Оценка и повышение живучести несущих конструкций технологического оборудования металлургического производства

На правах рукописи

ШИГИН Андрей Олегович

ОЦЕНКА И ПОВЫШЕНИЕ ЖИВУЧЕСТИ НЕСУЩИХ

КОНСТРУКЦИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

01.02.06 – динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск – 2008

Работа выполнена в Сибирском федеральном университете и Институте вычислительного моделирования СО РАН

Научный руководитель: канд. техн. наук, доцент

Доронин Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: д-р физ.-мат. наук, профессор

Никитенко Анатолий Федорович

канд. техн. наук

Рынгач Николай Анатольевич

Ведущая организация: Инженерно-технологический центр

ООО «Рус-инжиниринг»

(филиал в г. Красноярске)

Защита состоится «22 » декабря 2008 г. в 15 ч. 30 мин.

на заседании диссертационного совета Д 003.054.02

в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН

по адресу: 630090, г. Новосибирск, пр-т академика Лаврентьева, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН

Автореферат разослан « » ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н. Леган М.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Оборудование металлургического производства характеризуется зна­чительными габаритами, нагрузками, единичными мощностями, уровнями накопленной потенциальной энергии во время выполнения большинства тех­нологических операций. Аварии, происходящие на металлургических объек­тах из-за разрушения элементов оборудования, сопровождаются большим числом пострадавших и значительными материальными потерями. Длитель­ные сроки эксплуатации основных металлургических агрегатов, оборудова­ния и технологических коммуникаций (в среднем 40-50 лет) позволяют про­гнозировать значительное ухудшение безопасности эксплуатации и возникновение предпосылок к аварийным ситуациям.

Значительная часть аварий металлургического оборудования обуслов­лена отставанием развития методов проектирования и расчета несущих кон­струкций, их несоответствием современным жестким требованиям к обеспе­чению прочности, надежности и безотказности. Таким образом, несущие кон­струкции металлургического оборудования необходимо рассматривать как объекты повышенной ответственности, методы проектирования и эксплуата­ции которых следует совершенствовать для повышения эффективности обо­рудования в целом, исключения тяжелых разрушений и аварий.

В связи с этим актуальными являются разработка методических подхо­дов к оценке прочности и ресурса несущих конструкций металлургического оборудования на стадии возникновения (усталостная долговечность) и разви­тия (живучесть) трещиноподобных дефектов с целью обеспечения эффектив­ной безаварийной эксплуатации машин.

Цель работы заключается в разработке и реализации методики оценки и обеспечения количественных показателей живучести не­сущих конструкций технологического оборудования металлургического производства.

Идея работы состоит в прогнозировании и обеспечении показателей живучести конструкций с развивающимися трещиноподобными дефектами для предотвращения аварий и разрушений технологического оборудования с учетом факторов риска металлургического производства.

Задачи исследований:

1. Обоснование требований к живучести несущих конструкций обору­дования с учетом факторов риска металлургического производства.
2. Обоснование количественных показателей живучести несущих конструкций технологического оборудования и разработка методики их опреде­ления.
3. Оценка опасности трещиноподобных дефектов и обоснование их
   безопасных размеров для типовых элементов конструкций.
4. Анализ живучести конструкций технологического оборудования.
5. Обоснование конструктивных решений по повышению живучести
   оборудования.

Методы исследований: аналитические, численные, экспериментальные методы теории упругости, пластичности, механики разрушения, пакеты прикладных программ.

Основные научные положения, защищаемые автором:

1. Требования к живучести несущих конструкций зависят от опасности их разрушения, определяемой принадлежностью оборудования к технологическим группам, группам опасности и живучести, устанавливаемым путем структурной схематизации производственных систем, построения и анализа циклограммы риска производственных процессов.

2. Расчетно-экспериментальная оценка и обеспечение предложенной системы показателей живучести является необходимым условием предотвращения разрушения конструкций с развивающимися трещиноподобными дефектами.

3. Нормирование технологической и эксплуатационной дефектности конструкций выполняется на основе полученных расчетно-экспериментальных зависимостей показателей живучести от размера дефекта с учетом потенциальной опасности разрушения конструктивных зон.

4. Условием предотвращения аварийных ситуаций и катастрофических разрушений несущих конструкций является разработка и применение технических средств повышения живучести, расчетно-экспериментальное обоснование конструктивных параметров которых осуществляется в связи с диагностируемыми или допускаемыми размерами трещиноподобных дефектов.

Достоверность научных результатов обеспечена использованием эксплуатационных данных по разрушениям и авариям оборудования, экспе­риментальными исследованиями живучести моделей анодной штанги комплексного технологического крана алюминиевого производства и бара­банов ленточных конвейеров, применением современных методов математи­ческого и компьютерного моделирования.

Новизна научных положений. Сформулированные научные положения обладают достаточной новизной:

1. Принципиально новыми являются методики структурной схематизации производственных систем, построения и анализа циклограммы риска технологических процессов, позволившие оценить опасность разрушения и впервые обосновать дифференцированные требования к живучести несущих конструкций оборудования.

2. Впервые предложена система количественных показателей живучести с учетом систематизации конструкций по технологическим группам, группам опасности и живучести, а также разработана методика их расчетно-экспериментальной оценки.

3. Впервые получены оценки живучести и обоснованы безопасные размеры трещиноподобных дефектов оболочечных элементов конструкций с учетом фактического режима эксплуатации: для трубчатой вращающейся печи – особенностей термомеханического нагружения по технологическим зонам ее рабочего пространства, для барабанов ленточных конвейеров – усилия натяжения конвейерной ленты.

4. При исследовании технических средств повышения живучести оборудования получены новые конструктивные решения защиты конструкций от разрушения, предложена и реализована методика их расчета в условиях штатных и аварийных нагрузок.

Личный вклад автора заключается в постановке и реализации цели и задач исследования, сборе и анализе данных по отказам и авариям металлур­гического оборудования, исследовании напряженно-деформированного со­стояния элементов несущих конструкций с трещиноподобными дефектами, получении расчетных и экспериментальных оценок долговечности и живуче­сти типовых конструкций оборудования.

Практическая значимость работы заключается в обосновании диф­ференцированных требований к прочности и ресурсу несущих конструкций технологического оборудования, получении оценок долговечности, живуче­сти и безопасных размеров дефектов типовых элементов конструкций обору­дования, разработке и реализации методик расчетного обоснования конст­руктивных решений, обеспечивающих повышение живучести.

Апробация работы. Основные результаты работы представлены на VII Всероссийской конференции «Современные методы математического моде­лирования природных и антропогенных катастроф» (Красноярск, 2003), меж­региональной конференции молодых ученых «Проблемы безопасности жиз­недеятельности в техносфере» (Благовещенск, 2004), Всероссийской и меж­региональной научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых (Красноярск, 2005, 2006), III Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2006), Международной научно-практической конференции «Стра­тегические приоритеты и инновации в производстве цветных металлов и зо­лота» (Красноярск, 2006), Всероссийской конференции «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций» (Новосибирск, 2006), Международной конференции «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании» (Павлодар, 2006), II Всероссий­ской конференции «Безопасность и живучесть технических систем» (Крас­ноярск, 2007), научных семинарах Отдела машиноведения Института вычислительного моделирования СО РАН, кафедры «Горные машины и комплексы» Сибирского федерального университета, Отдела механики деформирования и разрушения Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН.

Внедрение результатов осуществлено в условиях Саяногорского алю­миниевого завода (ООО «АП-Сервис») при расчетном обосновании конст­руктивных решений по усилению анодной штанги комплексного универ­сального анодного крана, позволивших повысить ресурс узла в среднем на 30% , и в АО «Тестмаш» при постановке и проведении экспериментов по ис­следованию живучести барабанов ленточных конвейеров при наличии трещиноподобных повреждений, о чем имеются соответствующие акты внедре­ния.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 18 публикациях, в том числе в трех рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных исследований.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных результатов и выводов, приложений. Основное содержание и выводы изложены на 136 страницах. Работа содержит 56 рисунок и 9 таблиц. Список использованных источников включает в себя 263 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, указана цель и основные задачи исследований.

В первом разделе выполнен анализ проектных расчетов и эксплуатационной надежности технологического оборудования. По результатам эксплуатационных наблюдений установлены особенности, причины и условия повреждений, разрушений и аварий несущих конструкций оборудования, характерные зоны трещинообразования. Рассмотрены расчетные схемы элементов конструкций и особенности проектирования технологического оборудования как элемента производственной системы. Установленные факторы риска металлургического производства, недостатки проектных расчетов и низкий уровень эксплуатационной надежности позволили сформулировать ряд задач расчета и обеспечения живучести несущих конструкций.

Во втором разделе выполнена систематизация потенциально опасных конструкций технологического оборудования металлургического производства, в основу которой положены разработанные новые методические подходы.

Структурная схематизация производственных систем. Разрабатывается графическая схема, аналогичная схеме последовательного и параллельного соединения элементов в теории надежности. Отличие заключается в том, что в эту схему в качестве элементов включаются не только отдельные единицы оборудования и их узлы, но и другие элементы производственной системы и происходящие в ней процессы (технологические процессы, потоки материалов и энергии). Анализ схем взаимодействия элементов производственных систем позволяет отнести любую единицу оборудования к одной из двух технологических групп. К I группе отнесены те единицы оборудования, полные или частичные отказы которых таким образом влияют на технологические процессы, потоки материалов и энергии, что создаются дополнительные нагрузки (механические, термические, электромагнитные и др.) на другие единицы оборудования. Ко II группе относятся единицы оборудования, отказы которых не влияют на нагруженность и надежность смежных единиц оборудования посредством изменения протекания технологических процессов. Оборудование, относящееся к I технологической группе, дополнительно делится на три подгруппы: I/I – оборудование, отказы которого создают дополнительные нагрузки, не оказывающие значительного влияния на работоспособность и ресурс смежных единиц оборудования, ими можно пренебречь; I/II – оборудование, отказы которого создают дополнительные нагрузки, приводящие к ограничению работоспособности и (или) снижению ресурса смежных единиц оборудования; I/III – оборудование, отказы которого создают дополнительные нагрузки, приводящие к повреждениям и отказам смежных единиц оборудования. Таким образом устанавливается взаимосвязь между напряженно-деформированным состоянием (НДС), отказами и разрушениями смежных в производственной системе единиц оборудования.

Построение и анализ циклограммы риска. Предложен методический подход, связанный с анализом риска при цикличном функционировании производственной системы, и направленный на выявление наиболее потенциально опасных ситуаций с целью повышения живучести соответствующих типов и элементов конструкций оборудования.

На первом этапе выполняется логический анализ производственной системы, в пределах которой осуществляется некоторый цикл операций технологического процесса. Далее для каждого момента времени в течение рассматриваемого цикла выполняется по известным физическим соотношениям оценка накопленной каждым элементом системы потенциальной энергии и строится графическая зависимость риска от времени – циклограмма риска (в предположении, что в каждый момент времени уровень риска пропорционален накопленному уровню потенциальной энергии). На последнем этапе анализируются наиболее опасные моменты времени, характеризующиеся максимумом накопленной потенциальной энергии, и получаются оценки опасности разрушения отдельных единиц оборудования.

Это позволяет установить те единицы оборудования, их узлы и элементы, разрушение которых представляет наибольшую потенциальную опасность, а также соответствующие моменты времени технологического цикла. Все технологическое оборудование ранжируется по степени опасности следующим образом.

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