.

ФАКТОРЫ СНИЖЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СВАРНЫХ РАЗРЕЗНЫХ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ПОДКРАНОВЫХ БАЛОК ЗДАНИЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Пермяков Михаил Борисович – Декан архитектурно-строительного факультета
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический
университет им. Г.И. Носова»,
кандидат технических наук, доцент

Мышинский Максим Игоревич – Старший преподаватель кафедры
строительного производства и автомобильных дорог
ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический
университет им. Г.И. Носова»


Работа подкрановых конструкций достаточно подробно изучена представителями различных научных направлений. Однако по сегодняшний день очень часто возникают ситуации, когда интенсивная повреждаемость подкрановых конструкций зданий металлургического комплекса приводит к переходу их из работоспособного состояния в ограниченно работоспособное и даже аварийное, что происходит гораздо быстрее, чем это было прогнозировано на стадии проектирования конструкции. Первые усталостные трещины в конструкциях интенсивно эксплуатируемых подкрановых балок возникают уже спустя полгода-год после начала эксплуатации, что фактически составляет менее 50 000 циклов нагружения.

Исследуемые в данной работе большепролетные подкрановые балки (далее БПБ), пролетом 18-24 м, при высоте сечения до 3,2 м, установленные в зданиях металлургических комплексов, являются своего рода уникальными конструкциями. Использование БПБ пролетом более 18 м на отечественных металлургических предприятиях связано с конструктивными особенностями системы покрытия здания. БПБ в большинстве случаев явились результатом труда иностранных проектных и монтажных организаций, активно привлекавшихся при новом строительстве и реконструкции объектов отечественных металлургических предприятий в перестроечный и постсоветский период (1980 — 1990 гг.). Как этого и следовало ожидать, проблемы, связанные с интенсивной повреждаемостью балок, выполненных по проектам иностранных организаций, не заставили себя ждать. Данные конструкции не были приспособлены к работе в условиях интенсивной эксплуатации отечественных металлургических предприятий.

Долговечность – в наиболее распространенном понимании, это свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для проведения технического обслуживания и ремонтов. Долговечностью является способность к длительной эксплуатации при необходимом техническом обслуживании. Применительно к объекту настоящих исследований из множества составляющих долговечности возможно выделить четыре основных пункта.

Во первых, одним из главных условий долговечности является исходное качество конструкции, которое должно включать:

— качество проектных решений и норм проектирования, в которых должны быть максимально предусмотрены все возможные воздействия, воспринимаемые конструкцией в реальных условиях эксплуатации;
— качество изготовления конструкции и нормативов по изготовлению, предполагающее не только отсутствие недопустимых дефектов и исходное качество материала, но и ограничение нормами предельно допустимых значений возможных дефектов или отклонений на уровне не представляющем реальной опасности в соответствии с фактическими условиями эксплуатации;
— качество монтажа и норм нормативов по монтажу, аналогично изготовлению.

Во-вторых, необходимо сохранение качества материала во времени, т.е. сохранение длительных эксплуатационных свойств, которыми изначально обладает материал.

В-третьих, соблюдение требуемых параметров эксплуатации, то есть соответствие величин и направлений фактических нагрузок проектным и расчетным данным, достигаемое, в том числе и точностью монтажа конструкции, то есть ее пространственного положения и соблюдением установленных правил эксплуатации кранового оборудования.

В-четвертых, сохранение ремонтопригодности конструкции недопущение критических размеров повреждений, выявление и устранение на ранних стадиях, то есть требуемое техническое обслуживание.

Соблюдение всех четырех составляющих предусматривает обеспечение требуемых показателей долговечности, которые исходя из нормативной выносливости должны находиться в районе четырех миллионов циклов нагружения.

Prichiny_avarij_metallicheskix_karkasov_promyshlennyx_zdanij

Рис.1. Причины аварий металлических каркасов промышленных зданий

Анализ фактических причин значительного снижения долговечности исследуемых конструкций на основании имеющихся публикаций и результатов проведенных обследований [1, 2] установил процентное соотношение причин аварийных обрушений металлических каркасов промышленных зданий металлургических комплексов (рис.1), из которых ошибки на стадии проектирования, недостатки норм проектирования, неверный выбор материала составляют 18%; недостатки на стадии изготовления, низкое качество материала, несовершенство технологии – 24%; дефекты и повреждения на стадии монтажа – 32%; упущения на стадии эксплуатации – 26%.

Таким образом, факторы, снижающие долговечность исследуемых конструкций присутствуют практически в равной мере на всех стадиях их жизненного цикла, будь то проектирование, изготовление, монтаж или эксплуатация.

Исходя из проведенного анализа современного уровня научных знаний по вопросам надежности и долговечности подкрановых балок и действующих нормативов по их проектированию и изготовлению установлено следующее:

— исследуемые БПБ зданий металлургических производств, интенсивно эксплуатируемые в условиях повышенных температур занимают особое место в ряду современных подкрановых конструкций;
— слабо изучены конструкционные и эксплуатационные особенности исследуемых БПБ.

Произведя анализ современных нормативных требований к проектированию и изготовлению подкрановых балок, установлено, что существующие нормативы являются общими для большинства сварных конструкций и не отражают реальных условий работы тех или иных видов подкрановых балок. Исследуемые большепролетные подкрановые балки являются конструкциями, испытывающими циклические и динамические нагрузки в условиях влияния неравномерно распределенных повышенных температур. В таких условиях значительному изменению подвергаются свойства металла конструкции, обладающие тем большей неоднородностью, чем большие толщины прокатки используются. Помимо этого, особое внимание следует уделить свойствам металла зон сварных соединений поясных швов. Большепролетные подкрановые балки металлургических производств (в особенности установленные в конвертерных, мартеновских и электросталеплавильных цехах) работают в особых, наиболее тяжелых условиях по сравнению с другими аналогичными подкрановыми конструкциями, из чего следует, что любые даже не выходящие за пределы допустимых значений дефекты или отклонения, допущенные на стадии изготовления, могут под действием тех или иных реальных условий работы в процессе эксплуатации, вызывать состояния близкие к предельным, привести к образованию недопустимых повреждений в максимально короткие сроки.

Немаловажную роль играют дефекты, возникшие в процессе монтажа большепролетных подкрановых балок. Различные, эксцентриситеты и отклонения конструкций в плане и по высоте, зазоры в стыках рельсов, отклонения рельсов в плане приводят к возникновению дополнительных, не учтенных расчетом моментов, касательных и сдвиговых напряжений динамических и ударных нагрузок на конструкции подкрановых балок, заставляющие их работать в экстремальном режиме. Обеспечение максимальной точность установки элементов при монтаже большепролетных подкрановых балок вызывает немало сложностей из-за большого веса монтируемых конструкций, особенно много трудностей вызывает замена большепролетных подкрановых балок в условиях действующего производства, по причине ограниченности цехового пространства для размещения монтажных кранов большой грузоподъемности. Обычные методы монтажа, с использованием стреловых кранов, приводят к большим затратам, так как требуется демонтаж технологического оборудования цеха, то есть его остановка.

Таким образом, отсутствуют специальные нормы и требования как к проектированию так и к изготовлению большепролетных подкрановых балок, учитывающие их конструкционные и эксплуатационные особенности. Существующие нормативы выдвигают требования, имеющие достаточно общий характер. Существующие методы монтажа трудоемки, приводят к большим затратам и не обеспечивают надлежащего качества.

Исходя из составляющих долговечности металлических и опубликованных данных по причинам аварий металлических каркасов промышленных зданий, проблема повышения долговечности требует разработки специальных требований и внедрения комплекса мероприятий на всех стадиях жизненного цикла конструкции, то есть на стадиях проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатации.

Все разрабатываемые требования должны основываться на результатах изучения действительной работы и фактических условий эксплуатации исследуемых большепролетных подкрановых балок.

Исследование действительной работы большепролетных подкрановых балок производилось на примере отделения подготовки литых слябов кислородно-конвертерного цеха ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат (ОПЛС ККЦ ОАО «ММК»). Исследования проводились по следующей программе:

— анализ повреждаемости по результатам неоднократно проводимых мероприятий по обследованию технического состояния подкрановых конструкций ОПЛС за период с 1996 по 2004 гг.;
— выявление наиболее повреждаемых зон большепролетных подкрановых балок;
— проведение планово-высотной съемки конструкции кранового пути;
— исследование температурного режима эксплуатации БПБ;
— исследование фактических свойств стали и зон сварных тавровых соединений БПБ;
— экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния БПБ тензорезистивным методом;
— теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния БПБ пролетом 18 м, путем моделирования по методу конечных элементов, включая проверку выносливости конструкции с учетом расчетных и фактических напряжений.

Основная задача исследования действительной работы и фактических условий эксплуатации БПБ – сформулировать комплекс требований, соответствие которым обеспечит требуемые показатели долговечности.

На основании результатов вышеперечисленных мероприятий устанавливаем четыре группы факторов, снижающих долговечность исследуемых большепролетных подкрановых балок, возникающих на каждой из стадий их жизненного цикла. Каждая группа факторов приводит к несоответствию конструкции той или иной составляющей долговечности.

1. На стадии проектирования:

— Неудачный выбор марки стали, что приводит к неудовлетворительным свойствам металла сварных соединений элементов балок, а также неудовлетворительной работе балок в условиях циклических динамических нагрузок под неравномерным воздействием повышенных температур.

— Конструктивная концентрация напряжений в районе узла сопряжения верхнего пояса балки со стенкой, и без того наиболее нагруженного элемента, обусловленная неудачным конструктивным исполнением стыковки ребер жесткости с верхним поясом, а также разными по толщине стыкуемыми верхними поясными листами.

— Несимметричное сечение и недостаточная жесткость конструкции, обусловленная различным шагом вертикальных ребер жесткости и односторонним расположением горизонтального ребра, а также перепадами по толщине элементов верхнего пояса и стенки.

— Отсутствие учета температурного расширения балки по длине в опорных узлах, обусловленное жестким опиранием балки на нижний пояс путем плотного совмещение упорных и центрирующих планок.

2. На стадии изготовления:

— Неудовлетворительные свойства металла зон сварных тавровых соединений узлов сопряжения поясов со стенкой, обусловленные неудовлетворительными пластическим свойствами, низкой ударной вязкостью, наличием хрупких закалочных структур в металле шва и околошовной зоны, что говорит об искусственном термическом старении и деградации металла в процессе сварки, и сниженных его длительных эксплуатационных свойствах.

— Наличие остаточных сварочных сжимающих напряжений, усугубляющих напряженное состояние балок, о чем свидетельствует значительная твердость металла шва и околошовной зоны.

— Технологические дефекты сварки, являющиеся концентраторами напряжений и способствующие скорейшему зарождению и развитию усталостных трещин.

3. На стадии монтажа:

— Непроектное положение самих балок, элементов их крепления, а также элементов рельсового пути, что вызывает дополнительные внепроектные нагрузки, крутящие моменты, динамические ударные воздействия на конструкции балок, что способствует возникновению в них сложного напряженного состояния, приводящего к скорейшей повреждаемости.

— Важным фактором является некачественное выполнение сварки монтажных стыков, приводящее к скорейшему их разрушению, что в последствии оказывает негативное влияние на проектное положение и напряженное состояние балок.

4. На стадии эксплуатации:

— Несвоевременное обнаружение и фиксация дефектов и повреждений конструкций балок, и как следствие, несвоевременное проведение планово-предупредительных ремонтов, что способствует быстрому достижению их критических размеров и тем самым значительному снижению срока службы балок.

Библиографический список
  1. Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий: Учебное пособие. В 3 кн. Кн. 2 / В.А. Котлявский, А.В. Виноградов, С.В. Ерёмин, В.М. Кожевников, А.А. Костин, А.И. Костин, С.Ю. Ревенко. — М.: Изд. АСВ, 1996. – 384 с.
  2. Надежность технических систем и техногенный риск / С.Н. Азанов, С.Н. Вангородский, А.И. Половко, С.В. Гуров. – СПб.: Лесотехническая академия, 1998. – 119 с.
  3. Стали и сплавы. Марочник / Под ред. В.Г. Сорокина. – М.: Машиностроение, 1989.
  4. СНиП 10-01-94. Система нормативных документов в строительстве. Основные положения.
  5. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. — М.: Стройиздат, 1988.
  6. СНиП 2-23-81*. Стальные конструкции. Нормы проектирования.1990. — М.: Стройиздат. 1991.
  7. СП 53-101-98 Изготовление и контроль качества стальных строительных конструкций. – М.: ГОССТРОЙ РФ, 2002.

 

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.