558 MTZ Motortechnische Zeitschrift 62 (2001) 7/8 1 Einleitung Von großen Dieselmotoren im Schiffsbe- trieb – verstanden werden hierbei alle Die- selmotoren, die nach den SOLAS-Sicher- heitsvorschriften für „fire precaution“ spe- ziell überwacht werden müssen – geht eine nicht unerhebliche Betriebsgefahr aus. Des- halb ist eine permanente, sichere Überwa- chung des Betriebszustands erforderlich, um sowohl schwere Primär- als auch Se- kundärschäden zu verhindern. Die von großen Dieselmotoren ausgehende Be- triebsgefahr kann zu schweren Bränden oder auch als Sekundärfolge dazu führen, dass Schiffe nicht mehr manövrierfähig sind. 2 Latente Betriebsgefahr Zwei Hauptgefahrensektoren können aus- gemacht werden: – Bruch von Maschinenkomponenten durch unvorhersehbare, sporadische mechanische Überbeanspruchung – Schmiermangel an Zapfenlagern und Gleitflächen. Entwicklung Großdieselmotoren Diese Abhandlung der Schaller Automation befasst sich in Teil 1 mit dem internationalen Umfeld für die Aufstellung und Durchsetzung von Sicherheitsvorschriften und den hierzu erforderlichen technischen Maßnahmen zur Gewährleistung des sicheren Betriebs von großen Dieselmotoren unter dem Aspekt der Internationalen Maritimen Si- cherheitsvorschriften (SOLAS/fire precaution). Maßnahmen zur Begrenzung der latenten Betriebsgefahr von großen Dieselmotoren (über 2,25 MW) auf Schiffen Teil 1
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558 MTZ Motortechnische Zeitschrift 62 (2001) 7/8
1 Einleitung
Von großen Dieselmotoren im Schiffsbe-trieb – verstanden werden hierbei alle Die-selmotoren, die nach den SOLAS-Sicher-heitsvorschriften für „fire precaution“ spe-
ziell überwacht werden müssen – geht einenicht unerhebliche Betriebsgefahr aus. Des-halb ist eine permanente, sichere Überwa-chung des Betriebszustands erforderlich,um sowohl schwere Primär- als auch Se-kundärschäden zu verhindern. Die von
großen Dieselmotoren ausgehende Be-triebsgefahr kann zu schweren Brändenoder auch als Sekundärfolge dazu führen,dass Schiffe nicht mehr manövrierfähigsind.
2 Latente Betriebsgefahr
Zwei Hauptgefahrensektoren können aus-gemacht werden:– Bruch von Maschinenkomponenten
durch unvorhersehbare, sporadischemechanische Überbeanspruchung
– Schmiermangel an Zapfenlagern undGleitflächen.
Entwicklung Großdieselmotoren
Diese Abhandlung der Schaller Automation befasst sich in Teil 1 mitdem internationalen Umfeld für die Aufstellung und Durchsetzung vonSicherheitsvorschriften und den hierzu erforderlichen technischenMaßnahmen zur Gewährleistung des sicheren Betriebs von großenDieselmotoren unter dem Aspekt der Internationalen Maritimen Si-cherheitsvorschriften (SOLAS/fire precaution).
Maßnahmen zur Begrenzung der latenten Betriebsgefahr vongroßen Dieselmotoren (über 2,25 MW) auf Schiffen Teil 1
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2.1 Sporadische, mechanischeÜberbeanspruchung
Ein besonders gefährliches Moment isthierbei die Überdrehzahl, hervorgerufendurch nicht schnell genug ausregelbareLastwechsel, zum Beispiel bei Bruch der Ab-triebskupplung.
Durch sofortiges Abschalten derBrennstoffzufuhr innerhalb von Sekunden-bruchteilen nach Überschreiten der zulässi-gen Drehzahl können zerstörerische Be-schleunigungskräfte im Motortrieb be-grenzt oder verhindert werden.
Die nach heutigem Stand der Technik hier-zu verfügbaren Überwachungssystemekönnen hinreichend empfindlich undschnell reaktionsfähig konzipiert unddurch redundante Ausführung auch be-triebssicher angewendet werden.
2.2 Schmiermangel
Im Gegensatz zu dem Umgang mit mecha-nischen Festigkeitsproblemen, die mit demheutigen Stand der Technik unter Zuhilfe-nahme moderner Rechenmethoden relativgut durchleuchtet werden können, wird imBereich der Tribologie in nicht zu unter-schätzendem Umfang auf Empirie zurück-gegriffen.
Eine klare Definition, wann ein Schmier-mangel im Entstehen oder gar im bereitseingetretenen Mangelzustand evident ist,steht im Gegensatz zu den Anwendungs-möglichkeiten der Festigkeitslehre bei Ab-schnitt 2.1 hier noch nicht allgemein aner-kannt zur Verfügung.
Die nach dem heutigen Stand der Technikhierzu verfügbaren Überwachungssystemebeschränken sich auf die Überwachungvon physikalischen, durch Schmiermangelhervorgerufene Folgeerscheinungen, diesich durch Temperaturerhöhung der Gleit-flächen infolge ungeschmierter Festkörper-reibung manifestieren.
Eine sehr aussichtsreiche Überwachungs-methode, welche die Thermospannungzwischen den unterschiedlichen Metallender Gleitflächen überwacht und von Schal-ler Automation entwickelt wurde (BEARO-MOS=Bearing Overheating Monitoring Sy-stem), muss noch für die allgemeine prakti-sche Anwendung adaptiert werden.
Aus der bei Schmiermangel in Wärmeleis-tung umgesetzten, mechanischen Leistung,deren Manifestation eine Temperaturer-
höhung der Gleitflächen darstellt, entstehtein für großvolumige Motortriebräumesehr gefährliches Phänomen im Hinblickauf die latente Betriebsgefahr, nämlich dieErzeugung von explosivem Ölnebel durchVerdampfung und Rekondensation desSchmieröls.
Im folgenden wird nun, unter Vernachläs-sigung weiterer Aspekte zur Begrenzungder Betriebsgefahr, auf das Phänomen derGefahr einer Triebraumexplosion durch Öl-nebelbildung infolge Schmiermangels ein-gegangen, Bild 1.
3 Ölnebel, ein gefährliches Element beim Betrieb vongroßen Dieselmotoren
3.1 Historie
1947 ereignete sich auf einem Schiff einedramatische Triebraumexplosion [1], wo-durch englische Institute veranlasst wur-den, wissenschaftliche Untersuchungenanzustellen.
Die Veröffentlichungen der Ergebnisse [2, 3,4] Mitte der 50er Jahre sind auch heutenoch die wichtigsten wissenschaftlichenGrundlagen auf die bei der Betrachtung dervon einer Triebraumexplosion ausgehen-den Betriebsgefahr – besonders von großenDieselmotoren – zurückgegriffen werdenkann.
Die internationale Sicherheitserfordernisseregulierende „International Maritime Orga-nisation“ (IMO) mit 156 Mitgliedsstaaten,als Unterorganisation der UNO mit Sitz inLondon, ging 1982 aus der bereits 1948 ge-gründeten Inter-Governmental MaritimeConsultative Organisation (IMCO), hervor.Von der IMO sind mittels der SOLAS (Safetyof Life at Sea)-Regulations auch Vorschrif-
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Dipl.-Ing.Werner Schaller ist Seniorchef,Geschäftsführer und vollhaftender Gesellschafter der Schaller Automation Industrielle Automations-technik KG Blieskastel/Saar.
Dipl.-Ing. Manfred Dürrist Hauptverantwortlicherfür das OMDEA-Projekt beiSchaller Automation.
Univ.-Prof. em. Prof. h.c.mult. Dr.-Ing.habil. Klaus Groth war langjähriger Leiter des Instituts für Kolbenmaschinen an der Technischen Universität Hannover, Deutschland.
Die Verfasser
Bild 1: Eine Triebraumexplosion kann einen Motor schrottreif zerstören
Figure 1:A crankcase explosion can destroy an engine down to scrap
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ten bezüglich „fire precaution“ erlassenworden, wobei sich Chapter II-1, Construc-tion Part E: „Additional requirements forperiodically unattended machinery spaces,Regulation 47“ besonders auf die von Trieb-raumexplosionen ausgehende Brandgefahrbezieht.
Diese aus den 60er Jahren stammendenVorschriften für Maschinen auf Schiffenfordern als erste Schutzmaßnahme zur Ver-hinderung von Triebraumexplosionen eineÜberwachung mittels „Ölnebeldetektion“für alle Dieselmotoren ab einer Nennlei-stung von 2,25 MW oder von solchen, die ei-nen Zylinderdurchmesser größer als 300mm aufweisen. Weitere in den hierfür gül-tigen SOLAS-Regulations erwähnte Schutz-maßnahmen zur Verhinderung von Trieb-raumexplosionen sind wenig eindeutig de-finiert („Lagertemperatur/Überwachungaller Lager oder andere geeignete Maßnah-men“) und sind deshalb bei oberflächlicher,nur kostenorientierter Auslegung nicht ge-eignet zur sicheren Verhinderung von Feu-er durch Triebraumexplosionen.
Für die Überwachung der Durchführungder SOLAS Regulations sind vorwiegend dienationalen Klassifikationsgesellschaftenzuständig.
Die wichtigsten haben sich 1969 unter derBezeichnung IACS (International Classifica-tion Societies) zusammengeschlossen.
IMO und IACS (als Intermediär), Bild 2, er-stellen und kontrollieren in abgegrenzter Zu-sammenarbeit die für die Schiffssicherheitgültigen internationalen Vorschriften [5].
Als Folge von dramatischen Schiffskata-strophen in den letzten Jahren mit enor-men, kostenträchtigen Umweltschäden so-wie horrenden Materialwertverlusten undnicht zuletzt mit bisher nicht vorstellbarenVerlusten von Menschenleben, wurdenwirksamere Sicherheitsvorschriften zurEindämmung weiterer Katastrophen aufinternationaler Ebene vereinbart.
Hierzu zählen besonders zwei Vereinba-rungen:– die Marpol-Vereinbarungen (PSC = Port
States Control, Internet: Equasis.org),durch die die angeschlossenen Hafen-staaten verpflichtet werden, in ihrenHäfen anlegende Schiffe auf Einhaltungder gültigen Sicherheitsvorschriften zukontrollieren und bei Mängel den bean-standeten Schiffen das Auslaufen biszum Nachweis der Erfüllung der Sicher-heits-Regulations zu verwehren
– die ISM Code, International Safety Ma-nagement Code-Certification, die dazudient, dass Schiffsbetreiber in freier Ent-scheidung Verfahrensvorschriften nachallgemein gültigen Regeln zur Eindäm-mung von aus Notfällen heraus entste-henden Katastrophensituationen ein-führen und praktizieren, um die vorge-schriebenen Sicherheitskontrollen zuvereinfachen und in Notfällen effizientreagieren zu können.
4 Technische Maßnahmen zum Erreichen eines sicherenSchiffsbetriebs
Neben den Maßnahmen, welche die Stabi-lität des Schiffskörpers selbst sicherstellen,muss auch die Funktionsfähigkeit von Ein-richtungen gewährleistet sein, die für densicheren Schiffsbetrieb notwendig sind.
So ist die navigatorische Schiffsführungnur möglich, wenn der Schiffsantrieb unddie Ruderanlage betriebsfähig sind.
4.1 Schiffsantrieb
Bei dem weitaus überwiegenden Teil mo-derner Schiffe, die in den letzten Jahrzehn-ten gebaut wurden, werden Dieselmotoreneingesetzt; sowohl zur Erzeugung mechani-scher Leistung für den Schiffsantrieb alsauch elektrischer Leistung für Hilfsaggre-gate, zum Beispiel zur Erzeugung hydrauli-scher Kraft für die Ruderanlage, teilweiseaber auch für dieselelektrische Schiffsan-triebe.
Eine sehr wichtige Sicherheitsmaßnahmefür den sicheren Schiffsbetrieb besteht des-halb in der Aufrechterhaltung des Diesel-Betriebs, indem schwere, betriebsbedingteSchäden von den Dieselmotoren ferngehal-ten oder aber durch Früherkennung soweitminimiert werden, dass eine Reparatur mitBordmitteln oder auch mit landgestützterHilfe auf hoher See möglich ist.
4.2 Ruderanlage
Die Klassifikationsgesellschaften arbeitenzur Zeit an Vorschriften für redundanteDiesel-Motor-Anlagen, besonders zur Si-cherstellung des Schiffsantriebs und derFunktion der Ruderanlage.
5 Ölnebel als Schadenindikator
Ölnebel ist nicht nur ein gefährliches Ele-ment (Abschnitt 3), sondern bei Früherken-nung auch geeignet als Schadenindikatorfür Maßnahmen zur Absicherung der Die-selmotoren im Schiffsbetrieb gegen nichtpräventiv vermeidbare Schäden.
Die üblicherweise eingesetzten Ölnebelde-tektoren, Bild 3, Bild 4 und Bild 5, benutzenzur Erkennung von Ölnebel die von diesemin einer Lichtstrecke hervorgerufene Trü-bung [6]. Hochkonzentrierter (Luft/Öltröpf-chengemisch), explosionsfähiger Ölnebelerzeugt eine starke Trübung. Für dieFrüherkennung von Ölnebel, generiertdurch Schmierölerhitzung bei einem begin-nenden Reibschaden infolge Schmierman-gels, muss das Lichtstrecken-Messsystemaber sehr empfindlich reagieren. Hieraus
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Bild 2: Intermediären-modell der Klassifika-tionsgesellschaften [5]
Figure 2: Intermediarymodel of the classifica-tion societies [5]
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ergibt sich eine Diskrepanz, da auch Ölne-bel geringerer Konzentration bei normalemMotorbetrieb an Stellen, die die Verdamp-fungstemperatur für Schmieröl (größer230°C) erreichen, entsteht.
Dieser Umstand führt zu so genannten„Fehlalarmen“, die dann wiederum zu un-gewollten, automatischen Motorabschal-tungen führen können, je nachdem, wie dieMotorschutzeinrichtung unter Einbezie-hung der Ölnebeldetektion ausgelegt ist.
Es ist offensichtlich, dass nur ein sofortigerMotorstop oder zumindest eine Entlastungder Reibflächen durch Leistungsverminde-rung (slow down) zu einer effizienten Scha-densbegrenzung führen kann.
Zur optimalen Entscheidung in dieser Fragefehlen fundierte Grundlagen.
Systemkonfiguration
Eine weitere Frage bei der Anwendung derÖlnebeldetektion zum Motorschutz betrifftdie Systemkonfiguration für eine effizienteMotor-Sicherungseinrichtung auf der Basisder Ölnebeldetektion (Oil Mist Detection,OMD). Hierzu haben die Klassifikationsge-sellschaften im Rahmen der IACS keineVorschriften entwickelt.
Aufgrund des stark im Vordergrund ste-henden Kostendrucks bei derZulieferindustrie für Schiffe und MaritimeEinrichtungen führt der Mangel an eindeu-tigen Vorschriften zu mangelhaften Lösun-gen im OMD-bezogenen Sicherheitsbe-reich, denn eine solche, im Normalbetriebnicht erforderliche Sicherheitseinrichtungist ja nur dann erforderlich, wenn der Not-fall sich bereits abzeichnet.
Auch eine Reihe anderer, nicht schmier-technischer Betriebsfunktionen des Diesel-motors, wie zum Beispiel die Zylinderküh-lung, machen sich bei Mangelerscheinun-gen durch Temperaturanstieg bemerkbarund können so, infolge außergewöhnlicherÖlnebelentwicklung, erkannt werden.
6 Oil Mist Detection EfficiencyApproval
Im Anschluß an ein Meeting mit Beteili-gung der Klassifikationsgesellschaften,OMD-Firmen und Vertretern aus der Wis-senschaft, hat Schaller Automation das Pro-jekt Oil Mist Detection Efficiency Approval,OMDEA, kreiert, um bessere Grundlagen füreine kontrollierte Sicherheit zu schaffen.
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Bild 3: Ölnebeldetektor auf einem Kreuzkopfzweitaktmotor mit rund 9 MW (70 MW sind bereits realisiert)
Figure 3: Oil mist detector installed on a crosshead two-stroke engine. Power output 9 MW (output up to 70 MW per unit can be realized)
Bild 4: Ölnebeldetektor auf einem 4-Takt-Tauchkolbenmotor mit zirka 2,4 MW (nahezu 50 MW sindrealisierbar)
Figure 4: Oil mist detector installed on a four-stroke diesel engine, 2,4 MW, up to 50 MW per unit can berealized
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Im Rahmen der verstärkten Sicherheits-maßnahmen bei Schiffen werden auch dieeingesetzten Motoren einer Typenprüfungunterzogen, der „Type Approval Certifica-tion“ (TAC). Im Rahmen von TAC werdenauch die zum Motor gehörenden Sicher-heitseinrichtungen, wie Maßnahmen ge-gen Triebraumexplosionen, geprüft.
OMDEA Zertifikat
Schaller Automation erarbeitet zur Zeit dieGrundlagen, um entsprechende Zertifizie-rungsanträge bei den Klassifikationsgesell-schaften stellen zu können.
Für die Ausstellung von OMDEA Zertifika-ten müssen wissenschaftlich gesicherteOrientierungsgrundlagen über die Ölnebel-entstehung bei Schmiermangel vorgelegtwerden.
Zur wissenschaftlichen Erarbeitung dieserGrundlagen hat Schaller Automation dasInstitut für Maschinenkonstruktionslehreund Kraftfahrzeugbau (mkl) unter der Lei-tung von Herrn Prof. A. Albers an der Uni-versität Karlsruhe beauftragt.
Die bisher erzielten Ergebnisse waren so in-teressant, dass eine zweite Versuchsreiheangeschlossen wurde.
Die erzielten Forschungsergebnisse sollenin Teil 2 dieses Artikels dargestellt werden.
Ebenso sollen in Teil 2 die Ergebnisse aus ei-ner Versuchsreihe bei Firma FMC FiedlerMotoren Consulting Kiel GmbH veröffent-licht werden.
7 Anmerkungen
Eine Suche im Internet nach Unfällen mitSchiffen, hervorgerufen durch Dieselmoto-ren, hat weit über tausendmal die Erwäh-nung des Begriffes „Crankcase Explosion“zutage gefördert; zur Zeit läuft im Rahmendes OMDEA-Projekts eine Untersuchungzur Auswertung der Informationen.
Schaller Automation hat ein neutrales In-ternet gestiftet, www.dieselsecurity.org,um weltweit eine Sensibilisierung der vonSicherheitsproblemen mit DieselmotorenBetroffenen zu bewirken und einen Erfah-rungsaustausch zur Verbesserung der Si-cherheitsmaßnahmen zu ermöglichen.
Für Dieselkraftwerke gilt das vorstehendDargestellte analog.
In Teil 2, der in der Dezember-Ausgabe derMTZ erscheint, wird über die auf wissen-
schaftlicher Basis erlangten Versuchser-gebnisse zur besseren Beurteilung des Ent-stehens von Ölnebel und der dabei auftre-tenden physikalischen Phänomena anGleitflächen und Zapfenlagern beiSchmiermangel berichtet.
Danksagung
Die Autoren danken für die wertvollenHinweise Univ.-Prof. em. Prof. h.c.mult. Dr.-Ing. habil. Klaus Groth, dem ehemaligenLeiter des Instituts für Kolbenmaschinen an der Technischen Universität Hannover.
Literaturhinweise
[1] Motor Ship, July 1948, Seite 152ff[2] J.H. Burgoyne and D.M. Newitt: Crankcase Ex-
plosions in Marine Engines, Marine Engineers,1955, 265-270
[3] H.G. Freeton, J.D. Roberts and A. Thomas:Crankcase Explosions: An Investigation intosome factors governing the selection of protec-tive devices, published by the Institute of Me-chanical Engineers, 1956
[4] W.P. Mansfield: Crankcase Explosions: Deve-lopment of new protective devices, the Institu-te of Mechanical Engineers, 1956
