Глава 6. Исследовательская часть

6.1. Состояние грузоподъемных механизмов и проблемы повышения долговечности и надежности их металлоконструкций

В условиях спада промышленного производства возникли проблемы поддержания технологического оборудования в технически исправном состоянии. К техническому оборудованию относят грузоподъемные машины (ГПМ) от технического состояния которых как нормальное функционирование технологических процессов, так и безопасность труда работающих, число аварий и травматизма при работе ГПМ носит устойчивый характер.

Весь парк ГПМ отработавший свой нормативный срок регулярно подвергается диагностированию и технической экспертизе.

Анализ динамики производственного травматизма и аварийности по Калужской области с использованием изменения по годам коэффициента травматизма и аварийности производился по методике, разработанной в работе Короткого [14]. Результаты анализа представлены на листе .

Наибольшую опасность представляют ГПМ с истекшим сроком службы, аварийность на которых носит устойчивый характер. Аварии, происходящие по техническим причинам, в основном, являются следствием разрушения несущих элементов металлоконструкций.

Подавляющее большинство металлических несущих конструкций являются сварными. В Калужском регионе в настоящее время находится в эксплуатации около 1630 кранов различного типа и назначения. При этом на долю конструкций ГПМ с истекшим плановым сроком службы приходится 80-85%, требующим ремонта металлоконструкций 30-35%(см. табл.1). Причины преждевременных отказов несущих металлоконструкций ГПМ можно расположить в следующем порядке по их значимости: дефекты сварных соединений, коррозия, нарушение при монтажных работах, дефекты материалов, несовершенство конструкторско-технологических решений.

Таблица 1.

Тип крана	Находящиеся в эксплуатации	Отработавшие нормативный срок	Требующие ремонта металлоконструкций
Мостовые	626	512	12%
Козловые	146	121	15%

Подавляющее большинство металлоконструкций имеют дефекты сварных соединений, следы коррозии, изменения геометрических форм.

Учитывая трудности реконструкции и модернизации объектов повышенной опасности (к которым относят ГПМ), органами федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору России принят ряд нормативно-технических актов, направленных на развитие диагностики и технической экспертизы оборудования.

Разработка систем, использующих современные методы контроля (в том числе и неразрушающего) позволит получить достоверные сведения о техническом состоянии объектов и на их основе прогнозировать ресурс и живучесть каждого элемента индивидуально.

Результаты обследования металлических конструкций ГПМ подтверждают преимущественное зарождение разрушений в зоне сварных соединений.

Требования качества сварных конструкций обуславливает интенсивное развитие методов и средств неразрушающего контроля (НК). Наряду с разработкой отдельных методов дефектоскопии широкое развитие получил комплексный контроль качества, включающий функционирующие по заданной логике различные методы. Это позволяет не только обнаружить дефекты, но и определить их тип, размеры, расположение и ориентацию.

Тенденция к облегчению металлоконструкций ужесточает требования, предъявляемые к методам и средствам диагностирования. Сварочные технологии, оборудование, материалы, сварные конструкции составляет область применения почти всех методов и средств НК. Широта и динамичность проблематики НК в сварочном производстве, разнообразие применяемых методов, развивающихся на стыке различных наук, требуют координации и объединения усилий ученых многих областях знаний.

Актуальность НК связана с тем, что НК является альтернативой экономии конструкционных материалов, уменьшению габаритов конструкций. НК как средство дефектоскопии позволяет выявлять дефекты и определять их параметры. Проблема НК затрагивает интересы физиков, математиков, радиоэлектронщиков, специалистов по обработке информации, специалистов в области прочности и разрушения и многих других.

Пока не созданы комплексные системы обследования и диагностическая аппаратура позволяющая реально оценивать напряженно-деформированное состояние длительное время работающих металлоконструкций при различных типах нагружения (в том числе и сварных соединений). Требуются методы оценки остаточного ресурса металлоконструкций, которые учитывали бы длительность, условия эксплуатации и типы нагружения.

Недостаточная обеспеченность грузоподъемной техникой в исполнении для работы в районах с холодным климатом, приводит к необходимости эксплуатировать краны (до -40^оС) в данных климатических зонах. Нормативный срок службы таких кранов сокращается, что приводит к частому ремонту металлоконструкций (в том числе и сварных соединений).

Поэтому необходимо разрабатывать методики и рекомендации по ремонту отработавших нормативный срок сварных металлоконструкций. Понижение температуры способствует появлению хрупких разрушений. Следовательно, дальнейшее совершенствование методов расчета и исследований в области долговечности и надежности сварных соединений металлоконструкций, должно идти по пути определения критериев, по которым можно достоверно определять срок службы сварных конструкций, работающих при пониженных температурах.

Хрупкое разрушение элементов металлических конструкций является одним из наиболее опасных видов их предельных состояний. При этом основная опасность такого разрушения в зонах концентрации напряжений связана с возможностью его зарождения и развития при весьма низком уровне номинальных растягивающих напряжений.

Отсутствие заметных пластических деформаций в зонах разрушения таких конструкций инженеры и ученые объясняют наличием в материале структурных или технологических дефектов.

Влияние сварки с присущими ей технологическими несовершенствами (остаточные напряжения и деформации, непровары и подрезы швов, повышенная концентрация напряжений и др.) на повышение склонности к хрупкому разрушению металлических конструкций интенсивно изучается в настоящее время. Многофакторность хрупкого разрушения сварных металлоконструкций, взаимное влияние таких факторов и недостаточная изученность их воздействия и в связи с этим затруднения в расчетном и экспериментальном моделированиях процессов хрупкого разрушения стальных конструкций до сих пор не позволяют решить проблему хрупкого разрушения.

В литературе последних лет можно найти описания разрушений различных грузоподъемных устройств[15, 16]. Во многих работах указывается, что хрупкие разрушения связаны с предварительным медленным подрастанием трещины в результате усталости[17, 16, 18].

Анализ случаев разрушений металлоконструкций ГПМ показал, что при вязком состоянии материала возможно неустойчивое распространение трещин. Об этом же есть сведения и в работе [19]. В Международном институте сварки был сделан вывод, что ни один из рассматриваемых факторов (острый надрез, остаточные напряжения, пониженная вязкость материала, конструктивные концентраторы и т.д.), действуя обособленно, не вызовет хрупкое разрушение сварной конструкции, отвечающей современным методам проектирования и изготовления. Хрупкое разрушение может появиться только в результате неблагоприятного сочетания нескольких факторов. То же самое относится и к остаточным напряжениям, которые влияют на характеристики разрушения лишь в сочетании с другими факторами.

Факторы, влияющие на хрупкую прочность элементов конструкции (табл.2), возникают при выплавке стали, выборе конструктивной формы, изготовлении и эксплуатации металлоконструкции. Влияние каждого из факторов в отдельности а также их совместное воздействие на вероятность разрушения конструкций изучена недостаточно. Это не позволяет в полной мере применять вероятностные методы к металлоконструкциям[20].

При существующих методах расчета конструкций по предельным состояниям аппарат математической статистики используется лишь при оценке механических свойств материала и нагрузки.

Табл. 2 Факторы, влияющие на склонность к хрупкому разрушению металлических конструкций.

Изготовление	Конструирование	Эксплуатация
Металлургические факторы	Технологические факторы	Эксплуатационные факторы
Химический состав металла	Концентрация напряжений	Пониженная температура
Структура металла	Остаточные сварочные напряжения и деформации	Увеличение скорости нагружения
Естественное старение	Многоосность напряженного состояния	Воздействие коррозии
Пластическое деформирование при обработке	Размеры изделия	Наклеп
Наличие дефектов в металле	Остаточные напряжения от сборки и сварки	Ремонт

При исследовании наиболее характерных источников хрупких разрушений сварных металлоконструкций отмечалось, что надежность отдельных узлов и элементов зависит от пластических свойств стали и вида напряженного состояния в зоне концентрации напряжений.

Таким образом, конкретные аварии ГПМ свидетельствуют о том, что до настоящего времени экспертные организации не имеют научно-обоснованных методов оценки их технического состояния, а, следовательно, они не в состоянии достоверно прогнозировать остаточный ресурс и оценивать живучесть ГПМ.

При расчетной оценке прочности и работоспособности металлических конструкций недостаточно учитываются изменяющиеся в широких пределах физико-механические параметры сварных соединений, а также возникающие различные дефекты, что не позволяет достоверно моделировать процессы разрушения.

Решение вышеперечисленных проблем должно базироваться на новых научных подходах (в том числе диагностирование сварных соединений металлоконструкций ГПМ) основанных на последних достижениях физики и математики (использование основных принципов синергетики, математического моделирования, мезомеханики неоднородных сред и др.).