The daily grind – Cat fines and engine wear, Part 1 | Alfa Laval

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La smerigliatura quotidiana: polveri catalitiche e usura del motore, Parte 1

In questo settore, siamo abituati a pensare in grande. Le navi trasportano i prodotti delle fattorie, delle fabbriche e delle miniere del mondo in ogni parte della terra attraverso i porti. Le tempeste, visibili dallo spazio, fanno vacillare i grattacieli: tutto questo succede in una giornata di lavoro. Una delle più grandi sfide affrontate dal settore provengono da alcuni degli elementi più piccoli. La minaccia che pongono al funzionamento sicuro della flotta globale può aggravarsi.

Un nuovo regime normativo, che entrerà in vigore all'inizio del 2020, porterà cambiamenti radicali alla varietà e alla disponibilità di combustibili navali in tutto il mondo. Per gli operatori marittimi, l'impiego dei motori in modo affidabile e sicuro richiederà inevitabilmente più conoscenze e strategie più sofisticate di gestione del combustibile rispetto a oggi. La portata della prossima sfida è tuttora impossibile da prevedere con precisione. Tuttavia, il successo ottenuto dagli operatori navali nell'evitare i problemi dipenderà in gran parte dalle azioni intraprese nei prossimi mesi.

Combustibiliin evoluzione

Il 1° gennaio 2020 il settore navale globale entrerà nell'era a basso tenore di zolfo, con la rivoluzione normativa più radicale del settore dalle convenzioni MARPOL 73/78 e uno dei più importanti cambiamenti operativi mai affrontati. Da quella data, qualsiasi navigazione dovrà rispettare il limite rigoroso dello 0,50% (m/m) per lo zolfo nei carburanti stabilito dall'Organizzazione marittima internazionale (IMO).

Il limite dello 0,50% è notevolmente inferiore all'attuale limite del 3,50% introdotto nel 2012 e si aggiunge al limite dello 0,10% nelle aree ECA. Se, giustamente, secondo l'IMO il nuovo limite è una vittoria per l'ambiente e la salute umana, per il settore navale si configura come un gran grattacapo. Infatti, sfortunatamente, l'eliminazione di un rischio ambientale porta l'insorgere di un problema meccanico: le polveri catalitiche, particelle minuscole che, se non catturate, possono devastare i motori.

L'olio combustibile navale non è mai stato una sostanza attraente. A partire dal petrolio greggio, i raffinatori distillano ed estraggono prodotti di grande valore dall'alto della colonna di distillazione. Dai gas alla benzina, fino al combustibile per aviazione, al diesel, agli oli lubrificanti, fino a ciò che rimane, il residuo nero utilizzato per alimentare le navi e produrre bitume. Non è bello, ma ha davvero contribuito a creare il mondo moderno.

Il problema dello zolfo

Quando i motori bruciano combustibili fossili, rilasciano ossidi di zolfo (SOx) che, nell'atmosfera, contribuiscono a creare una serie di problemi di salute e ambientali, come le malattie respiratorie nelle persone e negli animali, e l'acidificazione del terreno e dell'acqua.

Lo zolfo è presente naturalmente in tutto il petrolio greggio e si trova in concentrazioni più elevate nelle frazioni residue del processo di distillazione con punto di ebollizione più alto. Ciò significa che dall'inizio del 2020, la produzione di combustibile dovrà cambiare per gestire meglio lo zolfo e gli operatori navali dovranno affrontare scelte più complesse in termini di combustibile.

Le navi che utilizzano il gas naturale liquido (GNL) non avranno problemi di conformità, ma sono una piccola parte della flotta globale e si prevede che rimangano tali per decenni, dati gli elevati costi di investimento e la mancanza di infrastrutture di approvvigionamento. Molte altre navi continueranno a bruciare olio combustibile ad alto contenuto di zolfo (HSFO), affidandosi sulla tecnologia di lavaggio per pulire i gas di scarico fino al livello di conformità. La maggior parte della flotta, tuttavia, a partire dal 2020 dovrà scegliere da una gamma crescente di distillati, miscele e, in misura minore, nuovi combustibili derivati da oli vegetali, tutti a basso tenore di zolfo.

2020: anno del cambiamento

Ogni nuovo tipo di combustibile introdurrà una serie di variabili operative ed economiche da considerare. La descrizione di tutte queste variabili è oggetto di un articolo separato, benché valga la pena ricordare in generale che le variazioni di viscosità, lubrificazione e temperatura hanno profonde implicazioni per il funzionamento sicuro e affidabile dei motori, delle pompe e di altre apparecchiature.

Riflettori puntati sulle polveri catalitiche

Tra tutte le variabili dell'era a basso tenore di zolfo, forse la più dannosa potenzialmente è la presenza di polveri catalitiche. Se le polveri catalitiche sono da tempo una condizione della navigazione nota ma gestibile, l'imminente era a basso tenore di zolfo punterà i riflettori su di esse come fattore di rischio crescente per i motori delle navi e i budget degli operatori.

Di cosa si tratta?

Come si formano le polveri catalitiche

Le raffinerie moderne utilizzano innanzitutto la distillazione atmosferica e a vuoto per rimuovere i prodotti più volatili e di maggior valore dall'alto della colonna di distillazione. Quindi, "spaccano" il greggio rimanente in varie frazioni usando processi termici e catalitici. Nel cracking catalitico la raffineria aggiunge catalizzatori fisici per rompere le molecole di petrolio.

I catalizzatori utilizzati sono varie forme di zeoliti cristalline sintetiche, composti minerali di alluminio e silicio altamente porosi ed estremamente duri.

I catalizzatori sono costosi e le raffinerie recuperano e riutilizzano quanto possibile. Per le raffinerie non è più pratico, né conveniente a livello economico, spingersi su questa strada oltre un certo limite. Le polveri catalitiche sono particelle che vengono lasciate indietro. Rimangono nel bunker fuel. Quindi, vengono pompate nelle navi.

Definizione degli standard del combustibile

Le specifiche relative ai combustibili navali sono stabilite dallo standard internazionale ISO 8217 che limita la concentrazione di polveri catalitiche nel bunker fuel. Il combustibile prodotto secondo l'attuale versione dello standard è limitato a 60 parti per milione (ppm). Si tratta di un limite di compromesso: se fosse più basso, non sarebbe più possibile garantire una fornitura globale di bunker fuel. Anche con il limite di 60 ppm, le polveri catalitiche costituiscono un problema serio per i motori, e i produttori, come MAN e Wärtsilä, raccomandano che il combustibile utilizzato nei motori abbia concentrazioni di polveri catalitiche fino a un massimo di 15 ppm.

La natura delle polveri catalitiche

Fisicamente, le polveri catalitiche hanno forma irregolare e, nel bunker fuel, hanno dimensioni varie, da meno di un micron fino a circa 100 μm, in parole semplici dalle dimensioni di un granello di polvere fino alla larghezza di un capello umano. Anche la densità varia, ma in genere è leggermente superiore a quella del combustibile pesante (HFO). Le polveri catalitiche più grandi si depositano nel petrolio, a differenza di quelle piccole con densità basse.

La proprietà fisica delle polveri catalitiche che crea maggiori problemi per le navi è la durezza. Le polveri catalitiche sono estremamente dure, fino a 8,2 sulla scala Mohs, in cui il diamante ha valore 10, e possono facilmente graffiare e integrarsi alle superfici in acciaio.

Idanni provocati

Se le polveri catalitiche passano in un iniettore, possono rimanere intrappolate tra la camicia del cilindro e l'anello del pistone, un vuoto di circa 3-5 μm. Qualsiasi particella più grande può causare abrasioni. A ogni corsa del pistone, la polvere catalitica viene sfregata sulle superfici lisce, scavando solchi che aumentano nel tempo. Pompe del carburante, iniettori, valvole e altri componenti sono a rischio. Anche le particelle più piccole possono causare danni significativi.

Si potrebbe pensare che questo tipo di danno da abrasione sia un normale effetto dell'usura meccanica a lungo termine. In molti casi, ciò potrebbe essere vero. Le elevate concentrazioni di polveri catalitiche, tuttavia, possono anche causare danni acuti e catastrofici in un periodo notevolmente breve.

In un report disponibile online viene descritto un attacco da polveri catalitiche che ha bloccato un motore in appena 100 ore di utilizzo. Quando il motore è stato smontato, i tecnici hanno riscontrato che "tutte le camicie e tutti i pistoni erano stati completamente distrutti e dovevano essere sostituiti".

Va da sé che danni di questa natura siano estremamente costosi, con richieste di risarcimento da 300.000 USD a 1,5 milioni USD. Per questo le polveri catalitiche non sono solo un problema per gli operatori, ma anche una preoccupazione importante per il mercato assicurativo.

Un problema dormiente che si sta svegliando

Le polveri catalitiche non sono un problema nuovo. Il cracking catalitico si diffuse negli anni '70, poiché l'aumento dei prezzi del petrolio costrinse i raffinatori ad estrarre prodotti di maggior valore dal greggio. Di conseguenza, le prime notizie di danni da polveri catalitiche si presentarono negli anni '80. Benché si tratti sempre di rimuovere le polveri catalitiche in mare, l'attrezzatura di bordo per ridurre i livelli di contaminazione (di cui si parlerà nella seconda parte di questo articolo è basata su tecnologie comprovate e ben note.

Purtroppo, questa familiarità ha portato a un grado di compiacenza nel settore. Se, secondo le previsioni, la contaminazione da polveri catalitiche sarà più preponderante dopo il 2020, questa compiacenza potrebbe rivelarsi estremamente costosa per gli operatori che non aggiornano le proprie conoscenze e prassi.

Un recente articolo su Marine Propulsion sarà piuttosto scioccante per molti operatori e risveglierà la loro attenzione. L'articolo cita un'analisi di ExxonMobil di oltre 400.000 campioni di petrolio che rivela come il 43% delle navi abbia un problema potenzialmente catastrofico con le polveri catalitiche. Anche se si verificasse solo una frazione di questi potenziali problemi, i rischi in termini di denaro, tempo e interruzioni sarebbero gravissimi.

Viene anche segnalato che per un periodo di tre anni il team PrimeServ di MAN ha scoperto che le polveri catalitiche erano coinvolte in 190 su 226 casi (84%) di danni alla camicia del cilindro.

Come descritto sopra, le polveri catalitiche sono un sottoprodotto del cracking e della rimozione dello zolfo. Più si sottopone a cracking il petrolio e più si rimuove lo zolfo, più alto sarà il livello delle polveri catalitiche. Come ha sintetizzato Paul Hill di Braemar: "Si tratta di un compromesso fondamentale tra il motore e l'ambiente. Non si possono avere basso tenore di zolfo e poche polveri catalitiche".

Con il World Oil Outlook 2040 dell'OPEC che prevede l'aggiunta di 138 milioni di tonnellate l'anno di capacità di cracking aggiuntiva tra il 2017 e il 2020, abbiamo la certezza che ci sarà un aumento considerevole di polveri catalitiche nei bunker del mondo.

In aggiunta al problema dei livelli più elevati di polveri catalitiche, da osservazioni aneddotiche emerge che i nuovi catalizzatori entrati in produzione produrranno polveri catalitiche ancora più dure che entreranno nel combustibile. Come se ciò non bastasse, i combustibili a basso tenore di zolfo tendono anche ad essere meno lubrificanti degli oli pesanti, con il conseguente aggravamento delle abrasioni.

Un effetto collaterale degli attuali limiti di zolfo è l'incremento notevole dei livelli delle polveri catalitiche e dei danni che ne conseguono. I passi avanti verso la conformità del 2020 porteranno il problema a un livello completamente nuovo. Il servizio Fuel Oil Bunkering Analysis and Advisory Service (FOBAS) di Lloyd's Register monitora la qualità dei bunker nei porti di tutto il mondo ed emette avvisi in caso di problemi. Ovviamente, gli operatori devono prestare la massima attenzione a questi e ad altri rapporti. È tuttavia importante notare che i danni da polveri catalitiche possono verificarsi anche quando il combustibile è completamente conforme a ISO 8217.

Tutti questi aspetti, in conclusione, ingigantiscono un problema di lunga data. Nella seconda parte della nostra discussione sulle polveri catalitiche, esamineremo le soluzioni e vedremo in che modo gli operatori dovranno adeguarsi o affrontare costi significativi.

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