Разработка методики теплового контроля и диагностики технического состояния металлоконструкций мостовых кранов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.11, кандидат технических наук Котельников, Владимир Владимирович

• Котельников, Владимир Владимирович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Котельников, Владимир Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ПОДЪЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

1.1. Визуальный и измерительный контроль

1.2. Радиационный контроль

1.3. Ультразвуковой контроль

1.4. Магнитный контроль

1.5. Капиллярные методы неразрушающего контроля

1.6. Акустико-эмиссионный метод неразрушающего контроля

1.7. Тепловой метод неразрушающего контроля

1.8. Анализ аварийности металлоконструкций кранов

1.9. Виды дефектов и повреждений металлических конструкций кранов

1.10. Оборудование для теплового неразрушающего контроля 30 Выводы по главе

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА ТЕПЛОВОЙ ДЕФЕКТОМЕТРИИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ С КОНЦЕНТРАТОРАМИ НАПРЯЖЕНИЙ

2.1. Постановка проблемы

2.2. Теоретические основы механики пластических деформаций.

2.2.1. Упруго-пластическая деформация твердого тела

2.2.2. Пластическая деформация вблизи концентраторов напряжений

2.3. Основные принципы тепловой дефектометрии металлоконструкций с концентраторами напряжений

2.4. Применение метода в случае трещиноподобного дефекта

2.4.1. Метод расчета динамики нагрева металлоконструкции

2.4.2. Результаты модельных расчетов

2.4.3. Ограничения на скорость нагружения

2.4.4. Определение размера области концентрации напряжений 62 2.5. Анализ применения теплового метода для контроля металлических конструкций 64 Выводы по главе

Глава 3. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ И ВНЕДРЕНИЯ МЕТОДОВ И ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

3.1. Разработка требований к методике и программно-аппаратным средствам теплового контроля и диагностики технического состояния металлических конструкций

3.2. Разработка требований к методике и программно-аппаратным средствам теплового контроля и диагностики технического состояния металлических конструкций

3.2.1. Быстрый алгоритм обнаружения аномалий

3.2.2. Разработка алгоритмов выделения аномальных участков

3.3. Разработка метода теплового контроля металлических конструкций

3.4. Разработка программно-аппаратных средств 75 Выводы по главе

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА И ВНЕДРЕНИЕ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ В УСЛОВИЯХ ЛАБОРАТОРИИ И РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

4.1. Статистические исследования характеристик дефектов, определение параметров типовых дефектов (имеющих наиболее большую вероятность существования), определение параметров минимальных дефектов

4.2. Экспериментальные исследования на натурных конструкциях в лабораторных условиях и реальных условиях эксплуатации

4.3. Проведение теплового контроля маталлических конструкций в реальных условиях эксплуатации

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики теплового контроля и диагностики технического состояния металлоконструкций мостовых кранов»

Проблема обеспечения безопасности производства на промышленных предприятиях всегда была и остается актуальной.

В последние годы вопрос обеспечения безопасности эксплуатации сварных конструкций резко обострился из-за сильной изношенности производственного оборудования и участившихся случаев технологических аварий и катастроф. В полной мере это относится и к грузоподъемным машинам (кранам) разного назначения, в том числе и к сварным металлоконструкциям мостовых кранов которые составляют более 38% всех грузоподъемных механизмов на территории Российской федерации.

Наступления аварии или разрушения металлоконструкций мостовых кранов связано со многими факторами, но всегда обусловлено образованием дефектов в элементах мостового крана.

Рис 1.1. Пример аварии мостового крана грузоподъемностью 15 т на металлургическом комбинате

В соответствии с нормативной документацией на подъемных сооружениях при проведении периодического обследования необходимо использовать методы неразрушающего контроля такие как ультразвуковой, рентгеновский, визуальный и измерительный, магнитный, капиллярный методы. Данные методы решают задачу по выявлению и определению характеристик дефектов, однако как правило, требуют достаточно трудоемких работ и большого простоя кранов при проведении неразрушающего контроля в соответствии с нормативной документацией.

Поэтому актуальна задача разработки и внедрения метода оперативного высокопроизводительного достоверного неразрушающего контроля, который значительно снизит объемы контроля и позволит оперативно определять техническое состояние пространственно сложных металлических конструкций.

Такими методами могут являться метод акустико-эмиссионого контроля и метод теплового контроля. Применение метода акустико-эмиссионого контроля не возможно для контроля мостовых кранов, данный факт связан с тем, что при работе мостового крана появляется большое количество механических шумов. В связи с этим в работе рассматривалось применение теплового метода контроля основывающиеся на том, что при нагружении металлоконструкций в местах концентрации напряжений происходит пластическая деформация, сопровождающаяся выделением тепла, для решения поставленной задачи был использован тепловой метод неразрушающего контроля.

Объектом исследования являются сложные металлоконструкции, подвергающиеся в процессе эксплуатации периодическому силовому воздействию, например, грузоподъемный кран мостового типа.

Предметом исследования диссертационной работы является применение теплового метода контроля качества металлоконструкций, позволяющий получить достоверную, научно-обоснованную и объективную картину расположения концентраторов напряжений в металлоконструкций при реальной эксплуатации.

Данная работа основана на том, что при нагружении металлоконструкций в местах концентрации напряжений может происходить пластическая деформация, сопровождающаяся выделением тепла. Такая ситуация имеет место, например, в случае подъемных кранов, где областями концентрации напряжений являются сварные швы и стыки элементов крана. Распространение тепла в конструкции приводит к тому, что на ее поверхности возникает сложное распределение температурного поля. Формально, зафиксировав это распределение и решив обратную задачу нестационарной теплопроводности, можно восстановить распределение источников тепла, а, следовательно, и определить положение и размер дефекта. Этот подход положен в основу данной работы направленной на создание методики диагностики технического состояния металлических конструкций тепловым методом.

Заключение диссертации по теме «Методы контроля и диагностика в машиностроении», Котельников, Владимир Владимирович

ВЫВОДЫ К РАБОТЕ

1. Анализ применяемых в настоящее время методов неразрушающего контроля, для осуществления технической диагностики металлоконструкций мостовых кранов (ММК) показал, что для проведения полного комплекса неразрушающего контроля в соответствии с нормативно технической документацией необходимо большое количества трудозатрат и многочисленные подготовительные операции в связи с этим появляется необходимость внедрения метода оперативного контроля технического состояния ММК. Установлено, что в местах концентраторов напряжений (дефектов) возникает выделение тепловой энергии. Поэтому целесообразно разработать методику оперативного контроля технического состояния безопасной эксплуатации мостовых кранов по анализу температурных полей поверхности.

ГЛ

2. Разработана модель теплового неразрушающего контроля ММК при их эксплуатации, основанная на моделировании выделения и распространения энергии в местах концентраторов напряжений за счет возникновения пластической деформации при периодическом силовом воздействии.

3. Установлено, что при напряжениях в металлоконструкциях порядка 215 МПа в зонах пластической деформации вблизи концентраторов напряжений (в виде трещины) на поверхности металла толщиной 12 мм. создается температурное поле. Температурное поле при нагружении с циклом 1 сек. имеет эффективный радиус 8 мм и максимальный градиент температуры 1.2 С. Тепловое поле с данными характеристиками достоверно регистрируется современной тепловизионной аппаратурой, что дает возможность применения теплового контроля для решения поставленных задач.

4. Установленные параметры теплового поля предложено регистрировать у* современной тепловизионной аппаратурой. Для этого были определены параметры аппаратуры обеспечивающие с необходимой достоверностью

106 I. регистрацию температурных полей: частота регистрации кадров - не менее 1 Гц; температурная разрешающая способность - не менее 0,2 С; геометрическая разрешающая способность -не менее 4 мм поле обзор тепловизионной аппаратуры составляет 1280x960 мм.

5. По результатам теоретических и экспериментальных исследований созданы аппаратно-програмные средства теплового контроля состояния ММК, обеспечивающие регистрацию температурного поля контролируемого объекта, обнаружение и распознавания дефектов, накопление и хранение результатов контроля.

6. Установлены, что для обеспечения наибольшей помехоустойчивости от внешних факторов при проведении теплового контроля температура окружающей среды должна быть менее 10 С, а скорость ветра не превышать 3 м/с .

7. Разработана, теоретически и экспериментально обоснована методика теплового контроля и диагностики технического состояния ММК в реальных условиях эксплуатации. Методика включает в себя режимы нагружений металлоконструкций для обеспечения образования необходимых параметров температурного поля, выбор параметров тепловизионной аппаратуры обеспечивающих регистрацию температурных полей с необходимой достоверностью, режимов контроля и разработанный алгоритм обнаружения и определения дефектных участков.

8. Разработанные методика нашла применение на трех предприятиях различных отраслей промышленности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Котельников, Владимир Владимирович, 2009 год

1. Инструкция по визуальному и измерительному контролю (РД 03606-03). - М.: Государственное унитарное предприятие Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2003. — 64 с. (Сер. 03; Вып.39).

2. ГОСТ 7512—82 Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Радиографический метод. Дата введения: 01.01.84. М.: Издательство Стандартов, 1985. — 7 с.

3. Справочник Неразрушающий контроль под редакцией В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 2003 г. — 506 с.

4. Коновалов H.H. Нормирование дефектов и достоверность неразрушающего контроля сварных соединений, Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору. -М.: Промышленная безопасность, 2006. — 128 е.

5. ГОСТ 14782-86 Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ульразвуковые. Дата введения: 01.01.88. М.: Издательство Стандартов, 1986. — 19 с.

6. ГОСТ 30415-96 Международный стандарт Сталь. Неразрушающий контроль механических свойств и микроструктуры металлопродукции магнитным методом. Дата введения: 01.01.98. -М.: Издательство Стандартов, 1996. 10 с.

7. Магнитная диагностика и остаточный ресурс подъемных сооружений / Попов Б.Е., Котельников B.C., Зарудный В.В., и др.,

8. Безопасность труда в промышленности, 2001. №2. - С. 44-50.

9. Мельгуй М.А. Магнитный контроль механических свойств сталей. -Минск: Наука и техника, 1980. 184 с.

10. Ю.Щербинин В.Е, Горкунов Э.С. Магнитный контроль качества металлов. Екатеринбург: Ур. ОРАН, 1996. - 262 с.

11. П.Вавилов В.П. Тепловые методы неразрушающего контроля: Справочник.-М.: Машиностроение, 1991. 245.с

12. Тепловой неразрушающий контроль изделий / Будадин О.Н., Потапов А.И., Колганов В.И. и др.- М.: Наука, 2002.- 472 с.

13. Тепловой контроль и мониторинг технического состояния потенциально опасных объектов в условиях ограниченного доступа / Смирнов Ю.В., Малай В.А., Будадин О.Н., Троицкий-Марков Т.Е. // Контроль и диагностика.-2006.-№11.-С.2-27.

14. Решение обратной задачи для дефектометрии в тепловом неразрушающем контроле / Потапов А.И., Рапопорт Д.А., Будадин О.Н., и др. // Прогрессивные методы неразрушающегоконтроля в машиностроении. Конференция.-Москва, 1984. -С.40-41-.

15. Тепловой неразрушающий контроль изделий / Будадин О.Н., Потапов А.И., Колганов В.И., и др. М.: Наука, 2002.- 472 с.

16. Вояченко В.Н. Контроль качества сварных конструкций. М.: Машиностроение, 1986. - 152 с.

17. Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Технология изготовления. Автоматизация производства и проектирование сварных конструкций. М.: Высшая школа, 1983. - 341 с.

18. Будадин О.Н., Троицкий-Марков Т.Е., Салихов С.Г. Тепловой метод неразрушающего контроля // Интеграл.-2002.-№2(4). -С.7-9.

19. Бекешко Н.А., Ковалев А.В. Новые методы, средства и применения теплового неразрушающего контроля // Измерения, контроль, автоматизация.-1990. №1. - С. 23-37.

20. Rittel D. Thermomechanical aspects of dynamic crack initiation // International Journal of Fracture. -1999. № 99. - P. 201 - 212.

21. Dunaev I.M., Dunaev V.I. Thermomechanics of brittle fracture // International Journal of Fracture. -2004. № 128. - P. 81 - 93.

22. Matvienko Y.G. Local fracture criterion to describe failure assessment diagrams for a body with a crack/notch // International Journal of Fracture. -2003. № 124. - P. 107 - 112.

23. Rittel D. An investigation of the heat generated during cyclic loading of two glassy polymers. Part I // Experimental, Mechanics of Materials. —2000 .-P. 131 147 .

24. Rittel D., Rabin Y. An investigation of the heat generated during cyclic loading of two glassy polymers. Part II // Thermal analysis, Mechanics of Materials. -2000. № 32. - P. 149 - 159.

25. Матвиенко Ю.Г., Модели и критерии механики разрушения".- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006.-145 с.

26. Rabin Y., D. Rittel D. Infrared Temperature Sensing of Mechanically Loaded Specimens // Thermal Analysis, Experimental Mechanics. -2000. № 40. - P. 1 - 6.

27. Тепловой неразрушающий контроль изделий / Будадин О.Н., Потапов А.И., Колганов В.И., и др.- М.: Наука, 2002. 472с.

28. Rittel D. Experimental investigation of transient thermoplastic effects in dynamic fracture // International Journal of Solids and Structures. — 2000. p.37 .

29. Bougaut O., Rittel D. On crack-tip cooling during dynamic crack initiation // International Journal of Solids and Structures. -2001. P. 38.

30. Исаченко В.П., Осипов B.A. Теплопередача.- M.: Энергия, 1969.132 с.

31. А.Н. Тихонов, Самарский А.А. Уравнения математической физики. -М.: Наука, 1972.-371 с.

32. ГОСТ 8.326-78 ГСИ. Метрологическая аттестация средств измерений. Дата введения: 01.01.91. М.: Издательство Стандартов, 1990,-4 с.

33. ГОСТ 8.010-72 ГСИ. Общие требования к стандартизации и аттестации методик выполнения измерений. Дата введения: 01.01.74. М.: Издательство Стандартов, 1990. - 15 с.

34. Кущ Д.В. О единственности определения кусочно-постоянных коэффициентов уравнения теплопроводности // Вестник МГУ.

35. Cep.l. Математика-механика.- 1988.- № 6.-C 73-76.

36. Кущ Д.В. Одномерная обратная задача теплового контроля: Численный анализ, математическое моделирование и их применение в механике. — М.: Изд-во МГУ, 1988.- С. 63-67.

37. Ventkatraman В., Rajagopalan С., Baldev Raj. Predicting Strain Rate During IR Imagion of Tensile Deformation Using MLP Based ANN // Proceedings of 16-th WCNDT.- Montreal, 2004. -№734.-P.l-7.

38. Solution of inverse problem of nonstationary heat conductivity equation / Lebedev O., Avramenko V., Abramova E., Budadin O. // Book of abstracts of 16-th WCNDT.- Montreal, 2004.-THP48.- P. 154-155.

39. Глазко В.Б. Обратные задачи математической физики — M.: МГУ, 1984.-112 с.

40. Боли Б., Уэйнер Дж. Теория температурных напряжений. М.: Мир, 1964.- 517 с.

41. Кущ Д.В. Математические модели теплового неразрушающего контроля М.: МГУ, 1989.-120 с.

42. Bussman Wesley R., Baukal Charles E., French Kenneth W. Variable Test Furnace Cooling // Proceedings of HT2005 ASME Summer Heat Transfer Conference.-USA, 2005.- HT2005-72012.-P. 1-14.

43. Bendada A., Nardini N., De-Granpré С. Evaluation of Internal Thermal Gradients from Surface Thermografy Measurements: Application to Process Control // Proceedings of 16th WCNDT Montreal, 2004,- № 115.-P. 1-8.

44. Кущ Д.В. О единственности определения кусочно-постоянных коэффициентов уравнения теплопроводности // Вестник МГУ. Сер.1.- Математика-механика.- 1988.- №6.- С.73-76.

45. Алифанов О.В. Обратные задачи теплообмена. — М: Машиностроение, 1988—280 с.

46. Guide to the Expression of Uncertainty in Measurements: First Edition. -Bern: ISO, 1993.-38 p.

47. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений.- Л.: Энергоатомиздат, 1985.- 94 с.

48. International Vocabulary of Basic and General Terms in Methodology.-Geneva: ISO, 1993.- ISBN 92-67-10188-9.-63 p.

49. ISO 5725. Accuracy (Trueness and Precission) of Measurements Methods. Part l-Part6.;First Edition.- Geneva: ISO, 1998.- 168 p.

50. ISO/IEC 17025: 1999. General Requirements for the Competence of Testing and Calibration Laboratories.-Geneva: ISO, 1999.- 52 p.

51. Основополагающие стандарты в области метрологии.- М.: Изд-во стандартов, 1985.- 32 с.

52. Тюрин Н.И. Введение в метрологию.- М.: Изд-во стандартов, 1985.-216 с.

53. Румшинский В.З. Математическая обработка результатов экспериментов. М.: Наука, 1971.-192 с.

54. Лурье А.И. Операционное исчисление и его применение к задачам механики. М.: Гостехиздат, 1950.-213 с.

55. Яненко Н.Н. Метод дробных шагов решения многомерных задач математической физики .- Новосибирск: Наука, 1967. -196 с.

56. Самарский А.А. Введение в теорию разностных схем.- М.: Наука, 1971.-552с.

57. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. — М.: Наука, 1980.-536 с.

58. Общество с ограниченной ответственностью1. СТРОЙЛЛАРКЕТ 99

59. Лицензия Ростехнадзора № 00-ДЭ-001593 (КНПСХ)1. СПРАВКАоб использовании методики теплового контроля

60. E-mail: [e-mail];[e-mail] Телефон:[phone]; тел/факс:[phone]. Президент ОАО «Рос1. Н.Н. Вадковский