함정 디젤기관 윤활유 관리에 관한 연구

Abstract

정비의 개념은 본질과 행위로 분류할 수 있다. 정비의 본질은 장비별로 정해진 기준수명을 연장하려는 적극적인 활동이 아니라, 다만 기준수명이 단축되지 않도록 효율적으로 관리 유지하는 것이다. 정비 행위는 장비를 사용 가능한 상태로 유지하기 위한 일체의 행위를 말하며, 검사, 시험, 근무, 조정, 정렬, 측정, 제거 및 설치, 교환, 수리, 분해검사, 재생 등이 포함된다고 할 수 있다.

이러한 정비의 목표는 해군이 보유하고 있는 장비를 수명주기간 최소의 비용으로 적기에 정비함으로써 신뢰성 및 가용성을 보장하고, 전투임무수행이 가능하도록 최상의 가동상태로 유지하는 것이다.

본 연구에서는 해군 전투함정 추진 디젤기관의 효율적인 윤활유 관리 방법에 대해 살펴봄으로써 노후된 함정 및 엔진의 적기 정비시기를 판단, 정비를 통해 탑재 엔진의 신뢰성 및 가용성 보장을 목적으로 호위함 및 초계함에서 운용중인 MTU 12V 956 엔진에 대한 특성을 기본으로 실질적인 부하운용 분석 및 사용 연료유의 황 함량에 따른 TBN 변화를 분석하였다. 이러한 분석의 의미는 해군 함정에서 운용자들이 윤활유 관리에 대한 올바른 지식을 전파함으로써 향후 과거와 동일한 고장사고를 최소로 하기 위함이다.

이번 연구를 통해서 해군 전투함정에서 추진 디젤기관의 윤활유 관리의 중요성을 새롭게 인식하게 되었으며, 현재의 관리방법을 평가할 수 있었다.

본 연구의 결론을 요약하면 다음과 같다.

1. 해군 전투함정에서 추진 디젤기관을 운용함에 있어 MTU사가 추천하는 표준 부하운용과는 정반대의 부하운용을 하고 있다는 것을 알 수 있었다. MTU사에서는 저부하 운전을 25%, 중간부하 및 고부하 운전을 각 37.5%씩 할 경우 운전 9,000시간까지 개방수리(W-6 계단 정비) 없이 사용 가능하도록 권고하고 있다. 하지만 초계함의 MTU 12V 956 엔진의 부하운용을 분석한 결과는 저부하 운전을 73%, 중간부하 및 고부하 운전 비율이 27%로 장기간에 걸친 저부하 운전을 하였다. 이처럼 장기간에 걸친 저부하 운전은 엔진 계통내 카본축적 및 퇴적물을 형성하여 연소불량, 연료소비율 증대 그리고 나아가서는 실린더 라이너와 피스톤링의 윤활막을 파괴하게 됨으로써 엔진 윤활유의 조기 열화를 가져오게 된다.

2. 해군 전투함정의 추진 디젤기관에서 사용하고 있는 연료유의 황 성분 함량은 평균 0.652%의 연료유를 사용하고 있었으며, 이는 MTU사에서 추천하는 0.5% 이하의 연료유보다는 황 함량이 0.152% 높은 것이다. 이 연료유중의 황 함량이 엔진에 중요한 영향을 미치는 이유는 엔진 부품의 저온 부식을 일으킬 뿐만 아니라 엔진내 카본 및 퇴적물을 생성하여 윤활막을 파괴하기 때문이다. 이러한 부품의 부식성 마모를 방지하기 위해서는 산성 성분을 중화 시킬 수 있는 적당한 알칼리가 즉, TBN 첨가제의 비율이 중요하지만 현재 해군에서는 연료유중 황 함량에 따른 윤활유의 적정 TBN 값을 유지하지 못하고 있다. 따라서 향후 해군 전투함정 디젤기관의 사용 연료유중 황 함량을 0.5% 이하로 유지할 필요가 있으며 여기에 최소 10mgKOH/mg 이상의 TBN 값을 가지는 윤활유를 사용해야 할 것으로 판단된다.

3. 함정 디젤기관의 윤활유 TBN 변화 분석을 통해 엔진 개방수리 후 누적 운전시간대에 따른 TBN 변화 경향은 보이지 않았으나 신유 수급 후 다음 윤활유 교환주기 동안 TBN 값은 감소하는 경향을 보였다. 여기서 주목할 만한 것은 신유 수급 후 운전 200시간까지는 일정한 비율로 TBN 값이 감소하나, 함정에서 윤활유를 재 보충하는 작업을 거치면 TBN 값이 0.2 ~ 0.3mgKOH/g 상승하는 것을 알 수 있었다. 하지만 실제 디젤기관 모두 신유 TBN 값이 MTU사에서 추천하는 10mgKOH/g 이상에는 0.4 ~ 4.2mgKOH/g 부족한 윤활유를 사용하였고 이로 인해 윤활유 교환주기가 기존의 운전 500시간 보다 단축된다는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 현재에 사용되고 있는 연료유중의 황 함량과 윤활유의 TBN을 앞으로도 지속 사용할 경우에는 함정에서 윤활유의 교체주기를 단축해야만 윤활유 관련 기관사고 비율을 줄일 수 있다는 것을 의미한다.

4. 해군에서 함정용 윤활유를 수급함에 있어 외부 정유업체로부터 구매 계약시부터 요구 규격을 분명히 하여 공급 받아야 한다. 해군에서 윤활유 구매 계약시 윤활유 성분별 규격을 동점도, 유동점, 인화점, 수분 네 가지 항목에 대한 규격을 제시할 뿐 TBN 규격은 제시를 하고 있지 않았다. 이것은 실제 디젤기관의 윤활유 TBN 시험분석에서도 볼 수 있듯이 윤활유 교환주기를 판단하는데 매우 중요한 자료로 활용될 수 있다. 또한 함정에서 실질적으로 윤활유를 사용 및 관리함에 있어 주기적인 윤활유 검사작업 및 윤활유 교환을 이뤄지고 있으나 이는 형식적인 검사에 불과할 뿐이다. 함정 및 정비지원부대에서 윤활유 성분검사시 TBN 검사는 장비 미 보유로 이뤄지지 않고 있으며 윤활유 교환을 단지 경험적인 데이터에 불과한 운전 500시간 단위로 실시하고 있기 때문이다.

이번 연구를 통해서 얻은 결론을 바탕으로 해군에서는 함정용 디젤기관의 연료유 및 윤활유 선택시 보다 세부적인 사항들까지 요구할 필요가 있으며 함정 사용 윤활유의 열화 전 적기적인 윤활유 교환을 위해 윤활유 TBN을 분석할 수 있는 시험장비를 조기 도입해야 하겠다. TBN 시험장비의 도입 이전까지는 함정 운용자들이 엔진의 부하운용을 적절히 관리해야 할 것이다. 이것은 해군 전투함정의 임무특성상 환경적인 변화가 바뀌지 않는 한 어려울 것이나 운용자들이 중요성을 인식하여 1일 2회 정도는 최소 30분 이상씩 전 부하를 사용하여 엔진 계통내 누적된 카본 및 퇴적물을 제거해 줄 수는 있을 것이다.

the amount of sulfur component, lubricating oil having proper TBN value, load profile of engine and frequent starting. The shifting period of lubricating oil if it meets one of these conditions should be adjusted..

Accordingly, lubricating oil which has proper TBN level based on the amount of sulfur component should be used. and continuous monitoring system of lubricating oil should be required.

For this purpose, a few amount of lubricating oil of naval warships, which have done overhauling stage and are actually driving, is extracted as a sample, and TBN value has been analyzed in order to figure out the appropriate shifting period of lubricating oil, which can be found by decreasing change of TBN value in each driving time after lubricating oil is replaced. Moreover, breakdown mechanism is found by the analysis of annual employment of load on engine of naval warships and examples of breakdown of diesel engine in recent 3 years.

MTU engine, main and subsidiary propulsion diesel engine of naval warship is a high-speed, trunk piston type engine, and 250 of them are being used. However, it is an outworn equipment, which has passed 20 years since it was mass producted, and deterioration of its function has been found. Surely, in order to prevent this phenomenon, Maintenance is performed based on PMS, which is from first step to sixth step, which overhauls engine.

Nevertheless, the analysis about the case of engine troubles on naval warships in recent 3 years showed that breakdown in cylinder/piston system accounts for 40 percents, and the most of troubles are caused by badness of lubrication between cylinder liner and piston.

Of course, there are many possible factors on cause of troubles. However, most of these problems maybe are accused by employment of naval warship and management of fuel and lubricating oil. Also, these problems are referred in MTU, which produced the engine.

Firstly, MTU manufactured the engine with a component which is able to be used for 9,000 hours without total disassembly-maintenance when it is operated by load profile. However, according to the analysis of annual employment of load on engine of naval warships, it is operated by low-load more than 75 percents. Therefore carbon and deposits are created in the cylinder system, and they cause oil degradation, which degrades the function of lubricating oil.

The other thing is that MTU sets 500 hours for changing period of lubricating oil on condition of limiting the amount of sulfur component less than 0.5% of lubricating oil and maintaining TBN value over 8mgKOH/g at least.

At present, this recommendation for the management of fuel oil and lubricating oil does not apply to naval warship. Naval warship uses high sulfur fuel oil, which contains sulfur component more than 0.7% average, and the TBN value of two types of lubricating oil(SAE-30/40), which is used in naval warship, is almost the level of 5.7mgKOH/g. MTU sets several conditions to decide the shifting period of lubricating oil