Надежность судовых систем является критическим аспектом для безопасности морской навигации и эффективности работы судов. Она включает в себя гарантирование стабильной работы всех основных компонентов судна, начиная от электрооборудования и двигателей, и заканчивая системами автоматизации и безопасности.
Одним из ключевых аспектов обеспечения надежности судовых систем является регулярное техническое обслуживание и проверка всех основных узлов и компонентов. Это включает в себя регулярные инспекции, тестирование и замену деталей, а также обновление программного обеспечения. Такой подход позволяет выявлять и устранять потенциальные проблемы еще до того, как они могут повлечь за собой серьезные аварии.
Кроме того, современные технологии и инженерные решения также способствуют повышению надежности судовых систем. Это включает в себя разработку высокоэффективных материалов, применение передовых методов проектирования и производства, а также использование средств автоматизации для мониторинга и контроля состояния систем в реальном времени. Все эти меры содействуют повышению надежности судовых систем и обеспечивают безопасную и эффективную эксплуатацию судна.
Причины снижения надежности
Основными отрицательными физико-химическими процессами при эксплуатации трубопроводных систем являются:
- гидроудары,
- коррозия,
- эрозия,
- и кавитация.
Отмечаются следующие основные отказы, характерные для металлических трубопроводов при их эксплуатации:
- разрывы трубопроводов;
- коррозионно-эрозионное изнашивание материала труб и защитных покрытий;
вследствие следующих причин:
- высокие скорости движения рабочих сред внутри труб;
- малые радиусы гибких труб и резкие переходы проходных сечений труб, особенно в местах установки различной арматуры и КИП;
- нарушение защитных покрытий, из-за сложности их нанесения;
- изменение эксплуатационных параметров жидкостей;
- напряжённо-коррозионное трещинообразование, которому подвергаются стальные трубы, в которых наблюдается присутствие галогенов (хлорид, бромид и т. д.), усиливающее совместное действие коррозии с механическими напряжениями и влажностью. В частности, все аустенитные нержавеющие стали, особенно при температуре выше 50 °С, и ферритные нержавеющие стали не подвержены этому типу коррозии и она может возникнуть лишь случайно в ферритно-аустенитных сталях.
Анализ опыта эксплуатации судовых систем показал, что причинами разрыва трубопроводов являются:
- гидроудары, перепады давления и вибрации – 60 % случаев;
- коррозионные процессы – 25 %;
- аварийные и эксплуатационные обстоятельства – 15 %.
Признаком коррозии является то, что она обычно появляется в локализованных областях, без полного образования ржавчины, и быстро распространяется, приводя к трещинам в металле. Таким образом, основным недостатком Материалы для трубопроводов судовых системсудовых трубопроводов является коррозия, на интенсивность которой в трубопроводах большое влияние оказывают следующие факторы:
- материал труб и защитных покрытий;
- местные сопротивления трубопроводов;
- гидродинамические характеристики потока (турбулизация, скорость, чистота обработки внутренней поверхности, толщина пограничного слоя и др.). Так, 90 % разрушений трубопроводов составляют круто загнутые колена, приваренные отростки, фланцевые соединения. Обычно коррозия наблюдается в местах сварки тройников, колен, распределительных коллекторов, фланцевых переходников и криволинейных участков, поэтому большей надежностью обладают прямолинейные литые конструкции;
- схема системы охлаждения (одноконтурная, двухконтурная, центральная);
- тип теплообменных аппаратов, кингстонов и арматуры.
На ледоколах применяют несколько ледовых ящиков (донных и бортовых) и рециркуляционный трубопровод, по которому часть нагретой забортной воды подводится к приемным трубопроводам охлаждающих насосов забортной воды или к ледовым ящикам.
Широко применяются центральные системы охлаждения забортной воды, значительно уменьшающие протяжённость трубопроводов забортной воды. Устанавливаются один центральный охладитель и насос забортной воды, в которых происходит охлаждение пресной воды внутренних контуров всех судовых систем.
Отказы контуров пресной и забортной воды систем охлаждения имеют следующий характер:
- коррозионно-эрозионные разрушения материала стальных неоцинкованных трубопроводов (местная язвенная коррозия приводит к сквозному разрушению стенок), возрастающие при повышении температуры воды до 60 … 80 °С и скорости воды до 2,5 … 3,0 м/с;
- негерметичность запорных органов систем;
- отказы насосов (эрозионное разрушение рабочих колес и повышенный износ уплотнений сальников) и теплообменной аппаратуры;
- отказы контрольно-измерительных приборов и элементов системы автоматики.
Затраты на устранение отказов систем забортной воды составляют 10 % от общей стоимости ремонта судна.
Эрозия Методы проектирования систем на судах морского флотав трубопроводных системах проявляется на внутренней поверхности труб вследствие ударов водяных пузырьков, песка и других твёрдых частиц. Если твёрдые частицы попадают в поток при высоких скоростях, эрозия возникает быстро, особенно на изгибах труб. Таким образом, высокие скорости в системах не должны применяться там, где возможен песок, глина или другие твёрдые частицы.
Для трубопроводов диаметром менее 50 мм предельное значение скорости составляет 1,2 м/с, для труб диаметром более 50 мм предельное уменьшение давления составляет 400 Па на 1 м деления трубы. В любом случае для ограничения эрозии, шумов и гидравлических ударов в трубопроводах скорость не должна превышать 4,6 м/с. Значения максимальной скорости для минимизации эрозии в трубопроводной системе приведены в табл. 1.
Таблица 1. Допустимые значения максимальной скорости в трубах | |
---|---|
Продолжительность работы системы, ч/год | Скорость воды, м/с |
1 500 | 4,6 |
2 000 | 4,4 |
3 000 | 4,0 |
4 000 | 3,7 |
6 000 | 3,0 |
Кавитация
Кавитация («kavitas», греч. «пустота») отрицательный физический процесс, под которым понимается нарушение сплошности потока жидкости, обусловленное появлением в ней пузырьков или полостей, заполненных паром или газом. Кавитация возникает при падении давления ниже давления насыщения при температуре рабочей среды, в результате чего жидкость закипает, образуется пар и выделяется растворённый в жидкости газ. Обычно эти процессы происходят одновременно. Давление, при котором возникает кавитация, зависит от физических свойств жидкости:
- температуры,
- давления,
- и скорости движения жидкости.
На практике жидкость быстро проходит через область пониженного давления и газ не успевает выделиться. В таком случае наблюдается паровая кавитация. Полости или пузырьки, заполненные паром, уносятся потоком в область повышенного давления, где пар конденсируется и полости, заполненные паром, замыкаются.
В лопастном насосе Насосы грузовых систем газовозовпаровая кавитация возникает на тыльных сторонах лопастей вблизи входных кромок, где вследствие местного увеличения скорости потока давление минимально. Давление жидкости на тыльной стороне у входной кромки лопасти зависит от давления во всасывающем патрубке насоса, гидравлических потерь в подводе и местной скорости жидкости. При конденсации пузырьков пара частицы жидкости, окружающие пузырек, находятся под действием возрастающей разности давления жидкости и давления внутри пузырька и движутся ускоренно к его центру. При полной конденсации пузырьков происходит столкновение частиц, сопровождающееся мгновенным местным повышением давления. Если конденсация пузырька происходит на стенке канала или вблизи неё, то происходит разрушение поверхности – выщербливание материала стенок канала, называемое кавитационной эрозией.
Отрицательные последствия кавитации:
- разрушение – эрозия стенок канала;
- появление шума, треска, ударов и вибрации установки вследствие колебаний жидкости, которые вызваны замыканием полостей, заполненных паром;
- уменьшение подачи, напора, мощности и КПД насоса;
- появление шума, вибрации, ударов, треска установки и, в конечном итоге, разрушение рабочих колёс вследствие колебаний жидкости и замыкания полостей, заполненных паром;
- ограничение высоты всасывания насоса.
Давление всасывания у входа в насос и, следовательно, в рабочее колесо тем меньше, чем больше высота всасывания и гидравлическое сопротивление во всасывающем трубопроводе и меньше давление в опорожняемой ёмкости.
При достаточно большой высоте всасывания и сопротивлении всасывающего трубопровода или очень малом давлении в опорожняемом баке давление у входа в рабочее колесо насоса становится настолько малым, что возникает кавитация. Значение давления, на которое полный напор жидкости во входном патрубке насоса превышает напор, соответствующий давлению ее насыщенных паров, называют кавитационным запасом:
где:
- pНП – давление насыщенного пара жидкости.
В табл. 2 приведены значения pНП для воды в зависимости от температуры.
Таблица 2. Зависимость давления насыщенного пара от температуры | |||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Температура t, °C | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
Давление pНП, м вод. ст. | 0,09 | 0,12 | 0,24 | 0,43 | 0,75 | 1,25 | 2,02 | 3,17 | 4,82 | 7,14 | 10,33 |
кПа | 0,88 | 1,18 | 2,96 | 4,22 | 7,36 | 12,26 | 19,82 | 31,1 | 47,3 | 70,84 | 101,3 |
Если весь кавитационный запас расходуется на преодоление гидравлического сопротивления подводящей (всасывающей) магистрали насоса, то давление понижается до давления насыщенного пара жидкости и возникает кавитация. Режим, при котором начинаются падение напора, КПД и наблюдается кавитация, называют первым кавитационным режимом. Этому режиму соответствует первый критический кавитационный запас Δhкр 1. При дальнейшем уменьшении кавитационного запаса паровая полость, удлиняясь, приближается к концу лопасти, что сопровождается снижением параметров насоса. При некотором значении Δh область кавитации распространяется на весь межлопастной канал, что приводит к резкому уменьшению напора и КПД, и насос перестаёт перекачивать жидкость, что соответствует второму кавитационному режиму Δhкр 2.
Кавитационный индекс, или кавитационное число, определяется по формуле:
где:
- p0, V0 – давление и скорость жидкости на всасывании;
- pНП – давление насыщенных паров. Например, для шаровых клапанов этот индекс менее 0,8, для поворотных затворов он ниже 1,5 при 10 %-м открытии;
- ρ – плотность рабочей среды.
Уменьшение отрицательных последствий кавитации может быть достигнуто посредством выполнения следующих действий:
- использование специальных рабочих колес, имеющих повышенные кавитационные свойства вследствие расширения входной части колеса, применение некоторых материалов и покрытий поверхностей, изменение контура рабочей поверхности, которые позволяют уменьшить кавитационную эрозию;
- использование лопастей двойной кривизны, вытянутых в сторону всасывания;
- установка на входе первой ступени колеса с лопастями, очерченными по винтовой поверхности, так называемого предвключенного шнека;
- переход на пониженную частоту вращения, позволяющий существенно облегчить работу насоса (установка преобразователей частоты вращения на приводной электродвигатель);
- переход на многопоточную схему.
Иногда использование кавитации в системах дает положительный эффект. Например, приведем схему гомогенизатора, в котором явление кавитации положительно используется для обработки топлива в системе подачи его к форсункам (рис. 1).
Принцип действия гомогенизатора основан на использовании явления кавитации, возникающей в суживающейся части потока жидкости для дробления асфальтосмолистых соединений. При увеличении скорости потока жидкости давление в ней падает, достигая в отдельных зонах значений, меньших давления насыщения паров этой жидкости. При этом образуются каверны, перемещающиеся вместе с жидкостью. Попадая в область более высокого давления, они закрываются, а возникающие гидравлические микроудары, составляющие десятки мегапаскалей, разрушают частицы механических примесей и сгустки асфальтосмолистых соединений.
Гидравлический удар, часто возникающий в различных гидравлических системах, сопровождается звуком, похожим на «удары молотка», вызывая эрозию внутренних поверхностей труб и, соответственно, преждевременный их отказ. Величина шума зависит от следующих факторов:
- турбулентности потока;
- кавитации;
- удаления растворённого воздуха;
- впуска/выпуска жидкости.
Интенсивность звука, определяемая величиной давления в трубе, – это серия пульсаций давлений различной величины выше и ниже нормального рабочего давления жидкости в трубопроводе. Амплитуда и период пульсаций зависят от скорости жидкости, размеров, материала и длины трубы. Для минимизации возникновения гидравлических ударов необходимо исключить быстрое закрытие клапанов в гидравлических системах. Если поток останавливается, то давление увеличивается независимо от величины рабочего давления в системе. Разработаны рекомендации по размерам труб и ограничению шума клапанов. Приведём некоторые из них по ограничению скорости до 1,2 м/с для труб диаметром до 500 мм и падению давления на 400 Па на 1 м длины трубопровода. Некоторые контрольные клапаны уменьшают образующийся при движении жидкости в трубах и арматуре шум. При резком прекращении движения жидкости в трубе величина возрастания давления жидкости Δp, Па, может быть определена по формуле:
где:
- ρ – плотность жидкости, кг/м3;
- cs – скорость звука в жидкости, м/с (для воды она составляет 1 439 м/с, хотя эластичность трубы несколько уменьшает это значение);
- w – скорость жидкости, м/с.
Пример. Определить величину повышения давления в трубопроводе при мгновенном закрытии клапана, если скорость движения воды в трубе равна 3 м/с.
Решение. Повышение давления составит Δp = 1 000·1 439·3 ≈ 4,32 МПа.
Обеспечение надежности судовых систем
Для повышения надежности охлаждающих систем рекомендуются следующие мероприятия:
- конструктивное упрощение систем, сокращение длины трубопроводов и количества арматуры на трубопроводах охлаждения масла, пресной воды, которые сами охлаждаются забортной водой (применение центральных систем охлаждения;
- применение частичного охлаждения пресной воды непосредственно через обшивку корпуса судна (в некоторых случаях);
- применение труб с защитным цинковым покрытием, труб из латуни и медно-никелевых сплавов.
Для повышения надёжности систем сжатого воздуха рекомендуется проведение следующих мероприятий:
- резервирование элементов воздушных систем:
- компрессоров,
- баллонов,
- фильтров-масловлагоотделителей;
- периодическое продувание воздушных баллонов и трубопроводов для удаления отстоя сконденсировавшейся влаги и масла, который может привести к опасному отказу – взрыву масляных отложений и паров масла в пусковых трубопроводах дизелей, обусловленному износом ЦПГ воздушных компрессоров и заброса масла в воздушную систему, а также применением для смазки компрессоров некачественного или нерекомендованного заводской инструкцией сорта масла;
- периодическое освидетельствование баллонов инспекцией по котлонадзору;
- установка баллонов с наклоном в корму;
- нанесение антикоррозионных покрытий на внутренней поверхности.
Надежность труб сжатого воздуха обеспечивается применением стальных бесшовных или биметаллических труб.
При появлении утечки рабочей жидкости из водопроводной или любой другой магистрали из-за трещины, важно ее устранять, выполняя ремонт очень быстро и эффективно, чтобы максимально ограничить периоды перебоев в действии трубопровода. Большинство трещин появляются внезапно. Поэтому необходимо, чтобы ремонтное оборудование было многоцелевым, универсальным и имело большие допуски. Более того, основным требованием при проведении ремонтов является несложный, быстрый и качественный монтаж. Для устранения всех видов трещин на самых распространенных материалах трубных систем предназначены различные соединительные муфты и хомуты (рис. 2).
Трещины возникают на трубах, изготовленных из разных материалов (например, самая типичная трещина из ковкого чугуна – продольная, вызванная катодной коррозией, возможен также продольный разрыв трубы). Обычной практикой является высверливание небольших отверстий по концам трещины, чтобы остановить её продвижение, а затем установить на трубу ремонтный хомут.
Читайте также: Свойства и испытания материалов для судовых механизмов
При повреждении ПЭ трубопровода вырезают повреждённый трубный участок, заменяя его на новый, непосредственно приваривая методом оплавления; при незначительных повреждениях можно применять ремонтные хомуты из нержавеющей стали. В системах газопроводов самые типичные трещины по окружности можно ремонтировать с помощью муфт из серого ковкого чугуна. Для устранения трещин по окружности в водопроводных системах применяются ремонтные хомуты AVK из ковкого чугуна. В системах питьевой воды и сточных вод для устранения трещин, образующихся как вдоль, так и по окружности из-за напряжений на трубе, лучшим способом ремонта является вырезка потрескавшегося участка трубы ПВХ и его замена новым.
Для повышения надёжности систем подачи воздуха к дизелям и газовыпускных систем рекомендуется проведение следующих мероприятий:
- установка влагоотделительных устройств в воздухоприемных шахтах;
- снижение шума (установка заглушающих устройств);
- замена болтовых соединений в воздухоприемных шахтах, дополнительное крепление сваркой во избежание самоотворачивания;
- установка компенсаторов и эластичных креплений отдельных элементов системы на судне для снижения отрицательного воздействия вибрации (часто из-за вибрации имеет место разрушение болтовых и сварных соединений, а также нарушение плотности в результате утечки газа или воды из утилизационного котла);
- установка металлоулавливающих фильтров.
В конденсатно-питательных системах на интенсивность коррозии трубопроводов оказывают влияние следующие факторы:
- давление рабочей среды;
- содержание кислорода в питательной воде;
- растворенный в воде углекислый газ.
Поэтому в этих системах для обеспечения надёжности необходимо строго соблюдать основные правила технической эксплуатации в отношении водоподготовки и деаэрации питательной воды, а также применения материалов с повышенной коррозионной стойкостью для арматуры системы.
Основные направления повышения надежности судовых систем СЭУ:
- сокращение общей длины трубопроводов;
- агрегатирование комплектующего оборудования;
- уменьшение числа местных сопротивлений;
- увеличение длины прямых участков труб;
- установка систем охлаждения с обшивочным теплообменным аппаратом, т. е. использование бортовой наружной обшивки судна для охлаждения пресной воды дизелей;
- деаэрация воды.
Для противоаварийной защиты трубопроводов используются стабилизаторы давления, которые позволяют гасить все внутрисистемные возмущения:
- гидроудары,
- колебания давления,
- и вибрации.
Это принципиально новое высокоэффективное энергонезависимое техническое средство не изменяет проходное сечение трубопровода и имеет минимальное гидравлическое сопротивление (в трубопроводах диаметром от 10 до 1 200 мм с рабочим давлением до 25 МПа и температурой рабочей среды до 250 °С). Общая аварийность трубопроводов и оборудования снижается при этом на 85 %.
Отличительным конструктивным признаком пневмостабилизатора является разделение его внутренней полости на жидкостную и газовую зону упругой мембраной. Жидкостная полость пневмостабилизатора соединяется с аккумулятором давления газа. Разработанные образцы стабилизаторов давления для погружных ЭЦН позволяют в пять раз уменьшить динамические нагрузки на трубы.
В зависимости от агрессивности рабочей среды гибкий разделитель может быть как неметаллическим (различные резины, каучуки, фторопласты), так и металлическим. При появлении в трубопроводе пульсаций, например, в результате работы механизмов запорной арматуры, давление в жидкостной полости пневмостабилизатора не совпадает с давлением в газовой полости. Под действием этого перепада разделитель испытывает упругие деформации, при которых объём жидкостной полости изменяется, т. е. обеспечивается податливость стабилизатора для демпфирования колебаний, происходит перетекание среды из трубопровода в жидкостную полость (или наоборот). Последнее приводит к диссипации энергии колебаний в сосредоточенных перфорационных отверстиях. Выбором упругих характеристик разделителя, давления в газовой полости и её объёма, размеров перфорационных отверстий и их суммарной площади можно добиться требуемой степени уменьшения амплитуды колебаний.
Чистка труб и поверхностей – одна из насущных проблем в энергетике, промышленности и на транспорте. Все многообразие технологий данного вида очистки можно классифицировать следующим образом.
Гидродинамическая очистка – чистка струей воды высокого давления. Современные гидродинамические машины ведущего мирового производителя – «Gardner Denver» (США), имеют гидродинамические машины давлением выше 350 бар и мощностью до 550 кВт.
Абразивоструйная очистка – чистка струей абразива. Иногда совмещается с гидродинамической очисткой (гидроабразивная очистка).
Импульсные технологии очистки (электрогидроимпульсная, пневмоимпульсная) – очистка за счет создания локального импульса электроразрядом или пневмоклапаном. Данные технологии применимы в основном только для очистки труб.
Ультразвуковая очистка – очистка с помощью ультразвука, распространяющегося либо в жидкой среде, либо в материале очищаемого оборудования. Её особенность состоит в том, что ультразвуковые приборы способны также защитить поверхность от образования новых отложений.
Механическая очистка – очистка механическим рабочим органом (шарошкой, фрезой, насадкой, щеткой и т. п.).
Химическая очистка – очистка различными специальными химическими реактивами.
Комбинированные технологии очистки – гидродинамическая и т. п. Области применения гидродинамических машин:
- очистка котлов и теплообменников;
- очистка и подготовка под покраску различных цистерн, танков и резервуаров;
- очистка внутренних поверхностей любых труб диаметром от 9 до 500 мм;
- очистка днища судов и судового оборудования;
- резка материалов струёй воды свыше 300 бар и т. д.
Очистка под давлением свыше 2 000 бар позволяет отказаться от использования абразивов. Например, при работе электрогидроимпульсных установок «Зевс» используют энергию электрического разряда в воде. Образующаяся ударная волна разрушает практически любые виды накипи и отложений. Механокавитационный аппарат «Торнадо», благодаря специальной конструкции режущей головки, разрушает накипь любой твёрдости, позволяя предотвратить образование отложений на любых поверхностях:
- в котлах,
- теплообменниках,
- различном технологическом оборудовании,
замедляя коррозию и улучшая массотеплоперенос.