شیر فشارشکن محفظه میل لنگ

مقدمه

اصلی ترین دلیل وقوع انفجار در محفظه میل لنگ (Crankcase Explosion)، احتراق ذرات معلق روغن (Oil Mist) موجود در آن است. عموماً شروع احتراق پس از تشکیل پدیده ای که اصطلاحاً نقطه داغ (Hot Spot) نامیده می شود، رخ می دهد. در صورت ایجاد نقطه داغ روغن موجود در محفظه تبخیر و متراکم شده و نهایتاً انفجار رخ خواهد داد. عواقب انفجار می تواند بسیار شدید بوده و حتی منجر به مرگ و یا جراحت جدی به خدمه شناور و آسیب جدی به موتور اصلی آن شود.

کنوانسیون سولاس پس از انفجار مخربی که بر روی شناور دل پاسیفیکو در سال 1947 رخ داد و منجر به مرگ 28 نفر از خدمه شناور شد، مقررات جدیدی برای جلوگیری از انفجار محفظه میل لنگ وضع کرد.

از آن زمان تاکنون، اقدامات شناسایی و پیشگیری کننده بسیاری برای کاهش و حذف خطرات این پدیده به کشتی ها اضافه شده است. در این مقاله نگاهی خواهیم داشت به اینکه انفجار میل لنگ چیست، چگونه رخ می دهد و برای جلوگیری از آن چه کاری می توان انجام داد.

انفجار محفظه میل لنگ چیست؟

انفجار محفظه میل لنگ به انفجاری اطلاق می شود که در محفظه میل لنگ موتور در اثر احتراق ذرات معلق روغن رخ می دهد. می دانیم که فضای میل لنگ موتور دارای تمام شرایط لازم برای انفجار است. مفهوم مثلت آتش به درک این موضوع کمک زیادی می کند.

برای وقوع هرگونه انفجار/آتش سوزی، به سه جزء نیاز داریم، گرما، سوخت و اکسیژن. این سه جزء اضلاع مثلث آتش را تشکیل می دهند.

تصویر 1 – اجزای مثلث آتش

با این حال، اکسیژن و سوخت باید در نسبت مناسبی برای شعله ور شدن آتش وجود داشته باشند. اگر این نسبت خیلی کم (اکسیژن بیشتر، سوخت کمتر) یا خیلی غنی (سوخت بیشتر، اکسیژن کمتر) باشد، اشتعال آغاز نمی شود.

به همین دلیل است که اگرچه این سه جزء همیشه در محفظه میل لنگ موتور وجود دارد، تا زمانی که نسبت هوا به سوخت مناسب به دست نیاید، انفجار رخ نمی دهد. بیایید نگاهی به توالی رویدادهایی بیندازیم که منجر به انفجار محفظه میل لنگ می شود.

انفجار محفظه میل لنگ چگونه رخ می دهد؟

همانطور که در بخش قبل بیان شد، انفجار محفظه میل لنگ به سه جزء نیاز دارد: گرما، اکسیژن و سوخت. اکسیژن همیشه به دلیل تزریق هوای تازه به موتور در محفظه میل لنگ وجود دارد. سوخت همان ذرات معلق روغن یا بخار متراکم شده آن است و حرارت لازم برای احتراق مخلوط هوا و سوخت با ایجاد یک نقطه داغ (Hot Spot) به وجود می آید.

قبل از اینکه به توالی رویدادهایی برسیم که منجر به انفجار محفظه میل لنگ می شود، باید بفهمیم که نقطه داغ چیست.

نقطه داغ به هر منطقه ای در داخل محفظه میل لنگ موتور گفته می شود که به دلیل نقص یا آسیب، دمای بالای غیرعادی دارد. این پدیده ممکن است به دلایل مختلفی رخ دهد. برخی از علل اصلی ایجاد نقاط داغ عبارتند از:

1. خرابی یا شکست یاتاقان (Bearing Failure)
2. نشت گازهای اشتعال پذیر از فضای احتراق به محفظه میل لنگ (Blow Past)
3. آتش گرفتن ترکیباتی از روغن روان کننده، سوخت و کربن (Scavenge Fire)
4. بار بیش از حد روی موتور (Overload Engine)

البته دلایل دیگری نیز برای وقوع این پدیده وجود دارد مانند نا تراز بودن میل لنگ، روغن روان کننده با کیفیت پایین، فاصله (Clearance) ناکافی بین یاتاقان و شفت و غیره. اما این موارد چندان رایج نیستند. هنگامی که چنین شرایطی در موتور رخ می دهد، ایجاد نقاط داغ محلی محتمل بوده که محدوده دمایی آنها بین 200 تا 400 درجه سانتیگراد خواهد بود.

نقطه اشتعال (Flash Point) روغن موتور اصلی در محفظه میل لنگ حدود 220 درجه سانتیگراد است. بنابراین هنگامی که یک نقطه داغ رخ می دهد، ابتدا روغن اطراف را تبخیر می کند و در نتیجه بخار روغن تشکیل می شود. هنگامی که این روغن به مناطق نسبتاً سردتر موتور می رسد، متراکم شده و یک غبار یا مه سفید را تشکیل می دهد که قابلیت انفجار دارد.

با ادامه این روند مخلوط هوا و سوخت موجود در محفظه میل لنگ به حد معینی به نام محدوده قابل اشتعال می رسد (محدوده بین LEL و UEL). در ابتدا یک انفجار کوچک رخ می دهد و این انفجار به عنوان انفجار اولیه شناخته می شود.

با وقوع انفجار اولیه، موجی ضربه ای توسط موتور گسترش یافته و باعث افزایش ناگهانی فشار در محفظه میل لنگ می شود. این افزایش ناگهانی فشار حتی ممکن است باعث ایجاد ترک در بدنه موتور نیز بگردد.

وقوع این رخداد، دلیلی است که شیر های فشارشکن (Relief Valves) در موتور اصلی شناور نصب می شوند. هنگامی که فشار داخلی میل لنگ بین 0.2 تا 1 بار افزایش می یابد، فشارشکن عمل می کند و فشار محفظه میل لنگ را کاهش می دهد. از سوی دیگر به دلیل آنکه این سیستم در واقع یک شیر یکطرفه است، از ورود هوای تازه به درون محفظه میل لنگ نیز جلوگیری خواهد کرد.

با این حال، نشتی در آب بندهای پیستون، ترک ها و موارد دیگر ممکن است باعث ورود مجدد هوا و سوخت به داخل محفظه میل لنگ شده و این به نوبه خود می تواند منجر به وقوع انفجار ثانویه شود. انفجار ثانویه بسیار شدیدتر از انفجار اولیه است.

این انفجار می تواند منجر به خسارات مالی هنگفتی شود و به احتمال زیاد برای خدمه اطراف آن کشنده باشد. خدمه کشتی باید تمام تلاش خود را برای جلوگیری از هر دو نوع انفجار انجام دهند.

تجهیزات ایمنی برای جلوگیری از انفجار محفظه میل لنگ

سازندگان موتور برای جلوگیری از وقوع انفجار در محفظه میل لنگ، تجهیزات ایمنی بسیاری را در موتورهای دیزل دریایی ساخته اند. این دستگاه ها باید به خوبی نگهداری و  بررسی شوند تا ایجاد نقاط داغ و ذرات معلق روغن در محفظه میل لنگ، کشف شده و اقدامات لازم و به موقع صورت پذیرد.

برخی از تجهیزات ایمنی رایج عبارتند از:

1. آشکار ساز ذرات معلق روغن (Oil Mist Detector)
2. شیر فشارشکن محفظه میل لنگ Crankcase Relief Valve))
3. تهویه (فن) خروجی محفظه میل لنگ ((Crankcase Exhaust Fan
4. لوله تنفس (Breather Pipe)
5. حسگر دمای روغن روان کننده ( Oil Temperature Sensor)
6. حسگر دمای یاتاقان (Bearing Temperature Sensor)

شیر فشارشکن محفظه میل لنگ (Crankcase Relief Valve)

شیرهای فشارشکن تعبیه شده در کناره محفظه میل لنگ از افزایش فشار داخلی و ورود هوای تازه به داخل آن جلوگیری کرده و از سوی دیگر با استفاده از شعله گیر از خروج شعله به فضای خارج از موتور ممانعت به عمل می آورند. در هر صورت اگر انفجاری در محفظه میل لنگ رخ دهد، شعله گیر آن باید به صورت کامل تعویض شود.

تصویر 2 – شیر فشار شکن محفظه میل لنگ موتور شناور

در بازه زمانی 1998 تا 2020، شیرهای فشار شکن محفظه میل لنگ به صورت پیوسته در جهت بهبود ایمنی، توسعه پیدا کرده اند.

عملکرد شیرهای فشارشکن ضد انفجار محفظه میل لنگ

قابلیت ها و عملکرد شیر های فشارشکن محفظه میل لنگ را می توان به صورت زیر بیان نمود:

1- شکستن فشار ناشی از انفجار در محفظه میل لنگ

1. با باز شدن شیر فشارشکن

2- فروکش کردن شعله آتش به وسیله شعله گیر های داخلی تعبیه شده در آنها

1. شعله گیر های کارآمد از آتش سوزی و آسیب های بعدی به دلیل خروج شعله های آتش، جلوگیری می کنند.
2. علاوه بر آن، آنها از احتراق ابر ذرات معلق روغن که از محفظه میل لنگ خارج می شود، جلوگیری می کنند.

3- پس از شکستن فشار ناشی از انفجار، به طور خودکار بسته می شوند.

1. با بسته شدن محکم دریچه و هوابند شدن آن، از ورود اکسیژن به محفظه میل لنگ جلوگیری می شود.
2. متعاقباً، با کاهش مقدار اکسیژن در محفظه، آتش سوزی در آن مهار شده و خطر انفجار های بعدی کاهش می یابد.

آخرین نسل از شیرهای فشارشکن محفظه میل لنگ، می تواند موجب حفاظت بیشتر از خدمه شناور شده و در صورت وقوع انفجار در آن، مقدار آسیب های احتمالی را کاهش دهد.

طی سالهای 2006 تا 2020، چهار نوع شیر فشارشکن انفجار محفظه میل لنگ توسط MAN Energy Solutions  مورد تأیید قرار گرفته اند که بر اساس قوانین یکسان سازی شده آیاکس (UR M66)، طراحی و ساخته شده اند. مشخصات این تجهیزات به شرح زیر است:

1. Hoerbiger Ventilwerke, type EVX
2. Mt. Halla Control Valves, type CR52
3. Ziincheol Co. Ltd, type HWG (former name Hyunwoo SMT)
4. Prosave, Type ERV (former name Unitech)

تصویر 3 یک شیر فشارشکن انفجار محفظه میل لنگ نوع قدیمی را نشان می دهد. مش سیم در تصویر به عنوان یک شعله گیر عمل نمی کند (وظیفه حفظ شعله ها از انفجار در داخل موتور). تصویر سمت چپ مربوط به حالتی است که انفجار میل لنگ منجر به انتشار شعله به داخل موتورخانه و آتش سوزی شده است.

تصویر 3- شیر فشارشکن انفجار محفظه میل لنگ از نوع قدیمی

تصویر 4 دو شیر فشار شکن انفجار محفظه میل لنگ مدرن را نشان می دهد که برای مقاومت در برابر هر دو انفجار اولیه و ثانویه طراحی شده اند. هر دو نوع توسط آیاکس و MAN Energy Solutions تأیید شده اند.

تصویر 4 – دو نوع شیر فشارشکن مدرن

این نوع شیرهای فشارشکن ضمن حفظ شعله در داخل موتور، فشار انفجار محفظه میل لنگ را کاهش می دهند و در نتیجه از گسترش آتش سوزی به موتورخانه جلوگیری می کنند.

تصاویر 5 الف/ب/ث نشان دهنده ی حوادثی است که در موتورخانه پس از آتش سوزی ناشی از انفجار در محفظه میل لنگ، رخ داده است. در واقع، در این حوادث هر دو انفجار اولیه و ثانویه به وجود آمده است. همانگونه که در تصاویر مشخص است، شیر فشار شکن پس از وقوع انفجار اولیه به درستی بسته و هوابند نشده و همین موضوع منجر به ورود هوای تازه به درون محفظه میل لنگ و انفجار ثانویه گردیده است. شدت انفجار ثانویه به اندازه ای بوده که دریچه های شیر فشارشکن را از روی موتور منفجر کرده است.

شیرهای فشارشکن ضد انفجار که بر اساس الزامات UR M66 آیاکس تولید و تأیید شده اند، از این اتفاق جلوگیری می کنند.

تصویر 5 – الف – تصویری از عقب به جلوی پس از انفجار

تصویر 5 – ب -  سمت چپ، پنل هوای کنترل/ایمنی، سمت راست، تصویر از نزدیک پنل هوای کنترل/ایمنی

تصویر 5 – ث – سمت چپ محفظه میل لنگ یونیت شماره 2، سمت راست قسمت بالایی محفظه میل لنگ یونیت شماره 2

گزیده ای از الزامات یکسان آیاکس M9 در خصوص شیر های فشارشکن ضد انفجار محفظه میل لنگ برای موتورهای احتراق داخلی

 موتورهای احتراق داخلی که دارای قطر داخلی (Bore) سیلندر 200 میلی متر و بالاتر یا حجم کارتر (Crankcase) 0.6 متر مکعب و بالاتر هستند باید مطابق با این الزامات، دارای شیرهای فشار شکن ضد انفجار باشند. جدول 1، حداقل تعداد شیرهای فشارشکن را بیان می کند.

جدول 1 – حداقل تعداد شیرهای فشارشکن در موتورهای احتراق داخلی

سطح آزاد هر شیر فشارشکن نباید کمتر از 45 سانتی متر مربع باشد.

ترکیب سطوح آزاد فشارشکن های نصب شده روی موتور نباید کمتر از 115 سانتی متر مربع به ازای هر متر مکعب از حجم ناخالص محفظه میل لنگ باشد.

شیرهای فشارشکن باید دارای صفحاتی مجهز به فنر سبک وزن یا سایر سیستم های سریع الاثر و خود بسته شونده باشند به گونه ای که در صورت وقوع انفجار احتمالی، برای کاهش فشار محفظه میل لنگ و جلوگیری از ورود هوای محیط به داخل آن، به درستی عمل کنند.

صفحات شیر های فشارشکن باید از موادی به اندازه کافی نرم ساخته شوند که بتوانند در برابر شوک های تماسی وارده به درپوش ها در موقعیت کاملاً باز، مقاومت کنند.

شیرهای فشارشکن ضد انفجار محفظه میل لنگ باید به گونه ای طراحی و ساخته شوند که حداکثر در فشاری معادل 0.02 نیوتن بر میلی متر مربع (0.2 بار) سریعاً به طور کامل باز شوند.

شیرهای فشارشکن ضد انفجار محفظه میل لنگ باید به شعله گیر هایی مجهز شوند که در صورت وقوع انفجار، ضمن کاهش فشار محفظه از عبور شعله جلوگیری کنند.

پیکر بندی شیرهای فشار شکن ضد انفجار محفظه میل لنگ باید به گونه ای تحت آزمایش نوع (Type Test) قرار بگیرند که بتوان ترتیبات نصب آنها را بر روی موتور، در انطباق با مفاد UR M66 تأیید نمود.

زمانی که شیرهای فشار شکن محفظه میل لنگ به ترتیباتی برای محافظت در برابر انتشار گازها پس از انفجار مجهز باشند، باید آزمایشات لازم برای اثبات عدم وجود تأثیرات منفی محافظ بر کارایی عملیاتی شیر، انجام شود.

شیرهای فشارشکن ضد انفجار محفظه میل لنگ باید به همراه دفترچه راهنمای نصب و نگهداری سازنده ارائه شود. همچنین اطلاعاتی مانند اندازه و نوع شیر فشارشکن برای مدل موتور مشخص، در این راهنما درج می گردد. فهرست زیر شامل اطلاعاتی است که باید در راهنما وجود داشته باشد:

1. مشخصات کلی شیر و جزئیات عملکردی به همراه محدودیت های طراحی آن
2. رونوشتی از گواهینامه آزمون نوع (Type Test Certificate)
3. دستورالعمل نصب
4. دستورالعمل های تعمیر و نگهداری شامل روشهای بررسی عملکردی و روش تجدید هرگونه ترتیبات آب بندی
5. اقدامات لازم پس از وقوع انفجار در محفظه میل لنگ

همواره لازم است که یک رونوشت از دفترچه راهنمای نصب و نگهداری اشاره شده در پاراگراف قبل، بر روی کشتی نگهداری شود.

نقشه های جزئیات و ترتیبات این شیرها باید مطابق با مفاد UR M44 آیاکس، برای دریافت تأییدیه های لازم، ارائه شود.

علائم و اطلاعات زیر باید به شیوه ای مناسب بر روی شیرهای فشارشکن مشخص باشند:

1. نام و آدرس سازنده
2. علامت مشخصه و اندازه
3. تاریخ ساخت (ماه و سال)
4. جهت نصب تأیید شده

چگونه از انفجار در محفظه میل لنگ جلوگیری کنیم؟

نشانه های زیادی از انفجار قریب الوقوع در محفظه میل لنگ وجود دارد که اگر به موقع تشخیص داده شود، می تواند به جلوگیری از آن کمک کند. برخی از این علائم به ابزار خاصی نیاز دارند در حالی که برخی دیگر صرفاً نیاز به مشاهده دقیق دارند.

تمامی خدمه موتورخانه باید با این علائم و نشانه ها برای کارکرد ایمن و بدون حادثه موتور اصلی آشنا باشند.

علائم انفجار میل لنگ بدون نیاز به ابزار خاص:

1. وجود نقاط داغ که می توان با دماسنج لمسی و یا مادون قرمز بررسی کرد.
2. کارکرد نامنظم موتور
3. صدا و یا لرزش غیر عادی در موتور
4. مشاهده مه غلیظ سفید یا بوی آن از لوله های تنفس (Breather Pipes) یا مجرا های تخلیه (Drain Cocks)

علائم انفجار میل لنگ با ابزار خاص:

1. افزایش دمای روغن یاتاقان
2. افزایش دمای یاتاقان
3. آلارم (هشدار) آشکارساز ذرات معلق روغن (Oil Mist Detector)
4. مشاهده فعال شدن شیر فشارشکن محفظه میل لنگ و خروج دود، جرقه یا روغن از آن
5. کیفیت پائین روغن روانکاری میل لنگ
6. مشاهده فاصله بیش از حد بین قطعات جفت مانند پیستون/لاینر، میله پیستون/کاسه نمد، یاتاقان های موتور و غیره.