автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Диагностика повреждаемости металлических конструкций грузоподъемных машин

004614470

ДАНИЛОВ Александр Сергеевич

ДИАГНОСТИКА ПОВРЕЖДАЕМОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН

Специальность 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 5 но Я 7010

Тула 2010

004614470

Работа выполнялась в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Ведущая организация: ООО НПП «Подъемтранссервис» (Московская обл., Пушкинский район, пос. Лесной).

Защита состоится «1» декабря 2010 г., в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.271.10 при ГОУ ВПО Тульский государственный университет (300012, Тула, пр. Ленина, 92 (9-101)).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан «2Ь> октября 2010 г.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Сорокин Павел Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Иноземцев Александр Николаевич

кандидат технических наук Сероштан Владимир Иванович

Учёный секретарь диссертационного совета

В. А. Крюков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящий момент из 270 тысяч грузоподъемных кранов России, находящихся в эксплуатации, более 80% уже несколько лет назад исчерпали сроки эксплуатации, требуют замены или модернизации, а также подлежат списанию.

В ближайшем будущем это приведет к снижению надежности и безопасности эксплуатации металлоконструкций грузоподъемных кранов в целом, и в результате коррозионного разрушения, вызывающего изменение параметров рабочих режимов и отказ грузоподъемного крана, в частности.

Коррозионное повреждение приводит к снижению несущей способности конструкции за счет уменьшения сечения конструктивного элемента и развитию многочисленных усталостных трещин.

Так как процессы коррозии, связанные с влиянием факторов среды, необратимы и часто приводят к отказам, их необходимо обнаруживать на ранних стадиях, классифицировать, давать количественную оценку эффекта повреждения и прогноз опасности развития в случае непринятия мер по усилению защиты. Однако существующие методы диагностики мостовых и козловых кранов не позволяют определять все необходимые показатели коррозии (механические). Кроме того в методических указаниях по обследованию грузоподъемных машин в настоящий момент нет средств (математических моделей) позволяющих прогнозировать развитие коррозионных повреждений.

В связи с этим, особую актуальность приобретает научно - техническая задача, состоящая в оценке влияния коррозионного разрушения несущих металлоконструкций на аварийность подъемных кранов в атмосферных условиях методами и средствами диагностики.

Объектом_исследования являются листовые сварные

металлоконструкции коробчатого сечения мостовых и козловых кранов.

Цель работы заключается в повышении безопасности эксплуатации грузоподъемных кранов путем определения коррозионного повреждения их металлоконструкций с применением методов и средств диагностики.

Задачи исследования:

- анализ особенностей протекания процесса коррозионного повреждения металлоконструкций мостовых и козловых кранов в атмосферных условиях;

- анализ воздействия коррозионного повреждения на процесс усталостного разрушения несущих крановых металлоконструкций;

- построение модели накопления усталостных повреждений элементом металлоконструкции при воздействии коррозии;

- разработка методов по оценке коррозионных повреждений металлоконструкций грузоподъемных кранов.

Методы исследования. В работе использовали: расчетные методы механики разрушения, методы обследования металлических конструкций мостовых и козловых кранов, регрессионный анализ и элементы математической статистики, конечно-элементное моделирование.

Научные положения, выносимые на защиту:

- Расчетный метод определения показателей коррозии: глубинного, локального (при питтинговой коррозии), механического (адсорбционное понижение предела текучести и выносливости материала).

- Результаты сравнительного анализа степени коррозионного разрушения окончаний боковых стенок и нижнего пояса главных балок мостовых кранов.

- Зависимости изменения оптических свойств наружного подслоя ржавчины от степени агрессивного воздействия среды и фактора времени.

- Оптический метод диагностики, позволяющий определять глубинный, механический, очаговый показатели коррозии по цветовым свойствам наружного подслоя ржавчины.

Научная новизна состоит в том, что установлена связь между развитием усталостных и коррозионных повреждений стальных металлоконструкций, которая впервые учитывает кинетику процесса атмосферной коррозии и влияние воздействия основных факторов коррозионного повреждения: относительной влажности воздуха, степени загрязненности атмосферы агрессивными газами, особенности конструктивного исполнения, химического состава сплава.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается экспериментальными результатами обследования металлоконструкций мостовых и козловых кранов, а также, сравнением результатов проведенных экспериментальных исследований с результатами исследований, проведенными другими авторами.

Практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты могут найти широкое применение в различных отраслях машиностроения при проведении мониторинга или диагностирования металлоконструкций.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на научных семинарах кафедры «Подъемно - транспортные машины и оборудование» Тульского государственного университета (Тула, 2007-2010), на 1-й магистерской научно-технической конференции (Тула, 2006), на Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации» (Тула, 2008), на III и IV молодежных научно-практических конференциях Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (Тула, 2009), на XI-X1V Московских международных межвузовских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные и путевые машины и робототехниче-ские комплексы» (Москва, 2007-2010), на семинаре 7-й специализированной международной выставки «Подъемно - транспортная техника и технологии. ПТТиТ - 2009» (Москва, 2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работах, включая 5 статей в рецензируемых научных журналах и трудах международных конференций и 8 в сборниках трудов и материалов различных конференций. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных результатов и выводов, списка использованных источников,

включающего 110 наименований. Работа содержит 160 страниц печатного текста, 67 рисунков, 29 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложена ее структура и кратко раскрыто содержание разделов диссертации, рассмотрено современное состояние вопроса коррозии металлов и металлоконструкций грузоподъемных кранов в частности, обоснована актуальность разрабатываемой темы.

В первом разделе определено общее состояние парка грузоподъемных машин России. Отмечена тенденция, характеризующаяся снижением надежности и безопасности подъемных кранов в результате воздействия многочисленных факторов, в том числе и коррозионного разрушения металлоконструкций.

Рассмотрены и обоснованы многочисленные факторы, которые должны учитываться при оценке воздействия атмосферной коррозии на состояние несущих металлоконструкций: относительная влажность воздуха, степень загрязненности атмосферы агрессивными газами, особенности конструктивного исполнения, химический состав сплава.

Определены существующие способы диагностики коррозионного состояния крановых металлоконструкций, их преимущества и недостатки.

Основы теории коррозии металлов представлены в трудах Г.К. Берукштиса, В.И. Будынкова, В.В. Герасимова, А.П. Жукова, A.A. Герасименко, B.C. Кемхадзе, Я.М. Колотыркина, С. Крамера, О. Кукурса, Ю.Н. Михайловского, A.C. Неверова, В. Плудека, X. Рачева, П. Роберже, И.Л. Розенфельда, И.В. Семенова, В.В. Скорчелетги, И.Я. Сокола, A.M. Сухотина, Н.Д. Томашова, П. Швейцера, Л. Шрайера.

Основы теории коррозионно-механического разрушения металлов представлены в трудах A.A. Герасименко, Г.В. Карпенко, X. Логана, H.A. Махутова, И.Г. Овчинникова, В.В. Панасюка, В.В. Петрова, В.И. Похмурского, В.В. Романова, О.И. Стеклова.

Основы теории эксплуатации и диагностики грузоподъемных машин изложены в работах И.О. Абрамовича, А.П. Баранова, A.B. Вершинского,

A.И. Головина, М.М. Гохберга, B.C. Дронова, Г.Г. Дубенского,

B.C. Котельникова, A.C. Липатова, К.Д. Никитина, С.А. Соколова, В.И. Серош-тана, П.А. Сорокина и др.

Обзор состояния работ по проблеме коррозии несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов в России показал, что:

- состояние парка грузоподъемных машин России в ближайшем будущем будет только ухудшаться, что приведет к многочисленным отказам и повышению уровня аварийности по стране в целом;

- проблема коррозии железных сплавов в целом не решена и не будет решена в ближайшем будущем, поэтому следует ожидать дальнейшее увеличение коррозионных потерь металла в стальных металлоконструкциях.

Второй раздел посвящен экспериментальным исследованиям стальных образцов и реальных крановых металлоконструкций с целью определения нали-

чия корреляционных связей между показателями коррозии и основными факторами среды, влияющими на развитие коррозионных повреждений.

Исследование глубинного показателя коррозии производилось на основании экспериментальных испытаний стальных образцов и элементов металлоконструкций (СтЗ ГОСТ 380-71, 09Г2, 09Г2С, 10ХСНД, 15ХСНД ГОСТ 19281-89) приведенных в работах О. Кукурса, Ю.Н. Михайловского и И.Л. Розенфельда. Методом регрессионного анализа было установлено влияние на глубинный показатель коррозии следующих факторов: относительной влажности воздуха, концентрации загрязнений сернистым ангидридом, температуры окружающей среды, особенностей конструктивного исполнения сечений узлов металлоконструкций, кинетики процесса коррозии, химического состава сплава.

Рассматривался вопрос и локального коррозионного разрушения металлоконструкций при питтинговой коррозии. Экспериментальная база данной части исследования основана на работах А.А. Герасименко, B.C. Кемхадзе, И.Л. Розенфельда. Были определены коэффициенты питгингообразования для сталей СтЗ, ЮХСНДи 15ХСНД.

Кроме того проводилось обследование реальных крановых металлоконструкций. На основе экспериментальных данных были выявлены наиболее вероятные места сквозного коррозионного разрушения стальных балок коробчатого сечения, а именно - зона окончания боковых стенок.

На основе работ О. Кукурса и A.M. Сухотина было проведено исследование структуры слоя ржавчины при атмосферной коррозии. Ими было определено, что слой ржавчины состоит из трех подслоев. Наибольшее внимание в процессе данного исследования было уделено окислам наружного подслоя ржавчины: гётиту, лепидокрокиту, магнетиту. Обнаружено, что с течением времени лепидокрокит превращается в гётит (вплоть до полного вытеснения) и его содержание в подслое снижается. Также было определено, что чем сильнее агрессивность среды, тем выше содержание в наружном подслое ржавчины магнетита. В дальнейшем проводился анализ цветовых свойств окислов наружного подслоя ржавчины, на основании которого было сделано заключение о том, что возможно определять глубинный и механический показатели коррозии оптическим методом диагностики, который подробно описан в пятом разделе работы.

Третий раздел диссертационной работы посвящен созданию математических моделей развития коррозионных дефектов в металлоконструкциях.

В процессе исследования было выделено три основных фактора воздействия среды: явление адсорбционного понижения механических характеристик материала; снижение несущей способности металлоконструкции вследствие износа конструктивных элементов; развитие локальных коррозионных повреждений (питтингов).

Адсорбционное воздействие среды на материал объясняется эффектом Ребиндера, оно первично и универсально для всех твердых тел. Следует отметить, что адсорбционное воздействие мгновенно и процесс снижения механических характеристик материала протекает до тех пор, пока есть контакт на границе материал-среда.

Коррозионный износ - это уменьшение площади поперечного сечения металлоконструкции, приводящее к снижению ее несущей способности при совместном воздействии коррозии и внешних нагрузок.

Локальные коррозионные процессы протекают довольно быстро, в зависимости от степени агрессивности среды. В среднем скорость развития питтинга в 2,5-5 раз выше скорости поверхностной коррозии, что вызывает образование опасных концентраторов напряжений.

Поскольку грузоподъемные краны - это машины циклического действия, то в работе был рассмотрен вопрос о воздействии агрессивной среды на накопление усталостной повреждаемости металлоконструкций.

Для того чтобы учесть влияние агрессивной среды на процесс усталостного разрушения, необходимо использовать дополнительный параметр 5 в уравнении накопления усталостной повреждаемости, характеризующий воздействие агрессивной среды:

где со - мера накапливаемой усталостной повреждаемости; тэ - время; а - уровень повреждающих напряжений; 5 - параметр агрессивного воздействия среды.

К параметрам агрессивного воздействия среды относится глубина деградации - параметр, учитывающий изменение величины коррозионного износа:

8 = Кт,

где V- средняя скорость коррозии, мм/год; т - время коррозии, лет.

Согласно экспериментальным данным была определена зависимость между значениями средней скорости коррозии и концентрации агрессивных загрязнений. Методом регрессионного' анализа было получено следующее выражение для малоуглеродистой стали СтЗ:

К = (о,01 + 1,0з(1-е-°'ооззс^))

гдеС5С,2 - концентрация агрессивных загрязнений, мг/м3.

Далее было рассмотрено влияние относительной влажности воздуха на изменение скорости коррозии, что реализовано в виде - коэффициента влажности среды. Коэффициент влажности среды показывает во сколько раз скорость коррозии при некотором значении относительной влажности воздуха меньше контрольного (при относительной влажности 100%);

Аф =-032+ 0,01 Зф, где (р - относительная влажность воздуха (50 + 100%). тогда выражение скорости коррозии приняло вид:

к = (0,01 + 1,0з(1-е-0дазс^)>ф.

Согласно анализу экспериментальных данных определено, что наиболее точно кинетику процесса коррозии воспроизводит модель:

8 = Ат".

где Лип- постоянные параметры, причем А определяет агрессивность среды, а п - коррозионную стойкость материала. И установлены зависимости параметров

А и п от аэрохимичеких показателей агрессивной среды, что было реализовано в следующем виде

И = 1О&20 + 1' А = 0,001 +4,47Г.

Далее на примере балок коробчатого сечения было произведено уточнение модели с учетом фактора неравномерности распределения коррозионного износа по периметру сечения металлоконструкции. Были проанализированы эпюры распределения коррозии по периметру сечения коробчатой балки в работах И.Л. Розенфельда (рис. 1.).

Рис. 1. Распределение коррозии по периметру балки коробчатого стального сечения (мм/год): 1 - верхний пояс; 2 - окончание боковой стенки

В результате были выделены следующие участки конструкции, резко отличающиеся друг от друга величиной коррозионного износа: верхняя поверхность поясных элементов; нижняя поверхность поясных элементов; окончание боковых стенок. С учетом эпюр распределения коррозии, была проведена корректировка модели путем введения специального коэффициента, отражающего степень подверженности коррозии отдельных элементов металлоконструкции. Данный коэффициент был назван коэффициентом конструктивного исполнения или кк (для верхней поверхности горизонтального пояса - 1,0; окончания боковой стенки - 0,95; нижней поверхности горизонтального пояса - 0,37).

Далее область применения модели была расширена до прогнозирования глубинного показателя коррозии низколегированных сталей. Что реализовано путем введения специального коэффициента км - коэффициента материала (для СтЗ равный 1; 09Г2 - 2; 09Г2С - 3; 10ХСНД - 4).

После определения всех необходимых значений коэффициента материала, было получено:

где /к - глубинный показатель коррозии, мм.

В результате, для достижения наиболее точного прогнозирования диагностируемых параметров коррозии, разработан следующий комплекс математических моделей, который, в отличие от предшественников, представляет собой целую систему математических уравнений, что позволяет учитывать больше факторов моделируемого процесса.

5 = Лт";

- А = 0,001 +4,47К;

V = (о,01 +1,03(1 - е"°'ооззс*>2

Проверка модели с помощью критерия Фишера подтвердила ее адекватность.

Путем введения в математическую модель дополнительного коэффициента питтингообразования получено:

где 1Ш - глубина пипипга, мм; кпт - коэффициент питтингообразования.

Поскольку грузоподъемные машины проектируются из расчета, что металлоконструкция будет работать в упругой области, характеризующейся отсутствием остаточной деформации после снятия приложенной нагрузки, то в качестве контролируемого параметра адсорбционного воздействия среды был выбран предел текучести материала. Кроме того учитывался и фактор колебания температур среды, приводящий к изменению пластичности материала.

Модель воздействия агрессивной среды на механические характеристики материалов реализована в виде зависимости:

°7'коР = ,'Г~ ' ^ * (о,089 ■ е"0'0850^ + 0,91 • е-0'000"^) ,

где стГкор - величина предела текучести вследствие адсорбционного воздействия среды; Т - температура окружающей среды; Рт - характеристики материала; <тго - предел текучести материала при температуре Т0 = 293К(20°С).

Четвертый раздел посвящен вопросу оценки изменения напряженно-деформированного состояния элементов металлоконструкций мостовых кранов при эксплуатации в условиях атмосферной коррозии. На основании расчетов ко-

нечно-элементных моделей (рис. 2) в программном пакете АРМ 1¥тМасИте было показано, что наиболее опасными местами коррозионного разрушения влияющими на эксплуатационную пригодность металлоконструкции в целом, 1 являются околошовные зоны окончаний боковых стенок. Установлено, что локальный характер коррозионного износа боковых стенок существенно влияет на усталостную прочность металлоконструкции. Так расчете главных балок мостовых кранов было зафиксировано снижение усталостной прочности от 2,9 до 15,6 раз (в случае сквозного локального разрушения стенок).

47857.487 Число циклов 83502.170 Число циклов

Рис. 2. Карта усталости главной балки мостового крана

285095.176 Число циклов

42982.887 Число циклов

546687.830 Число циклов

Также был рассмотрен вопрос о влиянии коррозионных повреждений на процесс усталостного разрушения реальных металлоконструкций мостовых кранов. Было определено влияние основных факторов коррозии на проявление усталости в металлоконструкциях подъемных кранов.

Коррозионный износ конструктивных элементов наблюдается в течение всего жизненного цикла металлоконструкции. Его накопление приводит к снижению несущей способности металлоконструкции и увеличению напряжений при постоянной во времени нагрузке. В связи с этим необходимо постоянно корректировать приложенные нагрузки, чтобы избежать превышения значений возникающих в конструкции напряжений некоторой определенной величины и выдержать ее работоспособность определенное число циклов нагружения.

Адсорбционное же воздействие среды заключается в изменении усталостной прочности материала под влиянием адсорбирующихся поверхностно-активных компонентов среды на внешних или внутренних поверхностях материала при действии циклических напряжений.

В основе исследования лежит анализ модели Л.А. Сосновского, описывающей этап зарождения усталостных трещин в малоуглеродистых и низколегированных сталях на стадии рассеянной повреждаемости:

Х-Г.Т

1 "Д ы /, к

, V--Л 1-^г/

С* А^ I / 0,5тп

■'уо

где Л^ - число циклов на стадии рассеянной повреждаемости; Ск и тс - параметры, определяемые физико-механическими свойствами материала; =со0

/уо

- присутствующая до нагружения мера структурного повреждения; УпТ - структурно поврежденный объем, обусловленный числом циклов нагружения п при переменном уровне действующей нагрузки; У0 5т„ - опасный объем; сгтахя — величина максимальных напряжений, МПа; Дстл - уровень повреждающих напряжений, МПа.

Мера накапливаемого усталостного повреждения

®пг=У"г/у ■ / 0,5уп

Уровень повреждающих напряжений

где акк - предел выносливости МПа.

На основании анализа данных выражения были сделаны следующие предположения: агрессивная среда приводит к увеличению коррозионного износа, а, следовательно, и к увеличению ст^, адсорбционное воздействие среды к снижению а ж, поэтому в целом будет происходить рост характеристики Аа„.

Согласно модели нагрузка Q может приводить к возникновению максимально допустимых напряжений уровня 0Т. Адсорбционное воздействие среды приводит к максимальному снижению механических характеристик ст^ и сгт на 15 % (в условиях сильноагрессивной среды). Следовательно, величина повреждающих напряжений будет равна

Дст„ = 0,85стт - 0,85(7^. То есть, в результате коррозионного повреждения допустимый уровень повреждающих напряжений уменьшится.

Считая скорость потери телом сплошности на стадии рассеянной повреждаемости равной

V

0,5?Л

V, = — - -

МтАал

получается, что накопление усталостного повреждения при воздействии коррозии будет происходить быстрее, чем при «чистой» усталости. Так для СтЗсп в условиях циклического растяжения с асимметрией цикла /? = 0,3 в сильноагрес-

сивной среде скорость потери телом сплошности на 16,5 % выше, чем в случае «чистой» усталости.

Деградация характеристик и свойств элементов металлоконструкций в агрессивной среде будет происходить постепенно со временем, и чем сильнее коррозия, тем больше коррозионные повреждения будут влиять на накопление усталостной поврежденности.

В пятом разделе представлены разработанные метод и способы диагностики коррозионных повреждений крановых металлоконструкций.

Был разработан оптический метод мониторинга коррозионного состояния несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов. Метод основан на анализе и количественной оценке изменений цветовых свойств окислов наружного слоя ржавчины и определении по ним глубинного и механического показателей коррозии.

Согласно экспериментальным данным была получена следующая зависимость:

V = 0,0095 .е°-шш где М- содержание магнетита, %.

Под содержанием магнетита (М) понимается площадь очага коррозии, которую занимает магнетит на его поверхности. Данное выражение позволяет определять скорость коррозии, которая зависит от степени агрессивности среды, которая в свою очередь позволяет определять адсорбционное понижение прочности материала согласно данным таблицы РД 10-112-5-97.

Второй параметр, контролируемый оптическим методом - это время коррозии т. В качестве диагностируемого параметра была выбрана площадь занимаемая гётитом. Получены три выражения для определения содержания гётита в ржавчине при разных аэрохимических условиях.

Для неагрессивной среды:

т = 0,32 -1,05°, где а - содержание гётита, % (а < 60%); для слабоагрессивной среды (а < 90%):

т = 0,22+ 0,124а+0,0007а2, и для среднеагрессивной среды (а < 80%):

% = -0,15 + 0,0063а + 0,0011а2.

Разработанный метод может быть использован для диагностики коррозионных процессов и прогнозирования остаточного ресурса металлоконструкций с учетом изнашивания конструктивных элементов.

Поставленная задача решается тем, что определяют очаг коррозионного поражения металлоконструкции, на него устанавливают датчик и исследуют коррозионное повреждение. Процесс диагностирования заключается в следующем (рис. 3): устанавливают бесконтактный датчик и исследуют коррозионное повреждение оптическим методом, согласно которому определяют время развития очага коррозии и степень агрессивности атмосферной среды по изменению оптических свойств поверхности очага коррозии.

выводы

Обработка

Оптический датчик

=>

Цифровая камера

ПК

=>

CorelDraw

Координаты RGB

Color Sampler

Рис. 3. Оптический метод диагностики коррозионных повреждений

Мерой определения срока развития коррозионного очага является количественная оценка изменения координат цвета преобладающего в данном очаге окисла ржавчины (гетит, лепидокрокит, магнетит) по шкапе RGB. Установив значение площади поверхности с координатами цвета, соответствующее каждому из окислов определяют время развития очага коррозии.

Данный метод позволяет определять очаговый, глубинный и механический показатели коррозии, всего 3 показателя, что на один показатель (33 %) больше по сравнению с применяемыми в настоящее время способами диагностики (способ визуальных наблюдений, ультразвуковая толщинометрия). Соответственно его применение позволяет повысить точность определения долговечности (ресурса) металлоконструкции в 1,5 раза.

Так же в работе была предложена усовершенствованная схема проведения ультразвуковой толщинометрии мостовых кранов. Помимо проведения замеров толщины нижнего пояса рекомендовано дополнительно контролировать толщину боковых вертикальных стенок в зонах, расположенных на расстоянии 50... 100 мм от нижнего пояса, так как здесь наиболее высока вероятность опасного сквозного разрушения металлоконструкции.

Кроме того, был разработан способ ускоренного определения коррозионных потерь сталей основанный на принципе пропорциональности, согласно которому прирост глубинного показателя коррозии за пропорциональные промежутки времени одинаков. Справедливость данного утверждения подтверждается проведенными расчетами.

Предложенная методика пропорционального распределения временных промежутков в рамках проведения испытаний малоуглеродистых и низколегированных сталей на коррозионную стойкость, позволяет сократить общие временные затраты испытаний на 38 %.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Определена степень влияния на развитие атмосферной коррозии сталей таких факторов как относительная влажность воздуха, степень загрязненности атмосферы агрессивными газами, особенности конструктивного исполнения, фазовый состав ржавчины, химический состав сплава.

2. Средняя скорость коррозии металлоконструкций мостовых и козловых кранов в атмосферных условиях составляет 0,03...0,05 мм/год при максимальной зафиксированной величине 0,09 мм/год.

3. Процесс замедления развития коррозионного износа малоуглеродистых и низколегированных сталей при атмосферной коррозии описывается выражением б = Ах".

4. Полученная математическая модель развития коррозионных повреждений стальных металлоконструкций отражает как кинетику процесса, так и влияние воздействия основных факторов коррозии: относительной влажности воздуха, степени загрязненности атмосферы агрессивными газами, конструктивного фактора.

5. Коррозионный износ окончаний боковых стенок влияет на усталостную прочность главных балок мостовых кранов более, нежели коррозионный износ нижнего пояса.

6. Боковые стенки главных балок мостовых кранов являются основным источником усталостно-коррозионных трещин в металлоконструкции, что подтверждено результатами обследований реальных мостовых кранов и расчетами конечно-элементных моделей.

7. Сквозное коррозионное разрушение балок коробчатого сечения в зоне окончания боковых стенок снижает усталостную прочность металлоконструкции от 2,6 до 15 раз.

8. Анализ математической модели устанавливающей связь между развитием усталостных и коррозионных повреждений стальных металлоконструкций показывает, что воздействие коррозионных повреждений увеличивает скорость накопления усталости металлоконструкцией максимально на 16,5 %.

9. На основе связи между степенью агрессивности окружающей атмосферной среды и оптическими свойствами наружного подслоя ржавчины разработан оптический метод определения коррозионных повреждений металлоконструкций грузоподъемных машин.

10. Разработанный оптический метод диагностики позволяет определять на 33 % видов показателей коррозии больше, чем существующие способы диагностики. Применение данного метода диагностики позволяет повысить безопасность эксплуатации грузоподъемных кранов.

11. Усовершенствована схема проведения ультразвуковой толщиномет-рии главных балок мостовых кранов коробчатого исполнения.

12. Разработанный способ ускоренного определения глубинного показателя коррозии сталей, позволяет сокращать временные затраты испытаний образцов или элементов конструкций на 38%.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих статьях:

1. Баранов А.П., Данилов A.C., Кудрасов С.С. Модель исследования влияний условий эксплуатации на металлоконструкции грузоподъемных кранов // Известия ТулГУ. Подъемно-транспортные машины и оборудование. Вып. 7. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. - С. 225-227.

2. Данилов A.C. Анализ состояния металлоконструкций грузоподъемных машин с учетом воздействия агрессивных сред // 11-ая Московская межвузовская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» (тезисы докладов) - М.: МИИТ, 2007. - С. 32-33.

3. Данилов A.C. Влияние коррозионной поврежденности на изменение физико-химических свойств металлов // Сборник тезисов Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Современные технологии обработки метало и средства их автоматизации». - Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. -С. 107-108.

4. Данилов A.C. Воздействие атмосферной коррозии на свойства защитных цинковых покрытий металлоконструкций ГПМ // XII Московская межвузовская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» Материалы конференции. - М.: МГСУ, 2008. - С. 34-35.

5. Данилов A.C. Исследование воздействия агрессивных сред на металлоконструкции мостовых кранов с учетом напряженно-деформированного состояния // 1-я магистерская научно-техническая конференция: Тезисы докладов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. С. 137.

6. Данилов A.C. Математическое моделирование коррозионных процессов низкоуглеродистых сталей // Лучшие работы студентов и аспирантов технологического факультета: сборник статей. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. - С. 55-58.

7. Данилов A.C. Моделирование процесса атмосферной коррозии металлоконструкций грузоподъемных машин // Известия ТулГУ. Сер. Технические науки. Вып. 2. 4.1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 80-86.

8. Данилов A.C. Моделирование процессов коррозионного разрушения мостовых кранов // XIII Московская межвузовская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» Материалы конференции. - М.: МАДИ (ГТУ), 2009. - С. 41^13.

9. Данилов A.C. Оценка напряженно-деформированного состояния главных балок мостовых кранов с учетом коррозионного износа металлоконструкций // XIV Московская межвузовская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» Материалы конференции. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. - С. 37-39.

10. Данилов A.C. Перспективы исследования деградации свойств малоуглеродистых сталей // Молодежный вестник технологического факультета: луч-

шие работы студентов и аспирантов: сб. статей В 2-х ч. 41. - Тула: Изд-во Ту, ГУ, 2009. С. 224-227.

11. Селиверстов Г.В., Данилов A.C. Влияние атмосферной коррози на металлоконструкции машин // Известия ТулГУ. Технические наук1 Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. - С. 81-88.

12. Селиверстов Г.В., Данилов A.C. Исследование коррозионной уст: лости металлконструкций грузоподъемных машин // Известия ТулГУ. Се| Технические науки. Вып. 2. 4.1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 248-253.

13. Селиверстов Г.В., Данилов A.C. Способ диагностики коррозиог ных процессов в металлоконструкциях // Известия ТулГУ. Сер. Технич< ские науки. Вып. 2. 4.1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 166-170.

Издлиц. ЛР№020300от 12.02.97. Подписано в печать /О-'О

Формат бумага 60x84 '/|6 .Бумага офсетная. Усл.печ.л. "л Уч.-нчд л 1,0 . Тираж /£7С экз. Заказ Тульский государственный университет 300600, г.Тула, пр.Ленина, 92 Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300600, г.Тула, пр.Ленина, 95

ВВЕДЕНИЕ

1. ПРОБЛЕМА КОРРОЗИОННОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ

МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ КРАНОВ

1.1. Факторы влияющие на коррозию металлов

1.1.1. Показатели коррозии

1.1.2. Классификация процессов коррозии

1.2. Атмосферная коррозия сталей

1.3. Основные показатели атмосферной коррозии

1.4. Диагностика коррозионного состояние металлоконструкций

1.5. Коррозионное изнашивание металлоконструкций грузоподъемных кранов

1.6. Методы и средства оценки текущего коррозионного состояния металлоконструкции

1.7. Защита металлоконструкций грузоподъемных кранов от атмосферной коррозии 25 Выводы

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРНОЙ КОРРОЗИИ НЕСУЩИХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ КРАНОВ

2.1. Исследование аэрохимического воздействия среды на развитие коррозии

2.2. Исследование фазового состава ржавчины

2.2.1. Структура слоя ржавчины

2.2.2. Образование продуктов коррозии

2.2.3. Цветовые свойства слоя ржавчины

2.3. Исследование кинетики атмосферной коррозии

2.3.1. Кинетика равномерно-распределенной коррозии

2.3.2. Кинетика питтинговой коррозии

2.4. Исследование влияния химического состава сплавов на скорость атмосферной коррозии

2.5. Исследование влияния конструктивных особенностей элементов металлоконструкций на процесс коррозии

2.5.1. Влияние слитности сечения

2.5.2. Влияние обтекаемости элементов

2.5.3. Исследование коррозионного износа балок коробчатого сечения

2.6. Исследование коррозионного повреждения металлоконструкций мостовых и козловых кранов

2.6.1. Методика проведения обследование металлоконструкций подъемных кранов

2.6.2. Обследование металлоконструкций мостовых и козловых кранов 68 Выводы 69 3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КОРРОЗИОННОГО ИЗНОСА МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

3.1. Моделирование процесса коррозии

3.2. Математическое моделирование коррозионного процесса

3.3. Математические модели атмосферной коррозии сталей

3.3.1. Основные математические модели коррозии сталей

3.3.2. Региональные математические модели коррозии сталей

3.4. Определение диагностируемых параметров

3.5. Модель описания основных параметров коррозионной поврежденности

3.5.1. Модель аэрохимического воздействия среды

3.5.2 Моделирование кинетики процесса коррозии

3.5.3. Моделирование влияния конструктивных особенностей на развитие коррозии

3.5.4. Моделирование атмосферной коррозии низколегированных сталей 95 3.5.5 Моделирование питтинговой коррозии

3.5.6. Итоговые математические выражения диагностируемых параметров

Выводы

4. ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГЛАВНЫХ БАЛОК МОСТОВЫХ КРАНОВ НАБЛЮДАЕМОГО В РЕЗУЛЬТАТЕ КОРРОЗИОННОГО ИЗНАШИВАНИЯ

4.1. Определение напряженно-деформированного состояния главных балок мостовых кранов

4.2. Моделирование коррозионного износа главной балки мостовых кранов

4.3. Анализ напряженно-деформированного состояния главной балки

4.4. Оценка совместного влияния циклических нагрузок и коррозии 115 Выводы

5. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕР ПО ОЦЕНКЕ И ПРОДЛЕНИЮ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ МОСТОВЫХ КРАНОВ ПОДВЕРЖЕННЫХ КОРРОЗИОННОМУ ИЗНАШИВАНИЮ

5.1. Визуально-оптический метод определения глубинного показателя коррозии

5.2. Особенности эксплуатации балок коробчатого сечения

5.3. Усовершенствование мероприятий по защите металлоконструкций главных балок мостовых кранов от коррозии

5.4. Принцип рационализации испытаний на коррозионную стойкость малоуглеродистых и низколегированных сталей 145 Выводы 148 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 150 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Грузоподъемные краны широко применяются практически во всех отраслях народного хозяйства при технологических, погрузочно-разгрузочных, монтажных, складских и других работах. В настоящее время следует уделить особое внимание проблеме ухудшения технического состояния подъемных кранов во многих округах Российской Федерации.

Ухудшение технического состояния металлоконструкций грузоподъемных машин (ГПМ) под воздействием внешних факторов приводит к нарушению эксплуатационной пригодности крана в целом.

Обнаруженные во время обследований [11, 19, 29, 61, 62, 80] дефекты и повреждения металлических конструкций кранов являются следствием следующей совокупности причин: низкого качества металла (малоуглеродистая сталь); неудовлетворительного конструктивного решения; неудовлетворительного качества изготовления и монтажа отдельных элементов; агрессивности окружающей среды; эксплуатации кранов в непредусмотренном режиме, плохом уходе и ремонте.

Особо выделим коррозионное повреждение, которое приводит к снижению несущей способности конструкции за счет уменьшения сечения конструктивного элемента и развитию многочисленных усталостных трещин при коррозии под напряжением.

Основной целью решения проблемы коррозионного изнашивания крановых металлоконструкций является продление сроков эксплуатации до их морального износа. До настоящего времени она не решена в мировом масштабе.

Металлофонд нашей планеты в виде машин, оборудования и сооружений составляет шесть миллиардов тонн. Это лишь 30 % от произведенного за три тысячелетия металла. Остальной металл исчез из обращения, причем основной причиной были процессы коррозии. Ущерб, в результате отказов техники, аварий и катастроф несравним с ущербом, связанным с прямыми потерями металла. В значительной степени это относится к сложным конструкциям машин и оборудования, таким как грузоподъемные краны.

Трудность предотвращения коррозии в том, что разрушение металлов под влиянием факторов среды - естественный термодинамически выгодный процесс, направленный на сохранение равновесия в природе [9, 12, 32, 33, 47]. Проблему коррозии металлов по количеству факторов, которые нужно принимать во внимание, относят к глобальным.

Так как процессы коррозии, связанные с влиянием факторов среды, необратимы и часто приводят к отказам, их необходимо обнаруживать на ранних стадиях, классифицировать, давать количественную оценку эффекта повреждения и прогноз опасности развития в случае непринятия мер по усилению защиты. Только установление причин коррозионного процесса позволяет правильно выбрать метод совершенствования защиты.

На современном этапе развития тяжелого машиностроения наметилась перспектива полного вытеснения использования малоуглеродистых сталей при изготовлении несущих металлоконструкций путем их замены низколегированными сталями. Что позволит снизить металлоемкость конструкций, а в некоторых случаях и повысить стойкость к внешним воздействиям окружающей среды.

Однако экономическое состояние техники (в частности грузоподъемных кранов), а также менталитет новых собственников не позволяют осуществить масштабное обновление парка грузоподъемных машин, уровень которого, в связи с распадом СССР значительно ухудшился. Переход к рыночной экономике не только не ускорил экономический рост, но наоборот привел к резкому кризису в отрасли [3,81].

В настоящий момент из 270 тысяч грузоподъемных кранов России, находящихся в эксплуатации, более 80% уже несколько лет назад исчерпали сроки эксплуатации, требуют замены или модернизации, а также подлежат списанию [19, 96].

При существующих темпах обновления парка менее 1% в год (при норме 8-10%) доля грузоподъемных кранов с истекшими сроками службы может превышать 95%. Такое понижение ведет к дальнейшему снижению надежности и безопасности подъемных кранов, что приводит к многочисленным отказам и авариям. Что в частности уже (2007г.) привело к повышению аварийности в ряде регионов России и по стране в целом [19, 34, 62].

Решением данной проблемы начали заниматься в 1980-е гг. В частности, Госгор-технадзором СССР было принято решение о необходимости проведения обследования металлоконструкций подъемных сооружений с истекшими сроками службы комиссиями с целью оценки остаточного ресурса. Современное состояние техники, как было показано выше, предполагает развитие этой тенденции. В результате, говорить о массовом внедрении новых технологий изготовления металлоконструкций в ближайшем будущем не приходится. Что делает исследования в области продления сроков эксплуатации грузоподъемных кранов актуальными.

В будущем намечается тенденция к снижению безопасности эксплуатации металлоконструкций ГПМ изготовленных из малоуглеродистых сталей как следствие изменения физико-механических свойств материала в результате коррозии, вызывающей изменение параметров рабочих режимов и отказ грузоподъемного крана в целом. Что можно объяснить «устареванием» парка грузоподъемных машин и неудовлетворительной организацией технического обслуживания на предприятиях.

В связи с этим, особую актуальность приобретает научно — техническая задача, состоящая в оценке влияния коррозионного разрушения несущих металлоконструкций на аварийность подъемных кранов в атмосферных условиях методами и средствами диагностики.

Цель работы — заключается в повышении безопасности эксплуатации грузоподъемных кранов путем определения коррозионного повреждения их металлоконструкций с применением методов и средств диагностики.

Задачи исследования:

- анализ особенностей протекания процесса коррозионного повреждения реальных металлоконструкций мостовых и козловых кранов в атмосферных условиях;

- анализ воздействия коррозионного повреждения на процесс усталостного разрушения несущих крановых металлоконструкций;

- построение модели накопления усталостных повреждений элементом металлоконструкции при воздействии коррозии;

- разработка методов по оценке коррозионных повреждений металлоконструкций грузоподъемных кранов.

Методы исследования. В работе использовали: расчетные методы механики разрушения, методы обследования металлических конструкций мостовых и козловых кранов, регрессионный анализ и элементы математической статистики, конечно-элементное моделирование.

Научные положения, выносимые на защиту:

- Расчетный метод определения показателей коррозии: глубинного, локального (при питтинговой коррозии), механического (адсорбционное понижение предела текучести и выносливости материала).

- Результаты сравнительного анализа степени коррозионного разрушения окончаний боковых стенок и нижнего пояса главных балок мостовых кранов.

- Зависимости изменения оптических свойств наружного подслоя ржавчины от степени агрессивного воздействия среды и фактора времени.

- Оптический метод диагностики, позволяющий определять глубинный, механический, очаговый показатели коррозии и степень агрессивности среды по цветовым свойствам наружного подслоя ржавчины.

Научная новизна состоит в том, что установлена связь между развитием устаг лостных и коррозионных повреждений стальных металлоконструкций, которая впервые учитывает кинетику процесса атмосферной коррозии и влияние воздействия основных факторов коррозионного повреждения: относительная влажность воздуха, степень загрязненности атмосферы агрессивными газами, особенности конструктивного исполнения, химический состав сплава.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается экспериментальными результатами обследования металлоконструкций мостовых и козловых кранов, а также, сравнением результатов проведенных экспериментальных исследований с результатами исследований, проведенными другими авторами.

Практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты могут найти широкое применение в различных отраслях машиностроения при проведении мониторинга или диагностирования металлоконструкций.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на научных семинарах кафедры «Подъемно - транспортные машины и оборудование» Тульского государственного университета (Тула, 2007-2010), на 1-й магистерской научно-технической конференции (Тула, 2006), на Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации» (Тула, 2008), на III и IV молодежных научно-практических конференциях Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (Тула, 2009), XI-XIV Московских международных межвузовских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные и путевые машины и робототехнические комплексы» (Москва, 2007-2010), на семинаре 7-й специализированной международной выставки «Подъемно - транспортная техника и технологии. ПТТиТ - 2009» (Москва, 2009).

В поддержку развития данного исследования в 2009 г. был получен грант ректора Тул ГУ для молодых ученых по теме «Рефлектометрическая и акустическая диагностика роли коррозии в деградации и усталостной повреждаемости углеродистых сталей. Субструктурные изменения. Мониторинг микро- и макроскопического предельного состояния. Прогнозирование ресурса промышленных объектов».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работах, включая 5 статей в рецензируемых научных журналах и трудах международных конференций и 8 в сборниках трудов и материалов различных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных результатов и выводов, списка использованных источников, включающего 110 наименований. Работа содержит 160 страниц печатного текста, 67 рисунков, 29 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе решена научно-техническая задача, имеющая важное народнохозяйственное значение и состоящая в повышении безопасности эксплуатации грузоподъемных кранов путем определения коррозионного повреждения их металлоконструкций с применением методов и средств диагностики.

В рамках проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. Определена степень влияния на развитие атмосферной коррозии сталей таких факторов как относительная влажность воздуха, степень загрязненности атмосферы агрессивными газами, особенности конструктивного исполнения, фазовый состав ржавчины, химический состав сплава.

2. Средняя скорость коррозии металлоконструкций мостовых и козловых кранов в атмосферных условиях составляет 0,03.0,05 мм/год при максимальной зафиксированной величине 0,09 мм/год.

3. Процесс замедления развития коррозионного износа малоуглеродистых и низколегированных сталей при атмосферной коррозии описывается выражением 5 = Ах",

4. Полученная математическая модель развития коррозионных повреждений стальных металлоконструкций отражает как кинетику процесса, так и влияние воздействия основных факторов коррозии: относительной влажности воздуха, степени загрязненности атмосферы агрессивными газами, конструктивного фактора.

5. Коррозионный износ окончаний боковых стенок влияет на усталостную прочность главных балок мостовых кранов более, нежели коррозионный износ нижнего пояса.

6. Боковые стенки главных балок мостовых кранов являются основным источником усталостно-коррозионных трещин в металлоконструкции, что подтверждено результатами обследований реальных мостовых кранов и расчетами конечно-элементных моделей.

7. Сквозное коррозионное разрушение балок коробчатого сечения в зоне окончания боковых стенок снижает усталостную прочность металлоконструкции от 2,6 до 15 раз.

8. Анализ математической модели устанавливающей связь между развитием усталостных и коррозионных повреждений стальных металлоконструкций показывает, что воздействие коррозионных повреждений увеличивает скорость накопления усталости металлоконструкцией максимально на 16,5 %.

9. На основе связи между степенью агрессивности окружающей атмосферной среды и оптическими свойствами наружного подслоя ржавчины разработан оптический метод определения коррозионных повреждений металлоконструкций грузоподъемных машин.

10. Разработанный оптический метод диагностики позволяет определять на 33 % видов показателей коррозии больше, чем существующие способы диагностики. Применение данного метода диагностики позволяет повысить безопасность эксплуатации грузоподъемных кранов.

11. Усовершенствована схема проведения ультразвуковой толщинометрии главных балок мостовых кранов коробчатого исполнения.

12. Разработанный способ ускоренного определения глубинного показателя коррозии сталей, позволяет сокращать временные затраты испытаний образцов или элементов конструкций на 38%.