Ежедневное абразивное воздействие — мелкие частицы и износ двигателя, Часть 1

Новая нормативная база, которая вступит в силу с начала 2020 года, внесет радикальные изменения в ассортимент и доступность судовых топлив во всем мире. Для эксплуатантов судов надежная и безопасная работа двигателей неизбежно потребует более глубокого понимания и более сложных стратегий обращения с топливом, чем применяемые сегодня. Даже сейчас масштаб предстоящей задачи невозможно точно предсказать. Но успех эксплуатантов судов в избегании проблем в значительной степени сводится к действиям, которые они предпримут в ближайшие месяцы.

Топливо in flux

1 января 2020 года мировая судоходная отрасль вступит в эру малосернистых продуктов, что станет крупнейшим в отрасли сдвигом в нормативной базе со времени принятия конвенций МАРПОЛ 73/78 и одним из крупнейших оперативных изменений, с которыми она когда-либо сталкивалась. С этого дня все перевозки должны будут удовлетворять строгому ограничению содержания серы в топливе в 0,50 мас.%, установленному Международной морской организации (ММО).

Предел в 0,50 мас.% значительно ниже текущего предела в 3,50 мас.%, введенного в 2012 году, и является дополнением к пределу в 0,10 мас.% для зон эмиссионного контроля (ЗЭК). Хотя ММО справедливо характеризует новый предел как победу для безопасности окружающей среды и здоровья человека, для судоходной отрасли он становится главной "головной болью". Причина этого в том что, к сожалению, устранение опасности для окружающей среды означает введение механического воздействия, а именно, мелких частиц - крошечных частиц, которые, если их не отфильтровывать, могут наносить ущерб двигателям.

Судовое топливо никогда нельзя было назвать привлекательным веществом. Используя сырую нефть, переработчики перегоняют ее и извлекают ценные продукты из верхней части дистилляционной колонны. От газов и бензина - к авиационному и дизельному топливу, затем к смазочным маслам, до тех пор, пока не останется густой черный осадок, используемый для питания судовых двигателей и производства битума. Осадок выглядит непривлекательно, но он буквально помог создать современный мир.

Проблема с серой

Когда в двигателях сжигается ископаемое топливо, выделяются оксиды серы (SOx), которые, попадая в атмосферу, способствуют появлению целого ряда проблем со здоровьем человека и безопасностью окружающей среды, таких как респираторные заболевания людей и животных, а также подкисление почвы и воды.

Сера встречается в природе в любой сырой нефти и обнаруживается в более высоких концентрациях в остаточных фракциях процесса кипения, получаемых при наивысшей температуре кипения. Это означает, что с начала 2020 года производство топлива должно будет измениться, чтобы лучше справляться с этой серой, а эксплуатанты судов столкнутся с более сложным выбором топлива, чем когда-либо прежде.

Суда, работающие на сжиженном природном газе (СПГ), не будут иметь проблем с соответствием новым правилам, но они составляют небольшую часть мирового флота, и ожидается, что эта ситуация будет оставаться неизменной в течение десятилетий из-за высоких инвестиционных затрат и отсутствия инфраструктуры снабжения. Многие суда будут продолжать сжигать мазут с высоким содержанием серы, используя скрубберную технологию для очистки выхлопных газов до уровня, предписанного нормативной базой. Но для большей части флота 2020 год и последующие годы будут означать выбор из расширяющегося ассортимента малосернистых дистиллятов, смесей и, в меньшей степени, новых видов топлива, изготовленных из растительных масел.

2020 год изменит все

Каждый новый вид топлива вызывает введение ряда эксплуатационных и экономических переменных, которые необходимо учитывать. Исследование всех этих переменных является предметом отдельной статьи, хотя стоит отметить, что различия в вязкости, смазывающей способности и температуре имеют серьезные последствия для безопасной и надежной работы двигателей, насосов и другого оборудования.

В центре внимания - мелкие частицы

Но из всех переменных, применяемых в эпоху малосернистых продуктов, возможно, наиболее потенциально разрушительным фактором является присутствие мелких частиц. Несмотря на то, что присутствие мелких частиц в топливе является для судоходства давно известной, но управляемой реальностью, грядущая эра малосернистых продуктов привлечет внимание к ним как к растущему фактору риска для судовых двигателей и бюджетов эксплуатантов судов.

Итак, что собой представляют эти частицы?

Какобразуются мелкие частицы

Современные нефтеперерабатывающие заводы сначала используют атмосферную и вакуумную дистилляцию для удаления наиболее летучих, более ценных продуктов из верхней части дистилляционной колонны. Затем производится «расщепление» оставшейся сырой нефти на различные фракции с использованием термических и каталитических процессов. При каталитическом крекинге добавляют физические катализаторы для деструкции молекул нефти.

Используемые катализаторы представляют собой различные формы синтетических кристаллических цеолитов - минеральных соединений алюминия и кремния, которые являются высокопористыми и чрезвычайно твердыми.

Катализаторы стоят дорого, а нефтеперерабатывающие заводы восстанавливают и повторно используют те катализаторы, которые могут восстановить. Но по прошествии определенного времени это становится непрактичным, при этом нет экономического стимула, чтобы нефтеперерабатывающий завод прилагал столь затратные усилия. Мелкие частицы не попадают в продукты, получаемые перегонкой нефти. Они остаются в бункерном топливе. И с этим топливом они попадают в топливную систему судов.

Установление стандартов для топлива

Технические требования к судовому топливу устанавливаются международным стандартом ISO 8217, который ограничивает концентрацию мелких частиц в бункерном топливе. Для топлива, производимого в соответствии с текущей версией стандарта, принято ограничение их концентрации в 60 част./млн. Этот предел является принципиальным компромиссом - если бы он был установлен ниже указанного значения, поставки бункерного топлива для нужд мирового судоходства не могли бы быть обеспечены. Но даже при концентрации 60 част./млн мелкие частицы представляют собой серьезную проблему для двигателей, и производители, такие как MAN и Wärtsilä, рекомендуют, чтобы их концентрация в топливе для двигателей составляла 15 част./млн и ниже.

Происхождение мелких частиц

Мелкие частицы, содержащиеся в бункерном топливе, имеют неправильную форму и размер от субмикронного до примерно 100 мкм - грубо говоря, от размера пылинки до толщины человеческого волоса. Их плотность также варьируется, но, как правило, она немного выше плотности мазута. Более крупные из мелких частиц оседают в топливе, а более мелкие частицы с низкой плотностью - нет.

Из всех физических свойств мелких частиц наибольшую проблему для судов представляет их твердость. Мелкие частицы имеют чрезвычайно высокую твердость - до 8,2 единиц по шкале Мооса, согласно которой твердость алмаза равна 10 единицам, - и легко способны царапать стальные поверхности и внедряться в них.

Ущерб, который они наносят

Если мелкие частицы проходят сквозь форсунку, они могут застрять между гильзой цилиндра и поршневым кольцом, зазор между которыми составляет около 3-5 мкм. Любая частица большего размера может вызвать абразивное изнашивание. С каждым ходом поршня мелкая частица будет царапать гладкие поверхности, вырезая следы, которые накапливаются с течением времени. Топливные насосы, форсунки, клапаны и другие компоненты также подвержены опасности изнашивания. И даже более мелкие частицы могут нанести им значительный ущерб.

Заманчиво думать об этом типе абразивного повреждения как о нормальном долговременном механическом изнашивании. И во многих случаях это может быть действительно так. Но мелкие частицы в высоких концентрациях могут приводить к тяжелому, катастрофическому повреждению за удивительно короткий период.

Один доступный онлайн отчет описывает воздействие мелких частиц, которое привело к повреждению двигателя всего за 100 часов работы. Когда двигатель был демонтирован, инженеры обнаружили, что «все поршни и гильзы полностью разрушены и требуют замены».

Само собой разумеется, что ущерб такого рода обходится чрезвычайно дорого, с сообщениями о претензиях на сумму от 300 тыс. до 1,5 млн долларов США. Это, в свою очередь, делает присутствие мелких частиц в топливе не только проблемой для эксплуатантов судов, но и серьезной проблемой для страхового рынка.

Спящая проблема, которая просыпается

Проблема мелких частиц не нова. Каталитический крекинг получил широкое распространение в 1970-х годах, поскольку рост цен на нефть заставил переработчиков извлекать более ценные продукты из своей нефти. В результате первые сообщения о повреждениях, вызванных присутствием мелких частиц, начали поступать в 1980-х годах. Хотя удаление мелких частиц из топлива в море всегда является проблемой, судовое оборудование для снижения уровня загрязнения (которое мы обсудим во второй части статьи ) основано на использовании проверенных и распространенных технологий.

К сожалению, это знакомство привело к определенному уровню самоуспокоенности в отрасли. Если, как и ожидалось, после 2020 года загрязнение топлива мелкими частицами станет более распространенным, эта самоуспокоенность может чрезвычайно дорого обойтись эксплуатантам судов, которые не обновляют свои знания и методики.

Недавней статьи в журнале "Marine Propulsion" должно быть достаточно, чтобы заставить многих эксплуатантов заострить свое внимание к этой проблеме. В статье приведен анализ, выполненный компанией ExxonMobil для более 400 тыс. проб масла, который показал, что 43% судов имеют потенциально катастрофические проблемы, вызванные присутствием мелких частиц в топливе. Даже если будет осознаваться серьезность лишь малой части этих потенциальных проблем, все же остается риск серьезных затрат средств и времени, а также опасность поломки двигателей.

Также сообщается, что за трехлетний период команда MAN PrimeServ обнаружила, что присутствие в топливе мелких частиц в 190 из 226 случаев (84%) стало причиной повреждений гильз цилиндров.

Как было описано выше, мелкие частицы являются побочным продуктом крекинга и удаления серы из нефтепродуктов. Чем глубже разделение нефти на фракции и чем больше серы удаляется из нефтепродуктов, тем выше содержание мелких частиц. Как кратко выразил Пол Хилл из Braemar: «Это фундаментальный компромисс между двигателем и окружающей средой. Невозможно добиться низкого содержания и серы, и мелких частиц.

С учетом того, что ОПЕК World Oil Outlook 2040прогнозирует, что в период с 2017 по 2022 годы будут добавлены дополнительные мощности для крекинга 138 млн тонн нефти в год, можно быть уверенными в том, что в хранилища топлива по всему миру поступит значительно большее количество мелких частиц.

В дополнение к проблеме более высокого содержания мелких частиц, отдельные наблюдения показывают, что новые катализаторы, поставленные на производство, дают еще более твердые мелкие частицы, попадающие в топливо. Указанный фактор сам по себе не является достаточно критичным, но, помимо этого, малосернистое топливо имеет худшую смазывающую способность, чем мазуты, а это означает, что истирание деталей двигателей усиливается.

Побочным эффектом нынешних пределов содержание серы в топливе является то, что концентрация в нем мелких частиц и связанный с ними ущерб значительно возросли. Повышение предела содержания серы в топливе до соответствия Директиве 2020 года может поднять проблему на совершенно новый уровень. Служба анализа и консультирования по бункеровке мазута Регистра Ллойда (FOBAS) следит за качеством резервуаров в портах по всему миру и выдает предупреждения при возникновении проблем. Эксплуатантам судов необходимо, конечно, обратить пристальное внимание на эти и другие отчеты. Но очень важно отметить, что мелкие частицы могут вызвать повреждение даже тогда, когда топливо полностью соответствуетt требованиям стандарта ISO 8217.

Все это сводится к тому, что старая проблема обретает новый масштаб. Во второй части дискуссии о влиянии мелких частиц мы рассмотрим решения проблемы и обсудим, как эксплуатанты судов должны будут активизировать свои усилия в этом направлении, в противном случае они рискуют столкнуться со значительными затратами.