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

гйго вспомогательного оборудования, охлаждения подшипников валопровода и дейдвудного устройства, питания испарителей и ряда дру­ гих целей. Такое назначение этих систем и агрессивность забортной воды требуют особого внимания при их проектировании и в процессе эксплуатации.

На рис. 14 показана одна из принципиальных схем системы охла­ ждения забортной воды [53 ] с параллельным включением основных теплообменных аппаратов. Такая схема более надежна по сравнению со схемой с последовательным включением и позволяет унифициро­ вать насосы забортной воды по параметрам.

Из кингстонного ящика 16 забортная вода может приниматься основным охлаждающим насосом 14, а также пожарным насосом 11, сервис насосом 12 и стояночным (портовым) насосом 15. Все эти на­ сосы резервированы по отношению к основному насосу 14 по схеме замещения. Таким образом, на ходовых режимах предусматривается по меньшей мере двойное резервирование. Посредством перемычки 13 система может быть соединена с главным охлаждающим насосом прес­ ной воды. Трубопровод 1 служит для подвода забортной воды к вспо­ могательному оборудованию и валопроводу. Трубопровод 3 служит для отвода воды за борт после охладителей дизель-генераторов 2.

К основной магистрали забортной воды параллельно подключены охладители 4 наддувочного воздуха, маслоохладитель 5, охладители 6 пресной воды поршней двигателей и главные охладители 7 пресной воды. Кроме маслоохладителя 5, все остальные охладители резерви­ рованы по схеме постоянно включенного резерва. По магистрали 8 нагретая забортная вода частично направляется в испарительную установку, а ее избыток выбрасывается за борт. Система охлаждения сблокирована с общесудовыми системами. По трубопроводу 9 вода может направляться в балластную систему, а по трубопроводу 10 — в пожарную систему.

Опыт эксплуатации систем забортной воды показывает, что с рос­ том энерговооруженности судов, повышением параметров установок

60

й интенсивности эксплуатации эти системы во многих случаях бказываются недостаточно надежными, а затраты на их восстановление весьма значительными. Стоимость ремонта систем забортной воды составляет в среднем около 10% общей стоимости ремонта судна.

В некоторых установках изменяют принципиальную схему си­ стемы забортной воды; в таких системах охлаждение циркуляцион­ ного масла, наддувочного воздуха и других рабочих сред производят пресной водой, которая циркулирует по замкнутому контуру, а охла­ ждение пресной воды осуществляют забортной водой централизо­ ванно в одном охладителе. Это приводит к значительному сокращению длины трубопроводов и числа арматуры забортной воды, упрощению схемы системы и повышению ее надежности.

Наименее надежными элементами этих систем являются трубо­ проводы, затем, в порядке возрастания надежности, следуют запор­ ная арматура, насосы, теплообменные аппараты, контрольно-измери­ тельные приборы. Отказы трубопроводов происходят вследствие эро­ зионно-коррозионных разрушений материала труб под воздействием потока воды и проявляются в нарушении плотности. При этом ос­ новным видом разрушения является не общая, а местная (язвенная) коррозия, приводящая к сквозному разрушению стенки. Основными факторами, влияющими на скорость местной коррозии, являются материал труб и защитных покрытий, местные сопротивления тру­ бопроводов и гидродинамические характеристики потока (местная скорость воды, интенсивность турбулентных пульсаций, толщина пограничного диффузионного слоя).

Проведенные авторами исследования, которые подтверждаются другими работами [38], показывают, что примерно 90% разрушений трубопроводов приходится на местные и так называемые сложные сопротивления, представляющие сочетание нескольких местных со­ противлений, например: крутоизогнутое колено (R < 2dH) и фЛанцевое соединение, отросток на сварке и фланцевое соединение. На рис. 15 показаны некоторые сложные сопротивления в трубопроводах

иместа возникновения сквозных коррозионных разрушений (свищей).

Врайоне сложных сопротивлений возникают высокие местные скорости воды и турбулизация потока, на погибах по внешнему ра­ диусу происходит утонение стенки, при сварке возможно загромо­ ждение сечения и контакт разнородных материалов. Все эти факторы

иряд других в несколько раз увеличивают скорость коррозии.

Чтобы уменьшить влияние местных сопротивлений на эрозионно­ коррозионные разрушения, их следует располагать на достаточном отдалении одно от другого. Принято считать, что расстояние между сопротивлениями должно быть I ^ 10dH. Характеристикой загро­ мождения системы местными сопротивлениями может служить коэф­ фициент загромождения

К = -т 1/м,

где z — общее число сопротивлений, I — длина системы.

61

С уменьшением k3 надежность системы возрастает. Это дости­ гается спрямлением трубопроводов, макетированием систем при их проектировании и их агрегатированием. Уменьшение числа местных сопротивлений существенно улучшает ремонтопригодность системы.

Сквозные разрушения в районе сложных сопротивлений по от­ ношению к общему числу отказов на трубопроводах из медно-нике-

Рис. 15. Примеры сложных местных сопротивлений на трубопроводах (стрелками показаны сквозные коррозионные разрушения — свищи): а — фланцевое соедине­ ние и крутой погиб; б — отросток и фланцевое соединение; в — ответвление и сварка; г — двойной погиб, отросток и фланцевое соединение; д — клапан, фланцевое соеди­ нение, погиб; е — отросток, сварка и фланцевое соединение; ж —■фланцевое соеди­ нение, отросток с погибом на сварке; з — погиб, фланцевое соединение и отросток на сварке; и —• штуцерное соединение и крутой погиб; к — отросток на сварке, и

фланцевое соединение на отростке.

левых сплавов по нашим исследованиям распределяются примерно следуюшим образом:

Как указывалось, одной из причин отказов являются повы­ шенные скорости воды. В качестве примера влияния на коррозию скорости потока воды на рис. 16, а приведен график зависимости об­ щей коррозии труб из меди МЗС и медно-никелевого сплава МНЖ5-1. Как видно, с увеличением скорости воды более 3 м/с резко возрастает скорость коррозии.

В настоящее время трубопроводы забортной воды изготовляются из стали, меди и медно-никелевых железистых сплавов. Повышение

62

надежности стальных трубопроводов достигается путем применения различных защитных покрытий, из которых, как указывалось, наи­ более эффективным является утолщенное цинковое покрытие, полу­ чаемое горячим способом. В трубопроводах из меди МЗС допускается скорость воды до 1,2 м/с, а из сплавов МНЖ5-1— до 3 м/с без огра­ ничения времени и кратковремен­ но до 4,5 м/с. Наилучшими анти­ коррозионными свойствами обла­ дает сплав МНЛЖМцб-1,5-1-1.

В трубопроводах из этого сплава можно допускать скорости до 4— 5 м/с без ограничения времени и кратковременно до 6 м/с. В систе­ мах забортной воды из любых материалов для исключения преж­ девременных отказов не следует допускать сложных местных со­ противлений, примеры которых показаны на рис. 15.

На рис. 16, б, в, г показана ско­ рость язвенной коррозии в различ­ ных элементах трубопровода в за­ висимости от скорости морской

Рис. 16. Зависимость скорости общей коррозии меди МЗС и сплава МНЖ5-1 от скорости потока морской воды (а) и язвенной коррозии Элементов трубопровода из сплава МНЖ5-1 от скорости потока (б—г).

воды, по данным специальных испытаний, проведенных на трубах из МНЖ5-1 с внутренним диаметром 50 мм толщиной 2,5 мм ['391. Цифры на кривых 1, 2, 3, 4 соответствуют продолжительности испы­ таний 1500, 3000, 4500 и 6000 ч соответственно. Как видно, наиболь­ шая скорость язвенной коррозии наблюдается у приварного отростка (рис. 16, в) и наименьшая — у рассматриваемых элементов в районе погиба (рис. 16, г).

63

Отказы запорной арматуры: кингстонов, клапанов, клинкетных задвижек и других проявляются в основном в нарушении их плот­ ности вследствие эрозионно-коррозионных разрушений уплотняющих поверхностей тарелок и седел клапанов. Повышение надежности этих элементов достигается путем улучшения гидродинамических характе­ ристик проточной части и использования более стойких в корро- зионно-эроз'ионном отношении материалов, например бронзы АЖНМц9-4-4-1. Рекомендуется использование взамен сварных литых

иштампованных тройников, колен, распределительных коллекторов, фланцевых переходников с плавной конфигурацией проточной части. Для защиты от контактной и струевой коррозии весьма полезна уста­ новка межфланцевых протекторов.

Отказы насосов проявляются, в основном, в невозможности обес­ печить параметры, оговоренные в технической документации: напор

ирасход из-за коррозионно-кавитационного разрушения рабочих колес. Кроме того, наблюдаются отказы подшипников, уплотнитель­ ных устройств, а также электродвигателей. Последние рекомендуется применять в водозащитном исполнении.

Для характеристики надежности некоторых насосов забортной воды в табл. 7 приведены данные [43] о среднем времени безотказной работы до переборки и ремонта основных деталей, полученные по статистическим материалам об отказах и ремонте насосов на большом числе морских теплоходов.

Из табл. 7 видно, что время между соседними ремонтами и заменой деталей больше времени между переборками насоса; это объясняется тем, что в число переборок включены не только вынужденные, но и профилактические переборки. При учете перехода на четырехлетний межремонтный период уровень надежности насосов должен быть повышен. Повышение надежности достигается за счет улучшения их конструкции и применения более совершенных материалов для ра­ бочих колес, например бронзы АЖН9-4-4.

Таблица 7

Среднее время безотказной работы Гср (годы) до переборки и ремонта (и между ремонтами)

основных деталей насосов забортной воды

Н

К числу материалов, наиболее стойких в морской воде, следует отнести титан и сплавы на его основе. Применение титана в системах забортной воды в настоящее время сдерживается его высокой стои­ мостью. Однако в ряде установок целесообразно применение тита­ новых труб и тонких пластин из титана для трубчатых теплообмен­ ников систем забортной воды. Опыт эксплуатации показывает высо­ кую коррозионную стойкость титана при высоких скоростях морской воды.

Надежность систем может быть значительно повышена путем вы­ полнения на стадии проектирования гидравлических расчетов с ис­ пользованием ЭЦВМ для исключения возможности возникновения, опасных скоростей на отдельных участках и путем выбора оптималь­ ных схем резервирования.

Кроме рассмотренных отказов, значительные трудности возни­ кают при эксплуатации систем забортной воды на ледоколах и судах ледового плавания. Работа этих систем нарушается в связи с обмер­ занием приемных решеток, их заслона льдами, попадания большой массы битого льда и шуги в ледовые ящики, проникновения в связи с этим значительного количества воздуха в систему и т. п. Все это нарушает охлаждение рабочих сред: пресной воды, масла, воздуха, и нередко вызывает необходимость в остановке судна. Повышение надежности систем забортной воды в ледовых условиях работы судов обеспечивается рядом конструктивных и эксплуатационных меро­ приятий: установкой нескольких донных и бортовых кингстонов, ре­ циркуляцией части забортной воды, нагретой в теплообменниках и поступающей к охлаждающим насосам, применением конических и сферических приемных решеток и решеток из пластмассовых мате­ риалов, менее подверженных обмерзанию, охлаждением части цирку­ лирующей пресной воды через наружную обшивку и др.

Более подробно эти вопросы рассмотрены в работе [89;]. Следует, однако, отметить, что проблема обеспечения надежной работы систем забортной воды на судах ледового плавания не получила еще своего полного решения.

Изложенное показывает, что повышение надежности систем охла­ ждения двигателей и других систем забортной воды на судах раз­ личного назначения — весьма сложная комплексная проблема, ко­ торая не может быть решена только за счет применения новых мате­ риалов, или улучшения конструкции отдельных элементов, или улуч­ шения технологии изготовления и монтажа и т. п. Для решения этой проблемы нужно одновременно решать целый ряд вопросов, включая вопросы, связанные с выбором схемных решений при проектировании и правильной эксплуатацией систем.

Система газовыпуска« Система газовыпуска предназначена для отвода в атмосферу отработавших газов главных и вспомогательных двигателей и вспомогательных котлов. Газовыпускные трубы, как правило, выводятся вверх обычно через шахту МО. Вывод труб через бортовую обшивку допускается, как исключение, с согласия Регистра. От безотказной работы этой системы во многом зависит надежность главного оборудования.

Для того чтобы отдельные двигатели не нарушали работу других двигателей в связи с различным давлением выпускных газов и раз­ личной частотой импульсов, каждый двигатель (как главный, так и вспомогательный) должен иметь свой отдельный газовыпускной тру­ бопровод. Дымоходы вспомогательных котлов, если их несколько, могут быть объединены в общий дымоход.

На рис. 17 показана система газовыпуска для главного шести­ цилиндрового малооборотного дизеля 1 и вспомогательного двига­ теля 13 — одного из дизель-генераторов судовой электростанции.

Главный двигатель снабжен системой газотурбинного наддува. Выпускные газы из каждых трех цилиндров двигателя поступают

вгазовые турбины 12, откуда через патрубки 11 направляются в об­ щий выпускной трубопровод 9. В средней части этого трубопровода

вшахте МО установлен утилизационный котел (УК) Ю, который од­ новременно является глушителем шума и искрогасителем. Утилиза­ ционный котел жестко прикреплен к набору корпуса и разделяет трубопровод на две части. Компенсация температурных расширений каждой части и патрубков 11 производится линзовыми компенсато­ рами 7. Трубопровод крепится к корпусу пружинными подвесками 8.

Выпускной трубопровод вспомогательного двигателя разделен на несколько участков жесткими подвесками 4. Компенсация темпе­ ратурных расширений также осуществляется линзовыми компенса­ торами 3 и погибами труб на отдельных участках. Некоторые трубы крепят к корпусу пружинными подвесками 2. В верхней части тру­ бопровода установлен глушитель и искрогаситель 6. Для периоди­ ческого спуска гудрона, который накапливается в отдельных элемен­ тах системы, в УК и линзовых компенсаторах имеются спускные трубки 5 с краниками. Это снижает вероятность воспламенения от­ ложений в трубопроводе.

Следует отметить, что турбонагнетатели являются принадлеж­ ностью двигателя и отнесены нами к системе газовыпуска условно для удобства рассмотрения всего тракта следования отработавших газов.

Взависимости от спектра шума, создаваемого двигателем, который

восновном зависит от их быстроходности и может меняться в широких пределах (от 50 до 1000 Гц и более), применяют различные типы глу­ шителей. При низких частотах, характерных для малооборотных двигателей, ■применяют глушители, работающие по реактивному принципу. Они состоят из ряда последовательных расширительных камер, соединенных каналами и имеющих сечение, близкое к сечению выпускного трубопровода. При высоких частотах, характерных для высокооборотных двигателей, часто применяют глушители, работаю­ щие по активному принципу. Они состоят из ряда металлических сеток или пористых материалов, которые вследствие некоторого сопротив­ ления потоку газа поглощают шум. Шум снижается также в резуль­ тате сопротивления, оказываемого потоку газа стенками выпускного трубопровода.

Взависимости от типа судна и перевозимого груза используют сухое или водяное искрогашение. Наибольшее распространение имеют

66

сухие искрогасители центробежного типа. В них поток газа закру­ чивается в загнутых лопатках. При этом искры и твердые частицы, имеющие больший удельный вес, чем газ, отбрасываются к периферии, а затем поступают в отдельный сборник, где гаснут, а затем удаля­ ются.

В водяных искрогасителях, применяемых на хлопковозах, лесо­ возах, а иногда на танкерах и некоторых других судах, поток газа проходит через слой воды или через камеру, орошаемую водой, ко­ торая протекает через сетку с мелкими отверстиями. В некоторых случаях на пути следования раскаленных частиц создают трехсту­ пенчатую водяную завесу. В таких установках достигается полное искрогашение. Однако для искрогасителей требуется непрерывная подача воды и должна быть исключена возможность попадания воды в двигатель. От эффективной работы искрогасителей во многом за­ висит пожарная безопасность судов.

В связи с высокой температурой выпускных газов (примерно 300—450° С после двигателей, 150—180° С после вспомогательных котлов) выпускные трубопроводы и другие элементы систем покры­ вают изоляцией; там, где эта изоляция может быть нарушена, ее за­ щищают кожухом. Температура на наружной поверхности изоляций во избежание ожогов и уменьшения тепловыделения должна быть не выше 55° С.

Наиболее часто в системах газовыпуска отказывают следующие элементы: опорно-упорные подшипники турбонагнетателей (повы­ шенный износ), рабочие и направляющие лопатки (трещины), роторы (повышенный износ шеек), лабиринтовые уплотнения (пропуск газов), фильтры турбонагнетателей (разрушение). Меньшее число отказов приходится непосредственно на выпускной трубопровод. По данным работы [22], вынужденное число остановок двигателей типа Бурмейстер и Вайи в процентах к общему числу остановок в среднем со­ ставляет: из-за отказов фильтров турбонагнетателей — 5, из-за отка­ зов выпускного трубопровода — 2,5 и собственно турбонагнетате­ лей — 0,4.

Отказы системы газовыпуска особенно часто проявляются при наличии вибрации, которая вызывает разрушение резьбовых и свар­ ных соединений и нарушение плотности, в результате чего происходит утечка газа и жидкостей. Отказы такого вида приводят иногда к не­ обходимости вывода из эксплуатации утилизационных котлов.

Повышение надежности газовыпускных систем достигается вы­ полнением ряда конструктивных мероприятий и правильной перио­ дичностью профилактических осмотров и ремонтов. Например, на турбонагнетателях типа Броун Бовери для повышения ресурса под­ шипники скольжения заменены на подшипники качения. Средняя периодичность ревизий турбонагнетателей на ряде судов установлена на основании эксплуатации',6000 ч.

Весьма опасны такие отказы, как утечки топлива и масла и их попадание на выпускные коллекторы двигателей, котлов и другие горячие поверхности. На ряде судов зафиксированы пожары в МКО по этим причинам.

68

При работе дизелей, особенно на частичных нагрузках, проис­ ходит заброс масла в выпускные коллекторы, его накопление и дви­ жение масляных капель вверх по газовыпускному трубопроводу. Для исключения возможности воспламенения этого масла, внутри трубопровода устанавливают маслоуловители, отводящие масло из системы. На случай возникновения пожара в газовыпускной системе для его эффективного тушения следует предусматривать подвод пара или углекислоты к искрогасителям и другим элементам системы, опасным в пожарном отношении.

Система сжатого воздуха* Эта система предназначена для пуска главных и вспомогательных двигателей, подачи воздуха в пневмо­ цистерны и к тифону, продувания кингстонов, работы пневмоинстру­ ментами, а также для специальных и технологических целей. От на­ дежности пусковых и реверсивных устройств двигателей во многом зависит маневренность судна и безопасность плавания, а от исполне­ ния специальных целей, которые определяются назначением судна, может зависеть выполнение его основных задач. С повышением энер­ говооруженности судов значение систем сжатого воздуха возрастает.

Чтобы получить сжатый воздух, обычно применяют компрессоры поршневого типа с приводом их от электродвигателя (электроком­ прессоры). Реже для этой цели служат компрессоры с дизельным приводом (дизель-компрессоры). По Правилам Регистра СССР на морских судах неограниченного плавания должно быть не менее двух независимых компрессоров.

Сжатый воздух хранят на судне в баллонах. Для пуска главных и вспомогательных двигателей применяют отдельные пусковые бал­ лоны. Давление воздуха в этих баллонах после их заполнения обычно принимают равным 3,0 МПа. Для пуска главных двигателей в каждом машинном отделении должно быть не менеедвух баллонов, а для пуска вспомогательных двигателей — не менее одного баллона на каждый двигатель.

На рис. 18 показана принципиальная схема системы сжатого воздуха дизельной установки морского судна. В главный двигатель 1 пусковой воздух подается из баллонов 2, которые заполняются элек­ трокомпрессорами 12. Эти же компрессоры служат для заполнения баллонов 10, воздух из которых используется для пуска вспомога­ тельных двигателей 6 и баллонов 9. Из баллонов 9 воздух расходуется на тифоны 8, заполнение пневмоцистерн 4 питьевой и мытьевой воды, специальные нужды и продувание кингстонов 5. Первоначальное за­ полнение баллонов при отсутствии на судне электроэнергии может производиться ручным компрессором 11. На магистралях, идущих к тифонам и другим потребителям, стоят редукционные клапаны 7. После компрессоров установлен влагомаслоотделитель 13, в котором сжатый воздух очищается от примесей воды и масла. На магистралях и баллонах установлены предохранительные клапаны 3, обеспечи­ вающие безопасность их эксплуатации.

Из перечисленных элементов наименее надежны компрессоры. Типичными отказами для компрессоров являются поломки клапанов и поршневых колец, повышенный износ и задиры рабочих втулок

69