книги из ГПНТБ / Смирнов, О. Р. Надежность судовых энергетических установок

К отказам второй группы можно отнести повреждения или недо­ пустимо большой износ подшипников дейдвудного устройства, раз­ рыв пучка трубок парового котла, трещины в цилиндре дизеля

й т. п.

Вероятность возникновения отказов второй группы должна быть низкой, так как их устранение влечет большие временные и мате­ риальные затраты на ремонт и непроизводительные потери вслед­ ствие простоя судна.

В классе III отказы рассматриваются в зависимости от характера их возникновения. По этим признакам все отказы подразделяются на три группы:

—первая группа — внезапные (случайные);

—вторая группа — постепенные (износовые);

—третья группа — имеющие сложный характер возникновения под влиянием износа и внезапных (случайных) факторов.

К отказам первой группы следует отнести такие, которые возни­ кают неожиданно в результате проявления скрытых дефектов в ма­ териале, накапливания вредных последствий эксплуатационных воздействий (например, удары движителей о льды) или вследствие ошибочных действий обслуживающего персонала и т. п. Примерами

внезапных отказов могут служить: обрыв лопасти гребного винта в результате развития ранее возникшей трещины, поломка колен­ чатого вала, вызванная концентрацией напряжений у галтели шейки кривошипа, пожар в машинном отделении, возникший от попада­ ния топлива на выпускной коллектор при обрыве топливной трубки на одном из цилиндров. Отказы такого характера проявляются в эксплуатации мгновенно и неожиданно.

Отказы второй группы характеризуются медленным изменением параметров., свойств или характеристик элемента в процессе эксплуа­ тации и являются обычно следствием естественного износа или ста­ рения материала. Причинами возникновения таких отказов могут быть: коррозионные разрушения трубопроводов (например, на по­ жарной системе танкера дедвейтом 50 тыс. т в течение пяти лет

лях 8ДКРН 74/160 иглы форсунок заменяют после предельного срока службы в течение 5—8 тыс. ч), постепенный износ подшипни­ ков и т. п. Постепенные отказы можно предвидеть в процессе проекти­ рования оборудования установки и предусматривать восстановле­ ние или замену элементов до наступления предельного износа.

Отказы третьей группы возникают под действием нескольких факторов; при анализе подобных отказов не всегда удается устано­ вить, какие причины были определяющими. Примерами отказов могут быть потеря гребного винта в результате поломки гребного вала, происшедшей от концентрации напряжений в месте перехода конусной части вала в цилиндрическую и ударов лопастей винта о льды, появление питтинга (выкрашивание металла) в зубчатом зацеплении редуктора, который может быть следствием неточного

20

изготовления зубцов, неправильного сопряжения шестерен, недо­ статочной обкатки после сборки, неправильного режима смазки.

Классификация отказов в зависимости от характера их возникно­ вения позволяет сделать предположения о законе распределения времени безотказной работы и на этой основе наметить мероприятия по повышению надежности элементов СЭУ.

К классу IV относятся отказы, различающиеся причиной их возникновения. По этому признаку целесообразно все отказы разде­ лить на пять групп:

—первая группа — эксплуатационные;

—вторая группа — технологические;

—третья группа — конструкционные;

—четвертая группа — предельное состояние;

—пятая группа — смешанные, возникшие в результате не­ скольких причин.

К первой группе относятся отказы, возникшие из-за нарушения Правил технической эксплуатации и Устава службы на судах мор­ ского флота. Примерами таких отказов могут быть случаи утечки воды в паровых котлах, выплавление подшипников в результате неправильного пуска и смазки двигателей, попадание посторонних предметов в движущиеся части механизмов, гидравлические удары

всвязи с забросом жидкости в двигатели и механизмы.

Ко второй группе следует отнести отказы, которые возникают вследствие нарушения технологического процесса изготовления или монтажа (или ошибочного процесса изготовления) элементов СЭУ. Примером технологического отказа может служить образование трещины во втулке главного двигателя 9ДКРН 90/155 на одном из танкеров, появившейся из-за неправильной обработки и образо­ вания острого угла в продувочном окне (это привело к концентрации местных напряжений). К этой группе отказов могут быть отнесены случаи нарушения соосности линии валопровода при его монтаже, что вызывает усиленный износ дейдвудных и промежуточных под­ шипников.

К технологическим отказам относятся также такие, которые воз­ никли в результате дефектов в материале изделий (раковин, трещин, отслаивания и т. п.) или неправильного выбора материала.

К третьей группе относятся отказы, вызванные несовершенством конструкции или прямыми ошибками конструктора. Примером таких отказов может быть поломка торсионного вала шестерни редуктора ТНД на одном из судов с паротурбинной установкой спустя год после ввода его в эксплуатацию; после замены вала его повторный излом произошел через три месяца работы. Подобные отказы имеют место и на других судах этого типа. Анализ конструкции показал, что поломка валов происходит в результате их жесткого крепления на фланцевом соединении, что приводит к дополнительным изгибным напряжениям. После изменения конструкции крепления валов (переход к шлицевому соединению) поломки валов прекратились. В качестве другого примера конструкционного отказа можно отме­ тить неправильный выбор числа лопастей гребного винта, что вызы­

21

вает иногда вибрацию валопровода вследствие совпадения частот собственных и вынужденных колебаний. Например, использование на ряде танкеров пятилопастных винтов вместо четырехлопастных значительно улучшило работу валопровода и передачи.

Кчетвертой группе относятся отказы, возникающие при дости­ жении изделиями предельного состояния. Причиной таких отказов является физический износ элементов установки. Элементы, предель­ ный износ которых меньше межремонтного ресурса, должны нахо­ диться в ЗИП с целью их замены в процессе эксплуатации. Такими элементами могут быть графитовые уплотнения выпускных золотни­ ков главных двигателей 9ДКРН 90/155, фторопластовые уплотни­ тельные кольца телескопической системы охлаждения поршней и др.

Котказам четвертой группы можно также отнести достижение отдельными элементами предельного состояния с точки зрения рентабельности эксплуатации; элементы, которые могут быть заме­ нены более экономичными (несмотря на то, что по физическому состоянию они сохранили работоспособность) эксплуатировать не­ целесообразно.

Кпятой группе относятся отказы, возникающие вследствие нескольких причин. Например, несоблюдение Правил технической эксплуатации может способствовать проявлению скрытых дефектов

вматериале деталей. Такие отказы появляются при недопустимой перегрузке двигателей и механизмов, несвоевременном профилакти­ ческом осмотре и ремонте и т. п. Могут быть смешанные отказы из-за конструктивных и технологических недостатков, например заклинивание гребного вала в дейдвудных подшипниках вследствие

большого набухания вкладышей из древесно-слоистых пластиков и неверно установленных зазоров и др. Сложные отказы, вызванные несколькими причинами, встречаются в эксплуатации довольно часто.

В классе V отказы рассматриваются в зависимости от времени возникновения. Иногда целесообразно подразделить их на две

группы.

Первая группа — так называемые приработочные отказы, кото­ рые возникают в период приработки новой установки (или нового элемента). Обычно в период приработки интенсивность отказа неко­ торых узлов выше, чем в последующий период эксплуатации. Приме­ рами таких отказов могут служить натиры специальных приработочных колец на поршнях некоторых ДВС, отказы подшипников сколь­ жения и др. Приработочные отказы возникают также после ремонта и замены (или перезаливки) некоторых узлов трения.

Норвежским Морским институтом [1021 было проведено иссле­ дование надежности ЭУ на 18 танкерах и навалочных судах в тече­ ние первого года эксплуатации. Результаты этого исследования показали, что наибольшее число отказов приходится на первый месяц работы установки, так как это связано с приработкой двига­ телей и механизмов и их освоением. Распределение отказов по меся­ цам первого года эксплуатации для всей установки и главного двигателя показано на гистограмме (рис. 2, а и б). На основании

22

проведенного исследования Регистр Ллойда рекомендует устана­ вливать для новых судов предыспытательный период в течение д ву х - шести недель.

Вторая группа — отказы, возникающие после окончания периода приработки.

Кроме приведенной классификации отказов возможны и другие подразделения: например, устойчивые и неустойчивые отказы (их иногда называют сбои в работе) или полные либо частичные отказы.

а)с

” 72

0

410

g 8

3 4

1 2

'2 2

I^ 46

2 НЬ

1 £345 61 Ь 9101111

Месяцы г

Рис. 2. Распределение отказов ЭУ по месяцам: всей установки (а), главного двига­ теля (б) и продолжительность режимов работы сухогрузного универсального судна и мощность установки на ходовых режимах (в).

Отказы отдельных элементов СЭУ в процессе эксплуатации оказывают различное влияние на ее работоспособность. Целесообраз­ ность использования при определении количественных характери­ стик надежности той или иной классификации отказов зависит от типа установки элемента или системы, условий их эксплуатации и поставленной задачи при исследовании надежности. Наиболее часто пользуются делением отказов по их последствиям на работу СЭУ (класс I в приведенной классификации).

§3. ОСОБЕННОСТИ НАДЕЖНОСТИ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

С УЧЕТОМ ЭКСПЛУАТАЦИИ В МОРСКИХ УСЛОВИЯХ

Многообразие функций, выполняемых СЭУ, ее многорежимность, большое количество элементов и сложность связей между ними, а таюце сложные условия эксплуатации СЭУ в морских условиях вызывают необходимость учета особенностей установок при оценке их надежности. Энергетическая установка не может рассматри­ ваться как независимый объект; она находится в неразрывной связи с судном, зависит от условий его эксплуатации и подчинена тем задачам, которые должно выполнять судно.

Отметим основные особенности СЭУ с точки зрения обеспечения их надежности.

23

Условия эксплуатации. Условия морской эксплуатации требуют, чтобы работоспособность СЭУ была обеспечена при длительном крене судна до 15°, дифференте до 5°, качке судна: бортовой до 45° и киле­ вой до 15°, а также во время шторма любой силы и продолжитель­ ности. Для этого в конструкции механического оборудования и при его размещении в машинно-котельных отделениях предусматривают ряд особенностей. Например, все двигатели и механизмы устанавли­ вают на прочных фундаментах во избежание деформации оборудо­ вания и трубопроводов при допустимой деформации корпуса судна.

Следует учитывать, что в отдельных случаях даже изменение загрузки судна на спокойной воде приводит к некоторой расцентровке двигателей, передач и валопровода. Например, при испыта­ ниях одного из танкеров с паротурбинной установкой (дедвейт танкера —50 тыс. т) в балласте 33 тыс. т и в полном грузу 48 тыс. т смещение центровки ТНД и редуктора изменилось на 0,07 мм, а из­ лом на 0,17 мм. На изменение центровки влияет также изменение температур воды в море и окружающей среды.

Во время штормовой погоды может происходить оголение греб­ ных винтов, что, несмотря на наличие соответствующих средств автоматики, приводит к резкому изменению нагрузки на двигатели.

Приемные кингстоны забортной воды необходимо располагать так, чтобы при любом положении судна вода поступала к объектам охлаждения СЭУ. Сточные цистерны циркуляционной системы смазки двигателей и валопровода должны быть так спроектированы, чтобы было обеспечено поступление масла к узлам трения при всех возможных условиях работы судна..

Во время маневров, при работе во льдах и некоторых других условиях плавания могут осуществляться многочисленные реверсы; у ледоколов, например, их число достигает 60—70 в час. При проек­ тировании судового оборудования, его изготовлении и монтаже сле­ дует учитывать указанные и многие другие условия морской эксплуа­ тации, чтобы уменьшить вероятность возникновения отказов.

При определении запасов рабочих тел (топлива, масла и др.) и расчете емкостей для их хранения условия эксплуатации учиты­ ваются коэффициентом морского запаса, в соответствии с которым расчетные значения запасов увеличивают на 10— 15%.

Автономность и дальность плавания. Морские суда могут дли­ тельное время находиться в отрыве от своих баз. Автономность мор­ ских транспортных судов в среднем принимается около 30 суток, а дальность плавания без пополнения запасов топлива может соста­ влять приблизительно 10 тыс. миль. Автономность транспортного

24

При определении автономности в продолжительность стоянки тбг 0 не включается время на ремонт, так как отказы на протяжении рейса должны восстанавливаться без остановки судна.

Автономность судов с атомными энергетическими установками не ограничена запасами ядерного горючего и практически зависит только от запасов продовольствия и физического состояния команды.

Для обеспечения заданной автономности судна необходимо при проектировании установки обеспечить соответствующую ее надеж­ ность и живучесть в условиях плавания судов в любых районах Мирового океана от полюсов до экватора. Это обусловливает ряд требований к некоторым элементам установки, например к системе охлаждения (резервирование насосов забортной воды по производи­ тельности), и необходимость повышения прочности валопровода и движителей (возможны удары лопастей гребного винта о льды в се­ верных широтах). В этих условиях резервирование некоторых эле­ ментов и наличие соответствующего комплекта запасных частей должны обеспечить возможность восстановления работоспособности установки без вывода судна из эксплуатации.

Если резервирование отказавшего элемента не предусмотрено и его восстановление в условиях эксплуатации невозможно (напри­ мер, отказ цилиндра главного дизеля), то плавание продолжают с выключенным элементом при пониженной мощности СЭУ до при­ хода в порт, где можно выполнить ремонт.

Многорежимность* Все СЭУ являются многорежимными, причем каждый из режимов работы СЭУ характеризуется своим составом работающих элементов, т. е. своей надежностью. Для транспорт­ ных судов определяющим, с точки зрения надежности, является ходовой режим, который занимает основную часть времени эксплуа­ тации и на котором работает большая часть элементов установки. Надежная работа установки на ходовом режиме является также условием обеспечения безопасности плавания. Однако и ряд кратко­ временных режимов, например обеспечение маневренных операций судна (швартовка, отход, прохождение каналов и т. п.), являются весьма ответственными. На таких режимах установка должна иметь высокие показатели безотказности. Время работы СЭУ на том или ином режиме в основном зависит от типа судна и заданного рейса.

В качестве примера на рис. 2, в приведен график режимов работы сухогрузного универсального судна с дизельной установкой. При дальности плавания 9000 миль и автономности та = 720 ч/рейс ходовое время тх составляет приблизительно 74% продолжитель­

35

На большинстве транспортных судов при нормальных условиях эксплуатации время маневрирования составляет менее 1%.

Сложность элементов* Многие элементы СЭУ отличаются боль­ шой конструктивной сложностью и разнообразием выполняемых задач (парогенераторы, главные и вспомогательные двигатели, ком­ прессоры и др.). Такие элементы сами представляют собой сложные системы по отношению к составляющим их деталям и узлам. Неко­ торые детали сложных элементов выполняют целый ряд разнообраз­ ных функций и в процессе работы подвержены различным воздей­ ствиям рабочей среды и других деталей. Например, рабочие втулки цилиндров ДВС испытывают, с одной стороны, воздействие газов высокого давления и высокой температуры, а с другой, — воздей­ ствие охлаждающей воды, воспринимают усилия трущихся частей, осуществляют отвод тепла от поршня, служат для герметизации ра­ бочих полостей и обеспечения движения поршней.

Резервирование* В СЭУ применяют различные схемы соедине­ ния элементов. Приведенные на рис. 3 схемы отражают функцио­ нальную связь между элементами с точки зрения надежности. Такие схемы носят название функциональных или структурных; их строят на основании принципиальных схем установок и их систем.

В СЭУ наиболее широко используют последовательное соеди­ нение элементов. Схема такого соединения показана на рис. 3, а. Оно отличается минимальным числом необходимых элементов. Од­ нако при такой схеме отказ любого из п элементов приводит к от­ казу того или другого класса (см. классификацию отказов) всей установки (системы).

Для повышения надежности установок и их систем применяют резервирование отдельных ответственных элементов, например: главных двигателей, циркуляционных насосов, насосов систем смазки и охлаждения двигателей; электрогенераторов судовой элек­ тростанции, сепараторов топлива и масла, фильтров и ряда других элементов.

Резервирование может осуществляться по параметрам механиз­ мов и двигателей (мощности,, производительности). Так, мощность главных двигателей обычно принимают на 10—20% больше расчет­ ного значения, для того чтобы обеспечить необходимую скорость хода судна, когда сопротивление его движению возрастет в резуль­ тате обрастания и износа корпуса судна, а также на волнении и при других погодных условиях; конденсатные и циркуляционные на­ сосы паротурбинных установок принимают с 30—40%-ным запасом по производительности для обеспечения нормальной работы уста­ новки при плавании судна в тропиках и повышенной температуре ‘охлаждающей воды. Схема такого резервирования условно показана на рис. 3, б (имеется в виду, что элемент 2 -резервирован по неко­ торым параметрам).

Резервирование может выполняться также по количеству эле­ ментов. В этом случае резервирование элементов различается схе­ мой включения. Выбор той или иной схемы зависит от условий эксплуатации.

26

Рис. 3. Схемы соединения и резервирования элементов в СЭУ: а — последователь­

27

На рис. 3, в и г показаны схемы параллельной работы нескольких элементов (постоянно включенный резерв). Примером параллель­ ной работы двух или трех элементов служат котельные вентиляторы. Если, например, два вентилятора, подающие воздух в топку котла, работают с 50%-ной нагрузкой, то при отказе одного из них второй вентилятор принимает на себя всю нагрузку. Этот пример может служить иллюстрацией комбинированного резервирования: каче­ ственного и количественного. Возможны случаи, когда в результате отказа одного или нескольких параллельно работающих элементов потребитель будет обеспечен только частично, пока отказавшие элементы не будут восстановлены. По схемам параллельного вклю­ чения могут работать циркуляционные насосы различных систем и другие механизмы. При этом следует учитывать, что в связи с изме­ нением нагрузки при отказе .изменяются также интенсивность отказов и другие характеристики надежности оставшихся в работе элементов.

На рис. 3, д показана схема резервирования замещением. В слу­ чае отказа рабочего элемента 1 включается резервный элемент 2, который обычно полностью обеспечивает потребитель, а отказавший элемент восстанавливается. Например, при засорении фильтра гру­ бой очистки масла системы смазки фильтр отключается и произво­ дится его очистка, а масло направляется по обводу через другой фильтр, предусмотренный для указанной цели. Некоторые системы имеют несколько резервных элементов (рис. 3, е). Так, в противо­ пожарных водяных системах иногда резервируют по схеме замещения несколько насосов. С целью уменьшения числа элементов установки для резервирования иногда используют механизмы общесудовых систем, например циркуляционный насос системы охлаждения глав­ ного конденсатора можно заменить балластным или пожарным насосом. При таком резервировании характеристики резервного элемента могут не совпадать с характеристиками основного элемента.

На рис. 3, ж приведена схема скользящего резерва двух после­ довательно работающих элементов 1 и 3 на один потребитель. В слу­ чае отказа одного из них в работу включается резервный элемент 2, который вместе с исправным элементом обычно полностью обеспе­ чивает потребитель. Отказавший элемент восстанавливается и ста­ вится в резерв. По такой схеме иногда резервируют циркуляционные насосы системы охлаждения главных двигателей и некоторые дру­ гие элементы.

На рис. 3, з показана схема скользящего резерва двух парал­ лельно работающих элементов 1 и 3. При отказе одного из них вклю­ чается резервный элемент 2, который заменяет отказавший. В слу­ чае отказа двух элементов потребитель обеспечивается частично. По такой схеме работают генераторы судовых электростанций.

Некоторые резервированные системы могут иметь элементы, которые часть времени работают по схеме постоянно включенного резерва, а часть времени— по схеме замещения. Так, работают, в частности, компрессоры системы сжатого воздуха. В начальный период работы для скорейшего заполнения баллонов сжатого воздуха

28

могут параллельно работать все компрессоры установки, а в про­ цессе эксплуатации они резервируются замещением.

Автоматизация, СЭУ могут иметь ручное обслуживание, ча­ стичную автоматизацию основных рабочих процессов (например, подачи топлива, питательной воды и воздуха в паровые котлы), автоматизацию отдельных механизмов (например, автоматический запуск компрессоров для подачи воздуха в пусковые баллоны при падении в них давления ниже допускаемого уровня) и могут быть комплексно автоматизированными. Опыт эксплуатации теплоходов типа «Новгород» с автоматизированными установками, которые обслуживаются одним вахтенным механиком, показал высокую надежность средств автоматизации.

В зависимости от степени автоматизации ЭУ судам присваи­ вается соответствующий знак Регистра [69]. Например, суда без постоянной вахты в МКО и в центральном посту управления (ЦПУ) могут получить знак А1. Такие установки должны нормально рабо­ тать без местного обслуживания оборудования в МКО периодами, равными не менее 24 ч. Системы автоматического управления установ­ ками, контроля работы и сигнализации, кроме основного источника питания, должны обязательно иметь второй резервный источник.

При комплексной автоматизации СЭУ обеспечивается автомати­ ческое регулирование всех параметров, их контроль и регистрация, а также автоматическая сигнализация в случае отклонения пара­ метров от допускаемых пределов. Комплексная автоматизация СЭУ позволяет значительно сократить численность обслуживающего пер­ сонала. Так, на танкерах дедвейтом 100— 150 тыс. т с комплексно автоматизированной СЭУ штат команды составляет 18—24 человека вместо 40—60 человек на таких же судах с частичной автоматиза­ цией. На сухогрузах дедвейтом около 6000 т автоматизация управле­ ния и контроля дизельной установкой позволила сократить экипаж на восемь человек.

При проектировании судов с автоматизированными установками следует предусматривать их повышенную надежность. Сокращение численности личного состава при одинаковом уровне надежности элементов неавтоматизированных и автоматизированных установок приводит к понижению их ремонтопригодности и, следовательно, к понижению надежности.

При проектировании автоматизированных установок следует предусматривать различные способы повышенного резервирования особо ответственных элементов (блоков, систем, агрегатов), так как повышение надежности установок только лишь за. счет увеличения надежности элементов не всегда может быть достигнуто.

Периодичность действия. Все СЭУ относятся к установкам пе­ риодического действия; они могут длительное время находиться в бездействии, например, в период ремонта судна и установки на заводе после четырехлетней эксплуатации, постановки судна в док для очистки и окраски корпуса. Некоторые суда технического флота, например землесосы, речные суда и ледоколы, эксплуатируются с перерывами, что связано с сезонностью их работы.

29