1. 서 론
2023년 국내에 입출항한 선박은 총 742,000여척으로 전년도 368,000여척 대비 증가하였으며, 지난 코로나바이러스감 영증-19(COVID-19) 영향이 있었던 2020년 이후 매년 해상교 통량은 지속해서 증가 추세를 보이고 있다(PORT MIS, 2023). 특히 해상교통량이 많은 부산, 여수, 울산 해역 등은 해상에 서의 위험도가 높은 실정이다(Kim and Chun, 2018). 따라서 사고 등에 신속하게 대응하고 해양경찰청 소속 경비함정의 성공적인 임무 수행을 위해 경비함정의 효율적인 정비와 운용이 요구되고 있다. 경비함정은 함정 정비편람에 따라 해상사고에 대한 신속한 대응 임무 수행을 위하여 기관 유형별 운전시간을 기준으로한 정기수리 등 자체정비 통해 유지관리 되고 있다(KCG Maintenance Manual, 2011).
현재 경비함정이 채택한 선박용 디젤기관은 고출력의 MTU와 Pielstick엔진으로 공기를 빠르게 압축하면 온도가 올라가는 단열압축의 원리를 응용한 것으로 연료유가 갖는 화학적 에너지를 기계적인 일로 전환해주는 내연기관이다(Na and Shin, 2009).
경비함정의 경우 엔진의 부하 변동이 크고 운행 시간 등 이 증가하면서 피스톤-실린더와 같은 왕복운동하는 부품에서 불가피하게 열에 의한 산화 및 연료유 혼입 등으로 윤활유 성능을 저하하는 윤활유 열화가 나타날 수 있다(Sagawa et al., 2002).
열화(Degradation)란 윤활유 사용 중에 성질이 변하면서 성능이 저하되는 것을 의미하며, Fig. 1은 윤활유의 열화 메커니즘을 보여 주고 있다. 열화는 다음과 같은 2가지 형태를 보인다.
첫째 윤활유 자체의 화학변화이다. 이는 내부요인으로 윤활유의 주요 성분인 탄화수소가 열에 의해 산화되면서 활성 산소 연쇄반응에 의해 산화 생성물이 축적되는 과정이다 (Jeon and Kim, 2006). 둘째는 연료유, 수분, 금속 마모분 등이 혼입되는 외부적 요인으로 구분할 수 있다(Ryoo et al., 1999).
엔진에서 고장의 근본요인을 제거하기 위한 효율적인 방법으로 윤활유의 열화 요인을 지속해서 관찰하는 것이 중요하다(Jeon and Kim, 2005). 이를 위해 경비함정에서는 압지시험을 실시하고 있으며, 또한 해경연구센터 의뢰하여 연료혼입 등 을 분석하고 있다. Fig. 2는 사용 윤활유의 연료혼입, 수분, 동 점도 시험 결과를 나타냈다. 최근 3년 총 분석시료 수는 480 여 점으로 약 27.9 %에 해당하는 134점이 기준을 초과하였다.
기준을 초과한 134점 중 열화의 외부요인 중 하나인 연료 혼입 기준초과의 경우가 가장 많은 91점으로 68 %를 차지하였다. 분석항목별 기준값의 경우 엔진개발 전문업체인 MTU사가 제시한 값을 참고로 하여 연료 혼입은 3.0 % 이하, 수분 혼입은 0.2 % 이하, 전알카리값(TBN)은 신유값의 50 % 이상으로 설정하였다(MTU/A Rolls-Roycle solution, Fluids and Lubricants Specifications A001061/40E, 2020).
윤활유 내 기준을 초과하여 수분 함량이 많아지면 부식의 원인이 되고 윤활유의 산화가 가속화 된다. 또한 윤활유에 연료유가 기준을 초과하여 혼입되는 경우 점도가 감소함으로써 접촉경계면에 충분한 유막이 형성되지 않아 실린더와 피스톤 사이 고체 접촉에 의한 마모로 엔진 손상에 따른 정비일 수 증가로 함정 운용에 영향을 줄 수 있다(Jung, 2009).
본 연구에서는 신유와 경비함정의 주기관 사용 윤활유를 사용 시간별로 확보하여 압지시험, 연료유 혼입, 수분 혼입 등 열화 요인 및 영향을 분석함으로써 사용 시간별 윤활유 특성 정보를 확보하고자 하였다.
2. 재료 및 실험방법
2.1 신유 및 사용 윤활유
본 연구에서 경비함정 윤활유의 열화 특성 분석을 위해 1500톤급 경비함정에서 사용하는 선박용 윤활유(SAE30, 단급점도유, GS칼텍스)와 100, 200, 300, 400시간 사용한 윤활유를 사용하였다. 사용된 시료는 Table 1에 나타냈다.
2.2 압지시험 방법
압지시험은 경비함정에서 윤활유 성능저하를 조기에 인지하여 적정한 시기에 교체함에 따라 주기관 및 발전기 손상을 방지하기 위한 간편한 방법이다. Fig. 3은 압지시험 절차를 보여 주고 있다. 먼저 면 또는 셀룰로이스 재질의 지름 11 cm 압지시험지에 윤활유 한두 방울을 떨어뜨린다. 초기 2시간(속성) 경과 연료 혼입 분석이 가능하며 24시간(최종) 경과 후 불순물 및 산화 분석이 가능하다. 중심원이 짙음 정도에 따라 불순물 포함 여부를 확인할 수 있으며 외곽원 선명도에 따라 연료유 혼입 여부를 확인할 수 있다.
2.3 윤활유 열화요인 분석방법
2.3.1 연료혼입 및 수분
연료 혼입량 분석을 위해 기체 크로마토그래피 불꽃이 온검출기(Gas Chromatograph/Flame Ionization Detector)를 사용하였다. GC/FID를 이용한 연료 혼입량 분석법은 TGA 시험 장비를 활용하여 계산하는 방법(Patent 10-0444687, 2002) 등 이 있으며, 본 연구에서는 연료 피크의 면적값을 계산하는 방식을 사용하였다(해양환경공정시험기준, 별표1 제42항). 분석조건은 Table 2와 같다. 또한 수분 함량은 K/F시약에 포함된 요소 이온을 전기분해에 사용된 전기량으로 수분을 구하는 ISO 6296(Karl-fisher method) 시험방법을 이용하여 분석하였다.
2.3.2 열안정성
윤활유의 열적안정성 확인을 위해 분석장비는 열중량분석기(Thermogravimetric analyzer, TGA N-1000)를 사용하였으며, 1회 실험에 10.0 mg 이하의 시료를 사용하였다. 반응온도 구간(30 ~ 500℃)에서 온도 상승 조건은 분당 15℃ 온도 상승 하였다. 이때 분위기 가스는 질소가스를 분당 20 mL로 일정하게 형성하였다. 실험을 통해 열분해 개시온도 및 최대중량감소시 온도를 구하였다.
2.4 윤활유 열화영향 분석방법
2.4.1 동점도 및 유동점, 인화점
동점도는 Cannon Instrument Company, CAV 2000 series의 CANNON 1257 유리제 모세관식 튜브를 이용하여 40℃와 100℃에서 측정하였다(ASTM D 445, 2017). 점도지수는 40℃, 100℃ 동점도로부터 ASTM D2270 Standard에 따라 결과값을 산출하였다.
유동점은 ISL SAS(프랑스)사의 CPP5Gs를 이용하여 측정하였다(ASTM D97, 2022). 4 mL의 시료를 용기에 채운 뒤, 45℃ 로 가온한 후 분당 1℃의 속도로 냉각하면서 시료가 고체상으로 전환되어 유동되지 않는 온도를 유동점으로 측정(3℃ 단위로 측정)하였다. 인화점은 용기에 시료 50 mL를 채운 뒤, TANAKA사의 APM-7장비를 이용하여 클리브렌드 개방법(Cleveland open cup), KS M ISO2592방법에 따라 분석하였다. 시료 온도를 높이면서 점화원인 시험불꽃이 증기를 점화하고 액체 표면 전체로 퍼지면서 인화되는 최저온도를 인화점으로 측정하였다.
2.4.2 산화안정성
산화는 윤활유 열화의 내부요인인 금속에 의해 촉진되고 열에 의해 가속화된다. 산화 과정에 따라 형성되는 물질특성 작용기를 확인하고자 Thermo Mattson사의 FT-IR(60AR)을 이용하였다.
또한 산화안정성 확인을 위한 산화안정도는 Yoshida사의 ISOT-D6을 이용하였으며, KS M 2021방법에 따라 시험하였다. 시험방법은 먼저 시료용기에 가로 3 cm, 세로 3 cm 크기의 강판과 구리판 촉매를 넣고, 250 mL의 시료를 넣은 뒤, 165.5±1.0℃로 온도를 올려 회전막대를 매분(1300±15) 회전으 로 24시간 동안 시료를 밀어내는 방향으로 회전시켜 산화시킨 후, 40℃에서 산화 전·후 동점도로부터 점도비를 측정하였다(KS M 2021, 2016).
3. 결과 및 고찰
3.1 압지시험
중심원에서 중간원으로 번짐 현상 분석을 통해 윤활유의 산화를 예측할 수 있어 현장에서 가장 손쉽게 이용하는(Jeon and Kim, 2006) 윤활유 사용시간별 압지시험 결과를 Fig. 4에 나타냈다. 먼저 압지시험 2시간 지난 후 연료 혼입 여부를 확인한 결과 외각원이 육안으로 확인되어 연료 혼입이 추정되나 윤활유 사용 100시간, 200시간, 300시간, 400시간에서의 외각원의 크기가 1.0 mm 정도로 비슷하여 혼입량의 차이는 확인할 수 없었다.
추가적으로 압지시험 후 24시간이 경과하였을 때 중심원색이 100시간에서는 회색을 보이다 200시간, 300시간, 400시간이 지나면서 어두운 회색을 보여 윤활유에 불순물 등이 포함된 것으로 판단 되지만 베어링 등 마모로 인한 철(Fe), 구리(Cu)등의 포함여부를 확인할 수는 없다.
3.2 열화의 외부 요인 분석 및 영향
세계적 자동차 회사나 엔진개발 전문업체들은 엔진오일 대한 연료유 혼입율 한계치를 실험적 근거에 기반하여 6 ~ 10 % 정도를 제시(Kim and Kim, 2008)하고 있다. 열화의 외부 요인인 연료유 혼입량의 정량적 확인을 위한 윤활유에 연료유가 혼합된 크로마토그램을 Fig. 5에 나타내었다. 연료 혼입량(fuel dilution) 분석 결과 사용 시간 100시간에서 5.1 %, 200 시간에서 9.4 %, 300시간에서는 10.8 %, 400시간에서는 14.0 % 로 사용시간이 늘어날수록 연료 혼입량은 증가하여 200시 간 이후에는 권장 한계치 6.0 %를 초과한 결과를 보였다. 1500톤급 경비함정의 열화 외부 요인인 연료 혼입과 이로 인한 윤활유의 특성 변화는 어떻게 나타나는지에 따른 동점도 및 점도지수의 변화를 분석한 결과를 Fig. 6에 나타냈다.
동점도(kinematic viscosity)는 연료유가 혼입되면서 감소하는 경향을 보였다. 구체적으로는 100℃에서 신유의 동점도는 11.4 mm2/s, 100시간 사용 윤활유는 10.3 mm2/s, 200시간 사용 윤활유는 9.7 mm2/s, 300시간 사용 윤활유의 동점도는 9.2 mm2/s, 400시간 사용 윤활유의 동점도는 8.9 mm2/s로 신유대비 21.9 % 감소하였다. 온도 변화에 따른 점도의 변화율을 의미하는 점도지수(viscosity index)는 윤활유에 연료양이 증가하면서 감소하는 경향을 보였다. 점도지수가 클수록 온도에 따른 점도변화 폭이 작다는 것으로 점도지수가 적당히 높은 윤활유 사용이 요구된다. 또한 윤활유에 기준치 이상의 수분이 혼합되면 유막의 파손을 가져와 엔진의 마모를 일으킬 수 있다(Song et al., 2016). 수분함량은 엔진개발 전문업체인 수분함량에 대한 기준인 MTU사의 Fluid and Lubricants Specifications를 근거로 하였으며, 분석 결과 모두 기준(0.2 % 이하)이내로 유지 되었다.
Table 3은 열화의 외부요인 중 하나인 연료 혼입에 의한 윤활유 특성값인 인화점, 유동점 결과를 보여주고 있다.
인화점의 경우 신유일 때 244℃에서 사용 시간이 100시간 일 때 234℃, 400시간에서는 195℃로 사용 시간이 늘어날수록 인화점은 낮아짐을 확인할 수 있었다.
이러한 경향은 윤활유 사용 시간이 늘어나면서 인화점이 낮은 연료유 혼입량 증가로 판단되며 인화점 결과에서도 경유 혼입을 확인할 수 있었다. 경유의 인화점은 석유제품의 품질기준과 검사방법 및 검사수수료에 관한 고시 별표1에서 40℃ 이상으로 기준을 정하고 있으며 일반적으로 48 ~ 68℃ 범위로 알려져 있다(Lim et al., 2017).
윤활유의 인화점이 낮아질 경우 화재 및 폭발위험성이 증가할 수 있다(Ryoo et al., 1999). 반면 유동점은 윤활유 사용 시간이 늘어나면서 높아지는 경향을 보였다. 신유일 때 -47℃, 윤활유 사용 시간이 100시간일 때 -35℃에서 400시간일 때 -7℃로 높아졌다.
3.3 열화의 내부 요인 분석 및 영향
3.3.1 열안정성
Table 4에 나타낸 바와 같이 열안정을 평가하기 위해 열 분해 개시 온도(initial decomposition temperature, IDT)와 최대 중량 감소시의 온도(temperature of maximum rate of weight loss, Tmax)를 구하였다.
신유의 경우 열분해 개시온도는 123℃였으며, 100시간 사용 윤활유의 열분해 개시온도는 117℃, 400시간 사용 윤활유의 열분해 개시 온도는 111℃로 윤활유 사용 시간이 늘어나면서 연료유 혼입량 증가에 따라 열분해 개시온도는 낮아지고 분해에 대한 지연효과가 감소함에 따라 열안정성에 좋지 않은 결과를 보였다(Kwak and Park, 1999). 또한 최대 중량 감소시 온도의 경우 신유는 423℃, 100시간 사용 윤활유의 경우 412℃, 400시간 사용 윤활유의 경우 401℃로 윤활유 사용 시간이 늘어날수록 낮은 Tmax값을 보여 주었다.
이는 윤활유의 경우 기유로 C18-C33 탄화수소로 구성된 반면 연료유는 C11-C20 탄화수소로 구성되어 있어 분자량이 낮은 연료유가 윤활유에 더 많이 함유 될수록 낮은 최대 중량 감소시 온도를 나타난것으로 추정되며 윤활유에 연료 혼입량이 증가할수록 열안정성은 낮아진다고 판단된다(Ahn et al., 2021).
3.3.2 윤활유 산화
Table 5는 신유와 사용 윤활유의 산화안정도 시험결과를 보여주고 있다.
자세히는 전알카리값(Total Base No., TBN)값은 11.9 ~ 12.3㎎ KOH/g의 범위로 신유값(12.5) 보다 다소 낮아지기는 했지만 기준값(신유의 50% 이상) 이상으로 나타났다. 또한 산화안정도 시험 결과 점도비는 1.0 ~ 1.2의 범위였으며, 전산가 (Total Acid No., TAN)의 변화는 0.3 ~ 0.4 ㎎ KOH/g 범위를 보 였다.
이는 함정용 윤활유(신유)규격인 점도비 1.5 이하, 전산가 증가 1.6 이하를 만족하는 결과이다. 윤활유의 경우 산화방 지제 등 첨가제가 들어 있어 산화에 안정하지만, 연료유는 산화안정제를 넣지 않아 윤활유에 비해 산화에 취약한 것으로 알려져 있다(Lim et al., 2017). 연료 혼합율이 14.0 %였던 400시간 사용 윤활유의 경우 점도비 및 전산가 변화가 크지 않아 산화에 영향을 미치는 연료 혼합율에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
1500톤급 함정의 신유와 100시간, 400시간 사용 윤활유의 FT-IR 분석 결과를 Fig. 7에 나타냈다.
윤활유가 열에 의해 산화 및 수분 함유에 따른 산화가 촉진 된다면 산화지표 관능기인 1720 cm-1과 1630 cm-1 근처에서 카르보닐기(carbonyl group)와 1155 cm-1 근처에서 에테르기(C-O) 피크가 나타난다(Patent 10-1566499, 2015). 이를 확인하기 위해 FT-IR 분석을 실시하였다. 2800 ~ 3000cm-1 사이에서 C-H stretching이 나타났으며, 1350 ~ 1500 cm-1 사이에서 C-H scissoring이 나타났을 뿐 산화로 의심될만한 다른 결합구조를 가진 물질은 검출되지 않았다(Kim et al., 2004).
4. 결 론
본 연구에서 1500톤급 경비함정 대상으로 윤활유 사용 시간별 열화 분석 결과는 다음과 같다. 압지시험결과 열화의 외부요인인 연료유 혼입을 정성적으로 확인할 수 있었으며, 중심원과 중간원의 경계가 모호하여 산화 여부는 확인 할 수 없었다.
열화의 외부요인 분석결과 사용 시간이 늘어날수록 연료 유 혼입율도 5.1 %에서 14.0 %로 증가하였다. 이는 동점도에 영향을 주게 되고 이로 인해 유막형성 불량 및 엔진마모로 이어질수 있어 주기적인 성능검사를 통해 윤활유 상태를 점검하고 적시 교체를 통해 적절히 관리되어야 한다.
열화의 내부요인인 열 영향 및 수분 혼입에 의한 산화 촉진 등 윤활유 산화 여부를 분석하기 위해 전알카리값과 산화안정도 등을 분석하였다. 분석결과 윤활유 사용시간이 늘어나면서 열 및 수분 혼입에 의한 윤활유의 산화는 확인할 수 없었다. 향후 다른 경비함정 대상으로한 열화특성 분석과 금속분 함량 등 분석을 통해 베어링 등 마모 관찰 연구가 추가적으로 필요하다.
