🟢Аннотация.
Минувшее почти десятиление показало, что режимы эксплуатации судовых главных двухтактных дизелей сильно изменились. Суда стали ходить медленнее по нескольким причинам и главные двигатели стали часто работать на низких, долевых нагрузках. Частая работа на подобных ражимах приводит к очень вредному и опасному явлению - низкотемпературной коррозии деталей цилиндро-поршневой группы, особенно ярко эффект проявляется на цилиндровых втулках. Эта статья расскажет о мерах, предпринимаемых компанией WinGD, направленных на изучение феномена низкотемпературной коррозии и разработку мер по защите от нее.
Сразу сошлюсь на ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА, расположенный в моей БИБЛИОТЕКЕ в Телеграм.
Предпринимаемые меры включают следующие шаги:
- контроль за отложением продуктов работы цилиндрового масла и снижение износа при введении в работу и последующей эксплуатации посредством подбора оптимальных материалов и соответствующей механической обработки
- адаптация конструкции дизеля для минимизации конденсации паров серной кислоты на поверхности цилиндровой втулки и оптимизация распределения масляной пленки как вдоль втулки, так и по ее окружности
- изучение влияния новых режимов работы (малый ход и отсеченный турбокомпрессор) на состояние деталей цилиндро-поршневой группы и определение мер по больбе с негативными эффектами
Предлагаемые меры по борьбе с обозначенными проблемами:
- подбор и обработка металла, включающие платохонингование (плоскохонингование) и хромо-керамическое напыление поршневых колец, что снижает фазу "приработки" и последующий рабочий износ. При повреждении хромо-керамического покрытия вследствии коррозии, но вовремя распознанном и последующим увеличением подачи цилиндровой смазки, назначительные задиры восстанавливаются. Такое свойство порытия не может быть недооценено.
- первое поршневое кольцо с газоплотным замком отделяет рабочий объем и камеру сгорания от подпоршневой полости и остального набора колец лучше, чем кольца с замками других типов.
- использование изолирующих гильз, вставляемых в охлаждающие каналы цилиндровой втулки для повышения температуры втулки в области камеры сгорания и ввод в эксплуатацию систем, поддерживающих более высокую температуру цилиндровой втулки при которой будет невозможна конденсация паров влаги на стенках на всех режимах работы двигателя.
- оптимизированные дозаторы цилиндровой смазки и система каналов на цилиндровой втулке, способствующая удержанию цилиндрового масла и равномерному его распределению как по высоте втулки, так и по ее окружности.
- подбор оптимального цилиндрового масла и контроль за его остаточным щелочным числом для определения условий начала низкотемпературной коррозии и выработки правил для недопущения начала этого вредного процесса.
- обширное информирование судовладельцев и операторов о новых условиях, мерах и нормах.
Компания WinGD, на основе полученных данных, делает ставку на уменьшение количества поршневых колец до двух или даже до одного, внедрение инновационной поршневой юбки, что повлияет на центровку поршня в цилиндровой втулке и систему замкнутого контура цилиндровой смазки, работающий по принципу поддержания постоянства щелочного числа.
🟢Введение.
С момента начала мирового финансового кризиса в октябре 2008-го года и до 2016-го судовые двухтактные двигатели претерпели существенные изменения в режиме работы. Необходимость доставлять груз быстро отпала, что привело к падению средней скорости хода, и, как следствие, изменению режима работы главных двигателей. Средняя эксплуатационная мощность упала с 65% до 45% от максимальной длительной. Скорость доставки груза упала, периоды стоянки в портах снизились, и, казалось бы, что можно окончательно снизить требования к скорости хода и проектировать двигатели на меньший ход... Но никуда не делись пиратские зоны, скорость хода в которых нужно держать не менее 18 узлов, расписание контейнеровозов стало хаотичным и беспорядочным, периодически требующим развитие больших скоростей, что остается костью в горле инженеров-конструкторов, вынужденных подстраивать существующие мощные двигатели под длительную работу на малых нагрузках.
Частая работа двигателя на малой нагрузке приводит к полномасштабному проявлению феномена под названием "низкотемпературная коррозия", являющегося результатом конденсации паров влаги в цилиндре и образованием серной кислоты при смешивании образовавшейся влаги с продуктами сгорания серосодержащего топлива. Компания WinGD проводит ряд мероприятий по изучению этого эффекта и разработке мер по предотвращению и борьбе с ним...
🟢Взаимосвязь между ходом судна и цилиндровой смазкой. Трибология (наука о смазке) ДВС до массового перехода на долевые нагрузки.
Поршневые кольца.
В качестве базового металла для поршневых колец используется чугун. Он дешев относительно других вариантов, легко точится и подвергается пост обработке. В качестве покрытия рабочей поверхности колец используется хромо-керамика. Хромо-керамическое покрытие отлично работает на трение и хорошо сопротивляется задирам, прекрасно проходит приработочный период.
Для оптимизации процесса распределения цилиндрового масла по стенке цилиндровой втулки применяется технология профилирования колец. Поверхность, прилегающая ко втулке имеет форму асиметричной бочки, а не правильного цилиндра (верхний диаметр меньше нижнего).
Цилиндровая втулка.
Механическая обработка цилиндровых втулок серьезных изменений не притерпела. Токарная обработка сменяется полировкой и хонингованием, затем, финишным плато-хонингованием. Смотри Рисунок 2. Немного изменилась технология, производственные циклы были оптимизированы и производство каждой втулки стало дешевле, а затраты времени на это - меньше. Но цель в производстве втулок тоже поставлена. Идеальным было-бы получение новых втулок со свойствами тех, что уже в работе несколько тысячь часов. Период приработки при таком условии будет отсутствовать вовсе, а расход масла будет оптимальным.
Цилиндровое масло.
До массового перехода на низкие мощности рынок цилиндровой смазки предлагал два базовых варианта: масла с щелочными числами 40 и 70. Были и эксклюзивные варианты с очень низким или очень высоким ЩЧ (вплоть до 100 мгКОН/г). КОН (гидооксид калия) используется как эквивалент для измерения способности масла нейтрализовывать серную кислоту. Масла разных брендов, как ни странно, уникальны... Имея одни и те-же параметры в спецификации, масла разных производителей могут вести себя по разному в плане окисления и испарения с поверхности втулки. Причиной этому служит то, что, не смотря на "единый" источник сырья, разные бренды используют присадки собственной разработки (и тщательно скрывают эту коммерческую тайну от конкурентов). В результате из одной "бочки" сырца получается несколько "канистр" уникальной смазки.
🟢Урон двигателю длительной эксплуатацией на долевых нагрузках.
После начала морового финансового кризиса в 2008-м, сразу после появления режимов длительной работы на долевых нагрузках стали появляться случаи серьезных повреждений цилиндровых втулок и колец. Причиной была низкотемпературная коррозия. Смотри Рисунок 6. На Рисунке 7 - нормальное состояние цилиндровой втулки.
Более того, сернокислой коррозии подвергаются и поршневые кольца, даже их хромо-керамическое покрытие. Смотри Рисунок 8. На Рисунке 9 - нормальное рабочее состояние поршневого кольца с хромо-керамическим покрытием.
🟢Разработка решения проблемы.
Прежде, чем начать разрабатывать решение, нужно понять и установить точно взаимосвязь параметров работы цилиндро-поршневой группы со случаями возникновения повреждений. Нужно установить состояние втулки, колец, состояние масляной пленки.
Физические и химические параметры, действующие на цилидровую смазку:
- давление в цилиндре и температура газов (рабочего тела)
- содержание воды в топливе, оксидов серы и азота в остаточных (часть газа остается в цилиндре после прдувки (учитывается коэффициентом полноты продувки)) и выпускных газах
- давление и влажность воздуха в продувочном ресивере
- перемещение масляной пленки по стенке цилиндровой втулки поршневыми кольцами
- температура стенки цилиндровой втулки
- химические реакции в масле на поверхности цилиндровой втулки
Температура стенки цилиндровой втулки и тип покрытия поршневых колец.
То, что температура втулки и тип покрытия колец непосредственно влияют на износ - это факт, но знания эти необходимо было консолидировать. Был проведен эксперимент на реальном двигателе коммерческого судна. Две пары цилиндров были оснащены поршневыми кольцами с разным типом покрытия, а каждый из цилиндров работал на двух режимах (нормальный и со сниженной температурой стенки втулки).
Для вычисления износа был вычислен максималный, а остальные даны в процентром соотношении к нему. Покрытие CKS 37 - хромокерамическое покрытие, нанесенное гальваническим методом, РМ 2 - хромокерамическое кокрытие, нанесенное плазменной струёй. Все 4 поршня были оснащены первым кольцом с газоплотным замком и тремя остальными с прямым замком.
Вся эта сборка работала на топливе с содержанием серы 4% ( напомню, что статья от 2016-го года), а цилиндровое масло имело щелочное число 70. Результаты в таблице на Рисунке 11.
В результате фактического исследование было подтверждено, что возможность конденсации влаги и паров серной кислоты на стенках цилиндровой втулки сильно снижается при повышении температуры втулки. Но, стоит учесть, что оптимальная температура должна не только исключать низкотемпературную коррозию, но и не допускать испарения цилиндрового масла со стенки цилиндровой втулки.
Касательно типов хромо-керамического покрытия... РМ 2 (нанесение струей плазмы) показало себя хуже, чем CKS 37 изза пористости и низкой плотности. Смотри Рисунок 13 и Рисунок 14.
Точка отсчета сопротивляемости покрытия колец коррозии.
Аномальный результат работы поршневых колец в кислой среде показан на Рисунке 8. Разработчиков он удивил и побудил к глубокому исследованию проблемы. Покрытие CKS 37 пришло на торговый флот с берега, как результат десятилетий усердной работы над развитием дизельной техники для сельского хозяйства. В качестве потенциального конкурента выступало покрытие РМ 2. Напомню, что CKS 37 - гальваническое покрытие, а РМ 2 - плазменное напыление. Для чистоты эксперимента был проведен опыт с прямым воздействем серной кислоты на оба вида покрытия, при этом образование стойких к кислотам оксидов хрома удалялись для продолжения эксперимента (имитация износа трением). Вот результат...
Покрытие CKS 37 растворялось слой за слоем, но базовый материал остался нетронутым. Покрытие РМ 2 при послойном растворении подвергалось и внутренней деградации. И хромо-керамическое покрытие РМ 2 и основной метал поршневого кольца под ним получил губчатую структуру. Материал разрушался изнутри всвязи с пористостью структуры покрытия РМ 2. Вывод однозначный - для работы в корозионно агрессивных условиях покрытие CKS 37 подходит больше.
Распределение цилиндрового масла по поверхности втулки.
На начальной стадии исследования не было ясно, какой именно фактор: нейтрализующее свойство масла или его распределение по стенке втулки играли решающую роль в развитии холодно кислой коррозии. Для расставления точек над "i" в этом вопросе была введена система отбора проб цилиндрового масла со стенки втулки. Смотри Рисунок 15.
Зачем нужно делать отдельную систему? Для чистоты эксперимента. Дело в том, что в дренажную трубу подпоршневой полости одного цилиндра может и попадает масло из соседнего, также там может присутствовать системное масло из картера, которому удается просочиться через уплотнение штока. Система на Рисунке 15 от таких проблем избавлена и позволяет брать пробу масла с трех разных точек на стенке втулки, что дает возможность оценить распределение масла не только по высоте, но и по окружности. Первый же результат показал, что поршневые кольца хорошо распределяют масло по высоте втулки, но не по окружности. Причиной были поршневые кольца, конструкция которых даже не подразумевала движение масла по окружности. Как результат - появление профилированных колец (Рисунок 5).
Для количественного выражения неравномерности распределения масла по стенке цилиндровой втулки был введен "индекс неоднородности", что рассчитывается как отношение отклонения от среднего значения неоднородности к среднему значению неоднородности. Смотри Рисунок 16.
Примечательно то, что "индекс неоднородности" универсален и может применяться к разным маслам. Чем ниже индекс - тем равномернее масло распределяется по стенке цилиндровой втулки. Если при переходе с одного масла на другое индексы совпадают или близки по значению, значит, оба вида масла обладают идентичными свойствами и ведут себя примерно одинаково.
Компания WinGD использует системы смазки собственной разработки. Следующий опыт показал, что инжекторы цилиндровой смазки четвертого поколения (Мк 4) показали себя гораздо лучше таковых пеового поколения (Мк 1). Цилиндры с инжекторами четвертого поколения имели самые низкие показатели неоднородности распределения смазки по стенке втулки. Смотри Рисунок 17.
Разрабочтики продолжили развивать мысль с типом инжекторов и соорудили тестовый стенд, воссоздающий условия в цилиндре двигателя для тестирования различных модификаций инжекторов и установления зависимости качества "доставки" масла к стенке втулки от параметров работы цилиндра. Смотри Рисунок 18.
Прорывных технологий в изготовлении инжекторов не применялось; велись работы по выяснению зависимости формы струи от диаметра сопел, длины канала, длины иглы и т.д. Тестовый стенд способен воссоздавать давление и температуру в камере как в цилиндре ДВС, давление и температуру цилиндрового масла и кривизну стенки втулки. По результатам ряда экспериментов эмпирическим (экспериментальным) путем были установлены модели поведения струи масла в разных условиях и модели столкновения струи масла со стенкой втулки. А вот на базе полученных практическим путем данных было создано програмное обеспечение, в рамках которого можно варьировать ключивые параметры в поиске оптимального результата.
Инжекторы цилиндровой смазки для двигателей серии "Х" созданы при помощи этого програмного обеспечения.
Как только вопрос с распределением масла по окружности втулки был решен, разработчики стали работать над проблемой перемещения масла вверх по втулке в область первого поршневого кольца. Посмотри еще раз на Рисунок 10. На нем маленькими оранжевыми квадратиками обозначена толщина масла на стенке втулки, и в области первого поршневого кольца слой минимален.
Пойти по пути смещения точек смазки ближе к ВМТ непрактично. Было принято решение о нарезании канавок для удержания масла выше точек установки инжекторов. Канавки способствуют удержанию и перемещению масла в нужном направлении. Всего применялось 2 вида канавок. Смотри Рисунок 20.
Результат эксперимента был положительным. Проведенные замеры экспериментальных и серийных втулок приведены в графике на Рисунке 21. Износ (увеличение диаметра) в области верхней мертвой точки втулки с дополнительными канавками меньше в разы!
К двигателям Вяртсиля серии "Х" применяется дополнительно возможность регулировки момента впрыска смазки отностиельно положения поршня во втулке, изменение модели впрыска в зависимости от нагрузки на двигатель и режима раьботы выпускного клапана, настройка работы насоса цилиндровой смазки. Все в совокупности серьезно повышает износостойкость делатей цилиндро-поршневой группы и, как следствие, надежность машины.
Но, если не уделять должное внимание качеству смазки и удельному её расходу, то все выше перечисленные улучшения просто сделают двигатель дороже, но не надежнее...
Свойства цилиндрового масла.
Парметры работы двигателя варьируются в зависимости от множества факторов: погода, сорт топлива, загрузка, ... Но до аварийного состояния, как на Рисунках 6 и 8 чаще доводит именно длительная работа на долевой нагрузке.
Если проблему на технологическом уровне можно решить модификациями втулок, колец и инжекторов, то постоянно меняющиеся характеристики лубриканта и условия его работы в определенный момент времени можно лишь констатировать по месту. Именно поэтому нужно дать экипажу возможность оценивать качество работы цилиндрового масла. Точно определить показатели масла позволяет система на Рисунке 15, но этот способ довольно деликатный и затратный. Нужно внедрить способ оценки качества сделавшего свою работу цилиндрового масла традиционным способом - анализом пробы масла из подпоршневой полости. Разработчики отправили запросы на тестовые суда - брать еще и стандартную пробу в дополнение к той, что на Рисунке 15. Пробы были отправлены в лабораторию для анализа на остаточное щелочное число и содержание железа. Результаты на графике на Рисунке 22.
В результате мы поличили киличественную оценку износа и работы цилиндрового масла. Запоминай, если содержание железа в остаточном масле 200 мг/кг, то это норма. Если содержание железа колеблется в пределах 1000 мг/кг, - холодно-кислая коррозия имеет место быть. Если содержание железа в остаточном цилиндровом масле превысит 2000 мг/кг, - скорее всего кольца уже задрали втулку. Самое интересное, что если остаточное щелочное число в масле не падает ниже 22 мгКОН, то и железо в металле не поднимается выше 200 мг. Существенной разницы в показаниях разделенной пробы и пробы из подпоршневой полости нет, проба из подпоршневой имеет большее щелочное число, что связывают с работой колец, что снимают излишки масла в подпоршневую.
Вывод, при остаточном щелочном числе выше 22 мгКОН двигатель надежно защищен от сернокислой коррозии. Такой результат был разослан всем владельцам двухтактных двигателей "Вяртсиля" в виде специальной сводной таблицы и графика. Смотри Рисунок 23.
Конкретная рекомендация для операторов судов - на регулярной основе производить анализ масла из подпоршневых полостей на предмет остаточного щелочного числа и не допускать падения этого показателя ниже 25 мгКОН. Тем ни менее, "больше - не меньше" тут не подойдет и чрезмерное количество цилиндровой смазки тоже приведет к аварии. Большое количество масла будет откладываться на поршне в виде карбоната кальция, что приведет к контакту этих отложений со втулкой и ее полировке. На полированной поверхности масло не задерживается и задир неизбежен. Если остаточное щелочное число более 50 мгКОН - рекомендуется снизить подачу масла.
Помимо регулярного анализа на борту, нужно периодически отправлять пробы в береговые лаборатории. В судовых условиях мы можем произвести весьма ограниченный круг операций, а береговые даже следы каталитического катализатора смогут в масле найти.
В дополнении к анализам на регулярной основе нужно производить визуальный осмотр деталей цилиндро-поршневой группы через продувочные окна во время стоянки.
Также, анализ масла на предмет ЩЧ рекомендуется произвести при значительном изменении нагрузки на главный двигатель, смены партии цилиндрового масла, смены партии топлива.
На этом пока все, но продолжение будет...
Все мои проекты по ЭТОЙ ссылке.
