Drift optimering. af lavt lastede diesel generatorer

Transkript

1 Drift optimering af lavt lastede diesel generatorer Bachelorprojekt af Daniel Dølrath Toft ved Aarhus Maskinmesterskole December 2014

2 Titelblad Art Bachelorrapport Forfatter Daniel Dølrath Toft, A11566 Emne Lav-lastet, diesel generatorer Afleveringstidspunkt kl Afleveret Den /2014 Uddannelse Maskinmester uddannelsen / AAMS Vejleder Flemming Hauge Pedersen Antal normal sider 26 Antal bilag 20 Forside Bilag, Figur 10 I alt 48 Underskrift: Daniel Dølrath Toft

3 Abstract This is a project about diesel engines, sold by Wärtsilä. The engines are sold to the costumer Maersk. These engines are sold to run as generator sets on different oilrigs, and there is two different oilrigs, semi-submersible and jack ups. On the semi-submersible oilrigs, it is a sixteen cylinder V-engine and on the jack ups, it is a eight cylinder line engine. The engines are running as planned but the crew on the rigs started to notice problems about the engines, not running properly. Beside of that the engines creates a lot of soot and smoke. The crew also discovers abnormal wear in the engines, so Maersk takes contact to Wärtsilä, and claims that there is a problem with the engines. After corresponding with Maersk, Wärsilä discovers that the engines are not used in a proper way. These engines are designed to run in a load area of about 85%, but because of Maersk s very high safety requirements at sea, the engines are never loaded to more than about 10-15%. The safety requirements onboard demand that no matter how small a load there is put on the generator sets, there shall always be a large number of generators running to prevent a black out situation, therefore the generators never get highly loaded. This project essential purpose is to systematically gain an outline of the problems created by the way the engines is used, by analyzing on the service reports from the engines and the definition low load. The analysis of the engines shows that there is a significant relationship, between the low load and the problems in the motors. Main bearings are being worn out before scheduled, the lubrication oil gets contaminated and can t lubricate the motor properly, and a lot of soot deposits in the combustion chamber.

4 Indholdsfortegnelse Titelblad... Abstract... Nomenklatur Bachelor projekt hos Wärtsilä Denmark A/S Indledning Formålet Emnet Problematikken Belysning af problemet Problemformulering Afgrænsning Metode Lav last Dokumentering af slitage ved lav last Forbrænding Smøreolie Archard s lov om slid Analyse af tilstandsrapporter Topstykker & Ventiler Stempler og stempelringe Flammering og Cylinderforing Krumtapsakslen Plejlstangs lejeskåle (krumtaps ende) Turboladere Forslag til optimering VIC Variable Inlet valve Closure Olie analyser Turboladere Konklusion Perspektivering Litteraturliste Links Bilag:... 43

5

6 Nomenklatur Semi Submersible En flydende boreplatform, monteret med pontoner. Jack-up En borerig der står på havbunden, på stolper Thruster 360 grader roterbare propeller, som har til formål at holde positionen på boreriggen. PM Power Management System TDC Top Dead Center Cam-effekt En betegnelse af sliddet på en krumtapsaksel. Navnet cam fordi der tages udgangspunkt i en knast aksel, som der bekendt er monteret med knaster. Krumtapsakslen får en bulet og ujævn overflade. Side 1 of 43

7 1. Bachelor projekt hos Wärtsilä Denmark A/S Omhandlende Wärsilä 8L26 og 16W26 motorer. 1.1 Indledning Denne opgave tager form hos Wärtsilä i Nørresundby, der er en større virksomhed med tre afdelinger bare i Danmark. Wärtsilä sælger motorer til en bred vifte af kunder. Dette projekt omhandler salg af to slags motorer til kunden Mærsk. Motorerne er solgt til installering som generatorset til flere forskellige borerigge, men efter installering og adskillige drift timer, opstår der komplikationer med motorerne. Mærsk har efterfølgende rettet henvendelse til Wärtsilä omkring dårlig motorgang samt store problemer med at motorerne soder til. Ud fra dette er der formuleret en problemstilling, og analyseret på indsamlet materiale. 1.2 Formålet Formålet med denne rapport er at drage indsigt i en problemstilling omkring Wärtsilas motorer, som er leveret og monteret på flere af Mærsks platforme til at drive generatorer. Samt at bidrage med forslag til løsningen på dette problem, da det ikke er meningen at rapporten skal være en konkret løsning på problemet men en anbefaling af, hvordan man undgår fremtidige scenarier af samme type. Ydermere skal rapporten fungere som materiale til det videre arbejde med løsningen af problemet. En konkret løsning vurderes at kræve flere og mere vidtrækkende ressourcer samt længere tidshorisont. Information omkring arbejdet og de specifikke motorer er indhentet fra service rapporter og fra medarbejdere med kompetencer herom samt fra kunden, som oplever problematikken under den daglige brug. Da jeg ikke har observeret eller på anden måde arbejdet med motorerne i miljøet, hvor de er monteret, kan jeg have overset eller mistolket information. Ydermere må der påregnes en vis fejlmargen i det oplagte materiale. Side 2 of 43

8 1.3 Emnet Projektet skal omhandle optimering af driften på to typer motorer, som Wärtsilä har leveret til Mærsk. 8L26 er en 8 cylindret linje motor med en boring på 260mm 16W26 er en 16 cylindret V-motor også med en boring på 260mm Motorerne er monteret på to forskellige typer platforme. Tre Semi-submersible platforme. - Maersk Deliverer - Maersk Developer - Maersk Discoverer Og fire Jack-Up platforme. - Maersk Reacher - Maersk Resilient - Maersk Resolute - Maersk Resolve Side 3 of 43

9 2.1 Problematikken Daniel Dølrath Toft - A11566 Problemet omhandler belastningen på dieselmotorerne, da de sjældent bliver belastede mere end 10-20%. Det gør de ikke, fordi den samlede effekt motorerne kan levere, er langt større end hvad der er behov for i den daglige brug af boreriggen. Den max effekt generatorerne kan aflevere samtidig, vil aldrig komme i brug medmindre en større storm passerer en af de semi-submersible platforme. Grunden er at den største belastning om bord på D-riggene er thrustener, og det er dem der skal holde riggen på plads i dårligt vejr. Mærsk prioriterer driftssikkerheden meget højt, hvad angår levering af elektrisk effekt. Driftssikkerheden bygger på at man sætter et minimumskrav til motorstyringen, omkring hvor mange motorer der skal køre, når der er behov for effekt. Eksempelvis hvis der er monteret otte motorer, når minimumskravet er sat til fem i Power Management Systemet (PM), og en enkelt motor uden problemer kunne trække lasten, så står de fem generator-set s og soder ved meget lav last. Dette medfører at der opstår problemer som følge af førnævnte. Eksempelvis får man ekstrem slid på krumtapsaksler i form af cam-effekt, et større slid samt turboladere der soder til, og kraftigere nedbrydning af smøreolie og ødelagte plejlstangslejer. 2.2 Belysning af problemet Motorerne skal bruges som generatorset, de skal sørge for at drive generatorerne til at levere den nødvendige elektriske effekt til boreriggen. På de semisubmersible rigge, er det thrusterne, som er de meste effektkrævende. Dog varierer forbruget da det er meget vejr-afhængigt, hvor kraftigt de skal arbejde. Udover thrustere ligger der også et ballast system, som optager stor effekt, fordi det består af kraftige pumper, der er monteret til at nivellere boreriggen ved at fylde og tømme de pontoner riggen holder sig flydende ved. Herefter kommer boretårnet og de systemer, der er forbundet med det at udføre borearbejdet, og til sidst er der det forbrug der optages ved bolig området. Side 4 of 43

10 Den anden type er Jack-Up rigge, der står på havbunden ved hjælp af søjler. Forbruget er knap så kraftigt på denne type af rigge, da der ikke er thruster og ballast pumper ombord. Dette er også grunden til at der på R-riggene er monteret otte cylindret linje motorer, og på D-riggene er monteret 16 cylindret W motorer. Hele det elektriske system ombord på de nævnte rigge er kraftigt overdimensioneret, og det er det i henhold til sikkerheden. Skulle der gå noget galt under driften af motorerne og elektricitets produktionen falder ud, er der ingen kontrol med de flydende platformes position. Platformen vil da drive med strømmen indtil elektricitetsproduktionen igen er etableret. Dette ville være worst case senario på grund af det borerør som er forbundet til havbunden. Kommer riggen for langt væk fra centrum af røret, kan det knække. For at drage en parallel til en situation der er lignende, kan man tage situation omkring Deepwater Horizon ejet af BP gas, som også er af typen semi-sumbmersible. Det var dog ikke elektriciteten, der her var problemet, men at der skete et kraftigt gasudslip fra borebrønden. Det forårsagede en eksplosion, som ødelagde borerøret. Efter følgende mislykkedes det for systemet at lukke af for brønden, og råolie blev lukket ud i den Mexicanske Golf. Omkring 3,26 millioner tønder olie nåede at blive lukket ud i havet, inden der blev lukket for oliebrønden. Derfor er sikkerheden i højsæde, ikke mindst på grund af denne uheldige hændelse. Dette giver så nogle andre problematikker. Et af dem er, at installationen er meget overdimensioneret. Eksempelvis kører installationen altid med et meget stort energioverskud, hvilket ses ved at PM altid kører med en hel række motorer på trods af meget lav last. Grunden til dette er, at Mærsk har særlige krav til fordeling af lasten på motorerne. Hvis man tager eksemplet fra før, hvor fem motorer er i drift, skal lasten ifølge bestemmelserne deles ligeligt. Dette besværliggør udarbejdelse af optimeringsforslagene. Ifølge Wärtsiläs anvisninger omkring motorlinje 26, skal man efter 100 timers brug af motoren hæve lasten til minimum 70% for at få soden brændt af, og for at få det korrekte blandingsforhold imellem brændstof og luft. Anmærkningen er baseret på disse kriterier: - Brændstoffet er marine dieselolie. Side 5 of 43

11 - Belastnings området har i de 100 timer lagt på 10%-15% eller derunder. 2.3 Problemformulering Spørgsmålene er stillet ud fra den samlede information, som er indhentet omkring problemet, samt ud fra de spørgsmål, der er givet som opgave i virksomheden. Wärtsilä efterspørger ydermere en rapport, som kan give et struktureret billede af de problematikker det skaber, når Mærsk anvender motorerne på denne meget uhensigtsmæssige måde, fordi Mærsk stiller sig uforstående overfor et manglende løsningsforslag fra Wärtsiläs side på et problem, som Wärtsilä har en formodning om, er skabt under forkert brug af motorerne. Denne rapport vil være udarbejdet til at fyldestgøre kortlægning af problemer og skader på motorerne i et sådant omfang, at der ikke hersker tvivl om slitagemønsteret, samt hvilke parametre skaderne er opstået af. Hovedspørgsmålet: - Hvilke negative følgevirkninger har det på motorerne, at over 90% af driftstimerne foregår ved en belastning på under 10%? Underspørgsmål: - Hvilke fysiske skader kan dokumenteres ud fra service rapporterne? - Hvilke løsningsforslag er en mulighed ud fra de analyserede skader, med kendskabet til driften taget i betragtning? - Hvilke ændringer kunne være ideelle for dette problem? 2.4 Afgrænsning Projektets rammer vil strække sig til diesel teknik, automation og elektriske installationer forbundet med det at drive diesel motorerne. Projektet vil ikke drage indsigt i økonomiske aspekter, da problematikken Side 6 of 43

12 ikke er opstillet med en efterspørgsel på hvilken økonomisk forøgelse, der er forbundet med driften, men i langt større grad et teknisk spørgsmål, der interfererer med den daglige tekniske drift. 2.5 Metode Denne opgave er opbygget med et positivistisk synspunkt. Den viden og information, der er tillagt projektet, er en stor empirisk viden samling af rapporter og flere forskellige synspunkter, som udgør grundlaget for at skrive og dokumentere denne problemstilling. I form af den positivistiske tilgang tages alt information op til overvejelse, men vurderes ud fra at stille sig kritisk over for den information, der bruges til opbygningen af projektet. Empirisk viden indsamling og vurdering. Præmis: den opstillede information hvorpå konklusionen tager form fra. Konklusion Den information, der er brugt til rapporten, er først og fremmest den basale tilgang til diesel teknik, som er opnået gennem undervisningen og opgaveberegning under skole forløbet. Den indsamlede information er forsøgt opstillet let tilgængeligt og med det formål, at vise skaderne på motordelene med udgangspunkt i, at skaderne er opstået under den ringe belastning af motorerne, for derefter at analysere på informationen samt komme med en konklusion på, hvilke områder forbedring kan sættes ind. Kontinuerligt havende in mente at motorerne allerede er monterede og i brug, og flere af dem befinder sig langt fra land. Side 7 of 43

13 3. Lav last Low load er en definition, der bruges når en motor kører med en mindre belastning over en længere periode, end hvad der er forskrevet fra motor fabrikanten. Motorerne, som dette projekt omhandler, kan noteres med en længere liste af problemer, som menes at stamme fra den måde driften eksekveres på. Motorerne er designet til at køre med en belastning på omkring 85%, og det skyldes at alle punkter forbundet med forbrændingen, er fuldt funktionelle i dette område, men skaber problematikker, når ikke motoren lastes 10%-15% mere end tomgang. Wärtsiläs forskrift omkring lav last omhandlende denne motor, er som følger: Har motoren kørt et hundrede timer eller mere ved en lav last på 10%-15% eller derunder, skal lasten hæves til minimum 70% for at afbrænde sod og uafbrændt materiale i motoren. Lav last har effekt på hele motoren, nogle af de mere vitale ting er: Cylinder trykket Turbo omdrejninger Brændstof indsprøjtning Stempelringe Nogle af de forhold, der ændrer sig, er: Cylinder trykket er ikke så højt som tiltænkt, og bevirker for det første en lavere temperatur, men har også en effekt på hvor godt brændstoffet fordeler sig, når det sprøjtes ind i cylinderen. Når brændstofventilen åbnes og brændstoffet lukkes ind i cylinderen, rammer det den komprimerede luft og forstøver ned til den nødvendige størrelse af partikler, der skal til for at brændstoffet kan opnå den fuldstændige forbrænding. Men er trykket lavere end tiltænkt, sker det ikke i tilfredsstillende grad, og mængden af uafbrændt materiale sætter sig i stedet for som sod. Ved den ufuldstændige forbrænding skabes der i teoriens logik også mindre udstødningsgas. Det er den udstødningsgas, der skal drive turboen, som skal lave lade tryk til indblæsningen. Ydermere skaber dette også problemer i turboen, fordi meget af det uafbrændte materiale, der er tilbage, sætter sig i turboen. Den bliver dermed endnu dårligere til at optaget effekten af udstødningsgassen, og mindre energi bliver optaget af Side 8 of 43

14 turbinebladene. Dette er normalt i nogen mængde, men ved low load ses det i udpræget omfang. Yderligere har det manglende cylinder tryk effekt på stempelringene, som ikke lukker ordentligt af for forbrændingskammeret, og derfor lukker uafbrændt materiale ned i smøreolien. Dette skaber en smøreolie, der efter kort tid mister sin smøreevne. Det leder til misvedligeholdt olie film omkring aksler og i lejer. 4. Dokumentering af slitage ved lav last Slitagen på dieselmotorerne er fundet, udmålt, og dokumenteret ved overhauls af motorerne samt ved adskillelse på grund af nedbrud eller andre utilsigtede hændelser. Alle fejl, der her vil blive omtalt, er fundet, inspiceret og udbedret af Wärtsilä s service ingeniører. Billederne er lånt fra service rapporterne og vil blive mærket med den pågældende olierig, hvor serviceingeniørerne har udarbejdet rapport samt dato for det pågældende arbejde. I denne opgave er der kun udvalgt de projekter, som har forbindelse til problematikken omkring lav last, alt andet er udeladt. Til at starte med arbejdes der i dybden med forbrændingsteorien omkring marine dieselolie, da problemerne opstår, idet der er uafbrændt materiale tilbage ved tilendebragt forbrændingsproces. Det er disse affaldspartikler der sætter sig i motoren, olien, turboen, osv. Den kemiske sammensætning af marine diesel er derfor meget væsentlig i perspektiveringen af dette problem. Side 9 of 43

15 4.1 Forbrænding Helt basalt skyldes forbrændingen af stoffer deres reaktion med Oxygen (ilt). Olien som afbrændes er marine diesel, og dieselolien består hovedsageligt af kulbrinter: brint og kulstof. Dog forefindes der mindre mængder af: Oxygen, Sulfur (Svovl) Nitrogen (kvælstof) i olien. Kort opstilling af hvordan de forskellige partikler bidrager til forbrændingen: Kulbrinter - Carbon partikler, der ved fuldstændig forbrænding går i forbindelse med oxygen, og bliver til C + O 2 CO2 Kuldioxid. Sulfur - Svovl, ved fuldstændig forbrænding går i forbindelse med oxygen og bliver til S + O 2 SO 2, Svovldioxid. Kvælstof - Nitrogen. Kvælstof reagerer som udgangspunkt ikke med andre gasser. Men ved høje temperaturer over 1200 grader, begynder Nitrogenet at reagere med Oxygenet, derved dannes der NO 2 og NO. Disse to gasser benævnes samlet under NO x. Hydrogen - Brint går i forbindelse med ilten og bliver til H 2 + ½O 2 H 2O - Vand For at forbrændingen skal blive fuldstændig, skal der tilføres den støkiometriske mængde ilt, der er nødvendig. Det vil sige det antal O 2 atomer, der tilsvarer det antal atomer i det tilførte brændstof, som behøver O 2 atomer for at nå en forbrændingsproces. Altså en til en, også kaldet det minimale ilt forbrug O min. Efterfølgende kan minimum luftforbrug beregnes L min. Luften omkring os består af en sammensætning af gasser. De to gasser luften hovedsageligt består af er Nitrogen og Oxygen. Eksakt procentsats for de to gasser er N 2 78,1% og, O 2 20,9%. Den sidste procent består af hovedsageligt argon, dog også andre gasser men ikke af nævneværdig Side 10 of 43

16 procentstørrelse. Når der regnes på nødvendigt luft tilførsel til motoren, bruges der satserne, N 2 79%, O 2 21%. Bliver der ikke tilført tilstrækkelig luft til forbrændingen, sker der en ufuldstændig forbrænding og andre, mere skadelige stoffer udvikles i udstødningsgassen. I dette tilfælde er fokus rettet på de partikler, som sætter sig i motoren og giver problemer rent driftsmæssigt. Det vil sige at de partikler der som sådan ikke er skadelige for motoren, altså ikke sætter sig i motoren, ikke har relevans. Eksempelvis oxidationen af Nitrogen (kvælstof), disse affaldsstoffer hører under emissions kontrol, og dette emne er et afhandlende projekt i sig selv. Nogen interesse har det alligevel, på grund af IMO s Tier II reglement omhandlende udledning af NOx. Man ønsker at sætte udledningen af NOx ned. Som beskrevet tidligere opstår NOx, når kvælstof går i forbindelse med oxygen, dette forekommer dog først ved høje temperaturer. Derfor er en af de kendte metoder til nedsættelse af NOx, at sænke forbrændingstemperaturen, så den kemiske reaktion ikke kan opstå, og motoren kan overholde Tier II reglementet. Temperaturen sænkes ved at mindske trykket i cylinderen. Når en motor, der er designet til køre med lavt cylindertryk på grund af nedsættelse af NOx emission, bliver lastet langt under det foreskrevne, opstår der en række problemer. Der skal opretholdes et højt cylindertryk til fordeling af det indsprøjtede brændstof, samt for at skabe en optimal blanding af ilt og brændstof, hvis ikke dette opnås forstærkes produktionen af sod kraftigt. Ydermere bruges trykket til at forsegle forbrændingskammeret ved at skabe tryk på cylinderringene. Fokuspunkterne ligger ved sod og svovl, dog er synderen her sod, da korrosion af metallet i forbrændingskammeret i forbindelse med afbrænding af svovl, kun sker hvis der er vand tilstede. Dette ses ikke ofte i forbrændingskammeret, men den procentdel vand, der bliver til damp i forbrændingskammeret har mulighed for at gå i forbindelse med svovlen. Dette vil finde sted til tider, da temperaturen i forbrændingskammeret er forholdsvis længe om at nå driftstemperatur, på grund af at motoren aldrig er lastet mere end de omtalte 10-15%. Smøreolien indeholder også vand, og der er tegn på at svovlen kommer i kontakt med smøreolien. Dette ses ved de inspektioner, der har været på hovedlejerne omkring krumtaps akslen på grund af blow-by (Forbrændingsgas der passere stempelringene). Side 11 of 43

17 Svovl forbindelserne ser ud som følger S + O 2 = SO 2 2S + 3O 2 = 2SO 3 SO3 + H 2O = H 2SO 4 SO 2 + H 2O = H 2SO 3 Det kan være meget svært at give en konkret forklaring på hvor meget sod, der dannes, da forholdene i forbrændingskammerat næsten aldrig er konstant. Disse motorer er udstyret med turboladere, der genererer et tryk på kompressorsiden, når turbinesiden drives rundt af udstødningsgassen. Hastigheden på turboladeren og dermed trykket på kompressorsiden afhænger af mængden af udstødningsgas. Dette må anses for at være kendt viden. Dog har dette stor effekt på hvor meget luft, der tages ind i forbrændingskammeret, og eftersom blandingsforholdet imellem luft og brændstof har en meget stor direkte effekt på hvilke partikler og hvor mange partikler, der efterlades til udstødningstakten, så er dette et stort fokuspunkt i henhold til den gældende problematik. Selve soden sætter sig i motoren som et lag sort klæbrigt stof, der virker som et isolerende tæppe. De største ophobninger forekommer ved ventilsæt, topstykker og til dels ved og omkring stempelringe samt på stempelkronen, dette er dog i mindre omfang. Ydermere blander det sig med smøreolien, og forringer kvaliteten heraf. Side 12 of 43

18 4.2 Smøreolie Smøreolien er et af de mest interessante emner i forbindelse med det opståede problem, da olien er en af de vitale dele i motoren. En olie med ukorrekte additiver eller forkert viskositet kan tage livet af enhver motor. Dette skal ses i lyset af de opgaver en motorolie har under driftsprocessen, listen er efterhånden lang og bliver længere i sammenhæng med udviklingen af nye mere driftssikre, kraftigere og mere miljøvenlige motorer. Olien skal eksempelvis: nedsætte friktion imellem bevægende dele, og dermed nedsætte slid, og derudover beskytte mod korrosion og rust, i det hele taget holde motordelene rene og funktionelle. Der skal ydermere fjernes de skadelige partikler, der efterlades i motoren, for eksempel metalliske partikler og de partikler der måtte opstå i forbrændingskammeret og sætte sig på cylinderforing, stempelringe osv. Derudover er olien en funktionel tætner mellem stempelringe og cylinderforing ved forbrændingsprocessen samt et aktiv inden for køling af motordele eksempelvis lejer, stempler, og i det hele taget det mest termiske belastede områder i motoren. Sidst men ikke mindst skal olien neutralisere den syre, der dannes i forbrændingskammeret ved forbrænding af svovl. Dette er tidligere nævnt i afsnittet forbrænding, hvor det anskueliggøres hvordan, der opstår syre ved forbrænding. Syren kommer så i kontakt med olien, da noget af olien efter forbrændingen passerer stempelringene og vil havne tilbage i oliebadet Exhaust gas blowby. Olien er tilsat flere additiver, men i forbindelse med additivet til at neutralisere syren i olien, tilsættes der kaliumhydroxid (KOH), der er et stærkt basisk stof. Dette leder til Total Base Number (TBN) omtales også Base Number (BN), som er et nummer, der er opgivet sammen med specifikationerne på olien. TBN oplyses i mg KOH/g. Ud fra rapporten fra service på riggen Maersk Developer er der angivet, at motorerne kører med olien: Mobile Guard 412. Specifikation for denne olie lyder, TBN på 15 mg KOH/g i følge ExxonMobile s egne hjemmeside. De 15 er et udtryk for, hvor mange mg syre der skal til pr gram olie, for at neutralisere basen i olien. Dvs. jo mere svovlholdig brændstoffet er, jo højere et TBN skal olien have for ikke at risikere, at motoren kører med en olie, der falder til kritiske niveauer inden planlagt olie skift. Side 13 of 43

19 Base Number / Service Hours Figure 1 Technical bulletin lube oil, Base Number/Service Hours. Wärtsilä. Her over er illustreret hvordan tre forskellige olier, med hver deres BN arter sig over tid. Skulle oliens TBN komme under kritisk niveau, vil der være fare for at motoren tager skade, da syren vil kunne lave skade ved korrodering. En grundregel er, at hvis der måles et TBN på to eller derunder eller et TBN tal på under halvdelen af, hvad TBN var, da olien var frisk, så skal der skiftes olie. Wärtsila France har i denne forbindelse opsat specifikationer for hvad grænseværdierne er for olieskift. Information er oversat fra Engelsk. - Viscositet 100 o C Max -20%, +25% af initialværdien. - Antændingstemperatur min. 170 o C (Ved Pensky-Martens metoden) - BN på Max -40% af initial værdien Figure 2 Service Wärtsilä France, Condemming limit for lube oils in service. Viskositeten på olien som før omtalt er 14,5 cst, ved 100 o C, og det tillades så efter forskrifterne at nedre grænseværdier må befinde sig på 11,6 cst, og øvre værdi på 18,13 cst. Olien skal ved hjælp af tryk, viskositet og flow, smøre de bevægelige dele ved at opbygge en oliefilm imellem de to overflader, hvor der måtte ske en rotation, vandring eller lignende. I det tilfælde at viskositeten ændrer sig ud over de grænser som ses herover, vil det få konsekvenser for motorens evne til at opretholde en konstant oliefilm. Under titlerne krumtapsakslen, og krumtapslejeskåle kan der ses billeder og forklaring af effekten af en brudt oliefilm. Side 14 of 43

20 Der findes flere forskellige definitioner på smøring, men særligt to typer er relevante i dette tilfælde. - Hydrodynamisk smøring: Er den ideelle smøring, hvor der opbygges en olie film rundt om akslen i forbindelse med lejet. Rotationen opbygger et olietryk omkring akslen, som holder en ubrudt oliefilm, og derved roterer det metalliske emne uden berøring. Dette kan dog være svært at opnå, da en motor er udsat for meget høje belastninger, og det påvirker tykkelsen på oliefilmen. Som man nok kan forstille sig vil tykkelsen på filmen være proportional med belastningen. (Illustrering vises i afsnittet omkring plejlstangs leje krumtaps ende). - Grænsesmøring vil i nogen grad forekomme, men ved lav last er det særligt udpræget. Smøringstypen defineres ved at de to emner, som skal holdes adskilt af oliefilmen, kommer i kontakt med hinanden. Dette ses under opstartsfasen, hvor der opbygges tryk i lejet og filmen fordeles. Dette kan dog også forekomme ved en ringere viskositet, som giver en tyndere olie og oliefilm. Viskositeten ændres af flere grunde, eksempelvis på grund af at smøreolien kommer i kontakt med ufuldstændig forbrændt brændstof. Partiklerne fra forbrænding skaber forbindelser med vandet i smøreolien, og bliver til svovlsyre (som tidligere omtalt i kapitlet forbrænding). Ud over det oxyderes olien, dette bevirker at flere af kulbrinte kæderne i olien brydes og igen nedbrydes smøreevnen. Men det største problem, i forhold til aspektet lav last, er at oliebadet kommer i kontakt med brændstof, og jo mere brændstof der bliver blandet med smøreolien, jo lavere bliver viskositeten og flammepunktet på olien. En lavere viskositet gør det næsten umuligt at vedligeholde en oliefilm, og dette har stor effekt på lejeskålene, der forbinder plejlstangen til krumtapakslen. Forklaringen på hvordan smøreolien kommer i kontakt med brændstoffet, uddybes i afsnittet omkring stempler og stempelringe. Flammepunktet falder med viskositeten, men da der ikke er nogen indikatorer i servicerapporterne for at dette skulle være et af hovedproblemerne, så vil der ikke blive gået yderligere i dybden med dette punkt. Dog ville løbende olierapporter med diverse målinger på TBN niveau, Flammepunkt og viskositet også videre være spændende at analysere på, da man må antage ud fra de givne servicerapporter, at niveauerne ofte ligger under et minimum, de opgivede skader taget i betragtning. Men det har dog ikke været muligt, at fremskaffe olieanalyserapporterne. Side 15 of 43

21 4.3 Archard s lov om slid Daniel Dølrath Toft - A11566 Achard forskede tilbage i årene omkring det slid to metalliske overflader forårsager på hinanden under bevægelse. Denne gnidning imellem partiklerne som bliver dannet, eksempelvis ved alle de roterende og bevægelige dele, der er i en motor, skaber slid, og når der opstår et slid, dannes der partikler som et restprodukt fra denne friktion. Dette er alt sammen i en størrelses orden på atom niveau, så det der her omtales som slid, er ikke det man i dagligdagen vil arbejde med som faktor på slid. Eksempelvis hvis man adskiller en motor, som det er tilfældet med de service rapporter, vi ser i dette projekt. Her ses alt slid tydeligt, når man kaster blikket på de forskellige dele. Men disse skader er som bekendt også startet i en meget mindre skala. Forstørrer man overfladerne på eksempelvis hovedlejeskålene, som monteres omkring krumtapakslen, vil man kunne se at overfladen er fuld af forhøjninger og fordybninger. Overfladen er altså ikke plan, som man ser den med det blotte øje. I afsnittet smøreolie vendes begrebet grænsesmøring, og dette kan i nogen grad sidestilles med den måde Achard kigger på sliddet imellem metallerne. Altså samme tankegang dog med smøreolie imellem fladerne, men samme proces hvor de forhøjninger, der tager sig ud som de længste kommer til at gnide mod hinanden først. Det kunne også lede tankerne på cylinderforingen, men dette er ikke af den store betydning ift. dette aspekt, da man ligefrem honer riller på tværs af hinanden i foringen på grund af olie fordeling. Archard ser udelukkende på slid mellem metaller uden smørring for at give et indblik i, hvordan vi ender med de nedslidninger, som der kæmpes med i alle henseender, hvor der er bevægelse mellem to overfalder bestående af metal. Hvis vi holder fast i Archards teori omkring det, at der produceres eller slides partikler af som et rest produkt af driften, så er der blevet opstillet en ligning til det formål, at regne på det slid der opstår. Kaldet slidvolumen. W = KsP/p m W er det volumen af partikler, der efterlades ved igangværende proces, eksempelvis en roterende krumtap. Billedet herunder illustrerer hvordan de to metalliske flader interagerer med hinanden, hvis man forstørrede delene kraftigt op. Side 16 of 43

22 Figure 3 Illustration af gnidning mellem to metaller. Alle disse toppe slides mod hinanden, og dette giver et rest produkt. Mængden af dette produkt, kan ifølge Archard beregnes. Dog er der så mange faktorer der spiller ind, når man taler om en motor, at det kan være svært at få de korrekte parameter sat ind i ligningen. Men denne teori er et uundgåeligt aspekt i denne problem stilling, da det i sagens natur er det der skaber problematikken. Opstillingen hvorpå man har fundet frem til denne ligning, tager udelukkende udgangspunkt i gnidningen imellem to metaller. Figuren, der illustrerer forsøgs opstillingen, er vist herunder. Figure 4 Archards wear machine, from J. F. Archard and W. Hirst 1957 Hvor P trykkes mod B, under et givet tryk, aksel A roterer. Her efter blev der kigget på materialerne med mikroskop, hvis der var tale om test med let slid. Ved test omkring kraftig slid blev materialerne vejet efter endt rotation, for at se hvor meget materiale, der var gået tabt. Ud fra dette forsøg har vi så ligningen. Side 17 of 43

23 K = Er Archard s proportionelle konstant, det vil sige en konstant for hvor mange gange materialerne, eller de forhøjninger der er på materialet, skal passere hinanden for at producere en enkelt slid partikel. K er altså en konstant uden dimension, men et forhold. s = Er afstanden de modstridende overflader bevæger sig. P = Trykket påført emnet C p m = Er hårheden på det blødeste metal i opstillingen. Dette er med til at skabe forståelse for den proces, der foregår ved nedslidning af to metaller i bevægelse. Dog er det, at skulle beregne mængden af afleveret materiale fra en nedslidning af en bestemt del i en motor forbundet med så mange aspekter, at teorien omkring beregning ikke direkte kan bruges til slid i motoren. Side 18 of 43

24 4.4 Analyse af tilstandsrapporter Alle rapporterne er konstrueret for at man kan dokumentere det arbejde, der udført ombord på de forskellige rigge. Dette kan senere blive nødvendigt hvis fremtidig drift skaber problemer, eller hvis der sker skade på motorerne umiddelbart efter endt renovering. Ydermere bruges rapporterne til at analysere på hyppige problemer i forskellige motorkategorier, og dette er formålet i denne rapport. Som eksempel tages skaden, der hyppigt ses på lejerne omkring krumtapsakslen. Lejerne holder ikke til det tiltænkte antal timer og må skiftes, men da man er meget opmærksom på at dette er et problem, på grund af den måde hvorpå motorerne bliver brugt, bliver motorerne overvåget og serviceret ofte nok til at undgå motorhavari. Det er kun tilfældet en enkelt gang, ifølge udarbejdet rapport at der er sket et havari. Efterfølgende afsnit er opdelt i afsnit af motorkomponenter, for at få de forskellige problemer penslet ud, som denne lave belastning forårsager. Side 19 of 43

25 4.5 Topstykker & Ventiler Daniel Dølrath Toft - A11566 Problemet med topstykkerne og ventiler er, at sod ophober sig, og soden har en isolerende evne og det medfører at varmeafledning bliver vanskeligere. Skaderne viser sig oftest på udstødningsventilerne, da det er de ventiler, der udsat for den største termiske påvirkning. Indtagsventilerne åbnes og luft presses ind af turboladeren, men denne luft er af en noget lavere temperatur og køler der for indtagsventilen. Derfor er udstødningsventiler en af de specifikke ting, der inspiceres nøje, når der fortages renoveringer og kontrol af motorerne. Et eksempel på et afmonteret topstykke til inspektion ses herunder. Figur 5 Maersk Developer Engine no Run. Hours Date Motor type 16V26 Det ses tydeligt, hvordan der er en ophobning af sod rundt på topstykket, men også udstødningsventilerne. Dette er ikke en bemærkelsesværdig stor ophobning af partikler antal kørte timer taget i betragtning. Men den hvide belægning, som hovedsageligt ses på ventilerne, er interessante, da disse må antages at være fra en forbrændingsproces, der har indeholdt en vis mængde svovl. Grunden til den hvide farve er svovlen i brændstoffet, som under forbrændingen er gået i kontakt med den smule natrium, der også er tilstede i brændstoffet. Dette danner en form for hvidt støv, som sætter sig sammen med soden på ventilerne. Dette er Natriumsulfat, også kaldet svovlsyre-saltet af natrium. Som tidligere nævnt har svovlsyren, som er opstået fra forbrændingen af svovl, en stærkt korroderende virkning. Dette er altså endnu en bivirkning af ufuldstændig forbrænding. På den ene af indtagsventilerne øverst til venstre i billedet ses en større mængde af partikler end på de Side 20 of 43

26 andre ventiler, da det er en indtagsventil, arbejder den ikke under samme temperatur grundet kølingen fra luften, der tages ind i forbrændingskammeret. Da der alligevel er så stor mængde, kunne det tyde på at selve forbrændingskammeret aldrig når en kompetent arbejdstemperatur, hvilket understøtter teorien omkring lav last effekten. Herunder ses en cylinder top fra en af motorerne installeret på riggen Maersk Deliverer. Figur 6 Maersk Deliverer Engine no.4 Cyl. A Run. Hours Date Motor type 16V26 Her ses tydeligt hvordan soden begynder at sætte sig på topstykke og ventiler. I venstre side af billedet ses hvordan overfladen begynder at få et ujævnt udseende. Dette billede er, som anmærket i figur teksten, taget efter timer. Man forventer at indtags- og udstødningsventilerne kan køre i timer imellem hver renovering, dette topstykke har dermed kørt godt halvdelen af den beregnede tid. Det er dog lejeskålene, som forbinder plejlstangen til krumtapakslen, der var skyld i at denne motor blev adskilt. Side 21 of 43

27 4.6 Stempler og stempelringe En overordnet konstatering af tilstanden på stemplerne er, at de efter det antal timer de har kørt, ser ud som forventet. Det samme gælder de stempelringe, som er inspicerede. De er inden for målegrænserne og ikke slidt mere end hvad der må forventes, timeantal taget i betragtning. Stemplerne i denne type motor er udstyret med tre ringe, to stempelringe til at tætne og holde kompressionen på forbrændingssiden af stemplet, og en enkelt oliering til at fordele olien jævnt på cylinderforingen. Olieringen fordeler en jævn oliefilm, fordi ringen er udstyret med en cirkulær fjeder, der trækker olieringen ind mod stemplet. Dette gøres for længere holdbarhed, men også fordi kraftpåvirkningen ud på cylindervæggen ikke skal blive for stor og ødelægge oliefilmen. Den lave last har effekt på stempelringenes evne, til at tætne for forbrændingsprocessen. Forbrændingskammeret tætnes, når stempelringene udvider sig under påvirkningen af varme, og smøreolien virker som en tættende oliefilm imellem forring og stempelringe. Figur 7 Critical component Wear, Gas pressure on piston ring. En af grundene til at det mest effektive driftsområde for dieselmotoren ligger på omkring de 85% last, som det er opgivet for denne motor, er det tryk der genereres ved ekspanderingen, der sker under forbrændingen. Jo større tryk, jo kraftigere er påvirkningen ned ovenpå og bagpå stempelringene. Se billedet herover, hvor en stempelring i drift er illustreret. Men i dette tilfælde hvor der konstant køres med lav last, vil der være en større mængde af det ekspanderede brændstof, der slipper forbi stempelringene og ender i oliebadet. Fordi disse motorer som bekendt kører med omkring 10% last hele tiden, er kraftpåvirkningen ned på stemplet kraftigt reduceret, og dette medfører at trykket bag på stempelringene også bliver væsentligt reduceret. Det tætningsarbejde, der er tiltænkt stempelringene, mistes og derfor ender større mængder af Side 22 of 43

28 uafbrændt fuel i oliebadet, sammen med uafbrændt svovl og aske. Det forringer smørreolien i et interval, der er meget kortere end forskrevet. Dog kan man ikke afværge blow-by fuldstændigt, eksempelvis fordi stempelringen ikke er en lukket ring, og et stempel ikke forbliver cirkulært, det samme gælder cylinderforingen. Når der er flow imellem stempelring og cylinderforing, har det en negativ påvirkning på oliefilmen og på stempelringene, som forværrer problematikken. Den varme gas fra forbrændingen afgiver energi til stempelringene, og dette er de designet til ved mindre mængder forbipasserende gas. Men ved større mængder af blow-by, afsættes der store mængder varme de steder, hvor gassen passerer stempelringene, og dette forårsager at forbrændingsgassen optager den oliefilm, som er fordelt på cylinderforringen, og de bliver dermed over ophedet og materialet bliver beskadiget. Ydermere skader det foring og ring ved en manglende smøring. Stempelringene er designet til at aflevere den termiske energi fra stemplet, men også fra ringenes egen materiale til cylinderforingen og på den måde køle, denne mulighed er væsentlig forringet. Alligevel ses det ved alle de rapporter, der er fortaget på boreriggene, at alle stempelringe er inden for målegrænserne. Vi kan der for konstatere at ringene på intet tidspunkt lider overlast, og det er på trods af de ændrede arbejdsforhold. Men ved hvert renoveringsprojekt er det ikke økonomisk rentabelt, at montere brugte stempelringe. Derfor monteres nye stempelringe, altså udskiftning af stempelringe, der kan have flere tusinde drift timer tilbage endnu. Hvad stempler angår, er det for det meste ikke den motordel der er mest medtaget under de anførte arbejdstimer, men man skal tage i betragtning, at det opgivede timeantal ikke er opgivet i lav lasts timer, og fuldt lastet timer. Dette kunne have været fordelagtigt til at sammenligne forskellige stempler, stempelringe og forringe, for derefter at kunne drage helt specifikke konklusioner ud fra bestemte time antal. Dog er informationen fra motor operatørerne, at langt de fleste timer er ved meget lav last. Side 23 of 43

29 Et eksempel på et af de mere medtagede stempler er givet herunder. Figur 8 Maersk Reacher Eng. No Run. hours Date Motor type 8L26 Figur 9 Maersk Reacher Eng. No Run. hours Date Motor type 8L26 Ud fra rapporten er det anmærket, at man kan ane begyndende korrodering i stempel kronen, som et resultat af dårlig fordelt brændstof. Ikke en korrosion der er målbar, men til at føle med fingrene. Motoren har kørt timer. Teorien omkring at lavt cylinder tryk, skaber dårlige betingelser for fordelingen af brændstoffet ved indsprøjtningen, bekræftes ved korrosionen på denne stempelkrone. Det vil over tid blive et problem at brændstoffet ikke fordeles korrekt, og cylindertrykket er for lavt, når der sprøjtes brændstof ind i forbrændingskammeret. Brændstoffet fordeles ikke ud i mange små partikler, i stedet ender det i klynger. De rammer kronen under forbrændingen på grund af de brændstof partikler, der ikke er fordelt, men hænger sammen i klynger og har en vis massefylde, frem for hvis de var blevet forstøvet korrekt. Dette skaber de mærker man kan ane, hvis man studerer billedet nærmere, som også er beskrevet som ikke målbare men mærkbare. Side 24 of 43

30 Ud over korrosion er der afsat synligt stor mængde af sod på stemplet, og nede omkring siderne af stemplet er det til at se hvordan soden arbejder sig ned mod stempelringene. Her kan man få en fornemmelse af hvordan sod og uafbrændt fuel kommer i kontakt med smøreolien. 4.7 Flammering og Cylinderforing Flammeringen er som bekendt monteret i toppen af cylinderen, navngivet på engelsk til antipolishing ring hvilket i virkeligheden er mere retningsgivende for, hvad det er for et arbejde ringen udfører. Ringen har en diameter størrelse, lige under diameteren på cylinderforingen, så når stemplet når Top Dead Center (TDC), bliver diverse ophobninger af partikler på stempelkronen skrabet af. Dette ønskes for at der ikke skal ske ophobninger af carbon partikler, der efterfølgende kan falde af kronen og komme i klemme mellem foring og stempel. Dette vil ødelægge oliefilmen, og der med forårsage skade på cylinderforingen. Det ses i rapporterne fra de forskellige rigs, at der er en større mængde af carbon, der ophober sig på flammeringen. For derefter at samles til så store mængder at flager falder af, og sætter sig imellem stempel og foring, og der med beskadiger foring, samt ødelægge evnen til at opretholde en tilfredsstillende smørring og oliefilm. Herunder ses en flammering afmonteret efter timers brug, fra en 8 cylindret motor på Maersk Reacher. Figur 10 Maersk Reacher Eng. No Run. hours Date Motor type 8L26 Den uafbrændte fuel i form af sod og afbrændt smøreolie, som har sat sig på flammeringen er i dette tilfælde ikke overvældende, alligevel er cylinderforingen skadet med en enkelt markering efter et meget hårdt materiale, som har skabt en mindre aflang markering i stempelretningen. Side 25 of 43

31 Dette er sandsynligvis skabt af en samling af sodpartikler, som har revet sig løs fra flammeringen og er kommet i klemme imellem stempel og foring. 4.8 Krumtapsakslen Akslen bliver slidt før renoveringsintervallet forskriver det, og dette skyldes som tidligere nævnt den lave last men også smøreolien. Krumtapsakslen bliver slidt på en meget unaturlig måde, dette kaldes cameffect. Betegnelsen cam-effect kommer af udformningen på en knastaksel på engelsk camshaft, hvor akslen er udformet med knaster til påvirkningen af ventiler, eksempelvis i en almindelig bilmotor, hvor ventilåbning og -lukning sker ved en roterende knastaksel. Akslen er derfor ikke cirkulær, dette er krumtapakslen heller ikke, dog i meget mindre omfang, end hvad man forstår ved knaster. Herunder ses et billede fra Mærsk Deliverer, hvor der er opstået slid på krumtapsakslen, den blå farve der ses på akslen er en test farve, man har farvet akslen med for at finde ud af hvor, den helt præcis er slidt. Dette er en testmetode til at finde slidspor på akslen, man afmonterer plejlstang og lejeskåle, derefter farves akslen med et meget tyndt lag blå farve, lejerne skiftes til nye og det samles igen, alle bolte spændes efter anvisninger, og derefter tørnes motoren. De nye lejer har ikke samme slid flade som de afmonterede, der har arbejdet sig til en udformning, der passer med akslen. Motoren adskilles på ny, herefter kan man se hvordan berøringsfladen arter sig, dette giver så et billede af det ujævne slid på akslen. Figur 11 Maersk Deliverer Eng. No Run. hours, Date Motor type 16V26 Side 26 of 43

32 4.9 Plejlstangs lejeskåle (krumtaps ende) Dette er en meget interessant del i motoren, hvis man tager i betragtning at det er disse lejeskåle, der bliver beskadiget kraftigst, på grund af motorens mange lavt lastede arbejdstimer. Lejeskålene ligger inde imellem plejlstangen og krumtapsakslen, her imellem tilføres der smøreolie fra krumtapsakslen til smøring imellem de to roterende dele, men fordi olien bliver forurenet af sod, svovl og uafbrændt fuel, mistes smøreevne. Krumtapakslen er mellemled for alt den energi, som bliver tilført motoren og omdanner den til rotation. Leddet imellem krumtap og plejlleje, altså lejeskålen, er på den måde et led i overførslen af den kraft, der afleveres af stemplet. Det eneste der holder de metalliske dele fra hinanden omkring og i lejet er olienfilmen, og derfor ses der så store skader på lejeskålene ved lav last problematikken. Der opstår grænsesmørring hvor metalliske dele gnaver mod hinanden, og dette slider store render i krumtapakslen, og til tider hele kratere i lejeskålene. Krumtapakslen får en bulet og ujævn overflade, Cam-effect. Effekten på akslen kan ses i afsnittet tidligere omkring krumtapsakslen. Side 27 of 43

33 Figur 12 Kurve der illustrere tykkelse på olie filmen, og opbygget olie tryk i lejerne. Diesel Engines Part 1, Kees Kuiken 2008 Herover er indsat en graf over tryk i hovedlejerne (den blå kurve). Den røde kurve er tykkelsen på olie filmen. Denne graf illustrerer, hvad der sker med den altafgørende oliefilm i lejerne under drift. Der ses et opbygget tryk i lejerne på 13 MPa, når oliefilm tykkelsen er på sit laveste 0.01mm, der er en forsvindende lille afstand. Her ser man hvorfor smøreoliens egenskaber ikke må afvige ret meget fra det forskrevne. Dette er ikke en graf bundet til en bestemt motormodel, men en aftegning til illustrering af, hvordan olien opfører sig i lejerne under drift. Lejeskålene tager ofte en meget stor del af sliddet ved cam-effect. Ud af de to skåle er det den øverst liggende, der aftager mest slid og man ser oftest ved adskillelse, at det er denne lejeskål der er slebet dybe render i. Dette er der i teorien en logisk forklaring på. Dels fordi at den nederste af lejeskålene er den del, der står for smøringen af lejet, og der er fræset en rende til formålet. Men også fordi at under de fire takter, er den nederste lejeskål kun under kraftpåvirkning en gang ud af de fire. Dette er under indsugningstakten lige efter TDC, her trækkes stemplet ned af krumtappen. De tre andre takter påvirker topdelen af lejet. Side 28 of 43

34 På grund af den store kraftpåvirkning under drift af motoren, som afsætte i lejeskåle, plejlstang og krumtap er det også oftest her, det bliver kritisk med tykkelsen på oliefilmen. Man ser tydeligt i rapporterne, hvordan det er lejeskålene der tager skade under driften (se billedet herunder som eksempel på sliddet på den ene del af lejet). Dette slid er også grunden til at motoren får udført service. Figur 13 Maersk Deliverer Eng. No Run. hours. Date Motor type 16V26 I denne situation monteres der en helt anden type leje, da man prøver at forhindre fremtidige senarier som denne. Dette er normal procedure ved alle renoveringsprojekterne. Smøreolien forbliver af samme mærke, og der meldes ingen information om skift eller tilførsel af andre additiver. Plejlstangs leje (stempel ende) Plejlstangslejet i top, tager ikke bemærkelsesværdigt skade under nogen af de afleverede servicerapporter. Den type slid der opstår defineres som værende normal og inden for måle referencerne. Derfor er der ikke beskrevet nogen dybdegående information omkring denne del af motoren, da dette ikke har relevans for emnet. Side 29 of 43

35 4.10 Turboladere Daniel Dølrath Toft - A11566 Motorerne er udstyret med turboladere fra KBB, den 8 cylindrede motor med en enkelt turbolader, den 16 cylindrede motor med to turboladere. Ved analyse af rapporterne, findes der ikke tegn på, at de fejl der er beskrevet omkring turboladerne nødvendigvis stammer fra den lavt lastede motordrift. Turboladerens turbine dækkes dog i sod, dette gør overfladen på bladene dårligere til at modtage energien fra strømmen af udstødningsgas, større gnidningskoefficient og ringere areal til at modtage udstødningsgassen. Dette er følger fra den lavt lastede motordrift, men der meldes ikke om særlige tilfælde som indikerer at turboladerne lider overlast. Problematikken omkring turboladerne, hæfter sig ved at der ikke genereres udstødningsgas nok til at turboladeren kan levere den ønskede mængde luft, fordi designet af turboladeren er tiltænkt til en kontinuerlig drift på omkring 85%. For at sætte et billede på hvordan turboen arbejder i forhold til belastning, er der her indsat et diagram fra motorens specifikationsblad, som fortæller hvor mange kg/s udstødningsgas der passerer turbinesiden på turboladeren, alt efter hvor hårdt motoren er belastet. Dette diagram er hentet fra den mindste af de motorer der arbejdes med. 8 cylindret linje motor, 8L26. Figur 14 Udstødnings gas flow, Wärtsilä 8L26 Datablad, Wärtsila motor dokumentation. Ved 85% procent last, er der et flow på 4,7kg/s. Dette er forskrevet som det ideelle drift område. Motorerne kører for det mest langt under 50% last hvor flowet er allerede er faldet 1,6kg/s, det har ikke været muligt at fremskaffe tal på hvor meget flowet er nede på ved omkring 10-15% last, dog må der konstateres at vi er langt fra det ideelle flow. Side 30 of 43

36 5. Motorslid Ud fra analysen af servicerapporterne fra de omtalte borerigge, kan det konstateres at der ikke i teorien, er tekniske problemer med motorerne. Det vil sige at motorerne kunne have kørt inden for de anmærkede skemalagte renoveringer uden yderligere problemer. Dette baseres på, at ingen af de opgivne målerapporter afviger fra de foreskrevne tolerancer som Wärtsilä har angivet på de motordele, som ikke lider overlast ved et kontinuerligt brugsmønster ved lav last. Problemerne der opstår, er udelukkende ved driften af motorerne på baggrund af den måde motorerne er lastede. Side 31 of 43

37 6. Forslag til optimering 6.1 VIC Variable Inlet valve Closure Wärtsilä har selv bygget et system til påbygning af motorerne. Systemet er et variabelt ventilstyrings system. Teorien omkring systemet er holde indtagsventiler åbne i en længere periode end normalt, for at få så meget luft ind i forbrændingskammeret som muligt, og på den måde højne cylindertrykket. Men også for at skabe større luft overskud i opstartsfasen, og for at komme tættere på en fuldstændig forbrænding også ved lav last og transient last, altså et pludseligt opstået behov for kraft. Som motorerne kører nu, lukker indtagsventilerne efter et princip der hedder Miller timing. Princippet er brugt i forbindelse med nedsættelse af NOx udledningen. Indtagsventilen lukker omkring 20% tidligere end selve indsugnings takten er færdig, det bevirker at mængde af luft der kommer ind i forbrændingskammeret mindskes, og cylindertrykket bliver lavere ved kompressionen, dermed falder temperaturen og NOx udledningen mindskes. Dog skal det nævnes at turboen skal være designet til dette formål, da den skal kan lade med højere tryk end standard. Miller timingen er et godt element til nedsættelse af NOx, men under opstarts perioden, skabes der unødigt meget sod og røg på grund af den manglende tilførsel af luft. For at afhjælpe denne problematik kan VIC systemet installeres. Dette system sørger for at holde indtagsventilsættet åbent efter stødstangen afbryder kontakten til ventilsættet, hvilket medføre at der kan tages mere luft ind til forbrænding. Systemet træder i kraft fra opstart 0% last og indtil 48% herefter er turboladeren selv i stand til at opretholde den nødvendige luft mængde. Efter de 48% last slår motoren tilbage til millertiming for at overholde gældende emissions krav. Som nævnt har systemet en positiv effekt på transiente belastninger, dette er medvirkende til at man bør installere systemet på de motorer, der er monteret på platformene. Efter som kravet fra Mærsk er at motoren skal kan gå fra 0 til 100% last inden for 10sek, ville VIC systemet være en vital del i det at kunne garantere den korte opstartstid. Her gives et visuelt eksempel på hvor stor indvirkning VIC har, på en motor med kort opstartsfase. Dette er dog en motor fra 32 linjen, men princippet er identisk med det omtalte. Side 32 of 43

38 Figur 15 Test af monteret VIC-system, ved 10 sek. Opstart og belastning. Her ses det tydeligt hvor stor reduktionen er i uafbrændt materiale ved monteret VIC system. Luft tilførslen er tydeligt forøget, og betydelig mindre sod bliver afsat i motoren. Figur 16 Åbning af indtagsventiler, Orignial kurve og med Miller timing, Diesel Engines Part 1, Kees Kuiken 2008 Her ses et skema fra diesel engines. Dette er en illustration af hvornår udstødnings- og indtagsventiler åbner i forhold til vinklen på krumtappen. Motorerne kører alle sammen med Miller timing princippet på grund af NOx restriktionerne. Men Miller princippet skaber problemer for motorer der kører lav last. Side 33 of 43

39 Miller timing kan give koldstart problemer, øget røg udvikling og drift problemer. Disse problemer kan undgås med variabel indtagningsventilsystem. Side 14 Esben Dalsøe Tuften Denne information er fremskaffet i omtalte projekt, ved indsamling og analyse af adskillige projekter fra en database af DNV GL. Det Norske Veritas og Germanischer Lloyd, er et selskab som tager sig af udarbejdelse af tekniske standarder inden for skibsfart og offshore branchen. Information må regnes for at være pålidelig. 6.2 Olie analyser Ud fra tilstanden som de fleste af hovedlejerne befinder sig i, når der foretages motorrenoveringer, ville det være optimalt med en mere klar oversigt og systematisk bogføring af smøreolieprøver. Jeg har ikke i dette projekt haft mulighed for at komme i nærheden af olieanalyser, og i sammenhæng med indhentning af servicerapporter, er jeg ikke stødt på materiale derom. Det må betyde at der ikke findes klare regelsæt ombord, i forhold til det at tage olie analyser på motorerne. Hvis der gør, er disse tilsidesat uden yderligere forklaring. Som tidligere nævnt forringer efterladenskaber fra forbrændingskammeret oliens TBN niveau, flammepunk, og der med smøreevnen. Disse parametre bør testes og logføres, sammen med motorens hændelser så som udskiftning af dele, problematikker med motoren, antal kørte timer siden sidste olie skift og så videre. Som minimum bør olien testes, som beskrevet ud fra opslagsværket Critical Component Wear in Heavy Duty Engines, Side 304. Bogen beskæftiger sig med det slid som måtte opstå ved brug af Medium, og Store diesel og Heavy Fuel motorer. (Bogen er på engelsk, teksten herunder er oversat der fra) Viskositeten ved 100 grader ASTM D-445 (Dette er navngivningen for den metode, der bruges til at finde den pågældende viskositet), både for at finde ud af om viskositeten er steget på smøreolien efter brug eller om den er faldet. Hvis olien har taget til i viskositet, kan være en indikator på at der er blevet blandet partikler fra slid fra motordele i olien, eller hvis olien indeholder sod, eller har været ude for oxidation. Hvis viskositeten er faldet, kan det skyldes at olien indeholder vand, eller brændstof. Side 34 of 43

40 FT-IR, En infrarød scanning til at måle, oxidation, kvælstof og svovl. Men også hvor stor en procent del af olien der er forurenet med vand eller glykol. Test af TBN, det totale base nummer ved metoden ASTM D-4739, og test af det totale syre nummer i olien, ved metoden ASTM D-664 til at måle mængde af opbygget syre i olien. Induktiv Forbundet Plasma Spektroskopi, eller Atombar udlednings spektroskopi. Til at detekterer tilstedeværelsen af metaller fra slid, forurenende metaller, og tilsætnings metaller. Med en fyldestgørende olieanalyse som denne, ville man kunne have vurderet på hvilke ting, motoren efterlader i olien. Jeg mener derfor at der til hver en tid skal lægges stor vægt på det at olieanalyser skal følge servicerapporterne samt være udfyldt med stor præcision. Arbejdet med analyse af sliddet i motoren forenkles væsentligt, hvis olieanalysen holdes op mod de fejl, der måtte være ved adskillelse af motoren. Da jeg ikke har haft adgang til olieanalyser, har jeg for at illustrere og påvise den påståede sammenhæng, indsat en analyse og forklaring fra en rapport af Espen Dalsøren Tufte fra NTNU, kapitel 5, side 74. Rapporten er en specificeret rapport omkring skader opstået ved lav last. (Rapporten er på engelsk, teksten er omformuleret og oversat) Olieanalysen omhandler viskositeten ved 100 grader, og analysen er fortaget på et DP skib, der ligger på en bestemt position i to uger, inden det sejler ind og skifter mandskab og starter perioden forfra. Skibet er udstyret med fire hovedmotorer, som driver generatorsets der genererer strøm til de thruster der holder positionen på skibet. I de to uger skibet ligger på sin position, kører motorerne næsten kun i tomgang. I 2014 under en inspektion af motorerne finder man skader på hovedlejer, og skaden er opstået på grund af for højt indhold af brændstof i smøreolien. Side 35 of 43

41 Olie analysen viser at viskositeten på olien er for lav, og dette har medført brudt oliefilm. Olieanalysen ses herunder. Figur 17 Viskositet ved 100 Grader Celsius, Hovedmotor 1 & 2, Espen Dalsøren Tuften, Impact of low load Her ses det tydligt hvordan motorerne har kørt med for lav viskositet på olien siden Oktober 2013, kun en enkelt gang har viskositeten været over minimum på hovedmotor Turboladere Turboladeren drives af udstødningsgassen, og udstødningsgassen er et resultat af forbrændingen af brændstof og luft. M Røggas = M Brændstof + M luft ud fra denne ligning skal et af parametrene ændres for at få en optimering af turboen. Optimering af den allerede installerede turbo er valgt fra, da turboen er designet til en belastning af motoren, der ligger langt fra hvad den aktuelle belastning er. Her ses der større potentiale i at installere en hjælpeblæser, som man kender det fra de store to-takts motorer. En hjælpeblæser ville kunne øge mængden af luft ved lav last, og koble ud ved belastninger af generatoren, der tilgodeser at turboen tager over. En udskiftning af turboladeren til en variabel turboinstallering kunne være en mulighed for optimering i forhold til det, at der mangler den nødvendige tilførsel af luft ved lav last. Motorerne er installeret med turboladere, med en aksial turbine fra KBB. Disse turbiner har ikke samme mulighed for regulering af måden, hvorpå udstødningsgassen rammer turbine bladene, da dysseringene er af fast materiale og er Side 36 of 43

42 designet ud fra en last kørsel på omkring 85% Ved indtaget af udstødningsgassen sidder en dyssering, som guider udstødningsgassen ned til turbinehjulet. Alt efter hvordan disse blade vinkles, skiftes der imellem om udstødningsgassen rammer turbinebladene med højhastighed eller med højt tryk, princippet som anskuelig gøres af kontinuitetsligningen. Figur 18 Justerbar dyssering, til turbolader. Variable Turbine Geometry (VGT), ABB. Herover er en illustration vist, for at give et bedre indblik i hvordan turboen arbejder under drift. Billedet er taget aksialt ind på turbinen, altså i udstødningsgassens retning ved drift. Turboen her er produceret af ABB og systemet VGT er testet på adskillige turbo modeller, både inden for dieselmotorer men også gasmotorer. På en regulerbar turbo kaldet VGT (Variabel geometri turbo), reguleres bladenes indstilling efter hvor stor mængde af udstødnings gas, der passerer turboen. Til venstres ses bladene i åben stilling, motoren er her belastet. Der produceres en så stor mængde af udstødningsgas, at gassen kan opretholde et tilpas ladetryk. Til højre er bladene kørt i stilling til en smal udstødningspassage, og den mængde udstødningsgas der passerer bliver tilført størst mulig hastighed. Her ved får motoren størst mulig udbytte ud af den udstødningsgas der produceres. Dette er en stor fortaler for at studere denne type turbo nærmere til brug ved lav last. Side 37 of 43

43 7. Konklusion Daniel Dølrath Toft - A11566 Allerede i det indledende arbejde med indsamling af rapporter og udefrakommende viden omkring lav last, tegner der sig et billede af, at det at under belaste en diesel motor medfører stor skade på materiellet. Analysen af rapporterne påviser skader på en række af motordele, og derudover peger den indsamlede information på at have særlig fokus på smøreolien. Det kan ud fra den fremviste og indsamlede information konkluderes at følgevirkningerne af lavlast indbefatter: Dårlig forbrænding som skaber stor sod udvikling, som aflejres på topstykke, ventiler og stempler. Ydermere efterlades der uafbrændt brændstof i forbrændingskammeret. Ringe kompressionstryk medfører at stempelringene har nedsat evne til at slutte tæt fra forbrændingskammer til olie sump. Meget ringe forhold ift. det at opretholde en tilfredsstillende kvalitet på smøreolien. Oliens viskositet bliver lavere, det samme sker med flammepunktet, der ydermere bevirker en manglende oliefilm til beskyttelse af vitale dele. Mere overordnet nedsætter dette serviceintervallerne på motorerne, fordi motordele skal udskiftes hyppigere end ellers. Hvilke fysiske skader kan dokumenteres ud fra service rapporterne? Alle motorerne gennemgår en opmåling i det forløb hvor de bliver renoveret. Ifølge de tilgængelige målerapporter er der ikke nogen af motordelene, som ikke holder sig inden for måletolerancerne. Ud fra dette konkluderes at selve det mekaniske slid ikke er dominerende, motorerne i sig selv lider ikke nogen overlast ved det at køre lav last. Dette bekræfter teorien om, at de skader der forvoldes på motorerne udelukkende har med lavlast driften at gøre. Men der ses fysiske skader i form af begyndende korrodering på stempelkroner og begyndende slid på udstødningsventiler, intet af dette er dog væsentlige skader. Det mest foruroligende punkt er lejeskålene i plejlstangens montering omkring krumtappen, da det her er synligt hvordan en lavere viskositet på olien forårsager manglende oliefilm. Flere af lejerne mangler store mængder materiale, og temperaturen under driften har være ukontrolleret. Side 38 of 43

44 Hvilke løsningsforslag er en mulighed ud fra de analyserede skader, med kendskabet til driften taget i betragtning? Ud fra det faktum at motorerne kører med Miller timing af indtagsventilerne, og derfor soder ekstraordinært, kan det konkluderes at der er tiltænkt til et højere driftniveau. Dette kan af hjælpes ved at ændre på tiden for åbningen af indtagsventilerne, og sørge for at ventilerne ikke kører efter Miller princippet før efter omkring 50% last. Samt ved udskiftning af turboladeren til en model, der indregulerer dyssebladene efter belastningen. Forureningen af smøreolien kan altså nedbringes ved større mængde luft i forbrændingskammeret. Ud over dette tyder alt information på at overvågningsprocessen omkring smøreolien, under kørsel af motorerne ved lav last skal være yderst patentlig. Man bør have udstyr ombord til at udføre de mest basale olieanalyser, såsom TBN niveau, flammepunkt, og viskositeten på olien. Så man med korte mellemrum har mulighed for at skifte eller tilføre olie til motorerne, hvis niveauet skulle blive kritisk. Studeringen af olieanalyser fra andre situationer indikerer, at niveauerne på olien falder i kraftigere grad end man skulle forvente på trods af hensyntagen til det faktum, at motorerne kører meget lav last. Hvilke ændringer kunne være ideelle for dette problem? Drift sikkerheden ombord bæres af at der altid er elektricitet til stede, og forsyningen af elektricitet kommer fra generatorerne. Derfor er der så stort fokus på, at der skal være et bestemt antal generatorer i drift konstant. I den ideelle verden, ville løsningen ud fra den indsamlede data være at ændre på reglementet omkring drift antallet af generatorer. Lade færre motorer om at dele lasten, så hver enkelt motor bliver kraftigere belastet. Mindske opstartstiden på de resterende motorer, ved altid at varme på smøreolie og kølvand. Samtidig med at overholde forskrifterne omkring at brænde motorerne rene efter 100 timers drift. Altså at ændre brugsmønsteret til en mere korrekt drift, forbundet med højere belastning og færre tomgangstimer. Side 39 of 43

45 8. Perspektivering Daniel Dølrath Toft - A11566 Denne problematik er opstået på baggrund af et brugs mønster som ligger langt fra, hvad der var tiltænkt i design fasen. Problemet er derfor et selvskabt problem, og ikke et problem som er opstået ud fra en fejl eller dårlige materialer. Altså bindes problemet til den, som anvender produktet imod hvad der er forskrevet. I og med at det er tilfældet, hvor ligger ansvaret så? De kontrakter der måtte være udfærdiget i forbindelse med leveringen af disse motorer må indeholde oplysninger omkring dette, og derfor kunne kontrakterne være interessante at studere. Hvis man forestiller sig af boreriggene i opstartsfasen med fuldt overlæg er blevet overdimensioneret, hvordan kan det så være at ingen har taget højde for dette problem? Man må formode at generatorernes størrelse er bestemt ud fra, hvad man forventer boreriggene kommer til at forbruge. Hvis man havde haft tilgang til interne dokumenter fra diverse rigge, og kunne analysere på hvordan forbruget har lagt de sidste 5 år, ville det havde været meget interessant at se på om man kunne forsvare mindre generatorer, eller måske installere 50% af generatorerne i en markant mindre størrelse. For derfor at kunne belaste generatorerne i en sådan grad at man mindsker problemet markant. Men uden information omkring elforbruget er det svart at argumentere for en sådan løsning. Side 40 of 43

46 Litteraturliste Termodynamik, 2. Udgave, Nyt teknisk forlag, 2007 Diesel Engines Part I, Kees Kuiken, 2008 Diesel Engines Part II, Kees Kuiken, 2008 Critical component wear in heavy duty engines, P.A. Lakshminarayanan, Nagaraj S. Nayak, 2011 NTNU Trondheim. (Norwegian University of science and technology) Department of Marine Technology Impacts of low load operation of modern four-stroke diesel engines in generator configuration, Espen Dalsøren Tuften Side 41 of 43

47 Links Espen Dalsøren Tuften Nitrogenoxider: ogenoxider Svovl: ing)?highlight=svovl Carbon: bon Forbrænding: %C3%A6nding?highlight=forbr%C3%A6nding Mobile Guard 412, Smøreolie: series.aspx# J. F. Archard and W. Hirst, The Wear of Metals under Unlubricated Conditions: ABB, Variable Turbine Geometry. VGT ile/abbtc_bro1230_vtg.pdf Alle links er tilgået den 15-12/2014 Side 42 of 43

48 Bilag: Side 43 of 43

49 Side 44 of 43