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 jedno-stek pływających. Wystąpiło zatarcie współpracujących roboczych węzłów tribologicznych, zwią-zanych 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,
spektro-skopia w podczerwieni.
WSTĘP
Łożyska główne silnika spalinowego obciążone są siłami masowymi i gazo-wymi 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 jedno-stkowe 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 hydrau-liczną układu zasilania paliwem. Zaobserwowano, że na połączeniu pompy wtrys-kowej 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 „rozcień-czeniem” oleju smarnego paliwem), a tym samym właściwości smarnych, spowo-dowała w efekcie zatarcie układu tłokowo-korbowego silnika.
Dalszej analizie podlegało określenie przyczyny zużycia elementu uszczel-niającego. 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 eks-ploatację samego silnika.
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 przeprowadzo-nych wstępprzeprowadzo-nych badań makroskopowych, polegających na obserwacji przedmiotu nieuzbrojonym okiem lub przy powiększeniu około 30 razy, wynika, że uszko-dzenie uszczelnienia pompy zasilającej nie jest spowodowane procesami zmęcze-niowymi 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 przy-stawką 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 napeł-niaczy 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 rentgenow-skiej, co przedstawiono na rysunku 6 i w tabeli 1.
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
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
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), stwier-dzono w pobranej próbce duże ilości tlenków, np. tlenku glinu, kaolinu, oraz krzem (np. krzemionka, krzemian wapniowy – rys. 11) o stopniu nasilenia przewyższają-cym 30% udziału objętościowego, czyli powyżej dopuszczalnego udziału procen-towego 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)
C O Mg Al Si S Ca Zn
Simmering(2)_pt1 84,16 10,93 1,57 0,32 1,76 0,22 0,06 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
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 ele-mentu 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.
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.
