본 연구대상 디젤기관의 연접봉 볼트, 크랭크 핀베어링 볼트 등의 손상원인을 조사 분석하기 위하여 수행한 현장검사, 파손부에 대한 시험 및 고찰, 참고문헌 및 연구자의 경험 등을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 파손된 크랭크 핀 베어링 볼트는 연접봉 볼트보다 늦게 파손된 것으로 추정된다. 파손된 연접봉 볼트는 충격적인 하중에 의해서 취성파괴된 것이 아니고, 비정상적인 반복하중(예를 들어 체결 볼트의 풀림 등)에 의해서 피로파괴가 되었다는 것을 그 파단면의 모습을 통하여 알 수 있다. 파손된 연접봉 볼트용 U 너트는 윤활유(고착방지제)의 부적절한 사용, 각 실린더와 연접봉 별로 구분되어 사용되지 않았던 것 등으로 인하여 표면 상태가 불량하게 되었고, 이것은 연접봉 볼트의 파손사고에 영향을 미쳤을 가능성이 있다고 할 수 있다. 그리고 파손된 국내 제작품인 연접봉 볼트와 크랭크 핀 베어링 볼트의 기계적 성질, 전조공정 등은 해당 볼트의 설계요건에 적합하다고 할 수 있다.
본 연구대상 디젤기관의 연접봉 볼트, 크랭크 핀 베어링 볼트 등의 손상원인을 조사 분석하기 위하여 수행한 현장검사, 파손부에 대한 시험 및 고찰, 참고문헌 및 연구자의 경험 등을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 파손된 크랭크 핀 베어링 볼트는 연접봉 볼트보다 늦게 파손된 것으로 추정된다. 파손된 연접봉 볼트는 충격적인 하중에 의해서 취성파괴된 것이 아니고, 비정상적인 반복하중(예를 들어 체결 볼트의 풀림 등)에 의해서 피로파괴가 되었다는 것을 그 파단면의 모습을 통하여 알 수 있다. 파손된 연접봉 볼트용 U 너트는 윤활유(고착방지제)의 부적절한 사용, 각 실린더와 연접봉 별로 구분되어 사용되지 않았던 것 등으로 인하여 표면 상태가 불량하게 되었고, 이것은 연접봉 볼트의 파손사고에 영향을 미쳤을 가능성이 있다고 할 수 있다. 그리고 파손된 국내 제작품인 연접봉 볼트와 크랭크 핀 베어링 볼트의 기계적 성질, 전조공정 등은 해당 볼트의 설계요건에 적합하다고 할 수 있다.
To investigate and analyze the cause of the failure of the connecting rod bolt and the crank pin bearing bolt of the diesel engine of this study, the following results were obtained through site surveying, the investigation of literature referring to similar failures, testing and inspection of the f...
To investigate and analyze the cause of the failure of the connecting rod bolt and the crank pin bearing bolt of the diesel engine of this study, the following results were obtained through site surveying, the investigation of literature referring to similar failures, testing and inspection of the fracture surface, and the experience of the researchers. The fractured crank pin bearing bolt of the diesel engine is estimated to be damaged later than the connecting rod bolt. From the shape of fracture surface, it is evident that the failed connecting rod bolt is fractured by fatigue failure due to abnormally repeated loads (e.g. loosening of the connecting bolt, etc.), and is not failed by brittle fractures due to the impact load. The surface of the U-nut on the fractured connecting rod bolt has been worsening due to the improper use of lubricant (agent for prevention of thread fixing) and no usage of separating the each connecting rod on each cylinder. Moreover, there is the possibility that those poor surface conditions of the fractured connecting rod bolt have affected the failure of the connecting rod bolt of the main engine. And it could be assumed that the mechanical characteristic and manufacturing process of the failed connecting rod bolt and crank pin bearing bolt, which were made by a domestic company, conform to the design requirements for those bolts.
To investigate and analyze the cause of the failure of the connecting rod bolt and the crank pin bearing bolt of the diesel engine of this study, the following results were obtained through site surveying, the investigation of literature referring to similar failures, testing and inspection of the fracture surface, and the experience of the researchers. The fractured crank pin bearing bolt of the diesel engine is estimated to be damaged later than the connecting rod bolt. From the shape of fracture surface, it is evident that the failed connecting rod bolt is fractured by fatigue failure due to abnormally repeated loads (e.g. loosening of the connecting bolt, etc.), and is not failed by brittle fractures due to the impact load. The surface of the U-nut on the fractured connecting rod bolt has been worsening due to the improper use of lubricant (agent for prevention of thread fixing) and no usage of separating the each connecting rod on each cylinder. Moreover, there is the possibility that those poor surface conditions of the fractured connecting rod bolt have affected the failure of the connecting rod bolt of the main engine. And it could be assumed that the mechanical characteristic and manufacturing process of the failed connecting rod bolt and crank pin bearing bolt, which were made by a domestic company, conform to the design requirements for those bolts.
이상의 관점에서 본 연구의 목적과 연구 범위는 상기 크랭크 핀 베어링 볼트 또는 연접봉 볼트의 손상 원인을 규명하는 것으로 하였다. ;
가설 설정
본 연구에서는 본선에서의 현장조사, 수리업체 전문가, 손해사정인 등과의 집단 토론, 다른 연구[1]-[6], 연구자의 경험 등을 통하여 본선 주기관의 손상은 2번 실린더의 크랭크 핀 베어링 볼트(crank pin bearing bolt) 또는 연접봉 볼트(connecting rod bolt)에서 먼저 파손이 발생한 것으로 가정하였다. 그리고 이 파손에 의해서 실린더 라이너, 실린더 블록 상하좌우, 크랭크 핀(crank pin), 흡배기밸브(suction & exhaust valve), 푸시로드(push rod), 캠 롤러(cam roller), 캠 (cam), 감속기어박스케이싱(reduction gear box casing) 등이 변형되거나 파괴된 것으로 가정하였다.
본 연구에서는 본선에서의 현장조사, 수리업체 전문가, 손해사정인 등과의 집단 토론, 다른 연구[1]-[6], 연구자의 경험 등을 통하여 본선 주기관의 손상은 2번 실린더의 크랭크 핀 베어링 볼트(crank pin bearing bolt) 또는 연접봉 볼트(connecting rod bolt)에서 먼저 파손이 발생한 것으로 가정하였다. 그리고 이 파손에 의해서 실린더 라이너, 실린더 블록 상하좌우, 크랭크 핀(crank pin), 흡배기밸브(suction & exhaust valve), 푸시로드(push rod), 캠 롤러(cam roller), 캠 (cam), 감속기어박스케이싱(reduction gear box casing) 등이 변형되거나 파괴된 것으로 가정하였다.
제안 방법
내항 화물선 주기관의 연접봉 볼트, 크랭크 핀 베어링 볼트 등의 손상원인을 조사·분석하기 위하여 수행한 현장검사, 파손부에 대한 시험 및 고찰, 참고문헌 및 연구자의 경험 등을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
연접봉 볼트[A], 크랭크 핀 베어링 볼트[B], 연접봉 볼트용 U 너트[C] 등을 길이 방향으로 절단하여 그 단면을 연마한 후 나이탈 부식액을 사용하여 나사부 및 몸통의 중심부에 대한 x25, x100, x500, x1,000 배율의 조직 사진을 촬영하였다.
성능/효과
1) 주기관의 파손된 크랭크 핀 베어링 볼트는 연접봉 볼트보다 늦게 파손된 것으로 추정된다.
2) 본선의 파손된 연접봉 볼트는 충격적인 하중에 의해서 취성파괴된 것이 아니고, 비정상적인 반복하중(예, 체결 볼트의 풀림 등)에 의해서 피로파괴가 되었다는 것을 그 파단면의 모습을 통하여 알 수 있다.
3) 본선의 파손된 연접봉 볼트용 U 너트는 윤활유(고착방지 제)의 부적절한 사용, 각 실린더/연접봉 별로 구분되어 사용되지 않았던 것 등으로 인하여 표면 상태가 불량하게 되었고, 이것은 본선 주기관의 파손된 연접봉 볼트의 파손사고에 영향을 미쳤을 가능성이 있다고 할 수 있다.
4) 또한 본선 좌현 주기관의 연접봉 볼트용 U 너트는 주기관의 운전에 따라 발생하는 진동이나 충격, 운동, 하중의 변화 등의 반복에 의해서 의도하지 않는 상태에서 풀어질 가능성도 배제할 수 없는 것으로 사료된다. ;
5) 본선의 파손된 연접봉 볼트, 크랭크 핀 베어링 볼트의 기계적 성질, 전조공정은 해당 볼트의 설계요건에 적합하다고 할 수 있다.
후속연구
그리고 본 연구의 결과는 본선이나 선박관리자가 향후 이와 유사한 사고의 예방조치 등에 유용하게 사용할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연접봉 볼트용 U 너트 표면 상태 불량이 일어나는 원인은 무엇이 있는가?
1) 여러 차례 U 너트를 분해 조립하는 과정에서 제조자의 취급설명서에 규정5)된 적절한 윤활유(고착 방지제)를 사용하지 않는 경우에 발생하는 표면의 스크래칭 (scratching), 들러붙기(seizure) 등
2) 본선의 U 너트는 그 동안 여러 차례의 분해조립과정에서 주기관의 실린더와 연접봉 별로 구분하여 사용하지 않았고, 이에 따라 U 너트의 표면 상태는 점진적으로 불량하게 되었음
U 너트의 원리와 구조는 어떠한가?
본선에서 사용하는 U 너트는 풀림방지를 위하여 너트에 삽입된 ‘U'자 형의 마찰 링(friction ring)의 강성과 반발력을 이용하는 것으로 그 구조 및 매커니즘은 Figure 2와 같이 마찰 링에 의해서 너트가 나사의 풀림방향으로 미끄러져 풀리는 것을 저지하는 구조이다. 즉 너트를 죄게 되면 마찰 링이 탄성적으로 변형되면서 볼트의 나사산에 일정한 힘으로 접촉하게 되므로 나사산 간의 미끄럼을 방지할 수 있게 된다.
일본해사협회 손상사고 원인 분석에서 다수의 볼트가 파손된 경우 가장 변형이 적은 볼트를 최초 파괴원으로 보는 이유는 무엇인가?
일본해사협회에 등록된 선박들의 손상사고 원인분석 [7][8]에 의하면 운전 중인 디젤기관에서 다수의 볼트가 파손된 경우 ‘가장 변형이 적은 볼트가 최초로 파괴된 것’이라는 보고를 하고 있다. 왜냐하면 최초의 파괴가 발생하기 전까지 모든 부품들은 초기의 형상을 유지하고 있는 데 어느 부품이 최초로 파괴되면 해당 부품은 그 주변이나 접촉부로 인한 구속이 없어지므로 그 형상이 온전하게 유지될 가능성이 높게 되기 때문이다.
참고문헌 (9)
C. Scholey and R. R. Lintell-Smith, A Review of Crack and Fracture Mechanisms, Paper No. 3 Session Lloyd's Register of Shipping, United Kingdom, 1976.
M. Fonte and M. de Freitas, Marine main engine crankshaft failure analysis: A case study, Engineering Failure Analysis, vol. 16, no. 6, pp. 1940-1947, 2009.
J. H. Kim, "A study on failure cause of a Ssade type rudder stock," Proceedings of the 39th Korean Society of Marine Engineering Spring Conference, p. 27, 2015 (in Korean).
J. H. Kim and J. H. Lee, "A study on failure cause of cam shaft of diesel engine," Proceedings of the 38th Korean Society of Marine Engineering Fall Conference, p. 217, 2014 (in Korean).
M. K. Kang, J. H. Lee, and J. H. Kim, "A study on crank arm deflection and fatigue strength," Proceedings of the 38th Korean Society of Marine Engineering Spring Conference, p. 274, 2014 (in Korean).
J. H. Kim, "A case study on the failure of exhaust valves for marine diesel generator engine," 8th International Symposium on Marine Engineering (ISME 2009), p. 79, 2009.
H. Tsugi, Failure Analysis and Safety Measures ( For Nippon Kaiji Kyokai Registered Ships during 50 Years), Tokyo, Japan: Seizando-Shoten Publishing Company, 1999 (in Japanese).
NYK Line Safety & Environmental Management Group, Cases Studies(Ships Engine Trouble), Tokyo, Japan: Seizando-Shoten Publishing Company, 2008 (in Japanese).
R. C. Juvinall and K. M. Marshek, Fundamentals of Machine Component Design, New York, USA: John Wiley & Sons Inc., 2000.
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