Литература по Механике и для Механиков / Литература / Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (2)

нения серы, конденсирующиеся в масле и образующие в нем сильные минеральные кислоты. Присутствие в масле этих кислот приводит к его ускоренному старению и коррозии подшипниковых сплавов и шеек вала.

6.Ускоренное образование в топливе асфалыпо-смолистых со­ единений и продуктов отложений в танках. Некоторые органосернис­ тые соединения в процессе длительного хранения топлива ускоряют процессы его окисления с образованием асфальто-смолистых соедине­ ний и продуктов отложения (шлама). Сера также понижает теплоту сгорания топлива.

7.Сернистая коррозия выхлопного трубопровода и котлов. Со­ держащиеся в выхлопных газах пары SOp достигая в выхлопных тру­ бах и утилизационных котлах температур ниже точки росы, вызывают их коррозию. Аналогичной коррозии подвержены элементы вспомога­ тельных и главных котлов, работающих на сернистых мазутах на ре­ жимах, когда температуры хвостовых поверхностей (экономайзеров) ниже точки росы (140-450°).

Рекомендации.

По возможности стремиться к использованию в двигателях топ­ лив с содержанием серы не выше 1,5%. В противном случае прини­ мать все необходимые меры по снижению коррозионных процессов.

Коль скоро известно, что коррозионный износ особенно велик, когда температура металла рабочих поверхностей цилиндров падает ниже температуры точки росы водяных паров (100-120° С при давле­ нии в цилиндре 4 МПа и выше), то для снижения коррозионных про­ цессов важно температуру стенок цилиндров удерживать на этом или более высоких уровнях. Это, в частности, достигается повышением температурного режима в системе охлаждения до максимально допус­ тимого уровня при минимальном перепаде температур между выхо­ дом и входом в двигатель. Последнее обеспечивается увеличением подачи воды, идущей на охлаждение. Увеличение подачи и, соответ­ ственно, давлений в системе необходимы также для предотвращения образования воздушных пробок, нарушающих теплопередачу и приво­ дящих к местным перегревам.

В двигателях старых конструкций рекомендовалось поддерживать температуры в системах охлаждения на входе 40-50 и на выходе 5060° С. В более поздних конструкциях двигателей, учитывая ухудшение качества топлив и увеличения в них содержания серы, двигателестрои­ тельные фирмы пошли на увеличение температурных диапазонов: на входе 70-85 и на выходе 85-95° С.

Шгпочмоаг’ь

маем

гам

Рис. 11.4. Выбор щелочности масла в соответствии с содержанием серы в топливе (минимальный износ втулок достигается при выборе щелочности цилиндрового масла в заштрихованной зоне)

В двигателях нового поколения охлаждается только верхняя часть втулок цилиндров, более того, для поддержания высокого температур­ ного уровня зеркала цилиндра прибегают к частичной изоляции тепло­ передающих поверхностей.

3. Существенное снижение коррозии достигается приданием ци­ линдровым маслам крейцкопфных двигателей и циркуляционным мас­ лам тронковых двигателей защитных нейтрализующих свойств. С этой целью в масла вводят в виде присадок соединения щелочных метал­ лов, которые, вступая в реакцию с выпадающей на стенках цилиндров серной кислотой, нейтрализуют ее, тем самым почти устраняя или, по крайней мере, снижая до минимума ее коррозионное действие.

Нейтрализующая способность масел оценивается ее щелочным числом (ОЩЧ), выражаемым в мгКОН/г масла. Чем выше ОЩЧ, тем выше нейтрализующая способность. За рубежом щелочность масел оценивается аналогичным показателем (TBN) - Total Base Number или Base Number (BN).

При выборе масла нужно исходить из его щелочного числа, кото­ рое, в свою очередь, должно подбираться по содержанию серы в топ­

ливе, основываясь на рекомендациях фирмы-двигателе строителя (см. рис. 11.4) или, в первом приближении, удовлетворять следующей за­ висимости:

ОЩ Ч= S % x (1 0 -2 0 ). (11.3)

В случае, когда имеющееся на судне масло по своей щелочности ниже требуемой для используемого в настоящий момент топлива, ре­ комендуется увеличить подачу масла на цилиндры.

Содержание ванадия и натрия.

Одной из серьезных проблем, осложняющих эксплуатацию со­ временных 4-тактных и 2-тактных двигателей с прямоточно-клапан­ ной продувкой, является относительно невысокий рабочий ресурс вы­ пускных клапанов. Последнее в основном связано с потерей ими плот­ ности по причине прогорания посадочных поверхностей. Особую ост­ роту эта проблема приобрела в последние годы в связи с дальнейшей форсировкой рабочего процесса, сопровождаемой ростом температур цикла и деталей камеры сгорания. Известную роль здесь играет бук­ вально драматическое ухудшение качества морских топлив. В них, осо­ бенно в тяжелых остаточных топливах, содержание ванадия, представ­ ляющего вместе с натрием наибольшую угрозу для клапанов, может достигать 300-350 р р т (частей на миллион). Мировая практика пока­ зывает, что в большинстве случаев содержание ванадия находится на уровне 100-150 ррш, но в остаточных топливах из венесуэльской не­ фти оно доходит до 500...600 ррш. Соединения ванадия во всех дистиллятных топливах должны отсутствовать.

Содержание органических соединений натрия редко превышает 30 р р т, но при попадании в топливо морской воды на каждый процент увеличения ее содержания присутствие соединений натрия увеличива­ ется на 100 р р т . При сгорании топлива, как известно, образуются С 0 2, Н20, S 0 2и SO r Несгорающие элементы, такие как V, Na, Fe и Ni, при сгорании углеводородов легко образуют окислы или соли. Притом, окислы ванадия и железа выступают в роли очень активных катализа­

В обоих случаях каталитический эффект достигается с образова­ нием в ходе реакции промежуточных соединений. В числе попадаю­ щих в топливо с водой соединений натрия основную роль играет хло­ рид натрия NaCl, он, вступая в реакцию с серной кислотой, образует

Гл. 11. Топлива, топливная система, топливообработка

сульфат натрия Na2S 0 4и соляную кислоту НС1 в ее паровой фазе.

Уместно отметить, что возникающие при сгорании тяжелых топлив окислы ванадия, на­ трия и серы, будучи чрезвычайно агрессивными, вызывают высокотемпературную межкристаллическую коррозию металла тарелок выхлопных клапанов, выражающуюся в образовании пора­ женных участков, внешне напоминающих булыж­ ную мостовую. Плотность посадки клапана на седло на этих участках теряется, прорыв газов способствует местному перегреву и, как итог - прогоранию тарелки.

Важной причиной и специфическим обстоя­ тельством, сопровождающим возникновение вы­ сокотемпературной коррозии, является наличие

в продуктах сгорания агрессивных соединений, температура плавле­ ния которых лежит ниже рабочей температуры клапанов. Окислы вана­ дия V20 и V р 5имеют температуры плавления, соответственно, 1970° С и 675...690° С. Это означает, что они, находясь в твердом состоянии, покидают цилиндр вместе с выхлопными газами, температура которых 450...600° С. В смеси с сульфатом Na их температуры плавления сни­ жаются до значений 530...670° С. Пока окислы находятся в твердом состоянии, и температура тарелки выхлопного клапана не превышает 530° С, есть вероятность, что значительная их часть будет улетать вме­ сте с выхлопными газами, не принося вреда клапану.

Когда же температура клапана начинает превышать температуру плавления окислов (поднимается выше 530° С), то, оказываясь вблизи клапана, они начинают буквально прилипать к нему. Стекая на рабо­ чую фаску, окислы вызывают интенсивную коррозию и последующее прогорание.

Проблемы.

1. Низкотемпературная коррозия ЦПГ. Наличие в топливе Na-V

соединений интенсифицирует образование S 0 3 и возникновение ин­ тенсивной низкотемпературной коррозии и износа ЦПГ.

2. Высокотемпературная коррозия, перегрев и прогорание вы­ пускных клапанов. Обводнение топлива морской водой увеличивает содержание в нем натрия, который в сочетании с окислами ванадия создает эвтектоидную смесь, имеющую низкую температуру плавле­ ния, что способствует ее прилипанию и осаждению на теле выхлопно­

го клапана с последующим развитием высокотемпературной коррозии на его рабочей поверхности. В свою очередь, высокотемпературная коррозия клапанов приводит к быстрой потере плотности их посадки на седло, а также к местному перегреву (под действием прорываю­ щихся газов) и прогоранию.

3.В эксплуатации отмечается также отложение натрий-ванадие- вых соединений на лопатках турбокомпрессоров, что приводит к сни­ жению эффективности их работы.

4.Натрий-ванадиевые соединения откладываются также на рабо­ чих поверхностях утилизационных котлов, являясь причиной их кор­ розии и загрязнения проточной части.

Рекомендации.

1.Рекомендуется по возможности избегать использования в дви­ гателях топлив с высоким содержанием ванадия (желательно, чтобы

его содержание не превышало значений 100... 150 ррт).

2.Следует избегать обводнения топлива морской водой, при слу­ чайном попадании воды —осуществлять активную сепарацию с про­ мывкой топлива горячей пресной водой, подаваемой в струю топлива перед сепаратором. Вода, смешиваясь с топливом, растворяет находя­ щиеся в нем соединения натрия и в ходе сепарации удаляется вместе с ними. Уменьшение содержания Na2S 0 4 в смеси с V20 ; способствует росту температуры плавления, препятствует прилипанию агрессивных соединений к телу клапана, а значит - способствует уменьшению ве­ роятности развития коррозии последнего.

3.Необходимо принимать меры, направленные на снижение тем­ пературы выхлопных клапанов (последняя не должна превышать 530° С, желательный уровень - не выше 450°). Во многом принятие этих мер является предметом забот конструктора двигателя. Однако и судовой механик, вынужденный пользоваться топливом с высоким со­ держанием ванадия, может отчасти исправить положение, понизив тем­ пературу клапанов за счет уменьшения нагрузки двигателя.

Важно отметить, что применение стеллитовой наплавки, изготов­ ление тарелки или всего клапана из нимоника, использование устройств ротокап (механизма проворачивания клапана) повышают ресурс кла­ панов, но в целом обозначенную здесь проблему они не решают.

4.Твердые отложения соединений натрия и ванадия на лопатках газовых турбин, несмотря на их высокую твердость, эффективно уда­ ляются при промывке турбин водой.

5.Для исключения натрий-ванадиевых отложений на поверхнос­ тях нагревательных элементов утилизационных котлов и вызываемой

ими коррозии следует избегать работы котлов при низких температу­ рах выхлопных газов (работа двигателей на малых нагрузках), когда температура поверхностей падает ниже температуры точки росы со­ держащихся в газах агрессивных продуктов.

6. При использовании топлив с высоким содержанием ванадия полезно вводить в них присадки, в состав которых входит Mg (Ameroid Mark-4, Vecom Fot-SA и др.). При сгорании топлива магний окисляется

с образованием MgO, температура плавления которого составляет 2800° С. Продукты его взаимодействия с окислами ванадия уже имеют температуру плавления 800-900° С, что значительно превышает тем­ пературы клапанов и тем самым исключает опасность прилипания и осаждения агрессивных соединений на клапанах, лопатках турбин и утилизационных котлах. В итоге соединения ванадия в сухом виде ухо­ дят из дизеля вместе с продуктами сгорания. Опыт показывает, что эти присадки оказываются довольно эффективными в борьбе с высокотем­ пературной коррозией и способствуют продлению ресурса выхлопных клапанов.

Содержание кокса и асфальтенов.

Содержание кокса (carbon residue) представляет собой сухой ос­ таток, оцениваемый в процентах от массы пробы, подвергнутой нагре­ ванию до высоких температур без доступа воздуха. Коксовое число дистиллятных топлив обычно не превосходит значения 0,1%, и лишь в топливах Marine Diesel Oil-DMC оно может подниматься до значения 2,5%, что свидетельствует о присутствии в топливе остаточных высо­ комолекулярных фракций.

Тяжелые прямогонные топлива характеризуются 5-10%-ным со­ держанием кокса. В тяжелых крекинг-топливах, в остаточной фракции которых концентрируются углеводороды с высоким отношением С/Н, коксовое число может достигать величины 18...20% (верхний допус­ тимый предел - 30%). При сжигании таких топлив происходит боль­ шое нагарообразование на поршнях в зоне поршневых колец и в вы­ пускных окнах. Одновременно отмечается дымный выпуск.

Асфальтены. В топливе асфальтены нерастворимы и содержатся в виде коллоидного раствора. Их плотность достигает 1160 кг/м3, тем­ пература плавления составляет 200° С. При сгорании они переходят в еще более высокомолекулярные, насыщенные углеродом твердые ве­ щества - карбены и карбоиды, составляющие основу нагаров.

Содержание асфальтенов в прямогонных остаточных парафино­ вых топливах невелико (З...6%), в топливах из асфальтосмолистых

нефтей - несколько больше (около 10%), а в крекинг-топливах - до 12%. Асфальтены являются нежелательной составляющей топлива, прежде всего в связи с их отрицательным влиянием на процесс сгора­ ния. Они увеличивают период задержки самовоспламенения, медлен­ но горят, затягивая процесс сгорания на линию расширения и даже за нее, что влечет за собой рост температуры выпускных газов, рост от­ ложений в выхлопном тракте и в газовых турбинах, и снижение эконо­ мичности двигателя.

Проблемы.

Повышенное содержание кокса и асфальтенов приводит к следую­ щим отрицательным эффектам:

1.Последствия плохого самовоспламенения и замедленного сго­ рания. Плохое самовоспламенение и замедленное сгорание имеют след­ ствием неполное сгорание топлива, снижение экономичности двигате­ ля, рост отложений нагара.

2.Ухудшение характеристик выхлопа. Повышенное содержание кокса и асфальтенов провоцирует рост температуры выхлопных газов,

атакже дымление.

3.Удлинение факела топлива. Присутствие асфальтенов увеличи­ вает длину факела топлива, в связи с чем появляется вероятность каса­ ния им днища поршня и втулки цилиндра. Возможные последствия: выгорание металла головки поршня, сгорание защитного слоя масла на зеркале цилиндра.

4.Шламо- и осадкообразование. С присутствием асфальтенов и смол связывают такие явления, как шламо- и осадкообразование в тан­ ках, нестабильность и несовместимость топлив. При температурах, превышающих 200° С, асфальтены находятся в расплавленном состоя­ нии. Становясь липкими, они цементируют несгоревший углерод и твердую золу, создают фундамент для образования нагаров.

Рекомендации.

1.При заказе топлива следует обращать внимание на содержан

внем кокса и асфальтенов. Учитывая то обстоятельство, что снизить содержание последних в процессе топливообработки практической возможности нет, следует избегать приобретения топлив с коксовым числом, превышающим 10. ..12% и содержанием асфальтенов 6. ..8% и выше.1

'Следует заметить, что прямой зависимости роста нагароотложений с содержанием кокса и асфальтенов нет, так как степень нагарообразования зависит еще и от индивидуальных особенностей двигателя, режимов его работы, технического состояния и пр.

2.Обращать внимание на эффективность работы сепараторов, так как надлежащим образом организованная работа сепараторов топлива позволяет переводить в шлам (отходы сепарации) значительную часть тяжелых асфальто-смолистых составляющих, способствующих нагароотложениям и затягиванию сгорания.

3.Учитывая, что шлам по большей части представляет собой го­ рючую массу, при существующих высоких ценах на топливо его поте­ ря нежелательна. Путем смешивания с жидким топливом и после­ дующей гомогенизацией он может быть успешно сожжен в котлах и инсинераторах.

Содержание алюмосиликатов.

Содержание алюмосиликатов (aluminium/silicon content) введено в сертификат на морские топлива ISO-F в 1996 г. в связи с участивши­ мися случаями буквально катастрофических износов топливной аппа­ ратуры и ЦПГ дизелей, которые были обусловлены присутствием в топливах соединений алюминия и кремния.

Сертификатом IMO установлено требование, согласно которому содержание А1 и Si в топливе не должно превышать 80 р р т.

Проблема.

Интенсивный абразивный износ. Превышение содержания в топ­ ливе алюмосиликатов сверх уровня 80 р р т стимулирует увеличение абразивного износа топливной аппаратуры и деталей ЦПГ.

Рекомендации.

1.Не рекомендуется допускать к использованию в двигателях топ­ ливо, содержащее более 80 ppm А1 и Si.

2.При наличии в топливе алюмосиликатов следует уделять повы­ шенное внимание его очистке, используя для этой цели оба имеющих­ ся сепаратора, включенные в параллель и работающие на пониженных производительностях. Крайне желательна двукратная сепарация.

Лучший вариант - топливо сдать в ближайшем порту, предъявив претензию о несоответствии показателей топлива Международному стандарту ISO 8217:2005.

Содержание механических примесей.

Все остаточные топлива - в пределах «нормы» - помимо твердых механических частиц содержат определенные количества осадков или шлама (total sediment), которые могут представлять собой мелкие час­ тицы агломератов асфальтенов, кокса и посторонних включений мине­ рального происхождения. Как те, так и другие вызывают абразивный

износ топливной аппаратуры и деталей ЦПГ. Содержание асфальто-смо- листых агломератов и механических примесей в тяжелых топливах оце­ нивается на основе метода TSP (Total Sediment Potential). Для оценки содержания механических примесей в дистиллятных топливах исполь­ зуется аналогичный способ, но без искусственного старения - без на­ гревания пробы топлива. Этот метод именуется TSE (Total Sediment Exi­ stent). Оба способа дают возможность оценить общее содержание меха­ нических примесей без подразделения их на примеси органического и минерального происхождения. Международными стандартами содержа­ ние примесей такого рода ограничивается для дизельных топлив вели­ чинами диапазона 0,01...0,02%, а для тяжелых - величинами порядка 0,1%. Исключение составляют топлива ВМС, для которых TSE допуска­ ется до 0,1%. Отечественные стандарты, к сожалению, для ряда тяже­ лых топлив допускают присутствие механических примесей до 0,25%.

Если при анализе топлива методом горячей фильтрации (TSP) ус­ тановлено, что общий осадок превышает норму 0,1% , это свидетель­ ствует и о нестабильности топлива. Уменьшение содержания механи­ ческих примесей в топливе обеспечивается его фильтрацией и сепари­ рованием.

Содержание воды.

Вода присутствует в топливе либо в виде капель, распределенных по объему, либо сплошным слоем на дне танка или цистерны. В соответ­ ствии с Международным стандартом ISO максимально допустимое ко­ личество воды (water content) в поставляемом на судно топливе не долж­ но превышать в дистиллятном - 0,3%, в тяжелом топливе - 1% (в отече­ ственных мазутах - до 2%). Практика показывает, что большинство со­ лидных бункеровщиков поставляют топлива с водой не выше 0,5%.

Вода попадает в топливо при его транспортировке или в процессе проведения бункеровочных операций. На судне вода нередко подме­ шивается к топливу через подтекающие змеевики парового подогрева, а также в виде конденсата, образующегося в цистернах при «дыхании» топлива в условиях больших колебаний температуры.

Проблемы.

1.Коагуляция смолистых соединений. Глобулы воды коагулиру­ ют вокруг себя асфальто-смолистые соединения топлива, способствуя их выпадению в шлам.

2.Коррозия топливной аппаратуры. Вода способствует развитию коррозии топливной аппаратуры, особенно при работе на дизельных топливах, содержащих агрессивную меркаптановую серу.

3.Развитие натрий-ванадиевой коррозии. Морская вода насыщает топливо солями натрия, способствующими возникновению натрий-ва­ надиевой коррозии.

Рекомендации.

1.Следует помнить - вода легко отделяется от дизельных топлив

иуходит в отстой. Значительно хуже отстаивается тяжелое топливо, чему препятствуют: его высокая вязкость и наличие в таком топливе асфальто-смолистых составляющих, играющих роль поверхностноак­ тивных веществ, способствующих образованию и последующему со­ хранению водотопливных эмульсий.

2.Для улучшения отстаивания рекомендуется поддерживать тем­ пературу топлива на уровне 60...70° С (на 15° С ниже температуры вспышки).

3.Сепарирование топлива следует вести в режиме пурификации с возможно меньшими производительностями. Для разрушения образу­ ющейся эмульсии топлива с водой необходимо использовать присад­ ки - «деэмульгаторы». При содержании в топливе воды не выше 0,5% можно использовать сепараторы, настроенные на режим пурифика­ ции, но с частой разгрузкой барабана. Опыт показывает - в относи­ тельно короткий промежуток времени между разгрузками вода не ус­ певает заполнить барабан до критического уровня и не будет смеши­ ваться в нем с топливом, а при разгрузке она удаляется. В этом случае очистка топлива от механических примесей будет более эффективной.

4.В случае значительного обводнения топлива и невозможности избавиться от эмульсии нужно принять меры к ее измельчению путем неоднократной прокачки топлива по замкнутому контуру и лишь пос­ ле этого - последующему сжиганию в котле или в двигателе. В после­ днем случае полезно использовать гомогенизацию.

Теплота сгорания.

Теплота сгорания (calorific value or specific energy) есть количе­ ство теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива; она выражается в Дж/кг, кДж/кг или мДж/кг. Одна килокалория эквива­ лентна 4,187 кДж. В практических расчетах используется так называе­ мая низшая теплота сгорания Qh, мДж/кг, которая может быть подсчи­ тана по следующей эмпирической формуле, обеспечивающей доста­ точную для практических расчетов точность:

Q = (46,7 - 8,8 - 1 0"6йР15 + 3,17 - 1 0 -Щ 1 - (х + у + S)] +

+ 9,425 - 2,45х мДж, (11.4)