Text (PDF):
Read
Download
Введение Вопросам надёжности работы судовых дизелей уделяется большое внимание, поскольку от них зависит безопасность мореплавания. В последнее время весьма широко и разнообразно рассматриваются отказы судовых малооборотных и среднеоборотных дизелей и их причины [1-3]. Однако в отношении дизелей повышенной оборотности, в частности дизелей фирмы Caterpillar, эти вопросы изучены недостаточно. Наряду с традиционными дизелями на современных судах наблюдается использование двигателей с электронным управлением, в том числе в качестве дизель-генераторов, а также двигателей автотракторного типа без электронного управления. Так, на танкерах типа «Георгий Фройер» дедвейтом 5 000 т судоходной компании «Дельта» успешно эксплуатируются дизель-генераторы автотракторного типа фирмы MAN (D2842LE), которые относятся к разряду необслуживаемых. Данные двигатели мощностью 421 кВт при 1 500 об/мин, Pem = 15,36 бар (в количестве 4 ед.), установлены в качестве дизель-генераторов и приводных двигателей для винтовых грузовых насосов. Назначенный фирмой ресурс составляет 50 тыс. ч. Удельный эффективный расход дизельного топлива - 197 г/(кВт×ч.). Параметры указанных двигателей приводятся для сравнения в дальнейшем с дизелями нового поколения. Результаты длительной эксплуатации этих двигателей представлены в работе [4]. Конструкционное исполнение и результаты эксплуатации дизелей фирмы Caterpillar C9 Для сохранения ресурса дизель-генераторов как приводных двигателей грузовых насосов, повышения надёжности и эффективности электрообеспечения при малых нагрузках на указанных судах были дополнительно установлены по одному дизель-генератору С9 фирмы Caterpillar (САТ) с электронным управлением под заводскими номерами SJB00492 и SJB00490. Как известно, фирма Caterpillar широко и успешно внедряет дизели с электронным управлением; С9 - шестицилиндровый дизель морского типа достаточно новой модели мощностью 175 кВт при частоте вращения 1 500 мин-1. Диаметр цилиндра - 112 мм, ход поршня - 149 мм, степень сжатия - 16,1, удельный расход топлива номинальный - 210 г/(кВт×ч). Отношение хода поршня к диаметру цилиндра составляет 1,33, и средняя скорость поршня - 7,45 м/с. По данным показателям двигатель можно отнести к разряду среднескоростных [5]. Установленный на двигателе микропроцессор выполняет следующие функции: - электронного регулятора скорости, поддерживающего скоростной и нагрузочный режим; - управления подачей топлива в соответствии с заданным режимом по фазам, количеству топлива и закону подачи; - контроля и сохранения в памяти основных параметров дизеля и обслуживающих его систем; - сохранения в памяти процессора всех отклонений и нарушений в работе дизеля и выдачи их на экран процессора или печатающее устройство, в том числе и за длительный период эксплуатации; - срабатывания аварийно-предупредительной сигнализации при выходе параметров за уставку, снижения нагрузки и далее остановки дизеля по критическим параметрам. Принципиальная схема системы электронного управления двигателем приведена на рис. 1. Рис. 1. Схема и состав элементов системы управления двигателем: 1 - гидравлический насос активации процесса впрыскивания; 2 - трубопровод циркуляционной смазки; 3 - масляный фильтр; 4 - насос циркуляционной смазки; 5 - форсунки; 6 - охладитель масла; 7 - масляный трубопровод высокого давления; 8 - топливный трубопровод; 9 - топливоподкачивающий насос; 10 - топливный фильтр; 11 - фильтр предварительной очистки топлива и отделения воды; 12 - топливная цистерна; 13 - клапан регулирования давления топлива; 14 - шестерня распределительного вала; 15 - датчики частоты вращения и мертвых точек поршней; 16 - электронный управляющий модуль ЕСМ; 17 - датчик температуры масла; 18 - датчик системы наддува; 19 - датчик системы охлаждения; 20 - датчик температуры наружного воздуха; 21 - датчик атмосферного давления воздуха; 22 - датчик давления масла; 23 - датчик давления топлива; 24 - датчик положения топливной рейки Топливоподающая аппаратура представлена насос-форсунками с гидроприводом. Основные операции по управлению рабочим процессом замыкаются на электронный модуль ЕСМ. Топливная система включает в себя четыре базовых компонента: 1) гидравлическую электронно-управляемую систему HEUI для реализации закона подачи топлива насос-форсункой - 5; 2) электронный управляющий модуль ECM - 16; 3) гидравлический насос активации процессов впрыскивания форсунок (Unit injector hydraulic pump - UIHP) - 1; 4) топливоподкачивающий насос - 9. Система HEUI использует циркуляционное масло, которое сжимается до давления 6-25 МПа в насосе активации для получения необходимого давления впрыскивания топлива форсункой. Система HEUI действует как гидравлический цилиндр для многократного повышения силы, действующей на плунжер топливного насоса высокого давления в целях достижения высокого давления впрыскивания. Низкое давление активации обеспечивает соответственно пониженное давление впрыскивания на холостых и пониженных нагрузках двигателя. Высокое давление активации управляет процессами с резкими и высокими нагрузками. Другие многочисленные режимы протекают в расчётном диапазоне от минимального до максимального давления активации. Топливоподающая аппаратура с насос-форсунками и гидроприводом обеспечивает необходимый закон подачи топлива, состава смеси, качества смесеобразования и угол опережения подачи топлива. Основные операции по управлению рабочим процессом и исправность функционирования всех элементов замыкаются на электронный управляющий модуль ЕСМ. Гидравлическая насос-форсунка и элементы топливоподачи необслуживаемые и неразборные. В планах-графиках планово-предупредительных осмотров (ППО) и планово-предупре-дительных ремонтов (ППР) периодичность их обслуживания и ресурс не указаны (см. рис. 2). По остальным элементам сроки проверок понятны и мало отличаются от обычных двигателей. Двигатель имеет благоприятные данные по экологическим показателям (табл.) Экологические показатели двигателя С9 фирмы Caterpillar Процесс Концентрация на режиме № 1 Концентрация на режиме № 2 Концентрация на режиме № 3 Концентрация на режиме № 4 Концентрация на режиме № 5 % 100 75 50 25 10 NOx 1 476 ppm 1 266 ppm 1 030 ppm 850 ppm 1 248 ppm 3 060,4 мг/нм3 2 616,7 мг/нм3 2 138,9 мг/нм3 1 783,9 мг/нм3 2 598 мг/нм3 5,89 г/л.с∙ч 8,13 кВт∙ч 5,19 г/л.с∙ч 7,16 кВт∙ч 4,45 г/л.с∙ч 6,14 кВт∙ч 4,18 г/л.с∙ч 5,77 кВт∙ч 8,44 г/л.с∙ч 11,65 кВт∙ч Сравнительный анализ рабочего процесса дизелей С9 и S20 на различных режимах Организация рабочего процесса дизеля С9 и его некоторые параметры представлены в сравнении с дизелем S20 фирмы Sulzer, имеющим традиционную конструкцию. Дизель S20 имеет диаметр цилиндра 200 мм, ход поршня - 300 мм, длинноходность - 1,5, частоту вращения - 1 000 мин, среднюю скорость поршня - 10 м/с, среднее эффективное давление - 18,5 бар, цилиндровую мощность - 145 кВт, удельный расход топлива - 195 г/(кВт·ч). Для анализа особенностей рабочего процесса приведены зависимости изменения ряда доступных параметров от нагрузки по данным стендовых испытаний дизелей С9 [6] и S20 [7]. В качестве параметра, определяющего условия воздухоснабжения и качество процесса сгорания, принято характеристическое отношение давления наддува к среднему эффективному давлению Рн / Pem (см. рис. 3). Рис. 3. Изменение условий воздухоснабжения и температуры отходящих газов дизелей С9 САТ и S20 Sulzer при различных нагрузках: 1 - характер протекания параметра Рн / Pem и его процентное изменение - 1а - у дизеля С9 мощностью 175 кВт; 2 - характер протекания параметра Рн / Pem и его процентное изменение - 2а - у дизеля S20; 3 - температура отходящих газов перед турбиной дизеля С9; 4 - температура отходящих газов перед турбиной дизеля S20; 5 - температура отходящих газов за турбиной дизеля С9 Как следует из графических зависимостей на рис. 3, отношение Рн / Pem имеет равные значения у обоих двигателей (0,15) при номинальной нагрузке и остаётся практически одинаковым до нагрузки 50 %, изменяясь по одному закону. При дальнейшем уменьшении нагрузки у сравниваемых двигателей до 25 % от Ре параметр воздухоподачи дизеля С9 возрос на 201 %, а у дизеля S20 - на 180 %. Увеличение расхода воздуха отразилось на изменении температуры отработавших газов перед турбиной. Если на режимах полного хода эти температуры сопоставимы и различались на +18 °С у САТ, то на режимах 25 % от номинальной мощности эта температура стала ниже на 60 °С. В результате некоторого обеднения смеси, а также возможных особенностей закона подачи и параметров процесса впрыскивания топлива при электронном управлении, удельный расход топлива на дизеле С9 возрос значительней, чем у дизеля S20 в указанном диапазоне изменения мощности (рис. 4). Как следует из графиков, при нагрузках более 60 % характер изменения удельного расхода топлива совершено одинаков. Но уже при нагрузке 25 % gе у дизеля S20 возрастает на 15 %, а у дизеля С9 - на 25 %, при дальнейшем резком росте gе к 35 %, с уменьшением нагрузки к 15-20 % от номинальной мощности. Более высокий (на 5 %) удельный расход топлива у дизеля С9 на полной нагрузке может быть связан с фактором большей быстроходности и, возможно, экологическими особенностями построения рабочего процесса. Рис. 4. Сравнительное изменение удельного расхода топлива gе, в г/(кВт·ч) и в процентах, дизелей С9 САТ и S20 Sulzer на различных режимах: 1 - удельный расход топлива дизеля С9 и процент его изменения; 2 - удельный расход топлива дизеля S20 и процент его изменения - 2а; 3 - объёмный расход топлива, л/ч; 4 - давление наддува двигателя С9, кПа Рост удельного расхода топлива при нагрузках ниже 50 % от номинальных значений связан с резко возрастающим обеднением смеси (см. рис. 3). Анализ работоспособности элементов и систем дизеля С9 1. Топливная система. С момента установки дизелей на судно в первом квартале 2009 г. их наработка за 4 года составила 13,4-15,0 тыс. ч, что вдвое ниже ожидаемой ввиду простоев из-за низкой надёжности топливной аппаратуры и многих элементов дизеля. Ненадёжность топливной аппаратуры объясняется сложностью конструкции насос-форсунок при высоких требованиях к чистоте топлива (до 2 мкм) и его качеству. Следует отметить, что многие ответственные детали дизеля, включая форсунки, являются не ремонтопригодными в судовых условиях и неразборными. В процессе электронно-управляемого впрыска, очевидно, происходит заедание в сложных элементах насос-форсунки, которые приводят к сообщению гидросистемы масла с топливной системой и подаче большого количества топлива в систему масляного гидропривода форсунки и далее в картер двигателя. В течение 2-3 ч уровень смеси «масло - топливо» в картере увеличивается на несколько сантиметров. Этот отказ не фиксируется датчиками системы управления в целом и тем более не выявляет дефектную форсунку при диагностировании сервисными специалистами (как в «Амурмашинери», так и в сервисном центре фирмы САТ в порту Пусан). Диагностика не отмечает каких-либо ненормальностей вообще, и только после сообщения механиками о протечках топлива сервисные специалисты рекомендуют поменять форсунки. Далее проблема решается заменой всех шести форсунок стоимостью около 1 500 долл. США за каждую. Дальнейшая проверка и ремонт форсунок выполняются на заводе-строителе по цене, равной новой форсунке, и, конечно, завершается закупкой новых форсунок. Топливо может попадать в масляную систему также через сальник подкачивающего топливного насоса, который уплотняет и разделяет его от гидропривода активации (см. рис. 1). За время эксплуатации пришлось менять 3 комплекта форсунок. Основной причиной всех отказов дизеля фирма считает несоответствие используемого топлива. В настоящее время на судах применяется лёгкое топливо типа ТСМ (топливо судовое маловязкое), близкое по составу к дизельному летнему. На основных дизель-генераторах судна (дизели автотракторного типа фирмы MAN типа D2842LE) в качестве фильтров грубой очистки использовались только бумажные фильтро-элементы невысокой тонкости отсева (до 25 мкм). Для лучшей очистки этого топлива на дизелях С9 по рекомендации фирмы дополнительно к фильтрам установлены очистители Rakor, а также топливные сепараторы СЦ 1,5. Однако радикального улучшения в работе дизелей не последовало. 2. Гидронасосы активации. Отмечается очень узкий диапазон допускаемых отклонений давления в гидронасосе активации или низкое качество насосных пар многоплунжерных насосов. Через 5 300 ч обнаруживалось срабатывание диагностических кодов и колебание частоты тока с последующей далее заменой гидронасосов активации по цене 3 500 долл. за единицу. 3. Элементы топливной системы. Выявилась неустойчивая работа двигателя при нагрузке более 35 % из-за отказа в работе предохранительного клапана на топливоподкачивающем насосе с последующей заменой насоса. 4. Система охлаждения. Потребовалась замена охлаждающего насоса из-за разрушения крыльчатки. Следует отметить, что все эти нарушения выявляются только по сигналу датчиков «Диагностика», поскольку не предусмотрен контроль параметров традиционными приборами. Причины может выявить только сервисный инженер по данным компьютера после прихода судна в порт. Низким оказалось качество воздухоохладителей турбонаддува, где потребовалась пайка водотечных швов. 5. Электронная система управления. На танкере «Марин Альянс» имели место неоднократные отказы компьютера (С9 САТ, серийный номер SJB00490), которые описаны в рапорте старшего механика от 18.09.2012 г.: «К 2012 г. дизель отработал 13 920 ч с многочисленными отказами в системах топливоподачи. В данное время при работе САТ с рабочими параметрами частота тока резко падает до 45 Hz, и, соответственно, напряжение; обороты снижаются до 1 290 мин-1, генератор продолжает работать. На дисплее сигнал «Диагностика» не загорается. После снятия нагрузки с САТ обороты возвращаются, дизель работает устойчиво под нагрузкой с рабочими параметрами. Падение давления на топливных фильтрах не наблюдается. Дважды после таких отказов меняли топливные и воздушные фильтры, но в итоге отказы повторялись. Провели эксперимент: при работающем двигателе поочередно разъединяли фишки датчиков контроля, включая датчик частоты вращения: изменений никаких - на дисплее ничего не высвечивается, частота не падает, двигатель работает. Отсюда возникает вывод: главный компьютер САТ «не видит» проблемы в работе двигателя и поэтому на неё не реагирует». 6. Комплектующие детали. В первые годы эксплуатации из-за низкого качества различных комплектующих деталей и трещин были заменены масляные трубопроводы активации высокого давления, многие гибкие шланги (дюриты), разрушился электрический двигатель стартера и т. д. Как упомянуто ранее, любую крупную или мелкую поломку или отказ может выявить и исправить только сервисный специалист со специальным инструментом и электронным ключом для входа в диагностическую систему по приходу в порт. Это касается даже новых форсунок, которые поставляются с программным диском. Только сервисный инженер может ввести новую форсунку в схему, активировать систему и далее запустить двигатель в работу. 7. Работоспособность цилиндропоршневой группы (ЦПГ). К работе деталей ЦПГ и клапанного механизма замечаний нет, кроме недостаточной работоспособности кулачков распределительного вала. По нормам фирмы через 12 тыс. ч рекомендуется оценить целесообразность проведения технического обслуживания двигателя (моточистки). Критерии целесообразности обозначены в информационном письме фирмы 47905 для владельцев дизелей САТ, в котором говорится, что «период между ремонтами устанавливается с учётом и на основании статистических данных сервисного обслуживания и ремонтов. При этом выбираются средние значения показателей, характеризующих удовлетворительную работу двигателя. Однако качественное обслуживание двигателей, сопровождаемое результатами регулярно проводимых анализов масла (с учётом режимов и условий работы дизелей) даёт достаточные основания констатировать, что период между ремонтами (вскрытиями) может быть увеличен по сравнению с рекомендациями нашей фирмы, изложенными в сервисной литературе и инструкциях по обслуживанию. При условиях удовлетворительной работы двигателей, отсутствии прорыва газов через поршневые кольца, нормативных показателях расхода топлива и масла и нормальном техническом состоянии дизеля мы рекомендуем продление периода между вскрытиями и выполнение полной разборки деталей ЦПГ только тогда, когда в масле обнаруживается чрезмерная концентрация металлов - индикаторов износа» [6]. На дизелях использовались рекомендованные фирмой масла с частотой замены 500 ч с последующим комплексным анализом проб, включая спектрографические данные по продуктам износа. Так, на танкере «Марин Альянс» (С9 САТ, серийный номер SJB00490) в процессе наработки двигателя от 5 500 до 14 000 моточасов было выполнено 12 комплексных анализов отработавшего масла. Физико-химические показатели масла находились в допустимых пределах. В частности, среднее содержание механических примесей составило 0,41 %, что не превышает 20 % от допустимых значений. Всё это указывает на то, что прорывы газов через кольца практически отсутствовали. Нормальное состояние поршневых колец и цилиндровых втулок подтверждается также не возросшим расходом масла на угар. Концентрация основных металлов - индикаторов износа деталей ЦПГ и подшипников - составляла: 1) железо - 13,7 г/т (допускаемое значение - 50-70 г/т); 2) свинец - 6,14 г/т (допускаемое значение - 15-25 г/т); 3) олово - 1,0 г/т (допускаемое значение - 5,0 г/т); 4) хром - 1,5 г/т (допускаемое значение - 10,0 г/т). На танкере «Георгий Фройер» с однотипным дизель-генератором С9 фирмы Caterpillar под заводским номером SJB00492 индикаторы износов ЦПГ и подшипников оставались допустимыми до конца наблюдения при наработке 14 000 ч. Несмотря на явную нецелесообразность вскрытия цилиндров, сервисный центр «Амурмашинери» предложил выполнить профилактический ремонт в полном объёме на их сервисном участке. Стоимость ремонта, даже без учёта демонтажа и последующего монтажа двигателей в машинном отделении судна, сопоставима с их начальной стоимостью. Учитывая изложенные выше негативные факторы, судоходная компания прекратила дальнейшую эксплуатацию этих двигателей. Заключение Стоимость деталей и сервисного обслуживания очень высока. Система диагностики любых отказов и их устранение недоступно машинной команде. В ряде случаев, например с отказами форсунок, контролем за распределением нагрузки по цилиндрам, нарушениями в работе компьютерной системы управления процессами в двигателе, диагностика далека от совершенства. За 4 года эксплуатации расходы на сервисное обслуживание и приобретение запасных частей составили (по неполным данным) более 60 % от стоимости дизелей. Для надёжной работы двигателей требуются высокое качество и чистота топлива, что не всегда возможно при морских бункеровках. Учитывая недостаточную надёжность данных дизелей, полную зависимость от сервисного центра и невозможность проведения даже мелкого ремонта силами экипажа, эксплуатация данных двигателей на судах промыслового и транспортного флота в длительных экспедициях и продолжительных рейсах не обеспечит безопасность мореплавания.