автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Разработка методики выбора специальных защитных покрытий и технологий их нанесения с целью повышения эксплуатационных качеств судов

На правах рукописи

Абачараев Ибрагим Мусаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫБОРА СПЕЦИАЛЬНЫХ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ И ТЕХНОЛОГИЙ ИХ НАНЕСЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КАЧЕСТВ СУДОВ

Специальность. 05 08.04 -«Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2007г

003071901

Работа выполнена в Институте физики Дагестанского научного центра Российской академии наук, отдел физико-технических проблем машиноведения

Официальные оппоненты

Доктор технических наук, профессор, Лысенков Павел Михайлович

Доктор технических наук, профессор, Безюков Олег Константинович

Доктор технических наук, профессор, Трусов Валерий Иванович

Ведущее предприятие

ФГУГТ «Центральный научно-исследовательский институт технологии судостроения»

- Защита состоится « 14 » июня 2007 г в « 14 » час на заседании диссертационного совета Д 212 228 05 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет», по адресу 190008, Санкт-Петербург, ул Лоцманская, 3, актовый зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет»

Автореферат разослан « » 2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета канд техн наук доцент

А Н Муравьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Пропульсивные качества судов ухудшаются из-за обрастания их погруженных частей и кавитационного разрушения элементов винто-рулевого комплекса и отдельных узлов энергетических систем дизелей, гидронасосов и др Обрастание корпусов и кавитационное разрушение элементов винто-рулевого комплекса наносит ущерб судовладельцам из-за потерь на внеплановый ремонт и простой судов, на повышенный расход топлива, из-за расходов на антикавитаци-очные и антиобрастающие мероприятия Обрастание крыльев и крыльевого аппарата судов на подводных крыльях (СПК) при эксплуатации их в Черном море происходит настолько интенсивно, что после 2-х недельного плавания они теряют ходовые качества. Увеличение продолжительности межремошгных периодов судов малого и среднего водоизмещения имеет важное стратегическое значение для отрасли водного транспорта В работе обоснована необходимость проведения целенаправленных аналитических исследований по выработке единого решения данной проблемы на базе подробных научных изысканий

В этой связи становится очевидной актуальность моделирования процессов борьбы с обрастанием и кавитационной эрозией с целью выявления общих закономерностей их протекания в натурных условиях и разработки действенных путей борьбы с ними Положительное решение проблемы позволит получить надежные средства повышения эксплуатационных качеств судов

Цель работы

Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационных качеств судов путем нанесения специальных защитных покрытий на поверхности, подверженные обрастанию и кавитационным разрушениям Для достижения цели решены следующие научные задачи

1 Обоснована возможность решения проблемы повышения срока эксплуатации элементов судов, подверженных обрастанию и кавитационным разрушениям, путем нанесения на их поверхность защитных покрытий

2. Научно обоснован новый критерий кавитационной стойкости материалов и покрытий, с помощью которого можно прогнозировать их свойства

3. Разработаны технологические методы получения кавитационностойких диффузионных и напыленных покрытий для судовых гребных винтов, деталей двигателей и гидроаппаратуры

4. Проведены исследования по получению оптимальных плазменных покрытий с бактерицидными свойствами для защиты от обрастания погруженных частей судов

5 Выполнены исследования и созданы кавитационностойкие диффузионные покрытия на сталях и чугунах, используемых в судостроении.

6 Разработаны технология и оборудование для очистки корпусов судов от продуктов обрастания и коррозии

7 Проведена практическая проверка результатов теоретических и экспериментальных исследований и разработаны рекомендации по их внедрению.

8 Дано экономическое обоснование целесообразности практического использования новых научных результатов, представленных в данной работе

Методика решения поставленных задач

Новым методологическим подходом является квалификация проблемы повышения эксплуатационных качеств судов как совокупности внешних и внутренних задач относительно рассматриваемых элементов судов

Разработана методика определения эффективности противообрастающих плазменных покрытий при лабораторных и натурных испытаниях

В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования, проведены испытания в натурных условиях

Новые научные результаты, полученные в работе

1 Научно обоснован новый критерий кавитационной стойкости материалов и покрытий, с помощью которого можно прогнозировать их свойства

2 Доказана возможность повышения срока эксплуатации кавитационно-разрушаемых элементов судов в 3-5 раз при нанесении на их поверхность диффузионных покрытий, соответствующих критерию кавитационной стойкости

3 Сформулирован принцип получения противообрастающих плазменных покрытий, содержащих бактерицидные добавки

4 Разработаны методы борьбы с обрастанием судов и элементов движи-тельного комплекса путем нанесения на их погруженные части плазменных покрытий с бактерицидными элементами

5 Разработаны составы кавитационностойких покрытий, отвечающих требованиям критерия кавитационной стойкости,

6 Теоретически обоснована и практически реализована стратегия нанесения островковых теплозащитных покрытий на водоохлаждаемую поверхность втулок цилиндров дизелей спасательных плавсредств с целью улучшения их пусковых качеств, снижения удельного расхода топлива и масла

7 Разработана высокопроизводительная и экологически безопасная технология очистки корпусов судов от обрастателей

Практическая ценность

Полученные в диссертационной работе новые научные результаты позволили

- создать технологию нанесения кавитационностойких диффузионных покрытий, соответствующих критерию кавитационной стойкости,

- создать технологию нанесения кавитационностойких плазменных покрытий, содержащих бактерицидные добавки,

- обосновать возможность изготовления узлов судов и деталей энергетического оборудования, подверженные кавитационным разрушениям, из дешевых углеродистых и низколегированных сталей и чугунов с нанесением на их поверхность защитных покрытий, соответствующих критерию кавитационной стойкости,

- снизить степень обрастания погруженных частей судов нанесением плазменных покрытий составами, содержащими бактерицидные добавки,

- создать машину с игольчатым барабаном и дистанционным управлением для очистки корпусов судов от обрастателей и продуктов коррозии Ее применение устраняет ручной труд, улучшает экологическую обстановку в доке, повышает производительность очистных работ в 3-4 раза

- создать технологию нанесения на водоохлаждаемой поверхности втулок цилиндров теплозащитных островковых плазменных покрытий, что позво-

4

ляет улучшить пусковые качества дизелей и снизить расход топлива и масла на 2,3% и 15%, соответственно,

- повысить срок безремонтной эксплуатации судов в 2 - 2,5 раза за счет снижения степени обрастания корпусов и уменьшения степени кавитационного разрушения их элементов

Реализация результатов работы

Научные и практические результаты опробованы и внедрены в ОАО «Махачкалинский судоремонтный завод», ОАО «Завод «Дагдизель» и в ОАО «Махачкалинский морской торговый порт».

Научные результаты диссертации внедрены в учебный процесс Дагестанского Государственного технического университета (г. Махачкала), Дагестанского филиала Московского автодорожного института (г. Махачкала), Астраханского государственного технического университета, Санкт-Петербургского морского технического университета в виде учебных пособий и рекомендаций при чтении лекций, а также в курсовом и дипломном проектировании

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических симпозиумах и конференциях, а также на отраслевых специальных семинарах Среди них Всесоюзная научно-техническая конференция «Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки деталей машин и инструмента (г Махачкала, 1989 г), 5-е Собрание металловедов России (г. Краснодар, 2001), Первый Международный симпозиум по транспортной триботехнике (С -Петербург, 2001) Международный семинар «Теплофизические свойства веществ» (г Нальчик, 2001), Первый Международный конгресс «Новые высокие технологии для нефтегазовой промышленности и энергетики будущего» (Тюмень, 1996), Международная научная конференция, посвященная 275-летию РАН и 50-летию ДНЦ РАН «Достижения и современные проблемы развития науки в Дагестане» (Махачкала, 1999), Международная научная конференция «Физика магнитных и фазовых переходов (Махачкала, 2000), Научная конференция «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин (Астрахань, 2002); 5-я Международная практическая конференция-выставка (С.-Петербург, 2003), 4-я Международная научная конференция «Физика плазмы и плазменные технологии» (Минск, 2003), Международная конференция «Fisíka - 2005» (Баку, 2005), Всероссийский научно-технический форум «Технологическое и кадровое обеспечение развития судостроительной отрасли» (С.-Петербург, 2005).

Публикации

Всего по теме диссертации опубликовано 37 работ в научных изданиях Из них 32 статьи. В личном авторстве выполнено 4 работы, доля автора в остальных работах от 25% до 70% В изданиях, рекомендуемых Перечнем ВАК РФ, опубликовано 10 работ, из них одна работа в личном авторстве, доля автора в остальных работах от 25% до 70%

Изобретения защищены 5 патентами

Объем работы

Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов и заключения, изложенных на 199 страницах машинописного текста, содержит 28 таблиц, 44 рисунка, список литературы из 186 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность научной проблемы, исследуемой в диссертации, формулируются цель работы, задачи и методы исследований, оценивается научная и практическая значимость результатов исследований, приводятся сведения о реализации и апробации основных положений диссертационной работы

В первой главе дается анализ информации о решении внешних задач, связанных с природой обрастания погруженных частей судов Показано, что некоторые виды «обрастателей» настолько быстро развиваются и прочно прикрепляются к твердым поверхностям, что удерживаются даже на лопастях гребных винтов, снижая их КПД и усиливая кавитационные и коррозионные разрушения У судов на подводных крыльях за короткий срок эксплуатации (2-3 недели) в Черном море обрастание протекает настолько интенсивно, что крылья утрачивают свою подъемную силу На быстроходных судах биомасса «обрастателей» превышает 10 кг/м2 в год, на тихоходных судах - 20 кг/м2 в год, а у судов при длительных простоях биомасса «обрастателей» достигает 40 кг/м2 в год

В главе рассмотрены известные способы защиты корпусов судов от обрастания, среди которых

1 Химико-биологические методы Эти технологии сводятся в основном к нанесению на защищаемую поверхность элементов судов необрастающих красок, содержащих различные биологически активные яды

2 Физические методы защиты от обрастания сводятся к термическому способу, электрической и ультразвуковой технологиям, механическому методу и защите нетоксичными составами,

3 Металлизационный метод

На базе анализа различных взглядов на природу кавитационной эрозии предложена обобщенная схема ее развития Показано, что для уточнения соотношений механического и коррозионного факторов в кавитационной эрозии необходимы конкретные исследования Кавитационное разрушение элементов, расположенных вне корпуса судна, характерно для судов на подводных крыльях (СПК) и судов на воздушной подушке (СВП) Кавитационная эрозия у СПК наблюдалась на передней и задней кромках крыла, находящихся в потоке гребного винта Сами же винты этих судов разрушаются кавитацией настолько интенсивно, что их гарантированный выход сокращают до 250 300 часов

Кавитационной эрозии подвержены и лопасти воздушных винтов СВП Разрушения так скоротечны, что лопасти приходится заменять через 150 часов Считается, что такое разрушение происходит из-за удара капель жидкости (капельная эрозия) Автором впервые высказана гипотеза, что это разрушение имеет характер кавитационного, возникающего при ударном разрушении капель жидкости о входную кромку лопасти винта

На эксплуатационные качества судов оказывает влияние и кавитационное разрушение элементов энергетических установок Характер и природа этих разрушений принципиально отличаются от кавитационных разрушений элементов, рассмотренных в разделе внешних задач, поэтому изучение проблемы повышения их ресурса выделена в раздел внутренних задач

На основе анализа отечественных и зарубежных публикаций по вопросам борьбы с кавитационной эрозией судовых элементов (внешние задачи) и деталей их энергетических установок (внутренние задачи), обрастания корпусов судов, крыльев и крыльевого аппарата СПК (внешние задачи), сделаны следующие выводы

1 Проблема повышения эксплуатационных качеств судов может быть представлена как совокупность внутренних и внешних задач

2 Для научного обоснования и разработки технологий нанесения кавкга-ционностойких покрытий на судовые элементы необходимо создать новый критерий кавитационной стойкости, на основе которого можно прогнозировать их свойства

3 Сведения по влиянию различных способов поверхностного упрочнения (химико-термической обработки и плазменного напыления) на кавитационную стойкость и противообрастающую способность погруженных элементов судов недостаточны Поэтому без теоретических и экспериментальных исследований невозможно решить проблему создания эффективных покрытий

4 Процессы очистки корпусов судов от обрастателей и продуктов коррозии не автоматизированы, малопроизводительны, экологически опасны для обслуживающего персонала и задача решения этих проблем требует масштабных конструкторско-технологических разработок

Вторая глава посвящена разработке стратегии технологии нанесения противообрастающих газотермических покрытий

На основе изучения мировых источников информации можно сделать вывод, что в борьбе с обрастанием технологии газотермического напыления признаны бесперспективными Отечественные исследования в этом плане являются пионерскими и подробно изложены в трудах профессора М М Абачараева и его учеников

Исследования по разработке эффективных составов плазменных противообрастающих покрытий были разбиты на два последовательных этапа 1) лабораторные исследования по установлению оптимального состава противообрастаю-щего плазменного покрытия, 2) натурные испытания образцов с плазменными противообрастающими покрытиями оптимальных составов

При выборе бактерицидных элементов для введения в состав противообрастающих покрытий были проанализированы их свойства, как в отдельности, так и в различных соединениях (табл 1).

Для ускоренных лабораторных испытаний газотермических покрытий на противообрастающую способность принят широко применяемый глициновый метод, основанный на определении скорости выщелачивания меди, при погружении в глициновый раствор напыленных пластин из судокорпусной стали (Ст 08 КП) размерами (50x100x2 мм) общей площадью 103 см2.

Пластины выдерживали в емкости (250 мл) с глициновым раствором в течение 72 часов (что соответствует году натурных испытаний), затем, для определения количества меди раствор подвергали калориметрическому анализу на фотокалориметре ФЭК-М

Таблица 1

Распространенные бактерицидные элементы и их свойства

Элемент Степень токсичности Температура плавления, °С Возможные соединения при напылении

Ве Сам и соединения высокотоксичны 1283 Ве3Си

Со Мелкодисперсная пыль частично токсична Соединения в больших количествах токсичны 1495 Со2А1, СО2А1;, Т1С02 Т1С0, Т12Со

Ni Мелкодисперсная пьиь токсична. Карбоний сильно токсичен 1445 1Ч1А1, №2А12

Cu Порошок токсичен аналогично никелю, токсичность солей невелика 1077 СиА12, Си30, Си20, Т12Си, Т1С11, Т|2Си3, Т1С11,

As В чистом ыаде нетоксичен, соединения сильно токсичны 820 А$А1, Т1АБ

Cd Сам не токсичен, но соединения высокотоксичны 321 СЖЬ

Sb Пыль и пары токсичны, соединения токсичны, но менее мышьяка 630 ЗпЗЬ.ТцБЬ, Т15Ь2

Ba Токсичен, растворимые соли очень токсичны 710 ВаА14, ВаА1, ВаАЬ

Результаты лабораторных исследований представлены в табл2, откуда видно, что наибольшую скорость выщелачивания имеют покрытия Си-Ве составов Оптимальным оказывается покрытие этой системы, содержащее 3% Ве

Таблица 2

Скорость выщелачивания меди из плазменных покрытий

№ Состав покрытия, % массы Толщина по- Скорость выщелачивания,

крытия, мкм мкг/(см2/с\тки)

1 70(60Т!+20№+20А1)+30(60Си20+ 0,8

+40Ве) 0,8 12,40

09

2 80(55Ы1+45Т1)+20Си 0,9

0,8 14,35

0,8

3 70(55№+45Т1)---30Си 0,7

0,8 21,90

0,9

4 75(55№+45Т1)+24Си+1Сс1 0,9

0,8 24,85

0,7

5 70(55ЫН-45Т1)+27Си+ЗС<1 08

0,9 17,90

1,0

6 75(55№+45Т1)+15Си+1 ОБЬ 1 0

0,8 12,61

0,9

7 70(55Ы1+45Т1)+20Си+105п 0,8

0,7 17,65

08

8 97Си+ЗВе оа

0,3 214,40

0,2

9 98Си+2Ве 02

03 189,1

02

Об интенсивности растворения других бактерицидных элементов (Be, Cd, Sb), введенных в состав напыленных покрытий, невозможно судить по результатам принятых лабораторных исследований, так как отсутствуют необходимые методики Поэтому для проверки результатов лабораторных исследований и установления противообрастающей способности газотермических покрытий изученных составов, содержащих несколько бактерицидных элементов, были проведены натурные испытания специальных образцов - щитов

Щиты из стали 08КП размерами 250x350x3 мм напыляли с одной поверхности составами изученных противообрастающих покрытий и испытывали погружением в Каспийское море Интенсивность обрастания оценивали экспертным путем по площади поражения образцов обрастателями (в %) и баллу обрастания от 1 до 5 За 1 принято 100% обрастания чем меньше площадь обрастания, тем выше балл

Результаты испытаний при выдержке напыленных образцов в море в течение 60 суток приведены в табл 3, откуда видно, что опытные образцы с Cu-Be покрытием имели единичные обрастатели (балл 5, поверхность обрастания 2 3%), а контрольные образцы без покрытий получили сильное обрастание (балл 1, площадь обрастания 100%)

Результаты лабораторных и натурных испытаний показывают, что покрытия системы Cu-Be обладают высокой противообрастающей способностью и их можно рекомендовать для защиты погруженных частей судов

Качество наносимых плазменных покрытий, их эксплуатационные свойства во многом зависят от степени подготовки к напылению исходных компонентов и поверхности обработки Большое влияние на качество покрытия и его связь с основой (адгезионная прочность) оказывают также среда и параметры напыления

Таблица 3

Результаты натурных испытаний щитов с плазменными противообрастающими покрытиями

N° Состав покрытия % по массе Толщина покрытия мм Площадь обрастания % Балл обрастания

1 (90Cu+3Cd+3Be) +4нитроцеллюлоза +оплавление 0,6 2 5

2 (93Cu+3Be) +4нитроце1люлоза +оппавление 05 5 5

3 70(60Ni+20Ti+20AI)+30Cu 08 65 2

4 70(55Ni+45TI>+30CU 08 60 2

5 55Ni+45TI 1 0 90 1

6 Сталь 08кп - 100 1

Для установления оптимальных технологических критериев напыления и создания покрытий с максимальной адгезионной прочностью были проведены дополнительные эксперименты по определению взаимосвязи толщины покрытий и дистанции напыления на величину адгезионной прочности Эти исследования

показали (рис 1), что наиболее качественные покрытия получают при напылении на режимах по току (11=45 50 В, ^20 450 А) с длиной плазменной струи 130 мм При этом наибольшая адгезионная прочность достигается при толщинах покрытий 0,6 0,8 мм (рис 2), а более толстые покрытия отслаиваются под действием незначительных остаточных напряжений

П "

40 80 120 160 Расстояние до мишени, мм

Рис 1 Влияние дистанции напыления на плотность М1-Т1 покрытий

0.4 0 8 12 1.6

Толщина покрытия, мм

Рис 2 Влияние толщины плазменных N1-11 покрытий на адгезионную прочность

Для нанесения разработанных противообрастающих плазменных покрытий необходимо произвести очистку поверхности корпуса судна Действующая технология очистки перед нанесением противообрастающих красок имеет два недостатка а) большая трудоемкость и малая производительность ручной очистки абразивными кругами, б) экологическая вредность для обслуживающего персонала, приводящая к профессиональной силиконовой болезни

В работе была поставлена и реализована задача механизации процесса очистки подводной части судов При этом приняты оригинальные конструктор-ско-технологические решения по созданию новой очистной машины со щеточным или игольчатым барабаном, вплоть до применения иглофрез в зависимости от толщины и твердости наростов на обрабатываемых поверхностях Кинематическая схема машины с дистанционным управлением приведена на рис 3

Рис 3 Универсальная технология очистки судовых корпусов от обрастателей и продуктов коррозии

В третьей главе приводятся результаты теоретических и технологических разработок по созданию критерия кавитационной стойкости для покрытий на судовых элементах и деталях судового оборудования

При решении этой задачи был выполнен анализ мировых исследований по этой проблеме Отмечается, что первые попытки по установлению связи кавитационной стойкости металлов и сплавов с их объемными механическими свойствами, в частности, с твердостью были предприняты Г Шретером, Т К Ряжской, А М Фридманом и другими Г Шретер считал, что чем выше исходная твердость, тем больше кавитационная стойкость сплава Но исследования других авторов не подтвердили эту гипотезу, так как кавитация сопровождается не только механическим, но и химическим, акустическим и другими воздействиями среды Ряд авторов пытался найти связь кавитационной стойкости с энер-

гией деформации, пределом упругости и пределом прочности

Из многих попыток можно выделить вклад У Пижини, выразивший эту величину в виде

К=(а, оу2/Е)х (а2 Н)у, (1)

где Н - начальная твердость, ау- предел упругости, Е-модуль Юнга, а, иа2 - коэффициенты пропорциональности, в частности -а, -1, а, -2,2 2,3,а2 -1, а2 -2,7 2,9, х и у - коэффициенты, определяемые для каждой группы материалов в конкретных условиях испытания

Рис 4 Структурные составляющие физической модели критерия кавитационной стойкости

Из многих моделей параметра кавитационной стойкости - это наиболее удачная модель, но она не учитывает свойства поверхностных зон, с которых на-

чинаетсч кавитационное разрушение и качество которых не определяют физико-химические свойства материалов В этой модели не учтен также коррозионный фактор, юторый играет существенную роль в процессах кавитационной эрозии

С [елью исключения этих несоответствий, в диссертации разработана физическая модель нового критерия кавитационной стойкости, структурные составляющие которой приведены на рис 4

С у!етом фактических данных, полученных при магнитострикционных и кавитациотых испытаниях сплавов и покрытий, отличающихся друг от друга механичесжми и электрохимическими показателями, математическая модель нового критерия кавитационной стойкости может быть представлена в виде

в = Г(Н„, АН, Б), (2)

где Н0 - исходная микротвердость,

ДН = Нтах-Н0 - степень деформационного упрочнения, Нтах - микротвердость «насыщения»,

Б - показатель кавитационной активности материала и среды

На основании статистической обработки результатов экспериментальных исследований разных авторов и собственных испытаний материалов, отличающих« друг от друга механико-химическими свойствами, функцию критерия кавитационной стойкости в общем виде можно выразить как

С = О - (3)

где' О - показатель, определяющий степень сопротивления материала покрытия механическому воздействию,

Б — аргумент коррозионной стойкости материала покрытия в конкретной коррозионной среде,

X - коэффициент, выражающий долю коррозионных потерь в объеме кавитационной эрозии Конкретизация уравнения (3) по результатам целевых экспериментальных исследований позволила представить его в следующем виде

С = 1ё(Н„ЛНп)-х5, (4)

где п - степень склонности к деформационному упрочнению В такой модели критерия кавитационной стойкости (4) структурные и коррозионные факторы выражены соответственно коэффициентами «п» и «х», которые можно определить аналитически, по данным различных авторов

Например, по мнению Я Ш Турецкого, степень деформационного упрочнения даже для высоколегированных сталей не превышает 200% (те п < 2), у некоторых металлов эта величина колеблется в пределах п=1 2

По нашим данным установлено, что слагаемое «Х$» в выражении (4) можно рассчитать как

Х = рО (5)

Тогда х=р1й(Н0 АН") и в окончательном виде формула для расчета нового критерия кавитационной стойкости может быть представлена в виде

С = (1-р)18(НДНп), (6)

Здесь р — величина, определяемая экспериментально, представляет собой отношение объемных (или массовых) потерь от коррозии в кавитирующей среде к соответствующим потерям от кавитации в целом

Для расчета коэффициента «р» проведены дополнительные исследования при одновременном кавитационном и коррозионном воздействии на исследуемые материалы в кавитирующей среде При магнитострикционных опытах были приняты меры по сохранению внешних факторов (объем среды, давление, температура воды, время испытаний) на одном уровне

Во избежание ошибок, вносимых масштабным фактором, нерабочие поверхности образцов для коррозионных испытаний покрывали лаком Результаты натурных испытаний по определению коэффициентов в выражении (6), представлены в табл 4

Таблица 4

Значения характеристик, определяющих критерий кавитационной стойкости, и распределение некоторых металлов по величине этого параметра

№ Материал Микротвердость, кгс/мм2 Р п О Дшк %

н„ Нма\ ДН В водопроводной воде В Морской воде

1 РЬ 60 70 10 0,01 1,0 2,77 0,1 0,2

2 А! 210 370 160 0,15 1,05 4,01 1,0 20,0

3 Си 530 940 410 0,01 1,1 5,44 1,0 1,0

4 Т1 1400 2600 1200 0,01 1,4 7 33 1,0 0,5

5 Сталь Н36 1600 3200 1600 0,05 1,5 7,84 0,3 3,0

6 Сталь 12Х18Н10Т 1750 3400 1650 0,02 1,5 7,98 0,5 7,0

7 Сталь 30Х10П0 2000 5000 3000 0,03 1,8 8,99 0,7 10,0

8 Нитинол (N1X1) 2000 6000 4000 0,01 2,0 /10,4 0,5 0,9

Дтц - потеря массы образцов от коррозии в кавитирующей среде %

Из данных табл.4 следует, что потери массы образцов от коррозии в кавитирующей среде на 25 .40% превышают соответствующие потери в спокойной воде Этот факт установлен впервые и свидетельствует о том, что происходит химическая активация водной среды при возникновении в ней кавитации Поэтому нельзя исключать влияние коррозионного фактора при формулировании критерия кавитационной стойкости материалов и покрытий

Критерий кавитационной стойкости С представляет собой безразмерную величину и позволяет оценивать относительную кавитационную стойкость материалов Однако он не учитывает временного фактора воздействия среды, которым при длительных испытаниях (эксплуатации) пренебрегать неправомерно

Статистическая обработка результатов исследований по установлению поправки к критерию в, определяющей роль длительности испытаний, позволяет представить модель параметра кавитационной стойкости в виде

О^О-^т/Ду, (7)

Здесь О и От - критерии кавитационной стойкости соответственно при краткосрочных и длительных испытаниях,

т — время испытаний, Ду - величина поляризационного сопротивления Уравнение (7) имеет существенное значение для использования на практике Используя эту зависимость, нам впервые удалось объяснить наблюдавшееся несоответствие данных лабораторных испытаний сталей 30Х10Г10 и 12Х18Н10Т, описанных И Н Богачевым и Р И Минцем, а также результаты натурных наблюдений Я Ш Турецкого

Расчеты по уравнению (6) показывают, что критерий кавитационной стойкости С для этих сталей при краткосрочных испытаниях составляет 8,99 и 7,98 соответственно, и подтверждают более высокую кавитационную стойкость де-формационноупрочняемой стали 30Х10Г10 по сравнению с нержавеющей сталью 12Х18Н10Т

Расчеты по уравнению (7) показывают, что через 10000 часов наработки (что соответствует сроку эксплуатации турбин в реальных условиях), значение критерия О, нержавеющей стали становится равным 7,18, а деформационноу-прочняемой стали - 6,97 Это подтверждает состоятельность и практическую ценность предложенного в работе критерия кавитационной стойкости материалов

Введение поправочных коэффициентов, учитывающих их плотность и толщину, в модель этого параметра для покрытий позволяет более полно оценить влияние и других факторов

Результаты наших собственных исследований, а также и других авторов позволяет представить критерий кавитационной стойкости для газотермических покрытий в виде

0„=От! (8),

Сп^Оп-а/ДфтП^т (9),

где г| — плотность покрытия,

Дф - поляризационное сопротивление,

ш -коэффициент, учитывающий пористость покрытий и определяемый экспериментально

Для выявления влияния пористости плазменных покрытий на величину коэффициента «ш» были проведены исследования, результаты которых приведены в табл 5

При решении задачи выбора метода и сред поверхностного упрочнения химико-термической обработкой стальных и чугунных деталей рассчитаны параметры кавитационной стойкости для известных и новых, разработанных в диссертации, классов диффузионных покрытий Результаты этих расчетов приведены в табл 6 Они показывают, что характер распределения диффузионных покрытий по величине О вполне логичен Например, наибольшее значение в на низкоуглеродистых сталях (Ст 20) соответствует процессам насыщения элементами, обеспечивающими высокую степень легирования феррита и вызывающим вследствие этого резкое увеличение его коррозионной стойкости и склонности к деформационному упрочнению

Таблица 5

Значения показателя "ш" для различных систем плазменных покрытий в зависимости от их плотности

№ Тип покрытия Пористость покрытия, %

10-12 | 7-8 | 3-5

Значение т

1 Ni-Al 3,3 3,6 4,0

2 Ni-Ti 3,0 3,6 3,8

3 Ti-Al 3,2 3,7 4,1

4 Ni-Ti-Al 2,75 30 3,2

К таким процессам можно отнести алюмосилицирование, хромосилициро-вание, алюмохромосилицирование, алюмохромотитанирование и др. В процессе плазменного нанесения покрытия на средне- и высокоуглеродистые стали доминируют процессы, при которых возникают комбинированные многослойные покрытия, состоящие из высокотвердых коррозионностойких карбидных зон и подслоя легированного феррита (иногда аустенита), отвечающего требованиям критерия в

Таблица 6

Строение и свойства диффузионных покрытий на железоуглеродистых сплавах при поверхностном насыщении различными элементами

№ Материал Насыщающие элементы Фазовый состав покрытия, микротвердость (Н), кгс/мм2 электродный потенциал (р) Соотношение свойств основы и покрытия

1 СЧ 25 Сг, Cr-Si, Cr-Mn, Cr-Ti, Cr-Ti-Si, Cr-Al-Si 1) карбидный слой Н(1800-2400), ф>0 2) подкарбидный слой легированного феррита (аустенита) Н(400-600), ч»0 в^Соси Ф^ХРОС» Оп>(|(1<н фп>фося

2 Сталь 08КП Ст 10 Ст 20 Cr, All Si, Ti, Cr-Si, Cr-Al легированный феррит Н(400-500) <р>0 фп>фос«

3 Сталь 08КП Ст 10 Ст 20 Ni, Mn легированный аустенит Н(600-700), <р>0 О^Ооди фп>фос„

4 Ст 45 Сталь 40ХН 38Х2МЮА Ст У8 Cr, Ti W, V карбидная зона Н (1500-2100) фХ) ои>о,хп фп^фосн

5 Ст 45 Ст 40 ХН 38Х2МЮА Ст У8 Cr-Si, Cr-Ti, Cr-Al, Cr-Mn, Cr-V,Cr-W Cr-Ti-Al, Cr-Al-Si 1)карбидная зона Н(1500-2100) ф>0 2) подкарбидная зона легированного феррита (аустенита) Н(500-700), Ф>0 фп>ф~н

Для подробного изучения возможности создания кавитационостойких покрытий на железоуглеродистых сплавах, предложены процессы получения легированных твердорастворных слоев на низкоуглеродистых сталях (08КП, Ст 20, сталь 20ХН) - это хромирование, силицирование, алитирование, титанирование, хромосилицирование, хромоалитирование (табл 6)

На средне- и высокоуглеродистых сталях, а также чугунах исследованы п)оцессы формирования двухслойных карбидно-твердорастворных покрытий при хромировании, хромомарганцировании, хромосилицировании, хромотитани-роинии, хромоалюмосилицировании

Значения в и ф исследуемых покрытий намного превосходят подобные показатели основы (см табл 6)

По прогнозам применение оптимальных технологий химико-термической обработш является эффективным направлением повышения долговечности элементов садовых двигателей, механизмов и гребных винтов Это утверждение можно отнести и к плазменным покрытиям, отвечающим требованиям параметра в Но, в опичис от высокоплотных диффузионных слоев, плазменные покрытия - пористые Для устранения этого недостатка следует предусмотреть жидкофаз-ную металли'ескую пропитку плазменных покрытий Можно использовать порошок меди, сплавляемый на обрабатываемой поверхности Это придаст плазменным покрьпчям противообрастающую способность

Четвертая глава посвящена исследованию свойств и кавитационной стойкости защитных покрытий

За основу лабораторных исследований кавитационной стойкости диффузионных и плазменных покрытий принят способ воспроизводства вибрационной кавитации с использованием магнитострикционной установки Этот метод позволяет наиболее полно дать качественную и количественную оценку кавитационной стойкости материалов и покрытий без ограничения диапазона их исходного строения и свойств

Магнитосгрикционный стенд (рис 5) состоит из ультразвукового генератора, генератора импульса, магнитостриктора (1), емкости с жидкостью (2)

Рис 5 Схема магнитострикционной установки 17

Оценка кавитационной стойкости производилась по потере массы опытных образцов (мг) прямым взвешиванием их на аналитических весах до испытаний и после 120 минут магнитострикции Наиболее интенсивно кавитация в водопроводной воде протекает при 47 52°С, поэтому был разработан и использован во всех опытах специальный термостабилизатор, позволяющий поддерживать температуру воды в интервале (50+1)°С

Сложность магнитострикционных испытаний состоит в том, что при их проведении необходимо поддерживать на резонансном режиме магнитострикции большое число параметров На разработанной установке наибольшая амплитуда колебаний образцов (28 мкм) достигалась при поддержании резонансной частоты 17,2 кГц, анодного тока 0,8 А и тока подмагничивания 15 А При строгом соблюдении условий испытаний ошибки опытов не превышали +5%, что соответствует нормам практики экспериментальных исследований

Отличительная черта выполненных экспериментов по получению кавита-ционностойких диффузионных покрытий состоит в том, что основная масса разработок относится к области твердофазного насыщения в металлотермических порошковых средах В общем виде состав металлотермической среды химико-термической обработки (ХТО) можно представить в виде уравнения

шМе О+пМе •->рА1203+кА1Р3(ЫН4С1), ' (10)

где Ме - элемент, составляющий окисел-поставщик диффузанта,

Ме" - более активный, чем Ме — элемент-восстановитель, стоящий левее Ме' в ряду активности металлов

Са, и, Ъх, А1, Т1, В, Б1, Мп, Сг, ЫЬ, V, \У, Мо (11)

Металлотермическая реакция

Сг20з+А1->А120з+Сг+<3, (12)

протекает с тепловыделением и величина теплового эффекта С) составляет (80 100) 103 калл/кг, т е в 40-50 раз превышает тепловой эффект от сгорания естественных источников тепловой энергии древесины, угля, газа, нефти

Поэтому для регулирования температуры насыщающей среды при ХТО, во избежание оплавления поверхности обрабатываемых изделий, в состав смеси вводят балластную добавку (теплопоглощающую составляющую в виде инертного окисла А1203, 8Ю2 и др )

В результате металлотермической реакции восстановленный элемент Ме находится в термодинамически малоактивном состоянии, для его активации в насыщающую среду вводят галогены (ЫН4С1) или фториды (А1Р3)

Отношение составляющих металлотермической смеси подбирается по результатам экспериментальных исследований Например, для диффузионного хромирования оптимальным является состав, (%)

[(40 50)Сг203+(15 20)А1+(30 40)А1203]+(1 3)ЫН4С1 Толщина формируемых диффузионных покрытий подчиняется общим температурно-временным закономерностям химико-термической обработки

Для получения оптимальной толщины диффузионных покрытий (60 100 мкм) в экспериментах насыщение чугунных образцов осуществляли при

900 950°С в течение 4 8 часов, а остальных - при I ООО 1100°С в течение 6 8 часов

Кавитационное разрушение чугуна начинается сразу при нагружении без тодготовительного (инкубационного) периода Это связано с тем, что он имеет стги разрушений на поверхности в виде графитовых включений Поэтому для повышения кавитационной стойкости чугунных изделий необходимо решить за-да!у изолирования графита от кавитирующей среды

Этого можно добиться двумя технологическими приемами

а) нанесением химических, гальванических и других плотных покрытий на омываемую водой поверхность изделий,

б) растворением графита поверхностных зон и связыванием освободившегося углерода в карбидах при диффузионном насыщении чугунных деталей активными карбидообразователями

Первый путь менее трудоемкий, но и менее надежный по эксплуатационным качествам, так как позволяет увеличить только сопротивление электрохимической и химической коррозии, но не создает эффекта деформационного упрочнения, что не отвечает требованиям параметра кавитационной стойкости

Насыщение чугуна карбидообразователями решает эти проблемы, повышая поверхностную микротвердость, склонность к деформационному упрочнению, создавая положительный электрохимический потенциал на защищаемой детали, обеспечивая высокую адгезионную прочность покрытия с подложкой

Для решения задачи замены процесса гальванического хромирования чугунных втулок цилиндров более кавитационностойкими диффузионными карбидными покрытиями, получаемыми по разработанной технологии ХТО, были опробованы процессы марганцирования, хромирования, хромосилицирования, хромомарганцирования и хромоалюмосилицирования

Составы насыщающих сред, условия насыщения, фазовый состав и свойства диффузионных покрытий представлены в табл 7, куда введен также ранг кавитационной стойкости покрытий К, определяемый как соотношение потерь массы при двухчасовых испытаниях образцов чугуна СЧ 25 в исходном состоянии к тем же потерям образцов, прошедших искомую ХТО, К=0(Д}хто

Как видно из результатов экспериментальных исследований, покрытия, получаемые при марганцировании и хромировании, имеют карбидные зоны толщиной 30 40 мкм, но без подкарбидной твердорастворимой подложки Это приводит к росту кавитационной стойкости чугуна (К 6,3 и 10,2 соответственно), но не к столь значительному, как при создании карбидного покрытия той же толщины с подкарбидными слоями деформационноупрочняемого легированного феррита при хромосилицировании, (К=12,0) и высокодеформационноупрочняемого марганцовистого аустенита при хромомарганцировании (К=18)

На основе экспериментальных исследований процессов ХТО для защиты от кавитационных разрушений чугунных втулок цилиндров дизелей рекомендован процесс хромомарганцирования, который по сравнению с марганцированием увеличивает кавитационную стойкость почти в три раза

При решении задачи повышения кавитационной стойкости сталей были исследованы процессы алитирования, силицирования, титанирования, хромоти-танирования, титаноалюмосилицирования

Составы насыщающих сред, условия проведения исследованных процессов и основные свойства получаемых при этом диффузионных покрытий (включая и их толщину) на сталях 20,45 и У8 приведены в табл.8 Как видно из данных табл 8, ранг кавитационной стойкости стали 20 при создании на её поверхности легированного феррита (алитирование, силицирование, титанирование, хромирование) повышался от 3,0 (титанирование) до 5,4 (силицирование) Ранг кавитационной стойкости хромкарбидных диффузионных слоев на сталях 45 и У8 был значительно выше и составлял 2 . 11,4 и 10,1 15,0 соответственно Из этого можно сделать вывод, что фазовый состав карбидного слоя не оказывает значительного влияния на его кавитационную стойкость

Отмеченное в первую очередь следует объяснить малой толщиной карбидных зон (20 30 мкм), получаемых насыщением по традиционной технологии Поэтому дальнейшее усовершенствование технологии необходимо было вести в направлении создания карбидных покрытий больших толщин

Таблица 7

Условия насыщения, толщина, состав и свойства диффузионных покрытий чугуна СЧ25

№ Состав насыщающей среды, % по массе Условия насыщения Толщина диффузионного слоя, чкм Фазовый состав диффузионного слоя и его микротвердость, кгс/мм2 Ранг кавитационной стойкости, К

т, время, час кар бид ная зона твердо-растворная зона карбидная зона твердо-растворная зона

I Марганциро ванне (72Мп5+25АЬОз + +ЗЫН,С1) ¡000 6 30 Мп,С 1500 6,3

2 Хромирование (48Сг20,+12А1+ +35А12Оэ)+5А1Р, 1000 6 40 СгтСз, Си^ 1800 10,2

3 Хромо- силицирование (32Сг2Оз+88Ю2+ +10А1+48А120])+ +2ЫН,С1 1000 6 30 60 Сг,Сз, СгпС« 2100 а(С,Сг) 500 12,0

4 Хромо-алитирование (42СГ2Оэ+18А1+ +35А120,+5А1Р,) 1000 6 45 70 Сг7С3, Сщй 2000 а(А1) 600 9,3

5 Хромо- марганцирование (30Сг2С>,+ 18МпСН-15А1+ 35А1гО,+ +2Ш4С1) 1000 6 60 80 (Сг,Мп)23С6 ГСгМпУА 1800 у(Мп) 800 18,0

6 Хромоалюмо- силицирование (35СГ203+95Ю2+ +21А1+ЗОА12Оз+ +5АШ3) 1000 6 40 40 СГ7С3 2100 а(А1,81) 600 12,9

В этих целях была использована идея ускорения диффузионных процессов созданием на насыщаемой поверхности жидкометаллических фаз, изложенная в трудах проф JI Г. Ворошнина Этого можно добиться введением в состав насыщающих сред добавок Sb, Fe, Си в различных соотношениях.

Микроструктурным анализом установлено, что хромистый диффузионный слой, полученный в насыщающей среде с (Fe+Sb) добавками имеет на стали 45 толщину 150 мкм (против 40 мкм при традиционном хромировании)

Таблица 8

Условия насыщения, толщина, состав и свойства диффузионных покрытий углеродистых сталей

Толщина Микро- Ранг

Условия диффузионного твердость, навигационной

_ насыщения слоя, мкм МПа стойкости, К

Тем- Дли- Марка стали Марка стали Марка стали

№ % по массе 20 45 У8 У8 20 У8

тура. ность 20 45 45

Т,°С т час

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Алигирование 1000 4-8 270 230 200 3900 3500 3200 47 4,2 3 5

1 (75Al203+20CaAl2+ 1050 290 240 220 3800 3500 3100 4,8 4,2 35

+5A1F3) 1100 320 250 240 3900 3600 зооо 4,8 4,3 3,4

Силицирование 1000 4-8 1 1 0 70 50 5000 5100 6000 54 3,2 27

2 68FeSi+30 1050 120 60 50 5200 5200 6200 5,4 3 1 2,8

(CaO+SiOj) 1 100 140 30 45 5700 5200 6400 53 3,2 2,6

+2NH.CI

Марганцирование 1000 4-8 62 80 82 2500 1 1450 13 100 39 92 11,1

3 (72Мн5+25А12Оз+ 1050 70 90 90 2600 12100 13200 40 93 11,2

+3NR,CI) 1100 100 120 НО 2700 13200 14 100 4 1 9,5 11,7

Тнтанирование 1000 4-8 60 65 40 1700 18000 21000 30 97 11,0

4 (75TI+20TI02+ 1050 70 70 50 1800 1800 21000 3,1 9,7 11,0

+5AIF3) 1100 90 80 60 2100 1900 22000 32 99 11,2

Хромирование 1000 4-8 32 35 38 1800 15000 18000 3,1 94 10 7

1) 35А12ОЗ+42СГ2ОЗ+ 1050 40 45 46 1800 15200 18000 3 1 9,4 10 7

+20A1+3NH4C1 1100 54 60 64 2100 15400 18400 32 96 10 8

5 2>40Cr;03+20Al+8StH 1000 4-8 154 130 142 3200 14100 18000 87 11,4 15

+2Cu+28A1203+ 1050 160 150 160 3200 14500 18500 8,8 11,5 14 9

+2NR,C1 1100 180 180 190 3400 15100 18300 8,8 11,3 15,2

6 Хромосилици- 1000 4-8 37 55 67 2800 3200 13000 4 7 6,3 10,0

рование 1050 45 60 70 2800 5150 12800 4,7 6,3 99

38Cr203+18Si02+ 1100 50 65 80 2800 5400 13200 48 6,5 10 2

+20A1+20A1203+4A1F

7 Хромотитаниро- 1000 4-8 40 40 30 2100 2500 14000 3,5 75 10 1

вание 1050 50 45 35 2200 2700 14000 35 7,4 10 2

(35А12Оз+ЗОСГ2ОЗ+ 1100 60 50 40 2200 3100 14500 36 7,6 10,3

+18TIOj+12AI+

+5A1F,)

Рентгеноструктурным анализом в карбидной зоне установлены фазы с различной концентрацией Ре и Сг Микротвердость карбидной и гетерофазной зон составляла 14100 18000 и 3500 . 5800 МПа, толщина 60 и 130 мкм На толщину диффузионного слоя и его фазовый состав оказывает влияние соотношение легкоплавкой и хромирующей составляющей (рис 6)

Установлено, что оптимальные среды, обеспечивающие наилучшее сочетание структурных зон, имеют соотношение составляющих насыщающей среды [(Ре+8Ь)+Сг2Оз] равное 30 70 Насыщение в таких средах стали 45 при 1050°С в

течение 4 часов способствует созданию диффузионного слоя толщиной 150 170 мкм, карбидная зона которого составляет 60 80 мкм

200

1 IV)

2 «

о =:

я 100

s

s

3

е; о Uh

40

О 10 20 Ю 4(1 40

(вЬ+Ре), % по массе I -общая тонцина 2- гетерофазная зона 3 - карбидный слой (температура насыщения !070°С, время 6 час )

" Рис 6 Зависимость толщины структурных зон хромированного слоя стали У8 от содержания (Ре+5Ь) добавок в насыщающей среде

С целью снижения температуры инициирования диффузионных процессов, уменьшения хрупкости легированных слоев в состав легкоплавкой добавки вместо железа вводили медь При этом увеличение толщины диффузионного слоя привело к росту кавитационной стойкости сталей Ранг кавитационной стойкости сталей 20, 45 и У8 возрос до 8,8, 11,5 и 15,0 (против 3,1, 9,4 и 10,7)

Для увеличения толщины карбидного слоя был также использован способ «температурного толчка» создания покрытия при контакте жидкого металла с насыщающей средой в литейной форме Впервые исследован и запатентован способ получения карбидных покрытий большой толщины при хромотитанировании стали 45 и чугуна СЧ 25 в литейной форме

Строение хромотитанированного покрытия на стали 40Л, полученного при поверхностном легировании в литейной форме показано на рис 7

Микротвердость карбидного слоя составила 11000 15100 МПа

У ч

/л / >

V к.

э—: J \

Рис. 7. Характерное строение хромотитанированного покрытия

на поверхности спали 40Л, при легировании в литейной форме

Поверхностное хромотитанированиё в литейной форме стали 40Л и чугуна СЧ25 способствует повышению: кавитационний стойкости (К) в 10... 12 и 20...25 раз; гидроабразивной стойкости (Кга) в 12 и 15 раз,; снижает потери массы от коррозии в синтезированной морской воде в 7 и 8 раз, соответственно.

Таблица 9

Результаты комплексных испытаний образцов из стали 40Л и чугуна СЧ25 после хромотитаниройания в литейной форме

Сталь 40Л Чугун СЧ25

Ранг Олек- Ранг гид- Ранг Ранг 'Элек- Ранг гид- Раш

кавита- троа- роабра- мзно- навига- трод- роабра- износо-

Состояние цион- ныи зивной сосгой- цион- ный зивноЛ стойко-

образцов ний потен- стойко- кости, ной потен- стойко- сти,

стойко- циал. сти. стонко- циал. сти.

сти. Ф. В к. сти. Ф, В Ктр

й к,. к к,

Исходное 1.0 0.013 1,0 1,0 1.0 0,017 1.0 1,0

Хромо-

титанироиание 9,5 0,12 5,1 4,9 12.5 0.13 6.3 5,3

Результаты лабораторных исследований были проверены в натурных условиях. При этом установлено: втулки цилиндров с легированной поверхностью не имели следов разрушений после 4800 часов наработки, с то время как па штатных втулках, установленных на том же двигателе, отмечены каверны эрозии глубиной 0,5... 1,5 мм и поперечным размером 3.. .8 мм (рис. 8).

! 2

1 шга-на» нтулка с гальваническим хромокым покрытием,

2 - втулка лнффужониочромнрованнйч в лятейнрй форме

Рис. 8. Состояние поверхности втулок цилиндров дизеля 4 Ч 8,5/11 после 4800 часов наработки

Шкив редуктора т 500 часов работы имел борозды износа глубиной до 0,8 мм, а на шкиве с хромотитанированноЙ поверхностью износ не обнаружен.

Составы насыщающих сред и кавитационная стойкость диффузионных покрытий на низколегированных сталях приведены в табл. 10,

При насыщении сталей 40X11 и 38Х2МЮА хромом и титаном (хромом и марганцем) возрастает толщина и микротвердость карбидных зон. Микротвердость подкарбидноЙ зоны также повышается.

Для определения реальной возможности замены сложйёлегированных дорогих сталей более дешевыми низколегированными, обработанными по выявленным оптимальным процессам ХТО, были проведены дополнительные ис- следования, результаты которых представлены в табл.П. Данные этих исследований позволяют сделать вывод о допустимости замены, например, статей 0X13, 12X13 хромотитанированноЙ сталью 20ХНР. Подобная замена допустима по механическим свойствам сердцевины, а с экономических позиций она выгодна, так как стоимость заменителей в 4.. .8 раз ниже заменяемых сталей.

Таблица 10

Составы насыщающих сред и кавитационная стойкость диффузионных покрытий на низколегированных сталях (Т1050-1100°С, т 4-8 ч)

№ Процесс, Насыщающая среда, % массы Материал Кавитационная стойкость

G К

I 1) Хромирование 40А12Оз+55[(15А1+85Сг2О,)]+5А!Р, 20ХНР 40ХН 38Х2МЮА 7,4 7,46 7,54 6,8 7,6 7,5

44АЬ0,+54[(37Сг20)+28Ь+^Си+7А1)]+2№14С1

2 Хрочотитанирование 40А120Э+15А1+20Сг203+20ТЮ2+5А1Р3 20ХНР 40ХН 7,40 7,32 6,4 8,4

38Х2МЮА 7,52 7,4

3 Хромомарганцирование 1) 20А1203+45Сг203+18МпО+ 12АН5А1Р3 20ХНР 40ХН 7,69 8,24 5,6 7,4

38Х2МЮА 7,68 7,5

23А1203+26Сг203+ 12МпО+85Ь2Оэ+ 11 реО+17А1+ЗЫН 4С1 20ХНР 40ХН 7,70 8,30 6,4 10,2

38Х2МЮА 7,80 10,7

4 Исходное состояние 20ХНР 6,74 1

40ХН 6,83 1

38Х2МЮА 6,88 1

В диссертации впервые проведены подробные исследования по разработке

кавитационностойких плазменных покрытий и созданию в них свойств, отвечающих требованиям параметра кавитационной стойкости в С учетом этого составлена программа изучения кавитационной стойкости покрытий систем М-Т! и Т1-А1, в которых могут образовываться высокодеформационноупрочняющиеся фазы N¡11, N12X1, N13X1, Т|3А1, Т!А12

Напыление образцов проводили на установке «Р1а$та1есЬшс» в специальной герметичной камере с аргонной средой Все опыты выполнены с соблюдением оптимизированных параметров напыления сила тока 400 А, напряжение 50 60В, дистанция напыления 130 мм

Таблица 11

Сравнительные свойства некоторых высоколегированных и низколегированных сталей с оптимальными диффузионными покрытиями

№ Материал ХТО поверхности, Термообработка сердцевины Механические свойства сердцевины Ранг кавитационной стоикости К

о, МПа От МПа 5 % НВ МПа

1 2 3 4 5 6 7 8

1 20ХНР Хромотитанирование +закалка (900 920°С) +о-шуск (масло, 200°С) 800 600 14 1970 85

2 40ХН Хромомарганцирование +закалха (920°С) +оттгуск (вода, 500"С) 1000 800 11 4300 9,3

3 38X2 МЮА Хромирование +закалка (1040°С) ♦отпуск (масло, 573°С) 1000 850 14 4100 60

4 08X13 Закалка (1000 1100°С) Отпуск (масло, 700°С) 600 420 20 1790 12 7

5 12X13 Закалка (1000 1100°С) Отпуск (700 800°С воздух) 660 450 16 1870 10,1

6 12Х18Н10Т Закалка (1050 1100°С, воздух) 560 230 46 1800 84

Составы исследованных систем и ранг их кавитационной стойкости представлены в табл 12

Таблица 12

Кавитационная стойкость плазменных покрытий

№ Состав покрытия Толщина покрытия Ранг кавитационной стой-

% мае мм кости, К

0 6-0,7 67

1 55№+45Т1 0 8-0,9 8,0

0,9-1 0 64

1,0-1,2 37

0 6-0 7 0,9

2 75Ы1+25Т1 0,8-0,9 1,2

0,9-1 0 1,1

1,0-1,2 0,7

0 6-0 7 2,0

3 25!М1+75Т> 0,8-0 9 23

09-10 1 3

0 6-0 7 0 85

4 75Т1+25А1 0 8-0,9 1 3

1 0-1 2 07

0,5-0 6 1 7

5 50Т1+50А1 0 8-0 9 2,0

1,0-1 2 I 8

0 6-0,7 0 25

6 75А1+25Т1 0,8-0,9 0,30

10-12 0 39

7 ПГ-ХН80СР 0,8-0 9 40

10-12 20

Кавитационными испытаниями покрытий Ti-Al установлено (табл 12),

что они малоперспективны и наибольший положительный эффект (К=2) был достигнут на образцах с покрытиями (50%Т1+50%А1)

Композиции Ы1-Т1 оказались более перспективными При оптимальной толщине покрытия (0,8 . 0,9 мм) высокую кавитационную стойкость показали образцы с покрытием 50%Ы[ + 45%Т1 (К=8,0) Его можно рекомендовать для защиты от кавитационной эрозии литых гребных винтов (сталь 40Л) судов малого и среднего водоизмещения

В пятой главе отражены результаты натурных испытаний защитных покрытий на кавитационную стойкость и противообрастающую способность.

С целью снижения затрат и доковых простоев судов на ремонт винто-рулевого комплекса (который составляет 35% от всех ремонтных работ) было проверено кавитационностойкое плазменное покрытие (55№ + 45Т1) для упрочнения гребных винтов из стали 40 рыбопромыслового судна РДОС, приемно-транспортного судна ПТС-225 и буксира МБ-20 При подготовке винтов к напылению для удаления продуктов коррозии и пригара литой гребной винт подвергали пескоструйной обработке Напыление производили в воздушной атмосфере аргонной плазмой с установкой винта на специальном поворотном столе — кантователе, с помощью которого поверхностям и кромкам лопастей винта придавали горизонтальное положение

Для объективной сравнительной оценки работоспособности покрытия использовали двухвинтовое судно, на котором один винт был установлен с испытуемым покрытием, другой — в состоянии поставки

Осмотр контрольных винтов после одного рейса (64 суток) показал, что винт с плазменным покрытием имеет незначительные очаги разрушения в виде сыпи в районе ступицы и у кромок лопастей на засасывающей поверхности Винт без покрытий был разрушен на кромках и в сечениях, расположенных за пределами относительных радиусов 0,6 . 0,7. Каверны эрозии достигали 1,5 1,8 мм в поперечном сечении и глубины 0,5 .1,3 мм

Крылья и крыльевые устройства СПК одновременно подвержены кавита-ционному разрушению и интенсивному обрастанию в результате чего их для текущего ремонта приходится доковать через 2-3 недели эксплуатации

Для изучения возможности использования разработок диссертации по созданию кавитационностойких противообрастающих покрытий плазменные покрытия оптимального состава [(№-Т0+Си+Ве] толщиной 0,8 мм были нанесены на крылья и крыльевые стойки скоростного катера, который эксплуатировался в акватории Каспийского моря При подъеме его для контрольного осмотра после 3-х месяцев эксплуатации обнаружено

а) защитное покрытие не имеет следов кавитационной эрозии на всей контролируемой поверхности подводных крыльев и крыльевых устройств,

б) на крыльях и крыльевых устройствах имеются единичные обрастатели (балл обрастания 5) и это не требует проведения очистных работ

Эксплуатационная проверка результатов исследований по созданию кавитационностойких противообрастающих покрытий подтверждает стратегию этих разработок и показывает, что проблема повышения пропульсивных качеств СПК может быть успешно решена нанесением на крылья и крыльевые устройства плазменных покрытий оптимального состава и толщины. Эксплуатация пассажирских СПК с увеличенными межремонтными периодами позволяет по отрасли получить экономию около 110 млн рублей в год

Кавитационностойкое хромомарганцированное диффузионное покрытие проверено на опытном гребном винте из стали 40Л катера на подводных крыльях (штатный винт изготавливают из стали 08Х18Н10Т), который прошел испытания в течение 500 ходовых часов при частоте вращения 600 об/мин.

Для визуального осмотра гребного винта катер поднимали краном над водой При этом обнаружено опытный гребной винт имеет светлую поверхность без видимых разрушений Отслаивания или шелушения поверхности не наблюдалось Гребные винты из этой же стали без покрытия за равный период эксплуатации на других катерах имели на кромках лопастей и у ступицы винта очаги эрозии с поперечным размером 0,5 .. 1,7 мм и глубиной 0,5 1,2 мм

Для изучения возможности расширения области использования оптимальных разработок исследования были проведены и в другом направлении

В частности, от изготовителя винтов судов на воздушной подушке (НПО г Ступино) поступило обращение проверить новые научные результаты, полученные в диссертационной работе, для повышения срока эксплуатации лопастей воздушных винтов СВП, выходящих из строя из-за капельной эрозии за 1,5 ..2 часа наработки Была составлена программа исследований и проведены эксперименты по испытанию кавитационностойких диффузионных покрытий в высотных условиях.

Испытания на гидроабразивную стойкость стандартных образцов с накладками из стали 12Х18Н10Т и накладками из листовой стали 45, подвергнуты-

ми хромированию, хромоеилицированию и хромомарганцированию по оптимальным режимам, были проведены в лаборатории высотных испытаний ОКБ НПО г. Ступино Скорость соударения образцов с гидроабразивной струей, содержащей 1 % абразива, составляла 200 м/с. Время испытаний -2 ч.

Проведенные испытания показали (рис. 9), что хром про ванные и хромо-силишфованные накладки имели незначительные следы разрушений, хромомар-ганцироранные образцы не имели разрушений за 2 часа испытаний, а накладки из стали 12Х18Н10Т были полностью разрушены за 40 минут воздействия гидроабразивной струи.

На основании проведенных исследований даны рекомендации по замене накладок лопастей воздушных винтов ОВП из стали 12Х18Н10Т на накладки из хромомарганиировапной стали 45. Затраты на ХТО накладок из этой стали составили 20% от прежних расходов на приобретение материала для этих целей.

Были также проведены натурные испытания по верх ностнонасы щен ных втулок цилиндров судовых дизелей Ч 8,5/1 I и Ч 9.5/1 I, изготовленных из серого чугуна СЧ 25. На действующем производстве (ОАО «Завод «Дагдизель») втулки подвергают гальваническому хромированию по наружной поверхности. Производственники озабочены и дороговизной, и экологической вредностью этого процесса, и тем, что втулки с хромированным покрытием приходится заменять из-за кавитационных разрушений через 3500 часов наработки. Это в 4 раза ниже срока, гарантированного по износу зеркала цилиндров (16000 часов).

4

1 с каклвдаой из стали 12 XIК Н ЮТ, 3 бронированная с г а.11 45,

2 - хроч ОС и,г1т!кро ванная сталь 45, 4 \|юыомаргалцироваинач сталь45

Рис. 9. Опытные образны после высотных испытаний:

Для определения оптимального процесса ХТО испытаны втулки цилиндров дизелей Ч 8,5/11, подвергнутые диффузионному хромированию, хромосили-цироеанию и хромомарганцированию. Испытания проводили на стендах дизельной лаборатории ОАО «Завод «Дагдизель» по 6000 часовой программе.

Вместе с опытными втулками на дизели установили втулки без покрытий и с покрытием гальванического хрома.

Обследование втулок показало (рис. 10), что поверхность с гальваническим хромом поражена язвами размером 4,5...6 мм и глубиной 0,5...2 мм; втулки хромосилицированные и без покрытий разрушены скоплениями язв по образующей цилиндра, а хромомарганцировапные - не имеют разрушений.

Результаты натурных испытаний подтверждают, что диффузионный хро-момарганцировакный слой, сочетающий благородную поверхностную карбидную зону и деформапионноупрочняемый подслой марганцовистого аустенита, более надежно предохраняет втулки цилиндров быстро ходи ьШ судовых дизелей от кавитацнонной эрозии, чем электролитическое хромовое покрытие.

Следовательно. Хромомарганцирование можно рекомендоваться зашиты от кавитапионной эрозии Чугунных втулок судовых дизелей взамен дорогого и экологически опасного гальванического хромирования.

3 хромпмарганциропаинал втулка:

2 втулка С х!гк7(К1. ИIИ1С1.ким хромоиыч грокрытнем,

3 втулка без покрытия,

4 - хромоенлицироааннал ьтупка,

3 лиффугионнохромчроваиная (плльп

Рис. 10. Канитационнос разрушение втулок цилиндров дизелей Ч 9,5/1 1 после 6 000 часов эксплуат ации

Шестая глава посвящена повышению надежности спасательных плавсредств, на которых используются дизели 4 Ч 8,5/11 и 4 Ч 9,5/11

Согласно требованиям СОЛАС, охлаждение дизеля производится забортной водой, что опасно с точки зрения засорения системы охлаждения Для предотвращения этого рабочий процесс в дизелях осуществлялся в условиях «холодного» двигателя, температура воды на выходе которого не превышает 55°С Такой режим связан с повышенным расходом топлива [196 г/(лс ч)] и малым ресурсом эксплуатации до переборки (не более 500 часов)

Для устранения отмеченных недостатков были разработаны мероприятия по термоизоляции водоохлаждаемой поверхности втулок цилиндров с тем, чтобы перевести рабочий процесс в цилиндре к оптимальному режиму «горячего» двигателя, с температурой воды на выходе 80 . 90°С, лучшими пусковыми качествами и меньшим удельным расходом топлива

В целях решения этой задачи были проведены натурные исследования температурного состояния цилиндровой втулки дизеля, для чего в тело втулки были установлены 16 хромель-алюмелевых термопар с наружной поверхности и 24 хромель-копелевые термопары на внутренней поверхности на глубине 1 мм от зеркала втулки в плоскости оси коленчатого вала и плоскости качения шатуна

Результаты испытаний иллюстрируются рис 11, откуда видно, что температура воды в дизеле мало влияет на величину отводимой теплоты, но существенно изменяет соотношение составляющих теплового баланса

Рассматриваемые два типа двигателей с двухконтурной системой охлаждения («горячий» двигатель с температурой воды на выходе 90°С) и одноконтурной разомкнутой системой охлаждения («холодный» двигатель с температурой воды на выходе не более 55°С) отличаются величиной КПД, который составляет 0,346 и 0,333, соответственно Причиной низкой экономичности «холодного» дизеля является пониженная температура зеркала цилиндра, с чем связаны потери мощности на трение Таким образом, задача устранения этих недостатков сводится к поиску пути повышения температуры втулки со стороны зеркала и эта проблема может быть решена термоизоляцией втулки с охлаждаемой стороны нанесением покрытия определенного состава и толщины

При решении этой задачи проведены лабораторные исследования теплопроводности плазменных покрытий, создаваемых на основе оксидов-термоизоляторов (А1203,2Ю2, с добавками (3 11)% Т1, А1, N1

Результаты измерений теплопроводности покрытий приведены в табл 13, откуда видно, что наилучшую теплозащитную способность имеет покрытие 2Ю2+7%Т1 Это подтверждает предположения, что гЮ2 имеет меньшую теплопроводность по сравнению с А1203 и М§0, кроме того, связующее - титан, также характеризуется меньшей теплопроводностью, чем А1 и N1 По результатам исследований, установлен оптимальный состав покрытия (гЮ2 + 7%Т)) с коэффициентом теплопроводности (0,44 Вт/м °С), который рекомендован для натурных испытаний На указанный состав получен патент

80

60

40

20

01 Ое Ов

□ 1охл=55 ¿| ,Шохл=76 С\

Ог Онб

Рис. 1 I. Соотношение составляющих теплового баланса в дизелях 4 Ч 9,5/11 с различной температурой охлаждения воды на выходе

При разработке стратегии нанесения покрытия на поверхность чугунной втулки, были учтены последствия сильного различия коэффициентов теплового расширений основы и покрытия, которые составляют 10*104, в (2...4)*10'л м2/с, т.е. различаются в 5 раз. И это может отразиться на долговечности покрытия.

На основе анализа влияния формы покрытия на его долговечность принято реи юн и с о создании истровковых покрытий, с шахматным их распределением на поверхности втулки. Для этого на охлаждаемой поверхности втулок сформировали 28 гнезд диаметром 30 мм и глубиной 1 мм, на которые нанесли плазменное покрытие оптимального состава. Создано 8 зон термоизоляции, диаметром островковых покрытий по 30 мм и термоизоляцией 2/3 охлаждаемой поверхности. При этом расчетное тепловое удлинение терме изолятора в 16,7 раз меньше, чем сплошной термоизоляции.

Общий вид втулки цилиндров дизеля 4 Ч СП 9,5/11 с круговыми остров-ковыми покрытиями показан на рис.12.

Для определения эффективности такой втулки были проведены натурные испытания дизелей в дизельной лаборатории ОАО «Завод «Дагдизель».

Методикой предусматривался контроль запускаемости дизеля в нештатных ситуациях, расхода топлива и масла. Осуществлялась проверка пусковых качеств при затоплении дизеля и при отрицательных температурах (-5...-10°С).

Таблица Щ

Теплопроводность исследованных покрытий системы МеО-Ме

№ Система Содержание Тол ЩИ на Теплопроводность,

покрьтнй сиядующего 1 .'-V. % мап ДОфЬлая, .ч.ч (Вт/н ■ "О

1 А1:(),-А1 11 0.30 0.83

10 0.30 0.85

7 0.24 0.87

5 0.31 0,80

- 0,33 0.65

2 2гО; 1 N1 3 0.20 0,77

5 0,33 0.86

7 0.2$ 0.80

У 0,31 0.88

1 1 0.30 0.9 3

3 гющ 3 и.зо 0.78

5 0.30 0,59

7 0,29 0.44

У 0.32 0.62

] 1 0.28 0,7 1

4 М^О- Т1 3 о.за 1,15

5 0.21 ! .03

7 6.3! 1.00

У 0.31 2,07

11 ¡,13

На основании зтих испытаний установлено:

- теплоизоляция втулки цилиндров сокращает время прогрева и улучшает пусковые качества дизеля, снижает расход масла и топлива на 15% и 2,3% соответственно. Отмечено снижение дымности отработанных газов; - испытание в экстремальных условиях (в состоянии оверкиль, в затопленном положении, при отрицательных температурах) показало, что дизель с втулками, имеюши.ми теплоизолирующее покрытие, соответствует ¡то своим параметрам требованиям Российского морского регистра судоходства.

Рис, 12. Внешний вид втулки цилиндров дизелей 4 Ч СП 9,5/11 с островковыми термо изоляторам и.

В седьмой главе дано экономическое обоснование целесообразности практического использования научных результатов диссертации Расчеты были выполнены применительно к предприятиям Республики Дагестан

Экономическая эффективность рассчитана с учетом сокращения периода испытании дизелей, снижения расхода топлива и заработной платы по формуле

Э = (Э,-Э2)А2. (6 1)

где Э1 и Э2 - приведенные затраты по базовому и новому варианту, А2 - годовой объем дизельных испытаний

При подсчете экономического эффекта от повышения пропульсивных качеств судов были использованы данные Махачкалинского морского торгового порта по внедрению технологического процесса очистки корпусов от обрастате-лей и продуктов коррозии с использованием дистанционоуправляемой машины, имеющей барабан с игольчатой обоймой Чистый доход предприятия по этой статье составляет 3450 тысяч рублей в год

Таким образом, общий экономический эффект от внедрения двух мероприятий, представленных в диссертации, превышает 29,8 млн рублей в год

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1 Для решения проблемы повышения пропульсивных качеств судов научные задачи разбиты на внешние и внутренние. К внешним отнесены проблемы снижения обрастания погруженных частей судов и защиты от кавитационной эрозии элементов, расположенных в этих зонах К внутренним задачам отнесены вопросы повышения ресурса элементов судовых машин и механизмов, подверженных кавитационной эрозии

2 При реализации внешних задач получены следующие результаты

2 1 Разработана стратегия и технология подготовки погруженных частей судов к нанесению противообрастающих покрытий

2 2. Разработана оригинальная конструкция очистной машины с дистанционным управлением, а также разработана и внедрена технология очистки корпусов судов от обрастателей и продуктов коррозии с ее использованием

2 3 Выполнен комплекс исследований по установлению оптимальных составов противообрастающих плазменных покрытий и технологии нанесения их на омываемую водой поверхность судов обычного класса, крыльев и крыльевого аппарата судов на воздушной подушке

3 При решении внутренних задач получены следующие результаты

3 1 На основе анализа информационных источников и на базе лабораторных исследований впервые разработан критерий кавитационной стойкости покрытий Он позволяет оценить кавитационную стойкость существующих покрытий, а также рассчитать и конструировать кавитационностойкие покрытия по их механическим свойствам и электрохимическому потенциалу

3 2 Лабораторными и натурными испытаниями проверена и подтверждена состоятельность предложенного критерия кавитационной стойкости

3 3 Разработана стратегия и технология нанесения кавитационностойких диффузионных и плазменных покрытий для защиты от кавитационной эрозии гребных винтов, втулок цилиндров судовых дизелей и др элементов судов

3 4 Проведены комплексные исследования по повышению пропульсив-ных качеств спасательных шлюпок за счет оптимизации рабочего процесса их дизельных установок нанесением теплоизолирующих островковых плазменных покрытий на водоохлаждаемую поверхность втулок цилиндров дизелей

3 5 Разработана конструкция втулки цилиндров дизеля с гнездами на охлаждаемой поверхности для размещения островковых покрытий

3 6 Внедрение технологии нанесения островковых теплоизолирующих плазменных покрытий позволяет повысить пусковые качества дизельных установок спасательных шлюпок, снизить расход топлива на 2,3% и масла на 15%

4 Научные разработки диссертации проверены натурными испытаниями в широком диапазоне внешних условий (температура, давление, состав среды)

5 Внедрение научных результатов диссертации дает экономию 29,8 млн рублей в год на предприятиях Республики Дагестан

6 Разработки, представленные в диссертации, защищены патентами РФ

Основное содержание диссертации опубликовано в изданиях, рекомендуемых Перечень ВАК Российской Федерации-

1 Абачараев M M, Абачараев И М. Поверхностное хромотитанирование в литейной форме - Проблемы машиностроения и надежность машин, 1996, №1, с 100-104 (60%)

2 Абачараев M M , Абачараев И M Металлотермия - эффективный источник возобновляемой энергии — Двигателестроение, 1999, №33, с. 39-40 (60%)

3 Абачараев И M, Абачараев M M , Голубев Д Г Разработка технологии термоизоляции втулок цилиндров шлюпочных дизелей - Двигателестроение, 2000, №2, с 32 (40%)

4 Абачараев И M , Абачараев M M , Голубев Д Г , Дорохов А Ф , Хаппа-лаев А Ю Опыт термоизоляции рабочего цилиндра судового дизеля - Двигателестроение, 2000, №2, с 32-33 (30%)

5 Абачараев И M, Абачараев M M , Дорохов А Ф , Шихсаидов Б И Кон-структорско-технологические разработки по повышению ресурса и экономичности двигателей внутреннего сгорания - Двигателестроение, 2004, №1, с 2022 (35%)

6 Абачараев И M , Абачараев M M. Опыт применения газотермических покрытий для защиты металлоконструкций от обрастания. - Судостроение, 2004, №2, с 43-44 (65%)

7. Абачараев И M , Абачараев M M Повышение кавитационной стойкости гребных винтов судов нанесением защитных покрытий — Вестник ДНЦ РАН, 2004, №17, с 39-40(60%)

8. Абачараев И M , Абачараев M M Комплексный подход к решению проблемы повышения пропульсивных качеств судов - Морской вестник, 2005, №1(3), с.8-9 (70%)

9. Абачараев И M Аналитический подход к расчету эксплуатационной стойкости материалов в условиях воздействия кавитации Там же, с 26-28 (100%)

10 Дорохов А Ф , Абачараев И М , Абачараев М М , Каргин К А Исследования по оптимизации рабочего процесса высокооборотных дизелей - Вестник ДНЦ РАН, 2005, №22, с 31 -34 (25%)

Публикации в прочих изданиях

11 Дорохов А Ф, Абачараев И М К вопросу о расчете температурных полей и тепловых потоков цилиндровой втулки шлюпочных дизелей - Сб «Технологические методы обеспечения качества изготовления машин» - Махачкала, Дагестанский филиал АН СССР, 1990, с 66-71 (40%)

12 Абачараев М М , Хаппалаев А Ю , Абачараев И М О роли примесных ядер в механизме кавитационной эрозии - Там же, с 162-172(35%)

13 Абачараев И М , Дорохов А Ф Исследование и анализ возможности ограничения теплопередачи через цилиндровую втулку шлюпочного дизеля В сб Современные технологические методы повышения качества машин - Махачкала- Дагестанский филиал АН СССР, 1992, с 19-25 (70%)

14 Абачараев И М , Абачараев М М Теоретические и технологические разработки по нанесению защитных покрытий многофункционального назначения Сб трудов 1-го Международного конгресса "Новые высокие технологии для нефтегазовой промышленности и энергетики будущего" - Тюмень ИРЦ "Газпром", 1996, с 112-115 (60%)

15 Абачараев М М , Камилов И К , Абачараев И М Легирующее покрытие для литейных форм и стержней Патент на изобретение РФ №2058212, 20 апреля 1996г (40%)

16 Абачараев И М , Абачараев М М , Дорохов А Ф Цилиндровая втулка с теплозащитным покрытием - Патент на изобретение РФ № 2079835, 1997 (50%)

17 АФ Дорохов, М М Абачараев, И М Абачараев, В П Тынянский Коленчатый вал с маслогонными канавками Патент на изобретение РФ №2112894, 10 июня 1998г(25%)

18 Дорохов А Ф , Абачараев И М Регуляция микрорельефа и имплантация покрытий, как направление уменьшения потерь мощности на преодоление сил трения в поршневых двигателях Сб научных трудов - С -Петербург Институт проблем машиноведения РАН, 1998, с 1-27 (60%)

19 Дорохов А Ф , Абачараев И М Повышение эксплуатационных характеристик шлюпочных дизелей термоизолированием втулок цилиндров Сб научных трудов - С-Петербург Институт проблем машиноведения РАН, 1998, с 4650 (55%)

20 Абачараев И М , Абачараев М М Перспективы применения нетрадиционных видов энергии в технике и быту Тезисы докладов Международной научной конференции, посвященной 275-летию РАН и 50-летию ДНЦ РАН (естественные науки) -Махачкала Юпитер, 1999,с 82 (70%)

21 Абачараев И М , Голубев Г Д , Абачараев М М Тепловой расчет дискретного теплоизолирующего покрытия цилиндровой втулки шлюпочных дизелей - Материалы международной конференции «Физика магнитных фазовых переходов» -Махачкала ДНЦ РАН, 2000, с 281-282 (40%)

22 Абачараев И М , Абачараев М М Новые технологические разработки по борьбе с морским обрастанием - Сб трудов I -гоМежду народно го симпозиу-

ма по транспортной триботехнике Водный транспорт С -Петербург ГТУ, 2001, с 54-55 (70%).

23. Абачараев М М, Абачараев И М. Научный подход к разработке параметра кавитационностойких материалов и покрытий - Сб. трудов 5-го Собрания металловедов России. Краснодар: Куб Гос технол. ун-т, 2001, с. 190-191.(65%).

24. Абачараев И М, Абачараев М М, Гаджиев Г.Г., Голубев Д Г. Теплопроводность теплозащитного покрытия двуокиси циркония с примесями титана. - Труды международного семинара «Теплофизические свойства веществ (жидкие металлы)» - Нальчик: КБГУ, 2001, с 98-100 (30%)

25. Абачараев И М, Гаджиев Г Г, Голубев Д Г Способы снижения тепловых потерь в рабочих цилиндрах шлюпочных дизелей Российская межотраслевая конференция «Тепломассоперенос и свойства жидких металлов»- Материалы конференции Обнинск- ГНЦ РФ ФЭИ, 2002, том 1, с. 247-249.(40%).

26. Абачараев И.М, Абачараев М М, Дорохов А.Ф. Перспективы использования энергии металлотермических процессов в двигателях внешнего сгорания -Материалы научной конференции Научного Совета РАН по проблемам машиноведения и технологических процессов «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин». Астрахань, 2002, с. 255-257 (50%).

27 Абачараев И М, Хаппалаев А Ю., Абачараев М М Повышение ресурса режущего инструмента диффузионной карбидизацией - Сб 4-й Международной конференции «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов» Харьков- ННЦ ХФТИ, ИПЦ "Контраст", 2003, Часть 1, стр. 213-214.(35%)

28. Абачараев И М., Абачараев М М Защита гребных винтов скоростных судов от кавитационной эрозии нанесением газотермических покрытий.- Там же, с 69-72.(60%)

29. Абачараев И М, Мирзабеков А М, Хаппалаев А Ю, Абачараев М М. Новые технологические разработки по нанесению диффузионных карбидных покрытий на углеродистые стали - Материалы 5-й Международной практической конференции-выставки «Технология ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин и механизмов, оборудования и металлоконструкций»- С.Петербург- СПб ГПУ, 2003, с 273-276.(30%)

30 Абачараев ИМ., Хаппалаев А.Ю., Мирзабеков А.М Повышение про-пульсивных качеств судов нанесением протиобрастающих плазменных покрытий Сб трудов 4-й Международной конференции "Физика плазмы и плазменные технологии". - Минск. БГТУ, 2003, с 43-45(40%).

31 Абачараев И.М. Автоматизация процесса очистки судокорпусов от продуктов коррозии и обрастания — Труды Международной конференции «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов - Астрахань. АГТУ, 2004, с 216-220(100%)

32 Абачараев М М, Абачараев И.М Голубев Д Г, Хаппалаев А Ю Состав теплозащитного покрытия цилиндровой втулки- Патент на изобретение РФ №2236608,20 сентября 2004 г.(25%)

33. М. М Abacharaev, I. М Abacharaev. Increase of propulsion qualities of courts by deposition of plasma covers IV International conference Plasma physics and technology centributed papers volume II, Minsk- BGTU, 2004, p 796-798 (50%)

34 Абачараев И М , Абачараев М М Состав металлотермического топлива Патент на изобретение №2254359, 20 июня 2005 (60%)

35 Абачараев И М Научное обоснование возможности применения нетрадиционного высококалорийного металлотермического топлива для топок судов и теплоэлектроцентралей В сб "Возобновляемая энергетика проблемы и перспективы" Материалы Международной конференции - Махачкала ООО "Деловой мир", 2005,ч II, с 234-236 (100%)

36 Абачараев И М , Абачараев М М Повышение ресурса деталей шатунно-поршневой группы быстроходных дизелей нанесением плазменных покрытий Сб материалов 8-й Международной практической конференции - выставки «Ремонт 2006» С-Петербург СПб ГТУ, 2006, ч I, с 90-93 (40%)

37 Абачараев И М Повышение ходовых качеств судов на подводных крыльях нанесением защитных покрытий со специальным комплексом свойств Сб материалов 8-й Международной практической конференции - выставки «Ремонт 2006» С-Петербург СПб ГТУ, 2006, ч II, с/222-226 (100%)

ИЦСПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 07 05 2007 Зак 3423 Тир 100 1,9 печ л

АННОТАЦИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ, ОКАЗЫВАЮЩИХ ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ ВЛИЯНИЕ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ КАЧЕСТВА СУДОВ И ПУТЕЙ СНИЖЕНИЯ ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ.

1.1. Обрастание.

1.1.1. Природа обрастания погруженных частей судов.

1.1.2. Анализ известных способов защиты от обрастания.

1.2. Кавитационно-эрозионное изнашивание.

1.3. Кавитационная эрозия винто - рулевого комплекса.

1.3.1. Причины кавитационного изнашивания гребных винтов.

1.3.2. Характер и закономерности кавитационной эрозии лопастей гребных винтов.

1.4. Кавитационное разрушение элементов судовых дизелей.

1.4.1. Эрозия втулок цилиндров.

1.4.2. Эрозия блоков цилиндров.

1.4.3. Эрозия других элементов дизелей.

1.5. Цели и задачи исследований.

2. ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ПРОТИВООБРАСТАЮЩИХ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ.

2.1. Анализ действующих технологий.

2.2. Экспериментальные исследования влияния состава газотермических покрытий на противообрастающую способность.

2.2.1. Лабораторные исследования.

2.2.2. Натурные испытания образцов с противообрастающими плазменными покрытиями.

2.3. Оптимизация параметров технологии нанесения противообра-стающих плазменных покрытий.

2.4. Разработка универсальной технологии подготовки погруженных частей судов к нанесению противообрастающих покрытий.

2.5. Выводы по второй главе.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ ПО НАНЕСЕНИЮ КАВИТАЦИОННОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА ЭЛЕМЕНТЫ СУДОВ И ДЕТАЛИ ДИЗЕЛЕЙ.

3.1. Разработка критерия кавитационной стойкости.

3.2. Экспериментальное определение коэффициентов критерия кавитационной стойкости.

3.3. Стратегия практического использования критерия кавитационной стойкости.

3.4. Новые технологические разработки по нанесению кавитацион-ностойких диффузионных покрытий.

3.5. Выводы по третьей главе.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ И КАВИТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ.

4.1. Методика экспериментальных исследований кавитационной стойкости металлов и покрытий.

4.2. Стратегический подход к выбору исследуемых материалов.

4.3. Технология химико-термической обработки.

4.3.1. Общие положения.

4.3.2. Особенности химико-термической обработки в металлотерми-ческих смесях.

4.3.3. Испытания на кавитационную стойкость чугуна с диффузионными покрытиями.

4.3.4. Кавитационностойкие покрытия на углеродистых сталях.

4.3.5. Получение кавитационностойких диффузионных покрытий на низколегированных сталях.

4.4. Разработка кавитационностойких плазменных покрытий.

4.5. Выводы по четвертой главе.

5. НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА КАВИТАЦИОННУЮ СТОЙКОСТЬ И ПРОТИВООБРА-СТАЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ.

5.1. Защита гребных винтов судов от кавитационной эрозии нанесением поверхностных покрытий.

5.2. Повышение ресурса лопастей воздушных винтов СПК нанесением кавитационностойких диффузионных покрытий.

5.3. Испытание кавитационностойких покрытий на деталях судовых дизелей.

5.4. Испытания кавитационностойких противообрастающих покрытий на крыльях и крыльевых устройствах СПК.

5.5. Выводы по пятой главе.

6. ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ СРЕДСТВ КОЛЛЕКТИВНОГО СПАСЕНИЯ.

6.1. Экспериментальное исследование теплового состояния втулки цилиндра дизеля 44 СП 9,5/11.

6.2. Разработка стратегии нанесения теплозащитного покрытия на водоохлаждаемую поверхность шлюпочных дизелей.

6.3. Разработка новой конструкции втулки цилиндров с островковыми термоизоляторами на водоохлаждаемой поверхности.

6.4. Разработка технологии нанесения термоизолирующего покры

6.5. Натурные испытания дизелей с опытными втулками с термоизолирующим покрытием.

6.6. Выводы по главе 6.

7. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ НАУЧНЫХ РАЗРАБОТОК ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КАЧЕСТВ СУДОВ.

7.1. Экономический эффект от внедрения методики ускоренных испытаний судовых дизелей 44 8,5/11 и 44 9,5/11.

7.2. Экономическое обоснование эффективности повышения эксплуатационных качеств судов нанесением противообрастающих плазменных покрытий.

7.3. Основные направления практической реализации научных результатов.

К основным характеристикам судов, определяющим рентабельность их эксплуатации, следует отнести надежность тяжело нагруженных элементов судов, размещенных на корпусе и вне его. Необходимые качества ходкости судов закладываются уже в процессе их проектирования, но они изменяются в худшую сторону при эксплуатации из-за обрастания и коррозии погруженных частей судов, кавитационно-коррозионно-эрозионных разрушений винто-рулевого комплекса обычных судов и крыльевого аппарата СПК.

Борьба за улучшение ходовых качеств судов обостряется, так как развитие современного судостроения характеризуется увеличением водоизмещения, скорости движения, повышением мореходности, то есть постоянным ужесточением условий эксплуатации судов, приводящих к возрастанию внешних нагрузок и уровня действующих напряжений [61,73].

Эта тенденция вызывает опасность интенсификации кавитационно-эрозионных разрушений основных элементов движительно-рулевого комплекса судов (гребных винтов, винтовых насадок, крыльев и крыльевых устройств СПК, пера руля и др.), состояние которых во многом определяет их эксплуатационные характеристики.

Коррозионно-кавитационные разрушения элементов движительно-рулевого комплекса наносят ощутимый ущерб эксплуатационникам из-за потерь времени на простой судов и внеплановый ремонт, снижения их КПД, дополнительных расходов на антикавитационные, антикоррозионные мероприятия и др. Например, трудоемкость ремонта названного комплекса достигает 35% от общего объема по ремонту судна и может составить несколько сот тысяч нормо-часов [105].

Другим важнейшим показателем, оказывающим влияние на эксплуатационные качества судов, является степень обрастания их погруженных частей. Обрастание приводит к ухудшению ходовых качеств судов, ускоряет коррози-онно-кавитационные разрушения, увеличивает расход топлива [61].

Особо актуальна проблема борьбы с обрастанием крыльев и крыльевых устройств СПК, которые одновременно подвержены кавитационной эрозии. Из-за кавитационных разрушений крыльев и крыльевых устройств их приходится ставить в док через 1-1,1 года эксплуатации, а систематический подъем из воды, осуществляемый с целью снижения обрастания погруженных частей, производится через 2. .3 недели, так как даже после таких краткосрочных простоев на воде (в Черном море) крылья и крыльевые устройства СПК обрастают настолько, что у судов существенно ухудшаются ходовые качества.

В связи с отмеченным, борьба с коррозионно-кавитационными разрушениями и обрастанием элементов движительно-рулевого комплекса СПК, военных кораблей, подводных лодок, ледоколов, судов промыслового и коммерческого флотов, а так же кавитационными разрушениями элементов энергетических установок [87,128], насосов [86] и других гидроагрегатов [59,180], актуальна и имеет важнейшее стратегическое и народно-хозяйственное значение.

Обстоятельные научные исследования, посвященные вопросам изучения кавитационных разрушений в судостроении, проводятся с начала 20 века [44]. Несмотря на длительность и многоплановость изучения, эта проблема не теряет своей актуальности, так как число объектов с кавитирующими элементами возрастает из года в год, а надежные методы их защиты еще не разработаны.

Проведенные отечественные [12,51,56,134 и др.] и зарубежные [68,86,115,116,204 и др.] исследования по борьбе с кавитационной эрозией дали положительный результат и позволили разработать конструктивные [47,74,120], физико-химические [30,118,121], технологические [32,58,159] и комплексные [106,142,152] пути частичного решения этой проблемы.

Созданы и используются суперактивирующие винты [144,166], винты с регулируемым и изменяющимся шагом [44], осуществляют впуск воздуха в зону кавитации [12], делают на винтах противоэрозионные отверстия [12,76], применяют кавитационностойкие стали, сплавы и покрытия [34,35,77,93,112]. Также применяют катодную и протекторную защиту [29, 70], наносят полимерные, лакокрасочные покрытия [14,66,80,103] и др. Все эти меры несколько замедляют коррозионно-кавитационные разрушения элементов судов, но не исключают их.

Ходовые качества судов во многом определяются состоянием их энергетических установок, вспомогательного оборудования. В качестве главного двигателя на современных судах применяют высокооборотные дизели: до 40% теплоходов нашего речного флота, оборудованы ими [19].

Основные элементы топливоподводящей системы судов, и системы водо-охлаждения подвержены интенсивной кавитационной эрозии. Например, втулки цилиндров дизелей Ч 8,5/11, Ч 9,5/11, Ч 10/13, 30ДН20 и др. приходится заменять через 3000.4500 часов наработки, из-за интенсивных кавитационных разрушений их водоомываемых поверхностей [74], хотя ресурс втулок по износу зеркала составляет 12000. 14000 ч [38].

Значительным кавитационным разрушениям подвержены элементы водяных насосов, плунжерные пары, вкладыши подшипников и другие.

Таким образом, обрастание и кавитационно-коррозионные явления поражают корпуса и элементы судов, размещенные вне корпуса (внешние задачи), и на самих судах (внутренние задачи). Общность явлений позволяет осуществить единый подход к решению названной проблемы, хотя, на первый взгляд, рассматриваемые объекты кажутся малосопоставимыми.

В борьбе с кавитационной эрозией в последнее время у нас в стране и за рубежом широкое признание получают технологические пути создания защитных покрытий методами химико-термической обработки, газотермического напыления и др.

Учитывая высокое качество покрытий и высокую производительность процессов (например, газотермического напыления), названные технологические пути поверхностного упрочнения представляют несомненный интерес для решения проблемы создания специальных противообрастающих покрытий и повышения кавитационно-коррозионной стойкости деталей энергетических установок, элементов движительно-рулевого комплекса кораблей, подводных лодок, СПК, судов коммерческого и промыслового флотов, борьбы с обрастанием погруженных частей этих же кораблей и судов, навигационных плавсредств и других погруженных металлоконструкций.

В диссертации излагаются результаты исследований автора по созданию расчетного критерия кавитационной стойкости материалов и покрытий и разработке технологии их получения на базе этого критерия.

Впервые в мировой практике синтезированы и внедрены также противо-обрастающие покрытия, защищенные патентами России. Лабораторными и стендовыми испытаниями показано, что при нанесении кавитационностойких газотермических покрытий с добавлением бактерицидных элементов (медь, бериллий, висмут, кадмий), они приобретают противообрастающую способность.

На основе этих исследований разработаны составы кавитационностойких противообрастающих плазменных покрытий, предложенные для защиты крыльев и крыльевых элементов СПК.

В диссертации приводятся результаты разработок автора по очистке корпусов судов от обрастателей и продуктов коррозии с использованием дистан-ционно-управляемого аппарата с игольчатым барабаном. Применение такой технологии позволяет резко увеличить производительность очистных работ, улучшить экологическую обстановку в доке и снизить опасность заражения обслуживающего персонала силиконовой болезнью.

На основе требования разработанного критерия (высокая исходная микротвердость, высокая склонность к деформационному упрочнению, положительный электродный потенциал) была разработана стратегия создания защитных диффузионных покрытий на сталях и чугунах насыщением их карбидооб-разующими элементами (хром, титан, ванадий, марганец) и их сочетаниями (хром-марганец, хром-титан, хром-титан-алюминий и др.).

Магнитострикционные кавитационные испытания образцов из сталей 45, 45ХН, 38Х2МЮА, У8 и чугуна СЧ 25 с такими покрытиями подтверждают теоретические прогнозы и показывают, что карбидные слои с высокой исходной микротвердостью, повышенной коррозионной стойкостью превосходят (по сопротивлению кавитации) известные кавитационностойкие стали (например, 12Х18Н10Т, 30Х10Г10).

Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационных качеств судов путем нанесения специальных защитных покрытий на поверхности, подверженные обрастанию и кавитационным разрушениям.

Для достижения цели рассматриваемые задачи были разбиты на две группы.

К первой группе задач отнесены проблемы создания противообрастаю-щих покрытий и защиты от кавитационной эрозии винто-рулевого комплекса судов. При реализации этих задач были решены проблемы по:

- разработке стратегии и технологии подготовки погруженных частей судов к нанесению противообрастающих покрытий с механизацией очистных работ;

- разработке и изготовлению совершенно новой очистной установки с игольчатым барабаном;

- разработке и внедрению технологии очистки корпусов судов от обрас-тателей с использованием очистной машины новой конструкции;

- выполнению комплексных исследований по установлению оптимальных составов противообрастающих плазменных покрытий и созданию технологии нанесения их на водоомываемые поверхности судов, крыльев и крыльевого аппарата СПК.

Ко второй группе задач отнесены вопросы повышения эксплуатационной надежности и ресурса элементов судовых машин и механизмов, подверженных кавитационной эрозии.

При реализации этого комплекса задач в первую очередь были рассмотрены и решены следующие проблемы: а) на основе критического анализа информационных источников и базе обширных лабораторных исследований разработан критерий кавитационной стойкости в, обладающий силой прогноза, т.е. позволяющий априорно рассчитывать и конструировать кавитационностойкие материалы и покрытия по их реальным механическим свойствам (исходная микротвердость, склонность к деформационному упрочнению) и электрохимическому потенциалу; б) лабораторными и многоплановыми натурными испытаниями проверена и подтверждена состоятельность предложенного критерия кавитационной стойкости О; в) разработана стратегия и технология нанесения кавитационностойких диффузионных и плазменных покрытий, отвечающих требованиям критерия О, используемых для защиты от кавитационной эрозии гребных винтов, втулок цилиндров судовых дизелей, элементов гидронасосов и др.; г) проведены комплексные исследования по повышению эксплуатационных качеств спасательных шлюпок за счет оптимизации рабочего процесса их дизельных установок. В этом плане разработана и реализована стратегия нанесения теплоизолирующих островковых плазменных покрытий на водоохлаж-даемую поверхность цилиндровых втулок дизелей 4 Ч СП 9,5/11.

В заключении диссертации отражены результаты проведенных автором исследований по реализации оригинальных конструкторско-технологических решений поставленных задач повышения эксплуатационных качеств судов.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международных, Всероссийских и региональных научных конференциях и семинарах, где получили положительную оценку.

Результаты этих исследований подтверждены 5 патентами на изобретения и опубликованы в 37 трудах, отвечающим требованиям ВАК.

6.6. Выводы по шестой главе

1. Осуществлено экспериментальное термометрирование втулки цилиндров по высоте, периметру и объему и выявлено соотношение составляющих теплового баланса дизеля 44 СП 9,5/11 с различной температурой охлаждения воды на выходе.

2. На базе данных теоретических и экспериментальных исследований разработан оптимальный состав теплоизоляционных покрытий (2Ю2+7%Т1) и стратегия их нанесения на водоохлаждаемую поверхность цилиндра исследуемого дизеля.

3. Создана оптимальная конструкция втулки цилиндра с круглыми пазами сегментного сечения глубиной 1 мм и закономерным (шахматным) распределением на водоохлаждаемой поверхности для размещения теплоизоляционного покрытия. На новую конструкцию втулки цилиндра получен патент на изобретение.

4. Проведенными прочностными расчетами показано, что равномерное размещение сегментных пазов глубиной 1,0 мм на водоохлаждаемой поверхности втулки цилиндра не вызывает заметного снижения ее жесткости.

5. Разработана технология плазменного напыления теплоизоляционных покрытий в пазы на водоохлаждаемой поверхности исследуемых втулок цилиндров. Оптимизированы критерии технологии напыления.

6. Осуществлены комплексные испытания дизеля «Каспий-40» с опытными втулками цилиндра с теплоизолирующими покрытиями на водоохлаждаемой поверхности и показано, что дизель в таком состоянии соответствует требованиям Регистра РФ.

7. Стендовыми испытаниями опытного дизеля по 600-часовой программе установлено, что теплоизоляция водоохлаждаемой поверхности втулки цилиндра улучшает пусковые качества дизеля, снижает удельный расход топлива и масла на 2,3% и 15% соответственно. Спасательные шлюпки с такими дизелями будут иметь лучшие эксплуатационные качества.

7. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ НАУЧНЫХ РАЗРАБОТОК ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КАЧЕСТВ СУДОВ

7.1. Экономический эффект от внедрения методики ускоренных испытаний судовых дизелей 44 8,5/11 и 44 9,5/11

Методика ускоренных испытаний судовых дизелей 44 8,5/11 и 44 9,5/11 на кавитационную стойкость втулок цилиндров была апробирована и принята к внедрению в дизельной лаборатории ОАО «Завод Дагдизель».

Экономическая эффективность данного внедрения определяется из выражения:

Э=(Э!-Э2)А2, (6.1) где и Э2 - приведенные затраты по базовому и новому вариантам; А2 - годовой объем производства продукции по новому варианту в расчетном году.

Учитывая, что внедренная методика не влияет на объем производимой продукции, экономическая эффективность рассчитана по сокращению периода испытаний дизелей и снижения при этом затрат топлива и заработной платы на обслуживание.

При среднем удельном расходе топлива на дизеле 196 г/э.л.с. ч, величина Э| в расчете на 6000 испытаний на два дизеля составит:

Э]—56160 Р+6000 К.

Расходы на те же испытания по новой методике составят:

Э2=11232 Р+1200 К. где Р -стоимость единицы топлива, руб/кг; К -среднечасовая ставка моториста.

Тогда экономическая эффективность составит:

Э=[(56160-11232)Р+(6000-1200)К]А2=(4928 Р+4800 К)А2.

При современных рыночных условиях Р=9,0 руб./кг, К=20 руб., приняв

А2=200 получаем Э=(4928-6,0+4800-18>200~10 007 тыс. руб.

7.2. Экономическое обоснование эффективности повышения эксплуатационных качеств судов нанесением противообрастающих плазменных покрытий

Эффективная эксплуатация судов зависит не только от их мореходных качеств, обеспечивающих плавание в любую погоду, но и от того, насколько надежно подводная часть судна защищена от обрастания. Известны случаи, когда обрастание, образовавшееся за 6 месяцев требует резкого увеличения мощности главных силовых установок для поддержания заданной скорости. Этот показатель для промысловых судов составляет 1,8-3 узла, а для транспортных 1-1,8 узла. По этой причине они теряют до 6 суток в год за один переход в 6000 миль. При этом помимо увеличения расхода топлива возрастает износ механизмов, работающих на режимах, превышающих оптимальные и, следовательно, увеличивается продолжительность ремонта и его стоимость. Сокращается междоковый период из-за необходимости более частого ремонта механизмов очистки и перекраски подводной части судов. Ежегодный ущерб от обрастания исчисляется десятками и сотнями миллионов рублей. Предлагаемые методы очистки от обрастания с нанесением противообрастающих плазменных покрытий обеспечивают защиту от обрастания до 2,5-3 лет (вместо 1,5 до внедрения новых научных разработок). Экономическое обоснование целесообразности внедрения научных разработок по повышению эксплуатационных качеств судов нанесением противообрастающих покрытий следует осуществить по двум направлениям:

Первое направление необходимо произвести расчеты экономии за счет:

- снижения расхода топлива на 40%;

- повышения надежности и долговечности работы механизмов плавсредств, находящихся под водой;

- сокращения продолжительности ремонта судов и его стоимости на 60%;

- увеличения междоковых периодов из-за отсутствия необходимости более частого ремонта механизмов очистки и перекраски подводной части судов от 1,5 до 2,5 года;

- снижения затрат на очистку погруженных частей судов от обрастателей на 50% и улучшения экологической атмосферы в доке.

Ориентировочная годовая экономия по факторам первого направления только по Махачкалинскому морскому торговому флоту составляет более 10 млн. руб.

Второе направление предусматривает организацию отдельного производства по очистке подводной части корпусов плавсредств от обрастания с нанесением противообрастающих плазменных покрытий.

Для реализации мероприятий по второму направлению требуются дополнительные финансовые средства в сумме 5 млн. руб.: из них 1 млн. рублей собственные средства, 4 млн. рублей средства бюджета развития РД. Из средств бюджета развития 2,4 млн. руб. предусматривается израсходовать на изготовление установок для механизированной очистки корпусов судов и нанесения противообрастающих покрытий. Остальные средства направляются на покупку необходимых материалов (см. табл.7.1-7.3). Общий объем работы по очистке корпусов от обрастания с нанесением противообрастающих покрытий составит 13,2 млн. в год (см. табл. 7.4). Для осуществления комплекса работ предусматривается организация двух мобильных бригад с охватом 14 чел.: из них 10 человек занято непосредственно на производстве. Общий годовой фонд зарплаты всех работников, занятых производством составит 934 тыс. руб. (см. табл.7.5), всего производственные затраты на год составляют 5755,5 тыс. руб. (см. табл.7.6). В результате внедрения научных разработок ожидаемый годовой доход в бюджеты всех уровней составляет 4,5 млн. руб., чистая прибыль составляет 4,3 млн. руб. (см. табл.7.8).

Неоспоримым преимуществом данного проекта является наличие готового дока и помещения со всей необходимой инфраструктурой, что будет способствовать быстрой окупаемости вложенных средств.

План денежных поступлений и выплат свидетельствует, что проект реализуем, показатель денежного потока является положительным. Срок окупаемости проекта составляет 1 год и 7 месяцев.

Расчеты показывают высокую бюджетную эффективность предлагаемых мероприятий. Так за 3 года реализации проекта чистый дисконтированный доход государства с учетом рисков составляет более 3,3 млн. руб. Общий годовой экономический эффект от внедрения научных разработок по повышению эксплуатационных качеств 16 плавсредств только по Махачкалинскому морскому торговому порту соответствует 10,8 млн. руб., не считая платежи и отчисления в бюджеты всех уровней.

Итого по двум факторам только по Махачкалинскому торговому порту годовая экономия составляет (9+10,8) =19,8 млн. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Для решения проблемы повышения пропульсивных качеств судов научные задачи разбиты на внешние и внутренние. К внешним отнесены проблемы снижения обрастания погруженных частей судов и защиты от кавитацион-ной эрозии элементов, расположенных в этих зонах. К внутренним задачам отнесены вопросы повышения ресурса элементов судовых машин и механизмов, подверженных кавитационной эрозии.

2. При реализации внешних задач получены следующие результаты:

2.1. Разработана стратегия и технология подготовки погруженных частей судов к нанесению противообрастающих покрытий.

2.2. Разработана оригинальная конструкция очистной машины с дистанционным управлением, а также разработана и внедрена технология очистки корпусов судов от обрастателей и продуктов коррозии с ее использованием.

2.3. Выполнен комплекс исследований по установлению оптимальных составов противообрастающих плазменных покрытий и технологии нанесения их на омываемую водой поверхность судов обычного класса, крыльев и крыльевого аппарата судов на воздушной подушке.

3. При решении внутренних задач получены следующие результаты:

3.1. На основе анализа информационных источников и на базе лабораторных исследований впервые разработан критерий кавитационной стойкости покрытий. Он позволяет оценить кавитационную стойкость существующих покрытий, а также рассчитать и конструировать кавитационностойкие покрытия по их механическим свойствам и электрохимическому потенциалу.

3.2. Лабораторными и натурными испытаниями проверена и подтверждена состоятельность предложенного критерия кавитационной стойкости.

3.3. Разработана стратегия и технология нанесения кавитационностой-ких диффузионных и плазменных покрытий для защиты от кавитационной эро

199 зии гребных винтов, втулок цилиндров судовых дизелей и других элементов судов.

3.4. Проведены комплексные исследования по повышению пропульсив-ных качеств спасательных шлюпок за счет оптимизации рабочего процесса их дизельных установок нанесением теплоизолирующих островковых плазменных покрытий на водоохлаждаемую поверхность втулок цилиндров дизелей.

3.5. Разработана конструкция втулки цилиндров дизеля с гнездами на охлаждаемой поверхности для размещения островковых покрытий.

3.6. Внедрение технологии нанесения островковых теплоизолирующих плазменных покрытий позволяет повысить пусковые качества дизельных установок спасательных шлюпок, снизить расход топлива на 2,3% и масла на 15%.

4. Научные разработки диссертации проверены натурными испытаниями в широком диапазоне внешних условий (температура, давление, состав среды).

5. Внедрение научных результатов диссертации дает экономию 29,8 млн. рублей в год на предприятиях Республики Дагестан.

6. Разработки, представленные в диссертации, защищены патентами РФ.