Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ публикаций по развитию коррозии металлоконструкций портальных кранов ... 11
1.1. Виды коррозионных повреждений 11
1.2. Обзор публикаций по влиянию коррозии на работоспособность крановых металлоконструкций 16
1.3. Основные коррозионные дефекты металлоконструкций портальных кранов 20
1.4. Обзор нормативных документов по вопросам продления эксплуатации и оценки остаточного ресурса 22
1.5. Выводы по главе 1 30
2. Анализ коррозионного состояния металлоконструкций портальных кранов 31
2.1. Обобщение результатов экспертизы промышленной безопасности технического состояния металлоконструкций портальных кранов 31
2.2. Оценка вида и параметров закона распределения глубины коррозионных дефектов 38
2.3. Оценка вида и параметров закона развития коррозионного дефекта во времени 48
2.4. Выводы по главе 2 55
3. Оценка напряжённо-деформированного состояния элементов металлоконструкции портальных кранов имеющих коррозионные повреждения 56
3.1. Основные положения 56
3.2. Стержневая конечноэлементная модель портального крана «ГАНЦ» 5/6x30 и результаты её расчёта 57
3.3. Обол очечные КЭ модели несущих элементов портального крана «ГАНЦ» 5/6x30 ".. 72
3.4. Выводы по главе 3 79
4. Математическая модель развития язвенного коррозионного дефекта в металлоконструкциях портальных кранов 80
4.1. Общие положения 80
4.2. Основные стадии развития язвенного дефекта 88
4.3. Исследование математической модели развития дефекта 92
4.4. Выводы по главе 4 100
5. Экспериментальные исследования влияния наработки и коррозионной среды на механические характеристики материалов крановых металлоконструкций 101
5.1. Краткие сведения об основных механических характеристиках материала металлоконструкций 101
5.2. Исследование влияния наработки на основные механические характеристики материала крановых металлоконструкций 107
5.2.1. Методика испытания образцов 107
5.2.2. Проведение испытаний 111
5.2.3. Результаты испытаний и их анализ ...112
5.3. Экспериментальное исследование влияния коррозионной среды на скорость роста трещин в материалах крановых металлоконструкций 119
5.3.1. Методика проведения эксперимента 119
5.3.2. Результаты испытаний 124
5.3.3. Общие закономерности роста трещин 126
5.4. Выводы по главе 5 ...130
6. Вероятностная модель оценки надёжности элементов металлоконструкций портальных кранов, имеющих коррозионные повреждения . 132
6.1. Общие положения 132
6.2. Оценка вероятности безотказной работы металлоконструкции в зависимости от глубины коррозии 135
6.2.1. Расчёт некоторых элементов конструкции, работающих на растяжение 137
6.2.2. Расчёт некоторых элементов конструкции, работающих на сжатие 144
6.3. Прогнозирование наработки на отказ с предварительно заданной вероятностью. 147
6.3.1. Общие положения 147
6.3.2. Определение наработки на отказ некоторых элементов конструкции.151
6.4. Выводы по главе 6 154
Основные выводы по результатам работы 155
Список использованных источников 157
- Обзор публикаций по влиянию коррозии на работоспособность крановых металлоконструкций
- Оценка вида и параметров закона распределения глубины коррозионных дефектов
- Стержневая конечноэлементная модель портального крана «ГАНЦ» 5/6x30 и результаты её расчёта
- Расчёт некоторых элементов конструкции, работающих на растяжение
Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время сложилась ситуация, когда большая часть портальных кранов, работающих в портах РФ, эксплуатируется за пределами нормативных сроков службы. В связи с этим исследование возможности продления сроков службы представляется весьма актуальным. Одним из путей продления срока службы перегрузочных машин является прогнозирование остаточного ресурса при заданном уровне надёжности. Как показывает опыт эксплуатации портовых перегрузочных машин, одним из наиболее часто встречающихся дефектов являются коррозионные повреждения элементов металлоконструкций. Однако до настоящего времени этой проблеме уделялось недостаточное внимание, следствием чего является отсутствие обоснованных нормативов на величину допустимости коррозионных повреждений. Таким образом, задача изучения динамики развития различных видов коррозионных дефектов, их влияние на надёжность элементов металлоконструкции, является одной из ключевых задач при оценке остаточного ресурса. Эта задача может быть решена путем создания адекватных моделей поведения дефектов и повреждённых элементов металлоконструкций.
В процессе решения поставленных задач в работе выполнен комплекс исследований глубины коррозии, возникающей в различных элементах металлоконструкции в процессе эксплуатации, получены зависимости величины коррозии от наработки машины, разработана модель развития коррозионного повреждения, выполнена расчётная оценка нагруженности с применением метода конечных элементов (МКЭ) наиболее подверженных коррозии участков металлоконструкции, проведены расчёты надёжности повреждённых элементов по условиям прочности и устойчивости. Проведенные исследования позволили разработать методику оценки степени допустимости коррозионных повреждений, которая служит научной базой при
решении вопросов оценки остаточного ресурса металлоконструкций портальных кранов.
Цель диссертационного исследования – разработка методики оценки эксплуатационной надёжности элементов, имеющих коррозионные повреждения, базирующаяся на закономерностях динамики развития и степени влияния основных видов коррозионных дефектов на надёжность крановых металлоконструкций по основным критериям работоспособности, и оценке напряжённо-деформированного состояния конструкций методом конечных элементов.
Объектом исследования являются основные несущие элементы металлоконструкций портальных кранов, лимитирующие работоспособность и ресурс крана в целом.
Предметом исследования является напряжённо-деформированное состояние и эксплуатационная надёжность несущих элементов металлоконструкции портовых кранов, имеющих эксплуатационные коррозионные повреждения, а также закономерности, связывающие надёжность с напряжённо-деформированным состоянием конструкции.
Напряжённо-деформированное состояние конструкции исследовалось с применением метода конечных элементов (МКЭ). Параметры случайного закона распределения глубины коррозии и скорости её развития определялись методами математической статистики. Воспроизведение случайных величин глубины коррозии и приложенных нагрузок выполнялось методом статистических испытаний «Монте-Карло».
Научная новизна исследования заключена в следующих достижениях, выносимых на защиту:
1. Разработана методика оценки эксплуатационной надёжности элементов, имеющих коррозионные повреждения, основанная на оценке напряжённо-деформированного состояния элементов
металлоконструкции и статистических данных по оценке скорости развития коррозионных повреждений;
-
Определён характер закона распределения глубины коррозии и его параметры для основных силовых элементов металлоконструкций портальных кранов, показывающий, что распределение глубины коррозии соответствует логарифмически нормальному закону;
-
Определён характер зависимости глубины коррозии от наработки и её параметры для ряда элементов металлоконструкций, свидетельствующий, что развитие коррозии наиболее адекватно описывается логарифмическим уравнением;
-
Созданы и рассчитаны конечноэлементные модели для наиболее подверженных коррозии участков металлоконструкции портальных кранов, позволяющие оценить напряжённо-деформированное состояние в наиболее вероятных местах появления коррозионных дефектов;
-
По результатам расчёта конечноэлементных моделей выполнена оценка нагруженности основных силовых элементов металлоконструкции;
-
Выявлено влияние основных параметров коррозионного дефекта на выбор типа расчёта при оценке надёжности металлоконструкций.
Достоверность результатов работы. Представленные исследования базируются на статистическом материале, собранном по результатам обследования портальных кранов работающих в различных портах РФ. Всего в расчётах использовано более 700 замеров глубины коррозии для кранов, отработавших от 20 до 40 лет. Все статистические расчёты выполнялись на основе классических методов математической статистики с использованием современного программного и аппаратного обеспечения. Расчеты надёжности конструкций по различным критериям выполнялись на базе современных
исследований в области механики разрушения. Таким образом, достоверность результатов работы обеспечивается применением широко используемых методов математической статистики и механики разрушений. Достоверность расчётов конечноэлементных моделей подтверждается ранее проведёнными исследованиями по сопоставлению эмпирических и расчётных данных. Сопоставление результатов расчётов с опытом эксплуатации перегрузочных машин показывает хорошее соответствие расчётных и эмпирических данных.
Практическая ценность работы, по мнению автора, заключается в следующем:
-
Разработана методика расчёта параметров функции зависимости глубины коррозии от наработки;
-
Проведен расчёт указанных параметров для наиболее опасных, с точки зрения возникновения коррозии, элементов металлоконструкции и определена скорость коррозии для исследуемых участков, что позволит эксплуатирующим и контролирующим организациям прогнозировать развитие коррозии;
-
Разработана методика создания конечноэлементных моделей для оценки напряжённо-деформированного состояния металлоконструкций с применением программного комплекса «APM WinMachine», учитывающая характерные особенности редактора моделей и расчётного блока указанного программного комплекса;
-
Созданы и рассчитаны конечноэлементные модели всей совокупности металлоконструкции и её отдельных элементов для портального крана «ГАНЦ» 5/6х30;
-
Разработана и реализована математическая модель развития коррозионного дефекта типа «язва», которая позволяет прогнозировать изменение геометрических параметров дефекта вплоть до его критического размера;
-
Разработана инженерная методика оценки опасных, с точки зрения возникновения трещин, размеров коррозионного дефекта типа «язва»;
-
Разработана инженерная методика оценки эксплуатационной надёжности элементов металлоконструкций с коррозионными повреждениями по условиям прочности и устойчивости;
Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы при разработке РД-24-112-4Р «Руководящий документ по оценке остаточного ресурса портальных кранов», одним из авторов которого является автор данной диссертационной работы.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на:
Семинаре «Обеспечение безопасности подъёмных сооружений». Управление по котлонадзору и надзору за подъёмными сооружениями Госгортехнадзора России, 2003 г., г. Санкт-Петербург;
Первой научно-практической конференции «Морские и речные порты России (экономика и управление)» 2002 г.;
Двадцать первой, двадцать второй и двадцать третьей научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГАВТ 1999-2001 г.
Московских межвузовских научно-технических конференциях студентов и молодых учёных «Подъёмно-транспортная техника» в 1997-2002 г. в МГТУ им. Н.Э. Баумана, МГА ВТ, МГСУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключительной части, изложенных на 156 страницах машинописного текста, включает 41 иллюстрацию, 29 таблиц, библиографический список из 72 источников и 2 приложения.
Обзор публикаций по влиянию коррозии на работоспособность крановых металлоконструкций
Процесс коррозионного разрушения металла под воздействием воздушной среды называют атмосферной коррозией [57]. Характерная особенность такой коррозии состоит в том, что в зависимости от конкретных условий разрушение металла может происходить как по химическому, так и по электрохимическому механизму. В первом случае окисление металла является результатом прямого взаимодействия с кислородом или какими-либо агрессивными примесями, содержащимися в воздухе. А во втором случае коррозионные процессы протекают под тонкими пленками разбавленных водных растворов электролитов и сопровождаются образованием различных гидратированных соединений.
Основной фактор, определяющий механизм и скорость атмосферной коррозии - степень увлажненности поверхности. На этот параметр, в свою очередь, влияют относительная влажность воздуха, температура поверхности металла и ее шероховатость, продолжительность атмосферных осадков, присутствие в атмосфере твердых частиц, способных служить очагами конденсации, и т.д. В зависимости от степени увлажненности поверхности можно выделить три основных типа атмосферной коррозии: сухую, влажную и мокрую.
Сухой называют атмосферную коррозию, протекающую под очень тонким (до 10 нм) адсорбционным слоем влаги, который формируется на поверхности металла при относительной влажности воздуха около 30 - 50 %. В этих условиях вода еще не обладает свойствами электролита и коррозионные процессы протекают по чисто химическому механизму. Толщина окисных пленок, образующихся при сухой атмосферной коррозии на различных металлах, составляет всего несколько нанометров, причем их рост происходит в основном в течение первых 2-3 часов. Такие разрушения не оказывают существенного влияния на долговечность элементов конструкции и их работоспособность.
Влажной называют атмосферную коррозию, протекающую при наличии капиллярной конденсации влаги на поверхности металла, т.е. при относительной влажности воздуха от 50 - 70% до 98% и соответствующей ей толщины слоя воды от 10 нм до 1 мкм. Относительную влажность воздуха, при которой в рассматриваемых условиях (температура, шероховатость поверхности металла, присутствие и характер загрязнений и т.п.) начинается капиллярная конденсация с образованием протяженных пленок влаги, принято называть критической. В подавляющем большинстве случаев при достижении критической влажности наблюдается резкое возрастание скорости разрушения металла. Влажная атмосферная коррозия протекает уже по электрохимическому механизму с анодно-омическим контролем. Малая толщина пленки влаги обуславливает беспрепятственное проникновение кислорода к поверхности металла, поэтому катодная реакция восстановления кислорода не имеет диффузионных ограничений. Однако слишком тонкие пленки не обеспечивают достаточной электропроводности, что и приводит к значительному омическому торможению.
Мокрой называют атмосферную коррозию, протекающую при наличии капельной конденсации и фазовых пленок влаги на поверхности металла. Такая ситуация может реализоваться при относительной влажности воздуха не менее 98% или в результате прямого попадания атмосферных осадков. Механизм мокрой атмосферной коррозии близок к механизму электрохимической коррозии при полном погружении металла в электролит. Следовательно, лимитирующей стадией коррозионного процесса в большинстве случаев является диффузия кислорода и растворение металла протекает преимущественно с анодным контролем.
При длительной эксплуатации металлоконструкций в условиях мокрой и влажной атмосферной коррозии могут возникнуть значительные коррозионные повреждения. Например скорость коррозии стали СтЗ под воздействием талон снеговой воды в городе Иркутске составляет 36 г/м в год, а стали 0,8кп -7,1 г/м2 в год [57].
На практике в большинстве случаев степень увлажненности поверхности не является постоянной величиной и может существенно изменяться во времени под влиянием самых разнообразных климатических и производственных факторов. Соответствующие изменения претерпевают и механизм, и даже тип атмосферной коррозии. Поэтому в реальных условиях эксплуатации приходится говорить только о преимущественном протекании коррозионных процессов по тому или иному механизму.
Существенное влияние на скорость атмосферной коррозии оказывает присутствие в атмосфере и на поверхности металла различных загрязнений. Причем практически любые поверхностные загрязнения увеличивают скорость разрушения металла.
Переносимые воздушными массами мельчайшие частицы твердых веществ также могут существенно повышать их агрессивность.
Температура влияет на скорость атмосферной коррозии неоднозначно: при повышении температуры, с одной стороны, возрастает скорость всех химических и электрохимических превращений, а с другой стороны -уменьшаются толщина и время пребывания на поверхности металла конденсации пленок влаги.
Оценка вида и параметров закона распределения глубины коррозионных дефектов
Исследуемые элементы металлоконструкции портальных кранов представляют собой конструкции оболочечного типа со сложным внутренним набором, состоящим из рёбер, перемычек, диафрагм, полудиафрагм и др. элементов, которые могут вызвать концентрацию напряжений. В связи с этим наиболее точную картину напряжённо-деформированного состояния указанных конструкций можно получить путем его моделирования методом конечных элементов (МКЭ).
Основные задачи конечно-элементного (КЭ) расчёта следующие: - определение наиболее нагруженных участков металлоконструкции; - оценка величины напряжений, действующих на этих участках; - оценка вклада отдельных силовых факторов (собственный вес, вес груза и грузозахватного устройства, ветровая нагрузка) в общее значение величины напряжения; - оценка динамической составляющей напряжения (величины размахов напряжений Да). В соответствии с результатами исследования коррозионного состояния портальных кранов, приведенного в главе 1, и учитывая тот факт, что детальное КЭ исследование металлоконструкций кранов «Альбатрос» и «ГАНЦ» 16/27,5-33/16 проведено в работе Соколова Ю.Ф. [63], объектом моделирования была выбрана металлоконструкция портального крана «ГАНЦ» 5/6x30. Стержневая КЭ модель (рис. 8) была создана с целью оценки общей картины нагруженности портального крана и определения реакций взаимодействия между основными несущими элементами металлоконструкции. КЭ модель создана и рассчитана с помощью модуля АРМ Structure3D программного комплекса АРМ WinMachine V8.1. Вся система металлоконструкций портального крана «Ганц» 5/6x30 была разбита на отдельные конструктивные элементы, которые приведены на рис. 8. 1. Портал; 2. Поворотная колонна; 3. Стрела; 4. Машинное отделение с механизмами подъёма и поворота; 5. Подвижный противовес; 6. Рейка механизма изменения вылета; 7. Байтовые канаты; 8. Канаты уравнительного полиспаста. Для определения геометрических и массовых характеристик конструктивных элементов были использованы рабочие чертежи металлоконструкции, входящие в комплект документации. В стержневых КЭ моделях использованы конечные элементы типа «rod» (стержень), воспринимающие усилия растяжения-сжатия, поперечную силу, моменты изгиба относительно двух осей поперечного сечения и крутящий момент. Каждый КЭ типа «rod» характеризуется координатами начала и конца, поперечным сечением, созданном в специальном редакторе, и ориентацией этого сечения в пространстве. Характерной особенностью программного комплекса АРМ WinMachine, является то, что при расчёте каждый стержень разбивается на заданное число сечений (не менее двух) в которых выполняется детальный расчёт напряжений. Каждое поперечное сечение при этом разбивается на отдельные пластинчатые конечные элементы. Изложенный подход позволяет получить более полную картину НДС металлоконструкций, поскольку при таком расчёте определяется не только максимальное эквивалентное напряжение в сечении стержня, но и место его возникновения. Однако моделирование стержней по сечениям накладывает определённое ограничение на геометрические размеры стержней: толщина стенки рассчитываемого сечения не должна быть меньше 1% его максимального поперечного размера. При несоблюдении указанного ограничения расчёт значительно замедляется или прерывается (в зависимости от аппаратного обеспечения и общей конфигурации сечения). Учитывая вышеизложенное, было принято решение о замене сечений стержней, не удовлетворяющих перечисленным требованиям, эквивалентными по геометрическим характеристикам. В качестве возможных вариантов замены автором были рассмотрены следующие: - замена истинного сечения эквивалентным ему по моментам инерции относительно главных центральных осей прямоугольным коробчатым сечением; - замена истинного сечения эквивалентным ему по площади сплошным прямоугольным сечением. Проведённые расчёты показали, что наиболее адекватная картина перемещений узлов КЭ модели, получается при замене сложных сечений эквивалентными по моментам инерции. Объясняется это тем, что большая часть элементов металлоконструкции портальных кранов при работе испытывает не только растяжение (сжатие), но и изгиб в двух плоскостях, а при таком нагружении поперечные перемещения узлов (прогибы) в 10-100 раз превышают продольные. Замена реального сечения эквивалентным ему коробчатым, а не сплошным, сечением позволяет снизить погрешность вычисления перемещений в направлении оси стержня. Второй вариант замены сечения целесообразно применять для имитации сечения стержней, испытывающих растяжение-сжатие.
Стержневая конечноэлементная модель портального крана «ГАНЦ» 5/6x30 и результаты её расчёта
На основании приведённых данных можно сделать вывод о необходимости проверки указанного участка металлоконструкции на устойчивость (передний пояс) и на возможность зарождения трещин (задний пояс). На рис. 15 показана оболочечная модель колонны после расчёта, на которой цветом выделены участки с высокими значениями напряжений.
Анализ полученной картины НДС колонны позволил выявить наиболее нагруженные участки: 1. Листы обшивки и рёбра рядом с нижним передним углом отверстия для обслуживания токосъёмников. Высокий уровень напряжений объясняется ослаблением сечения из-за наличия указанного отверстия. Согласно расчётам, наибольшего, по абсолютной величине, значения (-111,2 МПа) напряжения на указанном участке достигают при подъёме груза с подхватом на максимальном вылете (схема №25). При этом минимальное, по абсолютной величине, значение напряжений (-50,9 МПа) соответствует расчётной схеме №1. Поскольку, согласно приведённым результатам, для всех исследованных расчётных схем напряжения остаются сжимающими, проверка прочности указанного сечения должна производиться по критерию устойчивости. 2. Пояса и рёбра в сечении на уровне средней площадки портала (стенки и рёбра заднего пояса колонны в окрестности двери для входа в колонну). Наибольшие растягивающие напряжения (60,3 МПа) имеют место в заднем поясе при нагрузках соответствующих расчётной схеме №25. При этом сжимающие напряжения в переднем поясе колонны оцениваются величиной -29,2 МПа. Однако при нагрузках, соответствующих расчётной схеме 1 картина напряжений принципиально меняется: Напряжения по всему сечению становятся сжимающими и достигают величины -32,3 МПа. Таким образом, ввиду возможности возникновения как растягивающих, так и сжимающих напряжений работоспособность указанного участка должна проверятся и на устойчивость и на возможность зарождения трещин. 3. Участок колонны от нижнего монтажного стыка до уровня нижней зашивки машинного отделения. Наибольшие сжимающие напряжения (-72,1 МПа) наблюдаются в переднем поясе и левой стенке колонны под опорным катком, который расположен ниже двери в кабину крановщика. В то же время в заднем поясе колонны действуют значительные растягивающие напряжения, равные 51,7 МПа. Описанная ситуация имеет место при нагрузках, соответствующих расчётной схеме №25. Указанный участок по аналогии с участком 2 также проверятся на устойчивость и на возможность зарождения трещин. 4. Консоли крепления стрелы. Наибольшие сжимающие напряжения (-48,7 МПа) возникают при нагрузках расчётной схемы №21 в элементах силового набора узла крепления подшипника стрелы (рёбра жесткости, расположенные по бокам втулки подшипника). При этом наибольшие растягивающие напряжения, возникающие в местах крепления диафрагм внутреннего силового набора к верхнему поясу консоли, оцениваются величиной 25,ЗМПа. При нагрузках рабочего состояния соответствующих расчётной схеме №25 напряжения верхнего пояса меняют знак и становятся равными -11,2 МПа. Таким образом, рёбра жёсткости подшипника проверяются на устойчивость, а пояс - на возможность зарождения трещин. Следует отметить, что вышеизложенное относится, в первую очередь, к левой, относительно направления стрелы, консоли, поскольку она является наиболее нагруженной ввиду расположения на ней механизма поворота. 5. Участок колонны на уровне переходной площадки. Наибольшие сжимающие напряжения (-78,6 МПа), соответствующие расчётной схеме №25, возникают в косынках переднего пояса, к которым привариваются раскосы. При этом местные напряжения в местах приварки раскосов достигают величины 115,2 МПа. Наибольшие растягивающие напряжения (57,2 МПа) при тех же внешних нагрузках возникают в несущих швеллерах заднего пояса в месте примыкания к ним бокового ребра жёсткости. Таким образом, оценку надёжности конструкции следует вести по трём расчётным случаям: - проверка прочности элемента с учётом местных напряжений; - проверка устойчивости косынки переднего пояса; - проверка возможности зарождения трещины в швеллерах заднего пояса. 6. Участок колонны на уровне площадки механизма изменения вылета. Наибольшие сжимающие напряжения (-58,1 МПа) возникают в косынках раскосов переднего пояса, при нагрузках рабочего состояния, соответствующих расчётной схеме №25. Максимальные растягивающие напряжения при этом возникают в ребрах жёсткости под опорами вала механизма изменения вылета (57,6 МПа) и в косынках раскосов заднего пояса (52,1 МПа). При этом местные напряжения в местах сварки на указанных участках достигают значений 78,5 МПа и 62,4 МПа соответственно. Оценку надёжности указанного участка следует проводить аналогично участку №5 по трём расчётным случаям. 7. Оголовок колонны. Наибольшие напряжения возникают: в элементах переднего пояса кронштейна крепления блоков уравнительного полиспаста (11,2 МПа, расчётная схема №21), в элементах верхнего пояса кронштейна крепления блоков уравнительного полиспаста (19,6 МПа, расчётная схема №25), в косынке раскосов заднего пояса (31,8 МПа, местные 43,4 МПа), в переднем поясе консоли крепления блоков подвижного противовеса (-25,2 МПа). Оценку надёжности оголовка колонны следует производить аналогично оценке надёжности предыдущего участка.
Расчёт некоторых элементов конструкции, работающих на растяжение
К основным механическим характеристикам материала относятся: сопротивление статическим воздействиям (предел прочности ств и предел текучести стт при растяжении), сопротивление динамическим воздействиям и хрупкому разрушению (ударная вязкость при различных температурах), а также показатели пластичности (относительное удлинение 5 и относительное сужение тр).
Значения предела прочности ав, текучести ст, относительного удлинения 5 и относительного сужения \р могут быть получены при статических испытаниях на растяжение, при этом определяются свойства, характеризующие сопротивление как малым (начальным), так и А, значительным пластическим деформациям. Во многих случаях механические характеристики, полученные при испытании на растяжение, позволяют довольно точно судить о поведении материала и при других видах деформации, как, например, при сжатии, кручении, срезе и изгибе. Статические испытания на растяжение под действием медленно и постепенно возрастающей нагрузки не позволяют получить характеристики свойств металлов при значительных скоростях прилагаемой нагрузки. Поэтому, если детали машин в эксплуатационных условиях подвергаются быстро возрастающим или ударным нагрузкам, то обычно оговаривается необходимость проведения испытаний металла на удар. Практическая значимость ударной вязкости очень велика, так как она позволяет косвенно выявлять низкие сопротивления отрыву, которые наблюдаются у некоторых металлов как при высоких скоростях нагружения, так и при других неблагоприятных условиях, например при объёмном напряжённом состоянии при разных температурах. Особенно большое значение имеют ударные испытания для углеродистых и малоуглеродистых сталей, которые при изменении эксплуатационных условий легко переходят из вязкого в хрупкое состояние. Для малоуглеродистой стали обыкновенного качества, типа СтЗ, численные значения вышеперечисленных механических характеристик даны « в таблице 15 (РТМ 24.090.52-85). Многочисленные эксперименты, проведённые в [29,56,54] свидетельствует о значительном рассеянии механических характеристик СтЗ. Например, представления об их изменчивости дают кривые распределения предела текучести (рис. 24) заимствованные из [29] и полученные по экспериментальным данным различных заводов.
Из графика видно, что распределение предела текучести соответствует нормальному закону распределения, который характеризуется математическим ожиданием сгт = 300 МПа, среднеквадратическим отклонением Sa = 10 МПа и коэффициентом вариации Ко = 0,03. Данные по численным значениям математического ожидания и коэффициентов вариации значений предела прочности, предела текучести и относительного удлинения приведены также в [54], эти значения сведены в таблицу 16.
По данным [56] коэффициент вариации предела текучести для листов из стали СтЗ составляет ут - 0,092+0,143, а отношение среднего значения предела текучести к его гостированному значению составляет 0,826 (для листов) и 0,487 (для швеллеров). Данные таблицы соответствуют вероятности разрушения Р=0,05, надёжность характеристик составляет 95%. Сопоставление приведённых данных говорит о том, что коэффициент вариации предела текучести находится в пределах y s - 0,02+0,143, а его среднее значение ат - 282,4+300 МПа.
Существенное влияние на механические характеристики материала оказывает изменение температуры. При отрицательных температурах предел прочности и предел текучести существенно повышаются и сближаются между собой, пластические свойства при отрицательных температурах ухудшаются (рис. 25 [56]). Однако подобное явление наблюдается для стали Ст2 при температурах ниже рабочих. В диапазонах рабочих температур (от — 2 О С до +2 ОТ) механические характеристики 0Вр от, 5 практически не меняются.
Существенное влияние температура окружающего воздуха оказывает на изменение значений ударной вязкости ак. Это влияние показано на рис. 26 [56], из которого видно, что для СтЗсп в рабочем диапазоне температур ударная вязкость изменяется более чем в 2 раза. Цифрой 1 на рисунке обозначена кривая, соответствующая изменению ударной вязкости для стали СтЗсп, а цифрой 2 - для стали СтЗкп. Порог хладноломкости, при котором ударная вязкость становиться ниже 0,3 МДж/м , соответствует для СтЗсп -23С.
Целью испытаний являлась оценка влияния наработки на статические характеристики материала металлоконструкции крана. Образцы для испытаний вырезались из рам опорных барабанов плавучих кранов КПЛ-5-30, отработавших в эксплуатации 29 лет. Данные по кранам приведены в таблице 17. рамы опорных барабанов было вызвано следующими соображениями: 1) уверенность в том, что металлоконструкция отработала срок, указанный в документации на кран; 2) толщина рамы и её размеры позволяют изготовить для проведения испытаний стандартные образцы в достаточном количестве.
Места вырезки заготовок для образцов, направление продольной оси образцов по отношению к исследуемому материалу конструкции ГОСТ 1497 84, ГОСТ 9651-84, ГОСТ 11701-84 и ГОСТ 7564-73 не оговаривается. Как правило, заготовки вырезают вдоль проката. Для листового проката толщиной до 14 мм рекомендуется изготовлять плоские образцы, сохранив поверхностный слой нетронутым. Однако в связи с неудовлетворительным состоянием поверхности, в течение всего срока эксплуатации подвергавшейся интенсивной коррозии, было принято решение плоские образцы обрабатывать со всех сторон, а заготовки для круглых образцов вырезать с максимально возможным диаметром. Вырезка заготовок для образцов проводилась на фрезерном станке с режимами резания исключающими изменение свойств металла в результате нагрева или наклёпа. Для определения проката был вырезан образец 1. Вырезанный образец был отшлифован и протравлен. По выявленной текстуре было определено направление проката. Схемы вырезки образцов и направление проката показаны на рис. 27 и 28.
