Инструментальные методы контроля герметичности при постройке корпусов судов на стапеле

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ПРИ ПОСТРОЙКЕ КОРПУСОВ СУДОВ НА СТАПЕЛЕ

Специальность 05.08.04 - «Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства»

Розинов Арнольд Яковлевич

Санкт-Петербург 2007 год

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы. При постройке корпусов судов на стапеле^** Здесь и в дальнейшем под словом «стапель» понимают все типы построечных сооружений, включая эллинги, доки, горизонтальные и наклонные стапели, предстапельные площадки и т.п. контроль герметичности выполняют наливом и поливом воды, надувом и обдувом сжатого воздуха, а также смачиванием керосином. Такая традиционная технология контроля герметичности существенно трудоемка и ресурсоемка. Она соответствует уровню 60-х годов прошлого века, когда основным видом перевозимых грузов являлись нефть и топлива с проникающей способностью аналогичной проникающей способности забортной воды. Качество контроля при использовании традиционной технологии оценивают субъективно визуальным определением потеков жидкости или воздушных пузырьков.

К настоящему времени характер перевозимых грузов изменился из-за появления легких сортов топлива и широкой номенклатуры химических грузов с высокой проникающей способностью. Ужесточились экологические требования охраны окружающей среды. Это требует разработки и применения новых методов выявления сквозных микронеплотностей, обеспечивающих повышение чувствительности контроля, снижение его трудоемкости и ресурсоемкости. С этой целью в смежных отраслях промышленности и за рубежом, начали использовать инструментальные методы, основанные на газоанализе, физике образования акустического поля и вакуумно-пузырьковом эффекте. Практика показала, что путем переноса имеющегося опыта использования инструментальных методов и средств их выполнения устранить недостатки традиционных способов оценки герметичности не удается. Для решения проблемы необходимы теоретические и экспериментальные исследования, учитывающие специфику судостроения и соответствующих ей физических закономерностей применения инструментального контроля герметичности.

Цель исследования. Целью исследований диссертационной работы является снижение ресурсоемкости и трудозатрат, а также повышение чувствительности и экономической эффективности контроля герметичности при постройке корпусов судов на стапеле.

Задачи исследований. Для обеспечения указанной цели решались следующие научные и практические задачи, включающие:

– исследование физических особенностей проникающей способности эксплуатационных и испытательных сред, а также жидких грузов через подлежащие выявлению сквозные микронеплотности;

– исследование взаимосвязи параметров процесса инструментального контроля герметичности с применением различных испытательных сред;

– разработка инструментальных методов контроля герметичности и исследование их чувствительности;

– исследование технически-возможной области применения инструментальных методов контроля герметичности;

– исследование конструктивно-технологических требований создания средств инструментального контроля герметичности;

– анализ результатов внедрения методов и средств инструментального контроля герметичности;

– определение технико-экономической эффективности результатов выполненных разработок.

Методы исследований. Основой исследований настоящей диссертации являются законы механики жидкостей и газов, положения коллоидной химии, физика распространения звука и образования акустических полей, теория деформирования гибких пластин и оболочек, а также колебаний упругих систем.

Новые научные результаты.

1. Предложены аналитические выражения и графики для определения параметров сквозных микронеплотностей соответствующих проникающей способности жидких топлив и химических грузов с различным поверхностным натяжением и динамической вязкостью.

2. Разработаны физические модели инструментального акустического контроля герметичности для выявления сквозных микронеплотностей по наличию акустического поля образующегося: при турбулентном истечении испытательной воздушной среды вихрями, возникающими при смешивании струи этой среды с окружающим воздухом, при ламинарном истечении - колебаниями воздушных пузырьков, используемых жидкостных индикаторов, при звукоизлучении - отражением звука, колебаниями контролируемых конструкций, наличием интерференции и дифракции.

3. Установлено, что выявляемость сквозных микронеплотностей в процессе проведения инструментального акустического контроля герметичности обеспечивается следующими параметрами: при турбулентной струе - мощностью и диаграммой направленности генерируемого акустического поля, при ламинарном потоке - резонансной частотой колебаний образовавшихся воздушных пузырьков и амплитудой возникающих при этом импульсов акустического давления, при звукоизлучении - соотношениями импеданса на входе и выходе каналов микронеплотностей в диапазоне частот, отличных от частоты собственных колебаний судовых конструкций.

4. Определено, что взаимосвязь геометрических параметров выявляемых сквозных микронеплотностей и спектральных параметров акустических полей, образующихся в местах расположения этих микронеплотностей, не однозначна и выражается: при турбулентном истечении воздушной среды - взаимозависимостью относительной длины каналов микронеплотностей, скорости потока этой среды и скорости распространения в ней звука; при ламинарном истечении - взаимозависимостью площадей сечения каналов микронеплотностей, скорости изменения формы и объема воздушных пузырьков, частоты возникающих звуковых колебаний; при звукоизлучении - взаимозависимостью формы сечения микронеплотностей и импедансом распространения звука в каналах микронеплотностей.

5. Разработаны физические модели инструментального газоаналитического контроля герметичности с применением смеси воздуха и органических газообразных сред взамен гелия и фреона, а также вакуумно-пузырькового контроля герметичности с использованием различных жидкостных индикаторов, образующих в местах расположения сквозных микронеплотностей воздушные пузырьки с гибкой или быстро затвердевающей оболочкой.

6. Доказано, что соответственно особенностям сварных (неразъемных) соединений и сопряжению элементов разъемных соединений существенно изменяется геометрия образующихся сквозных микронеплотностей, параметры которых отличаются на порядок, что в сочетании с конструктивно-технологическими различиями указанных соединений ведет к необходимости использования комплекса (акустического, газоаналитического и вакуумно-пузырькового) инструментальных методов контроля герметичности.

7. Разработаны аналитические выражения для расчетного определения порогов чувствительности акустического и газоаналитического инструментальных методов контроля герметичности, на основе этих выражений и по экспериментальным данным построены графики изменения порогов чувствительности инструментального акустического, газоаналитического и вакуумно-пузырькового методов контроля герметичности.

8. Предложены график и таблица, позволяющие на основе равенства параметров выявляемых сквозных микронеплотностей, определить технически возможные области применения инструментальных методов контроля герметичности, обеспечивающие замену и исключение малоэффективной технологии контроля герметичности традиционными методами.

9. Разработана система технико-экономических показателей, на основе которой установлены соотношения продолжительности и трудозатрат традиционных и инструментальных методов контроля герметичности, подтверждающие эффективность замены методов традиционного контроля герметичности акустическим, газоаналитическим и вакуумно-пузырьковым методами инструментального контроля герметичности.

Новизна результатов заключается в том, что:

– впервые разработаны методика и научное обоснование расчета параметров процесса инструментального контроля герметичности, на основе которых предложены алгоритмические модели, формулизующие взаимосвязь и взаимное влияние спектральных параметров звукового давления и геометрических характеристик выявляемых сквозных микронеплотностей;

– впервые научно обоснован методический подход к решению задачи повышения чувствительности инструментального выявления сквозных микронеплотностей, заключающийся в непрерывном экспресс-анализе акустических сигналов, генерируемых истечением воздушной струи или колебаниями воздушных пузырьков, а также сопоставлении этих сигналов с данными мониторинга фона внешних помех в широком диапазоне частот, для чего разработана программа выполнения этих процедур на ПЭВМ.

Практическая ценность. Новые научные результаты позволили решить следующие актуальные практические задачи:

– разработать табулированные данные показателей проникающей способности различных жидких грузов для определения параметров подлежащих выявлению сквозных микронеплотностей;

– разработать методики аналитического определения спектральных показателей акустических полей, генерируемых истечением сжатого воздуха, применением жидкостных индикаторов или звукоизлучением, необходимых для создания средств инструментального контроля герметичности;

– предложить новую технологию инструментального газоаналитического метода контроля герметичности, основанную на применении органических испытательных сред, заменяющих дорогостоящий гелий и экологически вредный фреон;

– повысить применимость инструментального вакуумно-пузырькового метода контроля герметичности для выявления сквозных микронеплотностей в конструкциях, где невозможно, по причине недостаточной прочности, применять гидростатическое давление наливаемой воды или пневматическое давление сжатого воздуха;

– разработать конструктивно-технологические требования для создания средств инструментального контроля герметичности обеспечивающих выявление сквозных микронеплотностей на физических принципах фиксации акустического поля, анализа накопления газовоздушной смеси и проявления пузырькового эффекта;

– определить необходимую номенклатуру средств инструментального контроля и создать головные образцы акустических и газоаналитических течеискателей, а также вакуумных камер;

– разработать и внедрить технологию осуществления инструментального контроля герметичности неразъемных и разъемных соединений, а также соединений насыщения корпусных конструкций;

– разработать и выпустить комплект отраслевых документов, согласованных Морским Регистром судоходства России и включающих:

ОСТ5.9914-92 «Корпуса стальных надводных судов. Типовые технологические процессы изготовления корпусов судов на стапеле»;

ОСТ5Р.1180-93 «Суда. Методы и нормы испытаний на непроницаемость и герметичность»;

РД5.ГКЛИ.0105-118-92 «Конструкции корпусные и системы трубопроводов. Акустический метод испытаний на непроницаемость»;

РД5.ГКЛИ.0105-125-94 «Конструкции корпусные судовые. Контроль непроницаемости и герметичности акустическим и газоаналитическим методом»;

РД5Р.ГКЛИ.3220-007-97 «Соединения сварные корпусных конструкций. Испытания на герметичность с применением вакуумных камер»;

– внедрить методы и средства инструментального контроля на ГП «Адмиралтейские верфи», АО «Северная верфь», ОАО «Балтийский судостроительный завод», ПО «Ижорские заводы»», Невском ССЗ и ОАО «ЛИАЗ».

Апробация работы. Новые научные и практические результаты, выводы и рекомендации, полученные в диссертации, докладывались и одобрены:

– на конференции «Моринтех-2003», 2003 г.;

– на научно-технической конференции, посвященной 300-летию ФГУП «Адмиралтейские верфи», 2004 г.;

– на юбилейной научно-технической конференции, посвященной 75-летию Санкт-Петербургского Государственного Морского технического Университета и 40-летию «СЕВМАШВТУЗА», 2005 г.

Исследования и результаты практического внедрения отмечены:

– двумя медалями ВДНХ;

– Дипломом IV международной выставки-конгресса «Высокие технологи, инновации и инвестиции», за разработку «Акустический метод контроля герметичности сооружений», в 2000 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 печатных работ, при этом основное содержание диссертации представлено в 29 статьях, указанных в настоящем реферате.

2. Основное содержание работы

2.1 Анализ существующих разработок инструментальных методов контроля герметичности

За рубежом и в смежных отраслях промышленности при изготовлении металлоконструкций, применяют течеискатели, предназначенные для осуществления галоидного, масс-спектрометрического, газоаналитического (катарометрического) и акустического выявления сквозных микронеплотностей. Невозможность использования экологически вредного фреона или дорогостоящего гелия, не позволяет применять галоидные, масс-спектрометрические и катарометрические течеискатели при постройке корпусов судов на стапеле. Наиболее приемлемыми оказываются средства акустического инструментального метода контроля герметичности, который характеризуется экологической чистотой, улучшением условий труда и существенным снижением затрат на применение природных ресурсов.

Эффективное использование акустического метода контроля герметичности требует изучения физики генерации акустических полей и влияния на них фона внешних помех. Отдельные результаты решения этой проблемы изложены в публикациях Мунина А.Г., Лямшева Л.М., Клюева В.В., Непомнящего Е.А., Гутина Л.Я., Юдина Е.Я. и др., но они относятся к генерации акустического поля истечением струи сжатого воздуха из сопел значительного размера, вентиляторных установок и т.п. Практический интерес представляют разработки акустических течеискателей, выполненные Анпининым Е.Д., Славковым В.Д., Бачеговым В.Н. и др. Из описания этих течеискателей видно, что их разработки выполнены на основе практических решений отдельных не взаимосвязанных задач, поэтому существующие средства акустического контроля герметичности имеют ограниченную область применения и подвержены влиянию внешних помех.

В публикациях Соколова В.Ф., Паллера А.М., Рогаля В.Ф., Ланиса В.А., Левиной Л.Е., Запунного А.И., Фельдмана Л.С. и Дешмана С. представлены результаты аналитических и экспериментальных разработок, в составе которых содержится методика проведения контроля герметичности газоаналитическими методами. Однако в них отсутствуют научные обоснования, необходимые для создания эффективных в применении средств газоаналитического инструментального контроля герметичности и оценки рациональной области использования этих средств.

В результате уровень указанных выше разработок не позволяет выбирать наилучшую физику проведения инструментального контроля и осуществлять эффективное применение средств его выполнения при постройке корпусов судов на стапеле.

2.2 Исследование проникающей способности эксплуатационных, испытательных сред и жидких грузов, определение видов и параметров подлежащих выявлению сквозных микронеплотностей

Исследования проникающей способности эксплуатационных сред и жидких грузов выполнены с учетом физических характеристик воды, дизельных и бытовых топлив, а также химических грузов. При этом в качестве основного показателя, определяющего параметры выявляемых сквозных микронеплотностей, принят поток рассматриваемой среды, проходящей в единицу времени из пространства, находящегося под воздействием атмосферного давления, в другое - разреженное до давления пренебрежимо малого по сравнению с атмосферным. В результате параметры объектов инструментального контроля (сквозные микронеплотности) выражены в единицах , значения которых определены на основе формулы Пуазейля,

(1)

преобразованной в расчетное выражение вида:

(2)

Рис. 1 -Проникающая способность морской воды, дизельных и печных бытовых топлив (соответственно их вязкости з): 1 - морская вода; 2 - дизельное (з = 0,0026 Па·с) и печное бытовое (з = 0,0025 Па·с) топлива; 3 - дизельное топлива (з = 0,0052 Па·с); 4 - дизельное топлива (з = 0,0015 Па·с); 5 - дизельное топлива (з = 0,0042 Па·с); 6 - дизельное топлива (з = 0,0033 Па·с); 7 - печное бытовое топливо (з = 0,003 Па·с); 8 - печное бытовое топливо (з = 0,003 Па·с)

где В - параметр сквозной микронеплотности, ;

Р₁ и Р₂ - давления на концах каналов сквозных микронеплотностей, Па;

- коэффициент динамической вязкости воздуха, Па·с;

з - коэффициент динамической вязкости рассматриваемой жидкой среды, Па·с;

Р_А - величина атмосферного давления, Па;

- длина канала сквозных микронеплотностей, м.

По выражению (2) рассчитаны показатели проникающей способности жидких сред, по которым построены графики, представленные на рис. 1 и 2.

Рис. 2 - Проникающая способность химических грузов и морской воды: 1 - морская вода; 2 - этилендиамин моноэтиловый спирт, циклогексан; 3 - Н-амиловый ацетат, додексан; 4 - амиловый ацетат; 5 - диэтилбензол; 6 - этилбензол; 7 - гептан; 8 - гексан; 9 - ацетон, Н-пентан; 10 - пентан, толуол; 11 - ксилол; 12 - изобутиловый спирт; 13 - Н-бутиловый спирт; 14 - метиловый ацетат; 15 - метиловый спирт

Для возможности определения параметров, характеризующих проникающую способность газообразных и акустических сред выполнены исследования видов и состава подлежащих выявлению сквозных микронеплотностей. Основой таких исследований явились результаты проведенного расчетного определения напряженного состояния сварного шва и зоны сплавления. Это позволило, с учетом данных полученных А.А. Трущенко, определить состав реальных сквозных микронеплотностей, в числе которых большую часть (88 %) составляют поры. На долю непроваров приходится не более 10 %, остальная часть - шлаковые включения.

Возможность турбулентного или ламинарного истечения по указанным сквозным микронеплотностям газообразных испытательных сред позволило использовать в качестве оценочных параметров проникающей способности газообразных испытательных сред величины коэффициента трения , длины ? и диаметра d каналов сквозных микронеплотностей, а их взаимосвязь характеризовать безразмерной величиной ч, определяемой выражением:

(3)

Это явилось основанием характеризовать процесс прохождения газообразных испытательных сред через выявляемые сквозные микронеплотности, коэффициентом скорости л, определяемым величиной П_о, зависящей от соотношения давлений потока движущейся испытательной среды на входе Р_н в канал и на выходе из него Р_к, т.е. . Для оценки изменения величины л соответственно значениям П_о и ч, использовать график представленный на рис. 3.

При исследованиях акустического воздействия учтено, что процесс распространения акустических колебаний сопровождается их отражением от поверхности контролируемых судовых конструкций и сопротивлением проникновению через каналы сквозных микронеплотностей.

Рис. 3 - График изменений функции л

С учетом указанного, а также с учетом наличия подавляющей части сквозных микронеплотностей в виде пор с изменяющимся по их длине поперечным сечением, рассмотрена схема начального этапа вхождения акустической испытательной среды в канал сквозной микронеплотности, представленная на рис. 4.

Рис. 4 - Схема входа акустической испытательной среды в канал сквозной микронеплотности

Для решения поставленной задачи согласно представленной схеме определен состав характеризующих ее показателей, затем на основе обобщения и анализа данных о физических особенностях проникающей способности акустических колебаний через каналы сквозных микронеплотностей определены аналитические выражения этих показателей. При этом с учетом физики падения и отражения звуковых волн по законам падения и отражения света взаимосвязь параметров акустических давлений Р_пад и Р_отр, а также скорости колебательных смещений и представлена соотношениями вида

где - плотность среды распространения звуковых колебаний, и С - скорость распространения этих колебаний в рассматриваемой среде, .

При указанных соотношениях величина импеданса (акустического сопротивления) в зоне рассматриваемой сквозной микронеплотности принята соответствующей выражению . Согласно этому коэффициент проникающей способности акустических колебаний выражен в виде:

.(4)

3. Исследование взаимосвязи параметров процесса инструментального контроля герметичности с применением различных испытательных сред

В составе этих исследований рассмотрены способы инструментального контроля, обеспечивающие возможность его осуществления:

- с использованием сжатого воздуха;

- применением жидкостных индикаторов;

- звукоизлучением в воздушной среде.

При использовании сжатого воздуха эффект звуковых волн, генерируемых турбулентным потоком воздушной струи определен на основе волнового уравнения Лайтхилла:

,(5)

где: Т_ij = г ? U_i·U_j + (P_ij - Pд_jj) + (P-C_o² ? г) - д_jj - тензор Лайтхилла, представляющий разность напряжений в потоке воздушной струи и напряжений в окружающей покоящейся среде, а также учитывающий величину скорости звука С_о в этой среде.

Интегрированием указанного уравнения по объему всех участков потока с использованием перемещающейся системы координат определен показатель интенсивности уровня шума струи сжатого воздуха:

,(6)

где: J - интенсивность, ;

г - плотность окружающего струю пространства, кг/м³;

г_о - плотность истекающего сжатого воздуха, кг/м³;

С_о - скорость звука в окружающем пространстве, м/с.

По данным расчета изменений интенсивности шума и соответствующих чисел Маха, представлен график зависимости характеристик диаграммы направленности суммарного шума турбулентных струй и Ф (рис. 5). С учетом этого и показателей проникающей способности газообразных испытательных сред, представленных в разделе 2, предложена модель взаимосвязи параметров звукового давления, геометрии сквозных микронеплотностей и расчетных показателей струи истекающего сжатого воздуха (рис. 6). Анализ состава показателей предложенной модели позволил установить, что уровень акустического давления, создаваемого струей сжатого воздуха, определяется, главным образом, скоростью истечения этой струи.

Рис. 5 - Характеристики направленности суммарного шума турбулентных струй с учетом числа Маха (М)

Рис. 6 - Модель взаимосвязи параметров звукового давления, геометрических параметров сквозных микронеплотностей и расчетных показателей струи истекающего воздуха

Это подтверждено замерами акустического давления, генерируемого истечением сжатого воздуха через микронеплотности с различными геометрическими параметрами, осуществленными в производственных условиях с помощью переносного анализатора звука и вибрации. Данные замеров группировали соответственно разрядам исследуемых микронеплотностей, по признакам значительных, средних и малых размеров. При этом учитывали скорость истечения сжатого воздуха через исследуемые микронеплотности, которые классифицировали расчетным числом Маха (рис. 7). Это показало, что процесс истечения сжатого воздуха через выявляемые сквозные микронеплотности характеризуется колебанием уровня акустического давления в широком диапазоне частот от 1 до 100 кГц. В этом же диапазоне частот изменяется звуковое давление внешнего фона (рис. 8).

Рис. 7 - Результаты замеров спектров акустического давления звуковых сигналов на различных частотах в местах расположения сквозных микронеплотностей: 1 - микронеплотности значительных диаметров (М>0,5); 2 - микронеплотности средних диаметров (М0,5); 3 - микронеплотности малых диаметров (М<0,5)

Экспериментальные исследования, проведенные на образцах сквозных микронеплотностей различной формы и размеров, позволили построить графики изменения звукового давления спектров акустических полей, генерируемых истечением струи сжатого воздуха (рис. 9).

Рис. 8 - Результаты измерений спектров звукового давления и частот производственного фона внешних помех: 1 - фон при утечке сжатого воздуха; 2 - уровень фона генерируемого общим производственным шумом

Рис. 9 - Графики изменения звукового давления спектров акустических полей, генерируемых истечением струи сжатого воздуха с различным избыточным давлением

Эти графики подтвердили, что снижение избыточного давления сжатого воздуха и уменьшение каналов сквозных микронеплотностей приводит к уменьшению генерируемых звуковых сигналов, что объясняется переходом турбулентного истечения воздушной струи к ламинарному. Согласно опубликованному мнению Рогаля В.Ф. достичь сохранения необходимого уровня звукового давления в этом случае возможно путем применения жидкостных индикаторов, обеспечивающих образование воздушных пузырьков в местах выявления сквозных микронеплотностей. С учетом указанного разработана гипотеза, по которой основной причиной возрастания звукового давления является момент отрыва воздушных пузырьков от каналов сквозных микронеплотностей. При этом происходит замыкание плёнки используемого жидкостного индикатора, что ведет к образованию замкнутой сферы пузырьков радиусом R, внутри которой величина избыточного давления соответствует предложенному выражению:

, Па(7)

где: Р₁ - давление воздуха внутри сферического пузырька, Па;

Р_о - внешнее давление окружающего пространства, Па;

у_п - коэффициент поверхностного натяжения используемого жидкостного индикатора, н/м

r - радиус канала сквозной микронеплотности, м;

_ж - плотность жидкостного индикатора, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с².

Наряду с этим создается силовое возмущение, которым обеспечиваются изначальный и последующие импульсы, превращающие оторвавшиеся воздушные пузырьки в резонансную акустическую систему, обладающую способностью к продолжительному процессу генерации акустических колебаний с частой f_о, определяемой формулой Миннаэрта. С учетом изложенного предложена модель взаимосвязи параметров звукового давления, размеров сквозных микронеплотностей и диапазона частот звукоизлучения (рис. 10).



Рис. 10 Модель взаимосвязи параметров звукового давления, геометрических параметров сквозных микронеплотностей и диапазона частоты образующегося звукоизлучения

Выполненными экспериментами подтверждено, что применение жидкостных индикаторов существенно стабилизирует параметры акустических полей, генерируемых струей сжатого воздуха, истекающего через каналы сквозных микронеплотностей (рис. 11).

Рис. 11 - Результаты измерения звукового давления при истечении воздуха и наличия слоя жидкостного индикатора, нанесенного на сквозные микронеплотности с различными характеристиками натекания 1 - 6,5·10^-6 м³Па/с; 2 - 2,6·10^-5 м³Па/с; 3 - 1·10^-4 м³Па/с; 4 - 2,6·10^-4 м³Па/с; 5 - 6,5·10^-4 м³Па/с; 6 - 2,6·10^-4 м³Па/с; 7 - 130·10^-4 м³Па/с

В процессе проведения исследований возможности осуществления инструментального контроля герметичности звукоизлучением, предложена методика расчета собственных колебаний судокорпусных конструкций. Методика разработана на основе моделирования судокорпусных конструкций в виде перекрытий с системой поперечных и продольных балок подкрепляющего набора. В качестве исходного использовано уравнение Ю.А. Шиманского, определяющего изгиб каждой из поперечных балок под действием нагрузки интенсивностью

,(8)

где: Е - модуль упругости материала при растяжении (сжатии), Па;

щ - прогибы поперечной балки в местах сочленения с балками продольного направления, м;

J_o - момент инерции сечения поперечной балки, м⁴;

m_о - погонная масса поперечной балки, кг/м;

t - время достижения рассматриваемого прогиба балок, с.

Путем интегрирования уравнения (8) с учетом возможной формы свободных колебаний балок главного направления и перекрестных связей, условно лежащих в местах их пересечения на упругих опорах с заданной жесткостью, а также введением характеристик колебаний рассматриваемой системы во времени и изменений длины балок получена формула определения частот собственных колебаний:

,(9)

где: а и в - расстояние между поперечными и продольными балками, м;

L и ? - длина и ширина перекрытия, м;

б_с - характеристика изменения колебаний перекрытия во времени;

- характеристика изменений длины балок в процессе колебаний.

Оценка воздействия звукоизлучения выполнена импедансным методом. При этом импеданс акустического воздействия на выходе из канала сквозной микронеплотности представлен в виде , где А = CosK_B S, B = iy_oC_oSinK_B S, C = Sin K_B S, D = CosK_BS. В этих выражениях представляет волновое число звука, произведение г_оС_о, определяет волновое сопротивление воздуха, является мнимой единицей. На входе в канал импеданс определен выражением указанным соответственно схеме, представленной на рис. 4. В процессе прохода акустической испытательной среды по каналу сквозной микронеплотности импеданс определен выражением . Согласно указанному коэффициент прохождения звука через канал сквозной микронеплотности Г_о определен зависимостью |Г_о|² = 1 - |R|². Из-за того, что при описанном процессе создается воздействие звукового давления на всю поверхность рассматриваемой конструкции оно учтено коэффициентом звукового давления на поверхность конструкции Г_П = 10 ?gZ_П. Импеданс всех стадий процесса прохождения акустической испытательной среды через канал сквозной микронеплотности определен с использованием функций Бесселя и Струве.

На основе изложенного предложена модель взаимосвязи параметров звукового давления, параметров сквозных микронеплотностей и показателя вибростойкости корпусных конструкций (рис. 12).

Рис. 12 - Модель взаимосвязи параметров звукового давления, геометрических параметров сквозных микронеплотностей и показателей вибростойкости судовых корпусных конструкций

Достоверность моделей, представленных на рис. 6, 11 и 12 проверена экспериментально на образцах сквозных микронеплотностей с различными характеристиками натекания. Показатели натекания изготавливаемых образцов устанавливали путем их аттестации, проводимой на специально изготовленном стенде.

Экспериментальные работы для оценки достоверности моделей осуществляли на другом изготовленном стенде, включающем резервуар для накопления сжатого воздуха или установки в нем генератора акустических колебаний. В резервуаре стенда закрепляли испытываемые образцы сквозных микронеплотностей, перед которыми устанавливали наружный микрофон. С помощью микрофона измеряли показатели акустического поля, образующегося истечением струи сжатого воздуха, применением жидкостных индикаторов или звукоизлучением. Результаты оценки выполненных работ, представлены в табл. 1.

Таблица 1 Результаты расчетной и экспериментальной оценки разработанных моделей

Показатель натекания используемых образцов- имитаторов,	Генерация акустического поля, дБ
	Струей истекающего сжатого воздуха	Применением жидкостных индикаторов	Звукоизлучением
	расч.	эксп.	погрешн. %	расч.	эксп.	погрешн. %	расч.	эксп.	погрешн. %
4,5·10-3	52	48	+7,6	15	14	+6,7
	51	56	-10	18	16	+11
1,6·10-2	39	41	-5	20	22	-10
	44	42	+4,7	23	24	-4
	49	44	+11	28	25	+10
2·10-1	40	42	-5	30	28	+6,6
	53	51	+3,7	34	33	+3
	57	63	-10	38	36	+5,3
	70	64	+9,6
5,2·100	47	42	+10
	64	73	-14
	78	72	+7,6
	83	77	+7
	84	91	-8
6,2·10-1				42	40	+4,8	5	5	0
				45	43	+4,5		6	-20
				50	46	+8		4	+20
								6	-20
1,7·100							8	9	-12
								6	+25
								7	+12
								8	0

2.4 Разработка инструментальных методов контроля герметичности, исследование их чувствительности и области технически возможного применения

Для определения состава инструментальных методов контроля герметичности проведены исследования различных типов монтажных соединений судовых конструкций, отличающихся видом сопряжения и закрепления их элементов. Наряду с этим выполнены исследования параметров сквозных микронеплотностей, возникающих в этих соединениях. С учетом полученных результатов разработаны необходимые по технологическому использованию инструментальные методы контроля герметичности (рис. 13), чувствительность которых исследована на основе показателей, характеризующихся величиной минимально выявляемой микронеплотности, выраженной потоком воздуха в , проходящим через эту микронеплотность. С учетом указанного для возможности оценки порога чувствительности акустического метода контроля герметичности использовано выражение Хагена-Пуазейля

(10)

На основе (10) получена расчетная формула порога чувствительности В_min:



Рис. 13 - Состав инструментальных методов контроля герметичности

, (11)

где: Р и Р_А - давления на входе и выходе из канала микронеплотности, Па.

Согласно расчетам по формуле (11) построены графики порога чувствительности инструментального акустического метода контроля, выполняемого звукоизлучением (рис. 14), а также истечением струи сжатого воздуха и применением жидкостных индикаторов (рис. 15).

В основу оценки порога чувствительности газоаналитического инструментального метода контроля герметичности с использованием органических испытательных сред положены показатели, определяющие:

– концентрацию органической испытательной среды во внутреннем объеме контролируемого на герметичность изделия - С_А;

– массу применяемой органической испытательной среды - m, кг;

– средний показатель размера подлежащих выявлению сквозных микронеплотностей - q, ;



Рис. 14 - Изменения порога чувствительности инструментального акустического метода контроля герметичности звукоизлучением

Рис. 15 - Изменения порога чувствительности акустического инструментального метода контроля герметичности истечением струи сжатого воздуха (1) и применением жидкостных индикаторов (2)

– величину атмосферного давления - РА, Па;

– перепад избыточного давления смеси воздуха и органической испытательной среды - ДР, Па ;

– отношение коэффициентов динамической вязкости смеси органической испытательной среды и воздуха - ;

– величину применяемого накопительного изолированного объема - V_Н, м³;

– заданный показатель пороговой чувствительности щупа используемого для контроля герметичности - С_П, .

При расчете порога чувствительности газоаналитического метода масса органической испытательной среды определена по предложенному выражению:

(12)

где: М - молекулярная масса ацетона, 10^-3 кг;

Р - избыточное давление воздуха при контроле герметичности, Па;

Р_нас.ац - давление насыщенного пара ацетона при 20^оС, Па;

V_m - объем грамм-молекулы ацетона, м³/кмол.

Продолжительность накопления органической испытательной среды рассчитана по предложенной формуле:

(13)

С учетом рассчитанной массы органической испытательной среды и продолжительности ее накопления изменение порога чувствительности газоаналитического инструментального метода контроля герметичности представлено графиком рис. 16.

Рис. 16 - Изменение порога чувствительности газоаналитического метода контроля герметичности при концентрации органической испытательной среды в объемах 0,6 м³ (1), 1,2 м³ (2), 50 м³ (3)

Достоверность предложенного графика проверена экспериментально на стенде с использованием аттестованных образцов сквозных микронеплотностей, описанных выше. Результаты сравнения расчетов и эксперимента приведены в табл. 2.

Чувствительность инструментального вакуумно-пузырькового метода контроля герметичности оценена экспериментально и представлена графиком рис. 17.

Экспериментальные данные получены с использованием аттестованных образцов сквозных микронеплотностей, на выходные отверстия каналов которых перед созданием необходимого уровня разрежения наносили исследуемые жидкостные индикаторы. Обработка экспериментальных данных и построение по ним графиков выполнены с применением способа наименьших квадратов.

Таблица 2 Результаты определения расчетной и экспериментальной продолжительности накопления органической испытательной среды для возможности выявления различных по размерам сквозных микронеплотностей

Показатель натекания используемых образцов-имитаторов, м3·Па/с	Перепад избыточного давления принятого в расчетах и при эксперименте, Па	Время накопления органической испытательной среды, до необходимой концентрации в используемых объемах (чехлах) согласно расчетным и экспериментальным данным, ч
		0,6 м3	1,2 м3	5 м3
		расч.	эксп.	погрешн. %	расч.	эксп.	погрешн. %	расч.	эксп.	погрешн. %
1,5·10-4	400	0,8	0,9	-11	2,2	2	+9	2,8	3	-7
	100	1	1,1	-10	2,5	2,7	-7	3,2	3,6	-11
	40	1,5	17	-11	2,8	3	-7	3,8	4,1	-7
2,7·10-5	400	3,6	3,4	+6	4,2	4,4	-5	6	6,3	-5
	100	4,2	4	+5	4,8	5,1	-6	6,8	6,5	+5
	40	4,8	4,6	+4	5,7	6,2	-8	7,2	7,4	-3
1,3·10-5	400	6	5,7	+5	7,2	7,5	-4	8,2	8	+3
	100	6,5	6,3	+3	7,8	8,2	-5	8,7	9,2	-5
	40	7	7,2	-3	8,4	8,8	-5	9,2	9,6	-4
6,5·10-6	400	9	9,3	-3	11	12	-8	13	12,6	+3
	100	9,8	10,2	-4	13	13,6	-5	14,5	14,8	-2
	40	11	12	-8	15	14,2	+5	16	15,6	+3

Рис. 17 -Выявляемость сквозных микронеплотностей в условиях разрежения (вакуумирования): 1 - полимерный состав; 2 - мыльный раствор; 3 - мыльная эмульсия

Показатели порога чувствительности традиционного контроля герметичности надувом и обдувом сжатого воздуха определены на основе физической взаимосвязи показателя частоты образования пузырьков пенообразующего состава и величины потока сжатого воздуха, выведенной Пуазейлем в виде уравнения:

(14)

где: Р_А - атмосферное давление, Па.

D_о - диаметр образующихся воздушных пузырьков, м;

n - частота формирования пузырьков за время Дt, 1/с.

На основе уравнения (14) путем математического выражения диаметров образующихся минимально видимых пузырьков с учетом поверхностного натяжения их пленки, плотности используемого пенообразующего состава и диаметра каналов выявляемых сквозных микронеплотностей, получена формула расчета порога чувствительности традиционного контроля герметичности сжатым воздухом в виде:

, (15)

Р_опр - абсолютное давление, т. е. давление, представляющее сумму испытательного и атмосферного давления, Па.

В основу определения расчетного показателя порога чувствительности контроля герметичности наливом и поливом водой положено соотношение между количеством воды вытекающей из выявляемых сквозных микронеплотностей и количеством воды, испаряющейся с поверхности образующихся капель, определенное законами термодинамики в виде уравнения:

dW = (Q_В - vS) dt(16)

где: Q_В - объем воды, вытекающей через капилляр в единицу времени, м³/с;

v - скорость испарения с единицы поверхности,м/с;

S - площадь поверхности водяной капли, м².

Путем математического выражения скорости испарения с учетом коэффициента диффузии, температуры окружающей среды и изменения давления насыщенного пара воды в условиях отсутствия перемещения воздуха по уравнению (16) определен радиус минимально видимых капель и с учетом этого предложена формула расчета порога чувствительности в виде:

, (17)

где: _ж - показатель вязкости технической воды, Па·с;

_в - показатель вязкости воздуха, Па·с;

Р_А - величина атмосферного давления, Па;

ДР_ж - перепад гидростатического давления по обе стороны канала сквозной микронеплотности, Па.

В основу расчета показателя порога чувствительности контроля герметичности смачиванием керосином, люминесцентной или цветной проникающей жидкостями положено время их протекания через канал сквозной микронеплотности t, зависящее от объема проникающей жидкости V_ж, кинематической вязкости керосина _ж, протяженности и диаметра d канала, определяемое по формуле Пуазейля:

, с(18)

На основе расчетов по формулам (15), (17) и (18) построены графики изменения порогов чувствительности традиционных методов контроля герметичности (рис. 18 и 19).

Путем совмещения данных графиков, представленных на рис. 17 и 18, разработан график соотношений порогов чувствительности вакуумно-пузырькового инструментального метода контроля герметичности и традиционных методов контроля водой и сжатым воздухом (рис. 20).

Рис. 18 - График изменения порогов чувствительности методов контроля герметичности давлением воды и сжатого воздуха I - полив воды; 2 - обдув сжатым воздухом с нанесением жидкостного индикатора; 3 - налив водой; 4 - надув сжатым воздухом с нанесением жидкостного индикатора



Рис. 19 - График изменения порога чувствительности контроля герметичности керосином, цветной проникающей и люминесцентной жидкостями I - люминесцентная жидкость; 2 - цветная проникающая жидкость; 3 - керосин

Рис. 20 - График соотношений порогов чувствительности инструментального вакуумно-пузырькового метода и традиционных методов контроля герметичности водой и сжатым воздухом; 1 - полимерный состав; 2 - мыльный раствор; 3 - вода; 4 - сжатый воздух

На основе данных рис. 14-19, представленных в единой системе показателей порогов чувствительности, построена таблица (рис. 21), характеризующая технически возможные области применения традиционных и инструментальных методов контроля герметичности.

Размеры выявляемых сквозных микронеплотностей,	1 · 10-0	1 · 10-1	1 · 10-2	1 · 10-3	1 · 10-4	1 · 10-5	1 · 10-6
Методы выявления сквозных микронеплотностей при контроле герметичности	Воздействием звукоизлучения акустической испытательной среды
	Гидростатическим давлением при поливе водой
	Генерацией акустического поля, формируемого истечением сжатого воздуха
	Обдувом сжатым воздухом с использованием жидкостного индикатора
	Гидростатическим давлением при наливе воды
	Вакуумированием с использованием жидкостных индикаторов Давлением газообразной смеси воздуха и органической испытательной среды
	Давлением сжатого воздуха с использованием жидкостного индикатора Смачиванием керосином Смачиванием цветными проникающими жидкостями Смачиванием люминесцентными жидкостями

Рис. 21 - Таблица технически возможной области применения традиционных и инструментальных методов контроля герметичности

5. Определение конструктивно-технологических требований средств инструментального контроля герметичности, разработка и внедрение этих средств, технико-экономическая оценка результатов реализации проведенных работ

Для определения необходимой номенклатуры средств инструментального контроля герметичности выполнена оценка объектов этого контроля по признакам пространственного расположения, степени доступности, формы сопряжения соединяемых элементов и их количественного состава. С учетом данных этой оценки и органометрических требований к производству работ при постройке корпусов судов на стапеле, а также результатов исследований параметров сквозных микронеплотностей в монтажных соединениях (рис. 13), порогов чувствительности (рис. 14-17) и технически возможной области применения инструментальных методов контроля герметичности (рис. 21), разработаны технические требования, по которым спроектированы и изготовлены средства инструментального контроля, представленные в табл. 3 и 4.

Таблица 3 Технические характеристики течеискателей для инструментального контроля герметичности акустическим и газоаналитическим методами

Технические характеристики	Ультразвуковой обнаружитель неплотностей «УЗОН»	Анализатор генерируемых полей неплотностей АГПН	Анализатор неплотностей течеисканием АТН
	течеискатель	генератор	акустический щуп	источник питания	щуппреобразователь	блок индикации
Частотный диапазон, кГц	40 ± 3	40 ± 3	от 1 до 100	-	-	-
Габаритные размеры, 10-3м	190х62х32	190х62х37	100х98х75	150х150 х69	205х220х50	305х340 х100
Масса, кг	0,3	0,3	0,75		0,5	2,5

Таблица 4 Технические характеристики вакуумных камер

Технические характеристики	Типы вакуумных камер
	для стыковых и пазовых соединений на плоскости конструкций	для пересечений пазов и стыков на плоскости конструкций	для тавровых соединений конструкций	для пространственных угловых соединений конструкций
Габариты, мм:
- вакуум-камеры	450х172х160	340х340х160	400х160х124	300х260х160
- компрессора	240х160х90	240х160х90	240х160х90	240х160х90
- аккумулятора	170х170х170	170х170х170	170х170х170	170х170х170
Масса, кг:
- вакуум-камеры	4,5	5,4	4,0	2,5
- компрессора	2,0	2,0	2,0	2,0
- аккумулятора	13,5	13,5	13,5	13,5

Внедрение разработанного комплекса инструментальных средств контроля герметичности осуществлено согласно схеме, представленной на рис. 22.

Рис 22 - Состав и целевое назначение комплекса методов и средств осуществления инструментального контроля герметичности при постройке корпусов судов на стапеле

При этом установлено, что инструментальный метод акустического контроля целесообразно использовать на стадии проведения основных испытаний. С помощью анализатора генерируемых полей неплотностей марки АГПН следует осуществлять контроль герметичности судовых конструкций основного корпуса судов, где расположена основная масса неразъемных сварных соединений. Методом инструментального акустического контроля с применением ультразвукового обнаружителя неплотностей марки «УЗОН» следует осуществлять контроль герметичности конструкций надстроек, где преобладают разъемные (резинометаллические) соединения люковых закрытий, дверей, окон, иллюминаторов и т.п. В то же время инструментальными методами газоаналитического и вакуумно-пузырькового контроля следует осуществлять контроль герметичности на стадиях выполнения контрольных испытаний. Газоаналитическим инструментальным методом с применением анализатора микронеплотностей марки АНТ может быть проверена герметичность установки элементов насыщения после основных испытаний. Вакуумно-пузырьковым инструментальным методом с применением вакуумных камер проверены на герметичность места исправления сварных соединений, где в процессе основных испытаний обнаружены сквозные микронеплотности.

С учетом результатов внедрения методов и средств инструментального контроля герметичности и выполненного пооперационного нормирования разработана система технико-экономических показателей, основой которой являются данные, приведенные в табл. 5.

Таблица 5 Соотношение продолжительности и относительных трудозатрат традиционных и инструментальных методов контроля герметичности

Метод контроля герметичности	Продолжительность, ч	Относительный показатель трудозатрат
Налив воды под напором	56,0	1
Контроль с применением органических испытательных сред и газоаналитического течеискателя	51,8	0,92
Надув воздухом с применением мыльной эмульсии или полимерного пенообразующего состава	50,0	0,89
Налив воды без напора	37,5	0,67
Надув воздухом с применением акустического течеискателя	37,4	0,66
Смачивание керосином или цветными проникающими жидкостями	20,2	0,36
Контроль с применением вакуумных камер	20,0	0,36
Контроль с совместным применением акустического течеискателя и акустического генератора	15,8	0,28
Поливание струей воды под напором	10,5	0,19

Данными рис. 21 и табл. 5 подтверждена возможность замены более половины (до 55 %) объема традиционных методов контроля герметичности инструментальными методами с существенным сокращением трудозатрат, уменьшением расхода ресурсов и материалов. Последнее выражается в 100 % сокра...