Корпуса морских двигателей: руководство по защите от коррозии и проектированию

Выбор материала для условий морской эксплуатации

Выбор материала корпуса определяет базовую коррозионную стойкость до нанесения покрытия. В производстве морских двигателей преобладают три категории материалов, каждая из которых подходит для различных зон судна и условий эксплуатации.

Чугун с защитным покрытием

Серый чугун (класс GJL-200 или GJL-250) остается наиболее распространенным материалом корпуса судовых двигателей в машинных отделениях и насосных отделениях, где соображения стоимости балансируют с адекватной производительностью. Материал обеспечивает хорошее гашение вибрации — его структура из графитовых чешуек поглощает энергию вибрации при В 5–10 раз больше стали — что снижает передачу шума и защищает сердечник статора от усталостного растрескивания. Ограничением чугуна является его подверженность графитовой коррозии в условиях погружения в соленую воду, когда железная матрица корродирует преимущественно, оставляя ослабленный графитовый скелет. Чугунные корпуса, отвечающие морским требованиям, противодействуют этому с помощью многослойных систем покрытия: эпоксидная грунтовка с высоким содержанием цинка, обеспечивающая катодную защиту, за которой следуют толстослойные эпоксидные промежуточные покрытия и финишное двухкомпонентное полиуретановое покрытие. Общая толщина сухой пленки обычно превышает 250–350 мкм , а устойчивость к солевому туману согласно ISO 9227 превышает 1000 часов до того, как ползучесть разметчика достигнет 3 мм. Этот пакет покрытий в сочетании с регулярными промывками пресной водой позволяет чугунным корпусам надежно служить в машинных помещениях в течение всего срока эксплуатации судна.

Нержавеющая сталь для палуб и открытых площадок

Двигатели, подвергающиеся воздействию прямых погодных условий на открытых палубах, морских платформах и в зонах погрузки-разгрузки, требуют корпусов из нержавеющей стали. Оценка 316Л (ЕН 1.4404) аустенитная нержавеющая сталь является стандартной морской спецификацией, содержащей 2–3% молибдена что обеспечивает устойчивость к точечной коррозии в хлоридных средах. Эквивалентное число питтинговой устойчивости (PREN) для 316L составляет 24–26 ; морская среда требует минимального PREN, равного 32, для длительной работы в погружении, но оборудование, установленное на палубе над зоной брызг, работает адекватно на уровне 316L в сочетании с регулярным промыванием пресной водой. Корпуса из нержавеющей стали полностью исключают возможность разрушения покрытия, хотя они создают другой риск: щелевая коррозия на поверхностях прокладок и отверстиях под болты, где застойная морская вода может концентрировать хлориды. Правильная конструкция смягчает это за счет наклонных дренажных путей и использования противозадирных составов на основе дисульфида молибдена на всех крепежных элементах из нержавеющей стали для предотвращения истирания во время сборки.

Алюминиевые сплавы для установок, чувствительных к весу

На высокоскоростных кораблях, военно-морских кораблях и морских вертолетных площадках, где вес напрямую влияет на расход топлива и стабильность, алюминиевые сплавы морского класса заменяют черные материалы. Сплав RU AW-6082 (AlSi1MgMn) обеспечивает предел текучести 250–280 МПа в закалке Т6 он составляет примерно одну треть веса чугуна. Естественное образование слоя пассивного оксида алюминия обеспечивает внутреннюю коррозионную стойкость, но этот слой разрушается в присутствии хлоридов, если присутствуют примеси меди или железа. Морские алюминиевые корпуса требуют жесткого анодирования толщиной 25–50 мкм или двухкомпонентную систему эпоксидного покрытия для изоляции алюминия от прямого контакта с солью. Важнейшим фактором при проектировании алюминиевых корпусов является гальваническая изоляция: любой прямой контакт между алюминиевым корпусом и стальными монтажными болтами или бронзовыми кабельными вводами в присутствии влаги создает гальванический элемент, в котором алюминий подвергается жертвенной коррозии. Изолирующие шайбы, нейлоновые втулки болтов и диэлектрические прокладки обязательны на всех разнородных металлических соединениях.

Защита от проникновения и герметизация для морских условий

Корпуса морских двигателей должны предотвращать попадание воды и твердых частиц в условиях, гораздо более суровых, чем в испытательной лаборатории IP (защита от проникновения). Сочетание влажности, насыщенной солью, мойки палубы под высоким давлением и периодического погружения в зеленую воду требует применения конструкций уплотнений, которые превышают минимальные требования классификационного общества.

Уплотнение вала представляет собой наиболее уязвимую точку проникновения, поскольку оно должно обеспечивать непрерывное вращение, исключая при этом попадание влаги. В корпусах, предназначенных для морских перевозок, снаружи используется комбинация V-образного кольца или лабиринтного уплотнения, которое отводит объем воды и загрязняющих веществ за счет центробежного действия при вращении вала, а также манжетного уплотнения с подвязочной пружиной из нержавеющей стали, которая поддерживает контактное давление даже после того, как эластомер подвергается сжатию. В особенно агрессивных средах изолятор подшипника со статическим уплотнительным кольцом и лабиринтным динамическим уплотнением обеспечивает бесконтактную защиту, которая никогда не изнашивается, сохраняя степень защиты IP на протяжении всего интервала обслуживания двигателя.

Требования к взрывозащищенному жилью для опасных зон

На нефтяных танкерах, судах FPSO, газовозах и морских буровых платформах корпуса двигателей должны предотвращать воспламенение окружающей горючей атмосферы от любой внутренней искры или дуги. Это требование превращает корпус из простого защитного кожуха в прецизионный сосуд под давлением. Взрывозащищенные (Ex-d) корпуса судовых двигателей сконструированы таким образом, что внутренний взрыв указанной группы газов — обычно IIB (этилен) или IIC (водород/ацетилен) для самых требовательных морских применений — полностью находится внутри корпуса. Пламенный путь, точно обработанный зазор между корпусом и его торцевыми щитками, должен быть достаточно длинным и плотным, чтобы любые горячие газы, выходящие через соединение, охлаждались ниже температуры воспламенения внешней атмосферы, прежде чем достичь его. Для газов IIC этот разрыв ограничивается 0,15–0,20 мм максимум с минимальной длиной огневого пути 13–25 мм в зависимости от внутреннего объема. Эти допуски требуют механической обработки на станке с ЧПУ стыковых поверхностей корпуса и 100% проверки размеров перед сертификацией.

Корпус также должен выдерживать давление взрыва без остаточной деформации. Испытание гидростатическим давлением на В 1,5 раза превышает максимальное давление взрыва — обычно 15–20 бар для корпусов IIB и 25–30 бар для корпусов IIC — проверяет структурную целостность. Морские взрывозащищенные корпуса часто превышают эти минимальные значения за счет дополнительной толщины стенок, поскольку солевая коррозия может уменьшить толщину секции в течение десятилетий эксплуатации. Клеммная коробка получает отдельный сертификат Ex-e (повышенная безопасность) или Ex-d, при этом сальники кабельных вводов индивидуально сертифицированы и собраны с соответствующими уплотнительными шайбами ​​и компрессионными кольцами. На каждом корпусе имеется сертификационная табличка с указанием группы газа, температурного класса и номера сертифицирующего органа — табличка, которая должна оставаться читаемой в течение всего срока службы двигателя, несмотря на воздействие соли, поэтому требуется тисненая нержавеющая сталь, а не печатные алюминиевые этикетки.

Рассеяние тепла в замкнутых морских пространствах

Корпуса морских двигателей сталкиваются с проблемой теплового проектирования, с которой редко сталкиваются двигатели наземного базирования: они работают в машинных отделениях, где температура окружающего воздуха обычно достигает 45–55°С , с охлаждающим воздухом, забираемым из помещений, уже отапливаемых работающим оборудованием. Корпус должен отводить внутренние потери двигателя — потери I²R в меди, потери в сердечнике, потери на трение и сопротивление — в эту и без того горячую среду, сохраняя при этом температуру обмотки ниже предела класса изоляции. Для изоляции класса F (горячая точка 155°C) допустимое повышение температуры при температуре окружающей среды 45°C составляет 105 К , но морские проектировщики обычно стремятся повысить класс F с изоляцией класса H (180 ° C), чтобы создать тепловой резерв на случай загрязнения охлаждающих каналов или временных перегрузок.

Корпус способствует рассеиванию тепла через внешние охлаждающие ребра или ребра, которые увеличивают площадь поверхности, доступную для конвективной и лучистой передачи тепла. Хорошо спроектированный корпус морского двигателя увеличивает эффективную площадь поверхности охлаждения на 200–400% сквозное оребрение по сравнению с гладкой цилиндрической оболочкой тех же размеров. Профиль ребер — высота, расстояние и ориентация — должен балансировать теплообмен с накоплением соли и пыли между ребрами, что ухудшает эффективность охлаждения и ускоряет коррозию. Вертикально ориентированные ребра с расстоянием между ними более 15 мм позволить естественной конвекции переносить тепло вверх, сводя при этом к минимуму задержку мусора. В судовых двигателях TEFC (полностью закрытого типа с вентиляторным охлаждением) внешний вентилятор, установленный на валу, обдувает воздух в осевом направлении над ребристой поверхностью корпуса, улучшая коэффициент конвективной теплопередачи примерно с от 5–10 Вт/м²К для естественной конвекции до 30–50 Вт/м²К . Кожух вентилятора становится частью системы управления температурным режимом, равномерно направляя воздушный поток по всем ребрам, не позволяя ему обходить корпус.

Структурная жесткость и вибростойкость

Корпуса морских двигателей должны сохранять стабильность размеров при нагрузках, которых никогда не испытывают наземные двигатели. Корпус судна постоянно изгибается при прохождении волн, причем амплитуды прогиба могут достигать 2–5 мм по всей длине большого двигателя, установленного на общей станине. Конструкция корпуса должна выдерживать этот изгиб, не деформируя отверстие статора и не изменяя воздушный зазор между ротором и статором. Литой корпус с усиленными монтажными ножками и внутренним оребрением, соединяющим ножки с рамой статора, лучше противостоит деформациям кручения, чем сварные конструкции, в которых при циклической нагрузке могут образовываться усталостные трещины на сварных соединениях. Классификационные общества требуют проведения испытаний на вибрацию согласно МЭК 60034-14 , с пределами скорости вибрации Среднеквадратичное значение 2,8 мм/с для стандартных двигателей и 1,8 мм/с для приложений точной балансировки. . Для достижения этих ограничений в морской среде требуется не только жесткий корпус, но и точное выравнивание торцевых щитов, благодаря которым подшипники ротора располагаются концентрично с отверстием статора внутри. Общее указанное биение 0,05 мм .

Ударостойкость добавляет дополнительные требования к конструкции, особенно для военных кораблей и морских платформ, подверженных подводным взрывам или нагрузкам от волновых ударов. Испытания на ударную нагрузку MIL-S-901D или эквивалентные стандарты ударного общества классификационного общества требуют, чтобы корпус двигателя выдерживал импульсы ускорения 20–50 г без потери структурной целостности или функциональных характеристик. Конструкции корпусов, прошедшие эти испытания, обычно включают дополнительную толщину стенок в зонах концентрации напряжений, закругленные переходы между секциями, а не острые углы, а также характеристики материалов с гарантированными значениями ударной вязкости по Шарпи при низких температурах, что важно для судов, работающих в арктических водах, где сталь переходит от пластичного к хрупкому характеру разрушения.

Классификационное общество и соответствие нормативным требованиям

Корпус морского двигателя не может просто претендовать на соответствие морскому классу; оно должно иметь документальное свидетельство классификационного общества, осматривающего судно. Крупнейшие общества — Lloyd's Register, DNV, Bureau Veritas, American Bureau of Shipping и ClassNK — поддерживают программы утверждения типа, которые проверяют конструкцию корпуса, материалы, контроль качества производства и испытания производительности. Процесс утверждения требует предоставления подробных чертежей с указанием размеров корпуса, сертификатов материалов для каждой плавки используемого металла, отчетов неразрушающего контроля критически важных сварных швов или отливок, а также испытаний производительности при свидетеле. Одобрение типа зависит от конкретного судна в том смысле, что общество должно подтвердить пригодность двигателя для предполагаемой эксплуатации: двигатель, одобренный для вентилятора машинного отделения, не может быть автоматически принят для грузового насосного отделения, где могут присутствовать легковоспламеняющиеся пары.

Помимо правил классификационного общества, корпуса морских двигателей должны соответствовать СОЛАС (Безопасность человеческой жизни на море) правила и МЭК 60092 серия стандартов на электроустановки на судах. Они предъявляют особые требования к клеммам заземления, расположению кабельных вводов, а также путям утечки и воздушным зазорам внутри клеммных коробок, которые отличаются от наземных стандартов IEC 60034. В конструкции корпуса должен быть предусмотрен специальный внутренний провод заземления или проверенный путь заземления через металлическую конструкцию корпуса, при этом сопротивление любой доступной металлической части к главной клемме заземления не должно превышать 0,1 Ом . Размер клеммной коробки должен соответствовать радиусу изгиба кабеля указанного типа — на первый взгляд, незначительной детали, которая, если ее не заметить, препятствует надлежащей герметизации кабельного ввода и аннулирует класс IP корпуса с момента установки.

Осмотр и техническое обслуживание корпусов морских двигателей

Даже самый устойчивый к коррозии корпус требует структурированного режима проверки для обеспечения его расчетного срока службы. Морские геодезисты и судовые инженеры придерживаются подхода к мониторингу, основанному на состоянии, при котором жилище исследуется на каждом основном интервале обследования — обычно ежегодно для грузовых судов и каждые 2–3 года для пассажирских судов. во время докования. В контрольном списке проверок систематически рассматриваются защитные функции корпуса: целостность покрытия оценивается по стандартам ISO 4628 на наличие ржавчины и вздутий, состояние прокладок проверяется путем физического измерения остаточной деформации сжатия, размеры взрывозащищенных корпусов повторно проверяются с помощью щупов и сравниваются с исходными сертификационными записями, а также измеряется и регистрируется сопротивление непрерывности заземления. Любое разрушение покрытия, обнажающее голый металл, требует восстановления до первоначального состояния, а не косметического распыления, которое оставляет активные клетки коррозии под новой пленкой краски. Сливные пробки необходимо снять и почистить; Засорение дренажных отверстий сапуна является основной причиной повреждения внутренней конденсацией, поскольку они задерживают воду внутри корпуса, а не позволяют ей стекать должным образом. В хорошо обслуживаемом корпусе морского двигателя на 20-летнем судне не должно быть никаких структурных потерь металла, никакого измеримого увеличения эксцентриситета воздушного зазора по сравнению с первоначальными записями о вводе в эксплуатацию, а значения непрерывности заземления не должны изменяться по сравнению с сертификатом заводских испытаний.