Введение к работе
Актуальность темы. Оборудование металлургического производства характеризуется значительными габаритами, нагрузками, единичными мощностями, уровнями накопленной потенциальной энергии во время выполнения большинства технологических операций. Аварии, происходящие на металлургических объектах из-за разрушения элементов оборудования, сопровождаются большим числом пострадавших и значительными материальными потерями. Длительные сроки эксплуатации основных металлургических агрегатов, оборудования и технологических коммуникаций (в среднем 40-50 лет) позволяют прогнозировать значительное ухудшение безопасности эксплуатации и возникновение предпосылок к аварийным ситуациям.
Значительная часть аварий металлургического оборудования обусловлена отставанием развития методов проектирования и расчета несущих конструкций, их несоответствием современным жестким требованиям к обеспечению прочности, надежности и безотказности. Таким образом, несущие конструкции металлургического оборудования необходимо рассматривать как объекты повышенной ответственности, методы проектирования и эксплуатации которых следует совершенствовать для повышения эффективности оборудования в целом, исключения тяжелых разрушений и аварий.
В связи с этим актуальными являются разработка методических подходов к оценке прочности и ресурса несущих конструкций металлургического оборудования на стадии возникновения (усталостная долговечность) и развития (живучесть) трещиноподобных дефектов с целью обеспечения эффективной безаварийной эксплуатации машин.
Цель работы заключается в разработке и реализации методики оценки и обеспечения количественных показателей живучести несущих конструкций технологического оборудования металлургического производства.
Идея работы состоит в прогнозировании и обеспечении показателей живучести конструкций с развивающимися трещиноподобными дефектами для предотвращения аварий и разрушений технологического оборудования с учетом факторов риска металлургического производства.
Задачи исследований:
-
Обоснование требований к живучести несущих конструкций оборудования с учетом факторов риска металлургического производства.
-
Обоснование количественных показателей живучести несущих конструкций технологического оборудования и разработка методики их определения.
-
Оценка опасности трещиноподобных дефектов и обоснование их безопасных размеров для типовых элементов конструкций.
-
Анализ живучести конструкций технологического оборудования.
-
Обоснование конструктивных решений по повышению живучести оборудования.
Методы исследований: аналитические, численные, экспериментальные методы теории упругости, пластичности, механики разрушения, пакеты прикладных программ.
Основные научные положення, защищаемые автором: 1. Требования к живучести несущих конструкций зависят от опасности их разрушения, определяемой принадлежностью оборудования к технологи-
ческим группам, группам опасности и живучести, устанавливаемым путем структурной схематизации производственных систем, построения и анализа циклограммы риска производственных процессов.
-
Расчетно-экспериментальная оценка и обеспечение предложенной системы показателей живучести является необходимым условием предотвращения разрушения конструкций с развивающимися трещиноподобными дефектами.
-
Нормирование технологической и эксплуатационной дефектности конструкций выполняется на основе полученных расчетно-экспериментальных зависимостей показателей живучести от размера дефекта с учетом потенциальной опасности разрушения конструктивных зон.
-
Условием предотвращения аварийных ситуаций и катастрофических разрушений несущих конструкций является разработка и применение технических средств повышения живучести, расчетно-экспериментальное обоснование конструктивных параметров которых осуществляется в связи с диагностируемыми или допускаемыми размерами трещиноподобных дефектов.
Достоверность научных результатов обеспечена использованием эксплуатационных данных по разрушениям и авариям оборудования, экспериментальными исследованиями живучести моделей анодной штанга комплексного технологического крана алюминиевого производства и барабанов ленточных конвейеров, применением современных методов математического и компьютерного моделирования.
Новизна научных положений. Сформулированные научные положения обладают достаточной новизной:
-
Принципиально новыми являются методики структурной схематизации производственных систем, построения и анализа циклограммы риска технологических процессов, позволившие оценить опасность разрушения и впервые обосновать дифференцированные требования к живучести несущих конструкций оборудования.
-
Впервые предложена система количественных показателей живучести с учетом систематизации конструкций по технологическим группам, группам опасности и живучести, а также разработана методика их расчетно-экспериментальной оценки.
-
Впервые получены оценки живучести и обоснованы безопасные размеры трещиноподобных дефектов оболочечных элементов конструкций с учетом фактического режима эксплуатации: для трубчатой вращающейся печи -особенностей термомеханического нагружения по технологическим зонам ее рабочего пространства, для барабанов ленточных конвейеров - усилия натяжения конвейерной ленты.
-
При исследовании технических средств повышения живучести оборудования получены новые конструктивные решения защиты конструкций от разрушения, предложена и реализована методика их расчета в условиях штатных и аварийных нагрузок.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации цели и задач исследования, сборе и анализе данных по отказам и авариям металлургического оборудования, исследовании напряженно-деформированного состояния элементов несущих конструкций с трещиноподобными дефектами, получении расчетных и экспериментальных оценок долговечности и живучести типовых конструкций обо-
рудования.
Практическая значимость работы заключается в обосновании дифференцированных требований к прочности и ресурсу несущих конструкций технологического оборудования, получении оценок долговечности, живучести и безопасных размеров дефектов типовых элементов конструкций оборудования, разработке и реализации методик расчетного обоснования конструктивных решений, обеспечивающих повышение живучести.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на VII Всероссийской конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (Красноярск, 2003), межрегиональной конференции молодых ученых «Проблемы безопасности жизнедеятельности в техносфере» (Благовещенск, 2004), Всероссийской и межрегиональной научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых (Красноярск, 2005, 2006), III Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2006), Международной научно-практической конференции «Стратегические приоритеты и инновации в производстве цветных металлов и золота» (Красноярск, 2006), Всероссийской конференции «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций» (Новосибирск, 2006), Международной конференции «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании» (Павлодар, 2006), II Всероссийской конференции «Безопасность и живучесть технических систем» (Красноярск, 2007), научных семинарах Отдела машиноведения Института вычислительного моделирования СО РАН, кафедры «Горные машины и комплексы» Сибирского федерального университета, Отдела механики деформирования и разрушения Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН.
Внедрение результатов осуществлено в условиях Саяногорского алюминиевого завода (ООО «АП-Сервис») при расчетном обосновании конструктивных решений по усилению анодной штанги комплексного универсального анодного крана, позволивших повысить ресурс узла в среднем на 30%, и в АО «Тестмаш» при постановке и проведении экспериментов по исследованию живучести барабанов ленточных конвейеров при наличии трещиноподобных повреждений, о чем имеются соответствующие акты внедрения.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 18 публикациях, в том числе в трех рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных результатов и выводов, приложений. Основное содержание и выводы изложены на 136 страницах. Работа содержит 56 рисунок и 9 таблиц. Список использованных источников включает в себя 263 наименований.
