محفظه موتورهای دریایی: راهنمای طراحی و حفاظت در برابر خوردگی

انتخاب مواد برای شرایط خدمات دریایی

انتخاب مواد مسکن، مقاومت در برابر خوردگی پایه را قبل از اعمال هر پوششی تعیین می کند. سه دسته مواد بر ساخت موتور دریایی غالب هستند که هر کدام برای مناطق کشتی و شرایط عملیاتی مختلف مناسب هستند.

چدن با پوشش محافظ

چدن خاکستری (گرید GJL-200 یا GJL-250) متداول‌ترین ماده محفظه برای موتورهای دریایی در موتورخانه‌ها و محفظه‌های پمپ است که در آن ملاحظات هزینه با عملکرد کافی متعادل می‌شود. این ماده میرایی ارتعاش خوبی را ارائه می دهد - ساختار پوسته گرافیتی آن انرژی ارتعاشی را جذب می کند 5-10 برابر نرخ فولاد - که انتقال نویز را کاهش می دهد و هسته استاتور را از ترک خوردگی ناشی از خستگی محافظت می کند. محدودیت چدن حساسیت آن به خوردگی گرافیتی در شرایط غوطه وری در آب شور است، جایی که ماتریکس آهن ترجیحاً خورده می شود و اسکلت گرافیت ضعیفی به جا می گذارد. بدنه‌های چدنی با مشخصات دریایی با سیستم‌های پوشش چند لایه مقابله می‌کنند: یک پرایمر اپوکسی غنی از روی که محافظت کاتدی را ارائه می‌کند، به دنبال آن روکش‌های میانی اپوکسی با ساخت بالا، و با روکش پلی‌اورتان دو جزئی به پایان رسیده است. ضخامت کلی فیلم خشک معمولاً بیشتر از آن است 250-350 میکرومتر و مقاومت در برابر پاشش نمک در ISO 9227 بیشتر است 1000 ساعت قبل از اینکه خزش اسکریپ به 3 میلی متر برسد. این بسته پوشش، همراه با شستشوی منظم آب شیرین، به محفظه های چدنی اجازه می دهد تا به طور قابل اعتماد در فضاهای ماشینی برای عمر عملیاتی کشتی استفاده کنند.

فولاد ضد زنگ برای کاربردهای عرشه و فضای باز

موتورهایی که در عرشه‌های باز، سکوهای دریایی و مناطق حمل بار در معرض هوای مستقیم قرار می‌گیرند، به بدنه‌های فولادی ضد زنگ نیاز دارند. درجه 316L (EN 1.4404) فولاد ضد زنگ آستنیتی مشخصات استاندارد دریایی است که شامل 2-3٪ مولیبدن که مقاومت حفره ای را در محیط های کلریدی ایجاد می کند. عدد معادل مقاومت حفره ای (PREN) برای 316L است 24-26 ; محیط‌های دریایی برای سرویس غوطه‌وری طولانی‌مدت به حداقل PREN 32 نیاز دارند، اما تجهیزات نصب‌شده روی عرشه در بالای منطقه اسپلش وقتی با شستشوی معمولی آب شیرین ترکیب می‌شوند، به اندازه کافی در سطح 316 لیتر عمل می‌کنند. محفظه های فولادی ضد زنگ حالت شکست تخریب پوشش را به طور کامل حذف می کنند، اگرچه خطر متفاوتی را ایجاد می کنند: خوردگی شکاف در سطوح واشر و سوراخ های پیچ که در آن آب دریا راکد می تواند کلریدها را متمرکز کند. طراحی مناسب این مشکل را با مسیرهای زهکشی شیبدار و استفاده از ترکیبات ضد گیر مولیبدن-دی سولفید بر روی تمام بست های فولادی زنگ نزن برای جلوگیری از داغ شدن در هنگام مونتاژ کاهش می دهد.

آلیاژهای آلومینیوم برای تاسیسات حساس به وزن

در کشتی های پرسرعت، کشتی های دریایی و عرشه هلیکوپترهای دریایی که وزن مستقیماً بر مصرف سوخت و پایداری تأثیر می گذارد، آلیاژهای آلومینیوم درجه دریایی جایگزین مواد آهنی می شوند. آلیاژ EN AW-6082 (AlSi1MgMn) قدرت تسلیم را ارائه می دهد 250-280 مگاپاسکال در دمای T6 تقریباً یک سوم وزن چدن. تشکیل طبیعی یک لایه اکسید آلومینیوم غیرفعال، مقاومت ذاتی در برابر خوردگی ایجاد می کند، اما در صورت وجود آلاینده های مس یا آهن، این لایه در حضور کلریدها تجزیه می شود. محفظه های آلومینیومی دریایی نیاز به آندایز سخت به ضخامت دارند 25-50 میکرومتر یا یک سیستم پوشش اپوکسی دو بخشی برای جداسازی آلومینیوم از تماس مستقیم با نمک. در نظر گرفتن طراحی حیاتی در مورد محفظه‌های آلومینیومی، جداسازی گالوانیکی است: هرگونه تماس مستقیم بین محفظه آلومینیومی و پیچ‌های نصب فولادی یا لوله‌های کابل برنزی در حضور رطوبت، یک سلول گالوانیکی ایجاد می‌کند که در آن آلومینیوم به طور فزاینده‌ای خورده می‌شود. واشرهای عایق، آستین‌های پیچ نایلونی و واشرهای دی الکتریک در تمام رابط‌های فلزی غیرمشابه اجباری هستند.

حفاظت از ورود و آب بندی برای شرایط دریایی

محفظه موتورهای دریایی باید در شرایط بسیار شدیدتر از آزمایشگاه تست IP (محافظت از نفوذ) از ورود آب و ذرات جلوگیری کند. ترکیبی از رطوبت مملو از نمک، شستشوی عرشه با فشار بالا، و غوطه ور شدن گاه به گاه در آب سبز نیازمند طرح های آب بندی است که از حداقل الزامات جامعه طبقه بندی فراتر می رود.

مهر و موم شفت نشان دهنده آسیب پذیرترین نقطه ورودی است زیرا باید چرخش مداوم را در کنار عدم رطوبت داشته باشد. محفظه‌های دریایی از ترکیبی از یک حلقه V یا مهر و موم لابیرنت در قسمت بیرونی استفاده می‌کنند که از طریق عمل گریز از مرکز در حین چرخش شفت، آب انبوه و آلاینده‌ها را منحرف می‌کند، که توسط یک آب‌بند لبه‌ای با فنر گیره فولادی ضد زنگ پشتیبانی می‌شود که فشار تماس را حتی پس از اینکه الاستومر یک مجموعه فشرده‌سازی می‌گیرد، حفظ می‌کند. در مکان‌های تهاجمی، یک جداکننده یاتاقان با مهر و موم استاتیک O-ring و یک مهر و موم دینامیکی هزارتویی، محافظت بدون تماسی را فراهم می‌کند که هرگز فرسوده نمی‌شود، و رتبه IP خود را در کل فاصله زمانی سرویس موتور حفظ می‌کند.

الزامات مسکن ضد انفجار برای مناطق خطرناک

در تانکرهای نفت، کشتی‌های FPSO، حامل‌های گاز و سکوهای حفاری دریایی، محفظه‌های موتور باید از جرقه یا قوس داخلی از مشتعل شدن جو قابل اشتعال اطراف جلوگیری کنند. این نیاز، محفظه را از یک محفظه محافظ ساده به یک مخزن فشار با مهندسی دقیق تبدیل می کند. محفظه موتورهای دریایی ضد انفجار (Ex-d) طوری طراحی شده اند که انفجار داخلی گروه گاز مشخص شده - معمولا IIB (اتیلن) یا IIC (هیدروژن/استیلن) برای پرتقاضاترین کاربردهای فراساحلی - کاملاً در داخل مسکن قرار دارد. مسیر شعله، شکاف دقیق ماشینکاری شده بین محفظه و سپرهای انتهایی آن، باید به اندازه کافی بلند و محکم باشد که هر گاز داغی که از محل اتصال خارج می شود، قبل از رسیدن به آن، زیر دمای اشتعال اتمسفر خارجی خنک شود. برای گازهای IIC، این شکاف محدود به حداکثر 0.15-0.20 میلی متر با حداقل طول مسیر شعله 13-25 میلی متر بسته به حجم داخلی این تلرانس ها نیاز به ماشینکاری CNC از وجوه مفصلی مسکن و بازرسی 100% ابعادی قبل از صدور گواهینامه دارند.

محفظه همچنین باید فشار انفجار را بدون تغییر شکل دائمی تحمل کند. تست فشار هیدرواستاتیک در 1.5 برابر حداکثر فشار انفجار - معمولاً 15-20 بار برای IIB و 25-30 بار برای محفظه های IIC- یکپارچگی سازه را تأیید می کند. محفظه‌های ضد انفجار دریایی اغلب با افزودن ضخامت دیواره اضافی از این حداقل‌ها فراتر می‌روند، زیرا خوردگی نمک ممکن است ضخامت بخش را در طول چندین دهه خدمات کاهش دهد. جعبه ترمینال گواهینامه Ex-e (افزایش ایمنی) یا Ex-d را دریافت می کند، با غدد ورودی کابل به طور جداگانه تایید شده و با واشرهای آب بندی صحیح و حلقه های فشرده سازی مونتاژ شده اند. هر محفظه دارای یک صفحه گواهی است که گروه گاز، کلاس دما، و مرجع تایید کننده بدنه را نشان می‌دهد - صفحه‌ای که علی‌رغم قرار گرفتن در معرض نمک باید تا پایان عمر موتور خوانا بماند و به جای برچسب‌های آلومینیومی چاپ شده، به فولاد ضد زنگ برجسته نیاز دارد.

اتلاف گرما در فضاهای دریایی محدود

محفظه موتورهای دریایی با یک چالش طراحی حرارتی روبرو هستند که موتورهای زمینی به ندرت با آن مواجه می شوند: آنها در موتورخانه هایی که دمای هوای محیط به طور معمول به آن می رسد کار می کنند. 45-55 درجه سانتیگراد ، با هوای خنک کننده که از فضاهایی که قبلاً توسط ماشین آلات در حال کار گرم شده اند گرفته می شود. محفظه باید تلفات داخلی موتور - تلفات مس I²R، تلفات هسته، و تلفات اصطکاک و باد - را به این محیط از قبل داغ رد کند و در عین حال دمای سیم پیچ را کمتر از حد کلاس عایق نگه دارد. برای عایق کلاس F (نقطه داغ 155 درجه سانتیگراد)، افزایش دمای مجاز در 45 درجه سانتیگراد محیط است. 105 K اما طراحان دریایی معمولاً برای افزایش کلاس F با عایق کلاس H (180 درجه سانتیگراد) برای ایجاد ذخیره حرارتی برای گذرگاه های خنک کننده آلوده یا اضافه بارهای موقتی هدف دارند.

محفظه به اتلاف گرما از طریق دنده ها یا باله های خنک کننده خارجی کمک می کند که سطح موجود برای انتقال حرارت همرفتی و تابشی را افزایش می دهد. یک محفظه موتور دریایی که به خوبی طراحی شده باشد، سطح خنک کننده موثر آن را افزایش می دهد 200-400٪ از طریق دنده در مقایسه با یک پاکت استوانه ای صاف با همان ابعاد. پروفیل دنده - ارتفاع، فاصله، و جهت - باید انتقال حرارت را در برابر تجمع نمک و گرد و غبار بین دنده ها متعادل کند، که عملکرد خنک کننده را کاهش می دهد و خوردگی را تسریع می کند. دنده های عمودی با فاصله بیشتر از 15 میلی متر به همرفت طبیعی اجازه می دهد تا گرما را به سمت بالا حمل کند و در عین حال گیر افتادن زباله را به حداقل برساند. در موتورهای دریایی TEFC (با فن کاملا محصور شده)، یک فن خارجی که روی شفت نصب شده است، هوا را به صورت محوری روی سطح محفظه آجدار می دمد و ضریب انتقال حرارت همرفتی را تقریباً بهبود می بخشد. 5-10 W/m²K برای همرفت طبیعی تا 30-50 W/m²K . روکش فن بخشی از سیستم مدیریت حرارتی می شود و جریان هوا را به طور یکنواخت در تمام دنده ها هدایت می کند نه اینکه به آن اجازه عبور از محفظه را بدهد.

سفتی سازه و مقاومت در برابر لرزش

محفظه موتورهای دریایی باید پایداری ابعادی را تحت بارهایی که موتورهای زمینی هرگز تجربه نمی کنند، حفظ کنند. بدنه کشتی در حین عبور از امواج به طور مداوم خم می شود، با دامنه های انحرافی که می تواند به آن برسد. 2-5 میلی متر در طول یک موتور بزرگ که روی یک صفحه تخت مشترک نصب شده است. ساختار محفظه باید این خمش را بدون اعوجاج سوراخ استاتور یا تغییر شکاف هوای روتور به استاتور تحمل کند. ریخته گری محفظه با پایه های نصب یکپارچه تقویت شده و دنده های داخلی که پاها را به قاب استاتور متصل می کند، در برابر تغییر شکل پیچشی بهتر از سازه های جوشکاری شده مقاومت می کند، که می تواند باعث ایجاد ترک های خستگی در انگشتان جوش تحت بارگذاری چرخه ای شود. جوامع طبقه بندی نیاز به تست ارتعاش در هر IEC 60034-14 ، با محدودیت سرعت ارتعاش از 2.8 میلی متر بر ثانیه RMS برای موتورهای استاندارد و 1.8 میلی متر بر ثانیه برای کاربردهای تعادل دقیق . برآورده کردن این محدودیت ها در یک محیط دریایی نه تنها به یک محفظه سفت و سخت نیاز دارد، بلکه به تراز دقیق سپرهای انتهایی نیاز دارد که یاتاقان های روتور را هم مرکز با سوراخ استاتور در داخل قرار می دهد. 0.05 میلی متر کل خروجی نشان داده شده است .

مقاومت در برابر ضربه یک نیاز ساختاری بیشتری را اضافه می کند، به ویژه برای کشتی های دریایی و سکوهای دریایی که در معرض انفجار زیر آب یا بارهای موجی قرار دارند. استانداردهای شوک تست شوک MIL-S-901D یا استانداردهای شوک جامعه طبقه بندی معادل، محفظه موتور را برای زنده ماندن پالس های شتاب نیاز دارند. 20-50 گرم بدون از دست دادن یکپارچگی ساختاری یا عملکرد عملکردی. طرح‌های مسکن که این آزمایش‌ها را پشت سر می‌گذارند معمولاً شامل ضخامت دیواره اضافی در مناطق تمرکز تنش، انتقال شعاع بین بخش‌ها به جای گوشه‌های تیز، و مشخصات مواد با مقادیر ضربه‌ای تضمین‌شده چارپی در دماهای پایین هستند - برای کشتی‌هایی که در آب‌های قطب شمال کار می‌کنند که در آن فولاد از رفتار شکستگی انعطاف‌پذیر به شکننده تغییر می‌کند.

انجمن طبقه بندی و انطباق با مقررات

یک محفظه موتور دریایی را نمی توان به سادگی به عنوان کلاس دریایی ادعا کرد. باید گواهینامه مستند از جامعه طبقه بندی که کشتی را بررسی می کند، داشته باشد. انجمن های اصلی - Lloyd's Register، DNV، Bureau Veritas، دفتر حمل و نقل آمریکا، و ClassNK- برنامه های تایید نوع را حفظ می کنند که طراحی مسکن، مواد، کنترل کیفیت ساخت و تست عملکرد را تأیید می کند. فرآیند تأیید مستلزم ارائه نقشه‌های دقیقی است که ابعاد مسکن، گواهی‌های مواد برای هر گرمای فلز استفاده شده، گزارش‌های آزمایش غیرمخرب برای جوش‌ها یا ریخته‌گری‌های بحرانی و آزمایش‌های عملکردی شاهد را نشان می‌دهد. تایید نوع مخصوص کشتی است به این معنا که جامعه باید تأیید کند که موتور برای سرویس مورد نظر مناسب است: موتوری که برای یک فن تهویه موتورخانه تایید شده است ممکن است به طور خودکار برای اتاق پمپ باری که ممکن است بخارات قابل اشتعال وجود داشته باشد پذیرفته نشود.

فراتر از قوانین جامعه طبقه بندی، محفظه موتورهای دریایی باید مطابق با آنها باشد SOLAS (ایمنی جان در دریا) مقررات و IEC 60092 استانداردهای سری برای تاسیسات الکتریکی روی کشتی ها این موارد الزامات خاصی را برای پایانه‌های زمین، ترتیبات اتصال کابل، و فواصل خزش و فاصله در جعبه‌های ترمینال که با استانداردهای زمینی IEC 60034 متفاوت است، الزامی می‌کند. طراحی محفظه باید دارای یک هادی پیوستگی زمین داخلی اختصاصی یا یک مسیر زمین آزمایش شده از طریق سازه فلزی محفظه باشد، با مقاومت هر قسمت فلزی قابل دسترس تا پایانه اصلی زمین که از آن بیشتر نباشد. 0.1 اهم . جعبه ترمینال باید به گونه ای باشد که شعاع خمش نوع کابل مشخص شده را در خود جای دهد - یک جزئیات ظاهراً جزئی که اگر نادیده گرفته شود، از مهر و موم شدن مناسب لوله کابل جلوگیری می کند و رتبه IP محفظه را از لحظه نصب باطل می کند.

بازرسی و نگهداری از محفظه موتور دریایی

حتی مقاوم‌ترین مسکن‌ها در برابر خوردگی به یک رژیم بازرسی ساختاریافته نیاز دارند تا عمر طراحی خود را ارائه دهند. نقشه برداران دریایی و مهندسان کشتی از یک رویکرد نظارت مبتنی بر شرایط پیروی می کنند که مسکن را در هر بازه بررسی اصلی بررسی می کند - معمولاً سالانه برای کشتی های باری و هر 2 تا 3 سال برای کشتی های مسافربری در حین خشک کردن چک لیست بازرسی به طور سیستماتیک به عملکردهای حفاظتی محفظه می پردازد: یکپارچگی پوشش ارزیابی شده توسط استانداردهای ISO 4628 برای زنگ زدگی و تاول زدن، وضعیت واشر تأیید شده با اندازه گیری مجموعه فشرده سازی فیزیکی، ابعاد مسیر شعله که در محفظه های ضد انفجار با استفاده از سنج های حسگر بررسی شده و در مقایسه با استانداردهای استاندارد گواهی ارت و مقاومت اندازه گیری شده و همسانی ارت اندازه گیری شده است. هرگونه خرابی پوششی که فلز لخت را در معرض دید قرار دهد نیاز به بازیابی به مشخصات اولیه دارد، نه یک اسپری بیش از حد آرایشی که سلول‌های خوردگی فعال را در زیر لایه رنگ جدید باقی می‌گذارد. شاخه های تخلیه باید برداشته و تمیز شوند. زهکش های تنفسی مسدود شده یکی از دلایل اصلی آسیب تراکم داخلی هستند، زیرا آنها به جای اینکه به آن اجازه تخلیه طبق طراحی شده را بدهند، آب را در داخل محفظه حبس می کنند. یک محفظه موتور دریایی که به خوبی نگهداری می شود روی یک کشتی 20 ساله نباید اتلاف فلزی ساختاری، افزایش قابل اندازه گیری خروج از مرکز شکاف هوا از سوابق اولیه راه اندازی، و مقادیر تداوم زمین را بدون تغییر نسبت به گواهی آزمایش کارخانه نشان دهد.