Научная статья на тему 'Оценка действующих напряжений в металлоконструкции нижних двустворчатых ворот судоходных шлюзов'

Оценка действующих напряжений в металлоконструкции нижних двустворчатых ворот судоходных шлюзов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
356
69
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТРЕЩИНА / УСТАЛОСТЬ / НИЖНИЕ ДВУСТВОРЧАТЫЕ ВОРОТА / МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ / НАПРЯЖЕНИЯ / КОЛИЧЕСТВО ЦИКЛОВ / CRACK / WEARINESS / THE BOTTOM FOLDING GATE / METHODS OF NOT DESTROYING CONTROL / PRESSURE / QUANTITY OF CYCLES

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Мишин Алексей Сергеевич

В статье рассмотрены вопросы трещинообразования и методы обнаружения дефектов. Установлен характер протекающего в нижних двустворчатых воротах критического процесса старения. Определен диапазон действующих напряжений на участках металлоконструкций, имеющих повреждения. Сделан вывод о независимости процесса трещинообразования от сжимающих ригель сил.I

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Мишин Алексей Сергеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

n article questions formations of cracks and methods of tracking down of defects are considered. Character of critical process of ageing proceeding in the bottom folding gate is established. The range of operating pressure on sites steelworks, having damages is certain. It is drawn a conclusion on independence of process formations of cracks from forces compressing a crossbar.

Текст научной работы на тему «Оценка действующих напряжений в металлоконструкции нижних двустворчатых ворот судоходных шлюзов»

|Выпуск4

Список литературы

1. Матросов А. В. Численно-аналитическое решение граничной задачи деформирования линейно-упругого анизотропного прямоугольника // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 10: Прикладная математика, информатика, процессы управления. — 2007. Вып. 2. С. 55-65.

1852. — 335 р.

3. Канторович Л. В., Крылов В. И. Приближенные методы высшего анализа. — М.: ГИТТЛ, 1950. — 695 с.

4. Матросов А. В. Численно-аналитический алгоритм решения задач плоской деформации линейно-упругих тел сложной конфигурации // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 10: Прикладная математика, информатика, процессы управления. — 2008. Вып. 3. С. 70-84.

УДК 626.422.21 А. С. Мишин,

ОЦЕНКА ДЕЙСТВУЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ В МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ НИЖНИХ ДВУСТВОРЧАТЫХ ВОРОТ СУДОХОДНЫХ ШЛЮЗОВ

ESTIMATION OF STRESSES IN THE STEEL-WORK OF THE LOWER BUTTERFLY

SHIPPING LOCK GATE

В статье рассмотрены вопросы трещинообразования и методы обнаружения дефектов. Установ-лен характер протекающего в нижних двустворчатых воротах критического процесса старения. Определен диапазон действующих напряжений на участках металлоконструкций, имеющих повреждения. Сделан вывод о независимости процесса трещинообразования от сжимающих ригель сил.

In article questions formations of cracks and methods of tracking down of defects are considered. Character of critical process of ageing proceeding in the bottom folding gate is established. The range of operating pressure on sites steelworks, having damages is certain. It is drawn a conclusion on independence ofprocess formations of cracks from forces compressing a crossbar.

Ключевые слова: трещина, усталость, нижние двустворчатые ворота, методы неразрушающего контроля, напряжения, количество циклов.

Key words: crack, weariness, the bottom folding gate, methods of not destroying control, pressure, quantity of cycles.

2. Lame G. Le^on sur la theorie mathemathique de l’elasticite des corps solids. — Paris: Bachelier,

Вытегорский РГСиС, филиал ГБУ «Волго-Балт»

ДНОЙ из причин, вызывающих необходимость замены нижних двустворчатых ворот (НДВ) шлю-

нию, и оценка уровня фактических напряжений в наиболее повреждаемых участках.

Трещина — дефект материала, вызванный разрывом межатомных связей, в виде линейной несплошности, ширина которой значительно меньше ее длины. Трещинообра-зование и разрушение детали или конструкции — это многостадийный, статистический и многомасштабный процесс. Подробно данный вопрос рассмотрен в [1, 2]. В работе [2]

ljl;

зов Волго-Балтийского водного пути, является образование и развитие трещин. Возникновение этих дефектов обусловлено протеканием процессов старения и действием повышенных нагрузок. Целью настоящей работы является определение вида процесса старения, приводящего к трещинообразова-

приводится формула напряжения, называемого теоретической прочностью материала: о = F /a2 - E/10, (1)

теор max ’ 4 '

где: Fmax — сила, приложенная к паре атомов, при которой межатомная связь разрывается безактивационно; а — постоянная кристаллической решетки; Е — модуль Юнга, который для металлов составляет Е ~ 1011 Па.

Реальные металлы разрушаются при напряжениях 109-106 Па.

По этапам развития трещины могут классифицироваться на субмикротрещины, микротрещины, макротрещины и магистральные.

Для обнаружения дефектов в материале существуют методы неразрушающего контроля. Согласно ГОСТ 18353-79, в зависимости от физических явлений, положенных в его основу, неразрушающий контроль подразделяется на магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный, акустический, а также проникающими веществами.

Анализ эффективности методов неразрушающего контроля и условий его проведения при обследовании металлоконструкций НДВ шлюзов показал, что наиболее приемлемым является визуально-оптический метод, который позволяет выявлять дефекты на этапе макротрещин протяженностью 15-20 мм и более.

Группой наблюдений Вытегорского РГСиС в период с конца 1970-х по 2000-е годы проведена работа по оценке технического состояния металлоконструкций НДВ, включая выявление и фиксацию дефектов типа трещин. На рис. 1 представлена зависимость количества выявленных дефектов от времени в период с 1979-го по 2008-й год. Пятилетний период принят с учетом требований нормативной документации о проведении осушения камер каждого из шлюзов и обследования НДВ не реже одного раза в пять лет.

Из зависимости, представленной на рис. 1, следует, что имеет место явная тенденция к росту числа выявляемых дефектов с течением времени и, соответственно, числа нагружений. Некоторое уменьшение количества обнаруженных трещин в последние годы объясняется уменьшением объемов наблюдений за НДВ в связи с началом их замены.

На рис. 2 представлено расположение дефектов с указанием их количества на элементах створок ворот. Из указанной топографии трещин следует, что наибольшее их количество образовывалось на нижних четырех подводных ригелях в вереяльной части. Значительно меньшее количество — в створных частях ворот. В последние годы началось активное трещинообразование в районе створных столбов, в зонах крепления упорных подушек.

Кол-во

дефектов

года

Рис. 1. Зависимость количества выявленных дефектов от времени

Выпуск 4

1984-88

N = 5 х Ю4

1989-93

N = 7 х Ю4

1994-98

N = 8 х Ю4

1999-2003

N = 9,5 х Ю4

2004-2008

N = 1,1 х Ю5

Рис. 2. Расположение трещин на элементах металлоконструкций НДВ Вытегорского РГСиС по годам

Рис. 3. Трещины, обнаруженные на ригеле № 3 НДВ шлюза № 1 в 2000 году

№ ригеля

Сжимающее усилие в ригелях

Количество трещин в стыке ригеля с вереяльным столбом

«й_1

Рис. 4. Распределение числа повреждений и сжимающих усилий по ригелям НДВ

Выпуск 4

Выпуск 4

Основная масса трещин проходила по сварным швам либо начиналась на сварных швах с последующим выходом в основной металл. Часть трещин начиналась у концентраторов напряжений. Ими являлись различного рода отверстия (водосливные, технологические), как проектные, так и выполненные в процессе эксплуатации. Примером могут служить трещины, обнаруженные в 2000 году на шлюзе № 1 на подводных ригелях (см. рис. 3).

Общее количество повреждений, обнаруженных на металлоконструкциях НДВ этого шлюза в 2000 году, составило 40 единиц.

Из распределения числа повреждений (рис. 2) и сжимающих усилий по ригелям НДВ [3], представленного на рис. 4, следует, что большинство трещин, обнаруженных в вереяльных частях двустворчатых ворот, образовалось в районе коррозионного воздействия пресной воды.

Указанное обстоятельство, а также переменный во времени характер нагрузки свидетельствуют, что образование повреждений вызвано протеканием коррозионно-усталостного процесса. В надводных ригелях, имеющих лучшую защиту от коррозии, в условиях циклического нагружения присутствует только процесс усталости. Количество дефектов на них незначительно.

б/бв

^ к! 0 008 ^ Л/й

ОН =опНн

га

- единая кривая малоцикловои усталости на воздухе

----- - единая кривая малоцикловой усталости с учетом коррозии

в пресной воде

Рис. 5. Определение действующих напряжений в различных участках металлоконструкции двустворчатых ворот

В подводной части ворот нижний ригель испытывает меньшую сжимающую силу из-за уменьшения площади, воспринимающей давление. Однако количество дефектов, зафиксированных на нем, наибольшее. Ригели со второго по пятый воспринимают примерно одинаковую нагрузку, но количество трещин на них убывает. Это позволяет сделать вывод о том, что сжимающая нагрузка [3], рассчитанная по методике [4], не может рассматриваться как основная причина возникновения трещин в элементах металлоконструкции ворот.

Исходя из наиболее вероятной причины, вызывающей появление дефектов — кор -розионно-усталостного процесса, рассмотрим функциональную зависимость количества повреждений М от количества циклов нагружения Ы, действующих напряжений 8а, усло -вий внешней среды У:

М = фф, ъа, У). (2)

При прочих равных условиях время до образования повреждения уменьшается по мере роста действующих напряжений. Урав -нение кривой усталости при мягком режиме нагружения может быть представлено в следующем виде [6]:

, (3)

г-де ; ив, N^1 —

число циклов до разрушения соответственно на уровнях пределов прочности и усталости материала. Для большинства материалов приближенно можно принять Nв = 10, Na_1 = 106. Известна корреляция между величинами предела усталости и предела прочности материала о-1 ~ 0,4оВ. С учетом этого уравнение (3) преобразуется в формулу: а№’т =ав№/\ (4)

На рис. 5 изображена кривая, построенная с использованием соотношения (4). Влияние коррозии на предел усталости велико и зависит от предела прочности стали. Для стали 09Г2С, применяемой для изготовления двустворчатых ворот, оВ = 460 МПа.

Иг

400 600 800 1000 1200 &в МПа

1 — на воздухе, 2 — в пресной воде, 3 — в морской воде

Рис. 6. Зависимость предела усталости от предела прочности

Используя зависимость предела усталости от предела прочности (рис. 6 из [6]), находим о1 = 150 МПа. По полученным данным на рис. 5 построим кривую усталости с учетом протекания процесса в коррозионной среде.

Полученная зависимость (рис. 5) при наличии данных о времени образования дефектов (рис. 2) позволяет ориентировочно оценить уровень действующих напряжений на повреждаемых участках.

Первые трещины на металлоконструкции зафиксированы на трех нижних ригелях в вереяльной части ворот в 1984-87 годах, что соответствует N ц = 5 х 104 циклам нагружений (точка I на рис. 5). Участок находится в воде, что предопределяет протекание коррозионноусталостного процесса. Уровень напряжений

5, = 0,438и = 178,45 МПа.

I 7 В 7

В период с 1988-го по 1993-й год трещины продолжали образовываться в вереяльной

части нижних ригелей. Nц = 7 х 104 циклов нагружений.

В 1994-98 годах, при достижении Nц = 8 х 104 циклов, зафиксировано появление трещин в вереяльной части четвертого и створной части третьего и четвертого ригелей (точка II на рис. 5). Это соответствует уровню напряжений 5Я = 0,4^В = 166 МПа.

В 1999-2003 годах, при достижении Nц = 9,5 х 104 циклов нагружений, зафиксировано появление трещин по всему объему ригелей в подводной части (точка III на рис. 5). Это соответствует уровню напряжений 5Ш =

0,385В = 157,7 МПа.

С 2004 года, при достижении Nц = 1,1 х 105 циклов нагружений, установлено образование дефектов в районе крепления упорных подушек в вереяльной части ворот со второго по седьмой ригель (точка IV на рис. 5). Уровень напряжений 51у = 0,375В = 153,6 МПа.

Выводы:

1. Переменный во времени характер нагрузки, увеличение числа повреждений от времени, работа в воде являются причиной протекания коррозионно-усталостного процесса.

2. Сжимающая нагрузка, действующая в ригелях НДВ, рассчитанная по методике [4], не может рассматриваться как основная причина возникновения трещин в элементах металлоконструкции ворот в районе примыкания ригелей к створному столбу.

3. Для определения причин действия на повреждаемых участках напряжений, превышающих предел коррозионной усталости, необходимо выполнить дополнительный анализ действующих нагрузок.

Список литературы

1. Керштейн И. М., Клюшников В. Д. и др. Основы экспериментальной теории механики разрушения. — М.: Изд. МГУ, 1989.

2. Владимиров В. И. Физическая природа разрушения металлов. — М.: Металлургия, 1984.

3. Мишин А. С. Анализ нагрузок, действующих в металлоконструкциях нижних двустворчатых ворот судоходных шлюзов // Журнал университета водных коммуникаций. — 2009. — Вып. 2. — С. 49-56.

4. Полонский Г. А. Механическое оборудование гидротехнических сооружений: Учебник для техникумов. — 3-е изд., переработанное и дополненное. — М.: Энергия, 1984.

Выпуск 4

|Выпуск4

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Школьник Л. М. Методика усталостных испытаний: Справочник. — М.: Металлургия,

1978.

6. Когаев В. П., Махутов Н. А., Гусенков А. П. Расчеты деталей машин на прочность и долговечность: Справочник. — М.: Машиностроение, 1985.

7. Документация по наблюдениям и исследованиям на СГТС ВРГСиС ГБУ «Волго-Балт».

УДК 621.316 В. М. Приходько,

канд. техн. наук, доцент, СПГУВК;

М. В. Спиридонов,

аспирант,

СПГУВК;

П. А. Смирнов,

аспирант,

СПГУВК

ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТ ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ ОБСЛУЖИВАНИЮ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОРТОВ, ГИДРОСООРУЖЕНИЙ И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ «БЕРЕГ - СУДНО»

EFFICIENCY OF WORKS ON MAINTENANCE SERVICE OF SYSTEMS OF THE ELECTRICAL SUPPLY OF PORTS, HYDROCONSTRUCTIONS AND ELECTROTECHNICAL COMPLEXES «A COAST - A VESSEL»

Определена эффективность выполнения работ по техническому обслуживанию систем электроснабжения портов, гидросооружений и электротехнических комплексов «берег - судно» при обеспечении максимума надежности функционирования сети, минимума трудозатрат и транспортных расходов.

Efficiency ofperformance of works on maintenance service of systems of an electrical supply ofports, hydroconstructions and electrotechnical complexes «a coast - a vessel» at maintenance of a maximum of reliability offunctioning of a network, a minimum of expenditures of labour and transport charges is defined.

Ключевые слова: электротехнические комплексы, техническое обслуживание, эффективность, цель, целевая функция.

Key words: electrotechnical complexes, maintenance service, efficiency, the purpose, criterion function.

ЛЯ комплексных испытаний судовых автоматизированных электростанций по энергосберегающей технологии с отдачей электрической энергии в промышленную сеть судостроительно-судоремонтного предприятия создаются электротехнические комплексы «берег - судно» [3, 4]. Электротехнические комплексы «берег - док» также обеспечивают энергосберегающую технологию при судоремонте в отрасли водного транспорта.

В указанных электротехнических комплексах выполнение электроснабжения судов от береговой электрической сети является одним из путей экономии материальных, трудовых и энергетических ресурсов на речном и морском транспорте. Электроснабжение судов с берега позволяет уменьшить годовой расход моторесурса дизелей судовой автоматизированной электростанции, высвобождает часть

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.