ВведениеВалопровод является одним из ответственных элементов судовой энергетической установки, отказ которого в процессе эксплуатации может привести к серьезным экономическим потерям. Согласно данным Российского морского регистра судоходства, в 2020 г. общее число транспортных, обеспечивающих, рыбопромысловых и научно-исследовательских судов под флагом России составляло более 3 500 единиц. На классификационном учете Российского речного регистра состоит более 24 000 судов, существенная часть которых оснащена судовым валопроводом. Одной из задач современного судостроения является повышение надежности эксплуатации судовых энергетических комплексов. Решение задачи подразумевает совершенствование существующих конструкций валопроводов и разработку новых конструктивных исполнений. Анализ статистических данных и результатов публикаций последних лет, в том числе в зарубежных журналах, необходим для определения направлений исследований и методов повышения эксплуатационной надежности валопроводов. Определенную сложность представляют собой задачи сбора, систематизации и анализа статистических данных о поломках и повреждениях валопроводов, сведения о которых относятся к разным периодам времени, эксплуатации, типам судов и содержатся в различных источниках. В большинстве статистических данных указано о наличии трещин гребных валов, но не приведены сведения о причинах и местах их образования [1]. В настоящей работе представлена систематизация современных статистических данных о повреждениях и отказах элементов судовых валопроводов, собранных на основе дефектно-технологических ведомостей астраханских судоремонтных заводов и информации из других источников.  Анализ аварийности на судахАктуальные статистические данные о поломках судов и их элементов, а также о поломках судовых валопроводов на судах с классом РРР в период с 2010 по 2019 г., предоставленные ФАУ «Российский речной регистр», содержат сведения о 838 случаях повреждений судов и их элементов, из которых 114 – повреждения судовых валопроводов [2]. Повреждения судовых валопроводов ежегодно составляют в среднем 13 % от общего числа повреждений судов (рис. 1).   Рис. 1. Статистические данные о повреждениях валопроводов  Анализ аварийности на судах класса Российского морского регистра судоходства свидетельствует, что отказы валопроводов составляют 18 % от общего числа аварий пропульсивного комплекса судна, а количество аварий пропульсивного комплекса судна может достигать 10 % от общего числа аварийных случаев на судах [3]. Статистические данные об аварийных случаях, приводящих к потере хода и управляемости судна, связаны в основном с отказами элементов пропульсивного комплекса [4]. Распределение подвидов представлено в виде диаграммы на рис. 2.   Рулевое устройство (12,00 %)Главный двигатель (56,00 %)Гребной винт (12,00 %)Редуктор (3,00 %)Валопровод (18,00 %)   Рис. 2. Распределение подвидов отказов пропульсивного комплекса судна Повреждения гребных валов и дейдвудных устройствАнализ статистических данных о повреждениях судовых валопроводов подтвердил, что преобладающими являются дефекты гребных валов и дейдвудных устройств. Большая часть разрушений гребных валов происходит в районе большого диаметра основания конуса [5], а основными причинами повреждений являются усталостная коррозия и трещины [6, 7]. В некоторых случаях развитие трещин сопровождалось развитием коррозионных язв глубиной до 7 мм. В работе [8] приведены результаты выбраковки гребных валов в эксплуатации: 66 % гребных валов имели трещины в районе носового конца кормовой облицовки, 13 % – у кормового конца носовой облицовки. Трещина на конусе гребного вала была зафиксирована в одном случае.Установление мест возникновения и характера трещин гребных валов позволяет косвенно установить характер и величину разрушающих нагрузок, а также реальные запасы прочности. В работе [9] приведена общая классификация трещин при разрушении валов по их расположению: под углом 45° к оси вала, вдоль оси вала и поперек оси вала. Помимо этого, определены варианты характерного расположения трещин и изломов согласно результатам исследований причин поломок гребных валов:1. Трещины проходят под углом около 45°. Причины разрушения – ударные или вибрационные нагрузки при кручении. Сложная винтовая поверхность излома вала соответствует максимальным касательным напряжениям при его кручении; 2. Трещины расположены под углом около 90° к оси вала с ясно выраженной зоной долома. Причины разрушения – вибрации и ударные нагрузки гребного вала при его изгибе. В большей части случаев в плоскости поперечных разрушений имелись концентраторы напряжений: стыки, галтели, раковины и поры;3. Трещины расположены под углом около 25° к оси вала. Поломки такого рода сопровождались утерей части гребного вала с винтом. Причины разрушения – низкие механические свойства материала вала и производственные дефекты при поверхностной наплавке.Статистические данные о повреждениях гребных валов позволяют привести общую классификацию расположения трещин гребных валов в порядке частоты их возникновения: непосредственно в теле вала, в шпоночном пазе и у отверстий для крепления шпонки, в месте перехода вала из конуса в цилиндр кормовой оконечности, в облицовках, у носовых и кормовых кромок облицовок, в сварных швах и околошовных зонах облицовок. В качестве основной причины возникновения повреждений гребных валов указаны усталостные и коррозионно-усталостные процессы [1]. В случаях разрушений гребных валов среднетоннажных судов проектов 507, 1565, 05074М основной причиной образования трещин стала наплавка, которая производилась вместо ранее насаженных облицовок [10]. При этом места разрушений вала различались: в средней части вне зоны наплавки, в районе носовой бронзовой облицовки, в зоне наплавки, у кормового торца кормовой облицовки и в зоне кормовой шейки. Анализ более 450 дефектно-технологических ведомостей астраханских судоремонтных заводов за период с 2010 по 2020 г. позволяет установить причины отказов судового валопровода, приведших к аварийному ремонту (табл. 1), и наиболее распространенные дефекты, выявленные в ходе планового докового ремонта судов (табл. 2).Таблица 1Дефекты при аварийном ремонте валопроводовХарактер дефектаДоля от общего числа аварий, %Гребные валыВолнообразная выработка на носовой шейке в районе дейдвудного сальникаглубиной более 3,5 мм20Кольцевые риски на кормовой шейке глубиной более 4 мм20Кольцевые риски в районе дейдвудных подшипников глубиной более 2,5 мм20Трещина в кормовой рабочей шейке со стороны гребного винта15Превышение допускаемого радиального биения на кормовых шейках при проверке в центрах12Трещины на цевье в районе носовой облицовки8Слом основного металла вала по диагонали5Трещины основного металла под вскрытой облицовкой5Трещина/отрыв кронштейна гребного вала3Окончание табл. 1Характер дефектаДоля от общего числа аварий, %Дейдвудные устройстваИзнос носового уплотнения20Износ кормового уплотнения15Повреждение внутренней поверхности подшипников: вырыв, отслоение, растрескивание и расплавление антифрикционного материала10Таблица 2Дефекты валопроводов при доковом ремонте судовХарактер дефектаДоля от общего числа повреждений, %Гребные валыНеглубокие кольцевые риски на шейках вала80Выработка кормовой и носовой шеек в районе сальников45Износ носовой шейки в районе сальника40Износ рабочих шеек (бронза)40Повреждение изоляции со стороны кормовой облицовки25Местные поры на кормовой шейке гребного вала12Отслоение наплавленного металла шейки под сальниковое уплотнение12Язвы по диаметру вала вблизи конуса гребного винта12Волнообразная выработка в районе работы сальниковой набивки10Глубокие кольцевые риски облицовок (бронза)10Круговые паутинообразные трещины в районе торцов облицовок10Язвы и коррозия носовой шейки10Вырывы металла на рабочих шейках8Дейдвудные устройстваКольцевые риски и резьбообразная выработка рабочей поверхности подшипников60Отслоение резины от основания втулки50Достижение предельно допустимого зазора в кормовом подшипнике40Износ и вырывы резины сегментов кронштейнового подшипника25Оплавление кормового подшипника с кормового торца (капролон)25Множественное подплавление подшипников25Отслоение рабочей поверхности подшипника (капролон)20Износ кронштейновой цельной резинометаллической втулки15Растрескивание и вырывы резины носовой дейдвудной втулки15Достижение предельно допустимого зазора в носовом подшипнике12Задиры и износ кормового подшипника (бронза) при носовом подшипнике, допущенном к эксплуатации10Смещение сегмента резинометаллического кормового подшипника в результате поломки крепежных болтов5 В части случаев обнаружения дефектов одновременно зафиксированы существенное превышение зазора в кормовых втулках и повреждения внутренней поверхности дейдвудных подшипников: расслоение и повреждение антифрикционного слоя, износ и отрыв нижних планок. Носовые втулки выходят из рабочего состояния в меньшем количестве случаев, менее 25 %. При этом наработка дейдвудных подшипников до обнаружения повреждений составила от 11 000 до 60 000 ч, а средняя наработка подшипников в 30 случаях составила менее 25 000 ч. Следует также отметить, что диаметр гребных валов влияет не только на характер и размер дефектов, но и на частоту их проявления. Большая часть из рассмотренных в работе случаев повреждений относится к валам диаметром до 400 мм. Наиболее подвержены к образованию трещин в облицовках валы диаметром от 100 до 200 мм, а трещины в теле вала наиболее характерны для валов диаметром от 200 до 400 мм. Характеристики прочих дефектов и частота их проявлений приведены в табл. 3.Таблица 3Наиболее распространенные дефекты гребных валов различного диаметраДиаметр гребного вала, ммХарактер дефекта и размерЧастота проявления от общего числа дефектов, %≤ 100Нарушение антикоррозионного покрытия, коррозионные разъедания между кормовой шейкой и конусом75Коррозия шеек, носовых и кормовых шпоночных пазов50Круговая выработка шейки сальника глубиной 0,5 мм40Окончание табл. 3Диаметр гребного вала, ммХарактер дефекта и размерЧастота проявления от общего числа дефектов, %≤ 100Коррозионные язвы цевья глубиной до 1,5 мм25Смятие и износ носовой и кормовой резьбы, гайки полумуфты15Коррозионные язвы на большем диаметре кормового конуса глубиной до 0,9 мм10Конусность кормовой шейки (кронштейновой – до 0,2 мм, сальниковой – до 0,4 мм)10Конусность носовой шейки до 0,11 мм10100–200Нарушение антикоррозийного покрытия цевья40Коррозионные язвы кормовой  и носовой шейки глубиной до 1 мм30Круговые риски кормовой шейки глубиной до 0,3 мм30Радиальное биение кормовой шейки до 0,6 мм20Радиальное биение носовой шейки до 0,35 мм15Выработка шейки сальника глубиной до 0,5 мм10200–400Отслоение изоляции25Язвы обтекателя до 1 мм20Износ предвинтового уплотнения20Круговые риски кормовых и носовых шеек шириной до 40 мм, глубиной до 1,3 мм, задиры глубиной до 0,6 мм15Круговые борозды кормовых и носовых шеек шириной до 5 мм, глубиной до 0,3 мм15 Сведения о повреждениях валов диаметром более 400 мм [1] позволяют сделать вывод об увеличении количества повреждений валов диаметром от 400 до 600 мм. С дальнейшим увеличением диаметра вала повреждаемость падает. Анализ статистики повреждений проиллюстрировал, что из всех случаев выявления дефектов в 5 % случаев гребные валы ремонту не подлежат. При обнаружении трещин на поверхности вала 62 % валов было заменено, 38 % валов – подверглись операциям ремонта. При трещинах в облицовке вала большая часть (около 70 %) была отремонтирована.  ЗаключениеПриведенные данные анализа повреждений и аварийных случаев не могут быть исчерпывающими, поскольку их количество увеличивается регулярно. Однако упомянутые случаи позволяют говорить об общих причинах отказов валопроводов на большинстве судов: превышение часов наработки, неточности проектирования, нарушения технологий изготовления, ремонта, сборки и монтажа, коррозионно-усталостные процессы и длительная эксплуатация, связанная с циклическими нагрузками, имеющими стохастический характер. На основе проведенного исследования предлагается несколько направлений мероприятий для уменьшения количества аварий валопроводов:– совершенствование методов проектирования;– разработка методик и создание программно-аппаратных комплексов для мониторинга фактического состояния и прогнозирования отказов;– развитие теории комбинированного анализа отказов.Наиболее перспективные направления для уже разработанных конструкций валопроводов в эксплуатации:– разработка универсальных материалов подшипников скольжения;– внедрение технических решений по защите дейдвудных устройств от коррозии и абразивного износа;– модернизация конструкции и подбор материалов уплотнений гребных валов.Проведение исследовательских и опытно-конструкторских работ по вышеперечисленным направлениям с учетом опыта эксплуатации судовых валопроводов позволит повысить надежность эксплуатируемых и вновь проектируемых судовых энергетических комплексов.