CC BY
23
сти и тяжести труда // Приложение «Безопасность»: Сборник научных трудов.- Издательство МГГУ, 2004. - с. 51-5S.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------
Квагинидзе B.C. - доктор технических наук, профессор, ОАО ХК «Якутуголь»,
Зарипова С.Н. - кандидат физико-математических наук, доцент, ТИ (Ф) ГОУ ВПО ЯГУ
------------------------------- © В.С. Квагинидзе, Н.Н. Чупейкина,
И.Г. Никифоров, 2007
УДК 622.411.33
В.С. Квагинидзе, Н.Н. Чупейкина, И.Г. Никифоров
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ УГОЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
Т 1а угледобывающих предприятиях Севера при изготовле-.М.Ж. нии, 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.
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
Рис. 1. Примеры разрушений и фотографии зарождения и развития хрупких трещин в строительных конструкциях
9%
44 % - падение людей с высоты; 28 % - падение предметов сверху; 19 % - несовершенство монтажной оснастки; 9 % - пренебрежение средствами личной безопасности
Рис. 2. Распределение причин травматизма при монтажных работах
42 % - при монтаже конструкций; 18 % - при электрогазосварке; 16 % - при разгрузке конструкций и деталей; 16 % - при прочих видах работ; 8 % - при демонтаже
Рис. 3. Распределение травм по видам выполняемых работ
48 % - монтажники; 24 % - электрогазосварщики; 18 % - монтажники - верхолазы; 6 % - стропальщики; 4 % - каменщики - монтажники
Рис. 4. Распределение травматизма по профессиям
Рис. 5. Зависимость травматизма от стажа работы
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. 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 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
ш
і
£
§
причины травматизма
Рис. 6. Анализ причин травматизма электрогазосварщиков
Рис. 7. Виды травм электрогазосварщиков
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.
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
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 неоднородности 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.
Таблица 2
Коэффициенты корректирования расчетного сопротивления стали и сварных соединений конструкций
Срок эксплуатации мета локонструкции, 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
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, позволяю-
щие 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:
а) при условии достижения металлом конструкции временного сопротивления разрыву Ян = авр по формуле:
Я = Я нкт1т2кв, (1)
б) при условии достижения металлом конструкции предела текучести Ян = ат по формуле:
Я = Я нкт2кв, (2)
где Я - расчетное сопротивление стали или соединений; Ян - нормативное сопротивление стали или соединений; к - коэффициент однородности металла; т1, 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. С помощью дефектоскопа определено количество дефектов в каждом из исследованных образцов. Оценка качества проведена в соответствии с требованиями РД Р0СЭК-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
Марка электрода
Рис. 8. Распределение количества дефектов в сварных соединениях в зависимости от марки электрода
60
О 50
и т с и о т 40
р к 30
и л о 20 10
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
состав которых входит никель (3 %), количество дефектов примерно на 30-40 % 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
и
о
м
н
о
у
5
ч
о
ы
60
50
40
30
20
10
0
м
2
3
1 □ Количество дефектов d=3мм
□ Количество дефектов d=4мм
□ Количество дефектов d=5мм
горизонтальное вертикальное потолочное
Положение в пространстве
Рис.10. Гистограмма распределения количества дефектов в сварныш соединениях в зависимости от положения сварки в пространстве с учетом диаметра применяемого электрода
результате сварки в горизонтальном положении, количество дефектов меньше на 15-20 % по сравнению со швами, выполненными
3
3
0
3
в потолочном положении. Лучшие результаты получены при использовании электродов марки Е 8018-С 1 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 г + 2,
где Д - число дефектов; X - 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
температура подогрева
Рис. 11. Зависимость количества дефектов в сварном шве от температуры предварительного подогрева
-5 -15 -25 -35 -45
температура окружающей среды
Рис.12. Зависимость количества дефектов в сварном шве от температуры окружающей среды
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 %.
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 работоспособность сварных соединений строительных металлоконструкций промышленных зданий и сооружений на 15 %.
— Коротко об авторах --------------------------------------------
Квагинидзе B.C. - доктор технических наук, профессор, ОАО ХК «Якутуголь»,
Чупейкина Н.Н. - кандидат технических наук, ОАО ХК «Якутуголь», Никифоров И.Г. - заместитель генерального директора по кап. строительству, ОАО ХК «Якутуголь».
