Beitrag 02

Optimaler Motorbetrieb mit zustandsbasierten Strategien

Dr.-Ing. Wolfgang Busse, Dr.-Ing. Karsten Wehner
EUB e.V. / INSTITUT

  1. Einleitung
  2. Zustandsüberwachung für Betriebsführung und Instandhaltung
    1. Motordiagnostik - Beispiel Kolbenringanalyse
    2. Performance Monitoring
  3. Weiterentwicklung mit Blick auf die Zuverlässigkeit
    1. Erweiterte Möglichkeiten zur Störungsvorhersage
    2. Effektive und effiziente Störungsvermeidung
  4. Literatur


1. Einleitung

Dieselmotoren im Schiffseinsatz erfüllen dann die Erwartungen des Betreibers, wenn sie über die vorgesehene Nutzungsdauer alle einsatzbedingten Leistungs-, Sicherheits- und Umweltnormen erfüllen. Aufgabe des Betriebsmanagement ist, diese Zuverlässigkeitsforderung mit minimalen Kosten zu erfüllen (Wirtschaftlichkeitsforderung). Als "Hebel" stehen dem Betriebsmanagement zwei grundlegende Strategien zur Verfügung: die Wahl der "richtigen Betriebsweise" und der "richtigen Instandhaltung". Beide Strategien benötigen Informationen über den Zustand des Motors.

Das EUB-Institut entwickelt Systeme zur Zustandsüberwachung für Schiffsdieselmotoren (Diagnose- und Performance-Monitoring-Systeme). Diese Systeme sind seit mehreren Jahren auf mehr als 30 Schiffen im Einsatz. Von den Betreibern werden zunehmend - über die Lieferung der Technik hinaus - Fernberatungsleistungen nachgefragt. Die Chiefs an Bord und die technischen Inspektoren an Land wollen nicht nur wissen, in welchem Zustand sich die Motoren befinden, sondern auch, welche Konsequenzen dieser Zustand in Bezug auf die Leistungs-, Sicherheits- und Umweltanforderungen hat. Mit anderen Worten, Zustandsüberwachung muß als Teilaufgabe von Betriebsführung und Instandhaltung aufgefaßt werden.

Mit unserem Beitrag wollen wir für Schiffsdieselmotoren zeigen,

  • wie mit Informationen über den Zustand der Motoren sowohl Betriebsführungs- als auch Instandhaltungsentscheidungen wirkungsvoll unterstützt werden können,
  • daß zustandsbasiertes Betriebsmanagement insbesondere dann erfolgreich ist, wenn Betriebsführungs- und Instandhaltungsmaßnahmen zustandsabhängig aufeinander abgestimmt werden,
  • daß die Ziele für die Weiterentwicklung der Zustandsüberwachung in effizienter Weise aus den übergeordneten Zielen des Betriebsmanagements abgeleitet werden können.

Zur Skizzierung des Problemfeldes (und als Anregung zur Diskussion) haben wir den Darlegungen folgende Thesen vorangestellt:

Thesen

  1. Instandhaltung und Betriebsweise von Schiffsdieselmotoren können letztlich nur zustandsbasiert optimiert werden.
    Motorentwicklung und -konstruktion optimieren Leistungsfähigkeit und Lebensdauerverhalten für eine Bandbreite verschiedener Betriebsbedingungen und Einsatzanforderungen. Empfehlungen für Betriebsführung und Instandhaltung werden aus den Erfahrungen der Serie abgeleitet und sind demzufolge ebenfalls voroptimiert.
    Der hiermit vorgegebene Rahmen enthält reiches Potential zur Nachoptimierung in der Betriebsphase. Dieses kann nur mit Kenntnis des spezifischen Motorzustandes - in Bezug auf die spezifischen Einsatzanforderungen erschlossen werden.
  2. Zustandsbasierte Strategien benötigen eine betriebsbegleitende Zustandsbestimmung (Condition Monitoring).
    Betriebsmanagement kann als eine Art "Regelkreis" aufgefaßt werden. Seine Aufgabe ist, den Zustand des Motors in Übereinstimmung mit den Einsatzanforderungen zu halten. "Steuereingriffe" - in Form von Instandhaltungsmaßnahmen oder Änderungen in der Betriebsweise - sind immer dann erforderlich, wenn sich Zustand, Betriebsbedingungen oder Einsatzanforderungen ändern. Der Regelkreis kann nur dann wirksam funktionieren, wenn alle Änderungen rechtzeitig erkannt werden.
  3. Hauptaufgabe von Condition Monitoring ist die rechtzeitige Vorhersage von Funktionsstörungen.
    Ein ehrgeiziges Betriebsmanagement wird alles daran setzen, Funktionsstörungen - also Abweichungen von den Leistungs-, Sicherheits- und Umweltanforderungen an den Motor zu verhindern. Maßnahmen zur Vermeidung müssen vor allem eins: schneller sein als die Störung. Um dies zu können muß man nicht nur den Störungseintritt vorhersagen, man muß ihn auch rechtzeitig und hinreichend genau vorhersagen.
  4. Leistungsfähige Zustandsbestimmung verknüpft Performance-Monitoring, Diagnostik und Last-Monitoring.
    Was verstehen wir im Zusammenhang mit Betriebsführung und Instandhaltung unter Zustand? Der technischen Zustand des Motors ist hier nur eine - wenn auch wesentliche Komponente. Die Beschränkung auf die Bestimmung des technischen Zustandes (mittels Diagnostik) verzichtet auf wichtige weitere Informationsquellen zur Vorhersage von Funktionsstörungen. Diese können mit Performance- und mit Last-Monitoring erschlossen werden.
  5. Mit dem Fokus auf die Zuverlässigkeit können effektive und rentable Instandhaltungs- und Betriebsführungskonzepte systematisch entwickelt werden.
    Wir bezeichnen den Motor als zuverlässig, wenn in seiner Nutzungsdauer keine Funktionsstörungen mit ernsthaften Schäden auftreten. Ein "Wir machen alles denkbare und möglichst oft" führt hier nicht zum Ziel und ist zudem unnötig teuer. Vielmehr müssen genau diejenigen Maßnahmen zur Betriebsführung und Instandhaltung ergriffen werden, die Störungen mit ernsthaften Folgen vermeiden.


2. Zustandsüberwachung für Betriebsführung und Instandhaltung

2.1 Motordiagnostik - Beispiel Kolbenringanalyse

Der Kolben-Zylinder-Komplex gehört zu den thermisch und mechanisch am höchsten belasteten Baugruppen des Motors. Schäden an den Elementen dieser Baugruppe haben einen großen Einfluß auf die Gesamtzuverlässigkeit des Motors. Statistiken von Versicherungsgesellschaften weisen Schäden an Kolben und Laufbuchse mit einem erheblichen Anteil und mit Schadenssummen von über 10.000 US$ je Schaden aus. Entsprechend hoch ist der Stellenwert, der dieser Baugruppe im Betriebsmanagement des Motors eingeräumt wird. Andererseits sind gerade für diese Baugruppe Inspektionen zur Zustandsbeurteilung sehr zeit- und kostenintensiv.

Das Diagnosemodul PRA (Piston Ring Analysis, s. Abb. 1) ermöglicht eine permanente Überwachung der Funktionsfähigkeit der Kolbenringe im laufenden Betrieb. Bruch oder Festbrennen der Ringe, Anlaufen des Kolben ("Scuffing") und ungenügende Zylinderschmierung werden in der Entstehungsphase erkannt. Folgeschäden können damit vermieden werden. Gegebenenfalls ist hierfür nicht einmal eine Instandhaltung erforderlich. Beispielsweise gelang es, während der Einlaufzeit festgebrannte Kolbenringe durch kurzzeitiges Anheben des Zylinderöldurchsatzes und Fahren von Lastwechseln (also eine Betriebsführungsmaßnahme) wieder zu lösen.

Neben dieser Möglichkeit der Funktionskontrolle liefert das System auch eine quantifizierte Bewertung des radialen Verschleißzustandes der Kolbenringe: Das radiale Verschleißmaß steht in Korrelation zu den Amplituden des Meßsignales. Durch Vergleich mit dem festgesetzten Grenzverschleißmaß kann der Austauschzeitpunkt zustandsabhängig festgesetzt werden. Die Trendbeobachtung dieser Diagnosegröße und der Vergleich der verschiedenen Stationen untereinander liefern rechtzeitig Hinweise auf einsetzende abnormale Verschleißprozesse.

Der Signalpegel des PRA-Signales gibt auch Hinweise auf die thermische Belastung von Kolben und Laufbuchse. Mit steigender thermischer Belastung wird das Spiel zwischen Kolben und Buchse kleiner. Erhöhte thermische Belastungen treten im Einlaufprozeß auf. Hier eröffnet sich die Möglichkeit, das Einlaufprogramm belastungsabhängig durchzuführen.

Die optimale Einstellung der Zylinderschmierung hat (neben der Wahl des richtigen Zylinderöles) entscheidenden Einfluß auf die Lebensdauer von Kolbenringen und Laufbuchse. Daneben stellt der Zylinderölverbrauch einen nicht unerheblichen Betriebskostenfaktor dar. Ziel unserer weiteren Untersuchungen ist, den Zusammenhang zwischen thermischer Belastung und Zylinderöldurchsatz für eine belastungsabhängige Einstellung der Zylinderschmierung zu nutzen.

Lohnt sich der Einsatz?

Die Hersteller langsamlaufender 2-Takt-Schiffsdieselmotoren geben für Kolbenringe radiale Verschleißgeschwindigkeiten von 0,2 ... 0,3 mm / 1000 Bh an. Sie gehen von einer Laufzeit der Kolbenringe von 10.000 bis 12.000 Bh aus. Für die Inspektion einer Kolben/Zylinderstation werden Intervalle von 8000 Bh empfohlen. Demnach ist jede Station in weniger als 2 Jahren einmal inspektionsbedingt zu öffnen.

+ Funktionsfähigkeit
Permanente Überwachung der Kolbenringe+ radialer Verschleiß
+ thermische Belastung

Abb. 1 Diagnosemodul PRA - Piston Ring Analysis

An den von uns überwachten L70 und K80-Motoren haben wir durchschnittliche Verschleißgeschwindigkeiten von lediglich 0,02 ... 0,03 mm / 1000 Bh für den 1. Kolbenring und von 0,05 ... 0,06 mm / 1000 Bh für den 4. Kolbenring festgestellt.

In einem speziellen Fall wurde eine Kolben/Zylinderstation nach 10.600 Bh besichtigt. Das Diagnosesystem PRA hatte zu diesem Zeitpunkt für den 1.Kolbenring einen radialen Verschleiß von 0,1 mm diagnostiziert. Die Inspektion ergab einen Verschleiß von 0,12 mm. Der Kolbenring hätte demnach problemlos 30.000 Bh (also das 5-jährige Besichtigungsintervall) erreicht. Bereits 7 Monate nach dem Wechsel wurde durch PRA für den 1. Kolbenring erneut ein radialer Verschleiß von 0,1 mm diagnostiziert.

Die größte Belastung erfährt ein Kolbenring nicht während des Betriebes, sondern beim Ab- und Aufziehen auf den Kolben. Hierbei können Mikrorisse entstehen, die dann unter Betriebsbelastung zum vorzeitigen Bruch führen. Es ist deshalb ratsam, die Kolbenringe so selten wie möglich einer Demontage/Montage zu unterziehen. Jeder Wechsel von Kolbenringen verkürzt auch die Lebensdauer der Laufbuchse. Kolbenringe und Laufbuchse müssen sich neu einlaufen, was mit erhöhtem Verschleiß verbunden ist

Insgesamt können wir einschätzen:

  • Mit Einsatz einer permanent arbeitenden Zustandsüberwachung ist die Zielstellung, Kolben/Zylinder-Stationen im Regelfall nur noch in 5-Jahres-Intervallen zu besichtigen, ist realistisch.
  • Laufbuchsen können - durch Reduzierung der inspektionsbedingten Wiedereinlaufvorgänge - eine Lebensdauer von 90.000 ... 120.000 Bh (ca. 15 Jahre) erreichen.
  • Neben der Einsparung von Instandhaltungs- und Besichtigungskosten wird Zeit verfügbar, die für zustandsbedingt notwendige Instandhaltungen genutzt werden kann.


2.2 Performance Monitoring

Der Performance Monitor für Schiffsantriebsanlagen PMO wurde als notwendige Ergänzung des Diagnosesystems CDS entwickelt. Anders als beim Diagnosesystem steht beim Performance Monitor die optimale Führung des normalen Motorbetriebes im Vordergrund und erst in zweiter Linie die Unterstützung des Instandhaltungsmanagements. Die Schnittstelle zwischen beiden Systemen liegt bei der Erkennung von Funktionsstörungen. Die Ermittlung der motorinternen Ursachen erfolgt dann durch CDS.

Der Performance Monitor bietet dem Betriebspersonal vier Funktionen (s. Abb. 2):

  1. Überwachung des Betriebszustandes PMO erfaßt in zeitlich kurzen Abständen (5 ... 60 Sekunden) wesentliche Parameter des Betriebszustandes von Hauptantriebsmotor, Propeller und Schiff, wie Drehzahl, Drehmoment, Schiffsgeschwindigkeit, Kraftstoffverbrauch und weitere. Der Betriebszustand wird auf Einhaltung der Belastungsgrenzen überprüft. Überlastungen werden sofort signalisiert.
  2. Überwachung von Performance-Kennwerten Für jeden gemessenen Betriebspunkt werden aussagekräftige Performance-Kennwerte berechnet und angezeigt, beispielsweise der spezifische Kraftstoffverbrauch, der Kraftstoff-Streckenverbrauch, ggfs. auch einzuhaltende Abgas-Emissions-Parameter. Alle Performance-Kennwerte werden in ihrem Trend überwacht, so daß die Einhaltung der gewünschten Mindest-Performance jederzeit gewährleistet werden kann.
  3. Ermittlung optimaler Betriebspunkte Die Betriebspunkte werden in Performance-Diagrammen dargestellt, beispielsweise im Motordiagramm für den spezifischen Kraftstoffverbrauch. Entlang der aktuellen Propellerkurve sind die Effekte ablesbar, die durch eine Drehzahländerung zu erzielen sind. Für jede einzelne Performance-Größe kann so der unter den aktuellen Betriebsbedingungen erreichbare Bestwert bestimmt werden. Im Schiffsbetrieb sind jedoch gleichzeitig mehrere Performance-Anforderungen zu erfüllen, z.B. Minimierung des Kraftstoff-Streckenverbrauches und der NOx-Emissionen unter Wahrung der erforderlichen Pünktlichkeit. Hierfür wurde ein Verfahren zur mehrkriteriellen Optimierung entwickelt. Der Performance-Monitor berechnet damit für jeden aktuellen Betriebspunkt einen Drehzahl-Vorschlag, der einen akzeptablen Kompromiß zwischen den teilweise widersprechenden Betriebszielen darstellt.
  4. Früherkennung potentieller Funktionsstörungen Mit der Trendbeoabachtung der Performance-Kennwerte können Performance-Verschlechterungen und damit anbahnende Funktionsstörungen frühzeitig erkannt werden. Zusätzlich ist eine Grobdiagnose der Ursachen der Performance-Einbußen möglich: Die Performance-Diagramme sind Verhaltensmodelle der Schiffsantriebsanlage bei normalem (anforderungsgerechtem) technischen Zustand von Motor, Propeller und Schiffs-Außenhaut. In diesem Zustand sind für bestimmte externe Widerstandsbedingungen (Seegang, Wind, Strömung, Flachwassereinfluß, Beladungszustand) und für bestimmte Betriebsbedingungen des Motors (z.B. Heizwert des Kraftstoffes) zusammengehörige Werte von Drehzahl, Drehmoment, Schiffsgeschwindigkeit und Kraftstoffverbrauch zu erwarten. Jede Abweichung von diesen Zusammenhängen weist auf eine Störung des technischen Zustandes von Motor, Propeller oder Schiffs-Außenhaut hin. Nachfolgend wird ein Beispiel hierfür gegeben.

Abb. 2 Performance Monitor für Schiffsantriebsanlagen

Beispiel: Langzeit-Trend spezifischer Kraftstoffverbrauch

Der Performance-Monitor zeichnet alle erfaßten Betriebs- und Performance-Größen in einer Langzeit-Datenbank auf. Diese Daten werden periodisch (per e-mail) von Bord an unser Institut übertragen und ermöglichen uns die Durchführung eines Beratungs-Service für den Chief an Bord und den technischen Inspektor an Land.

Abb. 3 oben zeigt Einzelmessungen der Performance-Kenngröße "spezifischer Kraftstoffverbrauch", die im Zeitraum einer Woche bei jeweils stationärem Betrieb aufgenommen wurden. Die Streuung der Werte ist im wesentlichen auf den Betrieb bei unterschiedlichen Betriebspunkten im Motorkennfeld zurückzuführen (verschiedene Drehzahlen und Änderungen der externen Widerstandsbedingungen). Die Betrachtung dieses Kurzzeit-Trends allein würde nicht auf ein vorhandenes technisches Problem schließen lassen.

Dieses wird jedoch im Langzeit-Trend sofort offensichtlich (Abb. 3 unten). Die Einzelmessungen wurden jeweils zu Tages-Mittelwerten verdichtet und über einen Zeitraum von 9 Monaten aufgezeichnet. Sichtbar wurde ein kontinuierliches Ansteigen des spezifischen Kraftstoffverbrauches über den Zeitraum eines halben Jahres, dann eine plötzliche Verbesserung und ein erneutes Ansteigen.

Abb. 3 Performance-Trend spezifischer Kraftstoffverbrauch

Dieses Phänomen läßt sich über den langen Beoabachtungszeitraum nicht mit Veränderungen der externen Betriebsbedingungen erklären. Deshalb wurden zusätzlich die Trends weiterer Größen im Zeitraum des ersten Anstieges von be untersucht: Der Exponent der Propellerkurve zeigte ebenfalls einen leichten Anstieg, woraus auf eine Erhöhung des Schiffswiderstandes geschlossen werden kann. Dieser kann nur durch eine Rauhigkeits-Zunahme von Außenhaut und/oder Propeller (Bewuchs) verursacht sein.

Außerdem war über den gleichen Zeitraum eine kontinuierliche Verringerung der Schiffsgeschwindigkeit zu beobachten (um etwa 1,5 kn). Da dieser Rückgang nicht mit einem Drehzahlabfall korrelierte, muß eine Verschlechterung des Propulsionswirkungsgrades in Betracht gezogen werden.

Dennoch ließ sich die Verbrauchszunahme nicht vollständig aus den härteren Widerstandsbedingungen (Fahren in anderen Bereichen des Motorkennfeldes) erklären. Eine motorinterne Störung als weitere Ursache konnte ausgeschlossen werden: Zwischen dem gemessenen Kraftstoffverbräuchen und den Kennfeld-Verbrauchswerten für die entsprechenden Betriebspunkte traten keine signifikanten Abweichungen auf.

Die Rücksprache mit der technischen Inspektion ergab, daß zum Zeitpunkt der Verbesserung eine Inspektion und Reinigung des Propellers durchgeführt wurde. Außerdem wurde eine Wartung der Kraftstoffmeßuhr durchgeführt. Offensichtlich haben sich zwei Effekte überlagert: eine tatsächliche Erhöhung des Kraftstoffverbrauches durch Propellerbewuchs und zusätzlich ein Sensorfehler.


3. Weiterentwicklung mit Blick auf die Zuverlässigkeit

3.1 Erweiterte Möglichkeiten zur Störungsvorhersage

Im zweiten Teil unserer Ausführungen wollen wir den Blick nach vorn richten: Wie muß die Zustandsüberwachung weiterentwickelt werden, damit sie für die Zwecke der Betriebs- und Instandhaltungsoptimierung den größten Nutzen bringt.

Für den Betreiber ist vor allem die Performance des Motors (d.h. die Erfüllung aller benötigten Funktionen in den erforderlichen Leistungsnormen) wichtig.

Primärfunktion eines Schiffs-Hauptantriebsmotors ist:
"Bereitstellung der erforderlichen Drehzahl und Leistung zur Gewährleistung der vom Schiff geforderten Dienstgeschwindigkeit."

Daneben hat der Motor eine Reihe von Sekundärfunktionen zu erfüllen, z.B. Einhaltung vorgegebener Limits für Kraftstoffverbrauch, Abgas-Emissionen, Schwingungs- und Geräuschpegel, Vermeidung nicht akzeptabler Risiken für Schiff, Besatzung und Umwelt u.a. Die Quantifizierung dieser Anforderungen führt zu entsprechenden Performance-Kennwerten.

Die Motorperformance wird - neben dem konstruktions- und herstellungsbedingten Leistungsvermögen - durch den technischen Zustand, die Betriebsbedingungen und die Betriebsweise bestimmt. Der technische Zustand ist in seiner zeitlichen Entwicklung seinerseits von Betriebsbedingungen, Betriebsweise und Instandhaltung abhängig (Abb. 4).

Ausgehend von diesen Überlegungen empfiehlt es sich, im Zusammenhang mit zustands-basierten Strategien den Begriff "Zustand" nicht nur auf den technischen Zustand zu beschränken und demzufolge die "Zustandsüberwachung" (Condition Monitoring) nicht nur auf die Diagnostik:

Performance Monitoring führt eine direkte Beobachtung der meßbaren bzw. aus Meßgrößen berechenbaren Performance-Kennwerte durch. Wenn diese Kennwerte sich zeitlich kontinuierlich in Richtung einer vorgegebenen Akzeptanzschwelle verändern, kann der Eintritt von Funktionsstörungen vorhergesagt werden.

Performance-Monitoring allein reicht nicht aus, denn: Nicht alle Störungen kündigen sich in Änderungen von Performance-Kenngrößen an:

  • werkstoffmechanische Ermüdung aufgrund dynamischer Belastung führt zu plötzlichen Funktionsausfällen (z.B. Bruch eines Kolbenringes),
  • verdeckte Fehler (z.B. ein defekter Ölnebeldetektor) werden erst in Havariesituationen offenbar,
  • Regelmechanismen des Motors können Schädigungswirkungen teilweise kompensieren (z.B. reagiert der Temperaturregler im Kühlwasserkreislauf auf Verschmutzung des Rückkühlers mit einem größeren Kühlmitteldurchsatz und hält damit die geforderte Funktion aufrecht)

Abb. 4 Systematisches Condition Monitoring

Diagnostik stützt sich auf beobachtbare physikalisch-technische Größen und bekannte Wirkungen von Schädigungen auf diese Größen. Kann der Zusammenhang zwischen Schadensausprägung und Meßgrößen quantifiziert werden, ist eine Trendbeobachtung der Schadensentwicklung möglich (s. Kolbenringanalyse). Wenn darüberhinaus auch die quantitativen Korrelationen zwischen Schadensausprägung und Performance-Kenngrößen bekannt sind, kann der Eintritt von Funktionsstörungen indirekt vorhergesagt werden. Schädigungen, die sich nicht auf beobachtbare physikalisch-technische Parameter auswirken, können im laufenden Betrieb nicht diagnostiziert werden. Mittels Last-Monitoring können auf der Basis geeigneter Schädigungsmodelle Schädigungen und damit verbundene Performance-Verschlechterungen vorhergesagt werden.

Nicht alle Störungen sind alterungsbedingt - mit wachsender Eintrittswahrscheinlichkeit nach Ablauf einer bestimmten Betriebsdauer, bedingt durch Materialermüdung, Korrosion, Verschmutzung o.ä.. Beschädigung des ATL-Verdichters durch einen Fremdkörper, Inbetriebnahmeschäden durch falsche Montage oder falsches Einfahren und Frühausfälle infolge von Materialfehlern sind Beispiele für zufällig eintretende Störungen, für die es meist keine Möglichkeit der Früherkennung gibt. Auch wenn Condition Monitoring in diesen Fällen nicht zielführend ist, heißt das nicht, daß keine vorauschauenden / störungsvermeidenden Maßnahmen möglich wären. Nur setzen diese nicht bei der Betriebsführung und Instandhaltung, sondern bereits im Vorfeld an, z.B. bei konstruktiven Veränderungen, Qualitätssicherung in Herstellung und Montage etc.


3.2 Effektive und effiziente Störungsvermeidung

Zustandsbasierte Instandhaltung ist nur für die Funktionsstörungen sinnvoll, für die der Zeitpunkt des Eintritts in irgendeiner Weise wenigstens näherungsweise vorhergesagt werden kann und: wenn die verbleibende Zeit noch für eine erfolgreiche Störungsabwehr oder zumindest für Maßnahmen zur Begrenzung der Störungsfolgen ausreicht. Man kann sich die Verhältnisse gut in einem sogenannten PF-Diagramm (P = potential failure, F = functional failure) klarmachen (s. Abb. 5).

SStörungsentwicklung beginnt
PStörungsentwicklung ist erkennbar
Lletztmöglicher Zeitpunkt für Maßnahmen zur Vermeidung des Störungseintritts
FEintritt der Funktionsstörung

Abb. 5 PF-Diagramm zur Vorhersage von Funktionsstörungen

Für jeden Performance-Parameter gibt es einen Bereich zwischen spezifizierter Performance (im Neuzustand) und Mindest-Performance (von den Einsatzanforderungen vorgegebene Akzeptanzschwelle). Solange keine Akzeptanzschwelle überschritten wird, erfüllt der Motor seine Funktion. Wird eine Akzeptanzschwelle überschritten, liegt eine Funktionsstörung vor.

Diese Betrachtungsweise gibt - angewandt auf einen speziellen Motor mit speziellen Performance-Anforderungen und Betriebsbedingungen - wertvolle Hinweise für die Wahl der geeigneten Betriebsführungs- und Instandhaltungstrategien:

Ist die Leistung des Schiffshauptmotors beispielsweise für die vorgesehene Schiffsgeschwindigkeit von vornherein zu klein ausgelegt, dann führen schon kleine Motorstörungen zur Unterschreitung der Mindest-Performance. Der Motor wird dann ständig im Grenzlastbereich gefahren, wodurch wierderum Schädigungen beschleunigt herbeigeführt werden - ein Teufelskreis. Eine zustandsbasierte Instandhaltung kann hier kaum Abhilfe schaffen, wohl aber eine zustandsbasierte Betriebsweise (schonendes Fahren).

Für schnell ablaufende Störungsprozesse wie beispielsweise das Festlaufen der Hauptschmierölpumpe steht u.U. nicht ausreichend Zeit zwischen Erkennbarkeit und Störungseintritt zur Verfügung. Ein Condition Monitoring zur Früherkennung ist demzufolge wenig hilfreich. Aufgrund des hohen Schadenspotentials solcher Störungen kann jedoch eine zeitbasiert-vorbeugende Instandhaltung sinnvoll sein.
Generell empfiehlt es sich, zustandsbasierte und zeitbasierte Instandhaltungsstrategien miteinander zu kombinieren: Die zeitbasierte Instandhaltung beruht auf langjährigem Herstellerwissen aus einer Vielzahl von Einsatzfällen. Die zustandsbasierte Instandhaltung stützt sich auf das Betreiberwissen für eine ganz speziellen Anlage. Nur zeitbasierte Instandhaltung heißt Verzicht auf Betriebsinformationen und führt zu hohem Instandhaltungsaufwand. Nur zustandsbasierte Instandhaltung heißt Verzicht auf Erfahrungen und führt zu hohen Investitionskosten für Condition Monitoring.

Maßnahmen zur Betriebsführung und Instandhaltung sind

effektivwenn es gelingt, die Funktions- und Performance-Anforderungen über die vorgesehene Nutzungdauer zu erfüllen
effizientwenn der erzielte Nutzen (Vermeidung nicht akzeptabler Risiken, erhöhter Betriebs- und Instandhaltungskosten, Ertragseinbußen durch Nichtverfügbarkeit oder verminderte Leistungsfähigkeit) größer ist als der in der gleichen Zeit für die Umsetzung der Maßnahmen zu leistende Aufwand.

Wirksamkeit und Rentabilität der Maßnahmen sind die entscheidenden Kriterien für die Entwicklung von Betriebsführungs- und Instandhaltungs-Strategien - nicht das breite Feld der technologischen Möglichkeiten. Zuerst ist zu fragen "Was ist zu tun und welcher Aufwand ist hierfür vertretbar", dann erst "Gibt es hierfür eine clevere technologische Lösung". Das gilt vor allem auch für den Maßnahmeteil "Condition Monitoring".

Diesem Ansatz folgt ein aktuelles FuE-Projekt unseres Instituts. Kern des Vorhabens ist, die RCM-Methode (RCM = Reliability Centred Maintenance), die bisher z.B. in der Luftfahrt und im Offshore-Bereich erfolgreich eingesetzt wird, auf den Schiffsbetrieb anzuwenden und die erzielbaren Effekte nachzuweisen. In einem ersten Schritt konzentrieren wir uns auf die Schiffsantriebsanlage. Ein solches Vorhaben läßt sich nur gemeinsam realisieren mit:

  • einem Schiffsbetreiber (Reederei P. Döhle), der eine Schiffsantriebsanlage als Testobjekt bereitstellt und hierfür die Performance-Anforderungen definiert,
  • einer Klassifikationsgesellschaft (Lloyds Register), die die RCM-Methodik beherrscht und über eine umfangreiche Schadensstatistik verfügt,
  • dem Motorhersteller (RDS Rostock Diesel Service) mit erfahrenen Spezialisten im Wartungsservice und als Träger des Herstellerwissens und dem
  • EUB-Institut, das über praxiserprobtes Condition Monitoring verfügt und die technologischen Möglichkeiten hierfür kennt.


Literatur

/1/Kaiser, V. u.a.: Asset Optimization - Technik und Beitrag zur Wertschöpfung.- In: atp 42(2000)12.- S. 28-40
/2/Wehner, K.; Knuth, J.: Zustandsbezogene Instandhaltung der Kolben-Zylinder-Einheit.- In: Schiffs-Ingenieur Journal 47(2001)5.- S.24-28
/3/Busse, W.; Moeck, E.: Innovative Betriebsführung maritimer Systeme.- In: HANSA 137(2000)1.- S. 21-24
/4/Lloyd's Register: Messungen am Zweihüllenschiff.- In: Schiff&Hafen 10/98.- S. 154-158
/5/Moubray, J.: RCM. Die Hohe Schule der Zuverlässigkeit von Produkten und Systemen.- Landsberg: mi, Verlag Moderne Industrie, 1996.- ISBN 3-478-91630-5

Autoren

Dr.-Ing. Wolfgang Busse
Dr.-Ing. Karsten Wehner
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