Artur Bejger 1, Marek Pijanowski 1, Paweł Kochmański 2 Waldemar Kostrzewa 1, Wojciech Przetakiewicz 1 1 Akademia Morska w Szczecinie 2 Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny ANALIZA PRZYCZYN USZKODZENIA UKŁADU TŁOKOWO-KORBOWEGO SILNIKA NAPĘDU GŁÓWNEGO MAŁEJ JEDNOSTKI PŁYWAJĄCEJ W artykule przedstawiono analizę przyczyn uszkodzenia silnika napędu głównego na jednej z jednostek pływających. Wystąpiło zatarcie współpracujących roboczych węzłów tribologicznych, związanych bezpośrednio z układem smarowania silnika. W pierwszym etapie dokonano analizy cząstek zawartych w oleju smarnym, a następnie określono możliwe przyczyny wystąpienia awarii. W celu potwierdzenia hipotezy dotyczącej przyczyny awarii wykonano analizę materiałową (pod kątem spełnienia wymogów jakościowych) wytypowanej uszczelki. Słowa kluczowe: analiza uszkodzeń, zatarcie silnika, system smarny jednostki pływającej, spektroskopia w podczerwieni. WSTĘP Łożyska główne silnika spalinowego obciążone są siłami masowymi i gazowymi charakterystycznymi dla silnika danego typu. Tarcie ślizgowe, występujące pomiędzy panwią łożyska a czopem wału, zależy zarówno od materiałów współpracujących elementów, jak i od stanu chropowatości ich powierzchni, rodzaju (systemu) smarowania oraz od sił nacisku. Tarcie płynne można uzyskać przy zapewnieniu takich warunków pracy, aby olej stale znajdował się w szczelinie między czopem i panewką. Spełnienie tego warunku następuje, gdy ciśnienie oleju w szczelinie jest większe niż naciski jednostkowe czopa na panewkę. Utrzymanie niezbędnego ciśnienia wymaga stałego obfitego dopływu oleju o odpowiedniej lepkości i smarności. Gdy wystąpi zanik tarcia płynnego na czopie spowodowany np. awarią pompy lub zmianą parametrów smarnych oleju, dochodzi do uszkodzenia łożysk, podwyższenia ich temperatury i w efekcie do zatarcia silnika. Olej może tracić swoje własności smarne poprzez zmianę jego temperatury, zanieczyszczenia, przedostanie się paliwa lub czynnika chłodzącego do oleju itp. Zapewnienie odpowiedniego smarowania determinuje żywotność układu napędowego, a co za tym idzie dłuższą eksploatację jednostki pływającej, a przez to wymierne korzyści ekonomiczne dla armatora.
6 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 96, grudzień 2016 1. OPIS AWARII Podczas eksploatacji silnika na jednej z jednostek pływających doszło do zatarcia układu tłokowo-korbowego silnika napędu głównego (rys. 1). Stwierdzono, że występuje wysokie prawdopodobieństwo, że był to efekt przedostania się paliwa do układu smarnego. Rys. 1. Widok analizowanego silnika DEUTZ TD440-6 o mocy 497 kw Fig. 1. A view of the examined Diesel Engine DEUTZ TD440-6 of 497 kw power Po demontażu układów funkcjonalnych silnika przeprowadzono próbę hydrauliczną układu zasilania paliwem. Zaobserwowano, że na połączeniu pompy wtryskowej z pompą podającą (zasilającą) (rys. 2) wystąpiła nieszczelność. Pompa wtryskowa jest smarowana olejem z głównego systemu smarnego SG. Przez uszczelnienie wałka pompy podającej paliwo stwierdzono przeciek paliwa w ilości ok. 100 ml/min (ok. 6 l/godz.). Znaczna zmiana lepkości (spowodowana rozcieńczeniem oleju smarnego paliwem), a tym samym właściwości smarnych, spowodowała w efekcie zatarcie układu tłokowo-korbowego silnika. Dalszej analizie podlegało określenie przyczyny zużycia elementu uszczelniającego. Strategia obsługiwania (zgodna z resursem) nie wykazywała bowiem potrzeby wymiany uszkodzonych elementów. Identyfikacja i ocena zużycia nie wskazywała także na wcześniej popełnione błędy montażu czy niewłaściwą eksploatację samego silnika.
A. Bejger, M. Pijanowski, P. Kochmański, W. Kostrzewa, W. Przetakiewicz, Analiza przyczyn uszkodzenia układu... 7 Rys. 2. Przenoszenie napędu z SG na pompę zasilającą (strzałką oznaczono rejon przecieku paliwa do oleju smarnego silnika) Fig. 2. The power transmission from the ME to the feed pump (arrow indicates the area of leakage of fuel in the engine lube oil) 2. ANALIZA MATERIAŁOWA USZCZELNIENIA POMPY Badaniom poddano element uszczelnienia pompy (rys. 3). Z przeprowadzonych wstępnych badań makroskopowych, polegających na obserwacji przedmiotu nieuzbrojonym okiem lub przy powiększeniu około 30 razy, wynika, że uszkodzenie uszczelnienia pompy zasilającej nie jest spowodowane procesami zmęczeniowymi lub starzeniem tworzywa, ale wynika z wady materiału [1, 3, 4]. Rys. 3. Fragment uszczelki gumowej poddany badaniom Fig. 3. A tested piece of rubber seal
8 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 96, grudzień 2016 Dla identyfikacji materiałowej wykonano analizę metodą spektroskopii w podczerwieni z transformatą Fouriera FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy). Widma IR badanego materiału przedstawiono na rysunkach 4 i 5. a) b) Rys. 4. Widmo FTIR: a) przed obróbką, b) po obróbce Fig. 4. FTIR Spectrum: a) before processing, b) after processing W badaniach zastosowano spektrometr typu tensor firmy Brucker, z przystawką ATR na bazie kryształu diamentu, w zakresie liczby falowej 400 4000 cm 1. Badany materiał jest usieciowanym kauczukiem (gumą) EPDM napełnionym sadzą, która utrudniała identyfikację, z niewielką ilością nieorganicznych napełniaczy zawierających krzem (np. krzemionka, krzemian wapniowy), glin (np. tlenek glinu, kaolin) i wapń (np. kreda, krzemian wapniowy). Procentowy skład chemiczny zgodnie z rysunkiem 5 i widmami na rysunkach 6 9 przedstawiono w tabeli 1. Materiał ten mógł być wulkanizowany za pomocą siarki w obecności tlenku cynku, co jest typowe dla przetwórstwa EPDM [5, 7 10]. Wulkanizację siarką potwierdzają badania przeprowadzone za pomocą mikroanalizy rentgenowskiej, co przedstawiono na rysunku 6 i w tabeli 1.
A. Bejger, M. Pijanowski, P. Kochmański, W. Kostrzewa, W. Przetakiewicz, Analiza przyczyn uszkodzenia układu... 9 Rys. 5. Widok przełomu próbki z zaznaczonymi miejscami, w których analizowano za pomocą mikroanalizy rentgenowskiej skład chemiczny (SEM) Fig. 5. A view of fracture pattern with the marked locations analyzed by X-ray microanalysis, chemical composition (SEM) Rys. 6. Widma pierwiastków występujących w punkcie 1 na rysunku 5; skład chemiczny w [%] przedstawiony jest w tabeli 1 w polu: Simmering(1)_pt1 Fig. 6. Spectra of elements occurring in location 1 in accordance with Fig. 5; the chemical composition [%] shown in Table 1 in the field: Simmering(1)_pt1
10 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 96, grudzień 2016 Rys. 7. Widma pierwiastków występujących w punkcie 2 na rysunku 5; skład chemiczny w [%] przedstawiony jest w tabeli 1 w polu: Simmering(1)_pt2 Fig. 7. Spectra of elements occurring in location 2 according to Fig. 5; the chemical composition [%] shown in Table 1 in the field: Simmering(1)_pt2 Rys. 8. Widma pierwiastków występujących w punkcie 3 na rysunku 5; skład chemiczny w [%] przedstawiony jest w tabeli 1 w polu: Simmering(1)_pt3 Fig. 8. Spectra of elements occurring in location 2 according to Fig. 5; the chemical composition [%] shown in Table 1 in the field: Simmering(1)_pt3
A. Bejger, M. Pijanowski, P. Kochmański, W. Kostrzewa, W. Przetakiewicz, Analiza przyczyn uszkodzenia układu... 11 Rys. 9. Widma pierwiastków występujących w punkcie 4 na rysunku 5; skład chemiczny w [%] przedstawiony jest w tabeli 1 w polu: Simmering(1)_pt4 Fig. 9. Spectra of elements occurring in location 2 according to Fig. 5; the chemical composition [%] shown in Table 1 in the field: Simmering(1)_pt4 Tabela 1. Uszczelnienie pompy. Skład chemiczny w [%] Table 1. Pump seal. Chemical composition [%] Pole C O Na Mg Al Si S K Ca Ti Fe Zn Simmering(1)_pt1 7,25 43,72 0,88 3,97 6,61 18,78 0,63 12,27 0,46 5,43 Simmering(1)_pt2 74,39 7,38 2,56 0,73 3,12 0,17 5,21 Simmering(1)_pt3 26,43 45,38 9,33 0,26 11,67 1,94 Simmering(1)_pt4 62,44 19,05 2,31 0,16 3,23 1,69 3,29 Skład chemiczny uszkodzenia jest mocno zróżnicowany, np. w punkcie 1 dla węgla wynosi 7,25%, a w kolejnych: 74,39; 26,4 i 62,4%, czy też krzemu (Si) kolejno: 18,78; 3,12; 11,67 i 3,23%. Świadczy to o nierównomiernym składzie chemicznym i strukturalnym (rys. 10 11) badanej gumy. 2. ANALIZA MIKROSKOPOWA WYCINKA GUMY W MIEJSCU USZKODZENIA ZA POMOCĄ ELEKTRONOWEGO MIKROSKOPU SKANINGOWEGO W wyniku analizy przełomu, który jest przełomem kruchym (o czym świadczą obrazy przedstawione pod różnym powiększeniem rys. 10), stwierdzono w pobranej próbce duże ilości tlenków, np. tlenku glinu, kaolinu, oraz krzem (np. krzemionka, krzemian wapniowy rys. 11) o stopniu nasilenia przewyższającym 30% udziału objętościowego, czyli powyżej dopuszczalnego udziału procentowego w mieszance gumowej (według norm [7 10]). Przytoczone normy są powszechnie stosowane w tego typu badaniach, a wartości w nich podane nie odbiegają od wymagań przepisów towarzystw klasyfikacyjnych DNV GL [11].
12 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 96, grudzień 2016 Rys. 10. Widok przełomu próbki uszczelnienia w miejscu uszkodzenia, przedstawiający przełom kruchy wraz z występowaniem i grupowaniem np. tlenków glinu lub krzemu (SEM) Fig. 10. A view of seal fracture pattern at the damaged place showing brittle fracture with clusters of e.g alumina or silica (SEM) Simmering(2)_pt1 C 84,16 O 10,93 Mg 1,57 Al 0,32 Si 1,76 S 0,22 Ca 0,06 Zn 0,98 Rys. 11. Widok przełomu próbki z zaznaczonym miejscem mikroanalizy rentgenowskiej przedstawiający skład chemiczny (SEM) Fig.11. A view of fracture pattern of the selected place X-ray microanalysis showing the chemical composition (SEM)
A. Bejger, M. Pijanowski, P. Kochmański, W. Kostrzewa, W. Przetakiewicz, Analiza przyczyn uszkodzenia układu... 13 PODSUMOWANIE Pomimo zastosowania strategii obsługiwania według resursu stosunkowo niedawno wykonanego przeglądu i remontu klasowego silnika, obejmującego także stan rurociągów, zaworów, urządzeń i wyposażenia, doszło do poważnej awarii silnika głównego. Dokładna analiza materiałowa wykazała niewłaściwą jakość elementu uszczelniającego. Stosowanie tanich zamienników wydawałoby się nawet mało istotnych materiałów eksploatacyjnych doprowadziło do poważnej w skutkach awarii [1, 3, 4]. Z przeprowadzonej analizy wynika, że uszkodzenie w materiale przeznaczonym do badania ma charakter przełomu kruchego, co potwierdzają liczne obrazy (rys. 5, 10 11). Oznacza to, że uszkodzenie tworzywa nastąpiło nie na skutek zmęczenia materiału lub procesów starzenia (widoczny przełom byłby przełomem zmęczeniowym i odznaczałby się inną strukturą), lecz ze względu na wadę materiałową, spowodowaną najprawdopodobniej niewłaściwie dobranymi parametrami technologicznymi (zbyt niska lub wysoka temperatura sieciowania) oraz nierównomiernym składem chemicznym w całej objętości materiału. Nierównomierny skład chemiczny na badanym przełomie świadczy o niewłaściwie prowadzonym procesie wytwarzania gumy (złe wymieszanie mieszanki gumowej w procesie kalandrowania). LITERATURA 1. Bejger A., Piasecki T., Technical problems of mud pumps on ultra deepwater drilling rigs, Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin, 2013, no. 36(108), pp. 13 16. 2. Chybowski L., Gawdzińska K., Ślesicki O. et al., An engine room simulator as an educational tool for marine engineers relating to explosion and fire prevention of marine diesel engines, Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin, 2015, no. 43(115), pp. 15 21. 3. Gawdzińska K., Material and technological conditions of quality of metal composite castings, Wydawnictwo Archives of Foundry Engineering, Katowice Gliwice 2012. 4. Gawdzińska K., Quality features of metal matrix composite castings, Archives of Metallurgy and Materials, 2013, no. 58(3), pp. 659 662. 5. Lorenz J., Die Motorgüterschiffe der Deutschen Binnenreederei, Knoll Maritim, Berlin 2006. 6. Pascoe D.H., Marine Investigations, D.H. Pascoe & Co., Inc., 2005. 7. PN-71/C-94179, Łożyska ślizgowe. Tuleje gumowo-metalowe dla okrętownictwa. 8. PN-72/C-01603, Guma. Podstawowe półprodukty przemysłu gumowego. Nazwy i określenia. 9. PN-72-M-86964, Pierścienie gumowe uszczelniające wałków z metalową wkładką usztywniającą. 10. PN-C-94099:1975, Wyroby gumowe. Wytyczne przechowywania. 11. www.tidesmarine.com.au/docs/shaft_lip_seals.pdf (20.09.2016).
14 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 96, grudzień 2016 ANALYSIS OF CAUSES OF DAMAGE TO THE MAIN ENGINE PISTON-CRANK UNITS OF A SMALL VESSEL Summary The article presents an analysis of the causes of damage to the main diesel engine on small vessel. There was a seizure of co-working tribological nodes connected directly to the engine lubrication system. In the first step particles content in the lubricating oil, was analysed then the possible causes of failure were identified. In order to confirm the hypothesis the cause of failure material analysis was performed (in terms of quality requirements) of on selected seal. Keywords: damage analysis, seizure of the engine, engine lubrication system, infrared spectroscopy.