Beitrag 17

Instandhaltung von Schiffsmaschinen - Schwerpunkte der an der Seefahrthochschule zu realisierenden Arbeiten

Prof. Dr. rer. oec. habil Piotr Bielawski
Maritime University Szczecin

  1. Einleitung
  2. Bedeutung der Instandhaltung
  3. Instandhaltung von Schiffsmaschinen
  4. Effiziente Schiffsinstandhaltung
  5. Schlussfolgerungen
  6. Literaturverzeichnis


1. Einleitung

Technische Eigenschaften der Schiffsmaschinen, wirtschaftliche Bedingungen der Handelsschiffe, Sicherheits- und Umweltschutzvorschriften haben die Forderung nach effizientem Betrieb zur Folge. Effizienter Schiffsmaschinenbetrieb erfordert es weiterhin, die effiziente Instandhaltung durch die Maschinenbesatzung und/oder Fremdpersonal zu realisieren.
Für eine effiziente Instandhaltung ist die effiziente Ausbildung der Instandhalter in die Gebiete der Schiffsmaschinen und in die Bereiche über der Entwicklung und Einführung der Instandhaltungsmittel aufzuteilen. Für beide Bereiche ist die Rolle der Hochschule für Seefahrt in Szczecin nicht zu unterschätzen, d.h. das für die Instandhalter notwendige Wissen ist in objektbezogenes und in instandhaltungsbezogene Wissen aufgeteilt.


2. Bedeutung der Instandhaltung

In jeder Produktionsanlage sind zwei Funktionen durchzuführen: Produktionsfunktion und Erhaltungsfunktion [1]. Während des Betriebes sind außer der verfahrenstechnischen Prozessführung, auch Prozessüberwachung und Zustandsüberwachung zu realisieren. Das Ziel der Prozessüberwachung - Erfassen und Beurteilen von Betriebsverhalten - ist durch Suche nach Störungen und/oder Fehlbedienungen und durch deren Beseitigung zu verwirklichen. Ziel der Zustandsüberwachung - Vermeiden von Ausfällen - ist durch Inspektion, Wartung und Instandsetzung durchzuführen. Inspektion, Wartung und Instandsetzung sind als die Bestandteile der Instandhaltung zu sehen. Störungssuche (Störungsfrüherkennung) und Inspektion sind durch technische Diagnostik zu unterstützen, die wieder Maschinenzustandsinformationen und Systeminformationen braucht.
Nach Klein [2] lässt die zunehmende Bedeutung der Instandhaltung sich im allgemeinen wie folgt darstellen:

  • betriebswirtschaftliche Einflussgrößen:
    • Steigende Anlagenkosten,
    • Überproportionales Ansteigen der Instandhaltungskosten,
    • Zunehmender Anteil des Instandhaltungspersonals an der Gesamtbelegschaft,
  • volkswirtschaftliche Einflussgrößen:
  • Zunehmender Anteil der Instandhaltungskosten am Bruttosozialprodukt,
  • Stetiger Zuwachs des Anteils der Erwerbstätigen im Instandhaltungsbereich,
  • technologische Einflussgrößen:
    • Zunehmende Automatisierung,
    • Steigende Anlagenverkettung und -komplexität,
    • Hohe Innovationsgeschwindigkeit,
  • sonstige Einflussgrößen:
    • Verschärfte Umwelt- und Arbeitsschutzvorschriften,
    • Zunehmende Ressourcenknappheit,
    • Höheres und verändertes Anforderungsprofil an Instandhaltungstätigkeiten.

Nach Warnecke [3] sind nachfolgende Unternehmensziele zu verzeichnen:

  • Gewinn maximieren,
  • Rentabilität erhöhen,
  • Marktanteil erhöhen,
  • Liquidität sichern.

Diese Unternehmensziele kann man durch Materialwirtschaft, Qualitätssicherung, Fertigungssteuerung und Instandhaltung realisieren. Teilziele der Instandhaltung lassen sich wiederum wie folgt formulieren:

  • Anzahl der technischen Störungen und Ausfälle sowie Stör- und Ausfallzeiten reduzieren,
  • Funktionsfähigkeit gewährleisten,
  • Sicherheits- und Umweltbedingungen technisch einhalten,
  • Instandhaltungskosten minimieren.


3. Instandhaltung von Schiffsmaschinen

Offene und liberale Weltwirtschaft braucht einen effizienten Transport um den Welthandel zu verwirklichen. Im letzten Jahrhundert entwickelte sich der Welthandel schneller als die Weltwirtschaft. Das hat die steigende Konkurrenz zwischen Transportarten besonders zwischen dem Luftverkehr und dem Seeverkehr aber auch zwischen der Binnenschiffahrt und dem Seeverkehr zur Folge, siehe Bild 1.

Bild 1. Seeverkehr in Weltwirtschaft

Um konkurrenzfähig zu sein muss das Schiff durch:

  • geforderte Transportqualität,
  • geforderte Schiffssicherheit,
  • geforderte Transporteffektivität gekennzeichnet sein, siehe Bild 2.

Bild 2. Schiffsinstandhaltung und durch Schiffsinstandhaltung beeinflussende Größen

Weil unter den Konkurrenzbedingungen die Möglichkeiten der Vergrößerung des Einkommens beschränkt sind, kann man die Effektivität des Schiffes durch Verringerung der Kosten der Schiffsinstandhaltung erreichen. Niedrigere Instandhaltungskosten sind wieder durch die schon erwähnte Transportqualität, Schiffsicherheit und Transporteffektivität eingeschränkt. Man kann in vielen Instandhaltungsbereichen die Kosten optimieren. Gesteuerte Teiloptimierungen können eine effiziente Schiffsinstandhaltung zur Folge haben.
Die Schiffsmaschinen selbst besitzen spezifische Eigenschaften, die die schon dargestellte Bedeutung der Instandhaltung verstärken. Es sind nachfolgende Eigenschaften zu erwähnen:

  • große Ausmaße, große Gewichte, große und sehr große Leistungen(bis ca. 70.000 kW);
  • Stückzahl der Maschinen des gleichen Typs ist klein;
  • lange Lebensdauer (ca. 20 Jahre);
  • intensiver Betrieb bei großem und wechselndem Belastungskollektiv;
  • Maschinenfundamente unterliegen zusammen mit dem Schiffskörper den von Seegang und Beladungszustand abhängigen Deformationen;
  • steife und/oder elastische Unterlagen die sich zwischen Maschine und Fundament befinden, unterliegen dem Kriechen;
  • Betrieb in feuchter und staubiger Luft;
  • verschiedenartige Maschinentypen, die verschiedenartige Aggregate bilden. Man unterscheidet hierbei:
    • rotierende Maschinen: Elektromotoren, Gas- und Dampfturbinen, Pumpen, Kompressoren, Getriebe, Kupplungen, Propeller, Winden, usw.,
    • kurbellose Verdrängungsmaschinen: Pumpen, Kompressoren, hydraulische und pneumatische Motoren, Steuermotoren usw.,
    • Kolbenmaschinen: Dampf- und Verbrennungsmotoren, Pumpen, Kompressoren usw.;
  • Darstellen einer starken Geräuschquelle;
  • Besitzen eines hohen Automatisierungsgrades;
  • Unterliegen von Erneuerungen, Modernisierungen und/oder Erweiterungen;
  • Vorhandensein einer große Maschinenanzahl auf beschränktem Raum;
  • Abhängigkeit des Belastungskollektivs von Seegang und Beladungszustand;
  • Intensive Abnutzung der Maschinenelemente. Zu abnutzungsbeschleunigenden Größen gehören:
    • Fertigungs- und Instandsetzungsabweichungen der Maschinenelemente,
    • Montageabweichungen,
    • Überbelastung, besonders auf Grund des unvollständigen Belastungsausgleichs in Mehrzylinder-Kolbenmaschinen,
    • mangelhafte Schmierung,
    • Verschleiß und Verschleißteilchen;
  • die Inspektion und Instandsetzung sind durch die Sicherheitsvorschriften geprägt. Im Vergleich mit anderen Industriebereichen sind sie technisch weniger entwickelt;
  • man kann diagnostische Symptome einteilen in:
    • Symptome, die von Abnutzungsbetrag der Elemente abhängig sind,
    • Symptome, die mit dem Abnutzungsvorgang (Abnutzungsprozess) verbunden sind,
    • Symptome, die von momentaner Belastung der entsprechenden Maschinenelemente abhängig sind;
  • um eine Diagnose und/oder Prognose zu realisieren braucht man:
    • im Falle der von Abnutzungsbetrag und Abnutzungsprozess abhängigen Symptome die Trendanalyse und Grenzwerte,
    • im Falle der von der Belastung abhängigen Symptome die Berechnung der Bauteillebensdauer. Bei der Bestimmung der Beanspruchbarkeit ist die Qualität des Bauteils und dessen Montagequalität zu berücksichtigen.


4. Effiziente Schiffsinstandhaltung

Es sind drei Bedingungen der effizienten Schiffsinstandhaltung kennzeichnend:

  1. Effiziente Ausbildung der Instandhalter.
  2. Entwicklung und Einführung effizienter Instandhaltungsmittel.
  3. Effiziente Organisation der Instandhaltung.

Zur Organisation der Instandhaltung gehört die Auswahl zwischen Eigen- und Fremdinstandhaltung. Diese Entscheidung wird durch die technische Entwicklung der Schiffsmaschinen selbst und durch die technische Entwicklung der Instandhaltungsmittel vorwiegend der technischen Diagnostik beeinflusst. Begründet durch:

  • den sich weltweit verschärften Wettbewerb,
  • die zunehmende Komplexität moderner Anlagen und oben gelisteter Eigenschaften von Schiffsmaschinen,
  • reduzierte Besatzungsstärke,
  • häufig wechselnde Besatzungen

kann der Einsatz der Diagnosesysteme - besonders mit Einschluss der Telediagnostik -

  • die Besatzung in der Aufgabe unterstützen, Störungen und sich anbahnende Schäden frühzeitig zu erkennen und entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten;
  • den Reedereien die Kostenreduzierung herbeiführen, durch:
    • optimierte Wartung und Instandsetzung,
    • Vermeiden von unvorhergesehenen Maschinenausfällen und damit verbundener teurer Folgeschäden,
    • Begrenzung von Wartezeiten (Produktionsunterbrechung) und Ausfallzeiten,
    • Planen der günstigen Zeitpunkte und Orte für notwendige Instandhaltungsmaßnahmen,
    • zeitgerechte Zustellung erforderlicher Ersatzteile und zeitgerechte Bestellung der Fremdpersonals.

Die wichtigsten Elemente des Systems der Schiffsmaschineninstandhaltung sind in Bild 3 gezeigt.

Bild 3. Elemente des Systems der Schiffsinstandhaltung

Die Schwerpunkte der an der Seefahrthochschule in Szczecin zu realisierenden Arbeiten im Bereich der Instandhaltung liegen im:

  • Vervollkommnen von Ausbildungsmitteln;
  • Weiterentwicklung der Diagnosemodelle für Schiffsaggregate:
    • Aggregate mit rotierenden Maschinen (u.a. Strahlruder),
    • Aggregate mit Kolbenmaschinen;
  • Weiterentwicklung der Verfahren der Schadensaufnahme, um sie u.a. mit Diagnosebefunden zu vergleichen, Bild 3;
  • Weiterentwicklung der Verfahren der Qualitätskontrolle der instandgesetzten Maschinenelemente;
  • Vervollkommnen der Instandsetzungsverfahren durch Nacharbeiten;
  • Abnutzungsforschung von instandgesetzten Teilen (Ventile, Ventilsitzungen, Zylinderbuchsen).

Die effiziente Ausbildung ist in die Ausbildung des Bordpersonals und des Fremdpersonals aufzuteilen. Wegen der Tendenz, immer mehr Instandhaltungsaufgaben dem Fremdpersonal zuzuteilen, begründet es, die Instandhaltungsausbildung sowohl für Bordpersonal als auch Fremdpersonal in der selben Ausbildungsinstitution zu realisieren. Die Ausbildungsstruktur an der Mechanischen Fakultät der Hochschule für Seefahrt in Szczecin wird im Bild 4 dargestellt.

Bild 4. Ausbildungsstruktur an der Mechanischen Fakultät der Hochschule für Seefahrt

Das zur Planung und Durchführung der Instandhaltung notwendige Wissen wurde in :

  • objektbezogene Kurse und
  • instandhaltungsbezogene Kurse:
    • Schadenskunde,
    • Qualitätskontrolle von Maschinenelementen,
    • Montagetechnik,
    • Technische Diagnostik,
    • Instandsetzung von Maschinenelementen,
    • Instandhaltungsplanung und Organisation

eingeteilt.

Der aktuelle Anteil der instandhaltungsbezogenen Kurse in einzelnen Spezialisierungen wird im Bild 5 verdeutlicht. Den größten Anteil der instandhaltungsbezogenen Kurse in der Spezialisierung "Instandhaltung von Schiffsmaschinen" ist unbestritten.

Bild 5. Anteil der instandhaltungsbezogenen Kurse in einzelnen Spezialisierungen

Wegen der durchschnittlich 10-jährigen Berufsdauer der Bordingenieure ist es wünschenswert, ein Aufbaustudium in Form von postgradualen Studium im Bereich der Planung und Organisation der Instandhaltung für diejenigen, die als Instandhalter in Produktionsunternehmen tätig werden wollen, vorzusehen.
Instandhaltungsbezogene Kurse sind auch außerhalb der Hochschulausbildung im Rahmen der Aus- und Weiterbildung im Angebot. Realisiert werden Zertifizierungskurse für Schiffsoffiziere:

  • operational level;
  • managment level (International Convention Standards of Training, Certification and Watchkeeping for Seafarers - STCW 1978).

In Vorbereitung sind :

  • Zertifizierungskurse für Personal der zerstörungsfreien Prüfungen der Maschinenelemente (nach EN 473:2000 und nach Druckgeräterichtlinie 97/23/EG);
  • postgraduales Studium:
    • ohne Zertifizierungskurse für Personal der zerstörungsfreien Prüfungen,
    • mit Zertifizierungskurse für Personal der zerstörungsfreien Prüfungen.

Der Einsatz von Diagnosesystemen auf Schiffen ist bisher beschränkt auf Dieselmotorsysteme und Stevenrohrlager. Motordiagnosesysteme basieren vorwiegend auf der Messung signifikanter Prozessdaten, um in erster Linie Abweichungen vom Normalbetrieb zu detektieren. Es sind auch Systeme vertreten, die den Zustand der Kolben-Zylinder-Baugruppe bewerten oder nur die Temperatur der Triebwerkslager und die Ölnebelkonzentration messen.
In anderen Industriezweigen findet man Diagnosesysteme überwiegend in Form von Schwingungsüberwachung rotierender Maschinen, wie z.B. Elektromotoren, Pumpen, Kompressoren und Getrieben. Mit den in den Schwingungssignalen enthaltenen Informationen werden der Zustand von Bauteilen (Wälzlager, Gleitlager, Rotoren, Zahnräder) beurteilt und Fluchtfehler der Aggregatwelle detektiert. Es sind auch Beispiele von Diagnosesystemen bekannt, die verschiedenartige Schwingungen ausnutzen und auf Kolbenmaschinen ausgerichtet sind. Eine ähnliche Situation herrscht auch im Bereich der Qualitätskontrolle der Maschinenelemente, Kontrolle der Montagequalität und Instandsetzung von Maschinenelementen.
Die Einführung und Weiterentwicklung von Instandhaltungsmitteln sollte, aus dem Standpunkt der Hochschule für Seefahrt in bestimmter Reinenfolge stattfinden:

  • in Laborbedingungen,
  • in Bordbedingungen:
    • am Hochschulschiff,
    • am Fährschiff.

Die Einführung von Instandhaltungsmitteln sollte beruhen auf:

  • dem praktischen Einsatz der bekannten Methoden und Geräten der Qualitätskontrolle von Maschinenelementen;
  • dem praktischen Einsatz der modernen und bewährten Methoden und Geräten der Maschinenmontage;
  • dem praktischen Einsatz der bewährten Verfahren und Systeme der technischen Diagnostik (vorwiegend der Diagnostik der Aggregate mit rotierenden Maschinen);
  • dem praktischen Einsatz der modernen Methoden, Mittel und Geräte der Instandsetzung.

Erforderlich ist die Weiterentwicklung der Diagnoseverfahren für Kolbenmaschinen, insbesondere für Dieselmotoren. Das Problem des sicheren Betriebs von solchen Maschinen ist zur Zeit noch nicht im Ganzen gelöst. Eine der Lösungen ist im Bild 6 dargestellt.

Bild 6. Diagnosesignale der Aggregate mit Kolbenmaschine;
1 - Meßsignale von freien Kurbelwellenende: Schwingweg der Längsschingungen, Schwinggeschwindigkeit/Schwingbeschleunigung der Längsschwingungen, Schwingbeschleunigung der Drehschwingungen/Drehbeschleunigung;
2 - Meßsignal von Schwungrad oder Kupplungsflansch: Kurbelwinkel;
3 - Meßsignal von Zylinderköpfen: Zylinderdruck oder Körperschwingbeschleunigung, Schallemission;
4 - Meßsignal von Maschinengestell (nur für Kreuzkopfmaschinen): Körperschwingbeschlechleunigung,
5 - Meßsignal von glatter Welle: Drehmoment (wenn vorhanden);
6 - Rotationsmaschine spezifische Messsignale;
7 - Meßsignale von Schmieröl: Praktikelverteilung, Eisengehalt, Schmierölviskosität und andere

 DiagnosesignalZustand
1Schwingweg der Längsschwingungen
  • Kurbelwellenausrichtung
  • Zylinderbelastung
2Schwinggeschwindigkeit/Schwingbeschleunigung der Längsschwingungen
  • Pleuellagerzustand
  • Zylinderbelastung
3Schwingbeschleunigung der Drehschwingungen
  • Grundlagerzustand
  • Zylinderbelastung
  • Reibung im Triebwerk
4Schwingbeschleunigung des Zylinderkopfes
  • Zylinderdruck
5Zylinderdruck
  • Zustand der Elemente die die Zylinderkammer bilden
6Schallemission von Zylinderkopf
  • Arbeitsprozesse
  • Zustand der Elemente die die Zylinderkammer bilden
7Schwingbeschleunigung des Maschinengestells
  • Zustand des Kreuzkopflagers
  • Zylinderbelastung
8Wellenleistung
  • Aggregatbelastung
  • Zylinderbelastungsverteilung/Zylinderabgleich

Tabelle 1. Zusammenhänge zwischen Diagnosesignale und Zustände

Eine ausführliche Begründung der gezeigten Diagnosesignale wird in [4] dargestellt. Der Zusammenhang zwischen gezeigten Diagnosesignalen und Zuständen wird im Tabelle 1 zusammengefasst.


5. Schlussfolgerungen

Mit zunehmender Bedeutung und Komplexität der Schiffsinstandhaltung muss diese Problematik auch in Lehre und Forschung an den Hochschulen für Seefahrt im verstärkten Masse vertreten sein. Besonders wünschenswert ist das postgraduale Studium für Instandhalter und der Transfer der bewerten und modernen Instandhaltungstechnologien auf das Gebiet der Schiffsinstandhaltung.


6. Literaturverzeichnis

1.Sturm, A.: Zustandswissen für Betriebsführung und Instandhaltung. Verlag VGB- Kraftwerkstechnik, Essen, 1996.
2.Klein, W.: Optimale Planung und Steuerung der Instandhaltung: Analyse und Gestaltung des Informationswesens. TÜV Rheinland, 1988.
3.Warnecke, H.-J. (Hrsg): Handbuch der Instandhaltung. Verlag TÜV Reinland, 1992.
4.Bielawski, P.: Elementy diagnostyki drganiowej mechanizmów tlokowo-korbowych maszyn okretowych. WSM, Szczecin, 2002.