JOURNAL OF KONES 2005 NO 1

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2005, vol. 12, 1-2
ESTIMATION OF OPERATING WEAR OF THE CYLINDER LINERS
OF MARINE DIESEL ENGINES OF MAIN PROPULSION
Jan Monieta
Maritime University Szczecin
Institute of Marine Power Plant Operation
Waáy Chrobrego 2
70-500 Szczecin,
phone: +48 91 48-09-415; 48-09-479
fax: +48 91 480-95-75
e-mail: [email protected]
Abstract
The paper presents the results of operational investigations of wear of cylinder liners of the piston marine
diesel engines type Sulzer 6RLB66, employed as main propulsion of ships. These cylinder liners underwent
frequent sudden and gradual failures also intense wear. So, fault states of engines and breaks in exploitation of
ships.
There have been carried investigations of wear of cylinder lines it engines in real and differentiated
operational conditions. These investigated engines was supplied a residual fuels and they worked with variable
rotary speed and loads, depending on region of swimming and shipping tasks. The estimation of wear have been
carried at employment of passive experiment, mainly a metric method, on base of record of measurement
executed by crew and serving firms in engine documentation and deck computers.
OCENA EKSPLOATACYJNEGO ZUĩYCIA TULEI CYLINDROWYCH
OKRĉTOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH NAPĉDU GàÓWNEGO
Streszczenie
Referat zawiera wyniki badaĔ eksploatacyjnych zuĪycia tulei cylindrowych táokowych okrĊtowych silników
spalinowych typu Sulzer 6RLB66, zastosowanych jako napĊd gáówny statków morskich. Tuleje te ulegaáy czĊstym
uszkodzeniom nagáym i stopniowym oraz intensywnemu zuĪyciu. Miaáy miejsce, wiĊc stany niezdatnoĞci silników
i przerwy w eksploatacji statków.
Prowadzono badania zuĪycia tulei cylindrowych tych silników w rzeczywistych i zróĪnicowanych warunkach
eksploatacji. Badane silniki byáy zasilane paliwami pozostaáoĞciowymi i pracowaáy ze zmiennymi prĊdkoĞciami
obrotowymi oraz obciąĪeniami, w zaleĪnoĞci od regionu páywania i zadaĔ przewozowych. OcenĊ zuĪycia
przeprowadzono przy zastosowaniu biernego eksperymentu, gáównie metodą metryczną, na podstawie zapisów
pomiarów wykonanych przez zaáogĊ oraz firmy obsáugujące w dokumentacji maszynowe i komputerach
pokáadowych.
1. WstĊp
W pracy postanowiono dokonaü analizy zuĪycia tulei cylindrowych silnika 6RLB66
i okreĞlenia przyczyn nadmiernej intensyfikacji zuĪycia tych podzespoáów. Nadmiernie
zuĪycie tego wĊzáa sprzyja uszkodzeniom nagáym. Nagáe i stopniowe osiągniĊcie stanu
niezdatnoĞci, eliminujące tuleje z eksploatacji, stwarzają niekiedy powaĪne káopoty
eksploatacyjne [1, 5, 6]. Wymagają one wyáączenia silnika z eksploatacji i poddania go
odnowie polegającej na wymianie niezdatnego podzespoáu, elementu lub eksploatowaniu
silnika w stanie niepeánej zdatnoĞci z obniĪoną prĊdkoĞcią obrotową i/lub wyáączonym z
pracy cylindrem. Uszkodzenia te powodują znaczny wzrost kosztów eksploatacji statku,
257
spowodowanych przez koszty zakupu nowej czĊĞci wymiennej, koszty sprowadzenia tej
czĊĞci, a takĪe przedáuĪenie przestoju statku (wyáączenie z eksploatacji) i koszty robocizny [1, 3].
Podejmowano próby zmiany konstrukcji i technologii wykonania tulei, lecz problem nie
zostaá zadowalająco rozwiązany [4].
W badaniach postawiono tezĊ, która brzmi nastĊpująco: zuĪycie tulei cylindrowej nie jest
istotnie zaleĪne od czasu pracy.
2. Metoda badaĔ
W badanym silniku 6RLB66 stwierdzono wiele rozlegáych nagáych i stopniowych
uszkodzeĔ táoków i tulei cylindrowych, które zakoĔczyáy siĊ ich wymianą [5, 6, 8].
Uszkodzenia takie byáy sygnalizowane wzrostem temperatury wody cháodzącej, stukami
w cylindrze, spadkiem ciĞnienia sprĊĪania i/lub spalania, przeciekami wody cháodzącej do
wewnątrz cylindra przez pĊkniĊcia w tulei cylindrowej, przeciekami wody z táoka i rur
teleskopowych. Niektóre uszkodzenia i pĊkniĊcia stwierdzono dopiero w czasie przeglądów
okresowych tulei cylindrowych (40% próby). W czasie przeprowadzania diagnostyki
bezdemontaĪowej i pomiarów po demontaĪu stwierdzono nadmierne zuĪycie tulei
cylindrowych.
Do badaĔ eksploatacyjnych przyjĊto informacje o 37 nadmiernie zuĪytych i/lub
uszkodzonych tulejach cylindrowych z jednego silnika i jednoczeĞnie statku. WyodrĊbniono
trzy stany niezawodnoĞciowe silnika RLB, ze wzglĊdu na stan tulei cylindrowej: stan peánej
zdatnoĞci, stan zdatnoĞci czĊĞciowej przy obniĪonych parametrach silnika w celu
doprowadzenia statku do dogodnego miejsca naprawy i stan niezdatnoĞci w chwili
stwierdzenia uszkodzenia danego elementu eliminującego go z dalszej eksploatacji.
Badane silniki przystosowano do spalania paliw pozostaáoĞciowych, nawet najniĪszej
jakoĞci. Paliwa te charakteryzują siĊ wysoką lepkoĞcią (do 700 cST w 15qC), wymagające ich
podgrzewania przed wtryskiem, duĪą zawartoĞcią siarki (do 5%) oraz duĪą zawartoĞcią
zanieczyszczeĔ. Po spalaniu takich paliw pozostaje duĪo popioáu, przedostającego siĊ do
powierzchni wspóápracy pomiĊdzy tulejĊ i pierĞcienie táokowe.
3. Techniki pomiarowe
Pomiary zuĪycia tulei cylindrowej dokonywane byáy, gdy tuleja znajdowaáa siĊ w bloku
cylindrowym. Aby moĪliwe byáo porównanie pomiarów przeprowadzano je w tych samych
miejscach. Pomiary wykonywano w kierunku wzdáuĪnym jak i poprzecznym do osi silnika.
Pomiarów Ğrednic wewnĊtrznych tulei cylindrowych dokonywano za pomocą Ğrednicówki
mikrometrycznej (rys. 1) o dziaáce elementarnej ± 0,01 mm. Aby byáo moĪliwe
porównywanie wyników, uĪywano szablonu mierniczego, który pozwalaá na pomiar w tych
samych punktach pomiarowych [9, 10]. Pomiary wykonywaáy zaáogi maszynowe statku oraz
firmy przeprowadzające obsáugi.
Rys. 1. ĝrednicówka mikrometryczna: 1 koĔcówka, 2 przedáuĪacz
Fig. 1. Inside micrometer: 1 tip, 1 extension rod
258
W pierwszej kolejnoĞci sprawdzano czy mierzony wymiar mieĞciá siĊ w zakresie
pomiarowym Ğrednicówki [2]. JeĪeli siĊ nie mieĞciá to odkrĊcano koĔcówkĊ 1, na jej miejsce
wkrĊcano przedáuĪacz 2 o odpowiedniej dáugoĞci, a w niego wkrĊcano koĔcówkĊ 1.
NastĊpnie oczyszczano i osuszano powierzchniĊ tulei. Pomiaru dokonywano przez ustawienie
Ğrednicówki tak, aby w przekroju wzdáuĪnym tulei znaleĨü odlegáoĞü najmniejszą, a w
poprzecznym najwiĊkszą (rys. 2).
Rys. 2. Schemat ustawienia Ğrednicówki mikrometrycznej w otworze tulei cylindrowej
Fig. 2. Scheme alinement of inside micrometer in hole of cylinder line
JednakĪe takie ustawienie Ğrednicówki jest utrudnione, a wynik pomiaru jest
niejednoznaczny, co zwiĊksza báąd pomiaru, podobnie jak brak sprzĊgáa zapewniającego staáy
nacisk [2].
Na rys. 3 przedstawiono punkty, które obrazują przebieg czasu do obsáug poszczególnych
tulei cylindrowych i poziomy pomiarowe, w których tuleje byáy mierzone. Wykresy
sporządzono dla dwóch kierunków pomiaru: D R wzdáuĪ osi silnika, L P poprzecznie
do osi silnika.
50000
45000
Czasy do przeglądów
40000
35000
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Poziom nr
Rys. 3. Czasy pracy do obsáug tulei cylindrowych
Fig. 3. The time works for maintenances of cylinder liners
9
Serie1
Serie2
Serie3
Serie4
Serie5
Serie6
Serie7
Serie8
Serie9
Serie10
Serie11
Serie12
Serie13
Serie14
Serie15
Serie16
Serie17
Z rys. 3 wynika, Īe pomiary dokonywane na tulejach cylindrowych nie byáy
przeprowadzane na wszystkich poziomach pomiarowych. W poziomach powyĪej 6. dokonano
mniej pomiarów niĪ w 1 - 5. Utrudnieniem w ocenie zuĪycia jest równieĪ to, Īe nie wszystkie
badane elementy byáy mierzone na początku eksploatacji i po wystąpieniu uszkodzenia.
Przykáadową powierzchniĊ wewnĊtrzną eksploatowanej tulei cylindrowej, którą
wymieniono z powodu pĊkniĊü w okolicach okien dolotowych i kroplowego wycieku wody
z tych pĊkniĊü po 4 792 godzinach pracy, przedstawiono na rys. 4.
Rys. 4. Widok powierzchni wewnĊtrznej patologicznie zuĪytej i uszkodzonej tulei cylindrowej silnika 6RLB66 w
okolicy okien dolotowych
Fig. 4. View of inside surface of pathological wear and damaged of cylinder liners of engine 6RLB66 in parts of
scavenge ports
Na rys. 4 widaü, Īe w rejonie okien dolotowych wystĊpuje zuĪycie Ğcierne. Na
powierzchni tarcia są widoczne pionowe rysy, równomiernie rozáoĪone na obwodzie,
Ğwiadczące o zuĪyciu Ğciernym powierzchni [12, 13]. Powierzchnia tarcia jest matowa.
Widoczne są Ğlady osadów pozostaáych po spaleniu paliwa i oleju. Przyczyną mogáa byü
wadliwa praca zaworu wtryskowego, który zostaá wymieniony. Przy wzroĞcie Ğrednicy kropel
wtryskiwanego paliwa, wystĊpuje osiadanie kropel paliwa na gáadzi cylindra. W ten sposób
wzrasta iloĞü niezupeánie spalonych cząstek paliwa, które stanowią gáówny skáadnik nagarów
w komorze spalania. Widoczne są takĪe Ğlady mikrozatarü, prawdopodobnie spowodowane
pogorszeniem siĊ warunków smarowania, na skutek przedmuchu spalin.
4. Przykáadowe wyniki badaĔ zuĪycia
Na rys. 5 i 6 przedstawiono przykáadowe warstwowe wykresy zuĪycia tulei cylindrowych
w páaszczyznach pomiarowych prostopadáych do osi podáuĪnej tulei. Pomiary dokonywano w
dwóch kierunkach: D R wzdáuĪ osi silnika, L P poprzecznie do osi silnika.
Z rys. 5 i 6 wynika, Īe wiĊksze zuĪycie wystąpiáo w kierunku wzdáuĪnym do osi silnika.
Na rysunkach tych przedstawiono wykres zuĪycia tulei cylindrowej, która ulegáa uszkodzeniu
po 12 496 godzinach pracy. Po 9 072 godzinach nastąpiáo pĊkniĊcie gáowicy, a takĪe
wymieniono wtryskiwacz, który byá najprawdopodobniej powodem wiĊkszego zuĪycia do
drugiej obsáugi. Stwierdzono równieĪ lokalne zatarcie páaszcza táoka, zuĪycie pierĞcieni
przeciwzatarciowych, zuĪycie rowków olejowych na páaszczu i początki pĊkniĊü miĊdzy
260
pierwszym a drugim rowkiem pierĞcieniowym. Wraz z uszkodzeniem tulei uszkodzony zostaá
táok.
Rysunki 7 i 8 przedstawiają uĞrednione zuĪycie na 1 000 godzin pracy, czternastu
badanych tulei cylindrowych w dwóch kierunkach i dziewiĊciu poziomach pomiarowych.
2,5
ZuĪycie [mm]
2
1,5
12 496 h
9 072 h
5 060 h
1
0,5
0
2
3
4
5
6
7
8
9
Poziom
Rys. 5. Wykres warstwowy zuĪycia Ğcianki przykáadowej tulei cylindrowej silnika 6RLB66 w kierunku D R
(dziob rufa)
Fig. 5. The stratified graph wears of wall exemplary cylinder liner of engine 6RLB66 in the direction D R (bow
stern)
2,5
ZuĪyciwe [mm]
2
1,5
12 496 h
9 072 h
5 060 h
1
0,5
0
2
3
4
5
6
7
8
9
Poziom
Rys. 6. Wykres warstwowy zuĪycia Ğcianki przykáadowej tulei cylindrowej silnika 6RLB66 w kierunku L P
(lewa burta prawa burta)
Fig. 6. The stratified graph wears of wall exemplary cylinder liner of engine 6RLB66 in the direction L P (port
side starboard side)
261
ĝrednie zuĪycie [mm/1 000 h]
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Poziom pomiaru nr
Rys. 7. UĞrednione zuĪycie 14 tulei cylindrowych na 1 000 godzin pracy w kierunku wzdáuĪnym do osi silnika
6RLB66
Fig. 7. Averaging wear of 14 cylinder liners on 1 000 working hours in the direction along pivot of engine
6RLBB66
ĝrednie zuĪycie [mm/1 000 h]
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Poziom pomiaru nr
Rys. 8. UĞrednione zuĪycie czternastu tulei cylindrowych na 1 000 godzin pracy w kierunku poprzecznym do osi
silnika 6RLB66
Fig. 8. Averaging wear of 14 cylinder liners on 1 000 working hours in traverse direction for crosswise pivot of
engine 6RLBB66
Z rys. 7 i 8 wynika, Īe najwiĊksze zuĪycie tulei wystĊpowaáo na trzecim poziomie oraz
ogólnie wiĊksze zuĪycie pojawiaáo siĊ w górnej czĊĞci tulei, gdzie wyĪsze są temperatury
ZwiĊkszenie Ğrednicy [mm]
w pobliĪu komory spalania. Na tych poziomach zuĪycie jest wiĊksze od oczekiwanych
wartoĞci [11].
Na rys. 9 i 10 przedstawiono przykáadowe zróĪnicowanie zuĪycia tulei w dwóch
páaszczyznach wzajemnie prostopadáych. Wykres sporządzono dla Ğredniego zuĪycia na 1 000
godzin pracy tulei.
0,2
0,18
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
1
2
3
4
D-R
L-P
5
6
7
8
9
Poziom nr
ZwiĊkszenie Ğrednicy [mm]
Rys. 9. ĝrednie zwiĊkszenie Ğrednicy tulei cylindrowych w poszczególnych poziomach pomiarowych oraz dwóch
kierunkach pomiaru na 1000 h pracy: D R, L P
Fig. 9. Average increase of inside diameters of cylinder liner in each measuring levels and two measuring
directions on 1 000 h working hours: D R, L P
0 ,2
0 ,1 8
0 ,1 6
0 ,1 4
0 ,1 2
0 ,1
0 ,0 8
0 ,0 6
0 ,0 4
0 ,0 2
0
1
2
3
4
D -R
L -P
5
6
7
8
9
3R]LRPQU
Rys. 10. ĝrednie zwiĊkszenie Ğrednicy tulei cylindrowej w poszczególnych poziomach pomiarowych oraz dwóch
kierunkach pomiaru na 1000 h pracy: D R, L P
Fig. 10. Average increase of inside diameters of cylinder liner in each measuring levels and two measuring
directions on 1 000 h working hours: D R, L P
Z rysunków 9 i 10 wynika, Īe wiĊksze zuĪycie wystąpiáo wzdáuĪ osi silnika, co moĪe
byü spowodowane oscylacyjnym ruchem táoka, wywoáanym drganiami skrĊtnymi
i wzdáuĪnymi waáu, koáysaniem wzdáuĪnym statku itp. Na nielicznych tulejach stwierdzono,
Īe w páaszczyĨnie poprzecznej do osi silnika obserwuje siĊ wiĊksze zuĪycie, tak zwaną
beczkowatoĞü, która jest spowodowana oddziaáywaniem táoka na tulejĊ oraz asymetrią
obciąĪenia gazowego i cieplnego spowodowaną poáoĪeniem okien wylotowych.
263
5. Podsumowanie
W okoáo 39% zdarzeĔ táoki i tuleje cylindrowe uszkadzaáy siĊ w przedziale czasu od
3 500 do 10 000 godzin. Powodem uszkodzeĔ w tym czasie byáo zuĪycie i zwiĊkszony luz
w wĊĨle tribologicznym oraz moĪliwoĞü przedmuchu spalin wzdáuĪ tulei cylindrowej.
NastĊpowaáo w ten sposób zwiĊkszenie temperatury i moĪliwoĞü pojawienia siĊ lokalnego
zuĪycia adhezyjnego. Na uszkodzonej powierzchni tworzyáa siĊ mikroskopowa siatka pĊkniĊü
powierzchniowych, które przy dáugotrwaáym oddziaáywaniu przeksztaácaáy siĊ w gáĊbokie
pĊkniĊcia zmĊczeniowe.
NajwiĊksze zuĪycie wystĊpowaáo w górnej czĊĞci tulei cylindrowej, do czwartego
poziomu pomiarowego, co jest wynikiem wyĪszej temperatury w okolicach komory spalania.
Nietypowe jest to, Īe w wiĊkszoĞci przypadków stwierdzono zwiĊkszone zuĪycie tulei
cylindrowej wzdáuĪ osi silnika. MoĪe to Ğwiadczyü o oscylacyjnym ruchu táoka,
spowodowanym drganiami skrĊtnymi i wzdáuĪnymi waáu.
Postawiona na samym początku teza zostaáa potwierdzona, poniewaĪ z badaĔ wynika, Īe
trwaáoĞü tulei jest bardzo niska i rozproszona. ZuĪycie istotniej zaleĪy od lokalizacji w
páaszczyĨnie poprzecznej do osi silnika, niĪ od czasu eksploatacji. ZuĪycie zaleĪy równieĪ od
warunków eksploatacji i rejonów páywania, a takĪe niedoskonaáoĞci konstrukcji [7, 8].
Literatura
[1] Adamkiewicz W., Hempel L., Podsiadáo A., ĝliwiĔski R. Badania i ocena
niezawodnoĞci maszyn w systemie transportowym. WKià, Warszawa 1983.
[2] Bartosiewicz H. Metrologia warsztatowa. ûwiczenia laboratoryjne. Politechnika
Wrocáawska, Wrocáaw 1982.
[3] Culin W., Lemski J. Effect of operating influences on wearing speed of marine diesel
engine elements. EXPO-DIESEL & GAS TURBINE’01. GdaĔsk MiĊdzyzdroje Kopenhaga, p. 73 78.
[4] GrzeĞkowiak J., Kotkowski K., WoáyĔska-Mrowicka E., Heppel K., Nosal S. The efect
of some selected factors on the running in performance of a node modeling the marine
engine cylinder liner piston ring sliding pair. EKSPO-DIESEL & GAS TURBINE ’01.
GdaĔsk MiĊdzyzdroje Kopenhaga 2001, p. 115 122.
[5] Monieta- Analysis of failures of cylinder liners of the low-speed marine diesel engines
type 6RLB66. Journal of KONES 2001, No. 1 2, s. 93 99.
[6] Monieta J. Failures of cylinder liners of the low-speed marine diesel engines Sulzer type
RLB. Collection Of Research Papers of The Baltic Assotiation of Engineering Experts
No. 3 Kaliningrad 2003, p. 3 6.
[7] Monieta J. Metoda oceny eksploatacyjnego zuĪycia tulei cylindrowych okrĊtowych
silników spalinowych napĊdu gáównego. Journal of KONES 2003 Vol. 10, No. 1 2, s.
209 216.
[8] Monieta J. Wpáyw warunków zewnĊtrznych na niezawodnoĞü silników okrĊtowych
napĊdu gáównego. XXII Sympozjum Siáowni OkrĊtowych. Szczecin, 2001, s. 189 1994.
[9] Niewczas A. TrwaáoĞü zespoáu táok pierĞcienie táokowe cylinder silnika
spalinowego. WNT, Warszawa 1998.
[10] Piaseczny L. Technologia napraw okrĊtowych silników spalinowych. WM, GdaĔsk
1992.
[11] Piotrowski I., Witkowski K. OkrĊtowe silniki spalinowe. Wyd. TRADEMAR, Gdynia
1996.
[12] PN-91/M-04301. Tribologia. Terminologia podstawowa.
[13] Wáodarski J. K. Eksploatacja maszyn okrĊtowych. Tarcie i zuĪycie. Wyd. WyĪszej
Szkoáy Morskiej w Gdyni, Gdynia 1998.
264