Анализ и методы обеспечения безопасности промышленных зданий и сооружений угольных предприятий Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

© В.С. Квагинидзе, Н.Н. Чупейкина, И.Г. Никифоров, 2009

УДК 622.411.33

В.С. Квагинидзе, Н.Н. Чупейкина, И.Г. Никифоров

АНАЛИЗ И МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ УГОЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Предложены мероприятия по повышению уровня квалификации сварщиков, когда сварка образца производится на реальной конструкции с соблюдением технологии ремонтной сварки в условиях отрицательных температур, позволили повысить работоспособность сварных соединений строительных металлоконструкций промышленных зданий и сооружений на 15%.

Ключевые слова: угледобывающие предприятия, безопасность, производственный травматизм, электротравма.

Я а угледобывающих предприятиях Севера при изготовлении, эксплуатации и восстановлении сварных конструкций часто происходит их разрушение из-за концентраторов напряжений и сопротивления усталости соединений в местах, где сварка вызывала заметные изменения свойств металла. На рис. 1 представлены примеры некачественного проектирования, изготовления и восстановления сварных соединений и фотографии зарождения и развития хрупких трещин в строительных конструкциях, которые явились очагами разрушений при низких температурах.

При монтаже и сварке строительных конструкций происходит наибольшее количество травм от общего числа их в строительстве. Тяжесть несчастных случаев при монтажных работах значительно выше, чем при производстве других строительных работ.

Распределение причин травматизма представлено на рис. 2.

Выявлено, что 80% всех травм произошло вследствие организационных причин и лишь 20% - вследствие технических.

По видам выполняемых при строительстве работ травматизм распределился следующим образом (рис. 3.).

Основные причины производственного травматизма по видам работ заключаются в падении монтируемых изделий и монтажных приспособлений с высоты, несовершенстве монтажной оснастки, пренебрежении средствами личной безопасности.

zsz

рпилтгпщ-

.5 'йУг im mVіЗ ГПТПТП1ТПІТП

Рис. 1. Примеры разрушений и фотографии зарождения и развития хрупких трещин в строительных конструкциях

Картина распределения травматизма по профессиям представлена на рис. 4.

Если говорить о травматизме в зависимости от стажа работы (рис. 5), то максимальный травматизм наблюдается при стаже до 3 лет (36%), причем у монтажников в возрасте от 26 до 40 лет, осваивающих эту профессию, 25% всех случаев приходится на конец смены, в период наибольшей утомляемости, снижения внимания и увеличения времени реакции на внешние раздражители.

Данная зависимость описывается уравнением:

Т = -0,068 С + 0,42,

где С -стаж работы, Т - количество травм.

Сварочные работы занимают значительное место при монтаже, восстановлении и усилении строительных конструкций промышленных зданий и сооружений угледобывающих предприятий. Травматизм среди электрогазосварщиков составляет 6% от общего числа травм, приходящихся на все строительные профессии.

При анализе причин несчастных случаев, произошедших с электрогазосварщиками, выяснилось, что на технические причины приходится лишь около 30% травм (рис. 6), а из-за неправильной организации рабочего места происходит 32% травм, из-за нарушения трудовой дисциплины - 10%, отсутствия индивидуальных средств защиты - 12%, нарушений технологического процесса -16%.

На электротравмы и термические ожоги (рис. 7), характерные для этой профессии, приходится лишь 18%, а наиболее частый вид травмирования - это падение с высоты - 30%.

На основании вышеизложенного можно сказать, что основное число травм происходит из-за неправильной организации рабочего места сварщика и сварочных работ.

Проведенными исследованиями установлено, что основными факторами, влияющими на сопротивление усталости сварных соединений, являются:

1. Остаточное напряженное поле в зоне шва, которое возникает вследствие резкого температурного перепада, структурных изменений и упругопластического деформирования в зонах сварных соединений, величина которых может достигать и даже существенно превышать предел текучести исходного материала.

Рис. 2. Распределение причин травматизма при монтажных работах: 44% -

падение людей с высоты; 28% - падение предметов сверху; 19% - несовершенство монтажной оснастки; 9% - пренебрежение средствами личной безопасности

8%

Рис. 3. Распределение травм по видам выполняемых работ: 42% - при монтаже конструкций; 18% - при электрогазосварке; 16% - при разгрузке конструкций и деталей; 16% - при прочих видах работ; 8% - при демонтаже

Рис. 4. Распределение травматизма по профессиям: 48% - монтажники; 24% -электрогазосварщики; 18% - монтажники - верхолазы; 6% - стропальщики; 4% -каменщики - монтажники

Рис. 5. Зависимость травматизма от стажа работы

ш

5 ш

п

6 н о ш н о ф т 5 С §

причины травматизма

Рис. 6. Анализ причин травматизма электрогазосварщиков

Рис. 7. Виды травм электрогазосварщиков

Роль остаточных напряжений в сопротивлении усталости сварных соединений резко увеличивается с ростом концентрации

напряжений. В этих случаях остаточные напряжения могут изменять величину пределов выносливости в несколько раз как

Таблица 1

Величины теоретических коэффициентов концентрации напряжений а„ для различных типовых сварных соединений

Тип соединения а„

Стыковое 1,3

С прикреплением фасонок встык 1,4

С прикреплением ребер жесткости 1,6

Нахлесточные с обваркой по контуру 1,7

Нахлесточные с фланговыми швами 2,3

в сторону повышения (при благоприятных сжимающих остаточных напряжениях), так и в сторону понижения (при неблагоприятных остаточных напряжениях). Долговечность сварных соединений может изменяться при этом в десятки раз. Проявление остаточных напряжений в швах будет сильнее при сварке толстых сечений. Это объясняется величиной и объемностью остаточных напряжений. Как правило, остаточные напряжения в зоне сварного шва являются двух- или трехосными с резким градиентом и сложным характером распределения по отдельным направлениям. Механические свойства металла в зоне шва также неоднородны, поэтому и влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости будет различным для разных участков зоны шва.

2. Концентрация напряжений, вызываемая различного рода выточками, надрезами, отверстиями, уступами и прочими резкими изменениями формы, в большой степени влияет на сопротивление усталости металлических материалов или конструктивных элементов. Сварные соединения, как правило, обладают более или менее значительными концентраторами напряжений. Ими могут быть и неснятые усиления швов и различного рода накладки, ребра жесткости, а также наружные или внутренние дефекты швов в виде не-проваров, включений, трещин и пр. Для различных типовых сварных соединений характерные величины теоретических коэффициентов концентрации напряжений аа (по опытным данным В.И. Труфякова) приведены в табл. 1.

3. Неоднородность свойств металлов в сварном соединении, как правило, приводит к значительному градиенту механических свойств в различных направлениях сварного шва. Роль неоднород-

ности сварных соединений в сопротивлении их статическим и ударным нагрузкам исследована к настоящему времени достаточно подробно. В мягком материале образца у места его контакта с более твердым возникает сложное напряженное состояние, приводящее к замедлению процесса накопления микропластических деформаций в этой зоне. Резкая неоднородность механических свойств на границе сплавления твердого и мягкого материалов является опасной для усталостной прочности сварного соединения. Усталостное разрушение происходит всегда на некотором удалении от зоны сплавления. Усталость сварных соединений с зоной пониженных механических свойств определяется соотношением размеров и механических свойств основного металла и металла указанной зоны.

Соответственно, исходя из вышеизложенного, наиболее действенными методами повышения хладостойкости сварных соединений и конструкций являются:

- использование таких сварочных материалов, которые при оптимальных режимах сварки и последующей термической обработке дают металл шва, не уступающий по хладостойкости основному металлу;

- рациональное конструктивное оформление сварных узлов, устранение малых радиусов перехода, отсутствие непроваров и применение эффективных методов контроля качества, позволяющие существенно повысить сопротивляемость хрупким разрушениям;

- предварительное нагружение конструкции при нормальных температурах, когда невозможны хрупкие разрушения.

В процессе исследований было установлено, что при эксплуатации стальных металлоконструкций в условиях низких температур с увеличением времени эксплуатации металлических конструкций снижаются механические свойства стали и сварных соединений, тем более, если металлоконструкция подверглась ремонту сваркой.

В результате проведенных исследований были получены опытно - статистические коэффициенты кв для корректировки расчетного сопротивления стали и сварных соединений конструкций, эксплуатируемых в условиях низких температур и восстановленных ремонтной сваркой (табл. 2).

Соответственно расчетное сопротивление стали и сварных соединений следует определять:

Таблица 2

Коэффициенты корректирования расчетного сопротивления стали и сварных соединений конструкций

Срок эксплуатации металлоконструкции, лет 1 2 3 4 5 6 7 8 и более

Коэффициент кв 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,5

а) при условии достижения металлом конструкции временного сопротивления разрыву Кн=авр по формуле:

R = R н^1т2кв, (1)

б) при условии достижения металлом конструкции предела текучести К1=ат по формуле:

R = R н^2кв, (2)

где R - расчетное сопротивление стали или соединений; К - нормативное сопротивление стали или соединений; k - коэффициент однородности металла; т1г т2 - коэффициенты условий работы материала конструкции и элементов конструкции соответственно; кв -коэффициент возраста металлической конструкции.

При определении расчетных сопротивлений стали и сварных соединений восстановленных строительных металлоконструкций необходимо учитывать коэффициент возраста металлических конструкций.

Для определения влияния параметров ремонтной сварки на надежность и безопасность сварных соединений несущих узлов строительных конструкций была разработана методика, в которой рассматриваются вопросы выбора основного металла; сварочных материалов; теплового режима сварки; квалификация сварщиков; методы контроля и испытания сварных швов.

Согласно разработанной методике для исследований были выбраны марки сталей: 09Г2С и 15ХСНД, электроды с покрытием основного типа: ТМУ-21, АНО-21, 48Н-1, УОНИ13/55, Е8018-С1 диаметрами 3, 4, 5 мм. Сварка проводилась на образцах в горизонтальном, вертикальном и потолочном положениях и в интервале температур от -5 до -40 °С. Тепловой режим сварки обеспечивался нагревателями контактного типа, позволяющими регулировать тепло от 0 до 300 °С. Ультразвуковой контроль качества проведен дефектоскопом УД2-12 с пределами измерений от 1 до 999 мм.

Контроль проводился в соответствии с требованиями ГОСТ3242-69 и ГОСТ14782-86.

Марка электрода

Рис. 8. Распределение количества дефектов в сварных соединениях в зависимости от марки электрода

С помощью дефектоскопа определено количество дефектов в каждом из исследованных образцов. Оценка качества проведена в соответствии с требованиями РД РОСЭК-001-96. Испытания образцов на разрыв для определения величины ав проведены на разрывной машине ИР-500 с разрывным усилием 500 кН.

В результате проведенных исследований по определению влияния параметров режима ремонтной сварки на технологическую прочность сварных соединений металлоконструкций промышленных зданий и сооружений, эксплуатируемых в условиях Севера, установлено:

1. В сварных соединениях, полученных в результате сварки с применением электродов марки Е8018-С1, в химический состав которых входит никель (3%), количество дефектов примерно на 3040% меньше по сравнению с соединениями, полученными в результате сварки их электродами марки УОНИ 13/55 (рис. 8).

2. Количество дефектов в исследованных образцах из стали марки 09Г2С на 10-15% меньше по сравнению с образцами из стали 15ХСНД (рис. 9).

3. Исследования по определению влияния пространственного положения на количество дефектов в сварных соединениях показали (рис. 10), что в соединениях, полученных в результате сварки в горизонтальном положении, количество дефектов меньше на 15-20% по сравнению со швами, выполненными в потолочном положении. Лучшие результаты получены при использовании электродов марки Е 8018-С1 с диаметром 3 мм.

4. Установлена зависимость количества дефектов от температуры подогрева (рис. 11), которая описывается уравнением:

Д = -0,026 Т+6,5,

где Д - число дефектов; Т - температура подогрева.

5. Установлена зависимость количества дефектов от температуры окружающей среды (рис. 12), которая описывается уравнением

Д = - 0,02333 t + 2,

где Д - число дефектов; t - температура окружающей среды.

Организационно-технические мероприятия по совершенствованию технологии ремонтной сварки стальных конструкций промышленных зданий и сооружений, работающих в условиях низких температур, необходимо рассматривать в комплексе, который должен учитывать правильный выбор: материала для ремонта стальных строительных конструкций, сварочных материалов, теплового режима, а также рекомендации по технике и технологии ведения сварочных работ в условиях низких температур.

С учетом конструктивно-технологических мероприятий разработаны технологические карты по ремонту основных элементов и типов стальных строительных конструкций промышленных зданий и сооружений угледобывающих предприятий, что позволило снизить время нахождения в ремонте стальных строительных конструкций промышленных зданий и сооружений в среднем на 15% и повысить их работоспособность на 20%.

Разработанная технология ремонтной сварки стальных строительных конструкций при низких температурах с применением нагревателей контактного типа, обеспечивающих контролируемый предварительный, сопутствующий и послесварочный нагрев металла, позволяет повысить работоспособность сварных соединений строительных металлоконструкций промышленных зданий и сооружений и уменьшить число их отказов на 20%.

О 50 м м

5 £ 40 ? £ 30 §1*20

¡5 ^10 0

09Г2С 15ХСНД+09Г2С Марка стали

15ХСНД

□ Количество дефектов d=3мм

□ Количество дефектов d=4мм

□ Количество дефектов d=5мм

Рис. 9. Гистограмма распределения количества дефектов в сварных соединениях в зависимости от марки стали с учетом диаметра применяемого электрода

горизонтальное

вертикальное

потолочное

Положение в пространстве

□ Количество дефектов d=3мм

□ Количество дефектов d=4мм

□ Количество дефектов d=5мм

Рис. 10. Гистограмма распределения количества дефектов в сварны/х соединениях в зависимости от положения сварки в пространстве с учетом диаметра применяемого электрода

Температура подогрева

Рис. 11. Зависимость количества дефектов в сварном шве от температуры предварительного подогрева

Температура окружающей среды

Рис. 12. Зависимость количества дефектов в сварном шве от температуры окружающей среды

Предложенные мероприятия по повышению уровня квалификации сварщиков, когда сварка образца производится на реальной конструкции с соблюдением технологии ремонтной сварки в условиях отрицательных температур, позволили повысить работоспо-

собность сварных соединений строительных металлоконструкций промышленных зданий и сооружений на 15%. пгсга

V.S. Kvaginidze, N.N. Chupejkina, I.G. Nikiforov

THE ANALYSIS AND METHODS OF SAFETY OF INDUSTRIAL BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS OF COAL ENTERPRISES

There are offered actions for increase of welders skill level when welding of the sample is made on a real design with compliance with technology of repair welding in the conditions of negative temperatures, that have allowed to raise working capacity of weld building metal constructions of industrial buildings and constructions on 15 %.

Key words: coal-mining enterprises, safety, industrial traumatism, electrical injury.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------------

Квагинидзе В.С. - доктор технических наук, профессор ГОУ ДПО «Институт повышения квалификации руководящих работников и специалистов», ipk40@rambler.ru,

Чупейкина Н.Н. - кандидат технических наук, Технический институт (филиал) ГОУ ВПО Якутского университета им. М.К. Амосова в г. Не-рюнгри, nfygu@neru.sakha.ru

Никифоров И.Г. - зам. ген. директора по кап. строительству,

ОАО ХК «Якутуголь».