Cat fines och motorslitage, Del 1

En ny reglering som träder i kraft i början av 2020 kommer att medföra omfattande förändringar av mängden och tillgången på marina bränslen runt om i världen. För fartygsoperatörer kommer driften av motorerna på ett tillförlitligt och säkert sätt oundvikligen att kräva större förståelse och mer sofistikerade strategier för bränslehantering än idag. Skalan av den kommande utmaningen är fortfarande omöjlig att förutsäga. Men den framgång som fartygsoperatörerna kommer ha för att undvika problem i framtiden kommer till stor del att bygga på de åtgärder de vidtar de kommande månaderna.

Bränslen i flöde

Den 1 januari 2020 kommer den globala sjöfartsindustrin att gå in i den lågsvavliga eran, i vad som kommer vara branschens största reglerande omvälvning sedan MARPOL 73/78-konventionerna och en av de största operativa förändringarna som den någonsin har ställts inför. Från och med den dagen måste all trafik följa IMO:s stränga gränsvärde på 0,50 procent (massa/massa) svavel i bränsle.

Gränsen på 0,50 procent är väsentligt lägre än den nuvarande procentgräns på 3,50 som infördes 2012 med en tilläggsgräns på 0,10 procent i utsläppskontrollområden (ECA). Medan IMO med rätta beskriver den nya gränsen som en seger för miljö och människors hälsa, utgör den en stor huvudvärk för sjöfartssektorn. Tyvärr innebär borttagning av en miljöfara att man inför en mekanisk fara, nämligen CAT fines som är små partiklar som, om de inte fångas upp, kan orsaka kaos för motorer.

Marinbränsleolja har aldrig varit något man har kunnat beskriva som en glamorös substans. Från råolja destillerar och extraherar raffinaderierna högkvalitativa produkter från toppen av destillatkolonnen. Från gaser och bensin till flygbränsle och diesel, och sedan smörjoljor tills det bara finns en tjock svart rest kvar som används för att driva fartyg och göra bitumen. Det är inte särskilt vackert, men det har bokstavligen hjälpt till att skapa den moderna världen.

Problemet med svavel

När motorer bränner fossila bränslen släpper de ut svaveloxider (SOx) som i atmosfären bidrar till en rad hälso- och miljöproblem, såsom luftvägssjukdomar hos människor och djur, och försurning av mark och vatten.

Svavel finns naturligt i all råolja och finns i högre koncentrationer i de högkokande restfraktionerna i destillationsprocessen. Det innebär att bränsleproduktionen från början av 2020 kommer att behöva förändras för att bättre hantera det svavlet och fartygsoperatörerna kommer att möta mer komplexa bränsleval än någonsin tidigare.

Fartyg som kör på flytande naturgas (LNG) kommer inte att ha några problem att uppfylla reglerna, men LNG-fartyg utgör en liten del av den globala flottan och förväntas förbli så i årtionden på grund av höga investeringskostnader och brist på leveransinfrastruktur. Många andra fartyg kommer fortsätta bränna högsvavlig bränsleoljor (HSFO) och förlita sig på skrubberteknik för att rengöra sina avgaser till en godkänd nivå. Men för majoriteten av flottan innebär år 2020 och därefter att man måste välja från ett växande sortiment av svaveldestillat, blandningar och i mindre utsträckning nya bränslen gjorda av vegetabiliska oljor.

2020 förändras allt

Varje ny typ av bränsle kommer att introducera en rad operativa och ekonomiska variabler att överväga. Att undersöka alla dessa variabler är föremål för en separat artikel, men det är värt att notera att variationer i viskositet, smörjning och temperatur har långtgående konsekvenser för säker, pålitlig drift av motorer, pumpar och annan utrustning.

Fokus på CAT fines

Av alla variabler som kommer finns i den lågsvavliga eran är kanske den mest potentiellt skadliga av dem förekomsten av CAT fines. Medan katalysatorrester länge varit ett känt men hanterbart faktum i livet för fraktbranschen kommer den kommande lågsvavliga eran att ge nytt fokus på den som en växande riskfaktor för fartygens motorer och operatörernas budgetar.

Så, vad är de?

Hur bildas CAT fines

Moderna raffinaderier använder först atmosfärs- och vakuumdestillation för att avlägsna de mest flyktiga produkter med högre värde från toppen av destillationskolonnen. Sedan "krackar" de den kvarvarande råoljan i sina olika fraktioner med hjälp av termiska och katalytiska processer. Vid katalytisk krackning läggs fysiska katalysatorer till för att bryta oljemolekylerna.

De katalysatorer som används är olika former av syntetiska kristallina zeoliter, mineralföreningar av aluminium och kisel som är mycket porösa och extremt hårda.

Katalysatorer är dyra, och raffinaderierna återvinner och återanvänder vad de kan. Men vid en viss punkt är det inte längre praktiskt och det finns inte heller ekonomiska incitament för raffinaderiet att försöka ytterligare. CAT fines är de partiklar som lämnas kvar. De blir kvar i bunkerbränslet. Och de pumpas in i dina fartyg.

Sätta bränslestandarder

Specifikationer för marina bränslen fastställs enligt den internationella standarden ISO 8217 som begränsar koncentration av CAT fines i bunkerbränsle. Bränsle som produceras enligt den nuvarande gällande standarden är begränsad till 60 delar per miljon (ppm). Denna gräns är i princip en kompromiss. Om den hade sats lägre skulle det globala utbudet av bunkeroljor inte vara tillräckligt. Men även vid 60 ppm utgör CAT fines ett stort problem för motorer och tillverkare som MAN och Wärtsilä rekommenderar att bränsle som kommer in i motorerna ska ha CAT fines koncentrationer om 15 ppm eller lägre.

CAT fines karaktärer

Fysiskt är CAT fines oregelbundna i formen och varierar i bunkerbränsle från submikronstorlek upp till omkring 100 μm. Ungefär som från storleken av ett dammkorn upp till bredden av ett mänskligt hår. Deras densitet varierar också, men är i allmänhet något högre än för tung eldningsolja (HFO). Större katalysatorrester kommer att lösa sig i oljan, men små partiklar med låga densiteter kommer inte göra det.

Av alla CAT fines fysiska egenskaper är dock hårdheten den mest problematiska för fartygen. CAT fines är extremt hårda, upp till 8,2 på Mohs skala, där diamant är 10, och de kan lätt repa och bäddas in i stålytor.

Skadan de åstadkommer

När CAT fines kommer in i en injektor kan de fastna mellan cylinderfodret och kolvringen, ett mellanrum på 3-5 μm. Varje partikel som är större än det kan orsaka nötning. Vid varje kolvslag, kommer CAT fine att slipas mot de släta ytorna och skapa fler och fler spår över tiden. Bränslepumpar, injektorer, ventiler och andra komponenter är också i fara. Och även de mindre partiklarna kan göra betydande skador.

Det är frestande att döma denna typ av slipskador som normalt mekaniskt slitage över tiden. Och i många fall kan det vara allt det gör. Men CAT fines i höga koncentrationer kan också orsaka akuta, katastrofala skador efter en mycket kort tid.

En rapport som är tillgänglig online beskriver en attack från CAT fines som lamslog en motor efter bara 100 timmars användning. När motorn var isärtagen fann ingenjörerna att "alla kolvar och cylinderfoder var helt förstörda och måste bytas".

Det säger sig självt att skador av detta slag är extremt dyra, med rapporter om claims som sträcker sig från 300 000 till 1,5 miljoner dollar. Detta gör i sin tur att CAT fines inte bara är ett problem för operatörerna, utan också ett stort problem för försäkringsmarknaden.

Ett sovande problem som håller på att vakna till liv

CAT fines är inte ett nytt problem. Katalytisk sprickbildning blev ett utbredd problem under 70-talet då stigande oljepriser tvingade raffinaderier att extrahera mera värdefulla produkter från råoljan. Som ett resultat började de första rapporterna om CAT fines skador flöda på 80-talet. Även om det alltid är en utmaning att få bort CAT fines till sjöss, kommer utrustningen ombord minska föroreningsnivåerna (som vi kommer att diskutera i Del 2 i denna artikel utifrån mogna, välförstådda teknologier.

Tyvärr har denna förtrogenhet lett till en viss grad av självbelåtenhet i branschen. Om, som förväntat, föroreningar av CAT fines blir mer utbredda efter 2020, kan denna självbelåtenhet visa sig extremt kostsam för operatörer som inte uppdaterar sin kunskap och praxis.

En ny artikel i Marine Propulsion borde vara tillräckligt för att skaka om många operatörer och få dem att lyssna på nytt. I artikeln citerades en analys från ExxonMobil av mer än 400 000 oljeprover, vilket visade att 43 % av fartygen har ett potentiellt katastrofalt problem med CAT fines. Även om endast en bråkdel av dessa potentiella problem uppstår är det fortfarande mycket pengar, tid och störningar som står på spel.

Det har också rapporterats att MAN:s PrimeServ-team inom en treårsperiod fann att CAT fines var inblandade i 190 av 226 fall (84 procent) av skador på cylindrar.

Som vi beskrivit ovan är CAT fines en biprodukt av krackning och avlägsning av svavel. Ju mer oljorna är krackade och ju mer svavel som avlägsnas, ju högre grad av CAT fines. Som Paul Hill från Braemar uttryckligen har sagt, "Det är en grundläggande avvägning mellan motorn och miljön. Du kan inte ha både små mängder svavel och CAT fines."

Med OPEC:s World Oil Outlook 2040 prognostiserar de att ytterligare 138 miljoner ton per år kommer krackas mellan 2017-2022 och då kan vi räkna med att betydligt fler CAT fines kommer hamna i världens bunkrar.

Ovanpå problemet med högre nivåer av CAT fines antyder anekdotiska observationer att nya katalysatorer kommer in i produktionen och ger ännu hårdare CAT fines i bränslet. Och som om inte det vore nog så tenderar lågsvavelbränslen också att vara mindre smörjande än tunga oljor, vilket innebär att nötningen förvärras.

En bieffekt av nuvarande svaveltak är att nivåerna av CAT fines och därtill hörande skador har ökat avsevärt. Upptrappningen fram till 2020 kan ta problemet till en helt ny nivå. Lloyds Registers Fuel Oil Bunkering Analysis and Advisory Service (FOBAS) övervakar bunkerkvaliteten i hamnar runt om i världen och utfärdar varningar när problem uppstår. Operatörer bör självklart noga följa dessa och andra rapporter. Viktigt att notera är att CAT fines kan orsaka skador även när bränslet följer ISO 8217.

Allt detta innebär alltså att ett gammalt problem når nya dimensioner. I Del 2 av vår diskussion om CAT finestittar vi på lösningarna och diskuterar hur operatörer kommer behöva ta detta på största allvar eller drabbas av betydande kostnader.