ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ДИАГНОСТИКА ПОВРЕЖДАЕМОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН

Специальность

05.02.13 Машины, агрегаты и процессы

(машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Тула 2010

Работа выполнялась в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сорокин Павел Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Иноземцев Александр Николаевич

кандидат технических наук

Сероштан Владимир Иванович

Ведущая организация: ООО НПП «Подъемтранссервис» (Московская обл., Пушкинский район, пос. Лесной).

Защита состоится «1» декабря 2010 г., в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.271.10 при ГОУ ВПО Тульский государственный университет (300012, Тула, пр. Ленина, 92 (9-101)).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан «21» октября 2010 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета В.А. Крюков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. 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.

В ближайшем будущем это приведет к снижению надежности и безопасности эксплуатации металлоконструкций грузоподъемных кранов в целом, и в результате коррозионного разрушения, вызывающего изменение параметров рабочих режимов и отказ грузоподъемного крана, в частности.

Коррозионное повреждение приводит к снижению несущей способности конструкции за счет уменьшения сечения конструктивного элемента и развитию многочисленных усталостных трещин.

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. Однако существующие методы диагностики мостовых и козловых кранов не позволяют определять все необходимые показатели коррозии (механические). Кроме того в методических указаниях по обследованию грузоподъемных машин в настоящий момент нет средств (математических моделей) позволяющих прогнозировать развитие коррозионных повреждений.

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.

Объектом исследования являются листовые сварные металлоконструкции коробчатого сечения мостовых и козловых кранов.

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 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 по цветовым свойствам наружного подслоя ржавчины.

Научная новизна состоит в том, что установлена связь между развитием усталостных и коррозионных повреждений стальных металлоконструкций, которая впервые учитывает кинетику процесса атмосферной коррозии и влияние воздействия основных факторов коррозионного повреждения: относительной влажности воздуха, степени загрязненности атмосферы агрессивными газами, особенности конструктивного исполнения, химического состава 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), на 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).

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. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложена ее структура и кратко раскрыто содержание разделов диссертации, рассмотрено современное состояние вопроса коррозии металлов и металлоконструкций грузоподъемных кранов в частности, обоснована актуальность разрабатываемой темы.

В первом разделе определено общее состояние парка грузоподъемных машин России. Отмечена тенденция, характеризующаяся снижением надежности и безопасности подъемных кранов в результате воздействия многочисленных факторов, в том числе и коррозионного разрушения металлоконструкций.

Рассмотрены и обоснованы многочисленные факторы, которые должны учитываться при оценке воздействия атмосферной коррозии на состояние несущих металлоконструкций: относительная влажность воздуха, степень загрязненности атмосферы агрессивными газами, особенности конструктивного исполнения, химический состав сплава.

Определены существующие способы диагностики коррозионного состояния крановых металлоконструкций, их преимущества и недостатки.

Основы теории коррозии металлов представлены в трудах Г.К. Берукштиса, В.И. Будынкова, В.В. Герасимова, А.П. Жукова, А.А. Герасименко, В.С. Кемхадзе, Я.М. Колотыркина, С. Крамера, О. Кукурса, Ю.Н. Михайловского, А.С. Неверова, В. Плудека, Х. Рачева, П. Роберже, И.Л. Розенфельда, И.В. Семенова, В.В. Скорчелетти, И.Я. Сокола, А.М. Сухотина, Н.Д. Томашова, П. Швейцера, Л. Шрайера.

Основы теории коррозионно-механического разрушения металлов представлены в трудах А.А. Герасименко, Г.В. Карпенко, Х. Логана, Н.А. Махутова, И.Г. Овчинникова, В.В. Панасюка, В.В. Петрова, В.И. Похмурского, В.В. Романова, О.И. Стеклова.

Основы теории эксплуатации и диагностики грузоподъемных машин изложены в работах И.О. Абрамовича, А.П. Баранова, А.В. Вершинского, А.И. Головина, М.М. Гохберга, В.С. Дронова, Г.Г. Дубенского, В.С. Котельникова, А.С. Липатова, К.Д. Никитина, С.А. Соколова, В.И. Сероштана, П.А. Сорокина и др.

Обзор состояния работ по проблеме коррозии несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов в России показал, что:

– состояние парка грузоподъемных машин России в ближайшем будущем будет только ухудшаться, что приведет к многочисленным отказам и повышению уровня аварийности по стране в целом;

– проблема коррозии железных сплавов в целом не решена и не будет решена в ближайшем будущем, поэтому следует ожидать дальнейшее увеличение коррозионных потерь металла в стальных металлоконструкциях.

Второй раздел посвящен экспериментальным исследованиям стальных образцов и реальных крановых металлоконструкций с целью определения наличия корреляционных связей между показателями коррозии и основными факторами среды, влияющими на развитие коррозионных повреждений.

Исследование глубинного показателя коррозии производилось на основании экспериментальных испытаний стальных образцов и элементов металлоконструкций (Ст3 ГОСТ 380-71, 09Г2, 09Г2С, 10ХСНД, 15ХСНД ГОСТ 19281-89) приведенных в работах О. Кукурса, Ю.Н. Михайловского и И.Л. Розенфельда. Методом регрессионного анализа было установлено влияние на глубинный показатель коррозии следующих факторов: относительной влажности воздуха, концентрации загрязнений сернистым ангидридом, температуры окружающей среды, особенностей конструктивного исполнения сечений узлов металлоконструкций, кинетики процесса коррозии, химического состава сплава.

Рассматривался вопрос и локального коррозионного разрушения металлоконструкций при питтинговой коррозии. Экспериментальная база данной части исследования основана на работах А.А. Герасименко, В.С. Кемхадзе, И.Л. Розенфельда. Были определены коэффициенты питтингообразования для сталей Ст3, 10ХСНД и 15ХСНД.

Кроме того проводилось обследование реальных крановых металлоконструкций. На основе экспериментальных данных были выявлены наиболее вероятные места сквозного коррозионного разрушения стальных балок коробчатого сечения, а именно – зона окончания боковых стенок.

На основе работ О. Кукурса и А.М. Сухотина было проведено исследование структуры слоя ржавчины при атмосферной коррозии. Ими было определено, что слой ржавчины состоит из трех подслоев. Наибольшее внимание в процессе данного исследования было уделено окислам наружного подслоя ржавчины: гётиту, лепидокрокиту, магнетиту. Обнаружено, что с течением времени лепидокрокит превращается в гётит (вплоть до полного вытеснения) и его содержание в подслое снижается. Также было определено, что чем сильнее агрессивность среды, тем выше содержание в наружном подслое ржавчины магнетита. В дальнейшем проводился анализ цветовых свойств окислов наружного подслоя ржавчины, на основании которого было сделано заключение о том, что возможно определять глубинный и механический показатели коррозии оптическим методом диагностики, который подробно описан в пятом разделе работы.

Третий раздел диссертационной работы посвящен созданию математических моделей развития коррозионных дефектов в металлоконструкциях.

В процессе исследования было выделено три основных фактора воздействия среды: явление адсорбционного понижения механических характеристик материала; снижение несущей способности металлоконструкции вследствие износа конструктивных элементов; развитие локальных коррозионных повреждений (питтингов).

Адсорбционное воздействие среды на материал объясняется эффектом Ребиндера, оно первично и универсально для всех твердых тел. Следует отметить, что адсорбционное воздействие мгновенно и процесс снижения механических характеристик материала протекает до тех пор, пока есть контакт на границе материал-среда.

Коррозионный износ – это уменьшение площади поперечного сечения металлоконструкции, приводящее к снижению ее несущей способности при совместном воздействии коррозии и внешних нагрузок.

Локальные коррозионные процессы протекают довольно быстро, в зависимости от степени агрессивности среды. В среднем скорость развития питтинга в 2,5–5 раз выше скорости поверхностной коррозии, что вызывает образование опасных концентраторов напряжений.

Поскольку грузоподъемные краны – это машины циклического действия, то в работе был рассмотрен вопрос о воздействии агрессивной среды на накопление усталостной повреждаемости металлоконструкций.

Для того чтобы учесть влияние агрессивной среды на процесс усталостного разрушения, необходимо использовать дополнительный параметр S в уравнении накопления усталостной повреждаемости, характеризующий воздействие агрессивной среды:

где – мера накапливаемой усталостной повреждаемости; τ_э – время; σ – уровень повреждающих напряжений; S – параметр агрессивного воздействия среды.

К параметрам агрессивного воздействия среды относится глубина деградации – параметр, учитывающий изменение величины коррозионного износа:

где V – средняя скорость коррозии, мм/год; τ – время коррозии, лет.

Согласно экспериментальным данным была определена зависимость между значениями средней скорости коррозии и концентрации агрессивных загрязнений. Методом регрессионного анализа было получено следующее выражение для малоуглеродистой стали Ст3:

где – концентрация агрессивных загрязнений, мг/м³.

Далее было рассмотрено влияние относительной влажности воздуха на изменение скорости коррозии, что реализовано в виде k_φ – коэффициента влажности среды. Коэффициент влажности среды показывает во сколько раз скорость коррозии при некотором значении относительной влажности воздуха меньше контрольного (при относительной влажности 100%):

где φ – относительная влажность воздуха ( ).

тогда выражение скорости коррозии приняло вид:

Согласно анализу экспериментальных данных определено, что наиболее точно кинетику процесса коррозии воспроизводит модель:

где A и n – постоянные параметры, причем А определяет агрессивность среды, а n – коррозионную стойкость материала. И установлены зависимости параметров A и n от аэрохимичеких показателей агрессивной среды, что было реализовано в следующем виде

Далее на примере балок коробчатого сечения было произведено уточнение модели с учетом фактора неравномерности распределения коррозионного износа по периметру сечения металлоконструкции. Были проанализированы эпюры распределения коррозии по периметру сечения коробчатой балки в работах И.Л. Розенфельда (рис. 1.).

Рис. 1. Распределение коррозии по периметру балки коробчатого

стального сечения (мм/год):

1 – верхний пояс; 2 – окончание боковой стенки

В результате были выделены следующие участки конструкции, резко отличающиеся друг от друга величиной коррозионного износа: верхняя поверхность поясных элементов; нижняя поверхность поясных элементов; окончание боковых стенок. С учетом эпюр распределения коррозии, была проведена корректировка модели путем введения специального коэффициента, отражающего степень подверженности коррозии отдельных элементов металлоконструкции. Данный коэффициент был назван коэффициентом конструктивного исполнения или (для верхней поверхности горизонтального пояса – 1,0; окончания боковой стенки – 0,95; нижней поверхности горизонтального пояса – 0,37).

Далее область применения модели была расширена до прогнозирования глубинного показателя коррозии низколегированных сталей. Что реализовано путем введения специального коэффициента – коэффициента материала (для Ст3 равный 1; 09Г2 – 2; 09Г2С – 3; 10ХСНД – 4).

После определения всех необходимых значений коэффициента материала, было получено:

где – глубинный показатель коррозии, мм.

В результате, для достижения наиболее точного прогнозирования диагностируемых параметров коррозии, разработан следующий комплекс математических моделей, который, в отличие от предшественников, представляет собой целую систему математических уравнений, что позволяет учитывать больше факторов моделируемого процесса.

Проверка модели с помощью критерия Фишера подтвердила ее адекватность.

Путем введения в математическую модель дополнительного коэффициента питтингообразования получено:

где – глубина питтинга, мм; – коэффициент питтингообразования.

Поскольку грузоподъемные машины проектируются из расчета, что металлоконструкция будет работать в упругой области, характеризующейся отсутствием остаточной деформации после снятия приложенной нагрузки, то в качестве контролируемого параметра адсорбционного воздействия среды был выбран предел текучести материала. Кроме того учитывался и фактор колебания температур среды, приводящий к изменению пластичности материала.

Модель воздействия агрессивной среды на механические характеристики материалов реализована в виде зависимости:

где – величина предела текучести вследствие адсорбционного воздействия среды; Т – температура окружающей среды; – характеристики материала; – предел текучести материала при температуре Т₀ = 293К(20^оС).

Четвертый раздел посвящен вопросу оценки изменения напряженно-деформированного состояния элементов металлоконструкций мостовых кранов при эксплуатации в условиях атмосферной коррозии. На основании расчетов конечно-элементных моделей (рис. 2) в программном пакете APM WinMachine было показано, что наиболее опасными местами коррозионного разрушения влияющими на эксплуатационную пригодность металлоконструкции в целом, являются околошовные зоны окончаний боковых стенок. Установлено, что локальный характер коррозионного износа боковых стенок существенно влияет на усталостную прочность металлоконструкции. Так расчете главных балок мостовых кранов было зафиксировано снижение усталостной прочности от 2,9 до 15,6 раз (в случае сквозного локального разрушения стенок).

Рис. 2. Карта усталости главной балки мостового крана

Также был рассмотрен вопрос о влиянии коррозионных повреждений на процесс усталостного разрушения реальных металлоконструкций мостовых кранов. Было определено влияние основных факторов коррозии на проявление усталости в металлоконструкциях подъемных кранов.

Коррозионный износ конструктивных элементов наблюдается в течение всего жизненного цикла металлоконструкции. Его накопление приводит к снижению несущей способности металлоконструкции и увеличению напряжений при постоянной во времени нагрузке. В связи с этим необходимо постоянно корректировать приложенные нагрузки, чтобы избежать превышения значений возникающих в конструкции напряжений некоторой определенной величины и выдержать ее работоспособность определенное число циклов нагружения.

Адсорбционное же воздействие среды заключается в изменении усталостной прочности материала под влиянием адсорбирующихся поверхностно-активных компонентов среды на внешних или внутренних поверхностях материала при действии циклических напряжений.

В основе исследования лежит анализ модели Л.А. Сосновского, описывающей этап зарождения усталостных трещин в малоуглеродистых и низколегированных сталях на стадии рассеянной повреждаемости:

где – число циклов на стадии рассеянной повреждаемости; и – параметры, определяемые физико-механическими свойствами материала; – присутствующая до нагружения мера структурного повреждения; – структурно поврежденный объем, обусловленный числом циклов нагружения n при переменном уровне действующей нагрузки; – опасный объем; – величина максимальных напряжений, МПа; – уровень повреждающих напряжений, МПа.

Мера накапливаемого усталостного повреждения

Уровень повреждающих напряжений

где – предел выносливости МПа.

На основании анализа данных выражения были сделаны следующие предположения: агрессивная среда приводит к увеличению коррозионного износа, а, следовательно, и к увеличению , адсорбционное воздействие среды к снижению , поэтому в целом будет происходить рост характеристики .

Согласно модели нагрузка Q может приводить к возникновению максимально допустимых напряжений уровня . Адсорбционное воздействие среды приводит к максимальному снижению механических характеристик и на 15 % (в условиях сильноагрессивной среды). Следовательно, величина повреждающих напряжений будет равна

То есть, в результате коррозионного повреждения допустимый уровень повреждающих напряжений уменьшится.

Считая скорость потери телом сплошности на стадии рассеянной повреждаемости равной

получается, что накопление усталостного повреждения при воздействии коррозии будет происходить быстрее, чем при «чистой» усталости. Так для Ст3сп в условиях циклического растяжения с асимметрией цикла в сильноагрессивной среде скорость потери телом сплошности на 16,5 % выше, чем в случае «чистой» усталости.

Деградация характеристик и свойств элементов металлоконструкций в агрессивной среде будет происходить постепенно со временем, и чем сильнее коррозия, тем больше коррозионные повреждения будут влиять на накопление усталостной поврежденности.

В пятом разделе представлены разработанные метод и способы диагностики коррозионных повреждений крановых металлоконструкций.

Был разработан оптический метод мониторинга коррозионного состояния несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов. Метод основан на анализе и количественной оценке изменений цветовых свойств окислов наружного слоя ржавчины и определении по ним глубинного и механического показателей коррозии.

Согласно экспериментальным данным была получена следующая зависимость:

где М – содержание магнетита, %.

Под содержанием магнетита (М) понимается площадь очага коррозии, которую занимает магнетит на его поверхности. Данное выражение позволяет определять скорость коррозии, которая зависит от степени агрессивности среды, которая в свою очередь позволяет определять адсорбционное понижение прочности материала согласно данным таблицы РД 10–112–5–97.

Второй параметр, контролируемый оптическим методом – это время коррозии τ. В качестве диагностируемого параметра была выбрана площадь занимаемая гётитом. Получены три выражения для определения содержания гётита в ржавчине при разных аэрохимических условиях.

Для неагрессивной среды:

где α – содержание гётита, % ( );

для слабоагрессивной среды ( ):

и для среднеагрессивной среды ( ):

Разработанный метод может быть использован для диагностики коррозионных процессов и прогнозирования остаточного ресурса металлоконструкций с учетом изнашивания конструктивных элементов.

Поставленная задача решается тем, что определяют очаг коррозионного поражения металлоконструкции, на него устанавливают датчик и исследуют коррозионное повреждение. Процесс диагностирования заключается в следующем (рис. 3): устанавливают бесконтактный датчик и исследуют коррозионное повреждение оптическим методом, согласно которому определяют время развития очага коррозии и степень агрессивности атмосферной среды по изменению оптических свойств поверхности очага коррозии.

Рис. 3. Оптический метод диагностики коррозионных повреждений

Мерой определения срока развития коррозионного очага является количественная оценка изменения координат цвета преобладающего в данном очаге окисла ржавчины (гетит, лепидокрокит, магнетит) по шкале RGB. Установив значение площади поверхности с координатами цвета, соответствующее каждому из окислов определяют время развития очага коррозии.

Данный метод позволяет определять очаговый, глубинный и механический показатели коррозии, всего 3 показателя, что на один показатель (33 %) больше по сравнению с применяемыми в настоящее время способами диагностики (способ визуальных наблюдений, ультразвуковая толщинометрия). Соответственно его применение позволяет повысить точность определения долговечности (ресурса) металлоконструкции в 1,5 раза.

Так же в работе была предложена усовершенствованная схема проведения ультразвуковой толщинометрии мостовых кранов. Помимо проведения замеров толщины нижнего пояса рекомендовано дополнительно контролировать толщину боковых вертикальных стенок в зонах, расположенных на расстоянии 50...100 мм от нижнего пояса, так как здесь наиболее высока вероятность опасного сквозного разрушения металлоконструкции.

Кроме того, был разработан способ ускоренного определения коррозионных потерь сталей основанный на принципе пропорциональности, согласно которому прирост глубинного показателя коррозии за пропорциональные промежутки времени одинаков. Справедливость данного утверждения подтверждается проведенными расчетами.

Предложенная методика пропорционального распределения временных промежутков в рамках проведения испытаний малоуглеродистых и низколегированных сталей на коррозионную стойкость, позволяет сократить общие временные затраты испытаний на 38 %.