книги из ГПНТБ / Балякин, О. К. Технология и организация судоремонта учеб. пособие

РАЗДЕЛ

В Т О Р О Й

ДЕФЕКТАЦИЯ, ВОССТАНОВЛЕНИЕ И УПРОЧНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ СУДОВЫХ МЕХАНИЗМОВ, СИСТЕМ, УСТРОЙСТВ И КОРПУСА СУДНА

Гла ва VI

КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБНАРУЖЕНИЕ ДЕФЕКТОВ, ПРИЧИНЫ ИХ ПОЯВЛЕНИЯ

§29. ДЕФЕКТЫ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И ЭЛЕМЕНТОВ КОРПУСА СУДНА

При проектировании и постройке судна преследуется основная цель — обеспечить максимальную экономичность и надежность его эксплуатации. Это может быть выполнено только в том случае, если при постройке будут соблюдены все технические условия, предусмотренные проектной документацией.

В процессе эксплуатации в судовых технических средствах и элементах корпуса судна по различным причинам возникают де­ фекты (износы и повреждения), в результате чего общее техниче­ ское состояние судна перестает соответствовать построечным тех­ ническим условиям, судно утрачивает первоначальные технико­ эксплуатационные качества и необходимую надежность.

Дефекты технических средств и элементов корпуса судна мож­ но разделить на конструктивные, производственные, аварийные, эксплуатационные.

В свою очередь, эксплуатационные дефекты можно подразде­ лить на эксплуатационные отложения и дефекты от естественного изнашивания и разрушений.

Для судовых технических средств и элементов корпуса наибо­ лее характерными естественными видами изнашивания и разру­ шений являются: изнашивание трением и эрозионное, коррозион­ ное и усталостное разрушение, ползучесть металлов.

Изнашивание — это постепенное изменение размеров, чистоты поверхности и т. д. Результат процесса изнашивания (например, трением) принято называть износом. Отношение величины износа ко времени, в течение которого происходит изнашивание, называ­ ется скоростью изнашивания.

Термином «изнашивание» и производными от него определяют только поверхностные процессы. Все остальные процессы, в ре­ зультате которых затрагиваются структура материала, объем, напряжения в материале и т. д., называют разрушением.

Изнашивание или разрушение могут сопровождаться другими процессами. Например, изнашивание трением может сопровож­ даться коррозионным разрушением и т. д.

91

деталей и элементов, назначение неправильной термической обра­ ботки, неправильных допусков на сопряжения деталей и т. п.).

Конструктивные дефекты чаще проявляются на головных судах

материала возможно повышенное эрозионное изнашивание греб­ ных винтов, рабочих колес циркуляционных насосов и т. д.

Правильно выполненная термическая обработка во многом оп­ ределяет долговечность детали. Например, на главных двигателях встречалось выкрашивание рабочих поверхностей кулачных шайб распределительных валов из-за недостаточной глубины поверхно­ стной закалки в результате неправильного назначения термической обработки. После того как термообработка была изменена и ку­ лачные шайбы стали закаливать по всему объему, выкрашивание прекратилось.

В практике эксплуатации были случаи разрыва бронзовых об­ лицовок гребных валов из-за больших величин натяга в сопряже­ нии посадочных мест облицовки и вала.

П р о и з в о д с т в е н н ы е дефекты являются обычно следст­ вием отступлений, допущенных от установленных технических ус­ ловий, правил и ГОСТов на изготовление и ремонт судовых тех­ нических средств и корпусных конструкций (от неправильного применения материалов, неправильного выполнения термической обработки или других видов упрочнения, неправильной сборки и т. д.).

Конструктивные и производственные дефекты могут приводить к повышенным износам, деформациям и поломкам деталей, что в свою очередь ведет к авариям (аварийный износ дейдвудного подшипника, разрыв шатунных болтов, деформация шатуна, по­ ломка картера двигателя и т. д.).

Из-за нарушения правил эксплуатации встречаются а в а р и й ­ ные дефекты (повышенный износ втулок и поршней цилиндров двигателя, деформация роторов турбин, поломка различных де­ талей и т. д.).

Тяжелые условия навигации (штормовая погода, тяжелая ле­ довая обстановка) часто приводят к деформации корпусных конст­

процессе эксплуатации, когда судно и его части соприкасаются с окружающей средой (корпус судна находится в воде, богатой солями и морскими организмами; внутренние поверхности котлов, трубопроводов, теплообменных аппаратов, полостей охлаждения двигателей соприкасаются с водой и конденсатом, содержащими соли; через системы и охладители прокачивается масло, содержа­ щее примеси и т. д.);

9 2

Эксплуатационные отложения необходимо периодически уда­ лять, так как они ведут к снижению эксплуатационных характери­ стик и изменению условий работы механизмов. Обрастание под­ водной части корпуса судна, например, ведет к снижению скоро­ сти хода, отложение солей в охлаждающих полостях механиз­ мов— к изменению теплового режима работы, появлению ускорен­ ных износов.

В связи с этим эксплуатационные отложения могут быть допу­ щены только в тех случаях, когда они не вызывают существенных отклонений эксплуатационных характеристик механизмов, уст­ ройств и судна в целом от построечных. Пределы допустимых ве­ личин отложений устанавливают во время эксплуатации судна и его механизмов путем наблюдения за изменением эксплуатацион­ ных характеристик. Часть эксплуатационных отложений периоди­

§ 30. ИЗНОС ОТ ТРЕНИЯ И ЭРОЗИИ

Изнашивание трением. Применительно к механическим систе­ мам процесс изнашивания трением рассматривается как измене­ ние размеров и формы поверхностей элементов. Интенсивность процесса изнашивания зависит от внешних и внутренних факто­ ров. К первым относятся величина и характер нагрузок, наличие и качество смазки, температурные условия, режим взаимного пе­ ремещения поверхностей, участвующих в процессе трения, ха­ рактер образующихся на поверхности защитных окисных пленок; ко вторым — твердость, предел упругости, теплофизические ха­ рактеристики, химическая стойкость, характеристики структуры материала, способность адсорбировать смазку и т. д.

Взависимости от количества внешних и внутренних факторов

вматериалах возникают сложные явления, сочетание которых определяет процесс изнашивания.

Внастоящее время наиболее распространена классификация

видов изнашивания трением, приведенная на рис. 15.

Согласно этой классификации все виды трения делятся на ме­ ханические, молекулярно-механические и коррозионно-механиче­ ские.

М е х а н и ч е с к о е изнашивание представляет собой процесс разрушения поверхностных слоев в результате упругих и пласти­ ческих деформаций без существенных физико-химических измене­ ний свойств материалов.

Подвидами механического изнашивания являются абразивное изнашивание, пластическое деформирование, изнашивание при кавитации и хрупкое разрушение поверхности.

Абразивное изнашивание представляет собой пластическую де­ формацию поверхностных слоев при трении скольжения в ре­ зультате воздействия на сопряженные поверхности твердых аб-

93

разивных частиц. Взаимодействие поверхности детали с твердыми частицами разнообразно. При абразивном изнашивании происхо­ дит пластическое деформирование материала независимо от того, образуется при этом стружка (уносимая, например, током смаз­ ки), или возникают риски, борозды и т. д. Абразивные частицы — это частицы нагара, продукты изнашивания и включения твердых частиц в смазочные жидкости.

Примером абразивного изнашивания может быть изнашивание цилиндровых втулок и поршней двигателей, дейдвудных подшип­ ников буксирных судов при работе на мелководье и др.

Абразивная эрозия представляет собой изнашивание поверхно­ сти под воздействием движущихся в потоке газа или жидкости аб­ разивных частиц, например, эрозия кромок лопаток газовых тур­ бин под воздействием частиц золы, движущихся вместе с газовоз­ душным потоком.

При пластическом деформировании под воздействием внешних нагрузок и высоких температур более мягкий материал перемеща­ ется в направлении движения, а затем и отрывается; например, изнашивание мягких антифрикционных материалов (баббитов) подшипников скольжения, наволакивание материала зубьев зуб­ чатых передач при работе с перегрузкой и т. д.

Изнашивание при кавитации представляет собой хрупкое раз­ рушение поверхностей деталей в результате местных гидравличе­ ских ударов; например, разрушение поверхностей лопастей греб­ ных винтов с засасывающей стороны, поверхностей гидравлических частей центробежных насосов и др.

Хрупкое разрушение поверхности происходит в тех случаях, когда поверхностные слои материала из-за многократно повторяю­ щихся деформаций становятся хрупкими — в результате наклепа и усталости материала; например, усталостные разрушения зубьев зубчатых передач в районе линии контакта (питтинг), когда из-за многократно повторяющихся пульсирующих нагрузок образуются микротрещины с последующим хрупким разрушением материала; при трении качения (у подшипников качения), когда на поверх­ ностях тел качения и беговых дорожек образуются усталостные

женные трущиеся поверхности сближены на расстояние, не превы­ шающее размеров атомных решеток, т. е. когда возможно моле­ кулярное взаимодействие поверхностей. При этом на поверхностях отсутствуют окисные пленки, смазка и пр. Молекулярно-механиче­ ское изнашивание происходит как при низких и нормальных тем­ пературах, так и при высоких. В первом случае происходит чисто молекулярно-механическое взаимодействие, во втором (молекуляр­ но-тепловом изнашивании)— изменение структуры и механических свойств поверхностных слоев металла. В обоих случаях микро­ объемы вырываются из поверхностей после молекулярного схва-

95

тывания и уносятся другой поверхностью или током смазки. При­ мер: вырывание микрообъемом с контактной поверхности зубьев тяжело нагруженных зубчатых передач при срывах в режиме

смазки.

К о р р о з и о н н о - м е х а н и ч е с к о е изнашивание представ­ ляет собой разрушение поверхности детали при одновременном механическом и коррозионном воздействии на нее. Окислительный процесс наблюдается в том случае, когда в результате непосредст­ венного контакта сопряженных поверхностей происходит пластиче­ ское деформирование и срезание выступов с обнажением незащи­ щенного окисной пленкой металла и его окисление. Наличие в га­ зовой или жидкой среде, омывающей деталь, агрессивных ве­ ществ значительно ускоряет процесс разрушения; например, изна­

ческая.

Фретинг-коррозия приводит к образованию обычно на металли­ ческой сопряженной поверхности питингов (мелких точечных раз­ рушений). Частицы окислов металлов заполняют образовавшиеся питинги, поэтому только после удаления продуктов коррозии они становятся видимыми.

Фретинг-коррозии подвержены, например, посадочные места вкладышей рамовых подшипников тяжелонагруженных двигате­ лей внутреннего сгорания, посадочные места гребных валов в райо­ не кормовых торцов облицовок, насаженных по прессовой посад­ ке и др.

В процессе изнашивания трением все перечисленные явления происходят в большинстве случаев одновременно, но одно из них обычно является ведущим, определяющим износ, остальные ему сопутствуют.

Из всех рассмотренных видов изнашиваний наиболее распро­ странено абразивное.

Эрозионное изнашивание. Эрозия металлов возникает при ме­ ханическом ударном воздействии на поверхность разрушаемого элемента ‘(Детали) жидких и твердых частиц, движущихся с не­ которой скоростью и обладающих запасом кинетической энергии. Эрозия возможна также при воздействии волн кавитационного происхождения.

Эрозионному изнашиванию подвергаются поверхностные слои металла. При этом интенсивность изнашивания находится в прямой зависимости от состояния поверхности и запаса кинетиче­ ской энергии движущихся частиц. С увеличением шероховатости поверхности и скорости движения потока перед ударом о поверх­ ность интенсивность эрозионного изнашивания повышается. Уста­ новлено, что интенсивность изнашивания находится в шестой сте­ пени от скорости потока.

96

В процессе эрозионного изнашивания рассматривают четыре

наиболее интенсивное изнашивание; заканчивается при дости­ жении максимальной скорости изнашивания;

снижение интенсивности изнашивания; стабилизация изнашивания (наиболее длительный, определяю­

щий работоспособность элемента).

В судовых энергетических установках эрозионному изнашива­ нию подвержены гребные винты, рабочие колеса центробежных и осевых насосов, наружные и внутренние поверхности нагрева па­ ровых водотрубных котлов, рабочие, направляющие и сопловые лопатки паровых и газовых турбин и др.

Эрозионное изнашивание может быть результатом явления ка­ витации, при котором образуются и сокращаются (замыкаются) кавитационные каверны, появляются ударные волны, действующие на поверхность деталей. Явление кавитации и связанное с ним эрозионное разрушение возможно у лопастей гребных винтов и рабочих колес центробежных и осевых насосов.

Для борьбы с эрозионным изнашиванием в настоящее время применяют материалы с высокой эрозионной стойкостью, металли­ ческие и неметаллические покрытия; при проектировании учитыва­ ют конструктивные особенности деталей, обеспечивающих мини­ мальную интенсивность эрозионного изнашивания, выбирают оп­ тимальные режимы работы.

§31. КОРРОЗИОННОЕ И УСТАЛОСТНОЕ РАЗРУШЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ. ПОЛЗУЧЕСТЬ МЕТАЛЛОВ

Коррозионное разрушение. Коррозией металла называется са­ мопроизвольное его разрушение вследствие физико-химического взаимодействия с окружающей средой.

Различают химическую и электрохимическую коррозию.

При химической коррозии окисление металла и восстановление окислительного компонента происходит в одном акте.

Электрохимический коррозионный процесс предполагает при­ сутствие электролитической токопроводящей среды. Окисление ме­ талла и восстановление окислительного компонента происходит не в течение одного акта; скорость протекания коррозии зависит от величины электродного потенциала металла.

При химической коррозии воздействующей внешней средой являются воздух, газы и жидкие вещества, не проводящие элект­ рического тока. Например, окисление металла на сухом воздухе — это химическая коррозия; в паровых котлах на поверхностях на­ грева, в паровых коллекторах, в арматуре возможна химическая коррозия в результате взаимодействия металлической поверхно­ сти с перегретым паром или газом высокой температуры.

Поверхности судна и трубопроводов, омываемые морской во­ дой, маслом и т. д., подвергаются электрохимической коррозии; при этом воздействующей средой являются электролиты (раство­ ры солей, кислот, щелочей), металл переходит в раствор (напри­ мер, разрушение листов наружной обшивки в подводной части корпуса судна).

По характеру распространения коррозию подразделяют на рав­ номерную, местную и межкристаллитную.

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

При межкристаллитной коррозии разрушению подвергаются границы между зернами металла и между отдельными кристал­ лами, вследствие чего сцепление между ними нарушается, обра­ зуются межкристаллитные трещины и металл теряет механическую прочность. Частным случаем межкристаллитной коррозии является так называемая щелочная (или каустическая) хрупкость, возни­ кающая в котлах при неправильной водообработке в местах не­ плотностей заклепочных соединений и развальцовок.

Рассмотрим некоторые характерные для узлов и деталей су­ довых технических средств химические и электрохимические про­ цессы.

Для судовых условий распространенным видом химического коррозионного разрушения является газовая коррозия, которой подвержены ответственные детали и узлы судовых механизмов и

мер, кислорода) поверхностью металла, переходящей в химическое взаимодействие между ними. При этом на поверхности металла об­ разуется пленка окисла, способная при определенных условиях за­ труднять дальнейший доступ агрессивного газа к металлу, т. е. замедлять процесс коррозионного разрушения.

Скорость протекания газовой коррозии зависит от внешних и внутренних факторов. К внешним следует отнести температуру, при которой протекает процесс, состав агрессивной среды, ско­ рость обтекания этой средой металла и режим нагрева. С ростом температуры и скорости обтекания, а также при наличии агрессив­ ных компонентов во внешней среде (кислорода, соединений серы и паров воды) процесс ускоряется.

Пароводяная коррозия наблюдается при непосредственном контакте воды или водяного пара со стальной поверхностью (на­ пример, потока пароводяной смеси с внутренней поверхностью

98

стенки водогрейной трубки котла). При этом при температуре рвыше 400° С возможно химическое взаимодействие с образова­ нием окиси-закиси железа:

3Fe+4H 20 — HF30 4+ 4H 2.

Процесс пароводяной коррозии протекает особенно интенсивно при повышении температуры и наличии застойных зон. Такая зона может образоваться, например, при отслаивании участка накипи на внутренней поверхности трубки. Здесь следует ожидать и по­ вышения температуры материала трубки. Образовавшийся газооб­ разный водород частично уносится потоком пароводяной смеси, частично диффундирует в металл трубки. Распространяясь по границам зерен стали, водород разрушает связи между ними, де­ лая металл более хрупким. Это явление называется водородной коррозией.

Водород, проникающий в глубь структуры металла, кроме раз­ рушения металла, вступает в химическое взаимодействие с угле­ родом:

C-f2H2— >-СН4.

Образовавшийся газообразный метан усиливает хрупкость ме­ талла, что ведет к его разрушению от давления пароводяной сме­ си внутри трубки.

К о р р о з и о н н о е р а с т р е с к и в а н и е металла бывает при одновременном воздействии на металл коррозионной среды, вызы­ вающей процесс электрохимической коррозии, и статически при­ ложенных внешних или внутренних сил.

В настоящее время имеется несколько теорий, объясняющих явление коррозионного растрескивания металла. В большинстве из них отмечается, что в результате воздействия на металл внеш­ них или внутренних сил и наличия на поверхности металла кон­ центраторов напряжений (раковин, пор, микротрещин и т. д.) по­ являются микрогальванические пары. При этом дно концентрато­ ра служит анодом, а наружная (неповрежденная) поверхность металла — катодом. Разность электродных потенциалов между кон­ центратором напряжений и неповрежденным металлом может до­ стигать 100 мВ и более. В результате появления гальванических пар происходит коррозионное разрушение металла с образовани­ ем межкристаллитных и тракскристаллитных трещин.

Примером коррозионного растрескивания может служить раз­ рушение стальных гребных винтов, валов, турбинных лопаток, трубопроводов соленой забортной воды, изготовленных из не­ скольких сплавов и т. д.

При одновременном воздействии циклических растягивающих напряжений и коррозионной среды возникает коррозионная уста­ лость, т. е. понижение предела усталости металла.

В отличие от обычного усталостного разрушения металл, ра­ ботающий в условиях циклических нагрузок в коррозионной сре­ де, не имеет явно выраженного предела усталости. В связи с этим