Характеристика и классификация дефектов судна

УДК 629.004.67

К93

Курников, А.С.

Технология судоремонта : курс лекций / А.С. Курников, В.А. Орехво, С.Ю. Ефремов. – Н. Новгород : Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2008. – 240 с.

Проанализированы причины образования дефектов корпуса судна и судовых технических средств. Даны методы их обнаружения. Приведены общие принципы технологии судоремонта с применением передовых ме- тодов.

Для студентов IV курса специальностей 180101 «Кораблестроение» и

180403 «Эксплуатация судовых энергетических установок».

Участие авторов: Ефремов С.Ю., Курников А.С. – глава I;

Курников А.С. – глава II;

Орехво В.А. – главы III и IV.

Работа рекомендована к изданию кафедрой технологии конструкци- онных материалов и машиноремонта (протокол № 9 от 27.05.2008 г.).

© ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2008

ВВЕДЕНИЕ

Ничто в этом мире не вечно

Козьма Прутков

Основой эффективной работы речного транспорта по обеспечению перевозок народнохозяйственных грузов и пассажиров является хорошее техническое состояние судов, поддерживаемое правильной эксплуатацией

– своевременным проведением технического обслуживания и качествен- ным ремонтом при передовых методах труда.

Следует отметить, что на техническое обслуживание и ремонт затра- чивается более 20% всех эксплуатационных расходов. Для обслуживания флота существует более 100 различных судоремонтных предприятий и около 200 портов, к которым приписан речной флот.

К сожалению, технический уровень судоремонтных предприятий зна- чительно ниже машиноремонтных заводов. Вопрос усложняется и целым рядом особенностей судоремонта.

1. Объекты ремонта – многономенклатурные, с низким уровнем мо- дификации.

2. Ремонтные цеха и заводы удалены от судов.

3. Основные работы выполняются на судне и на открытых площадках.

Все это ставит перед Министерством транспорта сложные задачи по индустриализации ремонтного производства.

В курсе лекций изложены вопросы современной технологии судоре- монта. Рассмотрены причины образования и методы обнаружения дефектов судовых технических средств и корпуса судна, способы восстановления и повышения срока службы судна в целом. Приведены общие принципы ре- монта судов на предприятии, а также подробная технология ремонта корпу- са судна, главных двигателей, валопроводов, котлов, судовых устройств и трубопроводов с применением передовых методов ремонта.

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СУДНА И ОРГАНИЗАЦИЯ СУДОРЕМОНТА

Характеристика и классификация дефектов судна

В процессе эксплуатации судна и его элементов возникают дефекты, количество, размер, характер и место расположения которых определяют техническое состояние элементов и судна в целом.

Под дефектомпонимается каждое отдельное несоответствие продук- ции установленным требованиям.

Дефекты классифицируются по расположению, конфигурации и при- чинам возникновения.

По расположениюдефекты подразделяются на поверхностные, под- поверхностные и внутренние. Поверхностными являются такие дефекты, которые располагаются или имеют раскрытие на поверхности детали. Де- фекты, залегающие на глубине не более 2 мм, называются подповерхно- стными, а залегающие на большей глубине – внутренними.

По конфигурациидефекты бывают объемные и плоские. К объем- ным относятся дефекты, размеры которых по трем взаимно перпендику- лярным осям соразмеримы. Это газовые или шлаковые включения, неко- торые виды непроваров. У плоских дефектов один из размеров значитель- но меньше, чем два других. Такими дефектами являются трещины, тонкие непровары, отслоения, риски, задиры, наработки на рабочих поверхностях деталей механизмов и т.д.

По причинам возникновениядефекты подразделяются на конструк- тивные, производственные и эксплуатационные. В свою очередь, эксплуа- тационные дефекты можно подразделить на дефекты, возникающие от нарушения правил эксплуатации, эксплуатационные отложения и дефекты от физического изнашивания и разрушений.

Эксплуатационные дефекты (повышенные износы и повреждения) возникают при нарушении правил эксплуатации (правил технической эксплуатации и правил судовождения). Повреждения корпуса судна, гребных винтов и рулевых устройств зачастую возникают также от тяже- лых навигационных условий (штормовая погода, ледовая обстановка).

Эксплуатационные отложения образовываются в процессе эксплуа- тации, когда корпус судна находится в воде, богатой солями и морскими организмами; внутренние поверхности котлов, трубопроводов, теплооб- менных аппаратов, полостей охлаждения двигателей соприкасаются с во- дой и конденсатом, содержащими соли; через системы и охладители про- качивается масло, содержащее примеси, и т.д.

Эксплуатационные отложения необходимо периодически удалять, так как они ведут к снижению эксплуатационных характеристик и изменению условий работы механизмов. Обрастание подводной части корпуса судна, например, ведет к снижению его скорости, отложение солей в охлаждаю- щих полостях механизмов – к изменению теплового режима работы, по- явлению ускоренных износов. В связи с этим эксплуатационные отложе- ния могут быть допущены только в тех случаях, когда они не вызывают существенных отклонений эксплуатационных характеристик механизмов, устройств и судна в целом от построечных. Пределы допустимых значе- ний отложений устанавливают во время эксплуатации судна и его меха- низмов путем наблюдения за изменением эксплуатационных характери- стик. Часть эксплуатационных отложений периодически устраняют во время эксплуатации судна (осадки в фильтрах, отложения в полостях ох- лаждения механизмов), часть – во время ремонтов (обрастание подводной части корпуса судна).

Детали технических средств и элементов корпуса судна подвержены действию различного вида механического, абразивного и коррозионно- механического изнашиваний, а также коррозионному и усталостному раз- рушениям. Материал деталей, работающих в условиях высоких темпера- тур, под действием внешних нагрузок подвергается ползучести (медлен- ному нарастанию пластической деформации).

Изнашивание– это процесс разрушения и отделения материала с по- верхности твердого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении, проявляющейся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела. Результат изнашивания, определяемый в установленных еди- ницах (длины, объема, массы), называется износом.

Различают два вида износов – материальный (физический), приводя- щий к изменению формы, свойств, характеристик деталей, узлов и эле- ментов судов, и моральный, обусловленный научно-техническим прогрес- сом на речном транспорте и в отраслях, строящих флот. Оба вида износов (и физический, и моральный) приводят к тому, что стоимость судов уменьшается. Материальный и моральный износы бывают первого и вто- рого родов.

Материальный износ первого рода (иначе его называют износом от употребления) является следствием эксплуатации судна, когда в результа- те процессов трения изменяются геометрические формы деталей. В ре- зультате знакопеременных нагрузок возникают усталостные напряжения, из-за воздействия активных веществ (например, паров нефтепродуктов в танках танкеров) происходит коррозионное разрушение и т.п.

Материальный износ второго рода (иначе его называют износом от неупотребления) является следствием того, что суда не эксплуатируются, а подвергаются воздействию внешней среды. Коррозионные разрушения обшивки происходят и во время зимнего отстоя судов. Аналогичные про-

цессы протекают с деталями машин и механизмов (если они не законсер- вированы), трубопроводами, краской и пр.

Моральный износ первого рода обусловлен тем, что в результате вне- дрения на заводах, строящих суда, новой техники повышается производи- тельность труда на этих предприятиях, благодаря чему точно такое же судно строится с меньшими общественно необходимыми затратами труда, чем прежде, а следовательно, и стоимость постройки судна снижается. Поэтому ранее построенные суда, имеющие большую строительную стоимость, подвергаются моральному износу первого рода.

Моральный износ второго рода обусловлен тем, что на речном транспорте появляются новые суда того же назначения, что и старые, но с лучшими технико-экономическими характеристиками и, следователь- но, более производительные. В результате перевозка единицы продук- ции на таких судах обходится дешевле, чем на ранее выпускавшихся судах того же назначения. В этом случае старые суда подвергаются мо- ральному износу второго рода. Классификация видов износов представ- лена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Виды износов судов

Интенсивность материального (физического) изнашивания зависит от внешних и внутренних факторов. К первым относятся значение и харак- тер нагрузки, наличие и качество смазочного материала, температурные условия, режим трения, характер образующихся на поверхности защит- ных окисных пленок; ко вторым – твердость, предел упругости, теплофи- зические характеристики, химическая стойкость, характеристики структу- ры материала, способность адсорбировать смазочный материал и т.д.

В зависимости от количества внешних и внутренних факторов в мате- риалах возникают сложные явления, сочетание которых определяет вид изнашивания (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Виды изнашивания

Механическое изнашивание– это изнашивание в результате меха- нических воздействий.

Абразивное изнашивание – это механическое изнашивание материала в результате, в основном, режущего или царапающего действия на него твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии. Из всех видов изнашивания наиболее распространено абразивное. Приме- ром может быть изнашивание втулок цилиндров и поршней двигателей, дейдвудных подшипников и др.

Изнашивание при заедании – это механическое изнашивание в резуль- тате схватывания, глубинного вырывания материала и переноса его с од- ной поверхности трения на другую, а также воздействия возникающих неровностей на сопряженную поверхность; встречается на контактной поверхности зубьев тяжело нагруженных зубчатых передач при «срывах» в режиме смазки.

Усталостное изнашивание – механическое изнашивание в результате ус- талостного разрушения под действием повторно-переменных напряжений. Свойство материала противостоять усталости называют выносливостью. Пример – шарики и ролики подшипников качения, зубья зубчатых передач, растрескивание и выкрашивание антифрикционного материала подшипников скольжения.

Изнашивание при фреттинге – это механическое изнашивание со- прикасающихся тел при малых колебательных относительных перемеще- ниях; встречается на посадочных поверхностях вкладышей рамовых под- шипников тяжелонагруженных двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Эрозионное изнашивание – это механическое изнашивание в результате воздействия потока жидкости и (или) газа: ему подвергаются гребные вин- ты, рабочие колеса центробежных и осевых насосов, наружные и внутрен- ние поверхности нагрева паровых водотрубных котлов, лопатки паровых и газовых турбин и др. Различают гидроэрозионное и газоэрозионное изнаши- вание – соответственно эрозионное изнашивание в результате воздействия потока жидкости или газа.

Кавитационное изнашивание – гидроэрозионное изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости с явлением кавитации. Пример – лопасти гребных винтов и рабочих колес насосов.

Гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание – это результат дей- ствия твердых частиц, взвешенных в жидкости (газе) и перемещающихся относительно изнашивающегося тела. Наблюдается в трубопроводах, у кромок лопаток газовых турбин и т.п.

Электроэрозионное изнашивание – это эрозионное изнашивание по- верхности в результате воздействия разрядов при прохождении электри- ческого тока; отмечается на электроконтактах.

Коррозионно-механическое изнашивание– это изнашивание в ре- зультате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрическим взаимодействием материала со средой; характерно для шеек вала насосов, работающих в морской воде.

Окислительное изнашивание – это коррозионно-механическое изнаши- вание, при котором основное влияние на изнашивание имеет химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой.

Изнашивание при фреттинг-коррозии – это коррозионно-механичес- кое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных отно- сительных перемещениях, вызванных вибрациями, возвратно- поступательным перемещением, периодическим изгибом или скручивани- ем и т.п. Наличие проскальзывания между сопряженными поверхностя- ми – необходимое условие возникновения фреттинг-коррозии. При фрет- тинг-коррозии значительно ухудшается качество поверхностных слоев (повышенная шероховатость, каверны, подповерхностные микротрещи- ны), что приводит к существенному снижению усталостной прочности деталей. Чаще всего фреттинг-коррозия развивается при прессовых по- садках на вращающихся валах, в шлицевых, шпоночных, болтовых, вин- товых и заклепочных соединениях.

В процессе изнашивания все перечисленные явления происходят час- то одновременно, но одно из них обычно является ведущим, определяю- щим износ, остальные ему сопутствуют.

Рядом исследований установлено существование в узлах трения машин и механизмов явления водородного изнашивания, представляющего собой цепь физико-химических процессов, осуществление которых обусловлено трением: выделение водорода из смазки или твердого тела, переход его на стальное контртело и разрушение поверхностного слоя стали.

Как установлено исследованиями, все процессы изнашивания проте- кают аналогично. Графически они могут быть изображены так называе- мой типовой кривой изнашивания, приведенной на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Типовая кривая изнашивания: 0 – t1– приработка;

t1–t2– установившийся режим;

t2–t – катастрофический износ;

W – износ; V – скорость изнашивания;

t – время эксплуатации; Wпред.– вели- чина предельного износа, по достиже- нии которого необходимо прекратить эксплуатацию детали или

механизма в целом

В процессе приработки поверхностей трения имеет место, как прави- ло, более интенсивное изнашивание трущихся поверхностей и повышен- ное тепловыделение, сопровождающееся некоторым изменением физико- механических свойств поверхностных слоев материала и микрогеометрии поверхностей.

После приработки наступает период установившегося изнашивания, характеризующийся минимальной интенсивностью для заданных условий трения. Далее наступает период катастрофического износа или период аварийной эксплуатации, так как в любой момент времени может про- изойти поломка детали или механизма.

Коррозионное разрушение.Коррозией металла называется самопро- извольное его разрушение вследствие физико-химического взаимодейст- вия с окружающей средой. Различают химическую и электрохимическую коррозии, а также биокоррозию.

При химической коррозии окисление металла и восстановление окис- лительного компонента происходят одновременно и с одинаковыми ско- ростями.

Электрохимическая коррозия возникает в электролитической токо- проводящей среде. Окисление металла и восстановление окислительного компонента происходят с разными скоростями, которые зависят от элек- тродного потенциала металла.

При химической коррозии воздействующей внешней средой являются воздух, газы и жидкие вещества, не проводящие электрического тока, на- пример, окисление металла на сухом воздухе – это химическая коррозия. В паровых котлах на поверхностях нагрева, паровых коллекторах, арматуре возможна химическая коррозия в результате взаимодействия металличе- ской поверхности с перегретым паром или газом высокой температуры.

Для судовых условий распространенной причиной химического кор- розионного разрушения являются газовая, ванадиевая и сернистая корро-

зии, которым подвержены ответственные детали и узлы механизмов и устройств (детали ДВС, газотурбинных двигателей и паровых котлов).

Ванадиевая и сернистая коррозии замечены при использовании тяже- лых сортов топлива, содержащего ванадий и серу. Для борьбы с ванадие- вой коррозией в настоящее время применяют топлива, содержащие мини- мально-возможное количество серы и ванадия и специальные присадки. Известно, например, что эффективно снижает ванадиевую коррозию до- бавление в топливо окиси магния MgO и сернокислого магния MgSO4.

Поверхности судна и трубопроводов, омываемые морской водой, мас-

лом и т.д., подвергаются электрохимической коррозии. При этом воздей- ствующей средой являются электролиты (растворы солей, кислот и щело- чей), металл переходит в раствор (например, разрушение листов наруж- ной обшивки в подводной части корпуса судна).

Поверхности судовых конструкций, трубопроводов и механизмов, омываемые морской водой, могут подвергаться действию биокоррозии, возникающей под влиянием продуктов жизнедеятельности макро- и мик- роорганизмов, находящихся на этих поверхностях.

По характеру распространения коррозию подразделяют на равномер- ную, местную и межкристаллитную.

Местная коррозия наиболее опасна, так как приводит к усиленному местному утонению и образованию свищей.

При межкристаллитной коррозии разрушению подвергаются границы между зернами металла и отдельными кристаллами, вследствие чего сце- пление между ними нарушается, образуются межкристаллитные трещины и металл теряет механическую прочность. Частным случаем межкристал- литной коррозии является так называемая щелочная (или каустическая) хрупкость, возникающая в котлах при неправильной водообработке в мес- тах неплотностей заклепочных соединений и развальцовок.

При одновременном воздействии на металл коррозионной среды, вы- зывающей процесс электрохимической коррозии, и статически приложен- ных внешних или внутренних сил возникает коррозионное растрескива- ние металла. Примером коррозионного растрескивания может служить разрушение стальных гребных винтов, турбинных лопаток, трубопрово- дов соленой забортной воды, изготовленных из нескольких сплавов, и т.д.

Усталостное разрушение.Усталостью металла называется процесс постепенного накопления повреждения под действием повторно- переменных напряжений, приводящих к уменьшению долговечности ма- териала, образованию трещин и его разрушению. При одновременном воздействии циклических растягивающих напряжений и коррозионной среды возникает коррозионная усталость. Свойство материала противо- стоять усталости называется выносливостью.

При эксплуатации судов часто приходится встречаться с усталостным разрушением, которое трудно обнаружить. Это обстоятельство делает усталостное разрушение особенно опасным. В настоящее время усталост- ное разрушение практически может быть выявлено неразрушающими ме- тодами дефектоскопии только при макроразмерах разрушений. Более ранняя диагностика возможна лишь методами металлографии.

В условиях дефектации усталостное разрушение (при раскрытии тре- щины на поверхности не менее чем на 0,003…0,005 мм) может быть об- наружено при визуальном осмотре детали, магнитными или капиллярны- ми методами дефектоскопии.

Для отдельных судовых узлов и деталей характерна термическая ус- талость – разрушение материалов в результате часто повторяющихся тем- пературных градиентов и затрудненности температурного расширения деталей. Сопротивление термической усталости зависит главным образом от коэффициента термического расширения, теплопроводности и сопро- тивления материала переменной деформации.

Ползучесть металлов.Ползучестью называется процесс изменения во времени деформаций и напряжений, возникающих в элементе (детали) под действием внешних нагрузок. Для каждого металла ползучесть возни- кает при определенной температуре. Скорость ползучести находится в прямой зависимости от температуры и напряжений. Изменение деформа- ции детали при ползучести принято называть последствием, а изменение напряжений – релаксацией. Например, релаксация возникает при ослаб- лении плотности фланцевых соединений трубопроводов, работающих в условиях высоких температур. Плотность фланцевого соединения при его сборке достигается за счет созданий упругих деформаций и напряжений в материале болтов. С течением времени вследствие ползучести и релакса- ции напряжений при неизменном значении общей деформации болтов часть упругой деформации превращается в пластическую. Как следствие, плотность фланцевого соединения снижается.

Другой пример ползучести – удлинение рабочих лопаток турбин, ра- ботающих при высоких температурах, от воздействия центробежных сил. Опасность этого явления заключается в том, что радиальные зазоры в проточной части турбины могут уменьшиться и рабочие лопатки коснутся корпуса турбины.

В условиях ползучести работает значительное число деталей и узлов судовых энергетических установок (СЭУ), поэтому необходимы предва- рительный расчет и прогнозирование данного процесса разрушения. При этом исходят из предельной остаточной деформации, которая может быть допущена по условиям безопасной работы.

Кроме этого, к дефектам относятся остаточные деформациидеталей и конструкций судна:

гофрировка, бухтиноватость, вмятины (деформация наружной обшив- ки корпуса) – при механических повреждениях;

проседание, провисание, выпучины элементов конструкций, рабо- тающих в условиях высоких температур (камеры котлов, трубы и др.) – вследствие эксплуатационных отложений, ухудшения теплопроводности, тепловых воздействий, механических и термических напряжений;

коробление деталей типа валов (гребные, коленчатые валы, валы ро- торов турбин, штоки и т.д.) – в результате механических и термических напряжений, недостатков сборки, теплового воздействия;

скручивание деталей типа валов – при механических напряжениях, тяжелых условиях эксплуатации.

Дефекты сварки– дефекты подготовки и сборки изделий под сварку (неправильные углы скоса при разделке кромок, непостоянство угла скоса кромок по длине, неправильное притупление по длине соединяемых кро- мок, неправильные зазоры между кромками); дефекты формы и отклоне- ния в размерах сварных швов (неправильная ширина по длине, неравно- мерная высота усиления, бугры, седловины); наружные дефекты швов (наплывы, подрезы, незаполненные кратеры, прожоги, газовые поры, не- провары, трещины, перекосы); внутренние дефекты швов (газовые поры, шлаковые включения, непровары, трещины), дефекты состава и структу- ры швов (перегрев, пережог, неправильный выбор типа электродов, флю- сов, присадочного металла) – вследствие недостатков изготовления по- стройки и ремонта.