Разработка методики выбора специальных защитных покрытий и технологий их нанесения с целью повышения эксплуатационных качеств судов

К основным характеристикам судов, определяющим рентабельность их эксплуатации, следует отнести надежность тяжело нагруженных элементов судов, размещенных на корпусе и вне его. Необходимые качества ходкости судов закладываются уже в процессе их проектирования, но они изменяются в худшую сторону при эксплуатации из-за обрастания и коррозии погруженных частей судов, кавитационно-коррозионно-эрозионных разрушений винто-рулевого комплекса обычных судов и крыльевого аппарата СПК.

Борьба за улучшение ходовых качеств судов обостряется, так как развитие современного судостроения характеризуется увеличением водоизмещения, скорости движения, повышением мореходности, то есть постоянным ужесточением условий эксплуатации судов, приводящих к возрастанию внешних нагрузок и уровня действующих напряжений [61,73].

Эта тенденция вызывает опасность интенсификации кавитационно-эрозионных разрушений основных элементов движительно-рулевого комплекса судов (гребных винтов, винтовых насадок, крыльев и крыльевых устройств СПК, пера руля и др.), состояние которых во многом определяет их эксплуатационные характеристики.

Коррозионно-кавитационные разрушения элементов движительно-рулевого комплекса наносят ощутимый ущерб эксплуатационникам из-за потерь времени на простой судов и внеплановый ремонт, снижения их КПД, дополнительных расходов на антикавитационные, антикоррозионные мероприятия и др. Например, трудоемкость ремонта названного комплекса достигает 35% от общего объема по ремонту судна и может составить несколько сот тысяч нормо-часов [105].

Другим важнейшим показателем, оказывающим влияние на эксплуатационные качества судов, является степень обрастания их погруженных частей. Обрастание приводит к ухудшению ходовых качеств судов, ускоряет коррози-онно-кавитационные разрушения, увеличивает расход топлива [61].

Особо актуальна проблема борьбы с обрастанием крыльев и крыльевых устройств СПК, которые одновременно подвержены кавитационной эрозии. Из-за кавитационных разрушений крыльев и крыльевых устройств их приходится ставить в док через 1−1,1 года эксплуатации, а систематический подъем из воды, осуществляемый с целью снижения обрастания погруженных частей, производится через 2. .3 недели, так как даже после таких краткосрочных простоев на воде (в Черном море) крылья и крыльевые устройства СПК обрастают настолько, что у судов существенно ухудшаются ходовые качества.

В связи с отмеченным, борьба с коррозионно-кавитационными разрушениями и обрастанием элементов движительно-рулевого комплекса СПК, военных кораблей, подводных лодок, ледоколов, судов промыслового и коммерческого флотов, а так же кавитационными разрушениями элементов энергетических установок [87,128], насосов [86] и других гидроагрегатов [59,180], актуальна и имеет важнейшее стратегическое и народно-хозяйственное значение.

Обстоятельные научные исследования, посвященные вопросам изучения кавитационных разрушений в судостроении, проводятся с начала 20 века [44]. Несмотря на длительность и многоплановость изучения, эта проблема не теряет своей актуальности, так как число объектов с кавитирующими элементами возрастает из года в год, а надежные методы их защиты еще не разработаны.

Проведенные отечественные [12,51,56,134 и др.] и зарубежные [68,86,115,116,204 и др.] исследования по борьбе с кавитационной эрозией дали положительный результат и позволили разработать конструктивные [47,74,120], физико-химические [30,118,121], технологические [32,58,159] и комплексные [106,142,152] пути частичного решения этой проблемы.

Созданы и используются суперактивирующие винты [144,166], винты с регулируемым и изменяющимся шагом [44], осуществляют впуск воздуха в зону кавитации [12], делают на винтах противоэрозионные отверстия [12,76], применяют кавитационностойкие стали, сплавы и покрытия [34,35,77,93,112]. Также применяют катодную и протекторную защиту [29, 70], наносят полимерные, лакокрасочные покрытия [14,66,80,103] и др. Все эти меры несколько замедляют коррозионно-кавитационные разрушения элементов судов, но не исключают их.

Ходовые качества судов во многом определяются состоянием их энергетических установок, вспомогательного оборудования. В качестве главного двигателя на современных судах применяют высокооборотные дизели: до 40% теплоходов нашего речного флота, оборудованы ими [19].

Основные элементы топливоподводящей системы судов, и системы водо-охлаждения подвержены интенсивной кавитационной эрозии. Например, втулки цилиндров дизелей Ч 8,5/11, Ч 9,5/11, Ч 10/13, 30ДН20 и др. приходится заменять через 3000.4500 часов наработки, из-за интенсивных кавитационных разрушений их водоомываемых поверхностей [74], хотя ресурс втулок по износу зеркала составляет 12 000. 14 000 ч [38].

Значительным кавитационным разрушениям подвержены элементы водяных насосов, плунжерные пары, вкладыши подшипников и другие.

Таким образом, обрастание и кавитационно-коррозионные явления поражают корпуса и элементы судов, размещенные вне корпуса (внешние задачи), и на самих судах (внутренние задачи). Общность явлений позволяет осуществить единый подход к решению названной проблемы, хотя, на первый взгляд, рассматриваемые объекты кажутся малосопоставимыми.

В борьбе с кавитационной эрозией в последнее время у нас в стране и за рубежом широкое признание получают технологические пути создания защитных покрытий методами химико-термической обработки, газотермического напыления и др.

Учитывая высокое качество покрытий и высокую производительность процессов (например, газотермического напыления), названные технологические пути поверхностного упрочнения представляют несомненный интерес для решения проблемы создания специальных противообрастающих покрытий и повышения кавитационно-коррозионной стойкости деталей энергетических установок, элементов движительно-рулевого комплекса кораблей, подводных лодок, СПК, судов коммерческого и промыслового флотов, борьбы с обрастанием погруженных частей этих же кораблей и судов, навигационных плавсредств и других погруженных металлоконструкций.

В диссертации излагаются результаты исследований автора по созданию расчетного критерия кавитационной стойкости материалов и покрытий и разработке технологии их получения на базе этого критерия.

Впервые в мировой практике синтезированы и внедрены также противо-обрастающие покрытия, защищенные патентами России. Лабораторными и стендовыми испытаниями показано, что при нанесении кавитационностойких газотермических покрытий с добавлением бактерицидных элементов (медь, бериллий, висмут, кадмий), они приобретают противообрастающую способность.

На основе этих исследований разработаны составы кавитационностойких противообрастающих плазменных покрытий, предложенные для защиты крыльев и крыльевых элементов СПК.

В диссертации приводятся результаты разработок автора по очистке корпусов судов от обрастателей и продуктов коррозии с использованием дистан-ционно-управляемого аппарата с игольчатым барабаном. Применение такой технологии позволяет резко увеличить производительность очистных работ, улучшить экологическую обстановку в доке и снизить опасность заражения обслуживающего персонала силиконовой болезнью.

На основе требования разработанного критерия (высокая исходная микротвердость, высокая склонность к деформационному упрочнению, положительный электродный потенциал) была разработана стратегия создания защитных диффузионных покрытий на сталях и чугунах насыщением их карбидооб-разующими элементами (хром, титан, ванадий, марганец) и их сочетаниями (хром-марганец, хром-титан, хром-титан-алюминий и др.).

Магнитострикционные кавитационные испытания образцов из сталей 45, 45ХН, 38Х2МЮА, У8 и чугуна СЧ 25 с такими покрытиями подтверждают теоретические прогнозы и показывают, что карбидные слои с высокой исходной микротвердостью, повышенной коррозионной стойкостью превосходят (по сопротивлению кавитации) известные кавитационностойкие стали (например, 12Х18Н10Т, 30Х10Г10).

Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационных качеств судов путем нанесения специальных защитных покрытий на поверхности, подверженные обрастанию и кавитационным разрушениям.

Для достижения цели рассматриваемые задачи были разбиты на две группы.

К первой группе задач отнесены проблемы создания противообрастаю-щих покрытий и защиты от кавитационной эрозии винто-рулевого комплекса судов. При реализации этих задач были решены проблемы по:

— разработке стратегии и технологии подготовки погруженных частей судов к нанесению противообрастающих покрытий с механизацией очистных работ;

— разработке и изготовлению совершенно новой очистной установки с игольчатым барабаном;

— разработке и внедрению технологии очистки корпусов судов от обрас-тателей с использованием очистной машины новой конструкции;

— выполнению комплексных исследований по установлению оптимальных составов противообрастающих плазменных покрытий и созданию технологии нанесения их на водоомываемые поверхности судов, крыльев и крыльевого аппарата СПК.

Ко второй группе задач отнесены вопросы повышения эксплуатационной надежности и ресурса элементов судовых машин и механизмов, подверженных кавитационной эрозии.

При реализации этого комплекса задач в первую очередь были рассмотрены и решены следующие проблемы: а) на основе критического анализа информационных источников и базе обширных лабораторных исследований разработан критерий кавитационной стойкости в, обладающий силой прогноза, т. е. позволяющий априорно рассчитывать и конструировать кавитационностойкие материалы и покрытия по их реальным механическим свойствам (исходная микротвердость, склонность к деформационному упрочнению) и электрохимическому потенциалуб) лабораторными и многоплановыми натурными испытаниями проверена и подтверждена состоятельность предложенного критерия кавитационной стойкости Ов) разработана стратегия и технология нанесения кавитационностойких диффузионных и плазменных покрытий, отвечающих требованиям критерия О, используемых для защиты от кавитационной эрозии гребных винтов, втулок цилиндров судовых дизелей, элементов гидронасосов и др.- г) проведены комплексные исследования по повышению эксплуатационных качеств спасательных шлюпок за счет оптимизации рабочего процесса их дизельных установок. В этом плане разработана и реализована стратегия нанесения теплоизолирующих островковых плазменных покрытий на водоохлаж-даемую поверхность цилиндровых втулок дизелей 4 Ч СП 9,5/11.

В заключении диссертации отражены результаты проведенных автором исследований по реализации оригинальных конструкторско-технологических решений поставленных задач повышения эксплуатационных качеств судов.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международных, Всероссийских и региональных научных конференциях и семинарах, где получили положительную оценку.

Результаты этих исследований подтверждены 5 патентами на изобретения и опубликованы в 37 трудах, отвечающим требованиям ВАК.

6.6. Выводы по шестой главе.

1. Осуществлено экспериментальное термометрирование втулки цилиндров по высоте, периметру и объему и выявлено соотношение составляющих теплового баланса дизеля 44 СП 9,5/11 с различной температурой охлаждения воды на выходе.

2. На базе данных теоретических и экспериментальных исследований разработан оптимальный состав теплоизоляционных покрытий (2Ю2+7%Т1) и стратегия их нанесения на водоохлаждаемую поверхность цилиндра исследуемого дизеля.

3. Создана оптимальная конструкция втулки цилиндра с круглыми пазами сегментного сечения глубиной 1 мм и закономерным (шахматным) распределением на водоохлаждаемой поверхности для размещения теплоизоляционного покрытия. На новую конструкцию втулки цилиндра получен патент на изобретение.

4. Проведенными прочностными расчетами показано, что равномерное размещение сегментных пазов глубиной 1,0 мм на водоохлаждаемой поверхности втулки цилиндра не вызывает заметного снижения ее жесткости.

5. Разработана технология плазменного напыления теплоизоляционных покрытий в пазы на водоохлаждаемой поверхности исследуемых втулок цилиндров. Оптимизированы критерии технологии напыления.

6. Осуществлены комплексные испытания дизеля «Каспий-40» с опытными втулками цилиндра с теплоизолирующими покрытиями на водоохлаждаемой поверхности и показано, что дизель в таком состоянии соответствует требованиям Регистра РФ.

7. Стендовыми испытаниями опытного дизеля по 600-часовой программе установлено, что теплоизоляция водоохлаждаемой поверхности втулки цилиндра улучшает пусковые качества дизеля, снижает удельный расход топлива и масла на 2,3% и 15% соответственно. Спасательные шлюпки с такими дизелями будут иметь лучшие эксплуатационные качества.

7. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ НАУЧНЫХ РАЗРАБОТОК ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КАЧЕСТВ СУДОВ.

7.1. Экономический эффект от внедрения методики ускоренных испытаний судовых дизелей 44 8,5/11 и 44 9,5/11.

Методика ускоренных испытаний судовых дизелей 44 8,5/11 и 44 9,5/11 на кавитационную стойкость втулок цилиндров была апробирована и принята к внедрению в дизельной лаборатории ОАО «Завод Дагдизель».

Экономическая эффективность данного внедрения определяется из выражения:

Э=(Э!-Э2)А2, (6.1) где и Э2 — приведенные затраты по базовому и новому вариантамА2 — годовой объем производства продукции по новому варианту в расчетном году.

Учитывая, что внедренная методика не влияет на объем производимой продукции, экономическая эффективность рассчитана по сокращению периода испытаний дизелей и снижения при этом затрат топлива и заработной платы на обслуживание.

При среднем удельном расходе топлива на дизеле 196 г/э.л.с. ч, величина Э| в расчете на 6000 испытаний на два дизеля составит:

Э]—56 160 Р+6000 К.

Расходы на те же испытания по новой методике составят:

Э2=11 232 Р+1200 К. где Рстоимость единицы топлива, руб/кгКсреднечасовая ставка моториста.

Тогда экономическая эффективность составит:

Э=[(56 160−11 232)Р+(6000−1200)К]А2=(4928 Р+4800 К) А2.

При современных рыночных условиях Р=9,0 руб./кг, К=20 руб., приняв.

А2=200 получаем Э=(4928−6,0+4800−18>200~10 007 тыс. руб.

7.2. Экономическое обоснование эффективности повышения эксплуатационных качеств судов нанесением противообрастающих плазменных покрытий.

Эффективная эксплуатация судов зависит не только от их мореходных качеств, обеспечивающих плавание в любую погоду, но и от того, насколько надежно подводная часть судна защищена от обрастания. Известны случаи, когда обрастание, образовавшееся за 6 месяцев требует резкого увеличения мощности главных силовых установок для поддержания заданной скорости. Этот показатель для промысловых судов составляет 1,8−3 узла, а для транспортных 1−1,8 узла. По этой причине они теряют до 6 суток в год за один переход в 6000 миль. При этом помимо увеличения расхода топлива возрастает износ механизмов, работающих на режимах, превышающих оптимальные и, следовательно, увеличивается продолжительность ремонта и его стоимость. Сокращается междоковый период из-за необходимости более частого ремонта механизмов очистки и перекраски подводной части судов. Ежегодный ущерб от обрастания исчисляется десятками и сотнями миллионов рублей. Предлагаемые методы очистки от обрастания с нанесением противообрастающих плазменных покрытий обеспечивают защиту от обрастания до 2,5−3 лет (вместо 1,5 до внедрения новых научных разработок). Экономическое обоснование целесообразности внедрения научных разработок по повышению эксплуатационных качеств судов нанесением противообрастающих покрытий следует осуществить по двум направлениям:

Первое направление необходимо произвести расчеты экономии за счет:

— снижения расхода топлива на 40%;

— повышения надежности и долговечности работы механизмов плавсредств, находящихся под водой;

— сокращения продолжительности ремонта судов и его стоимости на 60%;

— увеличения междоковых периодов из-за отсутствия необходимости более частого ремонта механизмов очистки и перекраски подводной части судов от 1,5 до 2,5 года;

— снижения затрат на очистку погруженных частей судов от обрастателей на 50% и улучшения экологической атмосферы в доке.

Ориентировочная годовая экономия по факторам первого направления только по Махачкалинскому морскому торговому флоту составляет более 10 млн руб.

Второе направление предусматривает организацию отдельного производства по очистке подводной части корпусов плавсредств от обрастания с нанесением противообрастающих плазменных покрытий.

Для реализации мероприятий по второму направлению требуются дополнительные финансовые средства в сумме 5 млн руб.: из них 1 млн. рублей собственные средства, 4 млн. рублей средства бюджета развития РД. Из средств бюджета развития 2,4 млн руб. предусматривается израсходовать на изготовление установок для механизированной очистки корпусов судов и нанесения противообрастающих покрытий. Остальные средства направляются на покупку необходимых материалов (см. табл.7.1−7.3). Общий объем работы по очистке корпусов от обрастания с нанесением противообрастающих покрытий составит 13,2 млн. в год (см. табл. 7.4). Для осуществления комплекса работ предусматривается организация двух мобильных бригад с охватом 14 чел.: из них 10 человек занято непосредственно на производстве. Общий годовой фонд зарплаты всех работников, занятых производством составит 934 тыс. руб. (см. табл.7.5), всего производственные затраты на год составляют 5755,5 тыс. руб. (см. табл.7.6). В результате внедрения научных разработок ожидаемый годовой доход в бюджеты всех уровней составляет 4,5 млн руб., чистая прибыль составляет 4,3 млн руб. (см. табл.7.8).

Неоспоримым преимуществом данного проекта является наличие готового дока и помещения со всей необходимой инфраструктурой, что будет способствовать быстрой окупаемости вложенных средств.

План денежных поступлений и выплат свидетельствует, что проект реализуем, показатель денежного потока является положительным. Срок окупаемости проекта составляет 1 год и 7 месяцев.

Расчеты показывают высокую бюджетную эффективность предлагаемых мероприятий. Так за 3 года реализации проекта чистый дисконтированный доход государства с учетом рисков составляет более 3,3 млн руб. Общий годовой экономический эффект от внедрения научных разработок по повышению эксплуатационных качеств 16 плавсредств только по Махачкалинскому морскому торговому порту соответствует 10,8 млн руб., не считая платежи и отчисления в бюджеты всех уровней.

Итого по двум факторам только по Махачкалинскому торговому порту годовая экономия составляет (9+10,8) =19,8 млн руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Для решения проблемы повышения пропульсивных качеств судов научные задачи разбиты на внешние и внутренние. К внешним отнесены проблемы снижения обрастания погруженных частей судов и защиты от кавитацион-ной эрозии элементов, расположенных в этих зонах. К внутренним задачам отнесены вопросы повышения ресурса элементов судовых машин и механизмов, подверженных кавитационной эрозии.

2. При реализации внешних задач получены следующие результаты:

2.1. Разработана стратегия и технология подготовки погруженных частей судов к нанесению противообрастающих покрытий.

2.2. Разработана оригинальная конструкция очистной машины с дистанционным управлением, а также разработана и внедрена технология очистки корпусов судов от обрастателей и продуктов коррозии с ее использованием.

2.3. Выполнен комплекс исследований по установлению оптимальных составов противообрастающих плазменных покрытий и технологии нанесения их на омываемую водой поверхность судов обычного класса, крыльев и крыльевого аппарата судов на воздушной подушке.

3. При решении внутренних задач получены следующие результаты:

3.1. На основе анализа информационных источников и на базе лабораторных исследований впервые разработан критерий кавитационной стойкости покрытий. Он позволяет оценить кавитационную стойкость существующих покрытий, а также рассчитать и конструировать кавитационностойкие покрытия по их механическим свойствам и электрохимическому потенциалу.

3.2. Лабораторными и натурными испытаниями проверена и подтверждена состоятельность предложенного критерия кавитационной стойкости.

3.3. Разработана стратегия и технология нанесения кавитационностой-ких диффузионных и плазменных покрытий для защиты от кавитационной эро.

199 зии гребных винтов, втулок цилиндров судовых дизелей и других элементов судов.

3.4. Проведены комплексные исследования по повышению пропульсив-ных качеств спасательных шлюпок за счет оптимизации рабочего процесса их дизельных установок нанесением теплоизолирующих островковых плазменных покрытий на водоохлаждаемую поверхность втулок цилиндров дизелей.

3.5. Разработана конструкция втулки цилиндров дизеля с гнездами на охлаждаемой поверхности для размещения островковых покрытий.

3.6. Внедрение технологии нанесения островковых теплоизолирующих плазменных покрытий позволяет повысить пусковые качества дизельных установок спасательных шлюпок, снизить расход топлива на 2,3% и масла на 15%.

4. Научные разработки диссертации проверены натурными испытаниями в широком диапазоне внешних условий (температура, давление, состав среды).

5. Внедрение научных результатов диссертации дает экономию 29,8 млн. рублей в год на предприятиях Республики Дагестан.

6. Разработки, представленные в диссертации, защищены патентами РФ.