Разработка технологических мероприятий по минимизации разрушений судовых сильфонных компенсаторов

Флот Российской Федерации состоит из всех известных типов судов и кораблей, таких как пассажирские, сухогрузные, наливные, рыбопромысловые, научно-исследовательские и вспомогательные суда, надводные и подводные боевые корабли и прочие плавсредства. Они эксплуатируются на реках и озерах, морях и океанах, в различных климатических условиях. Продолжительность эксплуатации судов обычно превышает 25 лет.

В состав судовых энергетических установок, трубопроводов различного назначения, предназначенных для транспортирования жидких, сыпучих и газообразных сред, разнообразных механизмов и систем входят специальные устройства для компенсации температурных, технологических, эксплуатационных и иных деформаций элементов конструкций. Одним из самых распространенных устройств подобного назначения является сильфонный компенсатор (СК) [ 30, 32, 44, 48 ]. Преимущества СК заключаются в способности сочетать в одном устройстве обычно несовместимые свойства, такие как прочность, значительные деформации при малых нагрузках, пригодность для работы со средами, обладающими высокими давлениями, температурами и скоростями. Они также могут работать с агрессивными средами (нефть и нефтепродукты, химические продукты, морская вода, сжиженный газ, отходы различных производств) или в вакууме.

Опыт эксплуатации СК позволяет утверждать, что они достаточно надежны. В то же время иногда наблюдаются повреждения СК различной природы, вызванные посторонними механическими воздействиями, механическим воздействием транспортируемой или окружающей среды, коррозией металла и иными причинами. Обычно нарушение работоспособности СК приводит к тяжелым последствиям, таким как остановка судна, выполнение ремонтных работ в доке, замена СК и иных компонентов судна. Непроизводительные затраты владельцев технических средств, в том числе судовладельцев, могут достигать крупных сумм. В экстремальных случаях возникает угроза жизни людей. Одной из самых распространенных причин нарушения работоспособности СК является коррозия металла, прежде всего самого ответственного элемента, а именно, сильфона [ 48, 49].

Для борьбы с коррозионными повреждениями СК широко используется наиболее простое техническое решение. Детали СК изготавливают из коррозион-ностойких сталей. В этой связи наибольшее распространение получили коррози-онностойкие стали аустенитного класса типа Х18Н9 [ 30, 44 ]. Однако и такое радикальное решение не способно полностью исключить коррозионные повреждения. У СК из подобных сталей проявляются специфические коррозионные повреждения, а именно межкристаллитная коррозия (МКК), коррозионное растрескивание (КР) и питтинговая коррозия (ПК) [ 48, 49 ]. Исследованы и разработаны разнообразные методы подавления специфических коррозионных повреждений, однако учитывая специфику изготовления и эксплуатации СК полностью предупредить проявление коррозионных повреждений СК до сих пор не удалось.

Учитывая большую роль СК в обеспечении надежности всего технического объекта, в частности, судна, в диссертационной работе выбрана цель повышения надежности СК за счет сокращения числа повреждений, вызванных специфическими коррозионными повреждениями. На предварительной стадии исследований показано, что для достижения цели возможны конструктивные, технологические и иные мероприятия. При этом установлено, что возможности мероприятий в большинстве направлений практически исчерпаны. Поэтому для достижения поставленной цели выбрано технологическое направление, возможности которого использованы не достаточно полно.

В качестве основного технологического приема использован и подробно исследован известный метод селективного отбора на всех стадиях жизненного цикла СК. Он рекомендован для стадий материально-технического обеспечения производства, процесса изготовления СК, процессов эксплуатации, ремонта и реновации СК.

Для широкого использования метода селективного отбора в работе исследованы и разработаны технологические приемы определения некоего универсального параметра, с помощью которого можно оценить склонность исходного металла (прокат в состоянии поставки) и заготовок после каждой технологической операции к тем или иным видам коррозии. В качестве такого универсального параметра выбран стандартный параметр, а именно, степень сенсибилизации металла, из которого изготовлен СК.

Пригодность предлагаемой технологической процедуры и корректность использования степени сенсибилизации в качестве универсального критерия подтверждена аналитическими и экспериментальными исследованиями, которые выполнялись с использованием проверенных технических средств по методикам, разработанным в диссертационной работе.

Основные новые научные результаты работы заключаются в следующем.

В результате аналитических исследований показано, что технические и экономические возможности современных конструктивных мероприятий, мероприятий по защите судовых СК от коррозии с помощью механических, термических и радиационных технологий по обеспечению надежности судовых СК использованы практически полностью.

Доказано, что за повышение надежности судовых СК ответственна область явлений, связанных со специфическими коррозионными разрушениями металла (МКК, ПК, КР) и технологические приемы их подавления.

Установлено, что степень сенсибилизации металла может быть использована в качестве универсального показателя для объективной количественной оценки коррозионной стойкости СК, предназначенных для работы в составе трубопроводов судовых систем и систем другого назначения пресной холодной, горячей воды, пара и газоходов.

Аналитически показано, что средняя наработка на отказ СК составляет 99,28% от максимально возможной, а средний ресурс СК в 11 раз меньше стандартной базы испытаний циклической прочности материала сильфона СК.

Показано, что с увеличением содержания углерода в коррозионностойкой аустенитной хромоникелевой стали возрастает чувствительность к росту степени сенсибилизации на всех этапах изготовления СК. Степень сенсибилизации металла СК увеличивается и может достигать недопустимых значений из-за воздействия технологических и эксплуатационных факторов при изготовлении и во время эксплуатации СК. Наиболее опасной зоной СК с точки зрения коррозионных разрушений является вершина гофра сильфона, особенно зона термического влияния на расстоянии 0,3 — 2,5 мм от линии сплавления. В этой зоне прежде всего возможно превышение допустимых значений степени сенсибилизации и потеря коррозионной стойкости.

Доказано, что стали типа Х18Н9 могут быть склонны к КР, которое носит межкристаллитный характер, даже при температуре близкой к комнатной. Эта склонность проявляется при наличии хлоридов в окружающей и транспортируемых средах.

Сформулированы дополнительные требования к марочному составукор-розионностойких аустенитных хромоникелевых сталей, применяющихся для изготовления СК, направленные на предупреждение МКК, МККР и ПК.

Основные практические результаты работы заключаются в следующем.

Достигнута цель работы — повысить надежность судовых СК, изготавливаемых из коррозионностойких сталей, путем сокращения возможного потока отказов. Цель достигнута технологическими методами.

Разработаны технологические рекомендации по использованию результатов исследований в производстве СК. Разработаны методики экспресс оценки состояния коррозионной стойкости металла сильфона и продления срока службы СК с дополнительной оценкой состояния коррозионной стойкости металла сильфона.

Осуществлено внедрение результатов исследований и разработок в проектирование и производство на предприятиях ФГУП «Компенсатор», ОАО «Метал-комп» и ООО «Торэкст». Экономический эффект образуется в сфере эксплуатации СК и может достигать значений порядка 60 тысяч долларов США в расчете на одного судовладельца в течение гарантированного ресурса СК.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ IV.

1. Сформулированы дополнительные требования к марочному составу коррозионностойких аустенитных хромоникелевых сталей, применяющихся для изготовления СК, направленные на предупреждение МКК, МККР и ПК. Разработаны рекомендации по совершенствованию технологического процесса изготовления СК.

2. Разработана методика экспресс оценки состояния коррозионной стойкости и расчета остаточного срока службы по критерию коррозионной стойкости металла сильфона.

3. Разработана методика продления срока службы сильфонных компенсаторов с дополнительной оценкой состояния коррозионной стойкости металла сильфона.

4. Осуществлено внедрение в проектирование и производство на предприятиях ФГУП «Компенсатор» и ОАО" Металкомп" .

5. Экономическая эффективность оценивается суммами до 60 тыс. долларов США в расчете на одного среднего судовладельца.

Заключение

.

1. Сформулирована и достигнута цель работы — повысить надежность судовых СК, изготавливаемых из коррозионностойких сталей, путем сокращения возможного потока отказов технологическими методами.

2. Установлено, что средняя наработка на отказ СК составляет 99 280 циклов, а средний ресурс СК составляет 905 844 циклов, что в 11 раз меньше стандартной базы испытаний циклической прочности материала сильфона СК.

3. Показано, что технические и экономические возможности современных конструктивных мероприятий, мероприятий по защите судовых СК от электрохимической коррозии, механических, термических и радиационных технологий по обеспечению надежности судовых СК использованы полностью.

4. Доказано, что за надежность судовых СК ответственна область явлений, связанных со специфическими коррозионными разрушениями металла (МКК, ПК, КР) и технологические приемы их подавления.

5. Установлено, что степень сенсибилизации металла может быть использована в качестве универсального показателя для объективной количественной оценки стойкости к МКК и КР СК, предназначенных для работы в составе трубопроводов судовых систем и систем другого назначения пресной холодной, горячей воды, пара и газоходов.

6. Разработаны технологические рекомендации по использованию результатов исследований в производстве СК.

6.1 Показано, что с увеличением содержания углерода в коррозионностой-кой аустенитной хромоникелевой стали возрастает чувствительность к росту степени сенсибилизации на всех этапах изготовления СК. Эта закономерность проявляется во всех зонах СК.

6.2 Степень сенсибилизации металла СК увеличивается и может достигать недопустимых значений из-за воздействия технологических и эксплуатационных факторов при изготовлении и во время эксплуатации СК.

6.3 Наиболее опасной зоной СК с точки зрения коррозионных разрушений является вершина гофра сильфона, особенно зона термического влияния на расстоянии 0,3 — 2,5 мм от линии сплавления. В этой зоне прежде всего возможно превышение допустимых значений степени сенсибилизации и потеря коррозионной стойкости.

7. Доказано, что стали типа Х18Н9 могут быть склонны к КР, которое носит межкристаллитный характер, даже при температуре, близкой к комнатной. Эта склонность проявляется при наличии хлоридов в окружающей и транспортируемых средах.

8. Сформулированы дополнительные требования к марочному составу коррозионностойких аустенитных хромоникелевых сталей, применяющихся для изготовления СК, направленные на предупреждение МКК, МККР и ПК.

9. Разработаны и внедрены в технологический процесс методики:

— экспресс оценки состояния коррозионной стойкости и расчета остаточного срока службы по критерию коррозионной стойкости металла сильфона;

— продления срока службы сильфонных компенсаторов с дополнительной оценкой состояния коррозионной стойкости металла сильфона. экспресс оценки состояния коррозионной стойкости металла сильфона и оценки ресурса СК.

10. Осуществлено внедрение в проектирование и производство на предприятиях ФГУП «Компенсатор» и ОАО" Металкомп". Экономический эффект образуется в сфере эксплуатации СК и может достигать значений порядка 60 тысяч долларов США в расчете на одного судовладельца в течение гарантированного ресурса СК.