Λειτουργική παρακολούθηση μηχανών εσωτερικής καύσης πλοίων και στατιστική ανάλυση των δεδομένων σύμφωνα με διεθνή πρότυπα.

Condition monitoring of internal combustion engines in ships and statistical data analysis according to international standards. (Αγγλική)

  1. MSc thesis
  2. Χριστοδούλου, Αλέξανδρος
  3. Διαχείριση και Τεχνολογία Ποιότητας (ΔΙΠ)
  4. 13 Σεπτεμβρίου 2020 [2020-09-13]
  5. Ελληνικά
  6. 251
  7. Τσιτσιφλή, Σταυρούλα
  8. Τσαρουχάς, Παναγιώτης
  9. Λειτουργική παρακολούθηση | Condition monitoring | Παραμετρική επιτήρηση | FMEA | Διεθνή πρότυπα | ΜΕΚ | Συντήρηση | Diesel engine | Maintenance policies
  10. 1
  11. 4
  12. 75
  13. Tables, diagrams, pictures, charts
    • Με τις εξελίξεις στην τεχνολογία, τους αισθητήρες και την προβλεπτική συντήρηση, η έννοια των έξυπνων πλοίων στοχεύει στην χρήση δεδομένων για την ενίσχυση της απόδοσης των πλοίων. Η λειτουργική παρακολούθηση της εγκατάστασης σε ένα πλοίο είναι μια συνεχής διαδικασία και οι τεχνικές που ενδέχεται να μην ήταν διαθέσιμες ή θεωρήθηκαν υπερβολικά δαπανηρές στο παρελθόν ή πολύ περίπλοκες, πλέον με κάποιο άλλο τρόπο γίνονται εφικτές. Οι πετρελαιομηχανές χρησιμοποιούνται ευρέως στις θαλάσσιες εφαρμογές (δηλαδή ως μηχανές πρόωσης και ηλεκτρογεννήτριες), εκτός από μερικές περιπτώσεις όπου χρησιμοποιούνται αεριοστρόβιλοι ή ατμοστρόβιλοι. Αυτό είναι το αποτέλεσμα της υψηλής απόδοσης, της συγκέντρωσης ισχύος και της αξιοπιστίας τους. Η σωστή και αποδοτική λειτουργία των μηχανών εσωτερικής καύσης στις θαλάσσιες εφαρμογές είναι κρίσιμη και επομένως τεχνικές ή συστήματα που καθορίζουν την κατάσταση λειτουργίας των μηχανών και ανιχνεύουν πιθανά σφάλματα ή μπορούν να προβλέψουν προβλήματα στο εγγύς μέλλον είναι εξαιρετικά σημαντικά. Περαιτέρω, είναι πλεονέκτημα όταν τέτοιες τεχνικές μπορούν να εφαρμοστούν σε διαφορετικούς τύπους μηχανών και παρέχουν αξιόπιστα αποτελέσματα, επειδή σε ένα πλοίο υπάρχουν συνήθως πετρελαιοκινητήρες διαφορετικού τύπου, δηλαδή η κύρια μονάδα πρόωσης είναι μία μεγάλη δίχρονη αργόστροφη πετρελαιομηχανή, ενώ οι γεννήτριες είναι τετράχρονες μεσόστροφες πετρελαιομηχανές. Η λειτουργική παρακολούθηση των μηχανών και ο διαγνωστικός έλεγχος των μηχανών εσωτερικής καύσης δεν είναι καινούργιος και στο παρελθόν έχουν προταθεί διάφορες μέθοδοι για τη διάγνωση σφαλμάτων. Τα προβλήματα που αφορούν στις ναυτικές πετρελαιομηχανές, ιδίως μεσόστροφες και πολύστροφες μηχανές, οφείλονται κυρίως στο μεγάλο μέγεθός τους, το οποίο δεν επιτρέπει τη χρήση μεθόδων δοκιμών και περιθώριο σφαλμάτων. Το πιο δύσκολο πρόβλημα προκύπτει όταν η μηχανή δεν είναι σε θέση να παράγει τη μέγιστη ισχύ της, ενώ δεν υπάρχει εμφανές πρόβλημα/δυσλειτουργία της μηχανής. Ο σκοπός αυτής της εργασίας είναι να καλύψει το κενό μεταξύ του ελέγχου της προωστήριας εγκατάστασης κατά την λειτουργία και της πρόγνωσης αστοχιών μέσω της λειτουργικής παρακολούθησης. Παρέχει ένα εργαλείο στον χειριστή της μηχανής για να τον βοηθήσει στην πρόβλεψη πιθανών αστοχιών μέσω παρακολούθησης κρίσιμων εξαρτημάτων στον χρόνο και τηρώντας το ιστορικό του μηχανήματος. Συγκεκριμένα θα δοθεί έμφαση στην παρακολούθηση των λιπαντελαίων, καθώς η κατάσταση του ελαίου λίπανσης σε μία μηχανή αποτελεί ίσως τον πιο σημαντικό δείκτη υγείας της. Γίνεται αναφορά στα σημαντικότερα διεθνή πρότυπα, δίνοντας έμφαση στο πρότυπο ISO 17359:2018 που αποτελεί ίσως το πιο σημαντικό πρότυπο για την λειτουργική παρακολούθηση και διάγνωση των μηχανών. Αρχικά γίνεται αναφορά στον τρόπο λειτουργίας των ναυτικών μηχανών στα πλοία και τις συνηθέστερες βλάβες που παρουσιάζουν. Λόγω της περιορισμένης εφαρμογής των ναυτικών αεριοστρόβιλων, η εργασία επικεντρώνεται κυρίως στην ναυτική τετράχρονη πετρελαιομηχανή. Έπειτα, γίνεται αναφορά στην αξία της λειτουργικής παρακολούθησης/επιτήρησης των μηχανών εσωτερικής καύσης, καθώς και στην σημασία που έχει για την εύρυθμη λειτουργία και απόδοση τους. Επιπλέον γίνεται αναφορά στο ίδιο το σύστημα παραμετρικής επιτήρησης, στα μέρη που αποτελείται, στους αισθητήρες, στα όργανα παρακολούθησης, στα alarm που εμφανίζονται, στα φυσιολογικά όρια λειτουργίας και γενικότερα σε όλη τη φιλοσοφία λειτουργίας του συστήματος. Περιγράφεται το σύστημα παραμετρικής επιτήρησης της ναυτικής πετρελαιομηχανής Wartsila Nohab 16V25 (Wartsila NSD Sweden AB, 1997). Αρχικά γίνεται περιληπτική παρουσίαση της μηχανής με τα χαρακτηριστικά λειτουργίας της. Έπειτα γίνεται αναφορά στο σύστημα παραμετρικής επιτήρησης της συγκεκριμένης μηχανής και παρατίθεται φωτογραφικό υλικό με την εγκατάσταση του συστήματος. Στη συνέχεια ακολουθεί ανάλυση τρόπων αστοχίας και αποτελεσμάτων (FMEA) σύμφωνα με τις κατευθύνσεις του προτύπου IEC 60812:2006, η οποία συνοδεύεται από ανάλυση Pareto όπου επισημαίνονται οι κυριότεροι μηχανισμοί αστοχίας που μπορούν να θέσουν εκτός λειτουργίας την μηχανή ενώ γίνεται πρόταση διορθωτικών ενεργειών για την μείωση της επίπτωσης των μηχανισμών αστοχίας. Η αξιολόγηση γίνεται βάσει των τριών παραγόντων (S, O και D) με την βοήθεια καθορισμένων πινάκων. Ο αριθμός προτεραιότητας κινδύνου είναι το γινόμενο των τριών επιμέρους παραμέτρων. Η ανάλυση Pareto είναι πολύ σημαντική και χρησιμοποιείται καθώς παρέχεται η ευκολία αξιολόγησης πιο στοχευμένων διορθωτικών ενεργειών. Μέσω της μείωσης του αριθμού προτεραιότητας κινδύνου, δηλαδή μέσω μείωσης των τιμών των τριών παραγόντων (O,S και D), επιτυγχάνονται πιο σωστές διορθωτικές ενέργειες. Στο πλαίσιο των μηχανισμών αστοχίας, θα μελετηθεί ένας πολύ σημαντικός μηχανισμός αστοχίας που είναι η μη ικανοποιητική λίπανση των κουζινέτων στροφαλοφόρου άξονα. Συγκεκριμένα θα γίνει πρόβλεψη λειτουργικής παρακολούθησης κατάστασης του ελαίου λίπανσης σε πετρελαιομηχανή Wartsila, με σκοπό τον έλεγχο των επιπέδων των αδιάλυτων σωματιδίων στο έλαιο, η επιμόλυνση των οποίων υποδεικνύει φθορά σε εξάρτημα της μηχανής (κουζινέτα). Με την μέθοδο της απλής εκθετικής εξομάλυνσης έχουμε την δυνατότητα να προβλέπουμε τις τιμές των χημικών στοιχείων που παρουσιάζουν αυξητικές τάσεις στον χρόνο. Τα αποτελέσματα της υπερβολικής φθοράς των κουζινέτων αποτελεί μία αστοχία η οποία έχει πολύ σοβαρές επιπτώσεις στην υγεία της μηχανής και στην εν γένει διαθεσιμότητά της. Ο σκοπός για την αποφυγή της συγκεκριμένης αστοχίας είναι η μείωση/αποφυγή των καταστάσεων υπερβολικής φθοράς στα κουζινέτα του στροφαλοφόρου άξονα. Για παράδειγμα, η προγραμματισμένη συντήρηση μπορεί να βελτιωθεί μέσω της στοχευμένης λειτουργικής παρακολούθησης. Αυτό σημαίνει ότι οι ώρες λειτουργίας των μηχανών για εκτέλεση γενικής επιθεώρησης (overhaul) μπορεί να αναθεωρηθούν σύμφωνα με την λειτουργική παρακολούθηση της μηχανής. Παρόλο που η μελέτη FMEA μπορεί να γίνει σε μια εταιρία η οποία διαχειρίζεται πλοία ή έχει δικά της πλοία στην κατοχή, πολλές φορές η εμπειρία των μελών της ομάδας δεν είναι αρκετή για την δημιουργία μίας αξιόλογης μελέτης αστοχίας. Η εμπειρία μπορεί να δοθεί από έναν εξωτερικό συνεργάτη-σύμβουλο μηχανικό ο οποίος έχει μεγαλύτερη εμπειρία σε μελέτες αστοχίας μηχανών και σε διαφορετικούς τύπους αστοχίας. Το πιο σημαντικό όμως είναι η δημιουργία ανάδρασης σε μια μελέτη FMEA μέσω των αστοχιών που παρατηρούνται και η εν γένει επικαιροποίησή της σε τακτά χρονικά διαστήματα. Υφίστανται εν τούτοις διάφοροι περιορισμοί όσον αφορά την μελέτη αστοχίας, οι σημαντικότερες των οποίων είναι: • ίδια τιμή RPN μπορεί να παραχθεί από πολλούς διαφορετικούς συνδυασμούς των συντελεστών O,S και D. • είναι δύσκολη η διαδικασία υπολογισμού του κάθε ενός παράγοντα (O,S και D) • δεν μελετάται η αλληλεπίδραση μεταξύ των τριών παραγόντων μεταξύ τους, δηλαδή του Ο με τον S, του O με τον D και του S με τον D. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν στην εν λόγω εργασία εάν συνδυαστούν μεταξύ τους μπορεί να δώσουν αξιόπιστα αποτελέσματα και να προβλέψουν πιθανές αυξητικές τάσεις σε λειτουργικές παραμέτρους στην μηχανή. Βέβαια αποτελούν χρονοβόρα διαδικασία και ως αποτέλεσμα δεν έχουν ευρεία εφαρμογή, το οποίο οδηγεί στην μη ανίχνευση σημαντικών μηχανισμών αστοχίας. Όλες οι μηχανές εσωτερικής καύσης στηρίζονται σε κάποιες βασικές αρχές, όμως στην αγορά υφίστανται πολλές εταιρίες και μοντέλα, μεγέθη και τύποι μηχανών με κάθε μία να παρουσιάζει πολλές φορές διαφορετικές τεχνολογικές καινοτομίες. Για αυτό τον λόγο η μελέτη αστοχίας πρέπει να βασίζεται σε λήψη ιστορικού βλαβών των εξαρτημάτων της μηχανής και στην εμπειρία ικανού αριθμού ατόμων οι οποίοι έχουν εμπλακεί στην χρήση, λειτουργία και συντήρηση των μηχανών. Επιπρόσθετα δεν είναι πάντα εύκολη η αποστολή δειγμάτων για δειγματοληψία ελαίου από μία μηχανή, ειδικά όταν το πλοίο βρίσκεται εν πλω. Κάτι το οποίο καθιστά την διαδικασία πιο χρονοβόρα και πιο κοστοβόρα σε σχέση με το αν το καράβι ήταν δεμένο σε ένα λιμάνι. Αυτήν η καθυστέρηση για την έκδοση αποτελεσμάτων αναλύσεων των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών του ελαίου λιπάνσεως αποτελεί κίνδυνο για την εταιρία καθώς ίσως χρειαστεί να δουλέψει την μηχανή για πολλές ώρες μέχρι να της κοινοποιηθούν τα αποτελέσματα των αναλύσεων. Γίνεται κατανοητό πως η λειτουργική παρακολούθηση μηχανών εσωτερικής καύσης αποτελεί ένα αναπόσπαστο εργαλείο για έναν μηχανικό συντηρητή ναυτιλίας καθώς και για τις ναυτιλιακές εταιρίες που αποσκοπεί: • στην βελτίωση της αξιοπιστίας και της απόδοσης των μηχανών εσωτερικής καύσης μέσω της πρόβλεψης των βλαβών των επιμέρους εξαρτημάτων αυτών • στην ελαχιστοποίηση του λειτουργικού κόστους παρακολούθησης μιας ναυτικής εγκατάστασης • στην ελαχιστοποίηση του συνολικού κόστους συντήρησης και επισκευής σε επίπεδο χειριστή καθώς και ναυτιλιακών εταιριών • στην προστασία του προσωπικού και της εγκατάστασης σε περίπτωση αστοχίας εξαρτήματος της μηχανής ή ολόκληρης της μηχανής • στην προστασία του περιβάλλοντος λόγω ελαχιστοποίησης και αποφυγής των αστοχιών των μηχανών • στην μεγιστοποίηση της διάρκειας ζωής των επιμέρους εξαρτημάτων και στην εν γένει διάρκεια ζωής των μηχανών, η οποία επιτυγχάνεται μέσω τεχνικών λειτουργικής παρακολούθησης και ορθού και συχνού ελέγχου της εγκατάστασης.
    • The concept of smart ships aims in using data to enhance ship performance due to the vast advancements in technology, predictive maintenance and installed sensors. Nowadays condition monitoring combines process and techniques that were not available or were extremely costly at the time. Diesel engines, gas turbines and steam turbines are widely used in marine applications due to many reasons. Their high efficiency and reliability that have improved over years has rendered them to become the main engines in the marine industry. Methods of condition monitoring and diagnosis of engines have been suggested over years. Different problems that are related to marine diesel engines, mainly medium and highspeed engines occur due to their large size, that does not allow the use of trial methods. Maybe the biggest problem occurs where there is no obvious error or fault and the engine is unable to reach its top speed. The main purpose of this thesis is to fill the gap between the condition of a marine diesel plant and the engine technology through condition monitoring. Emphasis will be given in the condition monitoring of the engine oil, as oil plays a crucial role in defining the engine’s health. Firstly, in this work, the operating way of diesel engines is mentioned. After that, the value of the use of condition monitoring process of diesel engines is mentioned, as well as the importance of condition monitoring process in preserving a well-maintained engine is highlighted. After that, different condition monitoring methods and systems are mentioned, together with its sensors, all its parts, the alarms that are flashing, the normal operating conditions and generally the general philosophy is described. Furthermore, a monitoring system of diesel engine Wartsila Nohab 16V25 (Wartsila NSD Sweden AB, 1997) is analyzed. At first, a brief presentation of the engine with its operating characteristics is given. After that, an extended layout of the condition monitoring system is given, along with photos of the propulsion plant. After that, an FMEA (Failure Mode and Effect Analysis) study follows and a brief analysis of the method that the engine could fail if the engine hadn’t stopped working. Pareto analysis alongside with the FMEA analysis, where the main failure mechanisms that can render the engine inoperative, are mentioned. Also, corrective actions to eliminate the effect of the failure mechanisms are proposed. A crucial failure mechanism which is the insufficient lubrication of the crankcase bearings is mentioned. Problepsis of the condition monitoring of the lubricating oil in a Wartsila engine is following, in order to specify the levels of the insoluble materials in the oil, the pollution of which, indicates wear of the crankcase bearings. The results of the exaggerating wear of the bearings is a failure that has very extreme implications in the engine’s health and in its own availability. The purpose for avoidance of this failure mechanism is the reduction/avoidance of the exaggerating wear conditions of the crankcase bearings. For example, the maintenance can be improved through targeting condition monitoring methods. That means that the working hours of the engines left for overhaul, could be revised according to condition monitoring of the engine.
  15. Items in Apothesis are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.