Автор: ведущий инженер-технолог Тарановский Виталий Валентинович
Для обеспечения необходимых эксплуатационных характеристик (водоизмещение, остойчивость, снижение уровня электромагнитных полей и др.) при постройке корпусов кораблей, катеров и вспомогательных судов ВМФ отдельные конструкции (надстройки, рубки, переборки внутрикорпусных помещений) применяется прокат из алюминиевых сплавов. Их монтаж на основном корпусе, выполненном из стального проката, выполняется при помощи биметаллических соединений и материалов.
Типовой работой при ремонте корпусных конструкций кораблей, катеров и вспомогательных судов ВМФ и является ремонт монтажных соединений между стальными конструкциями и конструкциями из алюминиевых сплавов.
Применение проката из алюминиевых сплавов для отдельных корпусных конструкций (надстроек, рубок, переборок внутрикорпусных помещений) при постройке кораблей, катеров и вспомогательных судов ВМФ и соединение их с остальными корпусами, конструктивно обеспечивается следующими переходными соединениями:
-заклепочными соединениями (прочно-плотными с электроразъемом);
-биметаллическими полосами в виде:
- пакета Х18Н10Т – АМг6;
-биметалла марки КБМ-1 в виде пакета D40 – 1561 (ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей»), которые в процессе эксплуатации требуют ремонта для восстановления спецификационных характеристик.
Для объективности анализа, сравним физические параметры соединяемых материалов (см. Таблица 1, 2):
Таблица 1 Механические параметры
|
|
σт (МПа) |
σв (МПа) |
δ (%) |
Е (МПа) |
αL х10-6/К⁰(С⁰) |
|
1561 |
180 |
330 |
12 |
71000 |
24,0 |
|
10ХСНД |
390 |
510 |
20 |
200000 |
12,0 |
Таблица 2 Электрохимический ряд напряжения металлов
|
Материал |
Mg (6%) |
Al |
Fe |
|
Потенциал В |
-2,36 |
-1,66 |
-0,44 |
Соединение Al+Fe относится к категории ограниченно допустимых контактов.
Из приведенных данных видно, что стальные конструкции являются разрушителями по отношению к конструкциям из алюминиевых сплавов при их жестком соединении (электрохимическая коррозия; сталь, находясь в зоне упругих деформаций, доводит алюминиевый сплав в зону пластических деформаций).
На современном этапе, рассмотрим 4 вида ремонта заклепочных соединений и ремонт соединений при помощи биметаллических полос.
Ремонт заклепочных соединений, регламентируемый требованиями ОСТ 5.1031-86
Заклепочные соединения корпусных конструкций из алюминиевых сплавов, применяемых при постройке и ремонте судов и плавсредств всех типов, классов и назначений, выполняемых методом холодной клепки, регламентируются требованиями ОСТ 5.1031-86 «Соединения заклепочные конструкций из алюминиевых сплавов. Классификация, нормы и технические требования».
Одним из показательных примеров эксплуатации и ремонта заклепочных соединений стальных конструкций с конструкциями из алюминиевых сплавов являются десантные корабли иностранной постройки.
В процессе освидетельствования десантных кораблей, находящихся в длительной эксплуатации специалистами АО «51 ЦКТИС» было выявлено, что выход из строя заклепочных соединений надстройки из алюминиевых сплавов со стальными конструкциями верхней палубы в большинстве случаев является следствием коррозионного износа, вследствие длительного отсутствия плановых заводских ремонтов (см. Рисунок 1 а и б).
а) 
б) 
Рис. 1, а и б. Выход из строя заклепочных соединений надстройки из алюминиевых сплавов со стальными конструкциями верхней палубы вследствие коррозионного износа
При плавании десантного корабля в штормовых условиях из-за конструктивных особенностей носовой оконечности корпуса и осадки корабля возникает явление – слеминг, которое приводит к возникновению значительных циклических нагрузок в корпусных конструкциях корабля, что отражено на схеме нагрузки (рис. 2).
Рисунок 2
Особым случаем, имеющим косвенное отношение к данной теме, является возникновение механических разрушений (в основном трещин) заклепочных соединений конструкций носового барбета (где величина изгибающего момента корпуса близка к максимальной и дополняется ударными нагрузками) из алюминиевых сплавов со стальными конструкциями, и самих конструкций из алюминиевого сплава, выполненных в сварном варианте.
При строительстве первых пяти корпусов десантных кораблей, сборка основных несущих конструкций из алюминиевых сплавов надстройки первого яруса, носового барбета между собой и с конструкциями из стали выполнялась с использованием заклепочных соединений, в том числе соединений набора на угловых соединениях, что обеспечивало их длительную безаварийную эксплуатацию.
а)
|
б)
|
Рисунок 3, а) и б) Сборка конструкций надстройки конструкциями из стали с использованием заклепочных соединений
При строительстве последующих заказов заклепочные соединения на конструкциях из алюминиевых сплавов были заменены на сварные, что привело к значительному увеличению случаев трещинообразования в корпусных конструкциях и, как следствие, снижению их эксплуатационного ресурса. Наиболее вероятной причиной повреждений является более высокая жесткость сварного соединения против заклепочного, которое обладает более высокой стойкостью к силовым вибрационным нагрузкам, а также, благодаря некоторой подвижности, сглаживает разницу по физическим параметрам соединяемых материалов. Так же необходимо дополнительно отметить, что заклепочное соединение разъемное и используется для предотвращения распространения трещинообразования на корпусных конструкциях (например: заклепочные соединения ширстрека с палубным стрингером на крупнотоннажных наливных судах).
Монтаж заклепок, при ремонте заклепочных соединений судовых корпусных конструкций из алюминиевых сплавов со сталью в соответствии с требованиями ОСТ 5.1031-86, на заказе выполняется ударным методом. Применение прессового метода (универсального для различных узлов заклепочных соединений) клепки на заказе, в силу конструктивных особенностей объектов ремонта, современным оборудованием невозможно или экономически нецелесообразно. Демонтаж заклепок на заказе, когда замена одного из соединяемых листов не требуется или нужна просто переклепка, выполняется вручную с использованием механизированного инструмента.
На снимке (см. Рисунок 4) показан результат ремонта заклепочных соединений, регламентированный требованиями ОСТ5.1031-86.
Рисунок 4. Результат ремонта заклепочных соединений, регламентированный требованиями ОСТ5.1031-86
Положительные факторы:
-вид ремонта, обеспечивающий наиболее высокий уровень восстановления эксплуатационного ресурса корпусных конструкций;
-соблюдение требований проектной документации.
Отрицательные факторы:
-повышенная вредность условий труда (шум, вибрация) при выполнении ударной клепки;
-низкая степень механизации;
-высокая трудоемкость;
-дефицит квалифицированных специалистов-клепальщиков.
Ремонт заклепочных соединений с заменой заклепок из алюминиевых
сплавов на резьбовой стальной крепеж
По результатам фактически проведенных ремонтов было установлено, что замена заклепочного соединения на соединение при помощи резьбового стального крепежа (материал – сталь 20), в большинстве случаев, положительного результата не дала. Возможная причина - нарушение первичного требования
п. 2.2.4 ОСТ5.1031-86: «Материал заклепки для конструкций из алюминиевых сплавов разных марок подбирают по менее прочному сплаву». Для справки ниже приведены сравнительные данные механических параметров соединяемых материалов (см. Таблица 3):
|
Таблица 3 Механические параметры. |
|||||
|
|
σт (МПа) |
σв (МПа) |
δ (%) |
Е (МПа) |
НВ (МПа) |
|
1561 |
180 |
330 |
12 |
71000 |
≥40 |
|
20 |
245 |
410 |
25 |
200000 |
163 |
Из приведенных данных видно, что стальной крепеж является практически режущим инструментом по отношению к конструкциям из алюминиевых сплавов (см. Рисунок 5, а и б). На Рисунке 5, а видно, что замена лишь нескольких заклепок из алюминиевого сплава на стальной крепеж, привела к возникновению трещины.
а) |
|
б) |
Рисунок 5, а) и б) Использование стального крепежа в конструкциях из алюминиевых сплавов
Положительные факторы:
-отсутствие необходимости в наличии квалифицированных специалистов-клепальщиков;
-улучшение условий труда (шум, вибрация);
- отсутствие необходимости для проектанта разрабатывать изменения конструкционных узлов корпусных конструкций и корректировать документацию.
Отрицательные факторы:
-низкая степень механизации;
-высокая трудоемкость;
-даже при качественном выполнении работ, низкий уровень восстановления эксплуатационного ресурса корпусных конструкций.
Ремонт заклепочных соединений с заменой заклепок из алюминиевых сплавов на болт-заклепки с технологическим хвостовиком из алюминиевых сплавов
Одним из вариантов снижения трудоемкости выполнения работ на этапе монтажа является замена ударных заклепочных соединений на безударные болт-заклепочные (диаметр до 10 мм включительно по ОСТ 1 30040-83), разработанных для силовых соединений конструкций под виброактивную нагрузку, с обеспечением мобильным (переносным) постановочным оборудованием. Для наглядности в качестве примера приводим вариант болт-заклепки с технологическим хвостовиком и обжимным кольцом (см. Рисунок 6):
Рисунок 6. Болт-заклепка с технологическим хвостовиком и обжимным кольцом
Исполняются как в стальном варианте, так и из алюминиевых сплавов, на прижимных поверхностях шляпки болта-заклепки или бурта обжимного кольца для герметизируемых соединений делаются проточки для заполнения герметиком, который при обжиме заполняет зазор между крепежом и поверхностью отверстия.
Одним из вариантов переносного постановочного оборудования для болт-заклепочных соединений является пневмо-гидравлический заклепочник для обжимных болтов Ø6,4 – 10мм с гидростанцией RIV511В (см. Рисунок 7).
Рисунок 7. Пневмо-гидравлический заклепочник для обжимных болтов Ø6,4 – 10мм
Пневмогидравлическая клепальная машина RIV511В с усилителем предназначена для монтажа болт-заклепок с технологическим хвостовиком Ø6,4 – 10 мм и состоит из алюминиевой рукояти инструмента, соединенной шлангами с блоком управления, в котором размещены усилитель и масляный бак. Поставляется без монтажного набора (насадки для инструмента под нужный диаметр). Монтажные наборы поставляются отдельно.
Технические характеристики пневмогидравлической клепальной машины RIV511В
|
Тяговое усилие (при 6 бар) |
40 кН |
|
Ход штока |
32 мм |
|
Рабочее давление |
6 бар |
|
Вес маслонагнетательной станции |
28 кг |
|
Вес рукоятки инструмента |
1,4 кг |
|
Вид заклепки |
Обжимная |
Положительные факторы:
-снижение трудоемкости монтажных работ (отсутствие необходимости изготовления, монтажа-демонтажа временных упоров, стяжек, низкая трудоемкость монтажа болт-заклепочного соединения);
-улучшение условий труда (шум, вибрация);
-отсутствие необходимости для проектанта разрабатывать изменения конструкционных узлов корпусных конструкций и корректировать документацию.
Отрицательные факторы:
-необходимость приобретения дорогостоящего дополнительного оборудования и расходных материалов (в настоящее время в основном импортного производства);
-необходимость обучения технологического и рабочего персонала (при приобретении оборудования попадающего под требования Ростехнадзора).
Ремонт заклепочных соединений заменой на соединения биметаллическими полосами
При необходимости замены заклепочного соединения в полном объеме для конструктивно замкнутого участка вариантом вида ремонта становится замена заклепочного соединения на соединение при помощи биметаллической полосы 1561/D40 марки КБМ-1 (ТУ 5.961-11500-2001), разработанной ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» и сертифицированной РМРС, выполняемое сваркой (РД5.УЕИА.3374-2003). Применение данного варианта для участка, размыкающего заклепочное соединение, с соблюдением требований ОСТ 5.1031-86, не представляется возможным.
Возможность применения данного варианта была подтверждена ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» ответом (письмо № 42/05-08/31 от 24.01.2023) на запрос АО «51 ЦКТИС» (письмо № 52А-2/36 от 17.01.2023).
Дополнительно приводится следующая информация в таблице 4.
Таблица 4 Технические показатели биметаллических соединений и примечания
|
Наименование |
Характеристики |
|
Биметалл марки КБМ-1 |
Производство ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» (освидетельствовано РМРС) |
|
Область применения |
Судостроительные корпусные конструкции |
|
Способ изготовления |
Совместная прокатка с однокомпонентным деформированием алюминия |
|
Толщина пакета |
8 – 12 мм |
|
Состав (толщина): -алюминиевый слой -промежуточный слой -стальной слой |
сплав марки 1561 (4 – 7 мм) сплав марки АД1 (0,3 мм) сталь типа D40 (4 – 5 мм) |
|
Конструктивное исполнение |
традиционное (КБМ-1Т) комингсное (с выступающим стальным слоем, КБМ-1К) |
|
Прочность сцепления слоев: -на отрыв -на срез |
≥ 100МПа ≥ 55МПа |
|
Коррозионная стойкость |
На уровне судокорпусных материалов |
|
Одобрение применения |
РМРС, приемка L.R |
Преимущества биметалла в новом, не имеющем аналогов, в том числе комингсном, исполнении позволяет:
-снизить трудоемкость сборочно-сварочных работ на 40 – 60%;
-повысить усталостную прочность стале-алюминиевых узлов на 15 – 20%;
-использовать способы сварки в среде СО2 взамен Ar;
-обеспечить коррозионную стойкость сварных стале-алюминиевых соединений.
Рисунок 8. Биметаллические полосы «алюминий-сталь» марки КБМ-1
ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» разработало технологию сварки стале-алюминиевых соединений с применением биметалла марки КБМ-1 (рис. 8) и выпустило необходимую нормативно-техническую документацию (РД5.УЕИА.3374-2003 «Сварка в защитных газах корпусных конструкций из стали и алюминиевых сплавов с применением биметаллических полос марки КБМ-1. Основные положения»).
Варианты соединения алюминиевой стенки с алюминиевым слоем биметалла: I-стыковое, II-нахлесточное, III-тавровое (см. Рисунок 9):
Рисунок 9. Варианты соединения алюминиевой стенки с алюминиевым слоем биметалла: : I-стыковое, II-нахлесточное, III-тавровое
Положительные факторы:
-снижение трудоемкости по полному комплексу работ (биметаллическая полоса сама по себе готовая сборка вместо заклепочного узла сборки, формируемого в условиях заказа);
-улучшение условий труда (шум, вибрация);
-наличие необходимого технологического оборудования, подготовленного технологического и рабочего персонала (на СРЗ уже имеются необходимые сварочное оборудование и квалифицированный персонал).
Отрицательные факторы:
-необходимость для проектанта разрабатывать варианты изменения конструкционных узлов корпусных конструкций и корректировать документацию;
-высокая стоимость биметалла марки КБМ-1.
Ремонт соединений с использованием биметаллических полос
Соединения с использованием биметаллических полос в виде пакета Х18Н10Т – АМг6 (ТУ 1-9-1021-2008; И 74-0102-50-85) и биметалла марки КБМ-1 в виде пакета D40 – 1561 (ТУ 5.961-11500-2001; РД5.УЕИА. 3374-2003) ремонтируются с применением тех же биметаллических полос. В данном случае, вопрос заключается в выборе варианта биметаллической полосы. Немаловажное значение имеет наличие сертификата РМРС, если этот элемент во главе угла – выбор очевиден (см. Таблица 5):
Таблица 5 Сравнительные технические и эксплуатационные показатели
Заключение
Нормативный документ (стандарт, руководящий документ), регламентирующий основные положения технологии (типовые технологические процессы), в том числе допускающий замену ударных заклепочных соединений на безударные болт-заклепочные, на применение биметаллических материалов и их видов для ремонта (устранения дефектов, возникших в результате длительной эксплуатации) заклепочных соединений и соединений при помощи биметаллических полос судовых корпусных конструкций из алюминиевых сплавов со сталью, видов дефектов и допустимых норм износа на настоящий момент времени отсутствует, поэтому решение об использовании вышеуказанных вариантов на настоящее время остается за проектантом.
Единого решения для всех вариантов ремонта нет, для каждого конкретного случая следует учитывать обеспечение приоритетных технических и эксплуатационных характеристик.
Приложение 2 ОСТ 5.1031-86, учитывает только способы устранения дефектов, возникающих при формировании заклепочного соединения.
Сроки плановых ремонтов большого количества новых кораблей, катеров и вспомогательных судов ВМФ, которые появились в дополнение находящимся в срою, со стальными корпусами, которые соединяются с корпусными конструкциями из алюминиевых сплавов при помощи биметаллических соединений различных видов, наступят уже в ближайшем будущем. В связи с этим на ремонтных предприятиях уже сейчас необходима специальная подготовка.
С учетом изложенного, назрела необходимость:
1. Совместно (проектантам и ремонтникам) обобщить опыт эксплуатации кораблей, катеров и вспомогательных судов ВМФ со стальными корпусами, которые соединяются с корпусными конструкциями из алюминиевых сплавов при помощи биметаллических соединений различных видов для выявления типовых дефектов и причин их возникновения с привязкой к видам соединений и их функциональному назначению для разработки мероприятий по их устранению.
2. Разработать методы дефектации (в т.ч. определения видов дефектов и их допускаемые величины), ремонта заклепочных соединений судовых корпусных конструкций из алюминиевых сплавов со сталью с применением новых технологического оборудования, технологий (замена ударного метода, механизация как выполнения клепанного соединения, так и демонтажа заклепок дефектного клепанного соединения в условиях заказа и т.д.) и новых материалов, в том числе методом замены на сварные соединения, которые обеспечат необходимые эксплуатационные характеристики и снижение совокупных затрат на ремонт.
3. Разработать нормативный(ные) документ(ы) (стандарт, руководящий документ), регламентирующий основные положения технологии (типовые технологические процессы) ремонта (устранения дефектов, возникших в результате длительной эксплуатации) биметаллических соединений судовых корпусных конструкций из алюминиевых сплавов со сталью, учитывающего результаты по п.п. 1, 2.
ЛИТЕРАТУРА:
[1] ОСТ 5.1031-86 «Соединения заклепочные конструкций из алюминиевых сплавов. Классификация, нормы и технические требования»;
[2] ОСТ 1 30040-83 «Соединения болт-заклепочные»;
[3] ТУ 5.961-11500-2001 «Полосы биметаллические КБМ-1»;
[4] РД5.УЕИА.3374-2003 «Сварка в защитных газах корпусных конструкций из стали и алюминиевых сплавов с применением биметаллических полос марки КБМ-1. Основные положения»;
[5] ТУ 1-9-1021-2008 «Листы биметаллические. Алюминиевый сплав АМг6 – сталь 12Х18Н10Т общего назначения. Технические условия»;
[6] И 74-0102-50-85 «Изготовление судовых корпусных конструкций из алюминиевых сплавов и стали с применением биметаллических вставок».