Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ конструктивно-технологических и эксплуатационных особенностей металлических конструкций карьерных экскаваторов
1.1. Конструктивное исполнение и технологические особенности типовых металлических конструкций карьерных экскаваторов 17
1.2. Условия эксплуатации и особенности расчета металлических конструкций карьерных экскаваторов 31
1.3. Выбор объекта исследования 46
1.4. Выводы к главе 1 50
ГЛАВА 2. Выбор оптимальных методов (видов) неразру-шающего контроля сварных конструкций карьерных экскаваторов
2.1. Выбор показателей качества сварных конструкций карьерных экскаваторов 51
2.2. Особенности выбора методов (видов) неразрушающего контроля сварных конструкций карьерных экскаваторов 53
2.3. Методические особенности выявления дефектов при ультразвуковом контроле сварных конструкций карьерных экскаваторов 74
2.4. Обоснование единицы продукции 95
2.5. Выводы к главе 2 98
ГЛАВА 3. Исследования сварочных дефектов металлических конструкций карьерных экскаваторов
3.1. Определение малозначительных дефектов 100
3.2. Влияние основных конструктивно-технологических факторов на вероятность появления дефектов 104
3.3. Влияние основных конструктивно-технологических факторов на размеры дефектов 107
3.4. Несущая способность качественных сварных швов 113
3.5. Оценка влияния дефектов на несущую способность сварных соединений 114
3.5.1. Методы оценки влияния дефектов на несущую способность сварных соединений 114
3.5.2. Оценка влияния дефектов на несущую способность сварных соединений методом, использующим аппарат механики разрушения 117
3.5.3. Оценка влияния дефектов на несущую способность сварных соединений методом концентрации напряжений 123
3.6. Выводы к главе 3 127
ГЛАВА 4. Методологические основы оцеьжи норм допустимости дефектов металлических конструкций карьерных экскаваторов
4.1. Технологические и эксплуатационные нормы допустимости дефек тов 129
4.2. Вероятностные модели оценки норм допустимых дефектов 130
4.3. Выбор методов обоснования норм допустимости дефектов 133
4.4. Метод обоснования норм допустимости дефектов на основе применения аппарата механики разрушения 138
4.5. Метод обоснования норм допустимости дефектов на основе тензо-метрирования конструкций 153
4.6. Метод обоснования норм допустимости дефектов на основе оценки концентрации напряжений 156
4.7. Метод обоснования норм допустимых дефектов на основе применения апробированных норм 160
4.8. Выводы к главе 174
ГЛАВА 5. Методологические основы оценки достоверности неразрушающего контроля металлических конструкций карьерных экскаваторов
5.1. Исследования теоретических моделей оценки достоверности не-разрушающего контроля 176
5.2. Оценка достоверности неразрушающего контроля стыковых швов сварных соединений 188
5.3. Оценка достоверности неразрушающего контроля угловых швов сварных соединений 195
5.4. Выводы к главе 5 198
ГЛАВА 6. Организационные методы обеспечения работ по неразрушающему контролю
6.1. Разработка Концепции управления Системой неразрушающего контроля и основных направлений ее развития 199
6.2. Подсистема аттестации персонала в области неразрушающего контроля 202
6.3. Подсистема аттестации лабораторий неразрушающего контроля 205
6.4 Подсистема аттестации средств неразрушающего контроля 209
6.5. Подсистема аттестации методических документов по неразрушаю-щему контролю 211
6.6. Основные положения Системы неразрушающего контроля 214
6.7. Формирование и результаты деятельности Системы неразрушающего контроля 219
6.8. Выводы к главе 6 236
Заключение 238
Литература
- Конструктивное исполнение и технологические особенности типовых металлических конструкций карьерных экскаваторов
- Выбор показателей качества сварных конструкций карьерных экскаваторов
- Влияние основных конструктивно-технологических факторов на вероятность появления дефектов
- Технологические и эксплуатационные нормы допустимости дефек тов
Введение к работе
Важным фактором, влияющим на вероятность возникновения отказов, аварий и несчастных случаев в горнорудной и угольной промышленности, является состояние применяемых технических устройств [1-5]. Количество установленных причин аварий и несчастных случаев со смертельным исходом из-за неисправностей технических устройств, например, в горнорудной промышленности достигает 39, 2%, а в угольной - 15,8% [6]. Развитие горнорудной и угольной промышленности предопределяется, прежде всего, интенсификацией открытого способа добычи полезных ископаемых [7-9]. Например, в 2003 году добыча угля шахтами и разрезами в России возросла до 270 млн. т., из них открытым способом составила 187,7 млн. т. (58,4%) [10]. Основным видом выемочно-погрузочного оборудования при использовании открытого способа добычи полезных ископаемых являются карьерные экскаваторы [11-16]. Анализ эксплуатационной надежности показывает, что в общей структуре потока отказов карьерных экскаваторов доля отказов механического оборудования составляет 50...70% [17].Решение задач по поддержанию высокой эксплуатационной надежности экскаваторов требует совершенствования и более широкого использования неразрушающего контроля, который является одним из важнейших способов получения информации о работоспособности и надежности технических устройств. Качество этой информации, ее достоверность и оперативность оценки в значительной мере определяют эффективность обеспечения промышленной безопасности [18-22].
Самым распространенным объектом неразрушающего контроля являются металлические конструкции. Металлические конструкции экскаваторов, как правило, сварные конструкции. Развитие научно-технического прогресса в области сварочного производства позволило значительно повысить их эксплуатационные свойства. Вместе с тем широко известно, что сварные соединения до настоящего времени остаются местами, в которых могут возникать и развиваться трещины при эксплуатации различных карьерных экскаваторов: прямых и обратных лопат, грейферов, драглайнов, многочерпаковых добычных и вскрышных экскаваторов. Для оценки результатов неразрушающего контроля сварных конструкций карьерных экскаваторов необходимо формулирование требований к содержанию в их сварных соединениях дефектов. Научное обоснование требований к качеству сварных соединений основывается на изучении влияния дефектов сварки на работоспособность конструкции и должно быть тесно связано с возможностями современных методов (видов) неразрушающего контроля, условиями эксплуатации конструкции и быть экономически обоснованным. При этом Федеральным законом «О техническом регулировании» от 18.12.02 № 184-ФЗ [23] ставятся задачи разработки к продукции требований, имеющих вероятностный характер.
В еще большей степени актуальность данной проблемы обусловливает необходимость обеспечения промышленной безопасности в условиях возрастающего количества карьерных экскаваторов, выработавших свой ресурс и отсутствия средств на их замену и реконструкцию [24, 25]. Это связано с тем, что горнорудная и угольная промышленность в целом переживает серьезные экономические трудности. Предприятия недостаточными темпами производят обновление основных производственных фондов, замену устаревшего оборудования [26, 27]. На некоторых производственных объединениях доля экскаваторного парка, отработавшего нормативный срок службы, превышает 80...90 % [28, 29]. Большая часть эксплуатируемых драглайнов была изготовлена в 70-х и 80-х годах прошлого века [30]. Важность научного обоснования норм допустимости дефектов для определения возможности дальнейшей эксплуатации технических устройств, выработавших нормативный срок службы, подтверждается постановлением Правительства Российской Федерации «О мерах по обеспечению промышленной безопасности опасных производственных объектов на территории Российской Федерации» от 28.03.01. №241 [31].
В тоже время возрастает роль неразрушающего контроля при изготовлении и ремонте карьерных экскаваторов. Это связано с внедрением высокопрочных сталей [32], которые более чувствительны к наличию различных видов дефектов, и широким использованием новых методов расчета конструкций, позволяющих значительно снизить запасы их прочности.
Многочисленные данные практики показывают, что места исправления дефектов часто могут служить потенциальными очагами разрушения металлоконструкций в процессе эксплуатации [33, 34]. Причиной этого являются отрицательные последствия повторной сварки, а именно: остаточные напряжения растяжения, появление малопластичных структур, появление микротрещин с их склонностью к дальнейшему развитию и т. п. «Необоснованная ремонтная сварка» может причинить больший вред, чем неустранённый дефект» [35-37]. Таким образом, исправление сварных соединений с малозначительными дефектами (отдельными порами и включениями, неглубокими подрезами и непроварами, небольшими раковинами и т. п.) целесообразно исключить в целях сохранения работоспособности сварных конструкций.
Следует отметить, что нормы допустимости сварочных дефектов обычно являются не расчетными, а назначаются волевым решением и поэтому в различных странах, отраслях и фирмах нормы по одним и тем же сварным соединениям различаются до десяти раз и более [38, 39, 40]. Применяемые нормы допустимости дефектов во многих случаях не имеют научно обоснованной базы. Значительная часть исправлений сварных соединений необоснованна и перерасход материальных средств на устранение «допустимых дефектов» можно исключить.
Такое положение приводит и к другим серьёзным последствиям -затрудняется внедрение высокоэффективных методов (видов) неразрушающего контроля. Выполняющие неразрушающий контроль специалисты стараются по возможности уменьшить объёмы неразрушающего контроля, т. к. интуитивно чувствуют, что могут оказаться в ситуации, в которой будут вынуждены забраковать достаточно надёжную конструкцию.
Наибольшая эффективность обеспечения безопасной эксплуатации сварных конструкций карьерных экскаваторов может быть достигнута только в результате комплексного подхода к обоснованию требований к качеству сварных соединений и применению научно обоснованной и методически обеспеченной системы неразрушающего контроля. Необходима организационно-методическая система, предусматривающая комплексный подход к вопросам обеспечения качества подготовки персонала и применяемых методических документов, организации процесса контроля, а также состояния и технического уровня используемых средств неразрушающего контроля. Система неразрушающего контроля на опасных производственных объектах - одно из направлений реализации Федерального закона «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.97 №116-ФЗ [41], связанное с качеством изготовления, ремонта и экспертизы промышленной безопасности технических устройств, применяемых на опасных производственных объектах. Решение проблемы повышения эксплуатационной безопасности карьерных экскаваторов за счет совершенствования нормативно-методического и организационного обеспечения работоспособности сварных металлических конструкций, как на стадии изготовления, так и на стадии эксплуатации, особенно после исчерпания установленного ресурса экскаваторов, сегодня относится к числу актуальных научных проблем.
Цель работы - повышение эксплуатационной безопасности карьерных экскаваторов за счет совершенствования нормативно-методического и организационного обеспечения работоспособности сварных металлических конструкций с учетом возможностей современных методов неразрушающего контроля.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
обоснование диагностических возможностей наиболее распространенных методов неразрушающего контроля сварных металлических конструкций;
анализ засоренности различных типов сварных соединений конструкций дефектами, топографии дефектов и их влияния на прочностные свойства сварных конструкций;
исследование выявляемое™ сварочных дефектов и достоверности неразрушающего контроля сварных соединений конструкций;
разработка научно обоснованных методов нормирования допустимости дефектов в сварных соединениях конструкций;
разработка рекомендаций по совершенствованию нормативно-методического обеспечения работоспособности сварных конструкций;
разработка концептуальных положений Системы неразрушающего контроля на опасных производственных объектах, документов, регламентирующих деятельность ее организационных структур, и документов по аттестации лабораторий, персонала, методических документов и средств неразрушающего контроля.
Основные защищаемые положения:
научно-методические основы нормирования допустимости дефектов, направленного на обеспечение работоспособности сварных соединениях и учитывающего возможности сварочного производства;
- научно-методические основы выбора методов неразрушающего контроля сварных конструкций с учетом их конструктивно-технологических особенностей и диагностических возможностей современных методов неразрушающего контроля;
методология обоснования браковочных уровней амплитуд ультразвуковых сигналов, обеспечивающих заданный уровень показателей достоверности ультразвукового контроля сварных соединений;
методология организационного обеспечения неразрушающего контроля, направленного на реализацию возможностей применяемых технических средств и методических документов, современных требований к персоналу и лабораториям неразрушающего контроля.
Научная новизна заключается в следующем:
На основе теоретического и экспериментального обоснования требований к качеству сварных соединений, учитывающих конструктивно-технологические особенности и нагруженность конструкций карьерных экскаваторов, и возможности современных методов неразрушающего контроля, решена проблема создания научно обоснованной системы комплексного мониторинга технического состояния металлических конструкций карьерных экскаваторов, которая базируется на новых методах нормирования дефектов сварных соединений:
- методе, использующем значения расчетной ожидаемой доли брака при изготовлении сварного соединения и расчетной вероятности потери им работоспособности при эксплуатации;
- методе, использующем информацию о реальных дефектах сварных соединениях, которые не привели к разрушению при эксплуатации в достоверно изученных условиях;
- методе оценки допустимых размеров дефектов, использующем вероятностное ранжирование значимости дефектов путем сопоставления значений теоретических коэффициентов концентрации напряжений от дефектов и формы сварных швов, что позволяет дифференцированно подходить к назначению норм дефектности в зависимости от геометрии сварных соединений;
методе, использующем верхнюю огибающую кривую зависимости «размер дефекта - толщина свариваемых элементов», полученной на основе анализа хорошо апробированных на практике технологических норм допустимости дефектов сварных соединений.
Установлены области применения каждого метода в зависимости от объема априорной информации об условиях эксплуатации конструкции, характера дефектности и диагностических возможностей применяемого метода неразрушающего контроля.
Теоретически обоснованы браковочные уровни амплитуд ультразвуковых сигналов для нормативно-допустимых размеров дефектов в зависимости от толщин свариваемых элементов и типов сварных соединений при заданном уровне показателей достоверности ультразвукового контроля, что позволяет минимизировать при контроле сварных соединений значения как суммарной вероятности недобраковки и перебраковки, так и вероятности недобраковки.
Личный вклад автора заключается в:
постановке задач, выборе методов и направлений исследований;
оценке влияния на дефектность сварных соединений карьерных экскаваторов, основных конструктивно-технологических факторов;
исследовании выявляемое™ дефектов и достоверности неразрушающего контроля сварных соединений карьерных экскаваторов;
разработке комплекса методов обоснования норм допустимости сварочных дефектов: вероятностного метода, базирующего на оценках расчетной вероятности потери работоспособности сварного соединения при эксплуатации и ожидаемой доли брака при его изготовлении; вероятностного метода, использующего данные тензометрирования конструкций;
вероятностного метода, учитывающего значения теоретических концентрации напряжений от дефектов и сварных швов; метода, использующего апробированные нормы допустимости сварочных дефектов;
разработке метода выбора браковочных уровней при ультразвуковом контроле сварных соединений, в том числе имеющих конструктивные непровары;
в научно-методическом руководстве работами по разработке нормативно-методических документов по ультразвуковому, радиационному, магнитопорошковому, капиллярному, вихретоковому и визуально-измерительному контролю конструкций карьерных экскаваторов;
участии в разработке Концепции управления Системой неразрушающего контроля и основных направлений ее развития [42], документов, регламентирующих деятельность структур Системы неразрушающего контроля на опасных производственных объектах, и документов по аттестации лабораторий, персонала, методических документов и средств неразрушающего контроля.
Практическая ценность работы заключается в разработке и внедрении комплекта документов методического и организационного обеспечения неразрушающего контроля сварных конструкций карьерных экскаваторов, а именно:
- разработаны и внедрены расчетно-обоснованные нормы допустимости дефектов сварных соединений, учитывающие конструктивно- технологические особенности типовых сварных соединений и влияние сварочных дефектов на усталостную прочность конструкций;
- внедрены расчетно-обоснованные значения браковочных уровней амплитуд ультразвуковых сигналов, обеспечивающие высокую (86...98%) достоверность контроля с учетом оптимальных уровней возможной перебраковки и недобраковки сварных соединений;
- разработаны и введены в действие нормативно-методические документы по ультразвуковому, радиационному, магнитопорошковому, капиллярному, вихретоковому, визуальному и измерительному контролю конструкций карьерных экскаваторов;
- разработаны и введены в действие документы, регламентирующие деятельность организационных структур Системы неразрушающего контроля на опасных производственных объектах, и документы по аттестации лабораторий, персонала, методических документов и средств неразрушающего контроля, в том числе неразрушающего контроля конструкций карьерных экскаваторов.
Методы исследований. Использованы методы теории вероятности и математической статистики при формировании базы данных по дефектности сварных соединений и при исследовании выявляемости дефектов и достоверности неразрушающего контроля. Опасность сварочных дефектов оценивалась с помощью аппарата механики разрушения, метода концентрации напряжений и теории усталости металла. При анализе нагруженности сварных соединений использован тензометрический метод определения напряжений.
Реализация результатов работы. Результаты работы послужили основой при разработке и внедрении следующих нормативных и методических документов:
Методические указания по ультразвуковому контролю металлических конструкций карьерных экскаваторов;
Методические указания по радиационному контролю металлических конструкций карьерных экскаваторов;
Методические указания по магнитопорошковому контролю карьерных экскаваторов;
Методические указания по капиллярному контролю карьерных экскаваторов;
Методические указания по вихретоковому контролю карьерных экскаваторов;
РД 03-606-03. Инструкция по визуальному и измерительному контролю;
Концепция управления Системой неразрушающего контроля и основные направления ее развития;
Положение о Системе неразрушающего контроля;
ПБ 03-372-00. Правила аттестации и основные требования к лабораториям неразрушающего контроля;
Положение о Независимом органе по аттестации лабораторий неразрушающего контроля;
ПБ 03-440-02. Правила аттестации персонала в области неразрушающего контроля;
Положение о Независимом органе по аттестации персонала в области неразрушающего контроля;
Правила аттестации средств неразрушающего контроля;
Положение о Независимом органе по аттестации средств неразрушающего контроля;
Правила аттестации методических документов по неразрушающему контролю;
Положение о Независимом органе по аттестации методических документов по неразрушающему контролю.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на:
15-ой всероссийской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (г. Москва, 1999);
всероссийских научно-практических конференциях по совершенствованию Системы экспертизы промышленной безопасности (г. Сочи, 2000, г. Санкт-Петербург, 2003, г. Москва, 2004);
всероссийских научно-практических конференциях «Промышленная безопасность» (г. Москва, 2001, 2004);
всероссийской научно-практической конференции по совершенствованию Системы неразрушающего контроля (г. Самара, 2001);
2-ом всероссийском семинаре «Проблемы управления промышленной безопасностью (г. Москва, 2001);
8-ой европейской конференции по неразрушающему контролю (г. Барселона, 2002);
международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность» (г. Москва, 2003);
6-ой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (г. Москва, 2003);
3-ей международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (г. Москва, 2004);
научно-практической конференции «Научное и организационное обеспечение экологического, технологического и атомного надзора» (г. Москва, 2005);
4-ой международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (г. Москва, 2005);
научно-технических советах кафедры ТИ-7 Московской государственной академии приборостроения и информатики (МГАПИ), ФГУП «НТЦ «Промышленная безопасность».
Публикации. Основные результаты исследований изложены в 35 печатных работах, в том числе в 14, опубликованных в журналах, перечень которых определен Высшей аттестационной комиссией, одной монографии, Концепции управления Системой неразрушающего контроля и основных направлениях ее развития, утвержденной Госгортехнадзором России, трех нормативных правовых документах Госгортехнадзора России, технических и методических документах, регламентирующих нормы допустимости дефектов, технологии и организационные требования к проведению неразрушающего контроля.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 374 источника. Содержит 284 стр., 20 таблиц, 94 рисунка.
Конструктивное исполнение и технологические особенности типовых металлических конструкций карьерных экскаваторов
На протяжении всего периода отечественного экскаваторостроения, начиная с 1930 г., развитие конструктивных решений карьерных экскаваторов определялось применяемыми технологиями и потребностями увеличения объемов экскавационных работ. Сложившиеся к настоящему времени конструкции и типоразмеры экскаваторов являются отражением основной тенденции, связанной с ростом единичной мощности и емкости ковша экскаваторов циклического действия (лопаты, драглайны) и производительности экскаваторов непрерывного действия (роторные экскаваторы) [17]. Описание основных типов, назначение, принцип действия машин, а также конструкций их узлов приведено в [11-14, 43- 47]. В работе [44] охвачены вопросы истории развития создания и эксплуатации экскаваторов и изложены основные этапы развития конструкций экскаваторов.
На первом этапе развития экскаваторостроения, который приходится на 1930-1940 гг. решались следующие задачи [17, 44, 48]: - на основе анализа конструкций экскаваторов различных фирм США и
Германии определены основные направления разработки моделей отечественных экскаваторов и обоснован их типоразмерный ряд; - разработан типовой расчет одноковшовых и многоковшовых экскаваторов, определены нормы по выбору материалов, допускаемых напряжений и требования к применению в эскаваторостроении такого прогрессивного технологического процесса, как сварка; сформулированы основные положения по стандартизации экскаваторов и взаимозаменяемости их узлов и деталей; - разработаны руководящие документы по режимам эксплуатации, ремонту и техническому обслуживанию экскаваторов; - разработаны методики определения нагрузок, действующих на элементы экскаваторов в процессе их эксплуатации, определения основных параметров экскаваторов, методы расчета экскаваторов прочность и устойчивость; - начато серийное производство одноковшовых экскаваторов с емкостью ковша 0,35; 0,75; 1,5; 2,5; 3,0; 4,0 м3 , созданы первые многоковшовые экскаваторы и разработаны опытные образцы шагающего драглайна (ДШ-0.75, 1936 г.), механической лопаты с емкостью ковша 3 м3 (Э-1203, 1937 г.), механической лопаты с емкостью ковша 4 м3 (Э-4, 1937 г.).
Второй этап с середины 40-х до середины 60-х годов с целью повышения производительности и снижения энергоемкости экскаваторов характеризуется непрерывным увеличением их мощности. В 1947 г. на базе машин Э-1203 и Э-4 был создан экскаватор СЭ-3; в 1950 г. - экскаватор ЭГЛ-15, который при дальнейшем усовершенствовании (в 1958 г.) получил марку ЭВГ-15. Были введены в эксплуатацию механические лопаты ЭВГ-6 и ЭВГ-35/65 и начат выпуск моделей ЭКГ-4,6, ЭКГ-5 (на УЗТМ) и ЭКГ-8, ЭКГ-12,5 (на Ижорском заводе). Указанные карьерные экскаваторы отличаются унифицированностью и сходным конструктивным исполнением, что говорит о сложившихся тенденциях в их проектировании и производстве. На этом этапе особое внимание уделялось увеличению темпов выпуска экскаваторов при одновременном снижении их удельного веса, обеспечению прочности, долговечности и жесткости элементов машин, использованию унифицированных узлов и деталей, повышению уровня качества производства и эффективности эксплуатации экскаваторов. Дальнейшее совершенствование машин стало возможно путем создания новых моделей, изменения конструктивных решений, использованию новых материалов и технологий, широкому введению в практику прочностных расчетов и методов оценки ресурсных характеристик экскаваторов.
В настоящее время непрерывный рост производственной мощности и глубины карьеров, повышение коэффициентов вскрыши и доли скальных пород вызвали необходимость увеличения технических параметров карьерных экскаваторов, но при этом в экономически обоснованных случаях широкое применение находят карьерные экскаваторы малых и средних моделей [49-56]. Выпускаются одноковшовые экскаваторы базовых моделей с емкостью ковша 5; 8; 10; 12,5; 15 и 20 м (модификации с емкостью ковша 4, 6, 14, 18 и 25 м3) и многоковшовые экскаваторы с объемной производительностью от 150 до 12500 м /ч.
Анализ карьерных одноковшовых экскаваторов (ЭКГ-4,6; ЭКГ-4,6А; ЭКГ-4,6Б; ЭКГ-4у; ЭКГ-5А; ЭКГ-5В; ЭКГ-5Н; ЭКГ-5у; ЭКГ-6,Зу; ЭКГ-6,Зус; ЭКГ-8И; ЭКГ-8у; ЭКГ-8ус; ЭКГ-10; ЭКГ-ЮН; ЭКГ-12; ЭКГ-12,5; ЭКГ-15ХЛ; ЭКГ-20), вскрышных одноковшовых экскаваторов (ЭВГ-4, ЭВГ-6,ЭВГ-15, ЭВГ-35/65, ЭВГ-100/70), шагающих драглайнов (ЭШ 6.45, ЭШ 6,5/45, ЭШ 6.60, ЭШ 10.60, ЭШ 10.70А, ЭШ 11.75, ЭШ-13.50, ЭШ 14.75, ЭШ 15.90А, ЭШ 15.90Б, ЭШ-20.90, ЭШ 25.100, ЭШ 50.125, ЭШ 80.100), гусеничных драглайнов (ЭДГ-3,2.30; ЭДГ-8.55), роторных экскаваторов (ЭРГ-400 17/1,5; ЭР-630-10,5/1; ЭРГ-1600.40/10.31; ЭРШР-5000; ЭРШР-12500) показал: их металлические конструкции настолько разнообразны по своему конструктивному исполнению, что не представляется возможным дать их подробное описание.
В зависимости от действующих нагрузок и конструктивного исполнения несущие конструкции разделяют на балочные, рамные и решетчатые.
Выбор показателей качества сварных конструкций карьерных экскаваторов
Применительно к надежности сварных конструкций нашли применение следующие термины: технологическая, производственно-технологическая, эксплуатационная и конструктивная надежность [128-131].
Надежность изделия без сварки принимают равной единице, а формирование надежности в процессе сварки представляют в виде ряда условных уровней надежности (рис. 2.1).
Технологический уровень надежности Нт учитывает потери надежности в результате изменения свойств материала при термическом воздействии процесса сварки и возникновения остаточных напряжений.
Производственно-технологическая надежность Кт, кроме того, учитывает и потери надежности в результате влияния сварочных дефектов.
Снижение надежности в процессе эксплуатации оценивают эксплуатационным уровнем надежности Нэ, который в начальный момент эксплуатации равен производственно-технологическому уровню.
Под конструктивной (действительной) надежностью понимают надежность, полученную в результате испытаний изделий при конкретных свойствах материала, характере воздействия нагрузок, среды и технологии изготовления [116, 132].
Изменение механических свойств околошовной зоны при используемых для изготовления карьерных экскаваторов способах сварки (ручная дуговая сварка, сварка в защитном газе и под флюсом) и материале (низкоуглеродистые и низколегированные стали) не оказывает существенного влияния на усталостную прочность [95, 118].
Остаточные напряжения оказывают значительное влияние на несущую способность сварных соединений [57, 95, 118]. Исследования сварных конструкций экскаваторов показали, что остаточные напряжения могут превышать значения 200 МПа и более, в том числе могут достигать предела текучести [57, 99, 105]. Однако они зависят, прежде всего, от конструктивного исполнения, способа и порядка сварки, а не от ее качества. Каждой конструкции, способу и порядку сварки соответствуют определенная величина и распределение остаточных напряжений. Таким образом, остаточные напряжения, в значительной мере, являются «неизбежным злом».
Дефекты существенно могут снижать усталостную прочность сварных соединений [123, 127, 133]. В отличие от остаточных напряжений уровень дефектности определяется не только конструктивными особенностями изделия и технологией сварки, но, в значительной мере, и не соблюдением технологии. Кроме того, в производственных условиях не допустить появление сварочных дефектов или полностью их устранить - статистически маловероятное событие. По данным [134] в среднем до 20% проконтролированных объектов содержат дефекты, выходящие за пределы установленных допусков.
Следовательно, для оценки качества сварных металлических конструкций карьерных экскаваторов необходимо учитывать величину производственной потери надежности, т.е. степень засоренности сварных соединений дефектами.
Наиболее широко при контроле конструкций карьерных экскаваторов применяют следующие методы (виды) неразрушающего контроля: визуальный и измерительный, капиллярный, магнитопорошковый, вихретоковый, акустико-эмиссионный контроль, радиационный и ультразвуковой [135-144]. Балльная оценка выявляемости дефектов различными методами (видами) неразрушающего контроля приведена в табл. 2.1.
Визуальный и измерительный контроль - самый простой, и в то же время информативный метод контроля [146-150]. Это единственный метод неразрушающего контроля, который может выполняться и часто выполняется без какого-либо оборудования или проводится с использованием простейших измерительных средств. Он позволяет выявлять наиболее часто встречающиеся поверхностные дефекты: поверхностные поры и трещины, кратеры, прожоги, свищи, наплывы, смещения кромок и т.д. К недостаткам метода можно отнести низкую вероятность обнаружения мелких поверхностных дефектов, а также зависимость выявляемости дефектов от субъективных факторов (острота зрения, усталость, опыт работы выполняющего контроль специалиста) и условий контроля (освещенность, оптический контраст и др.). Тем не менее, простота, малая трудоемкость и определенная информативность визуального и измерительного контроля делают его обязательным и предшествующим проведению неразрушающего контроля другими методами. Какими бы уникальными ни были методы и средства последующих контрольных операций, контроль изделий начинается с визуального осмотра невооруженным глазом. На оптимальном для глаз расстоянии - 250 мм различают детали размером 0,15 мм [151]. Однако возможности глаза ограничены при осмотре удаленных, движущихся, недостаточно освещенных объектов.
Наличие грубых поверхностных дефектов может указать характер и место возможного разрушения конструкции. Учитывая, что различные дефекты имеют определенные доминирующие причины их образования, по результатам визуального и измерительного контроля можно ориентировочно оценить качество и стабильность технологического процесса изготовления или ремонта конструкций.
По внешнему виду сварного шва можно ориентировочно судить о внутреннем качестве шва [152]. Превышение усиления сварного шва характерно для неполного проплавлення кромок. Подрез на одной стороне сварного шва и наплыв на другой указывают на возможность непровара по кромке со стороны наплыва. При наличии поверхностных пор и грубой чешуйчатости шва, как правило, имеются и внутренние поры.
Первый руководящий документ по визуальному и измерительному контролю, который распространялся на оборудование, подконтрольное Госгортехнадзору России, был разработан АНТЦ «Энергомонтаж» [153]. Несмотря на всю необходимость и своевременность выхода документа, он имел ряд существенных недостатков. Документ был ориентирован, в основном, на объекты котлонадзора и не учитывал конструктивных особенностей металлических конструкций экскаваторов, в которых наряду со стыковыми широко применяются тавровые, угловые и нахлесточные сварные соединения.
Влияние основных конструктивно-технологических факторов на вероятность появления дефектов
Стабильный технологический процесс нецелесообразно изменять в зависимости от эксплуатационных требований, предъявляемых к различным изделиям. В связи с этим большинство норм допустимых дефектов, используемых в различных отраслях являются технологическими т.е. нормы прежде всего ориентированы на возможности сварочного производства [231-237].
Для обоснования технологических требований к нормам допустимых дефектов требуется определение достигнутого уровня качества сварных конструкций (или уровня качества, который может быть достигнут). Такую «картину качества» можно представить в виде диаграмм (или таблиц) частот появления дефектов и гистограмм их распределения по размерам [133, 225, 226,238].
Автором исследовано [225, 226] влияние на частоту появления дефектов таких конструктивно-технологических факторов, как завод изготовитель, тип сварного соединения, толщина и положение свариваемых элементов в процессе сварки. Причем следует отметить, что фактор «завод-изготовитель» включает ряд технологических факторов: состояние оборудования, квалификация исполнителей, обоснованность и стабильность режимов сварки и т. д., влияние которых отдельно оценить достаточно сложно и, в настоящем исследовании, в этом нет необходимости. Так как каждому заводу-изготовителю (ремонтной организации) присущ определенный уровень оснащенности и организации сварочного производства, все данные факторы могут быть объединены в один более крупный фактор.
Как показали результаты исследований вероятность появления подрезов, в значительной мере, зависит от того, на каком заводе изготавливается конструкция, от типа соединения и от толщины свариваемых элементов и практически не зависит от положения свариваемых элементов в процессе сварки, а также формы разделки кромок свариваемых элементов.
Так как технологическими процессами предусматривается и сварочной оснасткой обеспечивается сварка стыковых соединений, как правило, в нижнем положении, при исследовании непроваров в стыковых соединениях фактор «положение свариваемых элементов в процессе сварки» был исключен. В результате исследований установлено, что на вероятность появления непроваров существенное влияние оказывают завод-изготовитель, тип соединения и толщина свариваемых элементов.
В табл. 3.4, 3.5 приведены достигнутые значения долей Цд по подрезам, а также по непроварам в стыковых соединениях для ряда заводов-изготовителей.
Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что основным фактором, влияющим на частоту появления подрезов, является толщина свариваемых элементов. С увеличением толщины доля дефектности по подрезам резко увеличиваются. Это связано с тем, что с увеличением толщины свариваемых элементов сварка проводится на режимах с большим сварочным током, что увеличивает вероятность появления подрезов. Частота появления непроваров при увеличении толщины свариваемых элементов также увеличивается, но на возможность обеспечения полного проплавлення свариваемых элементов наряду с режимом сварки, также оказывают влияние другие факторы: подготовка кромок свариваемых элементов, наличие подкладной пластины, одностороннее или двухстороннее сварное соединение.
Известно, что усталостная прочность сварных соединений, имеющих дефекты типа подрезов и непроваров, определяется в основном глубиной дефектов [95, 118, 123, 239, 240, 241].
При оценке глубин дефектов швы по длине разбивались на участки протяженностью 40 мм и на каждом участке выбиралось максимальное значение данного дефекта.
Измерение глубин подрезов производилось индикатором часового типа, снабженного иглообразным наконечником. Глубины непроваров измерялись штангенциркулем после вскрытия швов.
Подрезы. Полученные гистограммы распределения глубин подрезов позволили оценить влияние на их распределение основных конструктивно-технологических факторов, анализ которых проводился ранее (см. раздел. 3.1).
Полученные гистограммы (рис. 3.1) позволяют сделать вывод, что распределение глубин подрезов хорошо описывается экспоненциальным законом (табл. 3.6). Проверка согласия эмпирического и теоретического законов распределения осуществлялось с использованием критерия ХИ-квадрат (Пирсона) при уровне значимости а = 0,05.
Непровары. Характер распределения глубин непроваров, расположенных в корне шва (рис. 3.2), определяется типом применяемого сварного соединения.
При односторонней сварке без разделки кромок распределение глубин непроваров может быть описано нормальным законом, при односторонней сварке с разделкой кромок - логарифмически нормальным и при двухсторонней сварке без разделки кромок - распределением Вейбулла (табл. 3.7). Проверка осуществлялась с использованием критерия ХИ-квадрат (Пирсона) при уровнях значимости 0,01 и 0,05.
Предпочтение отдавалось закону распределения не противоречащему эмпирическому распределению при а = 0,05.
Из анализа полученных данных, можно сделать вывод, что с увеличением толщины свариваемых элементов наряду с увеличением долей дефектности по подрезам и непроварам, увеличивается вероятность появления подрезов и непроваров, имеющих большую глубину. Это также как и в отношении вероятности появления дефектов связано с тем, что с увеличением толщины свариваемых элементов сварка проводится на режимах с большим сварочным током, что увеличивает вероятность появления подрезов, имеющих большую глубину, и при больших толщинах сложнее обеспечить полный провар свариваемых элементов, вследствие чего увеличивается вероятность появления более глубоких непроваров. На глубину непроваров, также оказывают влияние другие факторы: снятие кромки, наличие подкладной пластины, одностороннее или двустороннее сварное соединение.
Технологические и эксплуатационные нормы допустимости дефек тов
Для оценки результатов неразрушающего контроля должна быть разработана нормативно-техническая документация, содержащая нормы допустимости дефектов. В общем случае назначение норм допустимости сварочных дефектов должно обеспечивать решение двух задач: гарантировать необходимые прочностные свойства сварных соединений и оказывать дисциплинирующее воздействие на технологию сварки. Различают технологические и эксплуатационные нормы допустимости дефектов [33, 133, 226 , 239, 282. 283]. Технологические нормы ориентированы на возможности технологического процесса и практически всегда превышают требования по прочности. Эксплуатационные нормы являются расчётными, то есть они связаны с ожидаемой опасностью дефектов при эксплуатации конструкций и базируются на теоретических знаниях и экспериментальных данных о влиянии дефектов на несущую способность сварных соединений. В англоязычной литературе используются аналогичные по смыслу понятия: для технологических норм это «good workmanship», а для эксплуатационных-«fitness for purpose».
Большинство существующих норм дефектности, в том числе на конструкции дорожно-строительных, подъёмно-строительных, сельскохозяйственных и других машин, являются технологическими. Это связано с тем, что оценить влияние дефектов на работоспособность сварных соединений сложно, т.к. оно зависит от большого количества различных конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, из которых основными являются тип и размеры сварного соединения; вид, конфигурация и расположение дефекта; характер и величина действующих нагрузок, уровень остаточных (сварочных) напряжений.
Эксплуатационные нормы могут быть разработаны на основе достаточно сложных и трудоёмких экспериментов и расчётов. При расчетах, в ряде случаев, размер безопасного дефекта может оказаться неестественно большим и, конечно, он не может быть указан как нормативно допустимый. Если эксплуатационные требования допускают более крупные дефекты, чем технологические то нормы следует устанавливать исходя из технологических требований. Иначе это может привести к снижению культуры производства и более высокой вероятности появления брака в ответственных соединениях. В других случаях, которые встречаются достаточно редко, безопасные размеры дефектов могут оказаться настолько малы, что рассчитывать на обычное качество изготовления сварных конструкций не целесообразно. В этом случае необходимо предусмотреть организационно-технические мероприятия по повышению качества технологического процесса, введение, как правило, 100 % контроля и исправление дефектов с обязательным последующим контролем. Обоснование норм допустимости дефектов, только исходя из технологических требований, когда опасность дефектов не оценивается, и интуитивно применяются излишне большие «запасы прочности», как правило, приводит к излишнему ужесточению норм. Следовательно, при обосновании необходимо комплексно использовать как технологические, так и эксплуатационные требования.
Вероятностные модели оценки норм допустимости дефектов
При оценке норм допустимости дефектов целесообразно использовать вероятностные модели, которые позволяют количественно рассчитать вероятность появления дефектов (технологическая модель) и вероятность их влияния на прочность сварных соединений (эксплуатационная модель) [128, 129, 226, 239, 283].
Соответственно рассматриваются две вероятностные характеристики дефектов: ф (х) = ф — вероятность появления (из общего числа дефектных участков) участков с дефектами, имеющими размеры X, больше некоторого нормативного уровня Хн (рис. 4.1а); ф (х) = ф — вероятность потери прочности Y соединения ниже некоторого нормативного уровня Y = ун из-за наличия дефектов размером X (рис. 4.16). Условия расчета норм по каждой модели: ф = Вер (X хн) фн - технологическая модель; ф = Вер (Y ун) фн - эксплуатационная модель, где фн, фн - нормативные значения фиф.
Влияние дефектов размером X на прочность Y выражается регрессией Y = f (X), а также условным распределением f (у/х).
