一種艦用MTU柴油機狀態維修實踐

WAK Fernando，陳于濤，曹詩杰

一種艦用MTU柴油機狀態維修實踐

WAK Fernando，陳于濤，曹詩杰

（海軍工程大學，武漢 430033）

斯里蘭卡的艦船裝備維修主要采用預防性計劃維修模式。本文針對維修模式改革需求，對各種現有維修模式進行了分析比較，深入研究了狀態維修的技術特點和現有技術手段。研究了計劃維修模式下的艦用MTU柴油機大修數據，在數據分析的基礎上，發現現行的維修模式存在過度維修的傾向。因此斯里蘭卡海軍提出將狀態維修技術引入艦用MTU柴油機的維修工作實踐之中，并選取兩臺MTU柴油機，開展了歷時兩年多的油液鐵譜分析以及實驗數據記錄，根據油液中金屬元素磨損數據的分析結果，確定將W5和W6等級修理的時間間隔各延長15%，從而減少維修費用并提高維修效率。

維修 預防性計劃維修 狀態維修 油液分析 性能分析

0 引言

隨著科技的快速發展，機械設備可靠性已經成為影響造船工業未來的重要因素之一，而維修是保證船舶各系統可靠性的有效方式。一般來講，維修是指使機械設備恢復到理想狀態的一系列操作，有固定的規則且不可隨意更改。維修的目的是延長設備的使用壽命，因此通常按計劃進行，或根據實際情況采取其他措施以防止故障[1]。

維修的目標可歸納如下：

1）延長設備使用壽命；

2）保證設備處于最佳使用狀態；

3）確保緊急情況下設備隨時可用；

4）確保使用人員的安全。

1 維修模式概述

維修模式包括被動維修、預防性計劃維修、主動維修、可靠性維修、狀態維修等五種類型[2]。

被動維修的含義是當出現故障時才進行維修，也即壞了才修。但有時故障會導致更為嚴重的損害，且來不及維修，以至于整機報廢。

預防性計劃維修意味著在故障發生之前就維修，因為“預防好于治療”。通過消除故障隱患，這種方式可以提高設備可靠性并預防故障導致的設備損害，以及降低成本。

預防性計劃維修通過各種操作規范來保持設備的良好狀態，是一個不斷重復的過程。此外，它也是一種按計劃實施的固定時間維修。但這種維修模式存在以下缺點：

1）機械設備的周期性拆解費時費力；

2）頻繁的拆解可能會降低設備性能；

3）主要基于制造商的建議而不是實際情況；

4）一經制定便很少修改；

5）仍然會出現“非計劃”的故障。

主動維修是指利用各種技術手段來延長設備的使用壽命并盡量避免各種被動維修，其核心是故障機理分析。通過主動維修可以消除故障根源并逐步改進設備工作狀態。

可靠性維修是指通過對故障模式進行分析并實施針對性的主動維修，從而保證系統功能的實現。可靠性維修包含以下要點：

1）盡可能避免設備冗余；

2）優先考慮基于狀態維修或主動維修，而不是固定時間維修。

3）允許運行中出現故障。狀態維修適用于需要保證可靠性并降低能耗和成本的設備，主要是通過連續或定期觀察并記錄選定的設備參數來評估系統狀態。

2 狀態維修特點及技術手段

狀態維修（CBM）是一種根據設備實際狀態來確定維修措施的策略，認為只有當監測指標表明設備出現性能下降或故障征兆時才需要進行維修。獲取這些指標通常包括無損檢測、性能數據分析和相關測試。設備狀態數據以連續或間隔方式采集并存儲[3-4]。

不同于采用預定周期的計劃維修方式，基于狀態維修只有在設備狀態觸發設定條件時才采取相關措施，從而使維修間隔得以延長。狀態維修的實施包括三個方面：監測、診斷和維修。

2.1 狀態維修的優缺點

狀態維修的優勢可概括如下：

1）在設備工作時進行檢測，不影響正常操作；

2）減小故障造成的損失；

3）提高設備可靠性；

4）減少重大故障的維修時間；

5）優化維修間隔；

6）操作人員更加安全；

狀態維修的缺點如下：

1）狀態測試設備的安裝和維護費用較高；

2）需要專人負責狀態測試與分析；

3）不易檢測到設備疲勞或均勻磨損故障；

4）工作環境對狀態傳感器的損害；

5）安裝傳感器可能需要改動系統；

6）維修周期不可預測。

2.2 狀態維修的技術手段

狀態維修的技術手段有許多[5-9]，常用的有以下幾種：

1）振動分析：諸如壓縮機、泵和電機一類的旋轉設備通常表現出一定的振動。當性能下降或出現故障時，振動的強度會增加，從而被振動傳感器探測到；

2）紅外分析：紅外相機可以用來檢測高溫設備的溫度狀態；

3）超聲分析：探測設備的內部缺陷。

4）聲學分析：用來探測氣體、液體或泄漏；

5）油液分析：通過測量油液中的顆粒數量與大小來確定設備狀態。磨損產物分析與鐵譜法是油液分析的主要方法；

6）電學分析：電機電流等參數；

7）性能分析：綜合系統參數如壓力、溫度和流量等進行設備工作性能分析。

3 斯里蘭卡艦船現有維修模式

目前斯里蘭卡海軍主要是按照設備生產商給出的維修計劃對船舶主機進行維護。例如MTU主機，自1984年開始投入使用，已按照維修計劃進行過多次大修。其維修等級如表1所示。

檢測分析結果表明，在MTU各型主機的大修中，主軸頸軸承磨損占到12.5%-77%，連桿軸承磨損占比40%-80%，凸輪磨損占比20%-65%，詳情如圖1至圖4所示。

分析上圖后可以發現，按照現行預防性計劃維修方案，諸如軸承、活塞和齒輪等活動部件并未達到其最大磨損限度就被更換。因此可以認為這一維修模式存在過度維修的傾向，從而導致人力物力等方面花費過高。

表1 斯里蘭卡海軍各型主機維修等級

圖1 主軸頸軸承磨損分析

圖2 連桿軸承磨損分析

4 基于油液分析的MTU柴油機狀態識別

MTU或其他主機的大修計劃主要是基于其使用情況。如MTU TE 94主機W6的維修間隔是6000小時；IDS的正常使用被定義為工作時間10%為最大功率，70%為平均功率，20%為低功率。但研究表明FAC主機主要工作在低功率區間。

此外對于是否有必要在6000小時進行MTU TE94/TB93中W6主機的大修也有爭論，因為MTU TC81中W6主機可工作9000小時，且負載類似甚至更大。澳大利亞的W6通過狀態維修可工作18000小時，而計劃維修一般間隔為7000小時。因此有必要在計劃維修中引入狀態分析。

基于以上事實，斯里蘭卡海軍已計劃對主機狀態進行全面分析以延長大修周期。作為試點，選取同一條船的兩臺主機，在一段時間內進行滑油樣本的狀態對比分析。根據這一方案，在每次滑油更換時都要進行鐵譜分析以了解油液樣本中的金屬顆粒分布情況，從而判斷主機的工作狀態。

根據ASTM D 5185標準，對滑油樣本進行了譜分析。此外按照ASTM D 445標準并參照澳大利亞BR 6140標準中的最大許可值對滑油粘度進行了測試。油液樣本的元素分析結果如圖5和圖6所示（ppm濃度與時間的關系）。

圖3 凸輪軸軸承磨損分析

圖4 氣缸套磨損分析

圖5 左舷主機金屬磨損情況（短期）

圖6 右舷主機金屬磨損情況（短期）

根據分析結果，可以觀測到相比于左舷主機，該船右舷主機油液樣本中的鐵和銅元素稍微偏多，但仍處于許可范圍之內。這些元素的來源為：

1）鐵：活塞環，滾珠軸承，齒輪，氣缸，閥門和其他含鐵部件；

2）銅：軸承，電刷，冷凝管，閥門導管等。

根據元素濃度和全部運行周期之間的關系，可以得到趨勢分析圖，如圖7和圖8所示。

圖7 左舷主機金屬磨損情況（長期）

圖8 右舷主機金屬磨損情況（長期）

5 結論

基于狀態維修的實際應用目前還有一些問題有待解決，主要是測試設備和人員培訓方面的經費開支導致方案初期費用較高。此外狀態維修需要引入一些新技術，其實施也會遇到各種困難。

目前斯里蘭卡海軍已經開始利用現有設備進行狀態分析。滑油的鐵譜分析與主機狀態的相關研究表明，滑油中的鐵元素的增加應當引起重視并給予持續關注。此外如含水量等其他方面的油液檢測也應同步進行。

考慮到MTU主機一般工作在額定負載以下，建議結合狀態分析開展狀態維修，將MTU TE94和TB93主機的高等級維修間隔延長15%左右，即維修等級W5延長500小時，等級W6延長1000小時，從而減少維護費用并提高維修效率。

[1] Jiang R, Yan X. Condition monitoring of diesel engines[M]// Complex System Maintenance Handbook. 2008.

[2] Rose D, Paske S, Smith A M. How much maintenance is enough? RCM Delivers the right maintenance strategy for a critical lift station[J]. Proceedings of the Water Environment Federation, 2011, 2011(5): 593-618.

[3] Jardine A K S, Lin D, Banjevic D. A review on machinery diagnostics and prognostics implementing condition-based maintenance[J]. Mechanical Systems & Signal Processing, 2006, 20(7): 1483-1510.

[4] Grall A, Bérenguer C, Dieulle L. A condition-based maintenance policy for stochastically deteriorating systems[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2002, 76(2): 167-180.

[5] Reilly T. A review of signal processing and analysis tools for comprehensive rotating machinery diagnostics[M]// Rotating Machinery, Structural Health Monitoring, Shock and Vibration, 2011.

[6] Nixon J. Oil analysis for dummies-110 reasons why you need an oil analysis program[J]. Fleet Equipment, 2004.

[7] Chatterjee D, Rusch K. SCR technology for off-highway (Large Diesel Engine) applications[M]// Urea-SCR Technology for deNOx After Treatment of Diesel Exhausts. 2014.

[8] Hoffmann J, Yuh C, Godula Jopek A. Electrolyte and material challenges[M]// Handbook of Fuel Cells. 2010.

[9] Weigel D I C, Kattwinkel D I P, Viehweg D I P, et al. Technologies for exhaust aftertreatment testing under real conditions[J]. Mtz Worldwide, 2010, 71(11): 48-53.

An Condition Based Maintenance Practise to MTU Marine Diesel Engines

WAK Fernando, Chen Yutao, Cao Shijie

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

U672

A

1003-4862（2019）11-0033-05

2019-05-14

Fernando（1981-），男，工程師。研究方向：船舶動力裝置科學管理。E-mail: yutao_jack_chen@163.com