Оценка (Расчет) остаточного ресурса крана (башеного или мостового) с истекшим нормативным сроком службы

Введение
1 Безопасная эксплуатация ГПМ
2 Примеры аварий
3 Методика расчета остаточного ресурса крана
4 Пример расчета остаточного ресурса крана
Заключение
Список используемой литературы

Оценка (Расчет) остаточного ресурса крана (башеного или мостового) с истекшим нормативным сроком службы

Данные об авариях кранов из-за перегрузки свидетельствуют, что они чаще всего случаются со строительными кранами, установленными на различных складах и лесных биржах, где производственный контроль и обслуживание значительно ниже, чем в управлениях механизации.
Отдельные проекты производства работ кранами не учитывают особенности грузовых характеристик строительных кранов с обратно пропорциональным снижением массы груза при увеличении вылета. Такая особенность создает серьезные трудности при использовании строительных кранов для погрузоразгрузочных работ, и крановщики довольно часто ОГП кранов отключают. Так, на складской площадке транспортного цеха предприятия при подъеме пачки пиломатериалов башенным краном КБ-309ХЛ произошло его падение с деформацией и разрушением металлоконструкций. Кран восстановлению не подлежит. ОГП крана был преднамеренно выведен из строя. Перегрузка крана составила 60%.
На участке подготовки древесины при разгрузке полувагона с лесом в результате перегрузки опрокинулся башенный кран КБ-100. Повреждена башня, деформирована стрела, кабина, ходовая рама. ОГП крана был отключен.
Многочисленные аварии башенных кранов обусловлены дефектами крановых путей из-за нарушения регламентированных РД 22-28-35-99 требований к конструкции, устройству и безопасной эксплуатации рельсовых путей башенных кранов. По материалам расследований основными причинами аварий кранов являются следующие нарушения:
несоблюдение технологии подготовки нижнего строения пути, использование неоднородного материала (различной плотности), попадание в грунт снега и льда, что вызывает просадку путей при эксплуатации;
отсутствие или несоблюдение требований к выполнению водоотливных канав в земляном полотне нижнего строения, что приводит к ненадежному состоянию пути, особенно в осенний и весенний периоды;
применение нестандартных опорных элементов (железобетонные балки и плиты, шпалы, крепления рельсов) и несоответствующих требованиям материалов балластных призм верхнего строения, что может быть причиной разрушения элементов и создаю аварийной ситуации;
деформация и разрушение выключающих линеек, в результате чего не срабатывают конечные выключатели механизма передвижения крана;
применение тупиковых упоров, неисправных или не соответствующих типоразмеру крана.
В последние годы участились аварии башенных кранов в нерабочем состоянии из-за высокой скорости ветра. Вероятность появления нагрузок на кран в нерабочем состоянии может возрасти из-за существенного изменения климата Земли. Особенно опасны ветры, вызванные локальными метеопроцессами, прогнозирование которых затруднено. Поскольку безопасность ГПМ, в том числе и башенных кранов, зависит от ветровых нагрузок, необходимо совершенствовать способы оповещения крановщика и индивидуальные меры защиты крана при повышенной скорости ветра.
Существующие требования к эксплуатации башенных кранов при повышенных скоростях ветра определяют последовательность и состав действий обслуживающего персонала при подготовке крана к нерабочему состоянию. Они устанавливаются в руководствах (инструкциях) по эксплуатации башенных кранов, а также, возможно, в дополнительных инструкциях организаций – владельцев кранов. При этом предусматривается оповещение крановщика о предстоящем шторме. Однако последнее требование в условиях эксплуатации часто нарушается. Например, не получив штормового предупреждения, крановщик продолжает руководствоваться показаниями анемометра или личными наблюдениями для принятия решения о прекращении работы. При этом, в связи с тем что анемометр дает сигнал о ветре с осреднением за 2-3 с, пульсация ветра с периодами свыше 10с может при сильных ветрах создать впечатление у крановщика о снижении силы ветра и на некоторое время задержать принятие им решения об эвакуации с крана. Как показывает практика, такая задержка может быть причиной аварии крана. Подобный случай имел место, например, при аварии кранов КБ-676 и КБ-401.В.
При резком возрастании силы ветра и отсутствии штормового предупреждения крановщик крана КБ-676 после получения сигнала анемометра установил грузовую тележку на минимальный вылет, поднял крюковую обойму вверх, установил стрелу крана по ветру. После этого, не получив указания о необходимости эвакуации, он оставался на кране в течение нескольких минут. За это время скорость ветра существенно превысила допустимое значение. Задержка с эвакуацией не позволила крановщику своевременно закрепить кран противоугонными захватами за рельсы. В результате под действием ветра, направленного вдоль путей, кран начал самопроизвольно двигаться и достиг скорости, в несколько раз превышающей паспортную, что привело к сходу его с рельсов и опрокидыванию. Падение крана КБ-676 вызвало аварию двух других кранов, установленных на строительном объекте.
Важно отметить, что один из кранов КБ-676, находившийся рядом с другим краном КБ-676, хотя имел высоту башни на одну секцию больше и соответственно испытывал большие нагрузки, чем второй кран, не потерял устойчивости, так как был закреплен рельсовыми захватами, авария первого крана была вызвана падением узлов второго крана КБ-676.
Анализируя представленные материалы, очевидно, что аварии башенных кранов чаще всего являются следствием неудовлетворительных обслуживания, монтажа и ремонта. Поэтому при продлении ресурса особое внимание необходимо придавать обследованию металлоконструкций крана для выявлении дефектов и качественному их устранению.
3 Методика расчета остаточного ресурса крана
Оценку остаточного ресурса металлических конструкций грузоподъемных машин рекомендуется выполнять в следующих случаях [7]:
при высокой степени коррозии (предельной или близкой к предельной) для несущих элементов металлических конструкций грузоподъемных машин данного типа (указанной в других частях настоящего нормативного документа);
при обнаружении многочисленных трещин, особенно в узлах, которые ранее подвергались ремонтам;
в соответствии с дополнительными рекомендациями головных организаций, относящимися к обследованию грузоподъемных машин данной конструкции;
по просьбе владельца для оценки предполагаемого срока до замены (списания) ГПМ.
Исходными данными для выполнения оценки остаточного ресурса являются [2]:
результаты обследования ГПМ в соответствии с [2];
данные, характеризующие использование грузоподъемной машины за весь срок ее эксплуатации (число циклов, распределение транспортируемых грузов по массам, степень агрессивности среды и т. п.);
данные о химическом составе и механических свойствах металла расчетных элементов металлических конструкций в момент выполнения оценки остаточного ресурса;
расчет металлической конструкции ГПМ;
данные о геометрии расчетных элементов металлической конструкции с учетом фактической коррозии;
руководящие документы и стандарты по оценке остаточного ресурса, по расчету металлических конструкций данного типа, в том числе на усталостную прочность;
результаты тензометрирования оцениваемых металлических конструкций (при необходимости).
Оценка остаточного ресурса должна включать [2]:
анализ имеющейся конструкторской, эксплуатационной и ремонтной документации (в т.ч. и материалов по предыдущей оценке остаточного ресурса, если она проводилась) и в первую очередь по элементам, которые могут лимитировать ресурс крана;
анализ технической информации по отказам, имевшим место по аналогичным элементам и кранам;
анализ особенностей нагружения крана и фактической нагруженности элементов с учетом данных инструментальных испытаний;
анализ механизма образования и развития дефектов и повреждений узлов, лимитирующих долговечность крана с учетом примененных в несущих конструкциях материалов;
определение параметров предельных состояний элементов с учетом их реальной нагруженности, отклонений от заданной геометрической формы, размеров и механических свойств металла;
выявление запасов прочности расчетных металлоконструкций по РД 22-166 с проведением, при необходимости расчетов на усталость;
возможность и сроки дальнейшей эксплуатации крана.
Оценка остаточного ресурса должна проводиться по методике, разработанной или согласованной с СКТБ башенного краностроения и составленной с учетом требований РД 09-102-95 [2].
Как было сказано выше, определение остаточного ресурса металлоконструкций кранов при истекшем сроке службы является весьма важным мероприятием. К сожалению, в настоящее время нет общепринятой методики по определению остаточного ресурса. В данном разделе представлена методика наиболее приближенная к реальности.
При оценке остаточного ресурса руководствуются следующими определениями [2,8]:
Нормативный срок службы крана — это календарная продолжительность от начала эксплуатации до выполнения нормативной наработки, соответствующей группе классификации по ИСО 4301/1 [1] приведенной в паспорте. После окончания нормативного срока службы грузоподъемный кран должен быть выведен из эксплуатации и списан. Эксплуатация крана может быть продолжена при наличии достаточной остаточной прочности металлической конструкции.
Характеристическое число – безмерная величина, является мерой ресурса крана, определяемая как произведение числа рабочих циклов, выполняемых краном на коэффициент распределения масс поднятых и перемещенных грузов.
Нормативное характеристическое число – безмерная величина, является мерой ресурса крана, на который он рассчитан, определяемая с учетом параметров группы классификации [1].
Текущее характеристическое число – безмерная величина, являющаяся мерой ресурса крана на текущий момент, определяемая с учетом всех рабочих циклов, выполненных от начала эксплуатации, и значений масс грузов, поднятых в каждом цикле.
Наибольшей сложностью при оценке остаточного ресурса является определение реального режима работы крана (текущего характеристического числа). К сожалению, не редко эксплуатирующие организации нарушают правила безопасности в части ведения специализированной технической документации о режимах работы, проведении ремонтов и т.п.
Первоначально предполагалось определять группу классификации по двум параметрам: классу использования и классу нагружения [1]. Но в этом случае возникает вопрос с определением понятия цикла. Цикл – это любое подъем-опускание груза любой массы или подъем-опускание груза с обязательным поворотом стрелы и перемещением тележки груза массой не менее определенного значения [8].
Если за цикл работы крана принимать подъем любого груза,
то число циклов может быть большим, а класс нагружения малым. Между
тем класс нагружения величина дискретная, а это приводит к тому, что группа классификации всегда будет несколько завышенной, а нормативный срок, соответственно, занижен. И хотя это идет в запас безопасности, с экономической точки зрения такой запас не целесообразен.
Другое определения цикла – не выдерживают какой-либо критики, т.к. этом случае возникает опасность большой потери информации о работе крана. Возникающие при этом погрешности в запас безопасности не идут.
Т.о., возникает задача определения алгоритма определения наработки крана, выраженной в циклах работы крана, но свободного от перечисленных выше недостатков.
Ниже приведен алгоритм определения выработки краном заданного срока [8].
Оценка наработки крана (текущее характеристическое число) производится по показаниям регистратора параметров работы крана. Согласно [1] его значение определяется отношением поднимаемого груза во всех циклах за весь срок эксплуатации к грузоподъемности крана возведенное в куб. Данный параметр определяется с помощью специального регистратора, установленного на кране.
При отсутствии на кране регистратора параметров работы наработку крана (текущее характеристическое число) определятся по отношению среднего относительного значения массы поднимаемого груза за весь срок эксплуатации к грузоподъемности крана [1]. При этом добавляется поправочный коэффициент, учитывающий число циклов в смену, число отработанных краном смен и коэффициента запаса.
В [1] для определения среднего относительного значения массы поднятого груза имеется классификация кранов по режиму нагружения. Так существует четыре режима нагружения:
Q1-легкий – краны, поднимающие регулярно легкие грузы, а номинальные грузы — редко;
Q2-умеренный – краны, поднимающие регулярно средние грузы, а номинальные - довольно часто;
Q1-тяжелый – краны, поднимающие регулярно тяжелые грузы, а номинальные грузы - часто;
Q1-весьма тяжелый – краны, регулярно поднимающие грузы, близкие к номинальным.
Так, если для Q1-легкого режима среднее относительное значения массы поднятого груза равно 0,5, то для Q4-вестма тяжелого – 1.
Также [1] устанавливает классы использования, определяющие количество циклов. Число циклов можно получить, если известно суммарное число рабочих часов и число рабочих циклов в час.
Общее число рабочих циклов зависит от частоты использования крана. Для удобства классификации весь диапазон возможных чисел рабочих циклов разделен на десять классов использования. Рабочий цикл начинается, когда груз готов к подъему и заканчивается, когда кран готов к подъему следующего груза.
Определение нормативного характеристического числа крана (группы классификации в целом) определяется по совмещенной таблице на основании класса использования и режим нагружения.
По результатам сравнения нормативного и текущего характеристических чисел делается вывод о возможности продления ресурса.
Остаточный ресурс металлоконструкции определяется следующими показателями:
техническим состоянием крана;
скорректированной линейной суммой накопленных усталостных повреждений (с ростом повреждений растет);
текущего характеристического числа.
Рассчитанный таким методом остаточный ресурс металлоконструкции определяет количество циклов, в течение которых, при сохранении режима работы, металлоконструкции крана будут отвечать требованиям безопасности. Эту величину можно перевести во временной отрезок при сохранении или известном изменении класса нагружения. Т.о. устанавливается срок по истечению, которого необходимо проведение аналогичной оценки ресурса. Осмотры в ходе эксплуатации крана с продленными сроками службы производятся с той же периодичностью и в том же объеме, как в период нормативного его срока службы [2].
Также существуют вероятностный подход к определению остаточного металлоконструкций ресурса крана. Суть данного метода заключается в вероятностном определении времени, через которое в металлоконструкции крана разовьется усталостная трещина, превышающая допустимое значение.
Например, такой подход описан в [9]. В предлагаемом методе расчета остаточного ресурса металлоконструкций кранов рассматривается случай многоцикловой усталости, а в качестве основного показателя остаточного ресурса характеристики следующие крана:
Наработка;
Относительная вероятность того, что в течение этой наработки предельное состояние конструкции не будет достигнуто.
На рис.1 представлена схема определения остаточного ресурса металлоконструкции крана с учетом этапа живучести. Здесь Q(t) – вероятность появления усталостной трещины в конструкции, l - длина усталостной трещины.
Рис.1 – Схема определения остаточного ресурса металлоконструкции крана
В момент времени tэ проводится осмотр (оценка) технического состояния конструкции в соответствии с [2] согласно группе классификации крана. tp - время достижения расчетной долговечности. Т.о., остаточный ресурс можно представляет как разность между tp и tэ.
Предлагаемый метод даёт возможность рассчитать функцию долговечности Q(t) (кривая 1 рис.1) в интервале времени tp – tэ.
Метод расчета базируется на учете постепенного снижения исходного предела выносливости конструкции в рассматриваемом сечении вследствие действия амплитуд напряжений, превышающих исходный предел выносливости. Кроме этого, по результатам неразрушающего контроля представляется возможным внести коррективы в части уменьшения площади расчетного сечения и увеличения концентрации напряжения вследствие локального эффекта из-за коррозии внутренних полостей металлоконструкций крана.
Т.о. можно сказать, что оценка остаточного ресурса основывается на прогнозировании процессов деградации рассматриваемого сечения конструкции в результате усталостного и коррозионного повреждения.
Для принятия окончательного решения о возможности дальнейшей эксплуатации металлоконструкции крана на основе данных расчета остаточного ресурса также использоваться выражение:
N0 = N / Np .
Здесь N0 - показатель относительного ресурса; Np - расчетное число циклов нагружения; N - фактическая наработка в циклах нагружения, которое:
при N0<0,8 конструкция обладает достаточным остаточным ресурсом;
при 0,8<N0<1 конструкция находится вблизи границы области безопасности;
при N0>1 рассматриваемая конструкция попадает в область ограниченной безопасности; в этом случае необходимо выполнить дополнительный расчет ресурса конструкции на стадии роста усталостной трещины (график 2 на рис. 1).
Расчета ресурса конструкции на стадии роста усталостной трещины заключается в определении кривой 2 рис.1, определении закона развития трещины с течением времени в зависимости от режима работы.
Скорость развития трещины в сечении конструкции определяется уравнением Периса-Элбера:
V = dl /dN = A(∆Kэф)n,
где l - текущее значение длины усталостной трещины;
∆Кэф = (σi max - σi) (π l)Y - размах коэффициента интенсивности напряжений;
σi max - максимальное напряжение в i-м цикле;
σi - эффективное минимальное напряжение в i-м цикле;
Y - коэффициент К-тарировки, полученный по результатам натурных усталостных испытаний;
А, n - постоянные материала конструкции.
После анализа расчета живучести конструкции (кривая 2 рис.1) принимается решение о возможности дальнейшей её эксплуатации. Также по графику (рис.1) можно оценить время продления ресурса эксплуатации крана.
Методы определении остаточного ресурса крана (по методическим рекомендациям и вероятностный), приведенные выше имеют как плюсы, так и минусы.