Оценка и повышение безопасности эксплуатации и особенности определения остаточного ресурса козловых кранов для обслуживания гидроэлектростанций

В настоящее время в России сложилась чрезвычайно сложная ситуация во всех областях промышленности, связанных с использованием грузоподъемных машин. Крановое хозяйство страны стремительно стареет, а возможности для его обновления, к сожалению, у большинства организаций, эксплуатирующих грузоподъемное оборудование, отсутствуют. В частности, по данным Госгортехнадзора, около 95% мостовых кранов в России выработали свой нормативный срок службы, известны случаи работы кранов, изготовленных еще в конце XIX — начале XX веков. В связи с этим остро встал вопрос о возможности дальнейшего использования существующей на сегодняшний день грузоподъемной техники. Очевидно, что многие из грузоподъемных машин, выработавших свой нормативный срок, находятся в работоспособном состоянии. Как следствие, большое значение приобретают задачи повышения безопасности эксплуатации и оценка остаточного ресурса исчерпавшего свой нормативный срок грузоподъемного оборудования.

При строительстве и эксплуатации гидроэлектростанций применяются в основном специальные козловые краны. Они отличаются большим разнообразием конструктивного исполнения, изготавливаются в единичных экземплярах или малыми сериями в зависимости от масс и габаритов технологического оборудования станции, конструктивного исполнения самих сооружений. Все это ставит сложные задачи перед эксплуатирующими организациями. Сложность заключается еще и в том, что в подавляющем большинстве невозможна замена наиболее ответственных кранов для обслуживания машинных залов и водосливных плотин без остановки самой станции на период демонтажно-монтажных работ. Остановка же гидроэлектростанций на такие сроки невозможна из-за условий уже наблюдающегося дефицита электроэнергии в стране. Краны гидроэлектростанций работают в условиях легких групп классификации 1Ач-2А. Однако по степени опасности сложные технические системы классифицируются.

1] по энергонасыщенности. Причем опасность представляет не сама энергия, а ее неуправляемое превращение из одного вида в другой при отказах. Тогда краны такого типа следует относить к самым высоким классам ответственности, поскольку они сами являются энергонасыщенными системами и обслуживают объекты огромной энерговооруженности (особенно краны машинных залов ГЭС). Авария таких кранов может привести к большим экономическим потерям, а отказ кранов водосливных плотин еще и к экологическим происшествиям, связанным с затоплением населенных пунктов и сельскохозяйственных угодий.

На основании изложенного можно сказать, что одной из главных задач эксплуатирующих грузоподъемное оборудование организаций является повышение безопасности козловых кранов и достоверное определение остаточного ресурса кранов с тем, чтобы можно было своевременно планировать модернизацию кранов с целью продления срока службы, или, в крайнем случае, замену при невозможности дальнейшей эксплуатации. Актуальность этой задачи усугубляется еще и тем, что большинство кранов отработало нормативный срок службы (более 30 лет).

Особенно важно выделить краны с высоким классом ответственности, которые оцениваются по энерговооруженности и последствиям от отказов как технические системы [2, 3, 4, 5].

Вопросами оценки и прогнозирования технического состояния крановых и других технических систем и проблемами безопасности эксплуатации занимались следующие ученые — В. В. Болотин, В. И. Брауде, А. В. Вершинский, Е. С. Вентцель, М. М. Гохберг, А. В. Ильичев, В. Г. Жуков,.

A.А.Зарецкий, С. А. Казак, Е. В. Кловач, В. П. Когаев, А. А. Короткий,.

B.С.Котельников, Х. Кумамото, О. В. Леонова, А. С. Липатов, А. М. Маковский, Ю. Г. Матвиенко, В. Е. Прохорович, Н. А. Махутов, А. Н. Орлов, Н. Н. Панасенко, Ю. Н. Работнов, И. А. Рябинин, Н. А. Северцев, Л. Н. Семенов, С. В. Серенсен, В. И. Сероштан, С. А. Соколов, А. А. Тищенко,.

К.В.Фролов, М. Н. Хальфин, И. А. Шестакова, Э. Д. Хендли, С. С. Чичерин, В. И. Ярополов и др.

При большом объеме исследований по оценке риска эксплуатации и определения остаточного ресурса практически нет обоснования степени риска и значения остаточного ресурса козловых кранов легких групп классификации. Сегодня в нашей стране существует несколько методик для определения остаточного ресурса, пять из которых утверждены Госгортех-надзором. Эти методики позволяют адекватно определить остаточный ресурс кранов тяжелых групп классификации, однако в отношении кранов легких групп ни одна из них не в состоянии дать четкую количественную оценку срока, на который возможно продление эксплуатации кранов такого типа. Большинство из существующих методик либо рекомендует для кранов легких групп классификации экспертный метод оценки остаточного ресурса, либо распространяют свое действие лишь на краны тяжелых групп классификации. Это связано, в первую очередь, с отсутствием инженерных расчетов, позволяющих определить развитие повреждений, являющихся критериальными для кранов легких групп. Практически нет исследований по усталостной долговечности металлов, пораженных коррозией, особенно при наличии концентраторов напряжений, что весьма характерно для кранов обслуживающих ГЭС из-за большой влажности, способствующей повышенной скорости коррозии. Важно с точки зрения прогнозирования величины остаточного ресурса определение скорости коррозии, поскольку она является одним из основных критериев отказов металлоконструкции кранов легких групп классификации. Несмотря на большие запасы прочности в металлоконструкции этих кранов, рано или поздно их дальнейшая эксплуатация станет или невозможной или экономически нецелесообразной. В то же время их эксплуатация связана с большим риском, так как последствия аварии такого крана могут отразиться на работоспособности всего предприятия-владельца и повлечь значительные человеческие жертвы, экологические последствия. Поэтому недостатком принятых на сегодняшний день методик оценки остаточного ресурса является отсутствие дифференцированности ресурса крана от степени его ответственности. В связи с этим, целесообразным видится привлечение к оценке остаточного ресурса методов анализа риска дальнейшей эксплуатации кранов, отработавших свой ресурс. При этом изменится сам подход к прогнозированию остаточного ресурса, расчет примет вероятностный характер. Оценка остаточного ресурса кранов легких групп классификации принятыми методиками не до конца учитывает экономические аспекты и степень риска при назначении сроков дальнейшей эксплуатации.

Целью работы является повышение безопасности эксплуатации специальных козловых кранов для обслуживания ГЭС и разработка особенностей определения остаточного ресурса путем количественной оценки риска, скорости коррозии металла и усталостной долговечности корродированного металла.

Методы исследований. В диссертации использовались методы теории вероятности, математической статистики. Методы и положения теории рисков, методы планирования эксперимента. Научная новизна.

1. Получение критериев оценки риска дальнейшей эксплуатации отработавших нормативный срок козловых кранов для обслуживания гидроэлектростанций, учитывающих предложенные классы ответственности по критериям риска и степени экономических потерь.

2. Разработка рекомендаций по определению скорости развития коррозии в металлоконструкции кранов для обслуживания гидроэлектростанций, работающих в условиях повышенной влажности.

3. Определение закона распределения нагрузок козловых кранов ГЭС для обслуживания машинных залов и водосливных плотин.

4. Получение экспериментальных данных по коррозионной долговечности металлоконструкции кранов с учетом концентраторов сварочных напряжений.

Практическая ценность работы заключается в разработке методов оценки безопасности эксплуатации козловых кранов для обслуживания гидроэлектростанций и разработке мероприятий по повышению безопасности их эксплуатации и особенностей расчета остаточного ресурса.

Реализация результатов работы. Предложенная методика оценки повышения безопасности эксплуатации специальных козловых кранов для обслуживания ГЭС внедрена при проведении диагностики козловых кранов ГЭС с истекшим сроком службы и оценки остаточного ресурса в ООО предприятие «Системы технического надзора научно-исследовательском центре экспертизы техники повышенной опасности» г. Саратова и ООО инженерно-консультационный центр «Крансервис» г. Балаково. Кроме того, результаты работы используются в учебном процессе при подготовке студентов специальности 170 900 «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины», а также в практику работы по надзору за безопасной эксплуатацией и содержанием кранов в исправном состоянии на ОАО «Саратовская ГЭС» и филиале концерна «Росэнергоатом» Балаковская АЭС.

Апробация работы. Диссертационная работа и ее отдельные разделы докладывались на: международной научно-технической конференции «Ин-терстроймех — 2001», (Санкт-Петербург, 2001 г.), Всероссийской конференции «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин» (г. Астрахань, 2002 г.), международной конференции по оптимальному проектированию подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин (г. Балаково, 2003 г.), научно-технической конференции «Промышленная безопасность при эксплуатации паровых и водогрейных котлов, сосудов, работающих под давлением и трубопроводов пара и горячей воды» (к 60-летию Котлонадзора России) (Санкт-Петербург, 2003 г.), на Международной научно-технической конференции по оптимальному проектированию подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин (г. Днепродзержинск, Украина, 2003 г.), на 6-ом Всероссийском семинаре-практикуме «Подъемно-транспортная техника, внутризаводской транспорт, склады» (Москва, 2004 г.), на ежегодных научно-технических конференциях Саратовского государственного технического университета, Балаковского института техники, технологии и управления (2000;ь2004 гг., г. Балаково), Всероссийской научно-технической конференции посвященной 100-летию со дня рождения профессора Г. П. Ксюнина (Новочеркасск, 2004 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 5 научных статьях и одном учебном пособии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 122 наименований, трех приложений.

5.6. Выводы по главе.

1. Предварительно остаточный ресурс определяется расчетом «характеристического числа», в случае достижения им предельной величины для паспортной группы классификации крана, необходимо провести расчет наиболее опасных сечений металлоконструкции на усталостную прочность.

2. Далее ресурс уточняется путем анализа данных по имеющейся в металлоконструкции коррозии и скорости ее развития. Результаты сравниваются с предельными величинами для данной группы ответственности. В случае, если фактическая коррозия выше допустимой, необходимо вывести кран из работы для последующего ремонта или списания при экономической нецелесообразности последнего.

3. Затем по величине коррозии делается вывод об опасности развития в металлоконструкции крана коррозионной усталости, при больших значениях коррозии необходимо проверить еще раз металлоконструкцию крана на усталость с учетом снижения предела выносливости вследствие действия коррозии. При коррозии более 10% рекомендуется проведение исследования натурного образца металлоконструкции крана, вырезанного из наиболее подверженного коррозии места, на выносливость.

4. Конечное заключение о возможности или невозможности продления срока эксплуатации крана на определенный срок делается по результатам проведенного вероятностного анализа безопасности на основе концепции «приемлемого риска». Если фактический риск эксплуатации выше величины «приемлемого», необходимо либо уменьшить продлеваемый срок, либо проанализировав вероятность наступления того или иного сценария разрушения, провести ремонт оборудования крана с максимальной вероятностью отказа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационном исследовании решена актуальная научно-исследовательская задача, имеющая важное народно-хозяйственное и социальное значение, заключающаяся в оценке и повышении безопасности эксплуатации и особенностях определения остаточного ресурса козловых кранов для обслуживания гидроэлектростанций.

По результатам выполненных теоретических исследований, анализа статистических и экспериментальных данных получен ряд выводов и практических результатов:

1. Козловые краны для обслуживания ГЭС относятся к сложным техническим системам, отказ которых может привести к значительным экономическим последствиям.

2. Для оценки риска отказов краны для ГЭС введены три группы ответственности, в зависимости от возможного ущерба при отказе.

3. Для каждой группы ответственности разработаны предельные величины коррозионного поражения и износа, при достижении которых кран должен быть выведен из работы для последующего ремонта или списания, в случае, если ремонт крана экономически нецелесообразен.

4. Для реализации концепции «приемлемого риска» предложена зависимость для определения допустимой величины риска эксплуатации крана исходя из экономических показателей.

5. На основе проведенного анализа подъемно-транспортного оборудования Саратовской ГЭС и основных выполняемых им технологических процессов определены наиболее опасные события, наступление которых влияет на безопасность кранового оборудования и станции в целом.

6. Разработаны структурные модели деревьев отказов наступления наиболее опасных событий.

7. На основе анализа отечественных и зарубежных источников собрана база данных по отказам конструктивных элементов.

8. Разработана система коэффициентов для перехода от статистической интенсивности отказа типового конструктивного элемента, к интенсивности отказа конкретного конструктивного элемента при выполнении конкретной технологической операции.

9.Фактическая группа классификации козловых кранов, обслуживающих машинные залы электростанций, составляет А1, а кранов, обслуживающих водосливные плотины, — А2.

10. Наибольшая скорость коррозии имеется в замкнутых пространствах металлоконструкции кранов: опорах, ригелях. Наибольшая коррозия по состоянию на 2002 год составляет около 10%, наибольшая скорость коррозии за предшествующие шесть лет составляет 0,035 мм/год.

11. При определении остаточного ресурса козловых кранов для обслуживания гидроэлектростанций необходимо учитывать величину и скорость коррозии, так как она существенно влияет на несущую способность металла и снижает его усталостные свойства.

12. Для оценки остаточного ресурса кранов ГЭС при коррозии несущих элементов металлоконструкции свыше 10% необходима экспериментальная проверка коррозионной усталости. Для этого должен быть вырезан натурный образец из несущего элемента металлоконструкции, наиболее пораженного коррозией, так как уже при 10% коррозии усталостная долговечность при условии сборки элементов с применением сварки снижается на 21,6%.

13. Назначены величины коэффициентов текущего состояния элементов крана, необходимые при проведении вероятностного анализа безопасности эксплуатации с применением методов построения дерева событий и дерева отказов.

14. Разработан алгоритм определения остаточного ресурса кранов ГЭС с учетом коррозии, коррозионной усталости и результатов вероятностного анализа безопасности эксплуатации крана.

15. Предложен комплекс предварительных мероприятий, необходимых для достоверного прогнозирования остаточного ресурса козловых кранов для обслуживания гидроэлектростанций.