В судоремонте широко применяют специализированные технические средства, позволяющие выявить мелкие, но далеко небезопасные поверхностные дефекты (усталостные трещины) и внутренние (расслоения, шлаковые включения и др.) деталей технических средств и элементов корпуса судна.
Дефектоскопия с использованием специализированных технических средств включает гидравлические и воздушные испытания; капиллярную и магнитную дефектоскопию; дефектоскопию, основанную на свойствах электромагнитных волн; ультразвуковую; специальные методы.
Гидравлические и воздушные испытания на практике широко используют в судоремонте для определения достаточной прочности и плотности отсеков корпуса судна, паровых котлов, систем, а также узлов и деталей механизмов, которые во время работы подвергаются давлению пара, газа или жидкости либо работают в условиях вакуума.
Испытание отсеков корпуса судна проводят гидравлическое или воздушное. Перед испытаниями отсеки корпуса очищают от загрязнений, а с осматриваемой стороны переборки обдувают сжатым воздухом и протирают ветошью, обращая особое внимание на швы. Если испытания проводят после окончания ремонтных работ, отсеки не окрашивают и не цементируют.
Испытание отсеков на непроницаемость (танков двойного дна, пиков, диптанков и т. д.) гидравлическим давлением — наиболее частый метод контроля, но очень трудоемкий и малопроизводительный. Поэтому в последнее время все чаще применяют испытания отсеков сжатым воздухом, значительно упрощающим работы.
Гидравлические испытания форпиков и ахтерпиков, используемых в качестве водяных отсеков, проводят наливом воды с напором до верха воздушной трубы, а не предназначенных для заполнения водой — наливом воды с напором 0,3 м над палубой переборок, выше этого уровня — поливанием струей воды под напором.
Междудонные отсеки испытывают наливом воды с напором до палубы переборок или до верха воздушной трубы. Цистерны для жидкости нефтепродуктов судового топливного запаса, циркуляционные и расходные цистерны испытывают наливом воды с напором до верха воздушной трубы, но не менее чем 2,5 м от настила, ограничивающего верх цистерны. В зимнее время при минусовой температуре воду обычно подогревают паром до температуры + 10°С. Продолжительность испытания отсеков наливом воды определяется временем, необходимым для их осмотра, но не менее 1 ч.
Отсек считается непроницаемым, если на проверяемых поверхностях не обнаружено течи в виде струй и стекающих капель, а уровень воды в трубе не понижается. Обнаруженные неплотности отмечают краской или мелом и устраняют. Незначительные дефекты (например, небольшая течь заклепочных швов) можно устранять чеканкой после снижения давления в отсеке до нормального.
Междудонные отсеки при испытании на непроницаемость в доке наливают водой в шахматном порядке, что обеспечивает равномерное распределение нагрузки на днище.
Палубные надстройки, рубки, машинно-котельные кожуха, люки, вентиляционные трубы, отсеки в междупалубном пространстве, устройства для закрытия отверстий в непроницаемых частях корпуса (двери, лацпорты, иллюминаторы и т. д.) испытывают поливанием струей воды из брандспойта с диаметром выходного отверстия наконечника не менее 15 мм (напор воды в шланге должен обеспечивать высоту выбрасываемой струи у места испытания не менее 10 м). При этом струю направляют в упор к шву с расстояния не более 3 м.
При воздушном испытании отсеки заполняют сжатым воздухом (с помощью резиновых шлангов) от общезаводской воздушной магистрали. Практикой установлено, что давления сжатого воздуха, равного 0,02—0,03 МПа, вполне достаточно для выявления всех неплотностей. До испытания отсека расчетом проверяют прочность конструкции на испытательное воздушное давление. При этом напряжения, возникающие во время испытаний в наборе наиболее слабого перекрытия, не должны превышать 0,8 предела текучести материала конструкции. После заполнения отсека сжатым воздухом все наружные швы смачивают мыльным водным пенообразую-щим раствором. Неплотности, обнаруженные на мыльной пленке, отмечают краской или мелом и устраняют после снятия давления.
Отсек считается непроницаемым, если падение давления сжатого воздуха во время испытания за 1 ч не будет превышать 5% первоначального.
При испытании в зимнее время для устранения замерзания к мыльному раствору добавляют этиловый спирт.
Непроницаемость сварных швов (за исключением соединений внахлестку) часто определяют керосиновой пробой, суть которой состоит в следующем. С одной стороны шов покрывают водным меловым раствором, с другой — керосином. Время выдержки керосина на поверхности составляет 0,5—2,0 ч в зависимости от толщины листа и положения шва. При наличии дефектов в шве (непроваров, трещин) керосин выделяется на прокрашенной мелом стороне в виде желтых пятен.
Качество сварных швов определяют также с помощью ультразвуковой дефектоскопии и гаммаграфирования.
Испытания котлов, теплообменных аппаратов и сосудов под давлением проводят после ремонта. Гидравлические испытания данных устройств производят после ремонта до установки изоляции и нанесения защитных покрытий.
Гидравлические испытания, кроме того, проводят через каждые 8 лет эксплуатации.
Теплообменные аппараты или их части, предназначенные для расчетного давления 0,1 МПа и менее, а также для работы в условиях вакуума, должны быть испытаны давлением не менее 0,2 МПа.
Испытания трубопроводов, арматуры и деталей механизмов проводят гидравлические.
Пробное давление при испытании принимают по Правилам Регистра. Например, топливные, перекачивающие трубопроводы, трубопроводы грузовых и зачистных систем испытывают на 1,5 рр, трубопроводы питательной воды котлов — на 2,5 рр, паровые и трубопроводы продувания котлов — на 2,5 рр. Арматуру на герметичность закрытия испытывают давлением 1,25 рр, арматуру, предназначенную для расчетного давления 0,1 МПа и менее, а также для работы в условиях вакуума,— давлением не менее 0,2 МПа. Систему питательной воды котлов, выполненную из любого материала, испытывают давлением не менее 2,5 рр.
Эту же формулу используют при определении пробного давления для испытания деталей механизмов, работающих при избыточном давлении. Но в этом случае пробное давление должно быть не ниже 0,4 МПа для охлаждающих полостей деталей и различных уплотнений и не ниже 0,2 МПа в других случаях.
При определении по формуле пробного давления для деталей двигателей внутреннего сгорания (втулок и крышек цилиндров поршней) за рабочую температуру принимают температуру отходящей охлаждающей жидкости, а за рабочее давление — максимальное давление сгорания.
Втулки цилиндра следует испытывать пробным расчетным давлением на 1/3 их длины в зоне высоких давлений, а в остальной части — давлением не менее 0,7 МПа. Втулки, отлитые центробежным способом, разрешается испытывать по всей длине пробным давлением не менее 0,7 МПа. При испытании внутренних полостей поршней механизмов пробное давление должно быть не менее 1,0 МПа.
Детали и узлы механизмов, заполняемые нефтепродуктами или их парами под гидростатическим давлением или атмосферным (корпусы редукторов, поддоны и т. д.), испытывают на плотность наливом керосина или другим способом, согласованным с Регистром.
Капиллярные методы дефектоскопии. Для выявления поверхностных дефектов (трещин) у таких деталей, как штоки, шатуны, валы, крышки цилиндров, пружины, используют капиллярные методы дефектоскопии, основанные на молекулярных свойствах жидкости. В судоремонте наиболее широкое распространение получили керосино-меловой, цветной и люминесцентный методы дефектоскопии.
При керосино-меловом методе испытываемую деталь погружают на 15—30 мин в керосин, извлекают и сушат струей сжатого воздуха или обтирают ветошью. При проверке громоздких деталей и сварных конструкций керосин на исследуемое место наносят кистью. После сушки на проверяемую поверхность тонким слоем накладывают меловой водный раствор. Через несколько минут после высыхания раствора на поверхности в месте, имеющем трещину, начинает выступать желтое пятно. Керосино-меловой метод часто применяют для определения качества сварных швов.
Сущность цветного метода заключается в следующем. Деталь тщательно очищают и на ее поверхность наносят (кистью или путем погружения) смесь, имеющую следующий состав: керосин —65%, трансформаторное масло — 30%, скипидар —5%, краситель (судан или жировой оранж) —5 г на 1 л смеси. После выдержки в течение 5—10 мин поверхность промывают струей воды, покрывают слоем каолина, разведенного в воде, и сушат струей теплого воздуха. Трещины выявляются в виде красных полос на белом фоне каолинового покрытия.
Люминесцентный метод выполняют следующим образом. На обезжиренную поверхность наносят люминесцентный состав: трансформаторное масло—35%, керосин — 50%, бензин — 25%, дефектоль зелено-золотистый —0,25 г на 1 л смеси. Затем его удаляют, а деталь обмывают, сушат, покрывают адсорбирующим веществом (силикагелем) и подвергают ультрафиолетовому облучению. При этом оставшийся в трещинах состав начинает светиться зеленоватым светом, обозначая трещину.
Капиллярную дефектоскопию целесообразно применять для немагнитных и неметаллических материалов.
Магнитная дефектоскопия. Этот вид дефектоскопии используют для выявления поверхностных и подповерхностных (на глубине до 2—3 мм) дефектов (трещин, раковин, шлаковых включений и др.) на коленчатых валах, роторах турбин, гребных валах, баллерах рулей и т. д.
Различают два вида дефектоскопии: магнитно-порошковую и магнитно-индукционную. Наиболее распространен магнитно-порошковый способ, основанный на свойстве магнитных силовых линий намагниченной детали огибать среду (дефекты в виде трещин, раковин, шлаковых включений и т. д.) с меньшей магнитной проницаемостью. При расположении дефектов на поверхности детали или на глубине до 2—3 мм часть отклонившихся магнитных силовых линий выходит на поверхность, образуя сгущение магнитного поля. Если на деталь нанести магнитный порошок, в месте расположения поверхностного или подповерхностного дефекта образуется ясно видимая концентрация магнитного порошка по форме дефекта.
Магнитные порошки применяют как во взвешенном состоянии в виде суспензий в различных жидкостях (керосине, минеральном масле), так и сухими. Суспензии обычно применяют для выявления мелких поверхностных трещин, сухие порошки — подповерхностных больших дефектов. Магнитные порошки изготавливают из окислов железа, которые подвергают восстановительному обжигу (без доступа воздуха) при температуре 800—900 °С в присутствии восстановителей. В качестве исходных материалов используют крокус, железный сурик и др.
Для намагничивания деталей применяют постоянный, переменный и постоянный пульсирующий ток. После проверки деталь размагничивают током.
Магнитно-индукционный способ основан на возникновении индукционного тока в измерительной катушке дефектоскопа при перемещении в ней намагниченной детали с дефектом.
Дефектоскопия, основанная на свойствах электромагнитных волн. Рентгеновские и гамма-лучи представляют собой коротковолновые электромагнитные колебания, способные проникать через твердые непрозрачные тела. Это позволяет использовать их в судоремонте для обнаружения внутренних дефектов деталей при изготовлении и ремонте и выявления дефектов сварных швов. Рентгеновские лучи генерируются рентгеновскими трубками, а гамма-лучи возникают при распаде нестабильных радиоактивных элементов.
Если в проверяемой детали имеются дефекты в виде раковин, трещин, шлаковых включений, то лучи, прошедшие через дефектные места, сохраняют большую интенсивность из-за лучшей проницаемости пороков и меньшей их плотности. Поэтому на фотопленке или экране, помещенном за облучаемой деталью, дефектные места изображаются в виде темных пятен. С помощью рентгеновских и гамма-лучей можно выявить в металлических деталях дефекты, залегающие на глубине до 500 мм.
Рентгено- и гаммаскопию применяют для выявления дефектов в деталях из легких сплавов, рентгено-и гаммаграфирование — в деталях из черных и цветных металлов. В судоремонте для рентгеноскопии и рентге-нографирования используют стационарные рентгеновские аппараты, а для гаммаграфирования — радиоактивные изотопы (кобальт 60, иридий 192, цезий 137 и др.), помещенные в ампулы и свинцовые контейнеры.
Ультразвуковая дефектоскопия. Для обнаружения внутренних дефектов в деталях, например коленчатых валах, роторах турбин и др. и сварных швах широко используют ультразвуковую дефектоскопию. Ультразвуковые волны способны проникать в металлических изделиях на глубину до 10 м. Применяют три способа обнаружения дефектов: теневой, отражения и резонансный.
При теневом способе, показанном на рис. 16, а, в детали дефекты обнаруживают ультразвуком, который посылается излучателем и улавливается приемником. Если на пути ультразвуковых волн находится дефект 3 (в виде раковины или трещины), то ультразвуковая энергия, улавливаемая приемником, уменьшится или исчезнет.
Рис. 1. Обнаружение дефекта:
а — при помощи звуковой тени; б — отражением ультразвука
Рис. 2. Схема дефектоскопа, работающего на принципе отражения ультразвука
На рис. 1, б показан принцип обнаружения дефекта отражением ультразвука: приемник, расположенный на одной поверхности с излучателем 5, улавливает отраженные ультразвуковые волны от дефекта.
На рис. 2 показана схема дефектоскопа, где 1 — дефект; 2 — контролируемая деталь; 3 — усилитель; 4 — генератор развертки; 5 — генератор импульсов; 6 — элект-ронно-лучевая трубка; а — начальный импульс; б — донный сигнал; в — импульс, отраженный от дефекта.
Резонансный способ обнаружения дефектов основан на изменении частоты пьезоизлучателя до момента возникновения резонанса. Если в детали нет дефектов, явление резонанса наступает при определенном значении частоты, соответствующем проверяемой толщине детали. При наличии дефектов сечение детали в месте контроля будет меньше и явление резонанса наступит при другой частоте.
Специальные методы дефектоскопии. К таким методам относят макро- и микроанализы, механические испытания, испытания на твердость.
Для проведения макро- и микроанализов и механических испытаний от заготовок или готовых деталей отбирают пробы для изготовления образцов.
На заготовках деталей (поковках, отливках) для проб предусматривают специальные припуски (например, при изготовлении поковок ответственных валов припуски по длине с обеих сторон вала равны 200 мм). Пробы отбирают после окончательной термической или другой обработки, предусмотренной техническими условиями на изготовление.
При макроанализе материала готовых деталей (валов) исследование часто проводят непосредственно на контролируемой поверхности (шейке или торце вала и т. д.). Макроанализ позволяет определить наличие и характер распределения неметаллических включений (сульфидов, оксидов, фосфидов и т. д.), а также выявить волокнистость металла, волосяные трещины и флокены.
Во время капитальных ремонтов паровых котлов по требованию Регистра из коллекторов, барабанов котлов вырезают пробные шашки (планки), из которых изготавливают образцы для механических испытаний и шлифы для макро- и микроанализа. С помощью микроанализа в данном случае определяют наличие межкристаллитной коррозии.
Микроанализом контролируют структуру материала при изготовлении ответственных деталей механизмов (чугунных втулок цилиндров и поршневых колец двигателей, ответственных стальных деталей, прошедших термическую и термохимическую обработку, и т. д.).
Механические испытания проводят, если необходимо убедиться в том, что механические характеристики материала изготавливаемой или бывшей в эксплуатации детали соответствуют техническим условиям. Правилами Регистра установлен перечень обязательных механических испытаний при изготовлении ответственных деталей механизмов (например, при изготовлении шатунов двигателей, поршневых пальцев следует испытывать образцы на растяжение и ударную вязкость). Размеры образцов, состав и порядок проведения испытаний определяют соответствующие стандарты.
При проведении дефектовочных работ механические испытания проводят для контроля прочности деталей, бывших в эксплуатации, например шатунных болтов двигателей и болтов фланцевых соединений паропроводов высокого давления. Образцы в данном случае изготавливают из отобранных болтов.
Испытания на твердость проводят при изготовлении и дефектации деталей по Бринеллю (детали из чугуна, незакаленной стали и из цветных металлов) и по Роквеллу (стальные детали, имеющие высокую поверхностную твердость после термической и других видов упрочняющей обработки).
Испытания на твердость в судоремонте применять целесоообразно, так как они позволяют косвенно по значению твердости определить в первом приближении основные прочностные характеристики материала на готовом изделии без его разрушения. Созданы переносные приборы, позволяющие испытывать крупные детали в судовых условиях.
Рис. 3. Структурная схема прибора для диагностирования двигателя по вибрационным показателям
Для замера виброакустических параметров используют аппаратуру и приборы отечественного и зарубежного производства. На рис. 3 представлена схема прибора, разработанного кафедрой двигателей и теплотехники Ленинградского сельскохозяйственного института. Пьезоэлектрический датчик преобразует энергию вибрации блока двигателя в электрический сигнал, который усиливается с помощью усилительных каскадов и поступает на блок фильтров. Фильтр служит для диагностики шатунных подшипников (с полосой пропускания колебаний 500—2000 Гц), фильтр — для диагностики сопряжения поршень — гильза цилиндра (с полосой пропускания колебаний 2000—3800 Гц), фильтр — для диагностики поршневых колец (с полосой пропускания колебаний 10 000—16 000 Гц). Фильтр может быть также использован для диагностики топ-ливоподающей системы высокого давления.
В соответствии с проверяемым сопряжением включается один из трех фильтров и выделяется активная полоса частот, несущая основную информацию о техническом состоянии сопряжения. После фильтрации сигнал усиливается вторичным каскадом усиления 7 и поступает на вход интегрирующего устройства 8, которое усредняет процесс за время Т. По шкале индикатора, градуированной в милливаттах, определяют мощность сигнала, характеризующего энергию вибрации блока в районе установки датчика 1. Имея переходную таблицу или тарировочный график, можно по показаниям шкалы индикатора определить зазор в проверяемом сопряжении.
При определении энергии вибрации, формируемой исследуемым сопряжением, большое значение имеет правильная установка датчика на поверхности детали (блока) двигателя. Датчик должен быть установлен в таком месте, которое обеспечивало бы максимальную информацию от проверяемого узла при минимальном влиянии помех за счет вибрации других сопряжений. Например, при проверке сопряжения поршень — гильза цилиндра датчик устанавливают на боковой поверхности блока цилиндров на небольшом расстоянии от верхней кромки гильзы цилиндра.
Все большее развитие получают многоканальные схемы с применением электронно-вычислительных машин (ЭВМ), в блоках памяти которых записана информация, характеризующая первоначальное (построечное) техническое состояние двигателя данной марки. При использовании такой системы информация о работе каждой кинематической пары диагностируемого двигателя от вибропреобразователей через специальное кодирующее устройство вводится в ЭВМ. Сопоставляя полученную информацию с той, которая хранится в блоках памяти, ЭВМ автоматически в короткий срок ставит диагноз (дает оценку техническому состоянию) каждой работающей кинематической паре двигателя. Результаты оценки выдаются на перфоленту или пишущее устройство.