Остаточный ресурс кранов

Развитие техногенной сферы на рубеже XXI века в целом привело к созданию новых технических решений и технологий, позволивших достигнуть небывалого прогресса во всех сферах жизнедеятельности. Однако при этом создались и невиданные ранее угрозы человеку, техническим системам, среде обитания человека.

На основании этого Европейское Экономическое Сообщество приняло директиву №82/501/ЕЭС «О предотвращении крупных промышленных аварий», в которой введены категории опасных производственных объектов. В Российской Федерации в 1997 г. был принят федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов». Этим законом к категории опасных производственных отнесены объекты, на которых используются стационарно установленные грузоподъемные машины (подъемные сооружения).

Отнесение грузоподъемных машин к опасным производственным объектам вызвано достаточно большим количеством случаев (около 15%), связанных с техническим состоянием кранов.

В настоящее время в России сложилась чрезвычайно сложная ситуация во всех областях промышленности, связанных с использованием грузоподъемных машин. Крановое хозяйство страны стремительно стареет, а возможности для его обновления у большинства организаций, эксплуатирующих грузоподъемное оборудование, отсутствуют. В частности, по данным Ростехнадзора, около 95% мостовых кранов в России выработали свой нормативный срок службы, известны случаи работы кранов, изготовленных еще в конце позапрошлого века. В связи с этим остро встал вопрос о возможности дальнейшего использования существующей на сегодняшний день грузоподъемной техники. Очевидно, что многие из грузоподъемных машин, выработавших свой нормативный срок, находятся в работоспособном состоянии. Как следствие, большое значение приобретают задачи повышения безопасности эксплуатации и оценка остаточного ресурса исчерпавшего свой нормативный срок грузоподъемного оборудования.

На основании изложенного можно сказать, что одной из главных задач эксплуатирующих грузоподъемное оборудование организаций является повышение безопасности грузоподъемных кранов и достоверное определение остаточного ресурса кранов с тем, чтобы можно было своевременно планировать модернизацию кранов с целью продления срока службы, или, в крайнем случае, замену при невозможности дальнейшей эксплуатации. Актуальность этой задачи усугубляется еще и тем, что большинство кранов отработало нормативный срок службы (более 30 лет).

Особенно важно выделить краны с высоким классом ответственности, обслуживающие такие объекты как атомные, тепловые и гидроэлектростанции, которые оцениваются по энерговооруженности и последствиям от отказов как технические системы.

При большом объеме исследований по определению остаточного ресурса практически нет обоснования значений остаточного ресурса грузоподъемных кранов легких групп классификации. Сегодня в нашей стране существует несколько методик для определения остаточного ресурса, пять из которых утверждены Госгортехнадзором. Эти методики позволяют адекватно определить остаточный ресурс кранов тяжелых групп классификации, однако в отношении кранов легких групп ни одна из них не в состоянии дать четкую количественную оценку срока, на который возможно продление эксплуатации кранов такого типа. Большинство из существующих методик либо рекомендует для кранов легких групп классификации экспертный метод оценки остаточного ресурса, либо распространяют свое действие лишь на краны тяжелых групп классификации. Это связано, в первую очередь, с отсутствием инженерных расчетов, позволяющих определить развитие повреждений, являющихся критериальными для кранов легких групп.

Исторически первой методикой определения остаточного ресурса металлоконструкций в нашей стране была методика, разработанная в 1982 году в Челябинском Политехническом институте (ЧПИ). В ее основу легла классическая теория усталости металлов, характеризуемая кривой Велера. В дальнейшем на основе опыта ее применения и новых теоретических материалов она была дополнена и приняла законченный вид во второй половине 90-х годов прошлого века. Главным положением методики является постоянство произведения числа циклов нагружения и напряжения, возведенного в определенную степень «m»

Z m = const, (1)

где m – показатель кривой Велера.

Таким образом, задача определения ресурса решается в детерминированном аспекте, при этом принимается принцип суммирования повреждений. Обосновывая выбранный подход, авторы методики указывают на отсутствие аппаратной фиксации нагрузок и циклов нагружения, что остается существенной проблемой при определении ресурса и на сегодняшний день, поскольку предлагаемые регистраторы параметров нагружения крана большинству эксплуатирующих организаций недоступны из-за их достаточно высокой стоимости.

В рассматриваемой методике для сбора статистических материалов о загрузке крана впервые было предложено использовать данные, предоставленные организацией-владельцем. Для этого была разработана специальная форма «Справка о характере работы крана», в которой должны быть указаны все необходимые для расчета ресурса сведения. Для проверки предоставленных сведений авторы методики настоятельно рекомендуют лицам, проводящим расчет ресурса, ознакомиться с условиями и технологией работы рассматриваемого крана. Однако очевидно, что для качественного проведения таковой оценки необходимо затратить достаточно длительное время, причем начинать ее проведение необходимо с самого начала эксплуатации диагностируемой машины. Поэтому ключевую роль при определении ресурса играют данные, указанные владельцем в «Справке о характере использования», которые по объективным или субъективным причинам не всегда являются достоверными.

Данная методика получила долгую проверку практикой и, несомненно, является самой проверенной из существующих сегодня. Тем не менее, она имеет ряд недостатков: 

Во-первых, результаты расчета весьма существенно зависят от выбранной величины показателя m, однако рекомендации по его выбору в методике не отражены.

Во-вторых, расчет производится только на сопротивление усталости металла крана, причем до момента появления в кране усталостных повреждений. Однако современные работы рекомендуют также учитывать период развития этих повреждений до критического значения. В данной методике не учитываются имеющиеся в металлоконструкции коррозионные разрушения, что делает ее применимой в большей степени для кранов тяжелой и средней группы классификации, работающих в неагрессивных средах.

В-третьих, данная методика никак не отражает реальное состояние металлоконструкции крана на момент исследования, то есть не учитывает уже имеющиеся в металле деформации, повреждения или ремонтные изменения.

Появившаяся следом методика определения остаточного ресурса металлических конструкций, разработанная Санкт-Петербургским государственным техническим университетом под руководством Соколова С.А. строилась также на численном расчете ресурса выносливости металлоконструкции. Хотя при расчете учитывалась также возможность потери несущей способности в результате вязкого разрушения или возникновения остаточных деформаций, а также при потере местной устойчивости.

При расчете предельного усталостного повреждения условно процесс делится на два этапа. На первом этапе при развитии трещины от начала циклического нагружения до возникновения магистральной трещины определенного размера (4…8 мм). На этой стадии характеристикой сопротивления усталости является предел выносливости, накопление повреждения описывается с помощью гипотезы линейного суммирования.

Эта методика на сегодняшний день точнее остальных рассматривает развитие усталостного повреждения, с применением более современного расчетного аппарата.

Однако она малоприменима для кранов легкого режима, так как для них рекомендуется только проверка на потерю несущей способности (либо в результате вязкого разрушения, либо возникновения остаточных деформаций или потери местной устойчивости), которая не может дать количественных результатов.

Среди прочих методик, разработанных в последнее время, стоит особо выделить методику определения ресурса на основании так называемого «характеристического числа». Само характеристическое число представляет из себя произведение коэффициента распределения нагрузок на число циклов, выполненных краном. Сравнивая текущее характеристическое число с нормативным для группы классификации рассматриваемого крана, делается вывод о величине ресурса или об его исчерпании.

Несомненное достоинство рассматриваемой методики – ее простота и применимость к машинам любого типа и любой группы классификации, тем не менее, на практике она часто дает весьма парадоксальные результаты, особенно для машин высокой группы классификации, что вызвано, по нашему мнению, завышенными значениями нормативных характеристических чисел для этих групп. Кроме этого, данная методика никак не учитывает процессы разрушения, развивающиеся не пропорционально наработке крана, а пропорционально общему времени службы, в первую очередь коррозийное разрушение, что делает ее малоприменимой и для низких групп классификации, для которых одним из определяющих критериев при прогнозировании остаточного ресурса является именно коррозия.

В 2002 году вышел нормативный документ РД 24-112-5Р по оценке остаточного кранов мостового типа. В РД для кранов групп классификации А1-А5 рекомендуется экспертный метод определения остаточного ресурса. Для кранов более высоких групп рекомендуется экспериментально-расчетный метод.

В первом случае остаточный ресурс назначается на основе данных о фактической группе классификации крана и результатов оценки его технического состояния при выполнении работ, предусмотренных РД 10-112-5-97 (Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы). При этом также должны учитываться данные о конструктивных особенностях рассматриваемого крана и о наиболее характерных дефектах и повреждениях, встречающихся в кранах подобной конструкции. Также для определения ресурса должны использоваться такие признаки, как средний срок службы грузового каната, средняя периодичность ремонта или замены узлов механизмов крана, качество технического обслуживания при эксплуатации кранов.

Во втором случае для определения остаточного ресурса помимо данных, необходимых в первом случае, должен также быть произведен расчет одного или нескольких предельных состояний металлоконструкции крана, наиболее вероятных по мнению экспертов. Расчет рекомендуется проводить согласно норм и методов расчета элементов стальных конструкций.

Представляет интерес методика оценки остаточного ресурса Уральского экспертного центра, дающая методически последовательную и простую в использовании методику экспертам. Однако она тоже базируется на определении характеристического числа, а отсюда имеет те же указанные выше недостатки.

Проведенный анализ существующих методик определения остаточного ресурса позволяет сделать вывод, что все они касаются в основном кранов тяжелых и средних групп классификации, численная же оценка величины ресурса производится, как правило, на основе расчета на предельное состояние усталости. Для кранов относящихся к легкой группе классификации, все данные методики малоприменимы, либо рекомендуют экспертный метод, недостатки которого уже приводились выше.

Для кранов данного типа предельное состояние усталости не может быть определяющим, так как чаще всего такие краны не набирают предельного числа циклов нагружения. Следовательно, прогнозирование остаточного ресурса подобных кранов следует проводить на основе величины коррозионного поражения крана и скорости протекания коррозии. Так же известно, что при коррозионном повреждении существенно снижаются усталостные характеристики металла. Этот процесс получил название коррозионной усталости и не учитывается ни в одной из рассмотренных методик. Таким образом, главными критериями для определения остаточного ресурса кранов высокого класса ответственности и легкого режима работы следует считать:

1) возникновение недопустимых остаточных деформаций или хрупкое разрушение, а также потеря несущей способности расчетных элементов металлоконструкции крана вследствие утонения расчетных сечений, вызванных коррозийным процессом,

2) хрупкое разрушение расчетных элементов металлоконструкции крана вследствие развития коррозионной усталости.

статья взята с сайта ensita.net
оригинал статьи