Расчетные методы определения остаточного ресурса несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов

УДК 621.873.2 ББК 39.922.215.4:30.4

А. В. Синельщиков, В. Н. Дроздов

РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА НЕСУЩИХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ГРУЗОПОДЬЕМНЫХ КРАНОВ

A. V. Sinelshchikov, V. N. Drozdov

CALCULATION METHODS FOR DETERMINING THE RESIDUAL LIFE OF BEARING STEEL STRUCTURES OF CRANES

Обоснована актуальность и изложена постановка задачи по исследованию существующих расчетных методик определения остаточного ресурса с целью сравнения их вычислительной сложности, чувствительности к полноте и достоверности исходных данных и получаемых результатов. Рассмотрено несколько действующих методик определения остаточного ресурса. Приведены критерии определения предельных состояний грузоподъемных кранов.

Ключевые слова: грузоподъемный кран, ресурс, надежность, работоспособность, расчетные методы.

The urgency is substantiated and the formulation of the problems of the existing calculation methods for determining the residual life in order to compare their computational complexity, sensitivity to the completeness and accuracy of input data and results is made. Several existing methods for determining the residual life are considered. The criteria of the definition of limit states of cranes are given.

Key words: cranes, life, reliability, working capacity, calculation methods.

Проблема обеспечения надежной и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов (ГК) с каждым годом становится все более актуальной, т. к. их старение значительно опережает темпы технического перевооружения. Средний срок службы подъемных сооружений в России составляет более 28 лет, что в среднем в 2 раза больше нормативного. По статистическим данным различных отраслей промышленности, парк грузоподъемных машин, отработавших нормативный срок службы, составляет 80-82 %. В течение последних лет сохраняются стабильные статистические данные: более 850 аварий; более 100 человек в год получают производственные травмы со смертельным исходом (рис. 1).

Рис. 1. Авария козлового крана грузоподъёмностью 10 т в результате усталостного разрушения пролетного строения

Надежность и работоспособность ГК снижается в течение срока службы по мере изнашивания механизмов и несущих металлоконструкций. В зависимости от типа грузоподъемного крана и режима его работы нормативный срок эксплуатации может составлять от 10 до 30 лет. В течение этого срока накапливаются дефекты крюковой подвески, тормозных устройств, соединительных муфт, приборов и устройств безопасности. И если эти дефекты могут быть полностью устранены заменой неработоспособных узлов и агрегатов, дефекты металлоконструкции -только частично, путем замены или усиления отдельных несущих элементов. В целом, при достижении нормативного срока эксплуатации, дефекты несущих металлоконструкций ГК начинают приобретать системный характер, что требует принятия решения о сроке достижения краном предельного состояния.

В соответствии с Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» № 116-Ф подъемные сооружения относятся к опасным производственным объектам, и владельцы обязаны обеспечить их безопасную эксплуатацию. Действующая в России система надзора за безопасной эксплуатацией ГК, отработавших нормативный срок службы, предусматривает проведение экспертного обследования (диагностирования) кранов специализированными организациями в соответствии с нормативными документами Ростехнадзора. В зависимости от технического состояния ГК, продление срока их эксплуатации осуществляется до прогнозируемого наступления предельного состояния (остаточный ресурс) или на определенный период (поэтапное продление срока эксплуатации) в пределах остаточного ресурса, при условии выполнения ремонтных работ и соблюдения паспортных режимов и условий эксплуатации крана. Работу по расчету остаточного ресурса можно рассматривать как часть экспертного обследования специального вида, которое должно проводиться по истечении нормативного срока службы. Результаты расчета не только должны давать ответ на вопрос о возможности дальнейшей эксплуатации крана, но и определять регламент этой эксплуатации.

Сроки продления эксплуатации крана после выработки нормативного срока службы зависят от текущего состояния, от выработки на момент принятия решения ресурса крана, а также возможности частичного восстановления ресурса. Разбросы технического состояния элементов и узлов «старых» кранов одной и той же конструкции, определяющих ресурс, значительно больше, чем указывается в технической документации, т. к. на ресурс оказывают влияние разнообразие методов конструирования узлов и агрегатов кранов, технология изготовления, фактические условия эксплуатации и особенности технического обслуживания.

Опыт эксплуатации ГК показывает, что предельные сроки эксплуатации металлоконструкций зависят от многих факторов: особенностей конструкции, качества и технологии изготовления металлоконструкции, наличия и уровня концентраторов напряжений; характеристик сталей, режимов эксплуатации, истории нагружения, наличия агрессивных сред. Так, например, срок службы металлоконструкции портального крана, работающего в условиях агрессивной среды при грейферной перегрузке сульфата аммония (Херсонский порт), составляет не более 10 лет, а металлоконструкция такого же крана при легком и среднем режиме работы может служить более 40 лет.

Расчет остаточного ресурса - это процедура определения времени (наработки), в течение которого с определенной вероятностью техническое состояние крана (металлоконструкции) не достигнет одного из предельных состояний. Предельные состояния металлоконструкций ГК условно можно разделить на четыре группы, характеризуемые:

— статической прочностью (длительной прочностью, хрупким разрушением, потерей устойчивости формы);

— усталостной прочностью (мало- и многоцикловой);

— деформативностью (местной, общей);

— стойкостью к образованию трещин.

Для оценки и расчета остаточного ресурса используют экспертные, расчетные и экспериментальные методы. Во всех случаях учитывается фактическое состояние крана, коррозионный и другие виды износа, изменение свойств материала с течением времени. Остаточный ресурс конкретного типа крана должен оцениваться по методикам головных организаций или специализированных, согласованных с органами Ростехнадзора [1, 2].

В качестве базовой концепции используется подход, основанный на принципе «безопасной эксплуатации по техническому состоянию», согласно которому оценка технического состояния крана осуществляется по параметрам, обеспечивающим его безопасную эксплуатацию

согласно конструкторской документации, а остаточный ресурс - по фактическим параметрам технического состояния. В общем случае выбор метода обосновывается точностью и достоверностью полученных данных о состоянии крана, а также требованиями точности и достоверности прогнозируемого ресурса крана и риска его дальнейшей эксплуатации, наличия и надежности системы контроля его технического состояния. Структурная схема определения остаточного ресурса приведена на рис. 2 [3].

Несмотря на предусмотренный [3] этап уточнения параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) и выбора критериев (рис. 2), в сложившейся практике экспертного обследования ГК определение остаточного ресурса осуществляется по балльной системе (экспертный метод) на основе заключения экспертов, проводивших обследование [4]. Переход к более точным - расчетным методам определения остаточного ресурса затруднен, т. к. связан с необходимостью получения достоверной исходной информации о характере нагружения и условий эксплуатации за весь предшествующий срок службы. Для преодоления этого уже сейчас обязательным требованием для ГК является установка регистраторов параметров [5].

I

Объект, выработавший расчетный ресурс

Анализ технической документации

Оперативная

диагностика

- эксплуатационной, монтажной, ремонтной

- по расчетам на прочность

- по паркам объектов и отказам

Экспертное обследование _

Визуальный осмотр Промеры Дефектоскопия Механические испытания Металлография

Анализ механизмов повреждения. Выявление определяющих параметров технического состояния

Принятие решения

Дальнейшая эксплуатация

Уточнение НДС. Уточнение предельных состояний и их критериев

Расчетные:

МКЭ, МКР, теория оболочек, механика разрушения и др.

Экспериментальные:

тензометрирование, термовидение, акустическая эмиссия, голография, фотоупругость, моделирование и др.

С

Ремонт

]

Уточнение характеристик материалов

Выбор критериев

Оценка остаточного ресурса

Принятие решения

Статистическая прочность Малоцикловая усталость Многоцикловая усталость Длительная прочность Хрупкое разрушение Водородное и коррозионное растрескивание Коррозия

Течь перед разрушением

Дальнейшая эксплуатация

Снижение рабочих

параметров Демонтаж

Рис. 2. Схема определения остаточного ресурса потенциально опасных объектов: МКЭ - метод конечных элементов; МКР - метод конечных разностей

В то же время ведущими экспертными организациями, головными предприятиями предлагаются различные методики определения остаточного ресурса. Так, специалистами ОАО «ВНИИПТМАШ», с учетом требований [2], разработана методика оценки остаточного ресурса по следующим критериям: предельного состояния металлических конструкций -

возникновение и развитие до недопустимых пределов усталости и других трещин, развитие недопустимых по величине остаточных деформаций, потеря устойчивости, недопустимое уменьшение сечений элементов вследствие их коррозии или износа всех видов, а также с учетом наступающего со временем изменения свойств материала [5].

Величину остаточного ресурса конструкции оценивают, сопоставляя фактические показатели несущей способности конструкции (сопротивление усталости, остаточные деформации, коррозия и др.) с критериями, соответствующими указанным предельным состояниям. При оценке остаточного ресурса используется экспертный метод, который предусматривает назначение календарного остаточного ресурса на основе данных о фактической группе классификации крана и результатов проведения оценки его технического состояния при выполнении объема необходимых работ. Экспертный метод рекомендуется выполнять для кранов групп режима работы А1-А5 только в тех случаях, когда на основании документально подтвержденной информации могут быть определены показатели нагруженности расчетных элементов металлоконструкции (с учетом динамических, технологических, ветровых и др. нагрузок) за период с начала эксплуатации крана до момента проведения определения остаточного ресурса.

Трудоемкость предлагаемой ОАО «ВНИИПТМАШ» методики, сложные математические модели, построенные на основе теории накопления повреждений и разрушения, необходимость наличия значительного объема достоверной информации за период эксплуатации привели к созданию методов, направленных на определение остаточного ресурса отдельных типов ГК, например [6], и учитывающих на эмпирическом уровне особенности конструкции. Но все они также сложны для использования в инженерной практике. Следует также отметить, что в настоящее время отсутствуют исследования, посвященные сравнительной оценке сложности различных методик и получаемых результатов.

С учетом вышеизложенного представляется актуальным исследование существующих расчетных методик определения остаточного ресурса с целью сравнения их вычислительной сложности, чувствительности к полноте и достоверности исходных данных и получаемых результатов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. МУ УЭЦ 480100.001. Методические указания по оценке остаточного ресурса грузоподъемных кранов, отработавших нормативный срок службы / ЗАО «Уральский экспертный центр». - Екатеринбург, 2002. - 35 с.

2. РД 24-112-5Р. Руководящий документ по оценке остаточного ресурса кранов мостового типа / ОАО ВНИИПТМАШ. - М., 2002. - 24 с.

3. РД 09-102-95. Методические указания по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, подконтрольных Госгортехнадзору России / НТЦ «Промышленная безопасность». - М., 1995. - 7 с.

4. РД 10-112-97. Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы. Ч. 2. Общие положения.

5. РД 10-399-01. Требования к регистраторам параметров грузоподъемных кранов / Госгортехнадзор России. - М., 2001. - 15 с.

6. СТО 032.03.1-2008. Оценка остаточного ресурса портальных кранов. Методические рекомендации.

Статья поступила в редакцию 9.04.2012

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Синельщиков Алексей Владимирович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; зав. кафедрой «Подъемно-транспортные машины, производственная логистика и механика машин»; laex@bk.ru.

Sinelshchikov Alexey Vladimirovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science, Assistant Professor; Head of the Department "Lifting-and-Shifting Machines, Industrial Logistics and Machinery Mechanics"; laex@bk.ru.

Дроздов Виталий Николаевич - Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры «Подъемно-транспортные машины, производственная логистика и механика машин»; vd1990@inbox.ru.

Drozdov Vitaliy Nickolaevich - Astrakhan State Technical University; Master’s Course Student of the Department "Lifting-and-Shifting Machines, Industrial Logistics and Machinery Mechanics"; vd1990@inbox.ru.