피스톤 링의 주요 기능은 연소실을 밀봉하여 피스톤이 상사점에 도달했을 때 연소실 내의 신선한 공기가 연료의 연소 온도와 맞춰 충분한 온도와 압력을 유지하여 빠르고 완전하게 연소되도록 하는 것입니다.
피스톤, 피스톤 링, 실린더 라이너의 작동 조건은 매우 가혹하며, 이들 사이의 마찰 손실은 디젤 엔진의 전체 마찰 손실 동력의 55%~60%를 차지합니다.
따라서 피스톤 링의 작동 상태는 연료 연소의 완전성과 디젤 엔진의 작동 조건에 결정적인 역할을 합니다. 디젤 엔진의 양호한 작동을 보장하기 위해 피스톤 링의 작동을 관리하고 유지하는 것이 특히 중요합니다.
피스톤 링의 고장 현상, 원인 분석 및 치료 대책
피스톤 링의 주요 결함으로는 파손, 접착, 비정상적인 마모 등이 있습니다.
위에 언급한 고장이 발생하면 대체로 연소실 누출, 배기 온도 상승, 배기에서 검은 연기 배출, 패킹박스 내 오일 오염, 실린더 라이너 물 온도 상승 등의 현상이 발생합니다.
제가 "Solace"호에서 근무하던 당시 주요 엔진 모델은 DC 청소 기능이 있는 MAN B&W6L60MC 디젤 엔진이었으며 14년 동안 작동했습니다.
밴쿠버 정박지에서 주 엔진 실린더 1# 및 3#의 정상적인 유지관리 및 인양이 수행되었습니다. 피스톤 링의 마모가 한계에 도달하지 않았고 피스톤 및 피스톤 링 홈이 양호한 상태였지만, 다음 실린더 인양에는 8000-10000시간이 더 걸릴 것으로 예상됩니다.
따라서 모든 피스톤 링을 교체했습니다.
실린더 1의 배기 밸브는 약 800시간 동안 교체하였고, 실린더 3의 배기 밸브는 약 500시간 동안 교체하였습니다.
밴쿠버에서 3일 이상 나와서 롄윈강에서 추가한 오일(RMG380795t)로 바꿨는데, 테스트 결과 불순물이 기준을 초과했고, 알루미늄과 실리콘 함량이 60에 도달했고, 최대량은 80이었습니다. 하루도 채 지나지 않아 주, 보조 엔진에 들어가는 연료 온도가 점차 낮아지고 오일 온도를 조절할 수 없다는 것을 발견했습니다. 또한 연료 2차 필터의 압력 차이가 크고 연속 역세척이 중단되지 않는다는 것을 발견했습니다.
메인 및 보조기의 2차 필터를 수동으로 분해하여 세척한 후 압력차와 온도는 정상으로 돌아왔습니다. 그러나 하루도 채 지나지 않아 자동 플러싱이 멈추지 않고 계속되었습니다. 따라서 단일 오일 분리기의 오일 분리량을 줄이고 슬래그 배출 간격을 1시간으로 단축하기 위해 다른 오일 분리기를 병렬로 시동했습니다. 그러나 상황은 개선되지 않았습니다.
나중에, 실린더 1과 3의 배기 온도가 점차 증가하여 다른 4개 실린더보다 상당히 높은 것으로 나타났습니다. 감속 작동에는 상당한 개선이 없었고, 주 엔진의 배기 색상이 더 무거워지고 더 많은 짙은 연기가 보였습니다. 바다 상태가 좋지 않을 때 터빈에도 약간의 서지가 있었습니다.
각 실린더의 동력계 다이어그램을 측정한 결과, 실린더 1 # 및 실린더 3 #의 압축 압력은 각각 5.6MP 및 5.4MP인 반면 다른 실린더의 압축 압력은 6.1-6.2MP인 것으로 나타났습니다. 폭발 압력도 실린더 1 # 및 실린더 3 #에서 더 낮았습니다.
이 현상은 실린더 1# 및 3#의 밀봉에 문제가 있음을 나타냅니다. 하나는 배기 밸브이고 다른 하나는 피스톤 링입니다.
앞으로 며칠 동안 점차 안정될 것이며, 선박이 한국 인천에 도착할 때까지 주엔진과 보조엔진의 2차 연료 필터를 하루에 한 번씩 분해하여 청소해야 합니다.
항구에 도착한 후 가장 먼저 해야 할 일은 청소 상자 문을 열고 각 실린더의 피스톤, 피스톤 링, 실린더 라이너를 검사하는 것이었습니다. 피스톤이 매우 더럽고 실린더 1과 3의 피스톤 링 중 일부가 이미 부러지거나 달라붙었고 실린더 라이너가 약간 당겨졌습니다. 실린더 1과 3의 오일은 부족한 듯 보였지만 나머지 실린더는 비교적 정상이었고 약간 더러울 뿐이었습니다. 실린더 라이너의 아랫부분에는 오일 잔여물과 슬러지가 뚜렷하게 있었습니다.
우리는 실린더 1번과 3번을 다시 들어올리기로 결정했습니다.
실린더를 들어 올려보면, 정상이었던 하단 피스톤 링을 제외하고, 실린더 3의 다른 피스톤 링들은 모두 3~4단으로 접혀있거나, 실린더 1의 첫 번째 피스톤 링이 피스톤 링 홈에 심하게 부착되어 있는 반면, 다른 피스톤 링들은 서로 다른 형태의 균열이 있는 것을 발견했습니다.
다행히 피스톤 링 홈에는 눈에 띄는 침식이나 돌출부가 없고, 실린더 라이너는 약간만 늘어졌습니다.
현상 분석에 따르면:
실린더 1 및 3에서 피스톤 링 파손 및 접착의 가장 직접적인 원인은 다음과 같습니다.
하나는 피스톤 링에 심각한 품질 결함이 있는데, 새로 교체한 실린더 1과 실린더 3의 피스톤 링만 깨지거나 붙어 있고, 다른 실린더의 피스톤 링은 기본적으로 정상입니다.
두 번째 문제는 연료의 품질입니다. 침전조와 일상 사용 탱크에 잔류물을 자주 배출하고, 오일 분리기의 오일 분리 용량을 줄이기 위해 병렬 운전하고, 침전조, 일상 사용 탱크, 오일 분리기의 가열 온도를 높이는 등 연료를 정화하기 위한 많은 조치를 취했지만, 기존의 오일 분리기는 알루미늄, 실리콘, 재와 같은 작은 불순물을 완전히 분리하기 어려워 연료의 불순물이 증가합니다.
실린더의 연소 과정 중 실리콘 입자가 실린더 라이너 벽에 달라붙어 피스톤 링과 실린더 라이너 사이의 마모를 가속화하여 피스톤 링이 달라붙고 결국 파손되게 됩니다.
오일에 알루미늄이 들어가면 고온 부식이 일어나고 피스톤 링과 실린더 라이너의 마모가 빨라집니다.
회사의 승인을 받은 후 오래된 링을 청소하고 교체했습니다.
물론, 피스톤 링 그루브와 실린더 라이너 변형률에 대한 간단한 처리가 이전에 이루어졌습니다.
또한 1#, 3# 실린더 인젝터의 오일 분사량도 일부 조정되었는데, 이는 인젝터가 오래된 링으로 교체되었고 필요한 오일량을 적절히 줄여야 하기 때문입니다.
한국에서 호주까지 10일 동안 호스트의 작동 상태는 양호했고, 배기 온도는 기본적으로 동일했으며, 동력계에서 측정한 압축 압력과 폭발 압력도 기본적으로 동일했습니다. 호스트는 정상적으로 작동하고 있습니다.
2차 연료 필터를 하루에 한 번씩 분해하여 청소하는 이유는 연료에 불순물이 너무 많기 때문입니다.
위의 결함에서, 피스톤 링의 밀봉 성능이 파손 또는 접착으로 인해 감소 또는 상실되면 실린더 블로우바이의 정도가 다르게 발생하여 실린더 내 신선한 공기량이 크게 감소하여 압축 압력이 감소하고 배기 온도가 상승하고 냉각수 온도가 상승하며 디젤 엔진이 저속 고부하로 작동하게 됩니다. 공기량이 감소하면 연소가 악화되고 배기 가스의 에너지가 정상 조건에 비해 크게 증가합니다. 터보차저의 속도가 증가하고 청소 압력이 증가합니다.
디젤 엔진의 속도가 기본적으로 변하지 않는 경우 디젤 엔진의 공기 소비량은 기본적으로 안정적입니다. 동시에 링 파손 및 접착으로 인해 가스가 스캐빈징 박스로 역류하고 심각한 경우 스캐빈징 박스가 화재를 일으킬 수 있습니다. 이러한 요인으로 인해 터보차저의 배압이 증가하여 저유량 고배압 상태에서 작동하게 되어 터보차저의 정상적인 매칭이 파괴되고 헐떡거림이 발생합니다.
위와 같은 현상은 피스톤 링의 파손으로 인해 발생할 수 있습니다.
3, 피스톤 링 고장의 다른 원인 분석
피스톤 링의 재료, 가공 기술, 치수 정확도 외에도 다음과 같은 이유와도 관련이 있습니다.
1. 피스톤 링 사이의 클리어런스의 영향
피스톤 링의 중첩은 작동 중 피스톤 링의 열 팽창을 위한 여유를 확보할 수 있으며, 동시에 정상 작동 중에 피스톤 링이 일정한 원주 방향으로 움직일 수 있도록 합니다.
피스톤 링 사이의 간극이 너무 작으면 작동 중 피스톤의 열 팽창이 제한되고 조인트에서 압축이 발생하여 조인트 반대쪽에서 링이 파손되기 쉽습니다.
피스톤 링과 실린더 라이너는 이동 중에 마모되고 파손되므로 링 조인트 사이의 간극은 점차 증가합니다.
조인트 사이의 간극이 너무 크면 피스톤의 반경 방향 힘에 심각한 불균형이 발생합니다.
반경 방향 힘은 주로 링 자체의 탄성력과 링 뒷면에 작용하는 가스 힘으로 구성됩니다. 랩 조인트 사이에 갭이 있으면 두 가지 힘이 합쳐져 랩 조인트 반대쪽에 고르지 않은 마모가 발생하여 심각한 경우 링 파손으로 이어질 수 있습니다.
동시에 피스톤 링의 방사형 두께가 감소하고 탄성이 감소합니다. 링 홈이 심하게 막히면 링 접착이 발생하기 쉽습니다.
실제 작동에서 피스톤 링 사이의 간극 크기는 피스톤 링의 마모 상태를 판단하는 중요한 지표입니다.
따라서 호스트가 정지해 있을 때는 청소 박스를 통해 피스톤 링의 작동 상태와 부착 및 파손 여부 등을 정기적으로 점검해야 합니다.
그렇다면, 결함이 확대되는 것을 막기 위해 리프팅 실린더를 검사해야 합니다.
피스톤 링과 조인트 사이의 간극 값을 매뉴얼의 요구 사항과 비교하여 한계 값을 초과하는지 확인해야 합니다.
둘째, 피스톤 링의 마모율은 지난번에 측정한 갭과 비교하여 결정해야 합니다.
일정 시간 내에 링의 마모율이 갑자기 증가하면 연료 분사 시스템 고장, 실린더 오일 열화, 연료 재 및 불순물 과다 등 원인을 찾아 해결해야 합니다.
이렇게 각 링의 파일을 기록하면 피스톤 링의 고장 현상을 체계적으로 분석할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 배치의 예비 부품의 품질, 연료, 윤활유가 마모율에 미치는 영향을 비교할 수도 있습니다.
2. 피스톤 링과 실린더 라이너의 맞춤의 영향
이상적인 완전 액체 윤활이 형성될 수 있는지 여부는 주로 "운동 쌍"의 윤활유의 운동 형태, 속도 및 성능과 같은 요인에 따라 달라집니다.
피스톤 링의 실린더 라이너 내부 이동 속도는 전체 스트로크 동안 끊임없이 변화하며, 상하사점에서 이동 속도는 0입니다. 동시에 고온 가스의 충격을 받아 양호한 윤활을 형성하기 어렵습니다. 이는 피스톤 링의 성능이 좋지 않은 중요한 이유이며, 특히 피스톤이 상하사점 근처에 있을 때 윤활 상태는 경계 윤활 상태에 있으며, 때로는 건조 마찰 상태에 있기도 합니다.
일반적으로 피스톤 헤드와 실린더 라이너 사이에는 마찰이 없습니다. 디젤 엔진이 작동하면 피스톤 헤드 주위에 탄소 침전물이 형성되어 단단하고 청소하기 어렵습니다. 탄소 침전물이 증가하면 피스톤의 직경이 증가합니다. 피스톤이 실린더 내부에서 움직일 때 헤드의 탄소 침전물이 실린더 라이너와 마찰을 일으켜 오일 필름을 심각하게 손상시키고 실린더 라이너와 피스톤 링의 마모율을 크게 증가시킵니다.
디젤 엔진을 작동시키면 실린더 라이너는 고르지 않은 마모를 겪게 되어 원주 방향과 축 방향으로 각각 타원형과 원통형이 생깁니다. 피스톤 링이 실린더 내부에서 움직이면 주기적으로 열리고 닫힙니다.
동시에 피스톤 링과 실린더 라이너의 타원율에도 필연적으로 오류가 발생하게 됩니다.
특히 새로운 피스톤 링으로 교체한 후에는 피스톤 링과 실린더 라이너 사이의 씰링 접합면에서 다양한 정도의 빛 누출이 발생합니다. 일반적으로 실린더에 설치된 새로운 피스톤 링의 총 빛 누출은 90도 미만이어야 하고, 연속 빛 누출은 30도 미만이어야 하며, 조인트 양쪽에서 30도 범위 내에 빛 누출이 없어야 합니다.
고품질의 새로운 피스톤 링은 위의 요구 사항을 충족시킬 수 있지만, 최근 몇 년 동안 많은 회사에서는 비용을 줄이기 위해 원래 예비 부품 대신 저렴한 피스톤 링을 사용하고 있습니다.
재료와 가공 기술의 차이, 그리고 제조 과정에서의 상당한 치수 오차로 인해 과도한 빛 누출이 발생합니다.
동시에, 고온에서 작업할 때 피스톤 링의 탄성이 너무 감소합니다. 링 홈에 탄소 축적 및 막힘이 발생하면 누출량이 증가하여 누출 지점에서 링의 외부 작업 표면에 고압 가스가 작용하여 피스톤 링이 링 홈에 끼어 링이 링 홈에 끼어 링이 고정되는 현상이 발생할 수 있습니다.
가스 압력이 감소하면 원래 압축되어 있던 피스톤 링은 자체 탄성력으로 다시 튀어나오게 됩니다.
시간이 지남에 따라 이러한 주기적 반복 작용은 강도가 약한 지점에서 피로 파괴를 초래합니다.
실제로 피스톤 링 압축 현상이 링 파괴의 주요 원인이라는 것이 입증되었습니다.
또한 일부 디젤 엔진에서는 피스톤 링이 실린더 라이너의 보스와 링 끝부분의 매달려 있는 공기 포트에 닿으면서 파손되는 경우가 발견되었습니다.
3. 연료 및 실린더 오일의 영향
선박에서 사용하는 연료는 연료 공급 항구가 변경되어 자주 바뀌고, 원산지 및 제련 공정이 달라 국가와 제조업체마다 다른 연료의 성능 지표도 크게 다릅니다.
정화를 위해 연료 분리기를 사용하는 경우, 다른 연료에 대해 해당 비중 링을 선택해야 하며, 가능한 한 높은 온도(예: 95-98도)에서 공정을 수행해야 합니다. 상황에 따라 연료 분리기는 직렬 또는 병렬로 연결해야 하며, 그렇지 않으면 연료 처리 효과에 영향을 미칩니다.
연료의 알루미늄, 실리콘, 회분 함량이 너무 높으면 피스톤 링과 실린더 라이너의 마모가 증가하게 되며, 이는 필연적으로 디젤 엔진의 연소 과정에 영향을 미치고 연소실 내부가 고온이 발생하게 됩니다.
동시에 일부 디젤 엔진은 장시간 저속, 저부하로 운전하거나 포트에 자주 출입하면서 실린더 오일량을 조절하지 않아 실린더 오일 분사량이 증가합니다. 피스톤 링의 펌핑 효과로 인해 링 홈에 실린더 오일이 과도하게 축적됩니다. 실린더 내부 온도가 너무 높으면 축적된 윤활유가 타서 탄소 침전물이 형성되어 피스톤 링 접착 및 파손의 원인이 됩니다.
4. 일상적 유지관리 및 관리업무의 영향
일상 관리를 잘하는 것은 피스톤 링의 접착 및 파손과 같은 결함을 피하는 데 중요한 역할을 합니다.
1) 디젤엔진의 실린더 라이너나 피스톤 링을 교체한 후에는 저속을 유지하는 것이 필요합니다.
낮은 부하의 운전을 위한 충분한 시간을 두고, 운전 중 실린더 오일 분사량을 늘리면, 운전 중 링의 형상 및 거칠기와 실린더 라이너 표면의 불완전한 일치로 인해 마찰 표면이 과열되고 실린더 당김이나 피스톤 링이 파손되는 것을 방지할 수 있습니다.
2) 정상 운전 시 냉각수 및 냉각유의 온도, 압력은 정상 범위 내에서 제어 및 유지되어야 한다.
동시에 매개변수의 변화에 주의하세요. 가장 중요한 것은 각 매개변수의 변화 속도입니다.
정기적으로 동력계 차트를 측정하고 압축 압력, 폭발 압력, 연소 시작점, 부하 분포 등을 분석하여 연소 과정이 양호한지 여부를 판단하고 실린더 및 피스톤 링의 작동 상태를 판단하여 고장 증상을 적시에 발견하고 고장 원인에 따라 해당 조치를 취합니다.
3) 정기적으로 청소 상자를 열어 피스톤 링 사이의 간극을 측정하고, 각 피스톤 링의 사용에 대한 파일을 설정하고, 청소 포트를 통해 피스톤 링, 실린더 라이너, 실린더 오일 주입 등의 기본 상태를 점검합니다. 피스톤 링의 접착이나 파손이 발견되면 적시에 실린더를 들어 올려 유지 관리해야 합니다.