Repository - Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin - The using of thermal method...

(1)

Maritime University of Szczecin

Akademia Morska w Szczecinie

2013, 35(107) pp. 76–85 2013, 35(107) s. 76–85

ISSN 1733-8670

Использование тепловых методов в диагностике

энергетического оборудования рыболовных судов

The using of thermal method in diagnostic of marine plant

operation of fishing fleet vessel

Oleh Klyus

1

_{, Cezary Behrendt}

1

_{, Przemysław Rajewski}

1

_{, Marcin Szczepanek}

1

Oleg Bezyukov

2

_{, Aleksandr Kordakov}

2

1_{Maritime University of Szczecin}

70-500 Szczecin, ul. Wały Chrobrego 1–2, e-mail: olegklus@o2.pl

2_{Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping}

198035 St-Petersburg, Russia, ul. Dvinskaja 5/7, e-mail: okb-nayka@yandex.ru Ключевые слова: дизель, диагностика, термовизия

Резюме

В статье представлены методы неразрушающего контроля, а так же результаты использования термовизионных средств в диагностике энергетического оборудования судовых энергетических установках рыболовного флота.

Key words: diagnostic, thermal method, maritime power plant operation Abstract

The article presented non destruction method and results of using thermal method in diagnostic of marine plant operation of fishing fleet vessel.

Введение В тепловых методах неразрушающего кон-троля используется тепловая энергия, распрос-траняющаяся в объекте контроля. Темпера-турные поля поверхности элементов судового энергетического оборудования (СЭО) является источником информации об особенностях процесса теплопередачи. Известно, что теплообмен в системах СЭО зависит от наличия внутренних или наружных дефектов (скрытых раковин, полостей, трещин, износа узлов трения и т.д.), всевозможных отклонений физических свойств исследуемого объекта от нормы, наличия мест локального перегрева (переохлаждения) и т.п. Предпола-гается, что распределение температуры на поверхности объекта контроля характеризует его общее техническое состояние и является показателем наличия или отсутствия каких либо дефектов в данном объекте. Первоочередная за-дача теплового диагностирования СЭО состоит в определении факта наличия дефектов, распо-ложение их в объекте контроля и оценка общего технического состояния элементов СЭО. Средства контроля и диагностирования теплового состояния СЭО В качестве средств контроля, за тепловым состоянием элементов СЭО, выбраны наиболее современные и эффективные приборы и матер-иалы. К их числу относятся: тепловизоры, пиро-метры, контактные термометры и термоинди-каторные краски. Тепловизор (тепловизионный измерительный прибор) – оптикоэлектронный прибор, предназ-наченный для бесконтактного (дистанционного)

(2)

наблюдения, измерения и регистрации про-странственного / пространственно-временного распределения радиационной температуры объектов, находящихся в поле зрения прибора путем формирования временной последователь-ности термограмм и определения температуры поверхности объекта по известным коэффи-циентам излучения и параметрам съемки (температура окружающей среды, пропускание атмосферы, дистанция наблюдения и т.п.) [1, 2]. При выборе тепловизора необходимо учиты-вать важные характеристики аппарата, опре-деляющие технический уровень: температурное разрешение, размер изображения, скорость фор-мирования изображения, спектральный диапа-зон, диапазон измеряемых температур, автоком-пенсацию воздействия внешних факторов и др. Вследствие ограниченного пространства маши-нных помещений важным параметром является поле зрения тепловизора, описывающее разме-ры пространства при съемке объекта и размер чувствительного детектора (матрицы), способ-ного обеспечить высокую плотность считывания информации в фокальной плоскости. Для исследования тепловых полей в машин-ных помещениях был использован тепловизор TESTO 881 (Германия) (рис. 1). Тепловизор TESTO 881 снабжен программным обеспе-чением, необходимым для хранения и анализа инфракрасных изображений и для создания профессиональных отчетов. Программное обес-печение тепловизора: позволяет настраивать и изменять основные параметры сохраненного изображения (компенсацию отраженного тепла, цветовую палитру и т.д.); повышает удобство и достоверность тепловизионного обследова-ния; избавляет от необходимости повторного сканирования оборудования. Рис. 1. Тепловизор TESTO 881 (Германия) Пирометр – прибор для бесконтактного измерения температуры поверхности тел. Прин-цип его действия основан на измерении мощно-сти теплового излучения объекта в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света. При выборе пирометра необходимо учиты-вать технические характеристики аппарата, определяющие его технический уровень и со-ответствие поставленной задачи. Для измерения температуры поверхности элементов оборудо-вания в машинных помещениях был исполь-зован пирометр Raynger MX4 Plus (Германия) (рис. 2). Рис. 2. Пирометр Raynger MX4 Plus (Германия) С помощью программного обеспечения Data-Temp MX Raynger МХ 4 может использоваться для непрерывного измерения, отображения в графическом виде и записи температурных данных в режиме реального времени. Для исследования динамики изменения теплового состояния остова судового дизеля в процессе запуска, прогрева и при изменении режимов работы, создания соответствующих термограмм проводятся одновременные замеры температуры в целом ряде характерных точках остова. Такие измерения предлагается прово-дить с помощью термометров с контактными датчиками, оснащенными терморегистрирую-щими устройствами, например семейства iBut-ton Data Loggers (далее сокращенно iBDL) (рис. 3) серийно выпускаемые американской компанией Dallas Semiconductor. Указанные регистраторы являются полностью автоном-ными устройствами, имеющими в составе своей конструкции собственный источник энергии, микропроцессорное устройство управления, большой объем энергонезависимой памяти для хранения накапливаемых данных, узел часов реального времени. Применение iBDL исключает необходимость прокладки проводных каналов связи, дает воз-можность устанавливать датчики и считывать информацию в труднодоступных местах остова дизелей и другого судового оборудования.

(3)

Рис. 3. Термограф DS1922Т-F5 В качестве чувствительного элемента контак-тных датчиков в устройствах iBDL-RH (рис. 4) используются прецизионные платиновые термо-резисторы типа HEL-707 от Honeywell, обеспе-чивающие регистрацию температуры в диапа-зоне от –75 до +500°С. Рис. 4. Устройство iBDL-RH Погрешность измерений при температуре окружающего воздуха от +5 до +45°С соста-вляет ±1,8°С [3]. Накопленные самописцем результаты изме-рений обрабатываются и документируются с помощью специальной программы обработки данных, свободно доступных макросов генера-тора отчета iBDL_Pr или генерагенера-тора графиков iBDL_MG для программы MS Excel [3]. Для наблюдения за тепловым режимом внутренних и внешних поверхностей судового энергетического оборудования, теплового сос-тояние трубопроводов, металлических конс-трукций и переборок машинных помещений, применены термоиндикаторные краски. Термо-индикаторные краски могут быть нанесены практически на любую вогнутую или выпуклую поверхность. Метод измерения температуры с помощью термоиндикаторных красок отличается просто-той, экономичностью, малой трудоемкостью, возможностью оперативного получения доста-точно полной информации о тепловом режиме конструкций, агрегатов и узлов в широком диапазоне температур. Перечисленные средства измерения тепло-вых полей позволяют своевременно обнаружить возникновение неполадок в работе оборудо-вания, выявить аномальные зоны с повышенной температурой, предотвратить развитие дефек-тов, аварийных ситуаций и пожарной опасности на судне. Указанные приборы могут быть рекомен-дованы экипажам судов для проведения посто-янного и периодического теплотехнического контроля СЭО. Стендовые испытания дизелей Объект: четырёхтактный дизель 4Ч8,5/11 с вихрекамерным смесеобразованием В начале исследований была проведена общая тепловизионная съемка остова дизеля при работе с номинальной нагрузкой 100%. В результате измерений установлено, что максимальные температуры основных деталей остова и навешенных агрегатов имеют следу-ющие значения: • масляный поддон – 82°С; • картер – 86°С; • блок цилиндров – 96°С; • головка блока цилиндров – 132°С; • клапанная крышки – 83°C; • топливный насос высокого давления – 62°С; • форсунки – 86°С; • воздушный коллектор – 48°С; • выпускной коллектор – 319°С; • топливный фильтр – 61°С; • масляный фильтр – 58°С; • насос системы жидкостного охлаждения – 88°С; • масляный насос – 80°С. При этом температуры охлаждающей жид-кости и моторного масла, по показаниям штатных приборов, составляли соответственно 88°С и 76°С. При проведении исследований был обнару-жен ряд отклонений температуры дизеля от общего температурного фона его поверхностей. Так, на торце корпуса дизеля со стороны 1 цилиндра, в месте стыка головки и блока цилиндров зафиксировано локальное повыше-ние температуры (рис. 5). На участке протяжен-ностью 80 мм по горизонтали и 30 мм по вертикали температура поверхности возрастала от 105,5°С до 126,8°С. Температурный градиент при этом составил на каждые 10 мм 2,7°С по горизонтали и 7,1°С по вертикали, в то время как у остальных поверхностей он не превышает 0,5° С во всех направлениях.

(4)

a) б) Рис. 5. Изображение торца судового дизеля 4Ч8,5/11 со стороны 1 цилиндра; а) тепловое изображение; б) фото-изображение Рис. 6. Распределение температуры по профильной линии Р (рис. 5а) Термопрофилограмма, построенная по верти-кальной профильной линии Р (рис. 5а) и приве-денная на рис. 6, наглядно показывает увели-чение температуры в районе газового стыка, что указывает на возможный дефект прокладки, установленной в месте стыка головки и блока цилиндров. При обследовании теплового состояния сис-темы топливоподачи, при помощи пирометра обнаружено, что корпус форсунки 4 цилиндра имеет температуру ниже на 10ºС по сравнению с остальными (таблица 1) (рис. 7). Таблица 1. Значения температур наружных корпусов фор-сунок Номер форсунки Температура, °С Коэффициент излучения RAYNGER МХ 4 TESTO 881 М 1 83 82 0,93 М 2 86 86 0,93 М 3 81 80 0,93 М 4 72 71 0,93 a) б) Рис. 7. Изображение форсунок судового дизеля 4Ч8,5/11; а) тепловое изображение, б) фотоизображение По-видимому, отклонение температуры фор-сунки связано с нарушением рабочего процесса в 4 цилиндре двигателя, например, худшим распыливанием, а следовательно снижением максимальной температуры цикла и увели-чением продолжительности догорания топлива. При обследовании теплового состояния сис-темы отвода отработавших газов дизеля выявле-но авыявле-номальвыявле-ное распределение температур по поверхности выхлопного коллектора (рис. 8). По термопрофилограмме, построенной по профильной линии Р (рис. 8а) видно, что температура отработавших газов на выходе 1 и 3 цилиндров на 120÷140ºС ниже, чем на выходе 2 и 4 цилиндров (рис. 9). Минимум: 105,5°C Максимум: 126,8°C Среднее значение: 114,3°C 128 124 120 116 112 108 104 °C

(5)

а) б) Рис. 8. Изображение судового дизеля 4Ч8,5/11 со стороны коллектора отработавших газов; а) тепловое изображение; б) фотоизображение Возможными причинами уменьшения темпе-ратуры отработавших газов, а следовательно, и температуры выхлопных коллекторов, могут быть нарушения в работе механизма газорас-пределения, прежде всего, неплотное приле-гание посадочных поясков нижних тарелок клапанов к соответствующим поверхностям седел [4]. Для исследования динамики изменения теплового состояния остова дизеля были ис-пользованы терморегистраторы iBDL DS1922T-F5 (рис. 10). Нумерация контрольных точек и место уста-новки терморегистраторов приведены в таб. 2. Для сравнения динамики изменения тепло-вого состояния остова дизеля, в зависимости от режимов работы дизеля, были проведены заме-ры температузаме-ры отработавших газов в выхлоп-ном коллекторе в районе 1 цилиндра (рис. 11). Замеры проведены с помощью электронного самописца iBDL-RH с выносным зондом, прецизионным платиновым терморезистором типа HEL-707. Начало измерения температуры соответство-вало времени запуска дизеля, регистрация значений температуры проводилась один раз в минуту каждым датчиком одновременно. Применение устройств iBDL позволяет про-следить тепловое состояние двигателя во время полного цикла его работы, температурное распределение по площади остова и других его элементов, что дает возможность рассчитать максимальные значения градиентов температур по интересующим направлением и их периодич-ность. В качестве примера, на рисунке 12 приведен график изменения температуры отработавших газов, температуры в контрольных точках 7 и 8 и градиентов температур между ними (рис. 10), в зависимости от режима работы дизеля. Где: Тг – температура отработавших газов; Тд – температура в контрольных точках; К – градиент температур между контрольными точками 7 и 8. , ºС /мм где: h – расстояние между точками 7 и 8 (рис. 10). Рис. 9. Распределение температуры по профильной линии Р (рис. 8а) 1ц 2ц 3ц 4ц Минимум: 39,4°C Максимум: 312,7°C Среднее значение: 124,4°C 8 7 Д Д T Т K h  

(6)

Место установки HEL-707 Рис. 11. Дизель 4Ч8,5/11. Устройство iBDL-RH в комплекте с терморезистором HEL-707. Место замеров отработавших газов iBDL DS1922T-F5 h 7 8 Рис. 10. Дизель 4Ч8,5/11. Установка датчиков DS1922T-F5; h = 6,5 см – расстояние между датчиками №7 и №8 Таблица 2. Нумерация контрольных точек и место установки датчиков DS1922T-F5 № контрольной точки Месторасположения термографов 1 корпус форсунки 1 цилиндра 2 корпус форсунки 2 цилиндра 3 корпус форсунки 3 цилиндра 4 корпус форсунки 4 цилиндра 5 клапанная крышка головки блока на торце со стороны 4 цилиндра 7 клапанная крышка головки блока между 3 и 4 цилиндрами 0 клапанная крышка головки блока между 1 и 2 цилиндрами 10 клапанная крышка головки блока на торце со стороны 1 цилиндра 6 головка блока со стороны 4 цилиндра 8 головка блока между 3 и 4 цилиндрами 11 головка блока между 1 и 2 цилиндрами 12 головка блока со стороны 1 цилиндра

(7)

По графику видно, что наибольшее тепло-напряженное состояние дизель испытывает при работе по нагрузочной характеристике, при максимальной нагрузке, К ≈ 7,5ºС /мм. Объект: Дизель-генераторный агрегат ДГА-300-В-А1 (рис. 13) Рис. 13. Дизель-генераторный агрегат ДГА-300-В-А1 Генератор: производитель –Newage Stamford (Англия), модель – PWD 410 I. Двигатель: производитель – DEUTZ AG (Германия),модель – Deutz BF8M1015CG1. Данный дизель-генераторный агрегат в экс-плуатации не был. Исследования проводились в замкнутом пространстве со следующими параметрами окружающей среды:  ср. температура окружающего воздуха 20ºС;  влажность 69,3%;  ск. движения воздуха 0,2 м/с;  точка росы 10,8ºС. При тепловизионной съемке была зафикси-рована повышенная температура в районе картера со стороны правой головки блока, максимум которой составил 114,4ºС, при 100% номинальной нагрузки (рис. 14). На выходе правого коллектора отработавших газов, в районе сварного шва, обнаружено локальное повышение температуры (рис. 15). Максимальная температура на поверхности, при 100% номинальной нагрузки, составила 287,5ºС. Одной из возможных причин может выть конструктивная недоработка, присутствие в вы-хлопном тракте внезапного сужения (расшире-ния) вызывающего нарушение гидродинамичес-ких характеристик газового потока, увеличение местного сопротивления. 50 100 200 300 Тг°С 20 40 60 80 100 120 Тд°С К °С/см 0 -4 0 +4 +8 Продолжительность испытаний, мин запуск по нагрузочной, % по винтовой, об/мин 100 75 50 25 0 940 1190 1360 1500 остановка Рис. 12. Дизель 4Ч8,5/11. Тепловой режим в контрольных точка 7 и 8; ___ТГ, ___ТД7, ___ТД8, ___К ТГ ТД7 ТД8 К

(8)

Рис. 14. Двигатель Deutz BF8M1015CG1. Картер со сторо-ны правой головки блока а) б) Рис. 15. Двигатель Deutz BF8M1015CG1. Выход правого коллектора отработавших газов, а) термограмма; б) фото-изображение Эксплуатационные испытания. Диагностирование теплоизоляции трубопроводов отработавших газов Объекты: 1. Судно, проект № 1439, Лоцманский бот, 1987 г., Улан-Уде. Главный двигатель: 3Д6 С2-011 (6ЧСП 15/18), 2006 г. выпуска, 150 л.с. (110,3 кВт), 1500 об/мин., нараб. 10600 ч. 2. Судно, проект №892, 1973 г., Чкаловск. Главные двигатели: Левый: 6ЧН 25/34, 1984 год выпуска, 460 л.с. (338 кВт), 500 об/мин., наработка 45414 ч. Правый: 6ЧН 25/34-8, 1984 г. выпуска, 470 л.с. (345 кВт), 500 об/мин, наработка 29963 ч. При термографировании машинных помеще-ний объектов обследования были обнаружены предельно допустимые температуры на повер-хности трубопроводов отработавших газов (рис. 16, 17, 18), не соответствующие требованиям Регистра и положениям санитарных правил и норм [3]. Предполагается, что теплоизоляция потеряла свои теплоизолирующие свойства и требует замены. В машинном отделении судна, на стыке соединения выпускного трубопровода и искро-гасителя, теплоизоляция отсутствует (рис. 15). Рис. 16. Машинное отделение судна. Трубопровод отрабо-тавших газов. Максимальная температура на поверхности теплоизоляции составила 242,3ºС

(9)

Рис. 17. Машинное отделение судна. Трубопровод отрабо-тавших газов. Максимальная температура на поверхности теплоизоляции в районе фланцевого соединения составила 190,4ºС Рис. 18. Машинное отделение судна. Трубопровод отрабо-тавших газов. Максимальная температура на стыке соеди-нения трубопровода и искрогасителя составила 229,2ºС Как указывалось выше, применение термо-индикаторных красок, имеющих индивидуаль-ную температуру перехода (значение темпера-туры при которой меняется цвет краски), является наиболее дешевым и доступным способом контроля теплового состояния элементов СЭУ во время эксплуатации судна. Для наглядного подтверждения эффектив-ности применения термокрасок было сымитиро-вано разрушение теплоизоляции трубопровода, на внешнее покрытие которой (стеклоткань), в месте разрушения, нанесена краска. При достижении температуры перехода (в данном случае 140–160ºС) цвет краски в области разрушения изменился (рис. 19). Рис. 19. Отрезок трубопровода покрытого стеклотканью с наличием скрытого нарушения теплоизоляции Выводы Таким образом, с помощью предложенных средств измерения возможен оперативный контроль температурного состояния деталей остова и других элементов судового дизеля, что позволит оптимизировать его теплонапряжен-ное состояние, уменьшит вероятность образо-вание трещин в наиболее дорогих и трудоемких в ремонте элементах (крышках, втулках, блоке цилиндров, анкерных связях и шпильках), во всем диапазоне эксплуатационных режимов. Эти приборы позволят:  установить общее тепловое изображение машинного отделения, создаваемого за счет собственного теплового излучения наход-ящихся в них судовых дизелей и другого оборудования за счет излучательной способ-ности их наружных поверхностей;  быстро оценить тепловое состояние судового теплоэнергетического оборудования и вли-яние его на пожарную безопасность в ма-шинных помещениях;  выявить присутствующие дефекты, прог-нозировать отказы, предаварийные ситуации

(10)

на судне для своевременного принятия соответствующих мер по их устранению. Также, с помощью предложенных приборов и термоиндикаторных красок можно достоверно оценить техническое состояние теплоизолиро-ванной поверхности судовых трубопроводов системы отвода отработавших газов и качество их теплоизоляции, что позволит вовремя устранить пожарную опасность во время плавания судна. Необходимо отметить, что для возможности оценки технического состояния судовых энерге-тических установок, определения значений температур и общего контроля теплового режима, необходимо предусмотреть создание базовых (исходных) термограмм и фотокарт теплового изображения элементов оборудо-вания и конструкций в машинных помещениях в начальный период эксплуатации судна, при его достоверно исправном техническом состо-янии, с последующей проверкой и корректиров-кой после проведения ремонтных и регулиро-вочных работ. Так же важным направлением в диагности-ровании тепловых полей является создание банка данных инфракрасных изображений судо-вого энергетического оборудования, имеющего дефекты и отказы, в том числе и зафиксиро-ванные другими инструментальными методами. Литература 1. БЕЗЮКОВ О.К.,КАРДАКОВ А.А.: Средства для контроля теплового состояния деталей остова судовых дизелей. Журнал университета водных коммуникаций, 2, 2009, 83–90.

2. RAJEWSKI P.,BEHRENDT C.,KLYUS O.: Clean Shipping For Small Fishing Boat On Baltic Sea. Technicka Diagnostika, z. 1, rocnik XXII, 2013, 35p. 3. БЕЗЮКОВ О.К., КАРДАКОВ А.А., ШАРШАВИН С.В.: Диагностирование технического состояния судовых дизелей по инфракрасному излучению их наружных поверхностей. Журнал университета водных коммуникаций, 3(7), 2010, 160–164. 4. КАРДАКОВ А.А.: Применение терморегистраторов для контроля теплового состояния судовых дизелей. Журнал университета водных коммуникаций, 3(7), 2010, 165–170.

Operacja współfinansowana przez Unię Europejską ze środków finansowych Europej-skiego Funduszu Rybackiego zapewniającą inwestycje w zrównoważone rybołówstwo

The papers are financed by the Project namely “Eenergy audit performance for fishing vessels' groups in order to prepare operation management system in an environmental friendly manner” under Operational Programme “Sustainable Develop-ment of the Fisheries Sector and Coastal Fishing Areas 2007–2013”, financed by the European Fisheries Fund.