Введение международных нормативов по ограничению выбросов оксидов серы в зонах контроля выбросов и глобальное снижение допустимого содержания серы в судовом топливе до 0,5% с 2020 года стали одними из наиболее значимых изменений в судовой энергетике за последнее десятилетие. Переход на малосернистые сорта топлива, характеризующиеся пониженной вязкостью и ухудшенными смазывающими свойствами, вызвал комплекс эксплуатационных проблем, связанных с повышенным износом прецизионных деталей топливной аппаратуры. Дополнительным деградирующим фактором служат абразивные частицы катализатора, остающиеся в топливе после процессов каталитического крекинга, которые применяются для максимизации выхода светлых нефтепродуктов из сернистой нефти. Попадая в зазоры прецизионных сопряжений, эти частицы действуют как высокоэффективный абразив, существенно сокращая назначенный ресурс плунжерных пар, направляющих втулок и уплотнительных поясов [1, с. 55-58].
Особого внимания заслуживает рост числа отказов управляющих блоков топливной системы на малооборотных двухтактных дизелях с электронным управлением впрыском. Характерными неисправностями в случае с данными двигателями являются срабатывание поплавковых камер сигнализации протечек, невозможность пуска двигателя, повышенный расход сжатого воздуха на пуск и сигнализация о низком давлении топлива в рейле [3, с. 157-176].
Управляющий блок топливной системы представляет собой монолитную конструкцию с разветвлённой сетью внутренних каналов, на которой установлены клапаны управления впрыском, гидравлические элементы и система обратной связи по давлению. Основным исполнительным элементом является клапан управления впрыском – подпружиненный в закрытом положении клапан, открываемый гидравлическим актуатором с электромагнитным управлением. Топливо под высоким давлением подводится к клапану и неизбежно просачивается по штоку в предусмотренные камеры сбора утечек. Согласно регламенту производителя, нормативная величина утечек у большинства современных двигателей составляет примерно 100 мл/мин для тяжёлого топлива и 400 мл/мин для дистиллятного топлива с одного блока. На двигателе с десятью цилиндрами это означает, что до примерно 4 л дизельного топлива в минуту может отводиться в дренажную систему, и данное значение считается допустимым [2, с. 18-22].
При превышении указанных нормативов эксплуатация блока становится небезопасной: нарастающие утечки приводят к падению давления в топливном рейле, увеличению расхода сжатого воздуха на пуск и, в конечном счёте, к невозможности запуска двигателя. Анализ отказов позволяет выделить две основные причины возрастания утечек. Первая – износ прецизионной пары «шток клапана – корпус клапана», прогрессирующий вследствие абразивного воздействия частиц каталитического крекинга и ухудшения смазывающих свойств малосернистого топлива. Вторая – выбивание уплотнительного пояса и смещение штока глубже в корпус. В процессе эксплуатации уплотнительный пояс штока постепенно вырабатывается, что приводит к перемещению штока вглубь корпуса. Конструктивно предусмотрен тепловой зазор между штоком и толкателем, однако при полной выработке этого зазора шток упирается в толкатель, и клапан может приоткрываться, обеспечивая неконтролируемый сброс давления из рейла. Этот механизм лежит в основе отказов, сопровождающихся невозможностью набора рабочего давления при пуске [2, с. 18-22; 3, с. 157-176].
Ресурс управляющего блока у многих производителей ограничен инструкцией по эксплуатации на уровне 32–36 тысяч часов, после чего блок подлежит демонтажу и передаче, береговым службам для проведения тестов и ремонта (при его технической возможности). Однако, учитывая потребность рынка в более оперативных решениях, производителями были предложены ремонтные наборы, позволяющие силами экипажа восстановить работоспособность блока. В любом случае блок требует снятия, так как компоновка корпуса рейла не предусматривает эксплуатационного зазора для проведения ремонтных операций на месте. Масса блока составляет более 100 кг, что требует применения грузоподъёмных механизмов и строгого соблюдения правил техники безопасности [3, с. 157-176].
Для своевременного выявления прогрессирующего износа и предотвращения аварийных отказов предлагаются два надёжных метода диагностики. Первый метод заключается в периодическом прямом измерении объёма утечек топлива через клапан управления впрыском с ведением истории измерений. Для выполнения данной операции система дренажей блока должна быть модернизирована с использованием специального переходного устройства, позволяющего направлять поток утечек в мерный стакан объёмом около 1 л с ценой деления 10 мл. Измерение проводится в течение одной минуты, результаты систематизируются и сохраняются для отслеживания динамики износа. Данный метод даёт количественную оценку технического состояния уплотнительных элементов и позволяет заблаговременно планировать замену клапана [2, с. 18-22; 3, с. 157-176].
Второй метод, менее трудоёмкий, основан на анализе скорости падения давления в топливном рейле после остановки двигателя. Для двигателей, оснащённых бортовой системой регистрации параметров, имеется возможность открыть график давления в рейле по приходу в порт и оценить время, за которое давление падает до нулевого уровня. Для дистиллятного топлива этот процесс должен занимать не менее одной минуты, для тяжёлого топлива – не менее пяти минут. Сокращение указанных интервалов свидетельствует о повышенных утечках и служит сигналом для подготовки к ремонту. Преимущество данного метода заключается в отсутствии необходимости физического доступа к блоку и возможности дистанционного мониторинга с использованием штатных средств автоматизации [2, с. 18-22; 3, с. 157-176].
Переход на малосернистое топливо с содержанием серы менее 1% привёл к существенному увеличению числа отказов управляющих блоков топливной системы на судовых малооборотных двухтактных дизелях с электронным управлением впрыском. Основными причинами деградации являются абразивный износ прецизионных пар под воздействием частиц каталитического крекинга, а также выбивание уплотнительного пояса и смещение штока клапана управления впрыском, приводящие к неконтролируемым внутренним утечкам топлива и падению давления в рейле
Предложены два эффективных метода диагностики технического состояния управляющего блока: периодическое прямое измерение объёма утечек топлива через клапан управления впрыском и оценка скорости падения давления в топливном рейле после остановки двигателя с использованием бортовой системы регистрации. Систематическое применение указанных методов позволяет отслеживать прогрессирующий износ, прогнозировать остаточный ресурс и своевременно планировать ремонтные мероприятия, что предотвращает аварийные остановки двигателя и связанные с ними значительные финансовые потери.
Новизна работы состоит в систематизации причин отказов управляющих блоков при работе на малосернистом топливе, обосновании механизмов деградации уплотнительных элементов и разработке критериев оценки технического состояния по давлению в рейле и объёму утечек для перехода от реактивного к прогнозируемому обслуживанию.
