4. ŚRUBA NASTAWNA JAKO OBIEKT DIAGNOZOWANIA
4.5 Możliwości zapobiegania uszkodzeniom śrub nastawnych
Możliwości techniczne związane z ruchem statku, jakie stwarza zastosowanie śrub o skoku nastawnym do ich napędów, są wymierne, i przynoszą konkretne korzyści zarówno eksploatacyjne jak i ekonomiczne. Warunkiem osiągnięcia maksymalnie wysokiej efektywności napędowej statku jest utrzymanie zespołu śruby nastawnej w bardzo wysokiej sprawności technicznej i trwałości jej elementów, co przekłada się bezpośrednio również na bezpieczeństwo uprawianej żeglugi.
Aby osiągnąć ten cel, producenci śrub nastawnych wciąż gromadzą dane z zaistniałych awarii, doświadczenia związane z powstawaniem różnych stanów eksploatacyjnych.
Analizując te dane, wprowadzają oni ulepszenia w strukturze konstrukcyjnej śrub nastawnych, zwiększając tym samym ich niezawodność. Działanie takie byłoby znacznie efektywniejsze, gdyby przepływ informacji, dotyczących eksploatacji i nowych rozwiązań konstrukcyjnych SN pomiędzy armatorem a producentem, zawierał w sobie informacje z bazy danych utworzonej ze wszystkich eksploatowanych śrub nastawnych tego samego producenta, będących aktualnie w użytkowaniu. Przykładowy obieg informacji, proponowany przez autora, przedstawia rys. 4.13.
96
Rys. 4.13 Przykładowy diagram obiegu informacji eksploatacyjnych i serwisowych SN:
H – ograniczenia eksploatacyjne, Z – ograniczenia wynikające z kwalifikacji załogi.
M – nowe materiały stosowane do produkcji SN, UE – uwagi eksploatacyjne, IS – informacje serwisowe, IE – informacje eksploatacyjne, IA – informacje wynikające z analizy wykonanego serwisu, BI –_Biuletyny informacyjne, IPE – informacje o potrzebach eksploatacyjnych, IWE
– informacje o własnościach eksploatacyjnych SN, IMU – informacje o możliwościach użytkowych SN, IPO – informacje o potrzebach obsługowych SN, IMO – informacje możliwościach obsługowych SN, IMPO – informacje o potrzebach i możliwościach związanych z odnową SN, IMP – informacje o możliwościach produkcyjnych SN, IMR – informacje o możliwościach projektowych SN, IPW – informacje o potrzebach wytwarzania SN, IWE - informacje o własnościach eksploatacyjnych SN, IPS – informacje o potrzebach serwisowych, WP – wspomaganie projektowania (ulepszenia).
Aktualnie wszystkie informacje, wynikające z analizy zaistniałych awarii, czyli przejścia SN ze stanu pełnej zdatności (s1) do stanu zdatności częściowej (s2) lub niezdatności (s3), stanowią tajemnicę armatora oraz producenta. Na użytkowanie śruby nastawnej, zależnie od wymogów eksploatacyjnych armatora, wpływają ograniczenia eksploatacyjne (H) wynikające z uwarunkowań wewnętrznych i zewnętrznych, oraz rzetelność (BI) serwisowych biuletynów informacyjnych, które mogą i powinny być wsparte (IS) informacjami serwisowymi (których brak). Dlatego też na jakość użytkowania mają istotny wpływ (Z) kwalifikacje operatora śruby nastawnej, a brak przesyłu (IE) informacji eksploatacyjnych do producenta (serwisu) sprawia, iż nie można przeprowadzić należytej analizy stanu pracy, a tym samym wspomóc załogi statków w podejmowaniu racjonalnych i trafnych decyzji eksploatacyjnych.
W takiej sytuacji eksploatacja śrub nastawnych odbywa się w oparciu o przekazy wewnątrz armatorskie oraz własne bazy danych, tworzone bardziej lub mniej profesjonalnie, zależnie od umiejętności interpretacji przez załogę zauważonych zmian dotyczących stanów technicznych SN.
Działania te może wesprzeć tworzenie odpowiednich SD służących do identyfikacji stanu technicznego SN. Istniejące procedury użytkowania i nadzoru, wciąż niewystarczające do
Z IE
97 opracowania SD dla potrzeb eksploatacyjnych, nie chronią śrub nastawnych przed rozległymi uszkodzeniami, którymi są awarie ich mechanizmów. Taki stan wymusza prowadzenie dalszych badań zarówno w kierunku rozwiązań technicznych jak i doskonalenia systemów diagnozujących tego rodzaju pędników. Powodem takich działań producentów śrub o skoku nastawnym są wielopłaszczyznowe wymuszenia. Z jednej strony coraz większe moce instalowanych silników głównych, a więc i większe obciążenia przenoszone na płaty śruby, z drugiej zaś daleko posunięta komercjalizacja w przemyśle okrętowym i przewozach morskich (manewry bez holowników, dopasowanie pracy zespołu napędowego niemalże do każdych warunków pływania).
Aby skutecznie zapobiegać uszkodzeniom śrub nastawnych, należy zbudować dla nich systemy diagnozujące adekwatne do aktualnych potrzeb eksploatacyjnych. Wymaga to opracowania odpowiedniego modelu diagnostycznego SN przysposobionego do realizacji tych potrzeb. Wobec tego konieczną jest analiza zaistniałych uszkodzeń śrub nastawnych, jak i możliwości zapobiegania tym uszkodzeniom. Opisane uszkodzenia miały miejsce w różnych warunkach eksploatacyjnych i przy odmiennych możliwościach diagnostycznych, dlatego też różne były konsekwencje ich występowania. Na rys. 4.2 pokazano różne podsystemy śruby nastawnej, które ulegają uszkodzeniom podczas sterowania i przekazania mocy na płaty pędnika. Wynikają one z dominujących procesów fizycznych i chemicznych zachodzących podczas przenoszenia energii. Stanowią je naprężenia, relatywnie wysokie ciśnienia, agresywne środowisko wody zaburtowej, niezmienne wartości ciśnień mediów roboczych, dokładna stabilizacja wartości prądowych.
W poszczególnych podsystemach dominują następujące procesy:
podsystem oleju roboczego – olej jest nośnikiem energii statycznej ciśnienia, smaruje i uszczelnia jednocześnie współpracujące elementy tego układu, ponadto pełni funkcje myjące i chłodzące w podsystemie, z tego też powodu stawiane są mu wysokie wymagania względem właściwości fizycznej i chemicznej stabilności struktury oraz czystości,
podsystem powietrza sterującego – powietrze jest nośnikiem wartości zadanej i z tego też powodu wymaga się od tego medium czystości, suchości i odpowiedniego naolejenia, wynika to z delikatnej i precyzyjnej budowy elementów automatyki pneumatycznej oraz wymagane jest, aby zadane wartości ciśnień były stałe pomiędzy kolejnymi przesterowaniami,
podsystem bezpieczeństwa – są to elektroniczne układy kontroli przeciążeń SG i śrub nastawnych, zgodności zadanych nastaw z nastawami osiąganymi przez SN, rejestracji wartości parametrów mediów roboczych, dlatego też każde przepięcie może spowodować uszkodzenie tego podsystemu, ponadto w niektórych rozwiązaniach zastosowane przekaźniki zadawania i kontroli skoku śruby pracują przy bardzo niskich wartościach napięcia (w zakresie +/– 12 V).
Analiza zaistniałych uszkodzeń, uznanych za awarie daje podstawy do wyciągnięcia wniosków, że część z nich można było uniknąć. Przyczyny tych uszkodzeń SN można podzielić na kilka kategorii, które można wyróżnić w fazie eksploatacji:
obsługiwania, które zawierają zaniechania w zakresie wykonywania czynności zgodnie z instrukcją producenta,
- brak kontroli jakości powietrza sterującego (zawodnienie, wartości ciśnień, regulacja i stan pracy reduktorów),
- brak kontroli oleju roboczego (zawodnienie, czystość, temperatura, poziomy w zbiornikach głównych, nieodpowiednie oleje, stałość ciśnień po osiągnięciu przez śrubę zadanego skoku),
98 - przedłużanie czasu pomiędzy poszczególnymi obsługami okresowymi i głównymi, - używanie niepełnosprawnych / nieoryginalnych części zamiennych,
- niewłaściwe nastawy (przeciążenia płatów, obciążenia elementów poddanych wysokim ciśnieniom oleju roboczego, niewłaściwa regulacja sprzężenia zwrotnego, źle ustawione poziomy alarmowe i zwłoki czasowe przełączeń).
użytkowania wynikające z:
- błędów wynikających z wad konstrukcyjnych,
- ukrytych wad materiałowych (brak jednorodności struktury materiału w odlewanych płatach śruby, zła obróbka chemiczna, termiczna użytych materiałów na elementy wysoko obciążone),
- pojawienia się warunków ruchu statku nieodpowiednich do zaprojektowanych kształtów płatów śruby (praca w zakresie działania kawitacji),
- nieprawidłowego montażu (użycie nieodpowiednich śrub, uszczelnień, niewłaściwe momenty dociągowe śrub, niezachowanie tolerancji spasowań współpracujących elementów nośnych i uszczelniających),
- źle dobranych elementów podzespołów współpracujących (złe filtry oleju roboczego, brak osuszaczy i naolejaczy oraz międzystopniowych reduktorów powietrza sterującego, źle dobrane chłodnice oleju) .
Uszkodzenia śrub o skoku nastawnym wynikają z wielu uwarunkowań, jak np.
błędów ludzkich jak i materiałowo konstrukcyjnych. Ponieważ uszkodzenia te związane są z wysokimi kosztami, jakie będzie ponosił armator, a priorytetem pracy śrub nastawnych jest ich bezawaryjność i trwałość, koniecznym jest podjęcie odpowiednich działań w celu uniknięcia tych awarii lub co najmniej ograniczenia ich występowania. Działania te powinny być prowadzone dwutorowo, a mianowicie konstruowanie i wytwarzanie SN przy zastosowaniu materiałów o odpowiednich wymaganiach dla środowiska pracy oraz działania armatorskie zapewniające szkolenie załóg i stosowanie nowoczesnych systemów zarządzania jakością (ISO). W pierwszym wypadku armatorzy mogą odstąpić od zakupienia zespołów śrub nastawnych, które są obarczone w dużym stopni awaryjnością, w drugim natomiast uporządkować rzeczywistość eksploatacyjną (aby obniżyć koszty eksploatacyjne wynikające z awarii wskutek podejmowania błędnej decyzji eksploatacyjnej przez operatora SN). W obecnej sytuacji eksploatacyjnej potrzebne są działania armatora polegające na szkoleniu załóg, zakupie oryginalnych części zamiennych oraz przestrzeganiu terminów obsługowych.
W zakresie działań dotyczących konstruowania i wytwarzania zawierają się:
doskonalenie konstrukcji zespołów śrub nastawnych,
stosowanie coraz nowocześniejszych technologii materiałowych,
dokładność montażu i prawidłowe pierwsze uruchamianie systemów obsługowych.
W zakresie działań armatorskich zawierają się:
stosowanie oryginalnych lub polecanych przez producenta SN części wymiennych,
obsługa i dokładność prowadzonych remontów zgodnie z obowiązującą Dokumentacją Techniczno Ruchową (DTR),
doskonalenie kwalifikacji załóg, szkolenia w zakresie obsługi systemów diagnostycznych oraz staranny dobór kadr oficerskich.
W zakresie działań profilaktycznych i udoskonalających systemy eksploatacyjne SN zawierają się:
zastosowanie diagnostyki dla potrzeb eksploatacji tych urządzeń w szerszym zakresie niż to jest aktualnie stosowane,
ciągły monitoring zachodzących procesów w celu tworzenia bazy danych, które będą użyte do doskonalenia systemu diagnostycznego oraz do analizy i genezy występujących uszkodzeń,
99
zastosowanie nowoczesnych metod diagnozowania SN, które zawierają metody wibroakustyczne, sztuczne sieci neuronowe, poprzez trwały montaż przetworników diagnostycznych (piezoelektrycznych, tensometrycznych, drganiowych), wykonywanie otworów tam, gdzie to jest możliwe, w celu możliwości wprowadzenia sond przy zastosowaniu endoskopii,
wprowadzenie w systemy diagnostyczne jednoznacznych wskaźników stanu wykonania zadania (np. poprzez pomiar wartości ciśnienia oleju roboczego i czasu wykonania zadanego skoku, aby uzyskać konkretną wartość liczbową).
Przedstawione propozycje zawierają szeroki zakres działań, lecz są one niezbędne w procesie trwałego i bezpiecznego użytkowania śrub, a po zestawieniu kosztów inwestycyjnych i kosztów strat wynikających z zaistniałych awarii, umożliwiają ustalenie właściwego kierunek działań.
4.6 Uwagi i wnioski
Dla potrzeb tworzenia racjonalnego modelu diagnostycznego śruby nastawnej konieczne jest przeprowadzenie identyfikacji warunków eksploatacji i zmian stanu technicznego tej śruby jako systemu diagnozowanego (SDN) oraz określenie jej własności techniczno – eksploatacyjne, które są istotne w procesie tworzenia tego modelu. Opracowany dla potrzeb decyzyjnych w fazie eksploatacji SN system diagnostyczny (SD) powinien składać się z systemu diagnozowanego SDN (śruby nastawnej) przysposobionego do diagnozowania zgodnie z uzyskanymi wynikami identyfikacji już w fazie projektowania oraz niezbędnego do identyfikacji jego stanu technicznego systemu diagnozującego (SDG). Poprzez określenie wpływu obciążenia na szybkość i stopień zużycia możliwe jest obliczenie prawdopodobieństwa osiągania wartości granicznych parametrów wskazujących na pojawienie się uszkodzenia śruby nastawnej. Istotne jest, przy tworzeniu modelu diagnostycznego dociekanie genezy wystąpienia awarii, które ułatwi działanie mające na celu podejmowanie takich decyzji, które umożliwią zapobieganie wystąpienia uszkodzenia śruby nastawnej lub w znacznym stopniu ograniczą konsekwencje tych uszkodzeń. Działania takie polegają na identyfikacji stanów technicznych śruby nastawnej, w oparciu o które można określić stany eksploatacyjne, a tym samym racjonalnie sterować procesem eksploatacji tej śruby i w konsekwencji także i statku.
W następnym rozdziale wyodrębniono stany techniczne śruby nastawnej jednoznacznie określające zdolność tej śruby do wykonania zadań eksploatacyjnych, do których została ona przysposobiona w fazie projektowania i wytwarzania.
100