Эксплуатационная надёжность металлоконструкций портальных кранов с коррозионными повреждениями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.19, кандидат технических наук Ганшкевич, Алексей Юрьевич

• Ганшкевич, Алексей Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ганшкевич, Алексей Юрьевич

Введение.

1. Анализ публикаций по развитию коррозии металлоконструкций портальных кранов.

1.1. Виды коррозионных повреждений.

1.2. Обзор публикаций по влиянию коррозии на работоспособность крановых металлоконструкций.

1.3. Основные коррозионные дефекты металлоконструкций портальных кранов.

1.4. Обзор нормативных документов по вопросам продления эксплуатации и оценки остаточного ресурса.

1.5. Выводы по главе 1.

2. Анализ коррозионного состояния металлоконструкций портальных кранов.

2.1. Обобщение результатов экспертизы промышленной безопасности технического состояния металлоконструкций портальных кранов.

2.2. Оценка вида и параметров закона распределения глубины коррозионных дефектов.

2.3. Оценка вида и параметров закона развития коррозионного дефекта во времени.

2.4. Выводы по главе 2.

3. Оценка напряжённо-деформированного состояния элементов металлоконструкции портальных кранов имеющих коррозионные повреждения.

3.1. Основные положения.

3.2. Стержневая конечноэлементная модель портального крана «ГАНЦ» 5/6x30 и результаты её расчёта.

3.3. Обол очечные КЭ модели несущих элементов портального крана «ГАНЦ» 5/6x30.

3.4. Выводы по главе 3.

4. Математическая модель развития язвенного коррозионного дефекта в металлоконструкциях портальных кранов.

4.1. Общие положения.

4.2. Основные стадии развития язвенного дефекта.

4.3. Исследование математической модели развития дефекта.

4.4. Выводы по главе 4.

5. Экспериментальные исследования влияния наработки и коррозионной среды на механические характеристики материалов крановых металлоконструкций.

5.1. Краткие сведения об основных механических характеристиках материала металлоконструкций.

5.2. Исследование влияния наработки на основные механические характеристики материала крановых металлоконструкций.

5.2.1. Методика испытания образцов.

5.2.2. Проведение испытаний.И

5.2.3. Результаты испытаний и их анализ.

5.3. Экспериментальное исследование влияния коррозионной среды на скорость роста трещин в материалах крановых металлоконструкций.

5.3.1. Методика проведения эксперимента.

5.3.2. Результаты испытаний.

5.3.3. Общие закономерности роста трещин.

5.4. Выводы по главе 5.

6. Вероятностная модель оценки надёжности элементов металлоконструкций портальных кранов, имеющих коррозионные повреждения.

6.1. Общие положения.

6.2. Оценка вероятности безотказной работы металлоконструкции в зависимости от глубины коррозии.

6.2.1. Расчёт некоторых элементов конструкции, работающих на растяжение.

6.2.2. Расчёт некоторых элементов конструкции, работающих на (0 сжатие.

6.3. Прогнозирование наработки на отказ с предварительно заданной вероятностью.

6.3.1. Общие положения.

6.3.2. Определение наработки на отказ некоторых элементов конструкции.

6.4. Выводы по главе 6.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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» 5/6x30;

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.

Заключение диссертации по теме «Эксплуатация водного транспорта, судовождение», Ганшкевич, Алексей Юрьевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ганшкевич, Алексей Юрьевич, 2004 год

1. Андрейкив А.Е. Пространственные задачи теории трещин. Киев: Наукова думка, 1982. 348 с.

2. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984,231 с.

3. Венцель Е.С. «Теория вероятностей» М. Наука, 1964г., 576с.

4. Восиковски О. Рост усталостной трещины в трубопроводной стали Х65 при испытаниях с низкой частотой циклов в соленой и пресной воде. Теор. основы инженерных расчетов. №4. 1975. 97 с.

5. Ганшкевич А.Ю. «Разработка математической модели язвенного коррозионного дефекта»// тезисы докладов Московской межвузовской студенческой научно-технической конференции «Подъёмно-транспортная техника», М., МИИТ, 1999, с. 15-16.

6. Ганшкевич А.Ю. «Математическое моделирование процесса развития коррозионного дефекта типа «язва»»// сборник научных трудов «Повышение эффективности работы технических средств портов», М., «РостКонсульт», 2000, с. 85-93.

7. Георгиев М.Н., Никифорчин Г.Н. О механизме влияния водорода на развитие усталостной трещины. ФХММ, №6, 1989.

8. ГОСТ 11.009-79. ПС. «Правила определения оценок и доверительных границ для параметров логарифмически нормального распределения».

9. Н.Григорьев Н.И. Нагрузки кранов. М.: Машиностроение 1964 г.15.3амрий A.A. «Проектирование и расчёт методом конечных элементов трёхмерных конструкций в среде АРМ Structure3D», М., издательство АПМ, 2004г, 208с.

10. Карпенко Г.В. Прочность стали в коррозионной среде. М.: Машгиз, 1963

11. Карпенко Г.В. К теории усталостного разрушения металлов в коррозионных средах. Львов, 1964.

12. Ковчик С.Е., Панасюк В.В. Методы оценки трещиностойкости конструкционных материалов. Киев: Наукова думка, 1977.

13. Коррозионная усталость металлов. Труды I советско-английского семинара. Под ред. Колотыркина Я.Р. Киев: Наукова Думка. 1982. 371 с.

14. Коррозионное растрескивание металлов и сплавов. Отечественная и зарубежная литература за 1972-1976 гг. Сост. Миронова К.И., М.: Машиностроение, 1981.

15. Круль К. «Оценка работоспособности строительных машин с дефектами», диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук, М., 1999г.

16. Курсовое проектирование грузоподъёмных машин. Учебное пособие под ред. С.А. Казака, М.: Высшая школа, 1989 г. 319 с.

17. Ленец Ю.Н. Прогнозирование циклической трещиностойкости и оптимизация структуры конструкционных сталей на основе концепции закрытия трещин: Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук. Киев. 1987. 18 с.

18. Леонова О.В., Ганшкевич А.Ю. «Оценка вероятности безотказной работы элементов металлоконструкций, имеющих коррозионные повреждения»// сборник научных трудов «Повышение эффективности работы технических средств портов», М., МГАВТ, 2002, с. 85-93.

19. Леонова O.B, Ганшкевич А.Ю. «Оценка степени допустимости коррозионных повреждений металлоконструкций портальных кранов»// «Подъёмно-транспортное дело» №1-2 2002, М., с. 4-7.

20. Леонова О.В., Ганшкевич А.Ю. «Эксплуатационная надёжность металлоконструкций портальных кранов, имеющих коррозионные повреждения»// тезисы докладов семинара «Обеспечение безопасности подъёмных сооружений», СПб., 2003, с. 67-68.

21. Леонова О.В, Ганшкевич А.Ю. «Оценка степени допустимости коррозионных повреждений металлоконструкций портальных кранов»// «Безопасность труда в промышленности» №2 2004, М., с. 47.

22. Механика разрушения. Быстрое разрушение, остановка трещин. Сборник статей. Пер. с англ. Гольдштейна P.B. М.: Мир, 1981, 256 с.29.«Металлические конструкции». Под общей редакцией Беленя Е.И., М. Стройиздат, 1985г., 560с.

23. Михайлов Б.Н., Селектор С.Л. и др. Химическое сопротивление материалов и защита от коррозии; Учебное пособие.— Иркутск: Издательство Иркутского университета, 1997, 176 с.

24. Общетехнический справочник. Под ред. Скороходова Е.А. М.: Машиностроение, 1982,418 с.

25. Овчинникова Г.Н. Расчет сложных стержневых конструкций с учетом кинетики развития распределенных и локальных коррозионных повреждений. Автореферат диссертации на соискание ученой степени КТН. Волгоград. 1996. 18с.

26. Панасюк В.В. Механика разрушения и прочность материалов, т. 1-4., справочное пособие, 1988-1990.

27. Панасюк В.В, Ратыч Л.В., Дмытрах И.Н. О некоторых задачах исследования циклической трещиностойкости материалов в жидких средах. ФХММ. 1982. №6.

28. Панасюк В.В, Ратыч Л.В., Дмытрах И.Н. Определение циклической трещиностойкости конструкционных материалов в коррозионной среде. Доклад АН СССР. 1983. 269 с.

29. Панасюк В.В, Ратыч Л.В., Дмытрах И.Н. Циклическая трещиностойкость металлов в коррозионных средах. 1984. №3. — 79 с.

30. Поведение стали при циклических нагрузках; пер. с нем. Под ред. Даля. М.: Машиностроение. 1983.

31. Похмурский В.И. Исследование влияния реакции воды номинальных параметров на скорость роста усталостных трещин в стали 15Х2НМФХА. ФХММ, №2, 1985.

32. Проект методических указаний по определению остаточного ресурса металлических конструкций грузоподъёмных кранов. СПб., 1998г.

33. Прочность сварных соединений при переменных нагрузках. Под ред. Труфякова В.И. Киев: Наукова думка, 1990,255 с.

34. Пустовой В.Н. Диагностирование металлоконструкций портовых перегрузочных машин. М.: Транспорт, 1987, 175 с.

35. Пустовой В.Н. Коррозионно-циклическая трещиностойкость сталей и сварных соединений металлоконструкций грузоподъёмных машин. ФХММ, №2, 1991.

36. Пустовой В.Н. Металлоконструкции грузоподъёмных машин. Разрушение и прогнозирование остаточного ресурса. М.: Транспорт, 1992, 256 с.

37. РД 10-112-4-98. Методические указания по проведению обследования портальных кранов с целью определения возможности их дальнейшей эксплуатации. М. СПб., ВНИИПТМаш. 1998. 83 с.

38. РД 10-112-95 «Методические указания по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, поднадзорных Госгортехнадзору России»

39. РД 10-112-96 «Методические указания по обследованию грузоподъёмных машин с истекшим сроком службы. Общие положения»

40. РД 10-112-3-97 «Методические указания по обследованию грузоподъёмных машин с истекшим сроком службы. Часть 3. Башенные, стреловые несамоходные и мачтовые краны, краны манипуляторы»

41. Романив О.Н., Никифорчин Г.Н. Механика коррозионного разрушения конструкционных сплавов. М.: Металлургия. 1986. 294 с.

42. Роль остаточных напряжений и деформированного упрочнения в изменении коррозионно-циклической трещиностойкости корпусныхсталей// О.Н. Романив, Г.Н. Никифорчин, A.B. Вольдемаров, В.Е. Литвинов// ФХММ. 1986. №4

43. Романив О.Н., Никифорчин Г.Н., Вольдемаров A.B. Коррозионно-циклическая трещиностойкость: закономерности формирования порогов и ресурсные возможности различных конструкционных сплавов. ФХММ. 1985. № 3.

44. Романив О.Н. О закономерностях роста трещин при коррозионной усталости сталей. ФХММ. 1985. №3.

45. РТМ 23.2.34-85. «Методы оценки и обеспечения показателей надёжности металлоконструкций сельскохозяйственных машин по основным показателям надёжности».55.РТМ 24.090.52-85.

46. Ряхин В.А., Злочевский А.Б., Лифшиц В.Л., «Сварные металлические конструкции строительных и дорожных машин». Учебное пособие МИСИМ., 1994г., 103с.

47. Серенсен C.B., Когаев В.П., Шнейдерович P.M. Несущая способность и расчёты деталей машин на прочность. М., 1975.

48. Сиратори М., Миёси Т., Мацусита X. Вычислительная механика разрушения. Москва: Мир, 1986. 334 с.

49. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский Н.В. «Курс теории вероятностей и математической статистики. Для технических приложений», М., Наука, 1965г., 511 с.

50. Справочник по кранам. Под ред. Гохберга М.М. 1 и 2 т.

51. Степнов М.Н. «Статистическая обработка результатов механических испытаний» М. Машиностроение, 1972г., 232 с.

52. Степнов М.Н. «Статистические методы обработки результатов механических испытаний» Справочник, М. Машиностроение, 1985г., 231 с.

53. Соколов Ю.Ф. «Оценка эксплуатационной надёжности портальных кранов», диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук, М., 2002г

54. СТО 24.09-5821-01-93 «Краны грузоподъёмные промышленного назначения. Нормы и методы расчёта элементов стальных конструкций». Издание В НИШ 11 МАШ, 1993 г.

55. Фрактография и атлас фрактограмм: Справочник/Под ред. M.JI. Бернпггейна. Москва.: Металлургия, 1982. 489 с.

56. Хечумов P.A., Кепплер X., Прокопьев В.И., «Применение метода конечных элементов к расчёту конструкций», издательство Ассоциации строительных ВУЗов, 1994, 353с.

57. Цыбанев Г.В. «Энергетическая трактовка результатов усталостных испытаний и исследование её для определения стадии зарождения трещины» // Проблемы прочности, 1994, №2, с. 19-16.

58. Эрдоган Ф., Кобаяси А., Атлури С. и др. «Вычислительные методы в механике разрушения», М., Мир, 1990, 392с.

59. Paris P., Erdogan F. "A critical analysis of crack propagation laws" // Jornal of basic engineering, Trans. ASME, 1963, №85, p. 528-534.