Раздел 2. Эксплуатационная надежность и контроль технического состояния элементов судовых энергетических установок

1. Элементы, определяющие работоспособность гд дэу. Причины отказов тнвд. Причины отказов износового происхождения. Характер износа. Причины отказов узлов и деталей тнвд. Количественные данные.

Основными элементами, определяющими работоспособность (например, дизелей) являются: топливная аппаратура (ТНВД, форсунки), ЦПГ (крышки, втулки, поршни), подшипники и клапаны. Анализ ре­зультатов статистических исследований их эксплуатационной на­дежности показывает следующее [4].

ТНВД. Одной из причин их отказов износового происхождения являются эрозионные разрушения. Таким разрушениям в основном подвергаются: плунжеры, окна втулок, клапаны и их седла, а также корпусная часть. Наиболее распространенный случай разрушения рабочей части (головки) золотниковых плунжеров вследствие кавитационной эрозии. Чаще всего износ проявляется в виде точек, затем переходит в сыпь и далее в сплошное поражение участка поверхности - раковины. Эрозионный износ существенно снижает моторесурс элементов ТНВД, например, золотниковых пар. По опыту эксплуатации ТНВД в Балтийском пароходстве средняя продолжительность работы пары соответствовала 1-2 годам. Срок службы плунжерных пар в Северном пароходстве на серийных судах типа "Дорогобуж" составлял ≈ 5-I0 тыс.ч.

Основной причиной отказов отдельных улов и элементов ТНВД в среднем для всех эксплуатационных зон являются трещины (60 - 75 %). Второе место по значимости занимают поломки (11 – 12 %). Отказы износового происхождения составляют от 7 % до 12 %, хотя в области приработки они имеют преобладающее значение.

2 . Основные узлы, определяющие уровень эксплуатационной надежности ТНВД. Количественные данные. Уровень надежное!и элементов клапанов и плунжерных пар.Динамика потока отказов ТНВД ГД различных типов судов. Зависимость вероятности безотказной работы ТНВД от наработки.

Основными узлами, определяющими уровень эксплуатационной надежности ТНВД, являются: плунжерная пара (27 % отказов); вса­сывающие (25 %) и нагнетательные (21 %) клапаны. Наименее на­дежным элементом плунжерной пары являются втулки (50 %). На до­лю плунжера приходится 21 %. В процессе эксплуатации этого уз­ла и его элементов имеют место задиры, деформация плоскости трения, заклинивание, выкрашивание и трещины вследствие усталостных явлений в металле, наличия температурных напряжений, неоднородности металла, некачественной сборки в процессе мон­тажа, дефектов технического характера. Выработка контактных поверхностей вероятнее всего происходит вследствие комплексно­го воздействия диспергирования (размельчения) отдельных участ­ков контакта, абразивного и окислительного износа.

Уровень эксплуатационной надежности клапанов определяется ТС следующих элементов: седла, перемычки, корпуса, хвостовика. При этом их доля отказов для клапанов различного функционально­го назначения неодинакова. Так, отказы нагнетательных клапанов по причине выхода из строя седла составляют 45 %, а всасывающих – 30 %; по причине выхода из строя корпусов отказы состав­ляют от 20 % до 38 %. В процессе работы этих узлов и их элементов имеют место: поломки посадочных мест, обрывы головки, заклинива­ние, коррозионное разъедание и трещины. Отказы узлов ТНВД вслед­ствие трещин в среднем для судов типа т/х "Академик Сеченов" составляют; клапаны - 24 %, плунжерная пара - 17 %, головка -12 %, корпус (блок) - 47 %.

Основными дефектами, имитирующими ресурс плунжерных пар судовых дизелей, являются износы прецизионных поверхностей зо­лотниковой части плунжера и втулки. В среднем около 80 % плунжерных пар бракуется по причине износа этих поверхностей и потери гидравлической плотности ниже допустимого уровня. Средний износ золотниковой части плунжера втулки за 1 тыс.ч работы дизелей составляет 0,35-0,5 мкм, а фактический ресурс находится в среднем в пределах (6-13)*103 ч.

Из анализа приведенных зависимостей видно, что интенсив­ность отказов ТНВД в рассмотренном диапазоне наработки неоди­накова. Здесь можно выделить две характерные зоны. Первая зона соответствует диапазону ω0 < ωmax > ωст ; вторая - ωmax > ωст. Протяженность этих зон по наработке для рассмотренных серий танкеров различна, хотя характер изменения ω=f(t) остается одинаковым. Наибольшая интенсивность отказов в первой зоне, t ≈ (0-7)*103 может быть объяснена приработкой узлов ТНВД, которая обычно сопровождается повышенным износом соприка­сающихся поверхностей. Но не исключены другие причины, например фактор скрытого дефекта материала элементов и др. Характер излома в этот

3. Основные узлы, определяющие уровень эксплуатационной надежности форсунок и крышек ГД. Причины отказов, их анализ. Зоны возникновения трещин в крышках, основные предпосылки. Динамика потока отказов и изменение вероятности безотказной работы крышек цилиндров ГД от наработки.

ФОРСУНКИ. Их наиболее уязвимым элементом являются распыли­тели. К характерным дефектам распылителя относят: повреждения уплотнительного торца, зависание силы, потеря плотности, пов­реждения торцевой поверхности иглы, распрессовка сопел, а также износ сопловых отверстий по диаметру. Из указанных дефектов примерно половина приходится на повреждение уплотнительного торца. Износ сопловых отверстий по диаметру на 1000 часов эксп­луатации составляет порядка 10 - 20 мкм. При этом общий ресурс распылителей с учетом проведения ремонтов составляет (8-10)*103 ч. К дефектам, определяющим ресурс распылителей, относятся изнашивание и потеря герметичности запорного конуса, а также коксование отверстий распылителя и направляющей иглы. По данным зарубеж­ных специалистов применительно к дизелям фирмы "Зульцер" при­мерно 75 % распылителей бракуется вследствие чрезмерного из­нашивания распыливающих отверстий, а ~ 25 % приходится на из­нашивание запорного конуса распылителя.

Топливная аппаратура относится к наиболее ответственным узлам ГД и ВД. Их отказы вследствие рассмотренных выше причин могут привести к внезапному выходу из строя двигателя. Поэтому в процессе эксплуатации топливной аппаратуры необходимо вести постоянный контроль ТС ее отдельных элементов.

КРЫШКИ. Анализ информации по эксплуатационной надежности крышек цилиндров за период эксплуатации ГД, например, применительно к судам типа «Академик Сеченов» в течение шести лет (с 1981 по 1986 г.) показал, что наибольшее количество от­казов приходится на второй (11 отказов), третий (11 отказов) и четвертый (14 отказов) годы эксплуатации. Несколько иная ситуация относительно крышек цилиндров ГД на т/х "Г.А.Насер". В этом случае за второй год эксплуатации было 8 отказов и шестой - 9 от­казов.

Анализ отказной информации показывает, что основная причи­на крышек - трещины сварных швов (67 %). В процессе эксплуатации имели место свищеобразование (5 %), пропуски газов (19 %) и водотечность (9 %).

Крышки цилиндров во многом определяют надежность работы ГД. В зависимости от типа ГД их наработка на отказ различна. Напри­мер, средняя наработка на отказ для ГД типа "Зульцер" составляет от 3,7 тыс.ч. до 5,5 тыс.ч., а для ГД типа "Бурмейстер и Вайн" 1,68 тыс.ч. Очевидно, это связано со спецификой работы и особенностями конструкции. В период работы ГД крышки воспринимают значительные тепловые потоки и большие давления горячих газов, что приводит к возникновению существенных тепловых и механических напряжений. Кроме того, крышки испытывают и большие мон­тажные напряжения от затяжки шпилек. Совокупное воздействие этих причин способствует образованию трещин в крышках. Количест­во отказов, связанных с трещинообразованием может составлять по­рядка 40 %.

Основной причиной водотечности вставок являются частые пе­регрузки ГД. Например, применительно к ГД МАН К7Z 70/120 трещины в крышках цилиндров появлялись в районе отверстия пусково­го воздуха или форсунки. Очевидно, это связано с резкими изменениями температуры стенок крышки при пусках и реверсах ГД. Пос­ле пуска ГД температура отдельных мест крышки в течение 2 мин. может возрасти на 190° С, а при остановке за тот же период сни­зится на такую же величину.

Образование трещин, например, в местах перехода цилиндрической поверхности крышки к донышку может явиться следствием наруше­ния режима охлаждения из-за загрязнения. В процессе отложения различных примесей, которые поступают с водой, происходит ухуд­шение теплоотдачи от стенок крышки, а это может привести к де­формации поверхности донышка. Поэтому в целях поддержания необходимой работоспособности крышки требуется тщательный контроль за качеством воды и ТС охлаждающих поверхностей.

Наибольшее количество отказов крышек цилиндров ГД МАН К7Z 57/80А-3 связано с образованием трещин в огневом днище крышки в районе форсуночного отверстия. При этом в районе предохранитель­ного клапана были случаи образования свищей, происходил обрыв шпилек, появлялись трещины в днище после 12 тыс.ч. наработки. Предпосылкой к образованию трещин могут быть: несоблюдение установленных зазоров, выкрашивание контактных поверхностей между верхней и нижней частями крышки, попадание грязи, рако­вины на сопрягаемых

4. Основные причины отказов втулок цилиндров ГД. Зоны возникновения трещин. Наработка на отказ. Предпосылки интенсивного износа. Причины задира, граничная температура. Причины образования нагара. Динамика потока отказов и изменение вероятности безотказной работы цилиндровых втулок.

ВТУЛКИ. В процессе работы этого элемента ЦПГ, например, при­менительно к судам типа т/х "Академик Сеченов" по данным статис­тических исследований [4] наибольшее количество отказов приходится на второй (11 отказов), третий (11 отказов) и четвертый (14 от­казов) год эксплуатации. Причинами отказов цилиндровых втулок (т/х "И.Тевосян") явились натиры (26 % отказов), наработок (39 %) наличие лаковой пленки (10 %), износ (25 %). Для ГД (т/х "Акаде­мик Сеченов") цилиндровые втулки выходили из строя вследствие натиров (15 %), наработок (38 %), наличия лаковой пленки (11 %), износа (31 %), задиров (3 %) и язв (2 %).

Наличие задиров, а также повышенного и неравномерного из­носа являются следствием воздействия горячих газов и трения порш­невых колец. Коррозионные, эррозионные и разрушения кавитационного происхождения могут возникнуть из-за омывания охлаждаемой водой наружной поверхности втулок. Наличие трещин в цилиндровых втулках является следствием больших температурных напряжений из-за значительного перепада температур между огневой поверхностью втулки и поверхностью охлаждения.

Чаще всего трещины появляются на верхнем посадочном бурте. Были случаи, когда трещины образовывались через 30 тыс.ч., а в некоторых случаях и через 100 тыс.ч. Материалы, опубликованные в различных литературных источниках, показывают, что трещины в буртах втулок практически образуются на судовых дизелях всех типов. Трещины могут привести к попаданию воды в цилиндр, а также к обрыву втулки по фланцу в процессе работы ГД. Анализ литера­турных источников показывает, что образование трещин под опорными фланцами втулок является следствием ряда причин, но глав­ная - это недостаточная жесткость остова ГД. В качестве предпо­лагаемых причин трещин и задиров втулок могут быть отмечены: нарушения температурного режима цилиндра, малое количество пода­ваемого масла, отклонение геометрических параметров втулок. Предпосылками для интенсивного изнашивания втулок могут быть: поломка или повышенный износ поршневых колец, чрезмерная пода­ча цилиндровой смазки. Считается, что опасность задира возни­кает при температуре ≈ 240°С. Возможными причинами задиров мо­гут быть: несоответствие структуры металла колец и втулки, нару­шение режима смазки, неисправность топливной аппаратуры и др. Задиры деталей ЦПГ и их повышенный износ - это характерные де­фекты практически всех судовых дизелей. В их основе лежит микро­задир, представляющийся как разрыв масляной пленки на малой площади зеркала цилиндра, которая не восстанавливается в течение нескольких ходов поршня.

Ч резмерная подача цилиндровой смазки приводит к образова­нию нагара на поршне в районе масляных штуцеров. Из-за трения слоя нагара о стенки втулки происходит: её местная выработка, прорыв газов под кольца, перегрев втулки со всеми вытекающими последствиями. Необходимо постоянно: контролировать дозировку цилиндровой смазки при каждом подъеме крышки или выпускного клапана, устранять нагар, следить за состоянием маслоразводящих канавок, "разделывать "полосы местной выработки втулки с помощью камня.

В качестве примера на рис. 5.5. приведена динамика по­тока отказов цилиндровых втулок ГД применительно к т/х "И.Тевосян" и т/х "Академик Сеченов".

Динамика потока отказов цилиндровых втулок

Рис. 5.5. (1 – т/х "И.Тевосян"; 2 – т/х " Академик Сеченов").

В идно, что характер изменения функции ω(t) неоднозначный. Наиболее выраженный колебательный процесс наблюдается у ГД т/х "Академик Сеченов". Практически отсутствует участок стабилизи­рованного потока отказов. Средний уровень параметра потока отказов ωср у ГД т/х "И.Тевосян", примерно в 1,6 раза выше по сравнению о ГД т/х "Академик Сеченов". По данным [18] для ГД 9 ДКРН 50/110 стабилизированный участок функции составляет примерно 5*103 часов в пределах наработки t = (2 - 7)*103 ч. При этом величина ωср ≈ 0,45.

Вероятности безотказной работы цилиндровых втулок ГД указанных танкеров представлены на рис. 5.6.

5. Основные элементы, определяющие надежность поршней и причины их отказов. Количественные данные. Динамика потока отказов и изменение вероятности безотказной работы от наработки. Причина наибольшего количества отказов поршней для ГД танкеров. Причины прогорания донышка поршня.

Такая картина объясняется тем, что поршни судовых дизелей работают в наиболее напряженных условиях. Днище поршней пред­ставляет собой часть камеры сгорания и, таким образом, под­вергается с одной стороны воздействию высоких температур, а с другой - давлений со стороны газов.

Рассматривая детали ЦПГ двигателей в целом, необходимо от­метить, что отказы поршней являются наиболее опасными, так как могут привести к тяжелым авариям.

В различных литературных источниках отмечается, что основ­ными дефектами двигателей являются: выгорание и растрескивание металла днища; повреждение, а также износ компрессорных колец и их канавок; отложение нагара и кокса в поршневых канавках, а также на поверхности головки поршня; износы и задиры тронка.

К причинам прогорания донышка поршня можно отнести: несо­вершенствование конструкции, некачественный распыл, отложения нагара, а возможно и накипи с охлаждающей стороны. Обычно выго­рание сопровождается появлением трещин. Чаще всего трещины воз­никают в районе отверстий для прохода масла к центру днища во втулкообразном приливе. По данным работы [18] сквозные трещины возникают по первой кольцевой канавке длиной порядка 150-400 мм.

Анализ литературных источников показывает, что на ряде поршней в районе выхлопных окон вследствие высоких температур­ных напряжений, различных перепадов температур и низкого качест­ва металла происходит: ографичивание этого металла, появляются микротрещины, выдувание и унос части металла под действием струи газов, обладающих высокой скоростью и давлением, в систему выпуска.

В качестве одной из причин выгорания можно отметить износ сопловых отверстий или неправильную установку сопел. Сюда можно отнести и превышение допустимого уровня тепловой напряжен­ности головки поршня при перегрузке двигателя или ухудшении рас­пыла топлива.

Износы и поломки поршневых колец, например, ГД 7ДКРН 50/110-2, установленных на судах типа "Памир", составляли 37,5 % от все­го количества отказов двигателей и 83 % от всего количества от­казов ЦПГ. При этом средняя наработка составляла ≈ 0,83 тыс.ч.

При эксплуатации судовых двигателей различных типов были случаи, когда на сопрягаемых поверхностях головки и тронка, а также тронка и фланца штока: происходило фреттинг - изнашивание, местное выкрашивание металла, появлялись следы наклепа, возникало нарушение плотности соединения, а также ослабление крепления этих деталей.

6. Основные причины отказов выпускных клапанов и головных подшипников ГД. Динамика потока отказов выпускных клапанов. Изменение вероятности безотказной работы от наработки. Характерные дефекты головных подшипников. Наиболее опасные процессы для их работы и последствия. Показатели безотказной работы элементов ГД.

ВЫПУСКНЫЕ КЛАПАНЫ. Их отказы могут привести к тяжелым последствиям с вынужденными остановками на ремонт ГД. По данным работы [18] их наибольшее количество приходится на четырехтактные дизели, используемые в качестве ГД.

Отказы таких элементов, например, у двигателей ПИЛСТИК 16 PC 2 - 400 составляют 42,5 %, у двигателей 12 PC 2 - 400 -21,9 % от общего количества отказов. Это в основном связано с прогоранием, раковинами, трещинами тарелок, а также с трещинами в шпинделях и поломкой пружин.

В процессе эксплуатации отмечались случаи коррозии клапанов. Их отказы чаще всего имели вид прогаров тарелки в районе посадоч­ного пояска, а в некоторых случаях и седла. Были случаи замены клапанов из-за повышенного износа штока. Опыт показывает, что за 15*103 ч. работы двигателей полностью выбраковываются пример­но 30 % клапанов от их общего числа.

Прогорание выпускных клапанов приводит к тяжелым последствиям.

Так, при работе ГД т/х "Одесса" через - 5,38*103 ч. произошел обрыв тарелки клапана, в результате чего была повреждена цилинд­ровая крышка, поршень и цилиндровая втулка. В конечном итоге бы­ли разрушены остальные три клапана цилиндра. На этом же судне отколовшиеся куски тарелок выпускных клапанов семь раз выводили из строя сопловой аппарат и роторы турбокомпрессоров.

Динамика потока отказов выпускных клапанов ГД приведена на рис.5.9.

Рис. 5. 9. (1 - выпускные клапаны ГД т/х "Г.А.Насер").

Анализ приведенной зависимости показывает, что область из­менения функции ω = f(t) образно можно разбить на три зоны. В первой зоне tI = (0-1)*I03 ч. интенсивность потока отказов минимальная ωI min ≈ 0,25. Для второй зоны tII ≈ (1-3,5)*103 ч.

Характерно наибольшее количество отказов клапанов ωIImax ≈ 2,0. Протяженность третьей зоны составляет tIII = (3,5-5,5)*I03 ч. при этом ώIII ≈ 0,75.

Вероятность безотказной работы выпускных клапанов приведена на рис. 5.10.

И зменение вероятности безотказной работы выпускных клапанов в зависимости от наработки.

Рис. 5.10. (1 - выпускные клапаны ГД т/х "Г.А.Насер").

Видно, что наиболее резкое изменение Р(t) наблюдается в пределах первой тысячи часов работы выпускных клапанов. С увеличением времени эксплуатации крутизна функции P(t) умень­шается.

ГОЛОВНЫЕ ПОДШИПНИКИ. Отказы этого элемента ГД связаны с разными причинами. Например, в процессе эксплуатации ГД т/х "Г.А.Насер" с 1983 по 1986 г. имели место выкрашивания баббита (15,12 * 103 ч.) с носовой части цилиндра № 5. На подшипниках цилиндров № 1,2 после наработки 23,02 103 ч. появились трещины баббита с незначительным выкрашиванием. Однако на подшипнике цилиндра № 4 было значительное выкрашивание по всей рабочей поверхности. Имели место трещины на подшипниках цилиндров № 3, 5, 6, 7, 8, 9 с выкрашиванием баббита на общей площади для каждой половины более 400 см2.

Во время работы ГД т/х "Маршал Чуйков" с 18.01.85 по 3.04.85 г. при наработке головных подшипников 3,56*103 ч имели место волосовидные трещины примерно на 40 % контактной поверхности (цилиндр № I), отслаивание баббита площадью 10 мм на нижней части в середине контактной поверхности ближе к сто­роне выхлопа (цилиндр № 2), точечное отслаивание баббита глуби­ной 0,2 - 0,5 мм площадью примерно 6 % на рабочей поверхности носового подшипника (цилиндр № 4), точечное отслаивание бабби­та глубиной 0,2 - 0,5 мм площадью 18 % на рабочей поверхности кормового подшипника (цилиндр № 4), точечное выкрашивание бе­лого металла носового подшипника в районе средних холодильни­ков ближе к правой стороне общей площадью ≈ 20 мм2 и глуби­ной до 0,5 мм (цилиндр № 5), точечное выкрашивание белого металла на нижнем носовом и кормовом подшипниках площадью соответственно 8 мм2 и 5мм2 и глубиной до 0,3 мм (цилиндр № 6).

После наработки 12,67*I03 ч на т/х "И.Тевосян" нижние части головных подшипников (цилиндры № 1,3,9) имели выкрашивание металла. К характерным дефектам головных подшипников относят раст­рескивание слоя заливки, отставание его от поверхности стального вкладыша, натиры, натяг металла, подплавление, а в некоторых слу­чаях полное выплавление. По данным литературных источников в начальный период эксплуатации дизелей "Зульцер" Д 76, Д 90 наблюдалось массовое растрескивание заливки нижних половин голов­ных подшипников с последующим выкрашиванием баббита. Причем это проявлялось уже после наработки (3,2-3,6)*103 ч. Происходило разрушение нижних половин головных подшипников. Основной причиной таких разрушений является недостаточная жесткость поперечного крейцкопфа и опор. По мнению фирмы "Зульцер" трещины, отставание металла в головных подшипниках - это разрушения усталостного характера. По опыту эксплуатации подшипников в Балтийском морском пароходстве более вероятной причиной образования трещин двига­теля КД 76 является недостаточная смазка. Кроме того, причиной разрушения головных подшипников могут быть нарушения технологии заливки, некачественная подготовка, а также несоответствие при­меняемого сорта баббита

7. Элементы, определяющие работоспособность ДГ и причины их отказов. Их физическая сущность. Количественные данные по отказам. Динамика потока отказов ДГ. Факторы преобладающего влияния на отказы узлов и деталей ЦПГ. Вероятности безотказной работы ДГ при различных вариантах резервирования.

Одним из источников отказов элементов ГД являются техноло­гические дефекты, к которым можно отнести дефекты: поковок, плавок, недостаточное качество механической обработки, дефекты сварки и сборки. При этом около половины отказов технологичес­кого характера относятся к металлургическим дефектам.

Изломы и обрывы можно классифицировать как внезапные отка­зы, носящие динамический и усталостный характер. Они могут яви­ться и средством превышения предела прочности. Усталостные изло­мы возникают под действием переменных нагрузок.

Окислительный (коррозионный) износ происходит при образо­вании на поверхности трения пленок в результате взаимодействия материала детали с кислородом воздуха. В таких случаях наличие больших деформаций в поверхностных слоях облегчает диффузию кислоро­да и его взаимодействие с металлом.

К элементам автоматики, выходящим из строя в процессе эк­сплуатации ДГ, относятся: токовые реле в цепи предварительного возбуждения, теристор выпрямителя возбудителя, блок защиты, клеммные вводы, регулятор числа оборотов, контакторы, токосъемные кольца и выключатели.

Причинами отказов этих элементов явились: обрывы монтажного провода, износ изоляции кабелей, вибрация, пробои, поломки и износ шлицевых соединений, заклинивание контактов, поломки пружин, перегрев катушек, деформация корпуса и т.п.

Результаты статистического обобщения показывают [4]: количество отказов, приходящихся на насосы, составляет 25 %; подшипники - 16 %; форсунки - 14 %; систему автоматики - 12 %, клапаны – 11, поршни - 9 %; крышки цилиндров - 8 %; топливные трубки - 5 %.

Динамика потока отказов ДГ в процессе их эксплуатации при­ведена на рис. 5.11.

И зменение параметра потока отказов ДГ от наработки

Этот период эксплуатации соответствует приработочному режиму работы ДГ с параметрами tпр, ωпр и наименьшим уровнем рабо­тоспособности. Сложный характер изменения функции ω = f(t) этой области обусловлен отказами различной природы.

Очевидно, в большей степени проявляются фактические (явные) отказы, и в меньшей - потенциальные, характеризуемые постепен­ным разрушением поверхности деталей.

Преобладающее влияние на отказы узлов и деталей ЦПГ ока­зывают технология изготовления, монтаж и дефектность материала. Иначе этот период эксплуатации можно назвать периодом отсеива­ния дефектных деталей (выявление деталей с низким уровнем на­дежности).

Во второй зоне протяженностью t ≈ (10-25)*103 ч ампли­туда колебаний величины ω уменьшается, что свидетельствует о стабилизации режима работы ДГ и, соответственно, наступлении стационарности потока отказов. В этой период усиливается про­явление потенциальных отказов в основном износового происхождения, но не исключены отказы коррозионного, эрозионного и дру­гого характера, например, внезапные. Параметрами этого ре­жима эксплуатации являются tст, ωст.

В третьей области t > 25*103ч значение ω вновь воз­растает, что свидетельствует о нарушении стационарности потока отказов. В этот период начинает сказываться необратимость физи­ко-химических процессов, возрастает роль потенциальных отказов, происходит интенсивный износ отдельных улов и деталей и, как следствие, снижается уровень работоспособности ДГ. Режим работы ДГ становится неустановившимся с параметрами tн и ωн. Продолжительность работы ДГ в этой области определяется допустимым значением параметра потока отказов ωндоп.

Вероятности безотказной работы ДГ для трех случаев приведены на рис. 5. 12.

Вероятности безотказной работы ДГ при различных вариантах резервирования

Рис. 5.12. (1- с учетом резервного и аварийного; 2- с учетом резервного; 3- без учета резервного и аварийного).

Анализ приведенных результатов показывает [4], что коэффициент надежности Р(t)

8. Основные показатели эксплуатационной надежности ГТН различных типов. Количественные данные. Элементы, определяющие работоспособность ГТН, их причины и физическая сущность. Обобщенная информация по отказам ГТН. Факторы, определяющие эксплуатационные качества подшипников.

По статистическим данным применительно к сухогрузным и нефтеналивным судам на каждые 1000 часов работы в среднем прихо­дится до 7 остановок ГД из-за отказов ГТН, что составляет при­мерно 3,5 % общего количества остановок ГД. Поэтому надежность ГТН в значительной степени определяет работоспособность обслу­живаемых дизелей.

Для получения количественных данных по эксплуатационной надежности ГТН проведены статистические исследования [4]. Не­которые результаты таких исследований приведены ниже.

Обобщенная информация по надежности узлов рассмотренных типов ГТН и причинам их отказов приведены в табл. 5. 4.

Таблица 5.4.

Обобщенная информация по отказам ГТН

Характер отказа Основные узлы

Газовыпускной

корпус Сопловой аппарат Лопатки ротора Подшипники

скольжения Лабиринтовое

уплотнение

Трещины, % 40 65 13 5 -

Износ,

% - - - 95 100

Поломки, % - - 77 - -

Коррозия, % 60 35 - - -

Величина Коуз 0,44 0,23 0,16 0,11 0,06

Примечание: к0уз - коэффициент отказа узла.Видно, что примерно половина отказов приходится на газовы­пускной корпус, являющихся следствием трещин и коррозионных яв­лений. Образование свищей в основном происходит в верхней час­ти корпуса по направлению движения охлаждающей вода. В некото­рых случаях эррозиониое разъедание приводило к утонению стенки корпуса до 2 мм. В процессе эксплуатации ГТН на т/х "И.Тевосян" имело место образование сквозного свища Ф 10 мм в верхней части газовыпускного корпуса, сопровождающееся большим расходом охлаждающей пресной воды. Одной из причин свищеобразования явля­ются технологические дефекты литья. Трещинообразование харак­терно для нижней и верхней части корпуса.

К причинам появления трещин можно отнести частое изменение режима работы ГД до номинального и возможные тепловые перегруз­ки. Свищи эрозионного характера чаще всего имеют место в чугун­ных корпусных частях ГТН, охлаждаемых забортной водой, из-за недостаточной эффективности защиты от воздействия электрохимической коррозии. По опыту эксплуатации ГТН типа AT L-5 сухогрузных судов типа "Андижан" свищи появились через 11 тысяч часов работы, а на т/х "Монтугай" - через 4,8 тыс. часов. При этом на момент аварии защитные цинковые протекторы корпусов были изношены на 70-80 % первоначальной массы. Однако разрушения эрозионного характера и свищеобразование возможно в чугунных и силуминовых корпусах ГТН, охлаждаемых и пресной водой. Предо­твращение таких явлений возможно при введении в систему охлажде­ния корпусов антикоррозионных присадок и тщательном контроле протекторной защиты. При охлаждении пресной водой и удержании постоянно пленки защитной антикоррозионной присадки срок службы цинковых протекторов может достигать (10-12 тыс.ч).

Причиной появления трещин в корпусах ГТН может быть наличие масляных и шламовых отложений в полости охлаждения ГТН и больших нагрузок по среднему индикаторному давлению при сравнительно низкой частоте вращения ГД. Причиной образования свищей могут быть ографичивание материала (чугуна) и естественное старение. Одной из причин разрушения уплотнений может быть неравномерная за­тяжка крепежных болтов во время заводской сборки.

Второе место по значимости занимает проточная часть ГТН (лопатки соплового аппарата и рабочие лопатки турбины), на долю которой приходится 39 % отказов. Здесь в отличие от газовыпуск­ного корпуса преобладают отказы, связанные с образованием тре­щин в основном на внутренней части соплового аппарата, очевидно, являющиеся следствием скрытых дефектов изготовления и допустимых напряжений при сборочных операциях. Коррозионные разрушения свойственны посадочным буртам соплового аппарата. В процессе эксплуатации ГТН наблюдались обрывы лопаток, приводящие к дисбалансу ротора, появлению повышенной вибрации и постороннему шуму. Этот элемент определяет ресурс ГТН и по сравнению с дру­гими узлами является наиболее подверженным повреждениям, которые выражаются: в обрывах и разрывах лопаток, появлении трещин, заги­бов, изгибов, искривлений и вырывов кромок. Они являются следст­вием попадания в проточную часть турбин обломков поршневых ко­лей (чаще всего), экранных стаканов выпускных клапанов, а также защитных решеток (в меньшей степени). В процессе эксплуатации ГТН были случаи попадания в проточную часть обломков газовой заслонки УК. К другой причине выхода из строя сопловых и рабочих лопаток турбин ГТН относится явление вибрационного и усталостного харак­тера, возникающее следствие колебаний температуры газа и пусково­го воздуха при частых реверсах ГД. При этом могут возникнуть и резонансные напряжения в лопастях турбин, особенно при работе ГТН на неустойчивых режимах, в результате чего возможны вырывы и выкрашивания и, прежде всего, на выходных кромках. В эксплуатаци­онной практике были случаи, когда рабочие лопасти турбины имели загнутые концы по всей окружности со стороны соплового аппарата, сопловое кольцо по всей окружности имело небольшие вмятины, ра­бочие лопатки компрессорной стороны имели следы касания о вставку воздухоподводящего корпуса.

Практика эксплуатации ГТН показывает, что одним из узлов, определяющих их надежность, являются подшипники, условия работы которых зависят от особенностей работы ГД. Для подшипников качения характерны: увеличенный износ в желобах, поломка элементов сепа­рации, значительная выработка диаметра гнезда шарика или ролика сепарации, смятие и срез шариков, натяги и надиры металла сепарации и шариков. Причинами этих повреждений могут быть несоответствие ресурса подшипника с действительным условием работы, плохое качество смазочного масла, ухудшение его эксплуатационных качеств (например, высокая температура масла, контакт с газами), нерав­номерная и недостаточная подача смазочного масла, загрязнение лабиринтовых уплотнений, низкое качестве сборки ГТН и подшипниковых узлов. Срок службы подшипников (пассажирские, су­хогрузные, нефтеналивные, лесовозы, учебно-производственные) в зависимости от типа ГТН изменяется в пределах от 7,87 тыс.ч до 19,6 тыс.ч.

Основная причина отказов подшипников скольжения ГТН – износ. В меньшей степени проявляются трещины и задиры на рабочих поверхностях. Отказы подшипников являются следствием: заниженных уста­новочных масляных зазоров, повышенной динамической неуравнове­шенности ротора, недоброкачественной смазки и неудовлетворитель­ного состояния смазки. Причиной образования трещин и выкрашивания металла подшипников в местах касания ротора его рабочей шейкой является повышенная вибрация. Характер и степень износа может быть различными. Были случаи, когда первоначально установленные масляные зазоры 0,04 - 0,06 мм опорных подшипников через 3-4 тыс. часов работы увеличивались в 3 - 4 раза. При этом наиболее сильный износ наблюдался до 1,0 тыс. часов, а затем шел медлен­нее. Практика показывает, что в зависимости от условий эксплуатации сроки замены подшипников скольжения также различны (от 5 тыс. часов до 35 тыс. часов).

Эксплуатационные качества подшипников зависят от различных факторов: добавочная неуравновешенность, возникающая вследствие отрывов, вырывов и другого рода повреждений рабочих лопаток турбины; нагрузка от инерционных сил, возникающих при качке судна; дополнительные нагрузки, обусловленные местными отпаданиями нагара с поверхностей деталей ротора; вибрационные явления, возникающие при работе других механизмов на судне, а также вследствие задевания роторных частей о статорные, импульсного и парциального подвода газов к турбине, колебания валов на масляной пленке (автоколебания), обусловленные повышенной вязкостью масла и уве­личенными зазорами в подшипниках.

Основные причины выхода из строя лабиринтовых уплотнений - износ. Их повреждения подразделяют на две группы: механические и физические. Первые выражаются в виде стачивания гребешков при задевании роторных частей ГТН о статорные. Причинами этого явля­ются: просадки в подшипниках; осевые сдвиги роторов в процессе ремонта ГТН; прогибы и изгибы вала; повреждения при сборочноразборочных операциях.

Повреждения в лабиринтовых уплотнениях в основном происходят из-за нарушений в работе опорных и опорно-упорных подшипников. Признаками, указывающим на износ уплотнений, является выход воздуха и унос вместе с ним масла через вентиляционные отверстия в торцевой крышке. Опыт эксплуатации показывает, что после 6-8 тыс.ч работы по причине загрязнения ГТН давление продувочного воздуха снижается в среднем на 0,006 - 0,008 мПа, а температура выхлопных газов возрастает на 15-25°С. При этом удельный расход топлива увеличивается на 2-4 т/э.л.с.ч.

9. Основные периоды межремонтного эксплуатационного периода насосов. Причины приработочиых отказов. Основные узлы, определяющие работоспособность грузовых ЦН. Причины отказов и количественные данные, элементы, определяющие работоспособность сальникового уплотнения.

Насосы, входящие в состав СЭУ, имеют различные конструктивные модификации и функциональные назначения. В некоторой степени это отражается и на их эксплуатационной надежности.

Межремонтный эксплуатационный период насосов образно можно разбить на три области [4,7]: приработка, стабилизированный режим (нормальная эксплуатация), режим с преобладанием необратимых физико-химических процессов (старение). При этом особое место, с точки зрения экономии материальных затрат, занимает режим нормальной эксплуатации, продолжительность которого существенным образом зависит от характера режима приработки, обусловленного отказами различной природы.

Приработочные отказы могут явиться следствием: неудачной компоновки деталей и узлов, их некачественной сборки, технологи­ческих дефектов литья, низкого качества ремонтных и монтажных работ, отклонения от расчетных эксплуатационных режимов и т.п.

ГРУЗОВЫЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАСОСЫ. Результаты количественной оценки их уровня надежности основных узлов приведены в табл. 5.5. [4,7].

Отказы элементов сальникового уплотнения в количественном отношении распределяются следующим образом: графитовые кольца – 46%, резиновые – 20%, втулки – 19%, защитные кольца – 15%. Выход из строя подшипников в основном связан с отказами сепарации – 47%. На долю их тел вращения приходится 21% отказов. Минимальным уровнем надежности рабочих колес обладают уплотнительные кольца. Наиболее уязвимым элементом предохранительных клапанов является седло. На его долю приходится более 50% отказов. Выход из строя предохранительных клапанов по причине отказов пружин составляет 17%.

Количественные данные относительно материальных затрат на устранение отказов грузовых ЦН (относительное время восстановления, средняя удельная трудоемкость) приведены в табл. 5.6.

Таблица 5.6.

Количественные значения материальных затрат на устранение отказов грузовых ЦН

Серийный танкер Значения величин

в, ч/тыс.ч. , чел.-ч/тыс.ч.

«Крым» 1,97 4,67

«Победа» 2,17 5,12

«Сплит» 2,47 5,83На крупнотоннажных нефтеналивных судах на ТО грузовых ЦН существенное влияние оказывает погрузочно-разгрузочные операции. По данным испытаний на т/х "Кривбас" ротор турбонасосного агре­гата при таких операциях подвергался смещениям и изломам, зна­чительно превышающим допустимые нормы.

10.Основные группы узлов зачистных ПН в зависимости от уровня эксплуатационной надежности. Причины отказов в приработочном периоде эксплуатации. Комплексные показатели надежности, их количественные данные.

ЗАЧИСТНЫЕ ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ. В зависимости от уровня надеж­ности основные узлы этих насосов можно разбить на три группы [4]. Первая группа (уплотнительные кольца гидравлических поршней, всасывающие клапаны, нагнетательные клапаны) имеют ми­нимальный уровень надежности. Для этой группы характерно наибольшее количество отказов. Вторая группа (золотниковый привод, сальни­ковые уплотнения штоков, золотниковые пары, втулки гидравлических цилиндров) имеет уровень надежности примерно в три раза больший по сравнению с первой группой.

Узлы третьей группы (поршни гидравлических цилиндров, уплотняющие кольца паровых цилиндров; штоки, подшипники, корпус гидравлических цилиндров, втулки паровых цилиндров, корпус паровых цилиндров, предохранительные клапаны, поршни паровых цилиндров) имеют максимальный уровень надежности.

В приработочном периоде tпр = (0-5)*103 ч имеет место наибольшее количество отказов. Основными причинами могут явиться неудачная компоновка деталей узлов, их некачественная сборка, технологические дефекты литья, низкое качество монтажных работ и т. п. В этот период по существу происходит выявление дефектных элемен­тов с низким уровнем надежности.

При работе в стабилизированном режиме (основном эксплуатаци­онном периоде) tст = (5-15)*103 ч количество отказов уменьшается.

Количественные данные по показателям надежности и ремонтопригодности для указанных периодов эксплуатации зачистных поршневых насосов приведены в табл. 5.7. [7]

Таблица 5.7.

Показатели надежности и ремонтопригодности зачистных поршневых насосов

11.Основные узлы, определяющие эксплуатационную надежность насосов ТУК и паровых контуров. Количественные данные по коэффициенту отказов узлов циркуляционных, питательных, конденсатных и насосов охлаждения конденсаторов. Основные причины отказов и их физическая сущность. Наиболее уязвимые элементы циркуляционных и питательных насосов. Показатели безотказности и ремонтопригодности.

НАСОСЫ ТЕПЛОУТИЛИЗАЦИОННЫХ И ПАРОВЫХ КОНТУРОВ. Такие насосы выполняют различные функции, в частности используются как циркуляционные, питательные, конденсатные и охлаждения. По дан­ным статистических исследований [4] они имеют различные пока­затели эксплуатационной надежности (табл. 5.8.).

Таблица 5.8.

Значения коэффициентов отказов основных узлов

Назначение

насосов

Страна изготовитель Основные узлы

Сальниковое уплотнение Подшипники

Рабочее

колесо Корпус

Предохранительный клапан Вал

Прочие

Циркуля-

ционные ПНР 0,11 0,43 0,10 0,15 0,14 0,04 0,03

ФРГ 0,34 0,15 0,04 0,05 0,37 0,03 0,02

Питательные Дания 0,50 0,10 0,21 0,10 0,03 0,03 0,03

Конденсатные ФРГ 0,33 0,22 0,15 0,17 0,07 0,02 0,04

Охлаждения конденсатора Югосла-

вия 0,41 0,07 0,14 0,21 0,07 0,07 0,03

Анализ приведенных результатов показывает, что наиболее уязвимым элементом у циркуляционных насосов (ПНР), перекачиваю­щих воду с t = 130 - I45°C, являются рабочие колеса. Основная причина отказов - кавитационные разрушения (55%). Степень кавитационного поражения поверхности рабочих колес различна. Были случаи полного кавитационного разрушения рабочих колес всех сту­пеней насоса, в том числе и направляющих аппаратов. Очевидно, это связано с низким качеством металла (бронзы) и с неправильным выбором насоса в части условий работы на всасывании. По причине износа отказы составляют 23%. Отказы вследствие поломок составляют 16%, а из-за коррозии – 6%.

Для циркуляционных насосов (ФРГ), работающих в составе теплоутилизационного контура, наибольшее количество отказов связано с сальниковым уплотнением. Основная причина отказов - износ (71 %). Особенно сильно подвержены износу облицовочные элементы вала в районе сальникового уплотнения из-за некачественной набивки. На долю рабочих колес в этом случае приходится ≈15 %. Отказы элементов вследствие поломок составляют 16%, кавитации - 9 % и коррозии – 4%.

Наиболее уязвимым элементом питательных насосов (Дания), работающих в таких контурах, являются сальниковые уплотнения. Основная причина отказов - износ 51%. Отказы вследствие поло­мок графитового подпятника, разрывов графитового уплотнения и резиновой манжеты, а также разрушение сепарации подшипников составляют ≈40%. Отказы рабочих колес кавитационного происхождения составляет 9%.

Обобщение эксплуатационной информации по питательным порш­невым насосам [7] позволило выявить уровень надежности отдель­ных элементов.

Коэффициенты отказов по уровню значимости распределяются следующим образом: плунжер (Коткп = 0,23), втулка ( Котквт = 0 18),

нагнетательный клапан (Коткнк = 0,12), всасывающий клапан (Котквк = 0,10), предохранительный клапан (Коткпк = 0,07), грундбукса ( Коткг = 0,07), подшипник (Коткп = 0,06), вал ( Коткп = 0,05), сальник (Коткс = 0,05), шатун (Коткш = 0,04).

Количественные показатели безотказности и ремонтопригодности насосов теплоутилизационных контуров приведены в табл. 5.9. [7].

Примечание: Н(tмэп) - среднее число отказов за межэксплуатаци­онный период.

12.0сновные группы элементов, определяющих работоспособность воздушных поршневых компрессоров. Причины отказов, их анализ и количественные данные. Наиболее существенный фактор, влияющий на техническое состояние элементов компрессоров. Характерные признаки отказов компрессоров.

5.5. Надежность компрессоров

Для выявления уровня их надежности были проведены статистические исследования [4]. Обобщенные результаты представлены в табл. 5.10.

Анализ полученных данных показывает, что основными причинами отказов элементов воздушных компрессоров являются износ и меха­нические повреждения. Вследствие износа в среднем для рассмотренных марок отказы составляют (~40%), а механические повреждения – (~ 30%). Для отдельных марок по этим причинам выходы из строя составляют порядка половины всех отказов. Отказы элементов компрессоров вследствие коррозионных процессов, задиров и трещин находятся примерно на одном уровне (~10%).

Одним из существенных факторов, влияющих на ТС элементов компрессоров, является качество монтажных работ, а также значи­тельный перепад температур в районе расположения компрессоров. Это приводит к образованию большого количества влаги в воздушной системе. Например, на судах "Иловайск" клапаны выходили из строя через 110 - 150 часов работы вследствие наклепа и чрезмерного износа. Около 10% отказов приходилось на поршневую группу, в ос­новном из-за повышенного износа поршневых колец. В процессе эксплуатации были случаи пригорания и поломок клапанов, особенно при переходе компрессоров на масло К 19. Отмечались частые случаи поломок и пригорания поршневых колец и их износ, а также задиры и износ поршней. Наблюдались случаи задиров на рабочих поверхностях втулок, гидравлические удары из-за пропусков охлаждающей воды в блоках.

Коррозионные процессы в основном характерны для элементов воздухоохладителей, приводящие к износу их проточной части. В про­цессе эксплуатации компрессоров наблюдались случаи ографичивания крышек воздухоохладителей. Значительная интенсификация коррозион­ных процессов происходит в области посадочных буртов крышек воз­духоохладителей и полостей охлаждения цилиндров. В меньшей степе­ни отказы компрессоров связаны с трещинами в блоках и крышках ци­линдров, разъеданием протекторной защиты, нарушением плотности арматуры, а также износом пружин клапанов и пальцев. Задиры порш­ней являются следствием недостаточного охлаждения компрессоров от навешенных на них насосов.

В процессе эксплуатации воздушных компрессоров польского про­изводства типа SС2 - 115 (т/х "Художник Моор") выходили из строя детали клапанов (поломки пружин, выкрашивание и трещины на седлах и ограничителях клапанов), происходили задиры.

Характерными признаками проявления отказов элементов компрес­соров являются: увеличение расхода масла, уменьшение производи­тельности, повышение давления после 1-ой ступени, пропуски воздуха в картере, отсутствие включения электромагнитного клапана продувания, обводнение масла, наличие белого металла в картере, уменьшение уровня масла в картере, повышение давления нагнетания, падение давления после 1-ой ступени, стуки в цилиндре и клапанах 1-ой ступени, подрыв предохранительного клапана 1-ой ступени, попадание забортной воды в картер, самопроизвольная остановка, увеличение нагрузки приводного электродвигателя, появление воды в нагнетательной полости, утечка воздуха, повышение температуры воздуха за воздухоохладителем, понижение давления масла, стуки в подшипниках вала и шатуна, понижение давления воздуха во 2-ой ступени, стуки в районе всасывающего и нагнетательного клапана, наличие забортной воды в системе продувания, чрезмерный нагрев цилиндров, сильная вибрация, появление ложных сигналов, прорыв воздуха в картер, подрыв предохранительного клапана, помутнение масла в картере, появление капель из клапана продувания ресивера 2-ой ступени при неработающем компрессоре, поступление масла че­рез контрольное отверстие, невозможность проворачивания привод­ным двигателем.