ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ЛИСТОВЫХ ЛИНЕЙНО-ПРОТЯЖЕННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Еремин Константин Иванович – Генеральный директор ООО «ВЕЛД»,
профессор кафедры «Испытание сооружений» Московского
государственного строительного университета,
доктор технических наук

Павлова Галина Анатольевна – Директор энергетического управления
ООО «ВЕЛД», кандидат технических наук, доцент

---

Листовые линейно-протяженные металлические конструкции (ЛЛПМК) металлургических предприятий относятся к категории опасных, отказ которых ведет, как правило, к значительным материальным, экологическим потерям и зачастую – к человеческим жертвам. К листовым линейно-протяженным конструкциям относят трубопроводы большого диаметра (более 1400 мм) для транспортировки коксового, доменного и других технологических газов. Обеспечение надежности и безопасности листовых линейно протяженных металлических конструкций потенциально опасных объектов в настоящее время является чрезвычайно острым и актуальным вопросом. Для его решения применяются в основном два направления:

— постоянный мониторинг технического состояния;

— установление технического состояния конструкций на основе применения современных методов неразрушающего контроля с оценкой остаточного ресурса и определением срока его последующей безопасной эксплуатации.

Следует иметь в виду, что большинство объектов металлургического комплекса работает за пределами проектного ресурса. По мере старения листовых конструкций возрастает опасность аварийной ситуации, разрывов листовых конструкций. Система листовых линейно протяженных металлических конструкций формируется в реальных условиях строительства и эксплуатации и неизбежно претерпевает при этом достаточно значительные изменения технического состояния, связанные с накоплением повреждений – вследствие этого происходит снижение ее надежности. Важными факторами, существенно влияющими на безопасность конструкций, безусловно, являются условия эксплуатации: свойства среды (внутри и снаружи), локальные и общие термические воздействия, вибрационные и циклические воздействия, изменения геометрической формы и др.

На основании опыта проведения технического диагностирования ЛЛПМК предприятий металлургического профиля основными причинами их повреждаемости являются: наружная и внутренняя коррозия, усталостные трещины в сварных соединениях, дефекты, возникающие на стадии сооружения ЛЛПМК, несоответствие материала проектным решениям и др.

Основной металл и сварные соединения ЛЛПМК содержат множество различных дефектов, возникающих в процессе изготовления труб, их транспортировке и монтаже на строительной площадке, при эксплуатации и ремонте.

Причинами появления повреждений в процессе эксплуатации являются: повреждения от механических воздействий, повреждения от воздействий низких и высоких температур, коррозионные повреждения, наличие исходных дефектов сварки, циклический характер нагружения конструкций, вызывающий циклическое упругопластическое деформирование материала в зонах концентрации напряжений, наличие начальных напряжений в металлоконструкциях, например, остаточных сварочных напряжений, повреждение технологического оборудования, разрушение соседних конструкций.

Самыми опасными дефектами, вызывающими невосстанавливаемые отказы, потерю прочности и устойчивости конструктивных элементов листовых линейно протяженных металлических конструкций, являются усталостные трещины, возникающие в процессе длительной эксплуатации при циклическом нагружении.

Последующее циклическое нагружение конструкций эксплуатационной нагрузкой вызывает увеличение длины трещины и при достижении трещиной критической длины происходит разрушение конструкции (рис. 1).

Значительная часть циклически нагруженных металлоконструкций эксплуатируется при воздействии изменяющихся температур. Учет влияния воздействия температур при оценке циклического ресурса на стадии роста усталостной трещины рекомендуется производить следующим образом.

Определяются продолжительность периодов T_T,0 с условно постоянной температурой и соответствующие данной температуре параметры циклической трещиностойкости C и n.

Зная частоту тепломеханического нагружения конструкций ω_экс, определяется число циклов нагружения N_T,0 в течение данного периода T_T,0:

где   f_1K – поправка, учитывающая форму элемента конструкции, способ его нагружения и вид трещины;
γ_res – поправка, учитывающая влияние остаточных сварочных напряжений;
l_кон,To,i – конечная длина трещины в интервале T_T,0.

Скорость роста усталостной трещины в интервале T_T,0 может быть определена по уравнению Пэриса-Эрдогана с соответствующими параметрами С и n

После подстановки в уравнение (9) величин (7) и (8) получаем выражение для определения l_кон,To,i

где   l_кр – критическая длина трещины, определяемая как наименьшая из условий хрупкого либо вязкого разрушения элемента конструкции;
К – номер периода с условно постоянной температурой, при котором

Последовательность компоновки периодов T_T,0 с условно постоянной температурой T_T,0 должна соответствовать эксплуатационным температурным изменениям.

Расчет циклического ресурса начинается с периода T_T,0, соответствующего началу эксплуатации. При этом размер начального дефекта назначается в соответствии с существующими нормами либо по результатам дефектоскопического контроля.

При оценке остаточного ресурса эксплуатируемой ЛЛПМК расчет начинается с периода T_T,0, соответствующего моменту проведения натурных обследований конструкции и обнаружения дефекта размером l_нач,To,i.

Наиболее корректно оценить остаточный ресурс данной конструкции на стадии роста усталостной трещины позволяет получение данных непосредственно в процессе обследования и испытания конкретной конструкции.

Библиографический список

1. ЗлочевскийА.Б. Экспериментальные методы в строительной механике. – М.: Стройиздат, 1983. – 192 с.
2. Еремин К.И. Остаточный ресурс циклически нагруженных металлоконструкций с трещиноподобными дефектами: Дис. … д-ра техн. наук. – М., 1996. – 418 с.
3. Болотин В. В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. – М.: Машиностроение, 1984. – 312 с.