Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ условий эксплуатации и повреждаемости ездовых балок кранов-перегружателей металлургических производств 9
1.1. Анализ конструктивных решений кранов перегружателей металлургических комплексов 9
1.2. Примеры аварий и повреждений кранов- перегружателей. Анализ причин разрушения конструкций 14
1.3 Повреждаемость и дефектность сварных соединений 19
1.4. Обзор методов оценки остаточного ресурса 25
1.5. Цели и задачи исследования 29
ГЛАВА 2. Методика экспериментально- теоретических исследований 31
2.1. Выбор объектов исследования 31
2.2. Обследование и обмеры конструкций ездовых балок кранов-перегружателей 40
2.3. Выбор сталей 43
2.4. Задачи экспериментального изучения НДС ездовых балок кранов-перегружателей 44
2.5. Методика изучения напряженно-деформированного состояния ездовых балок кранов-перегружателей 44
2.6. Методика обработки результатов изучения кинетики НДС ездовых балок кранов-перегружателей 51
2.7. Определение погрешности измерения деформированного состояния тензорезистивым методом 56
2.8. Геодезические методы измерения деформированного состояния конструкций 60
2.9. Анализ параметров циклической и статической трещиностойкости 60
2.10 Расчет конструкций при помощи программного комплекса «OSCAR» 63
2.11. Выводы по главе 65
ГЛАВА 3. Результаты экспериментально- теоретических исследований 66
3.1. Повреждаемость ездовых балок кранов-перегружателей 66
3.2. Кинетика напряженно-деформированного состояния зон разрушения и усиленных зон ездовых балок кранов-перегружателей 72
3.2.1. НДС ездовых балок двутаврового сечения крана-перегружателя № 2 КХП АО «РМК» 72
3.2.2. НДС ездовых балок коробчатого сечения крана-перегружателя № 6 КХП АО «РМК» 75
3.2.3. НДС ездовых балок коробчатого сечения крана-перегружателя № 4 КХП АО «РМК» 82
3.2.4. НДС ездовых балок двутаврового сечения крана-перегружателя Петропавловской ТЭЦ-2 83
3.3. Схемы деформирования кранов-перегружателей 87
3.3.1. Краны-перегружатели КХП ММК 87
3.3.2. Кран-перегружатель Петропавловской ТЭЦ-2 93
3.3.3. Кран-перегружатель доменного цеха Орско Халиловского металлургического комбината 98
3.4. Характеристики примененных сталей 100
3.5. Анализ параметров циклической и статической трещиностойкости применяемых сталей 105
3.6. Результаты расчетов конструкций кранов- перегружателей при помощи программного комплекса «OSCAR» 108
3.7. Выводы по главе 112
ГЛАВА 4. Расчетно-экспериментальная методика определения остаточного ресурса ездовых балок кранов-перегружателей металлургическихпроизводств 115
4.1. Оценка остаточного ресурса узлов ездовых балок кранов-перегружателей при наличии в расчетном сечении трещин и трещиноподобных дефектов сварки 115
4.2. Пример расчета остаточного ездовой балки 120
4.3. Рекомендации по проведению осмотров
и восстановительных ремонтов .125
4.4. Выводы по главе 130
Основные выводы по работе 134
Литература
- Повреждаемость и дефектность сварных соединений
- Методика обработки результатов изучения кинетики НДС ездовых балок кранов-перегружателей
- Кинетика напряженно-деформированного состояния зон разрушения и усиленных зон ездовых балок кранов-перегружателей
- Оценка остаточного ресурса узлов ездовых балок кранов-перегружателей при наличии в расчетном сечении трещин и трещиноподобных дефектов сварки
Повреждаемость и дефектность сварных соединений
Краны-перегружатели работают в тяжелых режимах нагружения (8К). Количество нагружений в год мостов кранов-перегружателей металлургических заводов достигает 200000 циклов. Поэтому усталостным разрушениям подвержены пролетные строения кранов-перегружателей: в основном ездовые балки и кроме того поперечные рамы и главные фермы. На работу кра -15-нов-перегружателей значительное влияние оказывают также низкие температуры и коррозия. Все вышеперечисленные факторы могут привести к выходу из строя конструкций мостов. Примеры и причины разрушений мостов кранов-перегружателей, опубликованные в литературе [6, 109], приведены ниже.
1. На механическом заводе краном ККС-10 производили работы по складированию лесоматериала на складе. При подъеме пачки леса произошли вначале разрыв и деформация несущих уголков жестких опор вследствие имевшихся в них сквозных трещин, а затем изгиб и деформация гибких опор с последующим падением крана. Причины аварии: некачественный ремонт крана; дефекты сварки; неисправность подкранового пути. В процессе расследования установили, что на одном из трех фланцев нижней секции жесткой опоры со стороны болтового соединения с верхней секцией имеются сквозные трещины. Два из трех несущих поясных уголков возле болтовых соединений жесткой опоры с подкосом также имеют сквозные трещины по всему сечению. Незадолго до аварии производился ремонт металлоконструкций крана без оформления необходимой ремонтной документации. Те места меташіоконструкций, где были обнаружены трещины, закрыли косынками (уголками) и обварили некачественными швами с подрезами, наплывами и т. д. Контроль качества сварки не осуществлялся. Кроме того, кран эксплуатировался на подкрановых путях, имевших неисправности: разность уровней головок рельсов в одном поперечном сечении превышала 15 мм; отклонения рельса от прямой линии на участке 30 м превышали 20 мм; смещение торцов стыкуемых рельсов в плане и по высоте составляло 5 мм.
2. На алюминиевом заводе краном КК-20-32 производили разгрузку оборудования с автомашины. Во время подъема электродвигателя массой 3,5 т и передвижения крана к месту складирования ходовая тележка жесткой опоры задела за выступающую часть металлорежущего станка, ранее установленного вблизи подкранового пути. От удара ходовой тележки о препятствие шарнирная опора потеряла устойчивость, и произошло падение крана. Причины аварии - несоблюдение габаритов складирования груза и некачественная сварка металлоконструкций, допущенная заводом при изготовлении крана. При осмотре крана после аварии установили: шарнирная жесткая опора имела непровар по всему шву сварки уголка 75x75 мм; в местах приварки пластин 300x220 мм имелись наплывы (натекания наплавленного металла на поверхности основного металла); проушины кронштейнов жестких опор КР-1 и КР-2 были полностью оторваны по периметру сварных швов; сварные швы в местах крепления проушин были выполнены с дефектами (подрезы, наплывы, незаверенные кратеры и т. д.).
3. На складе деревообрабатывающего комбината краном ККУ-7,5 производили складирование лесоматериалов. При подъеме и транспортировании очередной пачки сортаментов лиственного пиловочника массой 8 т произошли разрушение и излом жесткой опоры по сварным и болтовым соединениям и падение моста крана. Причины аварии: перегруз крана на 10 %; трещины в сварном соединении основных поясов и раскосов жесткой опоры крана; неисправность подкрановых путей.
4. На фанерном комбинате кран ККС-10 использовали в технологическом процессе по обслуживанию варочных бассейнов для тепловой обработки сырья. При перемещении крана по рельсовому пути без груза произошли разрыв и разрушения соединительных пластин (фланцев) несущих уголков жестких опор и падение моста крана. В процессе расследования установили, что падение крана вызвано наличием старых сплошных трещин на пластинах (фланцах), в узлах с болтовыми соединениями, в каждой из жестких опор, а также некачественными сварными тавровыми швами, соединяющими пластины с несущими уголками. Сварные тавровые швы пластин имели дефекты: несплавления основного металла с наплавленным; непровары по всему сечению швы; свищи; пережог наплавленного металла; подрезы; шлаковые включения; поры в виде сплошных сеток.
5. На обогатительной агломерационной фабрике грейферным краном ККС-30 производили разгрузку песка с железнодорожной платформы. Во время подъема груза произошло разрушение верхнего пояса моста. До аварии кран проработал в тяжелом режиме более 20 лет. При осмотре крана после аварии установили, что разрушение элементов моста носит усталостный ха -17-рактер. Причина усталостного разрушения - наличие напряжений и дефектов (непровары, подрезы) в сварных соединениях.
6. Кран-перегружатель обслуживал склад сыпучих материалов. Кран имел пролет 76,35 м и две консоли по бокам длиной 32 и 37 м; общая длина главной балки составляла 145,35 м.
Конструкция моста крана состояла из двух главных плоских ферм, соединенных в уровне верхних поясов решетчатыми связями. Соединения конструкций крана были выполнены на заклепках. В продольном направлении через каждые 7,30 м к узлам нижнего пояса были прикреплены решетчатые поперечные рамы, на которых были подвешены ездовые балки под пути грузовой тележки. Масса тележки при нормативной загрузке составляла около 14,2 т.
После десяти лет эксплуатации произошла авария крана. Когда тележка крана находилась на консоли со стороны эстакады, оба верхних пояса главной балки разорвались точно в середине пролета крана.
Авария произошла при температуре наружного воздуха несколько ниже 0 С при порывах ветра силой до 15 м/с. Обследования выявили, что разрыв верхнего пояса имеет вид усталостного разрушения и находится возле угловых швов, соединяющих перемычки. Длина излома нарастала постепенно и ко времени окончательного разрыва охватила значительную часть площади сечения пояса. Очаги образования усталостных трещин располагались также вблизи отверстий под заклепки.
Сталь, примененная для изготовления конструкций, обладала низкой ударной вязкостью при отрицательных температурах с большим разбросом значений, а также отличалась значительной неоднородностью структуры.
Причиной аварии конструкции явилась перегрузка верхних поясов при переменных нагрузках из-за неправильного расположения стержней в горизонтальных связях. Сопутствующими причинами аварии были неудовлетворительные пластические свойства материала конструкций при пониженной температуре, а также неправильное расположение швов.
Методика обработки результатов изучения кинетики НДС ездовых балок кранов-перегружателей
В настоящей работе выполнены расчеты конструкций кранов-перегружателей по пространственной схеме методом конечных элементов на ПЭВМ с помощью программы «OSCAR» [38, 78].
Программный комплекс «OSCAR» предназначен для статических и динамических расчетов несущих конструкций, пространственных сооружений методом конечных элементов с определением и унификацией расчетных сочетаний усилий. Данный программный комплекс позволяет рассчитать практически любую пространственную стержневую систему с определением усилий и перемещений любого из элементов пространственной конструкции во всех направлениях. В программном комплексе «OSCAR» гипотеза плоских сечений, т.е. геометрические и физические характеристики, а также компоненты напряженно-деформированного состояния являются функцией одного аргумента. Стержневой элемент способен воспринимать два типа нагрузок: силовые (продольную силу, изгибающие моменты, поперечные силы относи -64 тельно главных осей инерции) температурные воздействия. Деформативное состояние стержня характеризуется тремя линейными и тремя угловыми перемещениями относительно координатных осей X, Y, Z. Программно-вычислительный комплекс «OSCAR» допускает совместную работу различных типов элементов, с различными узлами сопряжения, со всеми видами опор и внутренних и внешних шарниров.
Нагрузки, действующие на кран-перегружатель согласно [16, 30, 78] определяют для двух состояний: рабочего и нерабочего. При этом под нерабочим состоянием понимают такое состояние, когда перегружатель не работает из-за ветра большой силы, сейсмических нагрузок, но находится в исправном (рабочем) состоянии. Нагрузки нерабочего состояния могут также воздействовать на кран-перегружатель, когда он находится на ремонте.
Таким образом, для решения задач, поставленных в первой и второй главах, выполнено следующее.
1. Произведен выбор объектов исследований - натурных конструкций ездовых балок двутаврового и коробчатого сечения кранов-перегружателей КХП АО «РМК» для изучения НДС материала.
2. Выбраны методы и аппаратура для изучения НДС и деформированного состояния ездовых балок
3. Произведен анализ погрешностей выбранных экспериментальных методов для изучения деформированного состояния в зонах концентрации напряжений и показана возможность его использования для решения поставленных задач Указанные мероприятия позволили получить экспериментально-теоретические данные, необходимые для оценки остаточного ресурса ездовых балок кранов-перегружателей металлургических комплексов, представленные в третьей главе. Повреждаемость ездовых балок кранов-перегружателей
При обследовании кранов-перегружателей с решетчатой несущей конструкцией были обнаружены следующие дефекты: трещины в верхнем поясе ездовой балки и в стенке; трещины в верхнем поясном шве и околошовной зоне, в шве крепления ребра жесткости; трещины под короткими ребрами, трещины в швах крепления тормозной конструкции к верхнему поясу ездовой балки; трещины в фасонках тормозной фермы, местные погибы верхнего пояса, ребер жесткости, стенки ездовой балки; местные и общие погибы раскосов и стоек тормозной фермы, вырезы в раскосах и стойках тормозной фермы, в настиле; трещины в диафрагмах, в швах крепления диафрагмы к стойкам и к опорному ребру ездовой балки; в клепаных конструкциях - расшатывание заклепок. Наиболее характерные дефекты и повреждения ездовых балок представлены на рис.3.1.
При обследовании кранов-перегружателей с комбинированной системой пролетного строения были обнаружены следующие дефекты: трещины в сварных швах крепления наклонной ламели к верхнему поясу и стенке, в пределах длины отсека, заключенного между диафрагмами, или его части; трещины в сварных швах крепления стенки балки к верхнему поясу в коротких отсеках; трещины в сварных швах крепления диафрагм к стенкам и поясам; трещины в ребрах жесткости с распространением на стенку балки, разрушение лобовых сварных швов крепления ребер жесткости к диафрагмам; разрыв ребер жесткости в средней части. Наиболее характерные дефекты и повреждения ездовых балок представлены на рис.3.2.
Как правило, повреждения концентрируются в ездовых балках у жесткой и гибкой опор и в средней части пролета, а для кранов-перегружателей с комбинированной системой - в местах присоединения к коробчатым балкам элементов подвески.
Кинетика напряженно-деформированного состояния зон разрушения и усиленных зон ездовых балок кранов-перегружателей
Расчет показал, что несущая способность кранов с балками как двутаврового, так и коробчатого сечения обеспечена. Балки работают в упругой области и в элементах ездовых балок коробчатого и двутаврового сечения возникают знакопеременные напряжения, которые достигают значений соответственно 0,5СТТ и 0,4- 0,6 тт. Размах напряжений от циклического загружения ездовых балок коробчатого и двутаврового сечения грейферной тележкой составляет 0,2 - 0,3ат. Таким образом, теоретические напряжения, полученные в результате машинного расчета, отличаются от фактических значений напряжений от крановой нагрузки, полученных в результате изучения кинетики НДС ездовых балок при помощи натурной тензометрии.
В результате анализа значений деформаций, полученных теоретическим было установлено, что максимальные значения относительных прогибов главных балок в пролете не превышает предельных значений и составляет 1/700 для балок коробчатого сечения и 1/800 для балок двутаврового сечения. Максимальные значения относительных прогибов ездовых балок в консольных частях кранов-перегружателей с решетчатой и с комбинированной системой не превышают допустимые значения и составляют соответственно 1/400 и 1/500.
Таким образом, фактическое напряженно-деформированное состояние узлов и сечений конструкций, определенное экспериментальным путем, отличается от теоретических значений в неблагоприятную сторону, что объясняется влиянием накопленных в процессе эксплуатации дефектов и повреждений.
1. Усталостные трещины, являющиеся основным дефектом ездовых балок кранов-перегружателей, сконцентрированы в местах крепления ездовых балок к несущим конструкциям, в зонах крепления стенки к верхнему поясу и в зонах ранее выполненного усиления.
2. Частота нагружения для ездовых балок исследованных кранов-перегружателей металлургических комплексов составляет 1200-1700 циклов в сутки, что для непрерывного производства составляет 438000-620500 циклов в год.
3. В результате изучения кинетики НДС узлов ездовых балок кранов-перегружателей металлургических комплексов и сопоставления с результатами теоретических расчетов, установлено что:
3.1 Наиболее нагруженными зонами ездовых балок кранов перегружателей металлургических комплексов являются зоны сопряжения верхних поясов со стенками, зоны в местах установки ребер жесткости и зо ны ранее выполненного усиления. При этом фактическое напряженно деформированное состояние конструкций меняется в процессе эксплуатации за счет появления повреждений и элементов усиления.
3.2 Материал в каждой из исследуемых зон ездовых балок кранов-перегружателей металлургических комплексов деформируется при «индивидуальном» режиме нагружения - индивидуальны величина и знак размаха напряжений Лог и коэффициент асимметрии цикла R.
3.3 Отмечено, что в зонах обнаруженных и возможных усталостных разрушений ездовых балок кранов-перегружателей размах напряжений от крановой нагрузки достигает величины АСУ = 0,6- 1,0 ат (стт - предел текучести стали), что с учетом существующих напряжений от собственного веса и временных нагрузок свидетельствует о циклическом упругопластическом деформировании материала в указанных зонах.
3.4 В ездовых балках кранов-перегружателей элементы ранее выполненного усиления сами являются концентраторами напряжений и при выполнении усиления без учета особенностей действительной работы ездовых балок являются источником усталостных разрушений при циклическом на-гружении.
3.5 Материал в вершинах заваренных трещин деформируется в упруго-пластической стадии, что в свою очередь, говорит о неэффективности усиле -114 ния ездовых балок кранов-перегружателей металлургических комплексов путем простой заварки трещин без выполнения специальных мероприятий, таких как засверловка вершин с радиусом отверстия не менее радиуса пластической зоны в вершине трещины, выполнения накладок и т.д.
3.6. Фактическое напряженно-деформированное состояние узлов и сечений конструкций, определенное экспериментальным путем, отличается от теоретических значений в неблагопрятную сторону, что объясняется влиянием накопленных в процессе эксплуатации дефектов и повреждений.
4. В результате анализа экспериментальных данных по изучению де формированного состояния ездовых балок, установлено что:
4.1 Относительные прогибы ездовых балок кранов-перегружателей в пролетных и консольных частях меньше предельно-допустимых значений.
4.2 Деформативность конструкций возрастает по мере накопления числа усталостных трещин, а также по мере увеличения длины данных трещин. Следовательно, увеличение деформативности конструкций при эксплуатации свидетельствует о чрезмерном развитии повреждений.
5. Изучены механические характеристики и получен химический анализ примененных в ездовых балках сталей.
6. Обобщены и проанализированы данные о параметрах статической и циклической трещиностойкости примененных сталей, что позволяет произвести оценку остаточного ресурса ездовых балок кранов-перегружателей.
Оценка остаточного ресурса узлов ездовых балок кранов-перегружателей при наличии в расчетном сечении трещин и трещиноподобных дефектов сварки
Геодезическая съемка подтележечных путей Необходимо проводить один раз в год геодезическую съемку подтележечных рельсов. 1. Наибольшая разность отметок по всей длине путей не должны превышать 100 мм. При нарушении нормальной эксплуатации дефект необходимо устранить; 2. Отклонение оси подтележечного рельса от прямой не должны превышать 20 мм на длине участка 40 м. При нарушении нормальной эксплуатации дефект необходимо устранить; 3. Смещение оси подтележечного рельса с оси ездовой балки не должно превышать 20 мм в каждую сторону. Дефект необходимо устранить, если в ездовых балках обнаружены повреждения; 4. Взаимное смещение торцов смежных подтележечных рельсов не должно превышать по высоте - 3 мм, плане - 3 мм. Дефект устранить заменой изношенных рельсов. 5. Зазоры в стенках подтележечных рельсов не должны превышать 2 мм. Дефект устранить при помощи рихтовки рельсов.
Геодезическая съемка деформированного положения пролетного строения при характерных положениях тележки с грузом Рекомендуется проводить один раз в год замеры прогибов в характерных точках каждой балки коробчатого сечения, либо каждой главной фермы
Замеры необходимо проводить: 1. Посередине пролета при установке тележки с грузом в средней части пролета и в крайнем положении на консоли со стороны жесткой опоры. Относительный прогиб не должен превышать 1/700 от длины пролета; 2. На конце консоли со стороны жесткой опоры при установке тележки с грузом в крайнем положении на этой консоли и средней части пролета. Относительный прогиб не должен превышать 1/300 от вылета консоли; 3. На конце консоли со стороны гибкой опоры при установке тележки с грузом в крайнем положении на этой консоли и в средней части пролета. Относительный прогиб не должен превышать 1/300 от вылета консоли.
В случае отклонения значений перемещений характерных точек в большую сторону на 20% - 30% по сравнению со средними показателями многолетних наблюдений, необходимо произвести обследование несущих металлических конструкций пролетного строения.
Эксплуатационные требования к техническому состоянию колес тележки крана-перегружателя 1. Износ верхних и боковых граней подтележечного рельса (для рельсов типа КР 100 - КР 140) не должен превышать по высоте головки рельса 10 мм, а по ширине - 15 мм. Повреждение устранить путем замены рельсов; 2. Разность расстояния между вертикальными осями колоес передней и задней колесных пар (ширина колес) не должна превышать 5 мм; 3. Неравномерность давления колес тележки на одной стороне не должна превышать 0,15; -127 4. Разность диаметров ведущих колес тележки не должна превышать 2 мм, разность диаметров колес, расположенных на одной стороне тележки не должна превышать 2 мм; 5. Угол перекоса колеса тележки по отношению к оси подтележечного рельса не должен превышать 1/750; 6. Износ реборды колеса (по толщине) не должен превышать 0,3 номинальной толщины реборды. Эксплуатационные требования к техническому состоянию ездовых балок кранов-перегружателей с решетчатой конструкцией пролетного строения Разность отметок поясов ездовых балок в одном поперечном разрезе не должна превышать на опорах 10 мм, в пролете - 15 мм. Дефект устраняется установкой прокладок, если затруднена эксплуатация крана-перегружателя; Смещение осей ездовых балок с разбивочной оси не должно превышать 4 мм. Дефект устранить путем рихтовки ездовых балок, если затруднена эксплуатация крана-перегружателя; Перекос полок элементов двутаврового сечения в местах примыкания элементов не должен превышать 0,01 ширины полок, в прочих местах -0,02 ширины полок; Выпучивание стенки балки сплошного сечения не должно превышать 0,01 ее высоты; . Местные погибы не должны превышать 0,2 толщины элементов. Рекомендации по обследованию несущих конструкций пролетных строений кранов-перегружателей Для кранов-перегружателей с решетчатой системой пролетного строения необходимо производить осмотр следующих конструкций: Крепление ребер жесткости к диафрагмам осуществить посредством уголка-коротыша приваренного пером к ребру жесткости продольным (фланговым) швом. Неудовлетворительным является конструктивное решение узлов креплений ребер жесткости к диафрагмам, что привело к массовым повреждениям этих узлов.
В качестве варианта усиления уголков крепления диафрагм возможна их замена на уголки большей длины и большего поперечного сечения из пластичных сталей ВСтЗсп либо 09Г2С с креплением на высокопрочных болтах. При этом кромки уголков должны быть подвергнуты механической обработке для устранения возможных очагов зарождения усталостных трещин, которыми являются дефекты газовой резки.
В случае замены соединительных уголков крепления диафрагм необходимо выполнить обследование усиленных узлов по истечению одного месяца эксплуатации. В дальнейшем обследования уголков крепления диафрагм рекомендуется проводить одновременно с ездовыми балками. Период между обследованиями ездовых балок и узлов крепления диафрагм должен быть в 2 - 3 раза меньше по сравнению с периодом обследования моста крана-перегружателя. Варианты усиления ездовых балок коробчатого сечения кранов-перегружателей № 4, № 5, № 6 КХП АО «РМК» представлены на рис. 4.8.
Скорректирована методика оценки остаточного ресурса ездовых балок кранов-перегружателей металлургических комплексов на стадии роста усталостной трещины в условиях механической неоднородности зон сварных соединений с учетом влияния низких температур климатического диапазона.
