Диагностика повреждаемости металлических конструкций грузоподъемных машин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Данилов, Александр Сергеевич

• Данилов, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Данилов, Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1. ПРОБЛЕМА КОРРОЗИОННОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ

МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ КРАНОВ

1.1. Факторы влияющие на коррозию металлов

1.1.1. Показатели коррозии

1.1.2. Классификация процессов коррозии

1.2. Атмосферная коррозия сталей

1.3. Основные показатели атмосферной коррозии

1.4. Диагностика коррозионного состояние металлоконструкций

1.5. Коррозионное изнашивание металлоконструкций грузоподъемных кранов

1.6. Методы и средства оценки текущего коррозионного состояния металлоконструкции

1.7. Защита металлоконструкций грузоподъемных кранов от атмосферной коррозии 25 Выводы

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРНОЙ КОРРОЗИИ НЕСУЩИХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ КРАНОВ

2.1. Исследование аэрохимического воздействия среды на развитие коррозии

2.2. Исследование фазового состава ржавчины

2.2.1. Структура слоя ржавчины

2.2.2. Образование продуктов коррозии

2.2.3. Цветовые свойства слоя ржавчины

2.3. Исследование кинетики атмосферной коррозии

2.3.1. Кинетика равномерно-распределенной коррозии

2.3.2. Кинетика питтинговой коррозии

2.4. Исследование влияния химического состава сплавов на скорость атмосферной коррозии

2.5. Исследование влияния конструктивных особенностей элементов металлоконструкций на процесс коррозии

2.5.1. Влияние слитности сечения

2.5.2. Влияние обтекаемости элементов

2.5.3. Исследование коррозионного износа балок коробчатого сечения

2.6. Исследование коррозионного повреждения металлоконструкций мостовых и козловых кранов

2.6.1. Методика проведения обследование металлоконструкций подъемных кранов

2.6.2. Обследование металлоконструкций мостовых и козловых кранов 68 Выводы 69 3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КОРРОЗИОННОГО ИЗНОСА МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

3.1. Моделирование процесса коррозии

3.2. Математическое моделирование коррозионного процесса

3.3. Математические модели атмосферной коррозии сталей

3.3.1. Основные математические модели коррозии сталей

3.3.2. Региональные математические модели коррозии сталей

3.4. Определение диагностируемых параметров

3.5. Модель описания основных параметров коррозионной поврежденности

3.5.1. Модель аэрохимического воздействия среды

3.5.2 Моделирование кинетики процесса коррозии

3.5.3. Моделирование влияния конструктивных особенностей на развитие коррозии

3.5.4. Моделирование атмосферной коррозии низколегированных сталей 95 3.5.5 Моделирование питтинговой коррозии

3.5.6. Итоговые математические выражения диагностируемых параметров

Выводы

4. ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГЛАВНЫХ БАЛОК МОСТОВЫХ КРАНОВ НАБЛЮДАЕМОГО В РЕЗУЛЬТАТЕ КОРРОЗИОННОГО ИЗНАШИВАНИЯ

4.1. Определение напряженно-деформированного состояния главных балок мостовых кранов

4.2. Моделирование коррозионного износа главной балки мостовых кранов

4.3. Анализ напряженно-деформированного состояния главной балки

4.4. Оценка совместного влияния циклических нагрузок и коррозии 115 Выводы

5. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕР ПО ОЦЕНКЕ И ПРОДЛЕНИЮ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ МОСТОВЫХ КРАНОВ ПОДВЕРЖЕННЫХ КОРРОЗИОННОМУ ИЗНАШИВАНИЮ

5.1. Визуально-оптический метод определения глубинного показателя коррозии

5.2. Особенности эксплуатации балок коробчатого сечения

5.3. Усовершенствование мероприятий по защите металлоконструкций главных балок мостовых кранов от коррозии

5.4. Принцип рационализации испытаний на коррозионную стойкость малоуглеродистых и низколегированных сталей 145 Выводы 148 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 150 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Диагностика повреждаемости металлических конструкций грузоподъемных машин»

Грузоподъемные краны широко применяются практически во всех отраслях народного хозяйства при технологических, погрузочно-разгрузочных, монтажных, складских и других работах. В настоящее время следует уделить особое внимание проблеме ухудшения технического состояния подъемных кранов во многих округах Российской Федерации.

Ухудшение технического состояния металлоконструкций грузоподъемных машин (ГПМ) под воздействием внешних факторов приводит к нарушению эксплуатационной пригодности крана в целом.

Обнаруженные во время обследований [11, 19, 29, 61, 62, 80] дефекты и повреждения металлических конструкций кранов являются следствием следующей совокупности причин: низкого качества металла (малоуглеродистая сталь); неудовлетворительного конструктивного решения; неудовлетворительного качества изготовления и монтажа отдельных элементов; агрессивности окружающей среды; эксплуатации кранов в непредусмотренном режиме, плохом уходе и ремонте.

Особо выделим коррозионное повреждение, которое приводит к снижению несущей способности конструкции за счет уменьшения сечения конструктивного элемента и развитию многочисленных усталостных трещин при коррозии под напряжением.

Основной целью решения проблемы коррозионного изнашивания крановых металлоконструкций является продление сроков эксплуатации до их морального износа. До настоящего времени она не решена в мировом масштабе.

Металлофонд нашей планеты в виде машин, оборудования и сооружений составляет шесть миллиардов тонн. Это лишь 30 % от произведенного за три тысячелетия металла. Остальной металл исчез из обращения, причем основной причиной были процессы коррозии. Ущерб, в результате отказов техники, аварий и катастроф несравним с ущербом, связанным с прямыми потерями металла. В значительной степени это относится к сложным конструкциям машин и оборудования, таким как грузоподъемные краны.

Трудность предотвращения коррозии в том, что разрушение металлов под влиянием факторов среды - естественный термодинамически выгодный процесс, направленный на сохранение равновесия в природе [9, 12, 32, 33, 47]. Проблему коррозии металлов по количеству факторов, которые нужно принимать во внимание, относят к глобальным.

Так как процессы коррозии, связанные с влиянием факторов среды, необратимы и часто приводят к отказам, их необходимо обнаруживать на ранних стадиях, классифицировать, давать количественную оценку эффекта повреждения и прогноз опасности развития в случае непринятия мер по усилению защиты. Только установление причин коррозионного процесса позволяет правильно выбрать метод совершенствования защиты.

На современном этапе развития тяжелого машиностроения наметилась перспектива полного вытеснения использования малоуглеродистых сталей при изготовлении несущих металлоконструкций путем их замены низколегированными сталями. Что позволит снизить металлоемкость конструкций, а в некоторых случаях и повысить стойкость к внешним воздействиям окружающей среды.

Однако экономическое состояние техники (в частности грузоподъемных кранов), а также менталитет новых собственников не позволяют осуществить масштабное обновление парка грузоподъемных машин, уровень которого, в связи с распадом СССР значительно ухудшился. Переход к рыночной экономике не только не ускорил экономический рост, но наоборот привел к резкому кризису в отрасли [3,81].

В настоящий момент из 270 тысяч грузоподъемных кранов России, находящихся в эксплуатации, более 80% уже несколько лет назад исчерпали сроки эксплуатации, требуют замены или модернизации, а также подлежат списанию [19, 96].

При существующих темпах обновления парка менее 1% в год (при норме 8-10%) доля грузоподъемных кранов с истекшими сроками службы может превышать 95%. Такое понижение ведет к дальнейшему снижению надежности и безопасности подъемных кранов, что приводит к многочисленным отказам и авариям. Что в частности уже (2007г.) привело к повышению аварийности в ряде регионов России и по стране в целом [19, 34, 62].

Решением данной проблемы начали заниматься в 1980-е гг. В частности, Госгор-технадзором СССР было принято решение о необходимости проведения обследования металлоконструкций подъемных сооружений с истекшими сроками службы комиссиями с целью оценки остаточного ресурса. Современное состояние техники, как было показано выше, предполагает развитие этой тенденции. В результате, говорить о массовом внедрении новых технологий изготовления металлоконструкций в ближайшем будущем не приходится. Что делает исследования в области продления сроков эксплуатации грузоподъемных кранов актуальными.

В будущем намечается тенденция к снижению безопасности эксплуатации металлоконструкций ГПМ изготовленных из малоуглеродистых сталей как следствие изменения физико-механических свойств материала в результате коррозии, вызывающей изменение параметров рабочих режимов и отказ грузоподъемного крана в целом. Что можно объяснить «устареванием» парка грузоподъемных машин и неудовлетворительной организацией технического обслуживания на предприятиях.

В связи с этим, особую актуальность приобретает научно — техническая задача, состоящая в оценке влияния коррозионного разрушения несущих металлоконструкций на аварийность подъемных кранов в атмосферных условиях методами и средствами диагностики.

Цель работы — заключается в повышении безопасности эксплуатации грузоподъемных кранов путем определения коррозионного повреждения их металлоконструкций с применением методов и средств диагностики.

Задачи исследования:

- анализ особенностей протекания процесса коррозионного повреждения реальных металлоконструкций мостовых и козловых кранов в атмосферных условиях;

- анализ воздействия коррозионного повреждения на процесс усталостного разрушения несущих крановых металлоконструкций;

- построение модели накопления усталостных повреждений элементом металлоконструкции при воздействии коррозии;

- разработка методов по оценке коррозионных повреждений металлоконструкций грузоподъемных кранов.

Методы исследования. В работе использовали: расчетные методы механики разрушения, методы обследования металлических конструкций мостовых и козловых кранов, регрессионный анализ и элементы математической статистики, конечно-элементное моделирование.

Научные положения, выносимые на защиту:

- Расчетный метод определения показателей коррозии: глубинного, локального (при питтинговой коррозии), механического (адсорбционное понижение предела текучести и выносливости материала).

- Результаты сравнительного анализа степени коррозионного разрушения окончаний боковых стенок и нижнего пояса главных балок мостовых кранов.

- Зависимости изменения оптических свойств наружного подслоя ржавчины от степени агрессивного воздействия среды и фактора времени.

- Оптический метод диагностики, позволяющий определять глубинный, механический, очаговый показатели коррозии и степень агрессивности среды по цветовым свойствам наружного подслоя ржавчины.

Научная новизна состоит в том, что установлена связь между развитием устаг лостных и коррозионных повреждений стальных металлоконструкций, которая впервые учитывает кинетику процесса атмосферной коррозии и влияние воздействия основных факторов коррозионного повреждения: относительная влажность воздуха, степень загрязненности атмосферы агрессивными газами, особенности конструктивного исполнения, химический состав сплава.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается экспериментальными результатами обследования металлоконструкций мостовых и козловых кранов, а также, сравнением результатов проведенных экспериментальных исследований с результатами исследований, проведенными другими авторами.

Практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты могут найти широкое применение в различных отраслях машиностроения при проведении мониторинга или диагностирования металлоконструкций.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на научных семинарах кафедры «Подъемно - транспортные машины и оборудование» Тульского государственного университета (Тула, 2007-2010), на 1-й магистерской научно-технической конференции (Тула, 2006), на Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации» (Тула, 2008), на III и IV молодежных научно-практических конференциях Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (Тула, 2009), XI-XIV Московских международных межвузовских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные и путевые машины и робототехнические комплексы» (Москва, 2007-2010), на семинаре 7-й специализированной международной выставки «Подъемно - транспортная техника и технологии. ПТТиТ - 2009» (Москва, 2009).

В поддержку развития данного исследования в 2009 г. был получен грант ректора Тул ГУ для молодых ученых по теме «Рефлектометрическая и акустическая диагностика роли коррозии в деградации и усталостной повреждаемости углеродистых сталей. Субструктурные изменения. Мониторинг микро- и макроскопического предельного состояния. Прогнозирование ресурса промышленных объектов».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работах, включая 5 статей в рецензируемых научных журналах и трудах международных конференций и 8 в сборниках трудов и материалов различных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных результатов и выводов, списка использованных источников, включающего 110 наименований. Работа содержит 160 страниц печатного текста, 67 рисунков, 29 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Данилов, Александр Сергеевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе решена научно-техническая задача, имеющая важное народнохозяйственное значение и состоящая в повышении безопасности эксплуатации грузоподъемных кранов путем определения коррозионного повреждения их металлоконструкций с применением методов и средств диагностики.

В рамках проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. Определена степень влияния на развитие атмосферной коррозии сталей таких факторов как относительная влажность воздуха, степень загрязненности атмосферы агрессивными газами, особенности конструктивного исполнения, фазовый состав ржавчины, химический состав сплава.

2. Средняя скорость коррозии металлоконструкций мостовых и козловых кранов в атмосферных условиях составляет 0,03.0,05 мм/год при максимальной зафиксированной величине 0,09 мм/год.

3. Процесс замедления развития коррозионного износа малоуглеродистых и низколегированных сталей при атмосферной коррозии описывается выражением 5 = Ах",

4. Полученная математическая модель развития коррозионных повреждений стальных металлоконструкций отражает как кинетику процесса, так и влияние воздействия основных факторов коррозии: относительной влажности воздуха, степени загрязненности атмосферы агрессивными газами, конструктивного фактора.

5. Коррозионный износ окончаний боковых стенок влияет на усталостную прочность главных балок мостовых кранов более, нежели коррозионный износ нижнего пояса.

6. Боковые стенки главных балок мостовых кранов являются основным источником усталостно-коррозионных трещин в металлоконструкции, что подтверждено результатами обследований реальных мостовых кранов и расчетами конечно-элементных моделей.

7. Сквозное коррозионное разрушение балок коробчатого сечения в зоне окончания боковых стенок снижает усталостную прочность металлоконструкции от 2,6 до 15 раз.

8. Анализ математической модели устанавливающей связь между развитием усталостных и коррозионных повреждений стальных металлоконструкций показывает, что воздействие коррозионных повреждений увеличивает скорость накопления усталости металлоконструкцией максимально на 16,5 %.

9. На основе связи между степенью агрессивности окружающей атмосферной среды и оптическими свойствами наружного подслоя ржавчины разработан оптический метод определения коррозионных повреждений металлоконструкций грузоподъемных машин.

10. Разработанный оптический метод диагностики позволяет определять на 33 % видов показателей коррозии больше, чем существующие способы диагностики. Применение данного метода диагностики позволяет повысить безопасность эксплуатации грузоподъемных кранов.

11. Усовершенствована схема проведения ультразвуковой толщинометрии главных балок мостовых кранов коробчатого исполнения.

12. Разработанный способ ускоренного определения глубинного показателя коррозии сталей, позволяет сокращать временные затраты испытаний образцов или элементов конструкций на 38%.