CC BY
109
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И ПОДЪЕМНОТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
УДК 621.873.001.891.54
А.С. Данилов, асп., (4872) 33-22-88,
[email protected] (Росси, Тула, ТулГУ)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА АТМОСФЕРНОЙ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН
Предложены модели определения глубинных показателей атмосферной коррозии с учетом специфики конструктивного исполнения грузоподъемных кранов. Описаны все уточняющие нововведенные параметры, характеризующие воздействие агрессивной среды.
Ключевые слова: прогнозирование, диагностика, математическое моделиуо-
вание.
Прл эксплуатации грузоподъемных кранов необходимо оценивать фактическое коррозионное состояние металлоконструкций и прогнозировать его изменение для своевременного принятия мер по предотвращению отказов в работе и определению запаса технического ресурса.
Для диагностики коррозионного состояния металлоконструкций используют метод математического моделирования, при котором природа изучаемого процесса и его модели различны. Математическая модель может выполнять свои функции, если она достаточно точно отражает действительную картину явления, поэтому она должна описывать интересующие свойства или показатели процесса, учитывать явления и составляющие процесса, существенные для изучаемых свойств, быть доступной для исследований и работы.
Математическая модель атмосферной коррозии представляет собой в целом совокупность процесса с различными факторами, влияющими на его развитие. Обратимся к еле дую щей модели [6]:
5 = 0,047Г4,25 + 0,019е0’056ф + 24,38Г 1 - е'0’0033С^2 Т|т, (1)
V V ))
где 5 - глубина деградации материала, мм; ф - относительна влажность воздух, %; Cso2 - концентрация агрессивных загрязнений, мг/м3; т - время экспозиции, годы.
Выражение (1) отражает зависимость проникновения коррозии в глубину сплава (малоуглеродиета сталь) от основных аэрохимических показателей коррозии - относительной влажности воздух и концентрации агрессивных газов. Данна модель с течением времени была переработана с целью наиболее точного отражения динамики процесса и упрощения расчетов и прогнозирования наблюдаемого эффекта. В результате было получено выражение
-0,0033Ссл„ ^ (2)
(2)
5 = 1,048&фТ
1 — ’ ^°2
ч
где кф - коэффициент влажности среды.
Значение коэффициента влажности среды определяется по формуле
кф = -0,77 +0,029 ф. (3)
Учитывая опыт эксплуатации грузоподъемных кранов и проведенные исследования [4], следует отметить существенное влияние на процесс развития атмосферной коррозии ряда следующих факторов: пассивности металлов; конструктивных особенностей исполнения металлоконструкций; многослойной структуры ржавчины; локальных видов коррозии.
Преобразуем модель (3) с целью математического описания всех вышеперечисленных явлений.
Динамика процесса коррозии такова, что на ее первоначальном этапе наблюдается максимальная скорость развития, которая через определенный период времени существенно замедляется. Графически это представлено на рис. 1.
Рис. 1. Динамика процесса коррозии
На первом участке кривой (рис.1) наблюдается интенсивное увеличение скорости коррозии V, на втором процесс замедляется. Затухание объясняется тем, что продукты коррозии, закрывая поверхность разрушаемого материла, снижают его контакт с агрессивной средой и тем самым способствуют снижению скорости коррозионного разрушения.
Согласно поведенным исследованиям [4] известна динамика процесса пассивности малоуглеродистых стаей. На основании этого будем
считать, что в 1-й год экспозиции глубина деградации материла 51 = 5.
Дальнейшее замедление процесса коррозии вследствие образования защитной пенки на поверхности конструкции, как результата пассивации представляем в виде
5 = к ^(т-1), (4)
где к - коэффициент пассивности, показывающий, во сколько раз снижается скорость коррозии.
Введем новый параметр поврежденности материла вследствие коррозии (глубина коррозии), тогда математическая модель принимает следующий вид:
/к=51 +к п ( -1, (5)
где, /к - глубина коррозии, мм.
Также еле дет отметить и тот факт, что в местах концентрации напряжений металлоконструкций под действием циклических знакопеременных нагрузок наблюдается увеличение скорости коррозии как результат постоянного разрушения слоя ржавчины. В данном случае еле дет считать
к п ^1.
Применительно к грузоподъемным кранам следует отметить влияние распределения коррозионных повреждений от конструктивного исполнения элементов металоконструкций. Выделим два основных параметра: слитность сечения и обтекаемость [5].
Слитность сечения - отношение периметра сечения к его площади. Оно характеризуется поверхностью элемента, подвергнутого воздействию коррозионной среды. Согласно исследованиям [5] была определена высока коррозионна стойкость замкнутых сечений (труба, коробчатое и круглое сечение).
Обтекаемость влияет на распределение коррозии по сечению. От обтекаемости конструкции зависит скорость испарения влаги с поверхности, а, следовательно, и длительность протекания коррозионных процессов. Скорость коррозии отдельных участков одного и того же сечения различаются (рис. 2).
Анлизируя эпюры распределения коррозии по периметру сечения коробчатой баки, особо выделим поверхности верхнего пояса и боковых
стенок. Из рис. 2 видно, что поверхность верхнего пояса подверглась максимальной коррозии. Однако из опыта эксплуатации мостовых кранов известно о сильной коррозии нижнего пояса, на чем основана методика проведения ультразвуковой толщинометрии металлоконструкций [3]. Высока степень коррозии нижнего пояса объясняется невозможностью возобновления защитных лакокрасочных покрытий внутренних площадей баки и скоплением влаги как результата конденсации воздуха. Поэтому, несмотря на данные рис. 2, коррозионные повреждения верхнего и нижнего поясов еле дет счета ть сопоставимыми.
о, из
Рис. 2. Распределение коррозии по периметру балки коробчатогостального сечения (мм/год):
1 - верхний пояс; 2 - окончание боковой стенки
Коррозия боковых стенок развивается неравномерно, достига мак-симльного значения в узлах соединения с нижним поясом, что происхо-дет в результате стекания влаги. Скорость коррозии в этом узле меньше максимльно наблюдаемой, но риск сквозного разрушения гораздо выше. Это связано с возможностью одновременного повреждения как внешней, так и внутренней поверхностей стенки, в результате чего скорость коррозии увеличивается. Другую опасность представляет масштабный фактор. Как известно, пи расчете и конструировании мостовых кранов обычно толщина поясов принимается больше толщины боковых стенок в 1,5 -2 раза, т. е. пи сопоставимых значениях скорости коррозии (рис. 2) стенка разрушится быстрее.
В настоящий момент известны случаи сквозного коррозионного разрушения блок коробчатого сечения в узах боковых стенок. Так, было
отмечено разрушение стяжки козлового крана марки «20-15 В.Б.» установленного на территории ОАО «Щекиноазот».
Обратимся теперь к структурному составу слоя ржавчины. Как видно из рис. 3, слой ржавчины1 состоит из трех подслоев [2]. Наружный (б) и средний (в) подслой легко удаляются с поверхности метала механическим способом. Внутренний подслой (г) по своим характеристикам наиболее близок к основному металлу и для его удаления требуется травление очага коррозии растворами кислот. При длительной экспозиции происходит опадение верхнего подслоя (а) и процесс коррозии развивается в глубину материала.
а
б
в
г
Ме
Рис. 3. Структура слоя ржавчины
Следует особо выделить значимость внутреннего подслоя ржавчины:, который присутствует в основном металле, но безусловно является областью коррозионного поражения. Принята при моделировании величина 5 учитывает проникновение коррозии в глубины: за счет опадения наружных слоев ржавчины1 (а, б и в) и пренебрегает значением внутреннего подслоя.
Проанализировав данные [2] можно сказать, что доля внутреннего подслоя ржавчины1 составляет 45...54 % пораженного коррозией материала, причем с увеличением сроков экспозиции (от 3 до 24 месяцев) происходит снижение общей доли подслоя примерно в 2 раза. Тогда
1к=51к к(1 + кп5 1(1-1))'+5^3 кп, (7)
где кз - коэффициент, учитывающий долю внутреннего подслоя в пораженном материале (следует принимать к3 =0,45...0,54, причем меньшие значения характерны: для коррозии в условиях атмосферы: высокой агрессивности).
Итак, выражение (7) характеризуется последовательным равномерным проникновением среды: по поверхности в глубину материаа. Данный
тип коррозии называется равномерно -распре деленным [1], он является наименее опасным для металлоконструкций с точки зрения долговечности. Наибольшую опасность для крановых металоконструкций представляют локаьные виды1 коррозии (питтингова, язвенна и др.), приводящие к образованию многочисленных концентраторов напряжений на поверхности металла в виде ям, раковин и других углублений.
Локаьные коррозионные процессы: протекают довольно быстро в зависимости от степени агрессивности среды:. В среднем скорость развитая питтинга в 2,5 - 5 раз выше скорости поверхностной коррозии [4]. Учиты:-ва данное обстоятельство, предложим выражение для вычислени глубины: питтинга:
1п = 51кпткк , (8)
где 1п - глубина питтинга, мм; к^ - коэффициент рттингooбраoвaнд (следует принимать равным 2,5.5, причем большее значение коэффициента соответствует более высокой степени агрессивности среды).
Выражение (8) справедливо применять только пи условии высокой скорости развития коррозии (более 0,15 мм/год), что характеризуется изменением протекания механизма коррозии в сторону локаизации процессов разрушени [4].
Таким образом, полученные математические модели (7) и (8) отражают влияние различных факторов на развитие коррозионных процессов в металлоконструкциях грузоподъемных (мостовьк) кранов, изготовленных из маоуглеродистых стаей. Данные модели могут быть использованы: для проведения проверочных и проектировочньк расчетов металоконструкций с целью прогнозировани и предотвращения возможных коррозионных отказов.
Список литературы
1. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, обору-довани и сооружений. в 2 т. Т. 1. / А.А. Герасименко [и др.].; под. ред. А.А. Герасименко. М. : Машиностроение, 1987. 688 с.
2. Продукты: атмосферной коррозии железа и окраска по ржавчине / О. Кукурс [и др.]. Риа : Зинатне, 1980. 163 с.
3. РД 10-112-5-97. Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы:. Ч. 5. Краны: мостовые и козловые. Взамен РД 10-112-96; введ. 01.01.98. М.: ВНИИПТМАШ, 1997. 54 с.
4. Розенфельд И.А. Атмосферная коррози металов. М. : Металлурги, 1985. 204 с.
5. Розенфельд И.Л. Коррозия и защита металов. М. : Металурги, 1969. 448 с.
6. Селиверстов Г.В., Данилов А.С. Влияние атмосферной коррозии на металлоконструкции машин // Изв. ТулГУ. Сер. Технические науки. Вып. 3. 2007. С. 81-88.
A. Danilov
Atmospheric corrosion modeling of the hoisting machine metalwares
The models of definition an atmospheric corrosion deep-seated indexes of a crane is
offered.
Получено 07.04.09
УДК 621.874
Р.А. Испирян, асп., (4842) 79-00-79,
[email protected] (Росси, Калуга, КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА
КРАНОВОЙ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ С МИНИМИЗАЦИЕЙ
СРЕДНИХ РИСКОВ ПРИНЯТИЯ НЕВЕРНОГО РЕШЕНИЯ
Рассмотрены результаты экспериментальных исследований по стадиям накопления усталостной повреждаемости металлоконструкции, построены четыре математических модели и проведён их анализ с целью минимизации средних рисков принятия неверного решения.
Ключевые слова: математическая модель, крановая металлоконструкция, усталостная повреждаемость, наименьший риск.
В Тульском государственном университете на кафедре «ПТМиО» под руководством профессора Сорокина П. А. были проведены две сери экспериментаьных исследований. Целью этих исследований являлось обнаружение корреляции между стадиями накоплени устаостной повреждаемости исследуемой металлоконструкции [1]:
- с изменением оптических свойств поверхности материаа в первом случае;
- с изменением размеров зоны упругопластического деформирова-ни в местах вероятного зарождени трещин во втором случае.
Результаты этих исследований представлены в таблице.
Для первой сери экспериментов согласно ГОСТ 1497 - 84 были изготовлены плоские лабораторные образцы тип I для проведени статических испытаний на растяжение в количестве 3 штук [2]. Для испытаний на устаость по ГОСТ 25.502 - 79 были изготовлены образцы тип Х в количестве 10 штук. В качестве материаа образцов был выбран прокат листовой стаьной марки Ст 3сп ГОСТ 14637 - 89.
Результатыг экспериментальных исследований
86
