Evaluation of Vibration Monitoring of HFO Purifiers in the Klaveness Fleet
Master thesis
Date
2019Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for marin teknikk [3561]
Abstract
Vedlikehold som fagfelt har til enhver tid vært under konstant utvikling. Det har utviklet seg fra å være en korrektiv prosess utført etter at utstyr har sluttet å fungere slik det skal, til å bli mer forebyggende, hvor utstyr og systemer blir reparert eller erstattet basert med faste mellomrom, forutsatt at de har en bestemt levetid. Slike antagelser er ofte usikre, noe som ofte medfører at vedlikehold utføres for sjeldent eller for ofte. Dette vil kunne resultere i hyppigere utstyrsfeil eller høye kostnader som følge av unødvendige utskiftninger.
For å redusere usikkerheten knyttet til kalenderbaserte vedlikeholdsplaner, har det med årene blitt utviklet prediktive vedlikeholdsstrategier som baserer seg på en vurdering av utstyrets tilstand. Slike strategier kan bidra til å maksimere utstyrets levetid, samt redusere nedetid og vedlikeholdskostnader. Den kanskje mest av kjente av disse strategiene er tilstandsmonitorering, som er en viktig del av det som kalles prediktivt vedlikehold. Utviklingen i retning prediktivt vedlikehold kan spores tilbake til luftfartsindustrien på 1960-tallet (Knutsen et al., 2014)
I 2018 gjennomførte det norske shippingselskapet Klaveness et pilotprosjekt som omhandlet tilstandsbasert vedlikehold på to av deres skip. Som en del av prosjektet ble offline og manuelt vibrasjonsutstyr installert på en betydelig mengde utstyr, hovedsakelig på kompressorer, pumper og motorer. Klaveness iverksatte dette prosjektet for å tilegne seg kunnskap om fordelene og begrensningene med tilstandsbasert vedlikehold, da de ikke har betydelig erfaring innen området fra før. De håper at dette kan hjelpe dem med å bevege seg i retning av et mer tilstandsbasert vedlikeholdsregime i fremtiden.
Etter at piloten ble gjennomført bestemte Klaveness seg for å redusere mengden utstyr som skal overvåkes når vibrasjonsmonitoreringsutstyr rulles ut i flåten. Blant utstyret som er besluttet fjernet finner man drivstoffseparatorene. Formålet med disse separatorene er å fjerne uønsket væske og partikler fra drivstoffet før det brukes i hovedmaskineriet ombord. Dersom drivstoffet ikke blir tilstrekkelig renset vil det kunne medføre redusert forbrenningseffekt og potensielt skade hovedmaskineriet ombord på skipet. Selv om drivstoffseparatorene er et redundant system, viser feilhistorikken at flere av hendelsene potensielt kunne vært avverget.
Målet med denne oppgaven er å vurdere om det vil være en korrekt avgjørelse av Klaveness å utstyre drivstoffseparatorene med vibrasjonsmonitoreringsutstyr ombord i flåten sin. Oppgaven svarer på følgende spørsmål:
1. Hvilke feil forekommer med størst sannsynlighet og hvilke feil har de alvorligste konsekvensene? Hvordan kan disse avdekkes?
2. Hvilken informasjon finner man i hendelsesrapportene som omhandler drivstoffseparatorene, og kunne noen av disse hendelsene vært oppdaget ved hjelp av vibrasjonsmonitoreringsutstyr?
For å kunne svare på disse spørsmålene ble det gjennomført en feilmode, effekt og kritikalitetsanalyse (FMECA), samt gjort en analyse av hendelsesrapportene på drivstoffseparatorene i Klaveness-flåten. Som en del av FMECAen ble sannsynligheten for utstyrssvikt estimert basert på de analysert rapportene. Videre ble det foretatt en kvalitativ vurdering om hvorvidt de ulike hendelsene kunne vært oppdaget dersom man hadde brukt vibrasjonsmonitoreringsutstyr. Denne vurderingen baserte seg på tilgjengelig litteratur og studier vedrørende vibrasjonsmonitorering, samt forfatterens egen kjennskap til temaet og diskusjoner med Karsten Moholt, et selskap som blant annet driver med overvåkning og analyse av maskineri.
Resultatene fra FMECAen og analysen av hendelsesrapportene viser at de meste kritiske feilene med hensyn til alvorlighetsgraden og konsekvenser for sikkerhet, nedetid og kostnader, er de som er relatert til lekkasjer i systemet eller feil på elektronisk utstyr som kontrollere og sensorer. Disse feilene kan ikke avdekkes ved hjelp av vibrasjonsmonitorering. De feilene som kunne vært avdekket av vibrasjonsmonitorering, derimot, utgjør mer enn halvparten av feilene som ble analysert. Dette er i hovedsak feil tilknyttet elektromotoren, selve separatoren, og kraftoverføringssystemet mellom disse. Selv om disse feilene ikke er like alvorlige som eventuelle lekkasjer, kan de likevel medføre nedetid på opptil to måneder og kostnader mellom 20.000-200.000 USD.
Før en endelig beslutning fattes bør en livssyklusanalyse med fokus på kostnader utføres for å avgjøre om vibrasjonsmonitorering er en kostnadseffektiv metode for å forhindre feil på drivstoffseparatorene. Over the years, the maintenance discipline has been under constant development. It has evolved from being a corrective process, performed after functional failure, to be more preventive, where components and systems are overhauled or replaced based on a giving time-schedule, assuming that they have a defined lifetime. However, such lifetime estimates often come with a high degree of uncertainty, resulting in scheduled maintenance being performed too late or too early, causing functional failures or high costs from unnecessary replacements.
To reduce the uncertainty associated with time-based schedules, predictive approaches based on evaluation of asset condition have appeared. Such maintenance strategies can help to maximise asset lifetime and further reduce downtime and maintenance costs. The perhaps most common is condition monitoring (CM), which is a significant component of predictive maintenance (PdM), often referred to as condition-based maintenance (CBM). These developments can be traced back to the air transportation industry in the 1960s (Knutsen et al., 2014)
In 2018, Klaveness conducted a CBM pilot project on two of their combination carriers, where offline and manual vibration monitoring equipment was installed on a considerable amount of equipment, mostly compressors, pumps and engines. The pilot was initiated to help build knowledge and better understand the benefits and limitations of CBM, as Klaveness does not have significant experience within this area from before. They hope that this can help them move towards a more predictive maintenance regime in the future.
After the pilot was conducted, Klaveness decided to reduce the number of equipment to be monitored when implementing vibration monitoring equipment on vessels throughout their fleet. Among the equipment removed from the scope was the heavy fuel oil (HFO) purifiers. The purpose of the purifiers is to remove liquid and solid contaminants from the heavy fuel oil before being used in the main engine. Failing to treat the fuel oil properly will result in decreased combustion efficiency and possibly cause severe damage to the engine. Even though the purifiers have redundancy, it has a history of incidents that could have been prevented.
The objective of this thesis is to assess whether it would be beneficial for Klaveness to equip HFO purifiers with vibration monitoring equipment onboard their ships in a fleet-wide installation. The thesis answers the following two research questions:
1. What are the failure modes with the highest probabilities of occurrence and severity of consequences, and how can these be detected?
2. What kind of information can be extracted from the incident reports regarding HFO purifiers in the Klaveness fleet, and could any of these incidents have been detected by vibration monitoring?
A failure mode, effect and criticality (FMECA) analysis was performed along with an analysis of incident reports on HFO purifiers in the Klaveness fleet to answer these questions. As a part of the FMECA, the likelihood of occurrence of failures on the subsystem and sub-component level was estimated based on the analysed incident reports. Further, a qualitative assessment of whether the incidents could have been discovered by vibration monitoring (VM) was conducted based on available literature on the topic, the author's knowledge and discussions with Karsten Moholt, a company working with lifetime extension of rotating equipment through, amongst others, condition monitoring and analysis.
The results from the FMECA and incident report analysis show that the most critical failures with respect to the severity of consequences concerning safety, downtime and costs, are those related to leakages in the system or failure of electronic equipment such as controllers and sensors. VM cannot detect these failures. However, those failures that could potentially have been detected by VM constitute more than half of the failures analysed. These are failures mainly related to the power transmission subsystem and the electrical motor. Even though these failures are not as critical as those that cannot be detected by VM, they may still result in downtime of up to two months and costs in the range between 20,000-200,000 USD.
Before a final decision is made, a life-cycle cost (LCC) analysis should be carried out to determine whether this is a cost-effective method to prevent failures on the HFO purifiers.