzenia wtryskiwaczy, a 38% to uszkodzenia pomp. 73% uszkodzeń wtryskiwaczy to uszkodzenia polegające na zużyciu gniazda i stożka iglicy wtryskiwacza [10]; ponad 25% wszystkich uszkodzeń silnika przypada na układ tłokowo- -korbowy i rozrządu, z czego 24% to uszkodzenia tłoków i korbowodów, 18,5% uszkodzenia wałów korbowych, 16% tulei cylindrowych, 15% łożysk, prawie 10% to uszkodzenia korpusu silnika, około 8% stanowią uszkodzenia głowicy cylindrowej i około 6% uszkodzenia elementów rozrządu [6]. Powyższe wskazuje na bardzo duży udział uszkodzeń wtryskiwaczy i znaczący udział w statystyce uszkodzeń głowic, tulei, tłoków i zaworów, tj. elementów tworzących komorę spalania. We wtryskiwaczach dominują uszkodzenia stożków, gniazda i iglicy wtryskiwacza (73% uszkodzeń) spowodowane zużyciem tribologicznym i erozyjnym [10]. Obrazami uszkodzeń głowicy są pęknięcia i przełomy w krytycznych partiach, w szczególności tych pokrytych osadami, deformacje głowicy spowodowane niewłaściwym chłodzeniem i niewłaściwym napięciem śrub głowicowych, ubytki na płaszczyźnie styku z tuleją spowodowane przedmuchami gazów spalinowych. W kanałach zaworów dominuje zużycie erozyjne spowodowane dużymi prędkościami przepływów. Umieszczone w głowicy gniazda i prowadnice zaworów ulegają głównie zużyciu tribologicznemu. Zawory oprócz zużycia tribologicznego na grzybkach i prowadnicach mogą wykazywać pęknięcia zmęczeniowe między trzonem i grzybkiem oraz wypalenia grzybka zapoczątkowane lokalną nieszczelnością zaworu. Denka tłoków ulegają przepaleniu lub wytopieniu, erozji i uszkodzeniom spowodowanym ciałami obcymi. Część prowadząca, piasty sworznia i rowki w tłoku ulegają zużyciu tribologicznemu, którego obrazem są ukierunkowane, znaczące ubytki materiału. Na koronie tłoka i na części prowadzącej mogą występować ślady uderzeń tłoka o tuleję. Tuleja cylindrowa ulega przede wszystkim zużyciu tribologicznemu o nierównomiernym przebiegu zarówno w płaszczyźnie wzdłużnej jak i poprzecznej. Mogą również występować pęknięcia w górnej części tulei. Na zewnętrznej stronie tulei mogą występować wżery i przebicia spowodowane kawitacją drganiową.
4-2007 PROBLEMY EKSPLOATACJI 47 Korbowody ulegają: deformacjom i pęknięciom zmęczeniowym, zużyciu tribologicznemu na powierzchniach podziałowych oraz na powierzchniach otworów pod łożyska ślizgowe. Uszkodzenia wałów korbowych spowodowane są pęknięciami zmęczeniowymi ramiona i czopów oraz zużyciem ściernym czopów. Z dotychczasowych doświadczeń firm wyspecjalizowanych w naprawach i regeneracjach elementów maszyn wynika, że zużyciu tribologicznemu nie towarzyszą inne rodzaje zużycia poza warstwą wierzchnią, pod warunkiem że takowe nie powstały lub zostały zapoczątkowane przed rozpoczęciem eksploatacji [4, 5, 9]. Oznacza to, że wymienione elementy silnika, na których wystąpiło tylko zużycie tribologiczne, mogą być poddawane naprawom. Podsumowanie Należy oczekiwać, że w krajach UE rola jednostek pływających napędzanych silnikami spalinowymi ulegnie zwiększeniu. Okrętowe silniki spalinowe posiadają liczne elementy szybko osiągające wartość graniczną zużycia ze względu na przydatność użytkową znacznie przed osiągnięciem wartości granicznej ze względu na naprawialność (potencjał eksploatacyjny wielu elementów nie zostaje w tym czasie wyczerpany). Takimi elementami są między innymi: gniazda zaworów ssących i wydechowych, grzybki i trzony zaworów, iglica i gniazdo wtryskiwacza, tuleje cylindrowe, tłoki, czopy wałów korbowych, powierzchnie otworów pod łożyska ramowe i korbowe. Z przedstawionych badań literaturowych i doświadczeń własnych wynika, że uzasadnione są działania zmierzające do wdrożenia i rozwoju metod i środków napraw elementów okrętowych silników spalinowych: głowic cylindrowych, tulei, tłoków, zaworów, korbowodów i wałów korbowych. Bibliografia 1. Bielawski P.: Model zarządzania obsługiwaniem maszyn okrętowych systemów napędowych. Diagnostyka Nr 1(41)/2007, s. 85 90. 2. Bielawski P.: Optymalizacja napraw okrętowego silnika spalinowego. X Jubileuszowy Kongres Eksploatacji Urządzeń Technicznych, Stare Jabłonki, 6 9.09.2005 r., s. 39 47. 3. Czajgucki J.: Niezawodność spalinowych siłowni okrętowych. Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1984. 4. Dalen G.: CHRIS-MARINE AB responds to current trends in shipboard engine maintenance programs. In: Maintenance of the Marine Machinery in Teaching and Research. Seminar WSM Szczecin, 6 February 2001, s. 29 30.
48 PROBLEMY EKSPLOATACJI 4-2007 5. Dietrich W., Drews O.: Reconditionierung von Verschleißteilen bei Großdieselmotoren. Schiff & Hafen 7/2001, s. 39 42. 6. Greuter E., Zima S.: Motorschäden. Schäden an Verbrennungsmotoren und deren Ursachen. Vogel Buchverlag, Würzburg 2000. 7. Low speed engines show less damage. The Motor Ship, November 2005, s. 18 22. 8. Maritime Fakten und Zahlen. Europäische Kommission. ISBN 92-79-01718-7. 9. Materiały informacyjne firmy Diesel Marine International. 10. Piaseczny L.: Ocena niezawodności okrętowych silników spalinowych w aspekcie tworzenia ich systemów diagnostycznych i obsługowych. Konferencja Naukowo-Techniczna, ITEO, AMW, Gdynia 1992. 11. PN-82/N-04001. Eksploatacja obiektów technicznych. Terminologia ogólna. Recenzent: Stanisław KRUCZYŃSKI The repairs of elements in operation of marine combustion engine Key words Combustion engine, failure, repair, regeneration, valve, sleeve, injector. Summary The specifics of the wear of marine combustion engine elements, new materials and the technologies of elements production and growing prices were pointed out in the article. Possible scenarios for element renewing are presented and justified. Also, the possibility of cost reduction by the optimising of part acquisition is presented. The statistic of combustion engines failure is also presented.