Курников А.С. Технология судоремонта : курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

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 деформации деталей

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.

1.2. Техническое диагностирование

Техническое состояние объекта оценивается по результатам техниче-

ского диагностирования. Под техническим диагностированием понима-

ется процесс определения технического состояния объекта с определен-

ной точностью.

Любой объект технического диагностирования (механизм, конструк-

ция корпуса судна и т.д.) обладает определенной структурой, то есть упо-

рядоченной совокупностью комплексов совместно работающих элемен-

тов, которые образуют конструкцию

объекта, обеспечивающую выполне-

ние заданных функций.

Структура объекта определяется макро- и микроструктурой. Макро-

структуру характеризуют такие параметры, как количество, взаимное рас-

положение, форма и размеры взаимодействующих элементов (деталей);

микроструктуру – точность сопряжения деталей и шероховатость сопря-

гаемых поверхностей.

В процессе эксплуатации макроструктура механизма остается, как

правило, постоянной, а микроструктура постоянно изменяется. Например,

количество и взаимное расположение деталей ДВС (поршни, шатуны,

втулки цилиндров и т.д.) остается постоянным (макроструктура), а их

взаимосвязь в сопряжениях (микроструктура) постоянно изменяется

вследствие изнашивания и других процессов разрушения.

В некоторых случаях возможны изменения и

в самих структурных

элементах (деталях), например, деформация коленчатого вала ДВС, та-

релки клапана и т.д. Если говорить о конструкциях корпуса судна, то

здесь прежде всего наблюдается изменение макроструктуры. Так, на на-

ружной обшивке корпуса в процессе эксплуатации появляются различные

деформации в виде гофр, бухтин и т.д. Изменяется также микроструктура

элементов – увеличивается шероховатость поверхностей и, в частности,

наиболее интенсивно подводной части корпуса судна.

Учитывая, что в процессе эксплуатации структурные параметры объ-

екта постоянно изменяются, можно говорить о техническом состоянии

объекта в каждый данный момент времени. Изменение структурных па-

раметров влечет за собой и определяет изменение выходных параметров,

таких, как скорости

хода судна, расхода топлива, изменение мощности и

т.д. Взаимосвязь структурных и выходных параметров при определенных

условиях позволяет принимать в некотором приближении выходные па-

раметры за косвенные диагностические признаки технического состояния

контролируемого объекта. Например, по изменению скорости хода при

прочих равных условиях можно судить об изменении шероховатости под-

водной части корпуса

судна, по повышенному расходу топлива – о нару-

шении регулировки и об износе деталей ДВС и т.д.

Особого рассмотрения требуют безразборные методы технического

диагностирования.

Под техническим диагностированием понимают процессы определения

технического состояния объекта диагностирования с определенной точно-

стью. При диагностировании значения параметров технического состояния

сравнивают с допустимыми отклонениями от номинального

уровня.

Любой объект технического диагностирования имеет вполне опреде-

ленную макро- и микроструктуру. Макроструктура характеризует количе-

ство, взаимное расположение, форму и размеры взаимодействующих де-

талей. Микроструктура – это точность сопряжений деталей и шерохова-

тость сопрягаемых поверхностей. В процессе эксплуатации макроструктура

механизма остается, как правило, постоянной, а микроструктура, наоборот,

постоянно изменяется, при этом изменяется

и характер работы механизма.

Своевременное техническое диагностирование позволяет без разбор-

ки механизма определить необходимый объем ремонтных работ для со-

хранения его работоспособности на должном уровне. Существуют две

системы диагностирования – локальная и общая. Локальная система

включает методы и средства оценки технического состояния отдельных

узлов и систем механизма, для чего максимально используют данные

штатных приборов. Общая система диагностирования оценивает техниче-

ское состояние механизма в целом по группе наиболее существенных па-

раметров. Такими параметрами являются – удельный расход топлива,

температура отработавших

газов по цилиндрам, давление сжатия и сгора-

ния, акустические и вибрационные характеристики, зазоры в трущихся

парах и т.п. Для определения этих и других параметров, помимо штатных

приборов, используют различную измерительную аппаратуру, например,

индикаторы, анализаторы вибрации, спектрофотометры, инфракрасные

бесконтактные датчики, торсиометры и т.п. Современные методы диагно-

стирования основываются на индицировании

ДВС, определении мощно-

сти и расхода топлива, на виброакустике, на спектральном анализе масла

и на применении волокнистой оптики.

Первый метод позволяет своевременно выявить нарушения в системе

топливоподачи, которые снижают не только мощностные показатели, но и

приводят к возрастанию износов основных деталей ДВС. Характер инди-

каторной диаграммы позволяет оценить отклонения рабочего

процесса в

цилиндрах двигателя и наметить мероприятия по их устранению.

Виброакустические методы применяются для оценки упругих колеба-

ний от ударов сопряженных деталей. Если двигатель имеет увеличенные

зазоры в сопряженных деталях, то при его работе возрастает интенсив-

ность ударов и, соответственно, энергия вибрации. По величине вибрации

можно определить зазор, например, между поршнем

и втулкой цилиндра,

в подшипниках шатуна и коленчатого вала и т.д.

Диагностирование, основанное на спектральном анализе масла, взято-

го из картера двигателя, позволяет оценить концентрацию того или иного

элемента (железа, хрома, меди, свинца и т.д.) в масле выше допустимого

значения, что свидетельствует о наступлении повышенного износа и не-

обходимости ремонта.

Метод диагностирования отдельных деталей ДВС, основанный на при-

менении волокнистой оптики, позволяет обследовать детали в закрытых по-

лостях. Например, с помощью специального устройства с волокнистым све-

топроводом через форсуночное отверстие можно оценить техническое со-

стояние клапанов, рабочей поверхности втулки цилиндра и днища поршня.

Для приближенной оценки общего технического состояния

судовых

ДВС используют симплекс Cu, который определяют по формуле

()

ssгв

ttt

−

′

(1.1)

где p

– давление сжатия, МПа;

в.г.

– температура выпускных газов, °С;

′

– температура продувочного воздуха при эксплуатации и

при стендовых испытаниях («номинальная»), °С.

В процессе эксплуатации ДВС величина Cu постепенно снижается.

Определив текущее значение симплекса Cu и зная его номинальное зна-

чение, подсчитывают коэффициент технического состояния двигателя:

(

)

Cuk

ст

∆

−

(1.2)

где

∆Cu

– отклонение от номинального значения;

– максимально допустимое отклонение Cu;

= 25…30% от Cu

номинального.

1.3. Методы дефектоскопии

Совокупность различных методов и средств контроля состояния материа-

лов или изделий на отсутствие в них дефектов называется дефектоскопией.

Все методы дефектоскопии делятся на неразрушающие и разрушаю-

щие. К неразрушающим методам относят визуальный, с помощью изме-

рений, гидравлических и пневматических испытаний, а также ряд мето-

дов, получивших наибольшее распространение в судоремонте (

рис. 1.4).

Разрушающие методы – это микро- и макроанализ и механические испы-

тания на специальном оборудовании.

Рис 1.4. Классификация методов неразрушающего контроля качества

Процесс обнаружения дефектов с использованием вышеперечислен-

ных методов называется дефектацией. В процессе дефектации выполняет-

ся освидетельствование технического состояния объекта, устанавливают-

ся объемы и методы ремонта, необходимые инструменты, приспособле-

ния и исполнители.

Рассмотрим краткие характеристики применяемых в судоремонте ме-

тодов обнаружения дефектов.

Методы капиллярного неразрушающего контроля

Для обнаружения невидимых или слабо видимых невооруженным

глазом поверхностных и сквозных дефектов, определения их расположе-

ния, протяженности и ориентации по поверхности детали применяют ка-

пиллярные методы. Эти методы неразрушающего контроля основаны на

капиллярном проникновении индикаторных жидкостей (пенетрантов) в

полости поверхностных дефектов и регистрации образующихся индика-

торных следов

визуально или с помощью специальных дефектоскопов.

Этот вид контроля позволяет обследовать объекты любых размеров и

форм, изготовленных из различных материалов.

Необходимым условием выявления поверхностных дефектов является

относительная их незагрязненность посторонними веществами. Основны-

ми операциями капиллярного неразрушающего контроля являются:

– подготовка объекта к контролю, которая включает очистку от все-

возможных загрязнений;

–

обработка объекта дефектоскопическими материалами (индикатор-

ный и проявительный пенетранты);

– проявление дефектов;

– окончательная очистка объекта (очиститель от пенетранта).

Ранее, на практике применялся керосино-меловой метод контроля

вследствие хорошей проникающей способности керосина и простой его

технологии использования. Однако этот метод обладает недостаточной

чувствительностью из-за малой контрастности и четкости. В настоящее

время

используются в основном два метода капиллярного контроля – лю-

минесцентный и цветной. Первый основан на регистрации контраста лю-

минесцирующего в длинноволновом ультрафиолетовом излучении види-

мого индикаторного рисунка. Второй – на регистрации контраста цветно-

го в видимом излучении индикаторного рисунка.

Для выполнения люминесцентного метода контроля применяют спе-

циальные дефектоскопы, которые бывают переносными, передвижными

стационарными.

Магнитные методы неразрушающего контроля

По способу получения первичной информации различают следующие

методы: магнитопорошковый, магнитографический, феррозондовый, ин-

дукционный и магниторезисторный. Из перечисленных методов в судоре-

монте применяют магнитопорошковый. Этот метод основан на явлении

притяжения частиц магнитного порошка магнитными потоками рассеяния,

возникающими над дефектами в намагниченных объектах. Он предназна-

чен для выявления поверхностных и подповерхностных дефектов (трещин,

раковин, шлаковых включений и т.п.) в объектах контроля из ферромагнит-

ных материалов. Чувствительность магнитопорошкового метода определя-

ется магнитными характеристиками материала объекта, его формой, разме-

рами, шероховатостью

поверхности, напряженностью намагничивающего

поля, количеством и качеством магнитного порошка. Наилучшая выявляе-

мость дефекта достигается при расположении его плоскости перпендику-

лярно направлению магнитного потока. Для этого применяют различные

способы намагничивания, представленные на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Способы намагничивания деталей:

а – продольный в соленоиде; б – продольный в полюсах электромагнита;

в – продольный пропусканием магнитного потока по стержню внутри детали;

г – циркулярный пропусканием тока через деталь; д – циркулярный пропусканием

тока через стержень (тороидный); е – циркулярный пропусканием тока через про-

водник; ж – комбинированный

Магнитопорошковый метод контроля выполняется в шесть операций:

– подготовка к контролю, которая включает очистку поверхности от

загрязнений;

– намагничивание;

– нанесение магнитного порошка;

– осмотр контролируемой поверхности и регистрация дефектов;

– оценка результатов контроля;

– размагничивание.

Методы контроля, основанные на свойствах ионизирующего излу-

чения

Этими методами выявляются подповерхностные и внутренние дефек-

ты в деталях, выполненных из любых материалов. Принцип действия та-

ких методов заключается в следующем. От источника ионизирующее из-

лучение направляется на контролируемую деталь, проходит через нее и

фиксируется регистратором. Интенсивность излучения на выходе из

дета-

ли при прочих равных условиях зависит от наличия дефектов. В судоре-

монте преимущественно используются рентгено- или гаммаграфические

методы, регистратором излучения в которых служит рентгеновская пленка.

Ультразвуковая дефектоскопия

С помощью ультразвуковых методов контроля обнаруживают внут-

ренние и подповерхностные дефекты в деталях и сварных швах из любых

металлов. Поверхностные дефекты выявлять

ими нецелесообразно.

Ультразвуковыми методами достаточно четко выявляются дефекты лю-

бого вида. Сложность конструкции детали и чистота обработки ее поверхно-

сти существенно влияют на стабильность и чувствительность контроля.

Ультразвуковые волны способны проникать в металлических издели-

ях на глубину до 10 м. В основном используют три способа обнаружения

дефектов: теневой, отражения, резонансный.

При теневом

звуковом методе в детали 2 (рис. 1.6, а) дефекты обна-

руживают ультразвуком, который посылается излучателем 1 и улавлива-

ется приемником 4. Если на пути ультразвуковых волн находится дефект

3 (в виде раковины или трещины), то ультразвуковая энергия, улавливае-

мая приемником 4, уменьшается или исчезнет.

а) б)

Рис. 1.6. Обнаружение дефекта:

а – при помощи звуковой тени; б – отражением ультразвука

На рис. 1.6, б показан принцип обнаружения дефекта отражением

ультразвука: приемник 6, расположенный на одной поверхности с излуча-

телем 5, улавливает отраженные ультразвуковые волны от дефекта 7.

Резонансный способ обнаружения дефектов основан на изменении

частоты пьезоизлучателя до момента возникновения резонанса. Если в

детали нет дефектов, явление резонанса наступает при определенном зна-

чении частоты, соответствующем проверяемой толщине детали. При на-

личии дефектов сечение детали в месте контроля будет меньше и явление

резонанса наступит при другой частоте.

Характеристика ранее описанных методов неразрушающего контроля

и их эффективность приведены в таблицах 1.1 и 1.2.

1.4. Основные показатели надежности судовых механизмов

и конструкций

Оценка качества отремонтированного судна или механизма может

быть произведена путем сравнения его показателей с показателями нового

судна-модели или механизма той же модели, а также сравнением с пока-

зателями модели или судна, отремонтированного на передовом специали-

зированном предприятии.

Наиболее обобщенным показателем уровня качества нового судна яв-

ляется показатель, определяемый отношением:

(

)

эизоб

CCQK

−

(1.3)

Уровень качества отремонтированного судна, механизма, агрегата

можно оценить обобщенным показателем:

(

)

эроб

CCQK

′

−

′

(1.4)

где Q и Q

– объемы транспортной (ресурс, ч) работы, выполнен-

ной новым и отремонтированным судном (механиз-

мом) за срок службы до следующего ремонта;

из

и С

– стоимость изготовления и ремонта;

и С’

– стоимость эксплуатации нового и отремонтированного

судна (механизма).

Уровень качества отремонтированного судна (механизма) по сравне-

нию с уровнем качества нового судна, механизма того же типа может

быть оценен коэффициентом

(

)

()

эр

эиз

об

CCQ

′

−

′

(1.5)

Из формулы следует, что уровень качества отремонтированного судна

(механизма) выражается безразмерной величиной, что позволяет оцени-

вать качество ремонта дизелей, узлов, агрегатов и других механизмов.

В настоящее время значение коэффициента K

во многих случаях ко-

леблется в пределах 0,6…0,8. В дальнейшем по мере совершенствования

технологии и организации судоремонтного производства значение коэф-

фициента K

все более будет приближаться к единице.