문제 – 캣파인과 엔진 마모, 1부

2020년 초에 발효되는 새로운 규제 체제는 전 세계 선박용 연료의 다양성과 가용성에 획기적인 변화를 가져올 것입니다. 선박 운영자들이 엔진을 신뢰성 있고 안전하게 운전하려면 필연적으로 현재보다 더 많은 지식과 정교한 연료 처리 전략이 필요합니다. 향후 직면할 문제의 규모는 지금도 정확하게 예측하는 것이 불가능합니다. 하지만 선박 운영자들이 문제를 방지하는 데 성공하는 것은 대체로 향후 몇 달 동안 그들이 취할 조치에 달려 있습니다.

유동하는연료

2020년 1 월 1일, 세계 해운 업계는 MARPOL 73/78 협약 이후 산업계에서 가장 큰 규제상의 변동, 지금까지 직면한 가장 큰 운영상의 변화 중 하나가 될 저유황 시대로 접어들 것입니다. 이 날부터 모든 해운은 국제해사기구(IMO)의 엄격한 0.50%(m/m) 연료 유황 한도를 준수해야 합니다.

0.50퍼센트 한도는 2012년에 도입된 현재의 3.50퍼센트 한도보다 상당히 낮은 수준이며 배출제한구역(ECA)의 0.10퍼센트 한도에 추가됩니다. IMO는 새로운 한도를 환경 및 인체 건강을 위한 하나의 성취로서 정확하게 설명하지만 해운 업계로선 주요한 골칫거리가 되고 있습니다. 왜냐하면 유감스럽게도 환경적 위험을 제거하는 것은 기계적인 위험, 즉 포집되지 않을 경우 엔진을 손상시킬 수 있는 작은 입자인 캣파인의 발생을 의미하기 때문입니다.

선박용 연료유는 결코 매력적인 물질로 묘사된 적이 없습니다. 정유사는 원유를 정제해서 증류탑 상단에서 고부가가치 제품을 추출합니다. 가스와 가솔린에서부터 항공 연료와 디젤을 거쳐 윤활유가 남을 때까지 거른 후에 남은 걸죽하고 검은 잔류물이 선박의 연료로 그리고 역청을 만드는 데 사용됩니다. 아름답지는 않지만 이것이야말로 현대 세계의 창조를 뒷받침했습니다.

유황 문제

엔진이 화석 연료를 태우면 대기 중 황산화물(SOx)을 배출하여 사람과 동물의 호흡기 질환, 토양 및 수분 산성화와 같은 다양한 건강 및 환경 문제를 야기합니다.

유황은 모든 원유에서 자연적으로 발생하며 증류 공정의 최고 비등점 잔류 분율에서 더 높은 농도로 발견됩니다. 이것은 2020년 초부터 유황을 보다 잘 처리하기 위해 연료 생산 과정을 변경해야 하며 선박 운영자는 이전보다 더 복잡한 연료 선택에 직면하게 된다는 점을 의미합니다.

액체천연가스(LNG)를 사용하는 선박은 규제를 준수하는 데 아무런 문제가 없지만 LNG 선은 세계 선단에서 차지하는 비율이 미미하며 높은 투자 비용과 공급 인프라 부족으로 수십 년 동안 그러한 상태로 유지될 것으로 예상됩니다. 다른 많은 선박은 세정기(scrubber) 기술을 사용하여 고유황 연료유(HSFO)를 계속 태우면서도 규정치를 준수하게 될 것입니다. 하지만 대부분의 선박의 경우, 2020년 이후에는점증하는 저유황 증류유, 혼합유 그리고 그보다는 적지만 식물성 오일로 만든 새로운 연료 중에서 선택해야 합니다.

2020년에 모든 것이 바뀐다

각 새로운 유형의 연료는 다양한 운영 및 경제 변수를 고려해야 합니다. 점성, 윤활성 및 온도의 변화는 엔진, 펌프 및 기타 장비의 안전하고 신뢰할 수있는 작동에 중대한 영향을 미친다는 점을 아는 것도 중요하지만 모든 변수를 탐구하려면 또 다른 지면이 필요합니다.

캣파인의 쟁점

그러나 저유황 시대에 존재하는 모든 변수 중에서 아마도 가장 큰 잠재적 피해는 캣파인으로부터 기인할 것입니다. 캣파인은 오랫동안 선박 수명이라는 점에서 알려진 하지만 관리 가능한 사실이었지만 다가오는 저유황 시대를 맞이하여 선박의 엔진과 운영사 예산이라는 점에서 점증하는 위험 요소로 다시 주목을 받고 있습니다.

그러면 캣파인이란 무엇인가?

캣파인형성과정

현대의 정제소는 먼저 대기압 및 진공 증류를 사용하여 증류탑 상단에서 가장 휘발성이 높고 가치가 높은 제품을 추출합니다. 그런 다음 열 및 촉매 공정을 사용하여 잔류유를 다양한 비율로 "분해"합니다. 촉매 분해에서, 정제기는 오일 분자를 파괴하는 물리적 촉매를 첨가합니다.

사용되는 촉매는 매우 다공성이며 단단한 알루미늄 및 규소의 광물 화합물인 합성 제올라이트 결정의 다양한 형태입니다.

촉매는 고가이기 때문에 정제소는 회수하여 재사용 할 수 있습니다. 그러나 특정 시점을 넘어서면 정유 공장의 이러한 노력은 더 이상 실용적이지 않게 되며 경제적 혜택도 사라지게 됩니다. 캣파인은 이러한 과정에서 남게 되는 입자입니다. 이들은 벙커유에 잔류합니다. 그리고 선박으로 주입됩니다.

연료 기준 설정

선박용 연료 사양은 벙커 연료의 캣파인 농도를 제한하는 국제 표준인 ISO 8217에 의해 설정됩니다. 현재 표준 버전하에서 생산되는 연료는 60ppm(parts per million)으로 제한됩니다. 이 한도는 근본적으로 타협의 산물인데 더 낮게 설정하면 벙커 오일의 글로벌 공급이 더 이상 보장 될 수 없기 때문입니다. 그러나 60ppm에서도 캣파인은 엔진에 큰 문제를 야기합니다. MAN 및 Wärtsilä와 같은 제조업체는 엔진에 들어가는 연료 캣파인의 농도를 15ppm 이하로 권장합니다.

캣파인의특성

물리적으로 캣파인은 모양이 불규칙하며 벙커 연료에서는 약 1~100μm까지 다양한데, 대충 먼지의 크기에서 사람의 머리카락 두께까지라고 볼 수 있습니다. 밀도 또한 다양하지만 일반적으로 중연료유(HFO)보다 약간 높습니다. 큰 캣파인은 연료유에서 침전되지만 밀도가 낮은 작은 입자는 그렇지 않습니다.

모든 캣파인의 물리적 특성 중 가장 문제가 되는 것은 경도입니다. 캣파인은 극도로 단단하여 모스(Mohs) 척도로 최대 8.2까지 될 수 있기 때문에(다이아몬드는 10) 철제 표면에 쉽게 스크래치를 내고 거기에 박힐 수 있습니다.

캣파인손상

캣파인이 인젝터를 통과할 때 실린더 라이닝과 피스톤 링 사이에 있는 약 3-5μm의 유격에 갇히게 됩니다. 그 유격보다 입자가 크면 마모가 발생할 수 있습니다. 피스톤의 모든 행정에서 캣파인은 매끄러운 표면을 가로질러 연마되면서 시간이 지남에 따라 줄무늬 홈을 형성하게 됩니다. 연료 펌프, 인젝터, 밸브 및 기타 구성 요소도 위험합니다. 더 작은 입자조차도 심각한 손상을 입힐 수 있습니다.

이러한 종류의 마모 손상을 정상적으로 장기에 걸쳐 발생하는 기계 마모로 생각할 수 있습니다. 그리고 많은 경우에 그것이 전부일지도 모른다. 그러나 고농도의 캣파인은 매우 짧은 기간에 급격하고 재앙적인 손상을 일으킬 수 있습니다.

온라인에서 제공되는 한 보고서는 단 100시간 만에 엔진을 고장 낸 캣파인 공격에 대해 설명합니다. 엔진을 분해하고 엔지니어들은 "모든 피스톤과 라이나가 완전히 파괴되어 교체해야 하다"는 사실을 알게 되었습니다.

이러한 성격의 손상에는 극도로 높은 비용이 발생하여 청구액이 30~150만 달러에 달할 것이라는 점은 말할 것도 없습니다. 결국 캣파인은 운영사에 문제가 될뿐만 아니라 보험 시장에서도 주요 관심사가 되고 있습니다.

드러나는 숨겨진 문제

캣파인은 새로운 문제가 아닙니다. 유가 상승으로 정유사는 더 많은 가치 있는 제품을 원유에서 추출해야했기 때문에 촉매 분해는 1970년대에 널리 활용되었습니다. 그 결과 1980년대에 캣파인 손상에 관한 최초의 보고가 나오기 시작했습니다.. 해상에서 캣파인을 제거하는 것은 항상 어려운 일이지만 오염 수준을 낮추기 위한 선상의 설비는(이에 대해선 2부에서 논의) 성숙하고 잘 이해된 기술을 바탕으로 합니다.

불행하게도 이러한 친숙함 때문에 산업계에 어느 정도의 안일함이 발생하고 있습니다. 만약 예상대로 캣파인 오염이 2020년 이후 더 광범위하게 된다면 이러한 안일함은 스스로의 지식과 실무 방식을 개선하지 않는 운영자들에게는 매우 값비싼 결과를 초래할 것입니다.

"선박 추진"에 게재된한 기사는많은 운영자들에게 경각심을 일깨우기에 충분히 충격적이었습니다. 이 기사는 400,000건 이상의 오일 샘플을 ExxonMobil이 분석한 결과를 인용하고 있는데 그에 따르면 43%의 선박이 캣파인으로 심각한 위험에 처해 있는 것으로 밝혀졌습니다. 그러한 잠재적인 문제의 작은 부분만 발생하더라도 여전히 심각한 금전적, 시간적 피해가 발생할 것입니다.

또한 3년에 걸쳐 MAN’s PrimeServ 팀이 실린더 라이너 손상 사례 226건 중 190건에서(84%) 캣파인이 원인이 되었다는 점을 확인한 것으로 보고되고 있습니다.

앞서 설명한 바와 같이 캣파인은 분해 및 유황 제거 공정의 부산물입니다 오일이 더 분해되고 유황이 제거될수록 캣파인 수준은 더 높아집니다. Braemar의 Paul Hill이 간략하게 표현하듯이 , “이것은 엔진과 환경 간의 근본적인 균형입니다. 낮은 유황 수준과 낮은 캣파인을 동시에 달성할 수는 없습니다."

OPEC의 세계 석유 전망 2040이 .2017년과 2020년 사이에 1억 3800만 톤의 전통적인 분해 용량이 추가될 것으로 전망함에 따라 전 세계 벙커유로 유입되는 캣파인도 상당히 증가할 것이 분명합니다.

더 높아지는 캣파인 수준에 더해서 몇몇 사례는 새로운 촉매가 생산에 활용되면서 훨씬 더 단단한 캣파인이 연료유로 유입되고 있다는 점을 암시하고 있습니다. 그리고 이것이 충분히 심각하지 않더라도 저유황 연료는 중연료유보다 윤활 능력이 낮기 때문에 마모 작용이 심각해질 수 있는 것입니다.

현행 유황 한도의 부작용은캣파인 수준 그리고 그와 관련된 손상이 상당히 높아질 수 있다는 점입니다.. 2020년까지 규제 준수 수준을 높이면 문제 전체가 새로운 차원으로 악화될 수 있습니다. Lloyd 선급의 연료유 벙커링 분석 및 권고 서비스(FOBAS)는 전 세계 항구에서 벙커유의 품질을 감시하고 문제가 발생할 경우 경보를 발령합니다. 물론 운영자는 이들 보고서와 기타 보고서에 면밀한 주의를 기울여야 합니다. 하지만 캣파인손상이 연료가 ISO 8217을 완전하게 준수하더라도 발생할 수 있다는 점을 아는 것이t 중요합니다.

이 모든 사실은 결국 오래된 문제가 새로운 양상을 띨 뿐이라는 것을 뜻합니다. 캣파인 논의의 2부에서 우리는 솔루션을 살펴보고 운영자들이 상황을 발전시킬 수 있는 방법을, 아니면 심각한 비용이 발생하게 되는 방식을 논의할 것입니다.