Эксплуатационная надёжность металлоконструкций портальных кранов с коррозионными повреждениями

Актуальность исследования. В настоящее время сложилась ситуация, когда большая часть портальных кранов, работающих в портах РФ, эксплуатируется за пределами нормативных сроков службы. В связи с этим исследование возможности продления сроков службы представляется весьма актуальным. Одним из путей продления срока службы перегрузочных машин является прогнозирование остаточного ресурса при заданном уровне надёжности. Как показывает опыт эксплуатации портовых перегрузочных машин, одним из наиболее часто встречающихся дефектов являются коррозионные повреждения элементов металлоконструкций. Однако до настоящего времени этой проблеме уделялось недостаточное внимание, следствием чего является отсутствие обоснованных нормативов на величину допустимости коррозионных повреждений. Таким образом, задача изучения динамики развития различных видов коррозионных дефектов, их влияние на надёжность элементов металлоконструкции, является одной из ключевых задач при оценке остаточного ресурса. Эта задача может быть решена путем создания адекватных моделей поведения дефектов и повреждённых элементов металлоконструкций.

В процессе решения поставленных задач в работе выполнен комплекс исследований глубины коррозии, возникающей в различных элементах металлоконструкции в процессе эксплуатации, получены зависимости величины коррозии от наработки машины, разработана модель развития коррозионного повреждения, выполнена расчётная оценка нагруженности с применением МКЭ наиболее подверженных коррозии участков металлоконструкции, проведены расчёты надёжности повреждённых элементов по условиям прочности и устойчивости. Проведенные исследования позволили разработать методику оценки степени допустимости коррозионных повреждений, которая служит научной базой при решении вопросов оценки остаточного ресурса металлоконструкций портальных кранов.

Цель диссертационного исследования — разработка методики оценки эксплуатационной надёжности элементов, имеющих коррозионные повреждения, базирующаяся на закономерностях динамики развития и степени влияния основных видов коррозионных дефектов на надёжность крановых металлоконструкций по основным критериям работоспособности, и оценке напряжённо-деформированного состояния конструкций методом конечных элементов.

Объектом исследования являются основные несущие элементы металлоконструкций портальных кранов, лимитирующие работоспособность и ресурс крана в целом.

Предметом исследования является напряжённо-деформированное состояние и эксплуатационная надёжность несущих элементов, имеющих эксплуатационные коррозионные повреждения, а также закономерности, связывающие надёжность с напряжённо-деформированным состоянием конструкции.

Напряжённо-деформированное состояние конструкции исследовалось с применением метода конечных элементов (МКЭ). Параметры случайного закона распределения глубины коррозии и скорости её развития определялись методами математической статистики. Воспроизведение случайных величин глубины коррозии и приложенных нагрузок выполнялось методом статистических испытаний «Монте-Карло».

Автор видит научную новизну исследования в следующих достижениях, выносимых на защиту:

1. разработана методика оценки эксплуатационной надёжности элементов, имеющих коррозионные повреждения, основанная на оценке напряжённо-деформированного состояния элементов металлоконструкции и статистических данных по оценке скорости развития коррозионных повреждений;

2. определён характер закона распределения глубины коррозии и его параметры для основных силовых элементов металлоконструкций портальных кранов, показывающий, что распределение глубины коррозии соответствует логарифмически нормальному закону;

3. определён характер зависимости глубины коррозии от наработки и её параметры для ряда элементов металлоконструкций, свидетельствующий, что развитие коррозии наиболее адекватно описывается логарифмическим уравнением;

4. созданы и рассчитаны КЭ модели для наиболее подверженных коррозии участков металлоконструкции портальных кранов, позволяющие оценить напряжённо-деформированное состояние в наиболее вероятных местах появления коррозионных дефектов;

5. по результатам расчёта КЭ моделей выполнена оценка нагруженности основных силовых элементов металлоконструкции;

6. выявлено влияние основных параметров коррозионного дефекта на выбор типа расчёта при оценке надёжности металлоконструкций.

7. по результатам проведённых экспериментальных исследований выявлено отсутствие влияния наработки на механические характеристики образцов из стали ВСтЗ.

Достоверность результатов работы. Представленные исследования базируются на статистическом материале, собранном по результатам обследования портальных кранов работающих в различных портах РФ. Всего в расчётах использовано более 700 замеров глубины коррозии для кранов, отработавших в эксплуатации от 20 до 40 лет. Все статистические расчёты выполнялись на основе классических методов математической статистики с использованием современного программного и аппаратного обеспечения. Расчеты надёжности конструкций по различным критериям выполнялись на базе современных исследований в области механики разрушения. Таким образом, достоверность результатов работы обеспечивается применением широко используемых научных достижений. Достоверность расчётов КЭ моделей подтверждается ранее проведёнными МГАВТ’ом исследованиями по сопоставлению эмпирических и расчётных данных. Сопоставление результатов расчётов с опытом эксплуатации перегрузочных машин показывает хорошее соответствие расчётных и эмпирических данных.

Практическая ценность работы, по мнению автора, заключается в следующем:

1. разработана методика расчёта параметров функции зависимости глубины коррозии от наработки;

2. проведен расчёт указанных параметров для наиболее опасных, с точки зрения возникновения коррозии, элементов металлоконструкции и определена скорость коррозии для исследуемых участков, что позволит эксплуатирующим и контролирующим организациям прогнозировать развитие коррозии;

3. разработана методика создания КЭ-моделей для оценки напряжённо-деформированного состояния металлоконструкций с применением программного комплекса АРМ WinMachine, учитывающая характерные особенности редактора моделей и расчётного блока указанного программного комплекса;

4. созданы и рассчитаны КЭ-модели всей совокупности металлоконструкции и её отдельных элементов для портального крана «ГАНЦ» 5/6×30;

5. разработана и реализована математическая модель развития коррозионного дефекта типа «язва», которая позволяет прогнозировать изменение геометрических параметров дефекта вплоть до его критического размера;

6. разработана инженерная методика оценки опасных, с точки зрения возникновения трещин, размеров коррозионного дефекта типа «язва»;

7. разработана инженерная методика оценки эксплуатационной надёжности элементов металлоконструкций с коррозионными повреждениями по условиям прочности и устойчивости;

Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы при разработке РД-24−112−4Р «Руководящий документ по оценке остаточного ресурса портальных кранов», в числе авторов которого есть фамилия автора данной диссертационной работы.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на:

— Семинаре «Обеспечение безопасности подъёмных сооружений» 2003 г., г. Санкт-Петербург;

— Первой научно-практической конференции «Морские и речные порты России (экономика и управление)» 2002 г.;

— Двадцать первой, двадцать второй и двадцать третьей научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГАВТ 1999;2001 г.

— Московских межвузовских научно-технических конференциях студентов и молодых учёных «Подъёмно-транспортная техника» в 1997;2002 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключительной части, изложенных на 159 страницах машинописного текста, включает 41 иллюстрацию, 29 таблиц, библиографический список из 71 источника, а также 2 приложения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ:

1. Разработана методика стохастической оценки эксплуатационной надёжности несущих элементов металлоконструкции, имеющих коррозионные повреждения, основанная на определении допускаемых, с точки зрения зарождения трещины, параметров язвенного коррозионного дефекта, исследовании НДС методом конечных элементов и результатах оценки динамики развития коррозионных повреждений.

2. Выполнен анализ распределения коррозии по элементам металлоконструкции и выявлены наиболее опасные, с этой точки зрения типы кранов и элементы конструкции.

3. Разработана методика оценки динамики развития коррозионного повреждения металлоконструкции. Предложенная методика состоит из двух блоков: первый блок предназначен для определения параметров закона распределения глубины коррозии, на основе контрольных замеров, второй блок позволяет оценить глубину коррозии для заданной наработки крана с заранее заданной вероятностью. С использованием предложенной методики проведены расчёты параметров закона распределения глубины коррозии и параметров зависимости глубины коррозии от наработки для наиболее опасных, с точки зрения коррозионных повреждений, элементов металлоконструкции крана «ГАНЦ» 5/6−30.

4. Разработаны основные принципы создания стержневых КЭ моделей перегрузочных машин с применением программного комплекса АРМ WinMachine. Изложенные подходы к созданию КЭ моделей учитывают характерные особенности программного комплекса АРМ.

WinMachine и позволяют обеспечить максимальную адекватность создаваемых в среде АРМ моделей.

5. На основе разработанной методики создана стержневая КЭ модель всей совокупности металлоконструкций портального крана «ГАНЦ» 5/6−30. Расчёт полученной модели позволил оценить нагруженность некоторых элементов конструкции и получить исходные данные для уточнённого расчёта остальных элементов. Проведена оценка нагруженности наиболее опасных, с точки зрения возникновения коррозии, элементов металлоконструкции с применением МКЭ.

6. Выполненные исследования, по оценке влияния наработки на механические характеристики стали СтЗ, показали отсутствие такого влияния на значения предела прочности, предела текучести, относительного удлинения и относительного сужения, при наработке в эксплуатации 29 лет.

7. Выполненные исследования, по оценке влияния наработки на ударную вязкость стали СтЗ, показали, что при наработке в эксплуатации 29 лет не происходит снижения ударной вязкости исследуемого материала.

8. Выполнены экспериментальные исследования влияния коррозионно-активной среды на скорость роста трещины. В качестве коррозионно-активной среды использовался 3,5% раствор ЫаС1. Проведённые исследования показали, что при заданных условиях влияние среды на скорость роста трещины в пределах точности эксперимента отсутствует.