Аварии кранов из-за хрупких разрушений металлоконструкций

Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 10 (19), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

75

АВАРИИ КРАНОВ ИЗ-ЗА ХРУПКИХ РАЗРУШЕНИИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ

Акименко Олег Юрьевич Эксперт по подъёмным сооружениям экспертной организации

ООО НПП «ПромТЭК», Ростов-на-Дону

Логвинов Игорь Николаевич Эксперт по подъёмным сооружениям экспертной организации ООО НПП

«ПромТЭК», Ростов-на-Дону

АННОТАЦИЯ

Целью настоящей работы является рассмотрение аварий крановых конструкция в частности из-за хрупкого разрушения металлоконструкций. В статье были рассмотрены примеры аварий кранов по причине хрупкого разрушения металлоконструкций. Анализ результатов обследования, большого числа металлоконструкций мостовых кранов позволил установить количественные и временные зависимости возникновения дефектов в наиболее нагруженных элементах.

ABSTRACT

The aim of this article is to review the design of crane accidents in particular due to brittle fracture of steel structures. It was considered examples of crane accidents due to brittle fracture of steel structures in this article. Analysis of the survey results, a large number of metal construction bridge cranes allowed to establish quantitative and time-dependence of the occurrence of defects in the most loaded elements.

Ключевые слова: хрупкое разрушение, макро- и микротрещины, мостовые краны, остаточные напряжения.

Key words: brittle fracture, the macro and micro cracks, bridge cranes, residual stresses.

Среди причин аварий крановых конструкций особое место занимает хрупкое разрушение [1], с которым технический персонал иногда связывает действие «неизбежного слепого» случая. Особенность такого отношения вызвана двумя причинами. Первая причина - процесс хрупкого разрушения происходит внезапно при нагрузках, значительно меньших номинальных, и характеризуется отсутствием предупредительных признаков, таких как развитие пластических деформаций (появление остаточного прогиба, остаточных деформаций элементов и т. п.). Вторая причина - наука в настоящее время не располагает расчетными методами оценки способности металлоконструкции противостоять хрупкому разрушению. Трудность решения задачи объясняется двойственной природой металла (вязкой и хрупкой), которая не является неизменной. Та или иная природа его проявляется при определенных условиях, Например, материал в зависимости от его формы, температуры, структуры и химического состава может иметь хрупкий или вязкий характер разрушения. Хрупкому разрушению свойственны две стадии. Первая стадия обязательно предусматривает зарождение трещины. Часто при повторно-переменных нагрузках трещины носят скрытый усталостный характер. Вторая стадия - распространение трещин в конструкции. В этой стадии трещина распространяется мгновенно, обусловливая неожиданность разрушения [2]. Основной фактор, способствующий хрупкому разрушению - температура эксплуатации. С понижением температуры стойкость металлоконструкции снижается. Ударные кратковременные нагрузки затрудняют развитие пластических деформаций в зоне концентраторов, что способствует возникновению трещин. Повторно-переменные нагрузки создают возможность появления скрытых трещин усталостного характера, которые затем приводят к хрупкому разрушению [3].

Процесс разрушения складывается из непрерывного роста макро и микротрещин. При определенных условиях в

течение некоторого периода времени происходит развитие трещины, достижение ею критических размеров, а затем -разрушение металлоконструкции.

Ниже приведены примеры аварий кранов по причине хрупкого разрушения металлоконструкций.

1. На машиностроительном заводе при транспортировании пачки листов металла произошло разрушение главной балки мостового крана грузоподъемностью 5 т. До аварии кран эксплуатировался в тяжелом режиме более 20 лет. Падение крана вызвало разрушение нижнего пояса главной фермы на расстояние 6 м от опорной части крана. Разрушение началось в узле присоединения раскосов горизонтальной фермы к поясу. При исследовании излома было выявлено наличие усталостных трещин в элементах сечения фермы, причем в нижнем поясе трещина, имеющая притертые поверхности, начала развиваться между двумя раскосами горизонтальной фермы. Длина сталостной трещины составляла 45 мм. В вертикальном листе верхнего пояса также обнаружены усталостные трещины. Одна из них началась от нижней кромки листа в сварном стыке, а другая, про-тяжен-ностью более 400 мм, в соединении пояса со стенкой фермы.

2. На складе цементного завода электрический грейферный кран грузоподъемностью 15 т эксплуатировался в зимний период времени на открытой эстакаде. В январе при температуре -35°С произошло разрушение главной балки моста, и кран упал. В момент аварии кран находился в нерабочем состоянии у посадочной площадки: тележка установлена в середине пролета, грейфер был опущен на землю. Разрыв поперечного сечения балки произошел по основному металлу в середине пролета крана на расстоянии 1 м от стыковых сварных швов нижнего и

76

Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 10 (19), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

верхнего поясов и на расстоянии 0,5 м от стыкового шва вертикальной стенки. Место разрыва балок находилось между диафрагмами. Излом поясов - хрупкий. По характерному рисунку типа «елочка» было установлено, что разрушение началось в зоне флангового шва соединения нижнего пояса со стенкой. В зоне излома установлено некачественное выполнение фланговых швов. Главные причины разрушения моста крана - неблагоприятное сочетание металлургических и технологических дефектов и низкая температура окружающего воздуха.

3. На строительстве птицефабрики при разгрузке плит перекрытия с автомашины произошла авария пневмоколесного стрелового крана (северного исполнения для работы с температурой -60°С). До аварии кран в районе севера проработал 10 лет. В феврале при температуре от -40 °С до -41°С в момент подъема плиты массой, не превышающей грузоподъемность крана на данном вылете, выше бортов кузова автомашины на 150 мм и повороте стрелы вправо на 15° произошло разрушение неповоротной рамы и падение груза. Авария крана вызвана разрушением левой балки неповоротной платформы. Причем излом произошел в узле соединения балки с выносной опорой. При исследовании излома было установлено наличие усталостных трещин в элементах балки, Усталостная трещина длиной 55 мм была обнаружена в нижней полке, соединяющей балку с креплением выносной опоры.

Наибольшая вероятность появления аварий зависит от типа металлоконструкций крана. Для металлоконструкций коробчатого сечения наибольшая вероятность хрупкого разрушения относится к периоду до 10 лет и главным образом к первым годам эксплуатации. В начальном периоде в данных конструкциях наиболее резко проявляется влияние грубых конструктивных недостатков в сочетании с остаточными напряжениями. При эксплуатации остаточные напряжения снижаются и в результате сравнительно низкого коэффициента концентрации напряжений, накопление повреждений в коробчатых конструкциях происходит медленнее, чем в ферменных. Для ферм наибольшая вероятность аварии наступает после 18^20 лет эксплуатации.

Возникновение аварии зависит от времени года. Основное количество их происходит в течение трех зимних месяцев: декабре, январе, феврале: Затем следует март, апрель, май. Аварии вызываются не только пониженной температурой, но и интенсивной эксплуатацией кранов. Все это при неудовлетворительном техническом надзоре, за состоянием крановых металлоконструкций и указанных выше условиях способствует образованию трещин.

Анализ результатов обследования, большого числа металлоконструкций мостовых кранов позволил установить количественные и временные зависимости возникновения

дефектов в наиболее нагруженных элементах. Наибольшее число дефектов (65 %) приходится на концевые балки в местах крепления угловых букс. Преимущественно повреждения появляются после 5 лет эксплуатации, достигая максимального числа к 10 годам эксплуатации. Затем количество их уменьшается. Однако число дефектов составляет 52% от общего числа дефектов в концевых балках за период эксплуатации от 5 до 15 лет. Характерным является повторное возникновение дефектов: после ремонта металлоконструкций (перекрытие трещин накладками или заварка их). Кроме того, разрушение концевой балки в месте крепления одной буксы влечет за собой повреждения остальных.

Дефекты главных балок наблюдаются при продолжительности эксплуатации крана от 10 до 15 лет. Они менее многочисленные, чем дефекты концевых балок, но составляют значительное число (27% ); Стенки главных балок в местах крепления к ним различных элемен-тов (кронштейнов, площадок) подвержены разрушению на протяжении двух периодов эксплуатации. Первый период составляет 5-10 лет, второй - 15-20 лет.

Для моста в целом дефекты носят массовый характер (75 %) на протяжении 15 лет эксплуатации, начиная с 5 и кончая 20 годами.

Дефекты фирменных конструкций по времени своего возникновения появляются при более позднем периоде эксплуатации. Наибольшее число дефектов наблюдается после 20 лет эксплуатации крана.

Взаимосвязь между дефектами и авариями следующая: периоду появления наибольшего числа дефектов соответствует вероятность аварий - для коробчатых металлоконструкций период аварий составляет 5-10 лет, для ферменных - 20 лет и более.

Важное условие для предотвращения аварий - проведение регулярных осмотров металлоконструкций кранов, особенно в периоды наибольшей интенсивности их эксплуатации, своевременного проведения экспертных обследований (диагностики), качественно выполненных ремонтов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шишков Н.А. Технический надзор за содержанием и безопасной эксплуатацией грузоподъемных кранов Изд. 2 / Н.А. Шишков. - М: «Недра»,1986. - 192 с.

2. Быдзан А. Ю., Панин С. В., Дураков В. Г. Исследование механизмов усталостного разрушения конструкционной стали 20Х13 и ее композиций с наплавленными покрытиями / А. Ю. Быдзан, С. В. Панин, В. Г. Дураков // Физическая мезомеханика. - 2002. - Т 2, №6. - С.73-86

3. Пособие для инженерно-технических работников по надзору за безопасной эксплуатацией грузоподъемных кранов.- М.: ПИО ОБТ, 2003.216 с.