WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

К 1 группе опасности относится оборудование, отказы которого непосредственно приводит к человеческим жертвам и убыткам, сопоставимым с оборотными средствами предприятия.

Во 2 группу опасности включено оборудование, отказы которого непосредственно приводит к убыткам, сопоставимым со стоимостью всего оборудования цеха (отделения) или может привести к нарушению в работе более крупного или опасного оборудования.

В 3 группу опасности входит оборудование, отказы которого не приносит больших убытков непосредственно, но может нанести вред производству, если не будет своевременно устранено.

Таким образом, выделены те типы оборудования, для которых вопросы оценки и обеспечения живучести являются наиболее актуальными (III подгруппа I технологической группы). Для этих типов оборудования в зависимости от группы их опасности (1, 2, 3), очевидно, требуются различные подходы и различный уровень регламентации требований к живучести (группы живучести А, Б, В). По мере снижения уровня требований к обеспечению живучести требуемые технико-технологические параметры могут быть достигнуты и без использования понятия живучести. Напротив, по мере роста этих требований должно возрастать как число расчетных параметров, так и сложность методов и алгоритмов их оценки (рис. 1).

Технологическая группа / подгруппа

I/III

I/II

I/I

II

Группа опасности

1

2

3

2, 3

3

Нормируемая область расчетов

Прочность, надежность, живучесть

Прочность, надежность

Прочность

Группа живучести

А

Б

В

Уровень требований к обеспечению живучести

Рисунок 1 – Систематизация оборудования по группам живучести

Выполнено обоснование требований для оборудования, относящегося к той или иной группе живучести, основными из которых являются:

Оборудование группы А. При наличии трещиноподобного повреждения длиной l* при циклическом нагружении скорость роста трещины должна быть не более v*, так чтобы

, (1)

где lc – критический размер трещины; nN – коэффициент запаса по циклической долговечности; Nо – планируемый остаточный срок службы.

Оборудование группы Б. Нормирование эксплуатационной дефектности выполняется по критериям статической прочности с учетом возможных предельных состояний. При наличии трещиноподобного дефекта допустимый его размер [l] должен быть меньше критического lc = f(, T). При наличии трещиноподобного дефекта в условиях характерного для металлургического оборудования термомеханического нагружения допустимый размер дефекта [l] должен быть меньше критического, определяемого уровнями действующих напряжений и температур

(2)

где nl – коэффициент запаса по размеру дефекта.

Прогнозирование остаточного ресурса требуется выполнять с позиций как классических представлений об усталостной прочности, так и с учетом подходов механики разрушения. Остаточный ресурс оценивается для варьируемых размеров дефекта и температурных условий N = f(l), N = f(T), что требует предварительного обследования зависимостей характеристик напряженного состояния и параметров механики разрушения от размеров дефекта = f(l) и температурных условий = f(Т), КI = f(Т).

Оборудование группы В. Расчетно-экспериментальное обоснование безопасного уровня дефектности в связи с проектным или остаточным сроком службы. Реализация этого требования предполагает проведение численных исследований напряженно-деформированного состояния (НДС), анализа опасности дефектов, расчетной оценки остаточного ресурса и нормирования безопасного уровня дефектности.

Третий раздел посвящен разработке методического подхода к исследованию живучести несущих конструкций технологического оборудования. Предложены количественные показатели живучести, учитывающие как физические (трещиностойкость конструкционного материала) и технические (коэффициенты запаса прочности и особенности конструктивной формы (структуры) объекта) предпосылки свойства живучести, так и требования к живучести конструкции, формулируемые в зависимости от их потенциальной опасности.

Поскольку живучесть оборудования группы А должна быть обеспечена при наличии достаточно большого эксплуатационного повреждения, количественные показатели живучести должны отражать скорость (интенсивность) деградации конструкции. При наличии трещины в условиях циклического нагружения в качестве основных показателей живучести следует рассматривать как функцию длины трещины

скорость роста трещины ; (3)

число циклов до разрушения. (4)

Кроме того, поскольку для исключения опасности разрушения целесообразно рассматривать несколько альтернативных конструктивных вариантов, то в качестве дополнительных сравнительных показателей живучести следует рассматривать разницу в скорости роста трещины

(5)

и в числе циклов до разрушения

(6)

для разных конструктивных вариантов.

Для оборудования, входящего в группу Б предлагается перечень количественных показателей, характеризующих чувствительность характеристик напряженного состояния и параметров механики разрушения к наличию трещиноподобного дефекта и временные аспекты живучести.

В качестве количественных характеристик чувствительности к наличию дефекта предлагаются следующие зависимости

(7)

где, – параметры, характеризующие напряженное и деформированное состояния, KI – коэффициент интенсивности напряжений.

Количество циклов до разрушения при наличии повреждения того или иного размера l характеризует временной аспект свойства живучести. Поскольку повреждение (дефект) рассматривается одновременно как острый концентратор и как трещина, то в первом случае количество циклов определяется по кривой усталости до разрушения с учетом концентрации напряжений в области дефекта, во втором – по кинетическим уравнениям механики разрушения.

Количественные характеристики живучести описываются зависимостями для каждого диапазона эксплуатационных температур.

Для оборудования, входящего в группу В, в качестве основного показателя живучести предлагается рассматривать коэффициент запаса по длине трещины

(8)

где l – текущий размер трещины; [l] – допустимый размер, рассматриваемый в функции остаточного срока службы, т.е. [l]= [l](N). Такой подход позволяет определить допускаемый нормируемый размер дефекта [l] как длину трещины, которая не достигнет своего критического значения lс за срок службы N при рассматриваемом режиме нагружения. Наличие соответствующего запаса, который, очевидно, также необходимо рассматривать как функцию времени nl = nl (N), обеспечит отсутствие катастрофических разрушений и живучесть конструкции.

Методика вычисления показателей живучести включает в себя следующие основные процедуры.

1. Анализ эксплуатационных данных по отказам и разрушениям. Установление элементов конструкций, подверженных трещинообразованию и разрушению в эксплуатационных условиях. Статистическая оценка средних или наиболее вероятных размеров и особенностей локализации трещиноподобных дефектов.

2. Разработка конечноэлементных моделей рассчитываемой конструкции. Варьирование параметров конечноэлементной сетки, исследование и обеспечение сходимости результатов. Численный анализ общего НДС. Определение наиболее нагруженных конструктивных зон. Сопоставление их с зонами трещинообразования в условиях эксплуатации по п. 1.

3. Анализ применяемых для изготовления конструкции технологических процессов. Определение вероятных форм и размеров технологических дефектов.

4. По результатам анализа п.п. 1-3 составление перечня лимитирующих живучесть элементов конструкций и конструктивных зон, содержащих технологические или эксплуатационные дефекты с указанием их размеров и особенностей локализации.

5. Модификация конечноэлементных моделей по п. 2. Моделирование дефектов в соответствии с п. 4. Конструктивные зоны, содержащие дефекты, моделируются подконструкциями. Многократный локальный анализ подконструкций с варьированием параметров конечноэлементной сетки в области дефекта, исследование и обеспечение сходимости результатов в локальных зонах.

6. Модификация конечноэлементных моделей подконструкций элементов, содержащих дефекты. Варьирование размеров дефектов, многократный локальный анализ подконструкций и построение зависимостей основных характеристик НДС и параметров механики разрушения от размера дефекта. При наличии термической составляющей нагрузок необходимо также варьирование начальных температурных условий. Расчет параметров механики разрушения.

7. По результатам п. 6 строятся зависимости (3) – (6) с учетом выражений принятого кинетического уравнения роста трещин.

8. В соответствии с выражением принятого кинетического уравнения роста трещин вычисление критического размера дефекта lc при варьировании числа циклов до разрушения N, построение зависимости lc = f(N). С учетом минимального коэффициента запаса по длине трещины, равного 2, построение зависимости

[l] = [l](N) = 0,5 lc(N). (9)

Отсюда вытекает фактический коэффициент запаса по длине трещины (8).

Предложенная методика экспериментальной оценки и обеспечения живучести элементов конструкций металлургического оборудования выглядит следующим образом.

1. По данным проектных расчетов, эксплуатации аналогичного оборудования, логическим анализом устанавливается перечень потенциально опасных по разрушению узлов, элементов конструкций, конструктивных зон, в которых наличие и (или) развитие начальных технологических или эксплуатационных дефектов наиболее вероятно, и разрушение которых приводит к значительным временным, материальным и другим потерям.

2. Выполняется изготовление образцов-физических моделей этих узлов, внесение в различные конструктивные зоны образцов нескольких серий трещиноподобных дефектов варьируемой ориентации, определение наиболее опасной пространственной ориентации дефекта в каждой конструктивной зоне при циклическом нагружении.

3. Анализ условий нагружения и режимов работы натурных конструкций с обоснованием условий циклического нагружения при проведении эксперимента. В случае сложного и переменного спектра нагружения натурной конструкции, не воспроизводимого при экспериментальном исследовании, последнее выполняется при условном сложном режиме нагружения, обеспечивающем наличие режимов растяжения, изгиба и кручения.

4. Осуществляется циклическое нагружение образца в условиях режима, обоснованного в п. 3, с фиксацией траектории и длины развивающейся трещины в зависимости от числа циклов нагружения и уровня приложенных нагрузок.

5. Выполняется сравнительный анализ времени развития и длины трещины для дефектов различной ориентации в различных конструктивных зонах. Это позволяет установить наиболее опасные ориентации дефектов по зонам элементов конструкций.

6. Выполняется экспериментальная оценка скоростей роста трещин, инициированных начальными надрезами в образцах. В качестве количественных показателей опасности начального дефекта и живучести поврежденного элемента конструкции рекомендуется рассматривать разницу в числе циклов до разрушения и скорости роста трещин для рассматриваемого перечня начальных дефектов.

7. С использованием методов теории подобия для дефектов наиболее опасной конфигурации в наиболее нагруженной конструктивной зоне определяются зависимости долговечности на стадии роста макроскопических трещин (живучести) от их длины. Для заданных значений остаточного ресурса осуществляется нормирование безопасных размеров дефектов.

8. Разрабатываются конструктивно-технологические мероприятия по усилению установленных потенциально опасных зон, содержащих дефекты, выполняется экспериментальная проверка их эффективности.

В четвертом разделе выполнена расчетно-экспериментальная оценка живучести типовых конструкций оборудования металлургического производства.

Анодная штанга комплексного технологического крана алюминиевого производства. Сечение штанги комплексного анодного универсального подъемного крана производства ЧССР КАТУК 2/6/25, выполненное из двух уголков, образующих прямоугольный профиль, предложено заменить в зоне соединения с постелью сплошным коробчатым сечением, усиленным трубой (рис. 2) в предположении снижения скорости роста трещины и повышения живучести за счет значительного повышения жесткости и снижения параметров НДС в зоне крепления.

Выполнено испытание двух пар моделей конструкции, соответствующих первоначальному и усиленному конструктивному вариантам в двух режимах интенсивности нагружения.

Исходя из полученных экспериментальных данных, в качестве количественных показателей эффективности конструктивных усилений и повышения живучести рассматриваются показатели живучести (5), (6).

Графики полученных зависимостей (рис. 3) позволяют сделать следующий вывод (для моделей анодной штанги).

Разница в числе циклов до разрушения первоначального и усиленного вариантов составляет сотни тысяч циклов, увеличивается с ростом длины трещины и составляет большую величину для первого режима нагружения. Разница в скорости роста трещины в первоначальном и усиленном вариантах составляет (25-150)·10-6 мм/цикл и является большей для второго режима нагружения. По всем количественным показателям усиленный конструктивный вариант обладает значительно большей живучестью, чем первоначальный.

Рисунок 3 – Зависимости (1, 2) и (3, 4) для первого (1, 3) и второго (2, 4) режима нагружения

Рисунок 2 – Первоначальный и усиленный конструктивный варианты

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»