CC BY
29
УДК 53.083 (430.1)
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА РЕМОНТА И КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ БОЛЬШЕГРУЗНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН
М. Ю. Дрыгин, Н. П. Курышкин
Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева, г. Кемерово, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-123-129
Аннотация - Активный рост объёмов добычи угля и недостаточные инвестиции в угольную отрасль России привели к тому, что более 86% технологических машин угольных разрезов находится в недопустимом техническом состоянии. Одной из наиболее значимых проблем является недопустимое состояние несущих металлоконструкций экскаваторов и карьерных самосвалов. Анализ показал, что дефекты этих металлоконструкций накапливались в течение длительного времени. Их устранение существующим методом ремонтной сварки было неэффективным - дефекты возобновлялись вновь через 2...6 месяцев эксплуатации технологических машин. Авторами выявлены первопричины, не позволяющие выполнить качественное ремонтное сварное соединение. Апробирована и внедрена технология ведения ремонтных сварочных работ, позволившая без дополнительного повышения квалификации сварщиков на 85 % уменьшить количество дефектов сварных швов. В результате уже в первый год работы по новой технологии количество дефектов металлоконструкций оборудования было снижено на 35 %.
Ключевые слова: сварка, ремонт, оборудование, дефект, трещина, сварочные образцы.
I. Введение
Уголь является одним из важнейших ресурсов, стабилизирующих ситуацию в энергетической отрасли России. Преимущества открытого способа его добычи очевидны, поэтому более 70% всего объёма добываемого в России угля приходится на угольные разрезы. Кузнецкий угольный бассейн (Кузбасс) является одним из крупнейших в России и мире [1]. В последние пять лет наблюдается устойчивый положительный рост объёмов экспорта угля, а за счет Кузбасса Россия занимает третье место в мире по экспорту угля после Австралии и Индонезии. Экспорт кузбасского угля осуществляется в 85 стран мира [2]. В то же время на протяжении последних двадцати пяти лет инвестиции в угольную промышленность были незначительными. Даже в наиболее стабильный 2010 год они составили примерно 5% выручки от продажи угля [3].
Однако, несмотря на неблагоприятный инвестиционный климат, на угольных разрезах в основном проведена замена морально устаревшего технологического оборудования и технических устройств. Но эта замена лишь краем коснулась экскаваторного парка и парка карьерных самосвалов. Поэтому на разрезах продолжают эксплуатироваться технологические машины с истекшим нормативным сроком эксплуатации. Это привело к тому, что 70% оборудования практически ежегодно проходит экспертизу промышленной безопасности, а более 86% оборудования находится в недопустимом техническом состоянии.
Рассматривая тенденции начала 2000-х годов, основой которых была повальная замена парка российских экскаваторов на гидравлические импортные, можно утверждать, что такая стратегия себя не оправдала. Преимущества, которые в первые годы работы показывала импортная техника, как правило, развеиваются уже на четвёртый-пятый год эксплуатации. Так, внедрение импортного оборудования потребовало помимо капитальных ещё и значительных текущих затрат на эксплуатацию, а жесткие требования по межремонтному обслуживанию обусловили необходимость полного пересмотра системы ТО. Так, в большинстве случаев такое оборудование содержится на постгарантийном обслуживании, требует постоянного присутствия сервисного инженера, а отсутствие какой-либо технической документации и сложность конструкции основных механизмов делает невозможным проведение ремонтов силами технических служб предприятий [4].
II. Постановка задачи
Вышеизложенное указывает на необходимость концентрации внимания на техническом состоянии технологических машин отечественного производства. Результаты оценки 123 единиц парка оборудования АО ХК «СДС-Уголь» (входит в тройку ведущих угольных компаний России) в рамках ежегодной дефектоскопии несущих металлоконструкций (стрел экскаваторов, рам и кузовов карьерных самосвалов и т. п.) дало результаты, явно указывающие на недопустимое техническое состояние оборудования (табл. 1). Обследования проводились визуально-измерительным контролем (ВИК), ультразвуковым контролем (УК) и методом магнитной памяти металла (МПМ).
ТАБЛИЦА 1
РЕЗУЛЬТАТЫ ОБСЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
Обследования Показатель
Количество проведённых обследований, в том числе: 123
- первичных 59
- проверок устранения 51
- экспертных и прочих 13
Проверено сварных швов методами ВИК, УК, МПМ количество 9885 шт.
протяжённость 3999 м
площадь 8812 м2
Суммарный объём переданных заключений 9118 страниц
Дефекты
Выявлено дефектов 5646 шт.
2 126 м
В том числе в первичных обследованиях 4554 шт.
1 600 м
Выявлено трещин 2679 шт.
523.3 м
Характер обследованных дефектов указывает на то, что дефекты накапливались на протяжении не менее 3...5 лет. Несмотря на то, что угледобывающие предприятия России, и в частности Кузбасса, поднадзорны органам Ростехнадзора, а 70 % оборудования практически ежегодно проходит экспертизу промышленной безопасности, обследования, входящие в обязательный перечень работ, необходимых для продления срока службы оборудования, выполняются с формальным подходом к диагностическим работам. Они выполняются фрагментарно, в минимальном объёме экспертизы промышленной безопасности, что явно недостаточно для недопущения возникновения дефектов такого рода.
Накоплению дефектов способствовал факт их несвоевременного устранения; так, в течение полугода из описанных в табл. 1 дефектов было устранено 29 % по количеству и 28 % по протяженности. Наименьшее количество дефектов устранено на АО «Черниговец» - 13 % по количеству и 18 % по протяженности. Большее на ЗАО «Прокопьевский угольный разрез» - 51 % по количеству и 45 % по протяженности.
Более 90 % дефектов, обнаруженных на металлоконструкциях, подвергались неоднократному устранению и возобновлялись вновь. Причём исследования дефектов методом УК показало, что в более чем 98% случаев наблюдался непровар корня шва. На рис. 1. представлена фотография типичного ремонтного сварного шва с тыльной стороны. Как видно, практически по всей длине трещины, подвергшейся ремонту, виден непровар корня шва.
Рис. 1. Непровар корня ремонтного сварного шва
III. Теория
В отличие от сварки новых металлоконструкций, где сварщики выполняют заполнение подготовленной разделки будущего сварного соединения, процесс ремонтной сварки организован таким образом, что от сварщика требуется самостоятельное выполнение разделки и подготовки металлоконструкции к сварке. Основными фак-
торами, осложняющими данный процесс и не позволяющими выполнить разделку в соответствии с требованиями ГОСТ, являются [5, 6, 7]:
- криволинейность дефекта, а значит, и нелинейность требуемой разделки;
- различные пространственные положения дефекта;
- схождения нескольких параллельных дефектов (рис. 2);
- необходимость полного удаления наплавленного металла и околошовной зоны разрушенного сварного соединения, приводящая к 2.3-кратному увеличению ширины разделки (рис. 3);
- изменение толщины металла по линии распространения дефекта;
- отсутствие информации о толщине свариваемого металла.
Рис. 2. Разделка трещин на раме карьерного самосвала Рис. 3. Разделка разрушенного сварного соединения
Все это, осложняя работу сварщика, изначально не обученного выполнять разделку, приводит к типичной ошибке - выполнение узкой разделки на неполную глубину с оставлением неразделанного металла «на провар» (рис. 4), что не позволяет обеспечить полный провар корня сварного шва с образованием обратного валика.
Рис. 4. Неправильная разделка трещины для выполнения ремонтного сварного шва
IV. Результаты экспериментов С целью получения достоверной информации о причинах возобновляемости дефектов на ремонтных сварных швах и выявления причин непровара корня шва, была разработана методика, позволяющая смоделировать типовые условия работы сварщика, выполняющего ремонтные сварные соединения. Моделировалась много-проходовая сварка различных по толщине образцов металла при различных их пространственных положениях. Разделка швов выполнялась самими сварщиками. При этом сварщики 5, 6 разрядов варили образцы с толщиной металла 16 мм, а сварщики 3, 4 разрядов - 6 мм. Критерии оценки образцов соответствовали требованиям инструкций по капитальному ремонту экскаваторов ЭШ, ЭКГ и карьерных самосвалов БелАЗ 7555 и БелАЗ 75131. Последним дополнительным критерием была оценка сварного шва на наличие сварочных напряжений методом МПМ.
В эксперименте участвовали 193 сварщика предприятий АО ХК «СДС-Уголь». Анализ более 80 метров сварочных швов на 338 сварочных образцах показал результаты, приведенные в табл. 2.
ТАБЛИЦА2
РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ СВАРОЧНЫХ ОБРАЗЦОВ
№ п/п Наименование критерия непроходного дефекта Наличие дефектов в образцах толщиной 16 мм, % Наличие дефектов в образцах толщиной 6 мм, %
1 Наплывы, неплавный переход к основному металлу 2 28
2 Неравномерная чешуйчатость 91 67
3 Высота гребешков более 1 мм 70 18
4 Волнистость вдоль сварного шва более 3.0 мм 30 39
5 Высота ступенчатости сварных швов более 2.0 мм 17 15
Неравномерное заполнение шва 0 14
Открытые кратеры 15 12
Поры 15 23
6 Свищи 7 11
Прожоги кромок 0 0
Перерывы шва 0 3
Трещины 0 3
7 Отклонения размеров шва от ГОСТ 100 99
Дефекты диаметром более 1 мм 100 93
8 Дефектов более 1 на 100 мм 100 92
Расстояние между дефектами менее 45 мм 100 91
9 Подрезы без исправлений 57 62
Подрезы глубиной более 0.5 мм 37 45
10 Смещение кромок образца 7 18
11 Непровар корня шва по всей длине 41 46
12 Изгиб образца (более 3 мм) 13 1
13 Напряженность магнитного поля сварного шва 61 0
Из табл. 2 видно, что количество непроходных дефектов образцов незначительно зависит от квалификации сварщиков. На образцах толщиной 16 мм и 6 мм наблюдались соответственно: неравномерная чешуйчатость (91 % и 67 %), отклонения размеров шва от требований ГОСТ (100 % и 99 %), непровар корня шва по всей его длине (41 % и 46 %).
На рис. 5 представлены результаты анализа качества выполнения сварных швов работниками предприятий, входящих в АО ХК «СДС-Уголь».
60,0
40,0
о4
3
са
В
3 20,0
£ 0,0
о
ВИК УК ВИК и УК
АО «Черниговец» ■ ЗАО «Салек»
ЗАО «Прокопьевский угольный разрез» ■ ООО «Разрез Киселевский» ООО «СИБЭНЕРГОУГОЛЬ» ■ ООО «Шахтоуправление «Майское»
ООО «Барзасский карьер» ■ ООО «Шахта «Листвяжная»
Рис. 5. Результаты контроля образцов, выполненных сварщиками предприятий АО ХК «СДС-Уголь»
Количество образцов соответствующего качества по визуально-измерительному контролю только у сварщиков ООО «Шахтоуправление «Майское» составило 5.6 %. Остальные предприятия показали практически нулевой результат. По ультразвуковому контролю прошли образцы сварщиков ЗАО «Прокопьевский угольный разрез» и составили 38.5 % от их общего количества. А совместным требованиям ВИК и УК удовлетворили лишь 5.6 % образцов, выполненных сварщиками ООО «Шахтоуправление «Майское».
Результаты анализа распределения дефектов по разрядам сварщиков, показанные на рис. 6, говорят об отсутствии зависимости качества сварочных швов от квалификации сварщиков. Так, с одной стороны, у сварщиков 6 разряда, казалось бы, закономерно больший процент соответствующих нормам ВИК сварных образцов (на 11.2 % больше, чем у сварщиков 5 разряда), но, с другой стороны, меньше (на 2.8 %) сварных швов, соответствующих требованиям УК, чем у сварщиков 5-го разряда. А совместным требованиям ВИК и УК соответствовали лишь 1.1 % образцов сварщиков 5-го разряда.
Рис. 6. Зависимость качества швов от разряда сварщиков АО ХК «СДС-Уголь»
Таким образом, результаты эксперимента по оценке сварочных образцов показали, что ни один из них не соответствовал требованиям, предъявляемым нормативной документацией. Наиболее частыми дефектами являлись дефекты, связанные с непроваром корня шва (рис. 7, а) и отклонениями поверхности шва по форме (рис. 7, б).
V. Обсуждение результатов Более 91% дефектов сварных швов, выявляемых ВИК, устраняется зачисткой поверхности шва (при необходимости с последующей подваркой и повторной зачисткой). Данный метод позволяет устранить такие дефекты как неравномерная чешуйчатость, наплывы, неплавный переход к основному металлу, превышение высоты гребешков, ступенчатость сварных швов, подрезы. Он не требует дорогостоящего повышения квалификации сварщиков и дополнительно повышает надежность сварного соединения за счет удаления макро- и микродопу-
стимых дефектов, являющихся концентраторами напряжений. Они в условиях знакопеременных нагрузок (при которых, как правило, и работают данные сварные соединения) влечёт за собой сокращение их ресурса работы за счёт появления и развития усталостных трещин.
Не менее важной проблемой является проблема ликвидации дефектов, выявляемых УК. Анализ результатов ультразвукового контроля сварочных образцов позволил сделать вывод, что 85% дефектов являются дефектами разделки (подготовки к сварке). Они напрямую не являются дефектами квалификации сварщика как специалиста, выполняющего сварной шов, а, в большей мере, сварщика как специалиста, его подготавливающего. Решение данной проблемы находится в области технологии ведения ремонтных работ. Так, внедрение метода сквозной разделки шва с установкой подкладной пластины позволяет решить данную проблему (рис. 8).
Рис. 8. Щелевая разделка разрушенного сварного соединения с установкой подкладной пластины
В целях апробации и внедрения данной технологии на ЗАО «Прокопьевский угольный разрез» приказом по предприятию была предписано: при ведении ремонтных работ на металлоконструкциях выполнять разделку ремонтных швов с обязательной установкой подкладных пластин. Это мероприятие уже в первый год позволило в среднем на 35% сократить количество выявляемых дефектов металлоконструкций технологических машин в сравнении с другими предприятиями АО ХК «СДС-Уголь» (рис. 9).
Рис. 9. Среднее количество дефектов металлоконструкций, выявляемых за одно обследование
По результатам проверки электрогазосварщиков на восьми предприятиях АО ХК «СДС-Уголь» установлено, что на образцах сварщиков ЗАО «Прокопьевский угольный разрез» в среднем на 25 % меньше дефектов (по ультразвуковому контролю), чем на других предприятиях. Причём на образцах, выполненных с подкладной пластиной, дефекты отсутствуют.
Проведенные исследования подтвердили надежность ремонтных сварных соединений, выполненных по внедрённой технологии. Так, количество непроваров корня шва уменьшилось на 85 %, а ходимость технологических машин увеличилась с 2...6 месяцев до практически бессрочной. За пять лет наблюдений более 98% сварных соединений сохранили целостность.
VI. Выводы и заключение
1. Дефекты металлоконструкций технологических машин накапливаются в течение продолжительного времени. Устранение этих дефектов ремонтной сваркой было малоэффективным - период работы ремонтного сварного соединения составлял 2.6 месяцев. Это связано с низким качеством ремонта и малыми объёмами устранения дефектов (за 6 месяцев устранено 29 % недопустимых дефектов от выявленных).
2. По результатам оценки экспериментальных сварочных образцов, выполненных 193-мя сварщиками 3.6 разрядов предприятий АО ХК «СДС-Уголь», ни один из 338 образцов не соответствовал требованиям нормативной технической документации.
3. Выявленные ультразвуковым контролем дефекты в 85 % случаев являются дефектами разделки (подготовки к сварке) и напрямую не являются следствием низкой квалификации сварщика как специалиста, выполняющего сварной шов.
4. Дефекты ремонтных сварных швов (91 %), выявляемые визуально-измерительным контролем, устраняются зачисткой поверхности шва.
5. Внедрение метода сквозной разделки с установкой подкладной пластины, позволило без повышения квалификации сварщиков сократить количество непроваров корня шва на 85 %, повысить срок службы ремонтных сварных соединений с 2.6 месяцев до практически бессрочного. Это позволило уже в первый год внедрения новой технологии сократить количество дефектов металлоконструкций оборудования на 35 %.
Список литературы
1. Arden H., Tverdov A. Resource and Reserve Valuation Practices in CIS Countries. Monograph 30. Mineral Resource and Ore Reserve Estimation // The AusIMM Guide to Good Practice. Second Edition. 2014.
2. Экономика России, цифры и факты. Ч. 5. Угольная промышленность. URL: http://utmagazine.ru/posts/10449-ekonomika-rossii-cifry-i-fakty-chast-5-ugolnaya-promyshlennost (дата обращения: 25.05.2017).
3. Statistic review of Emerging Markets Information Service // Coal Mining Sector Russia. 2013. URL: http://www.emis.com/sites/default/files/Russia%20Coal%20Mining%20Sector%20Report.pdf.
4. Drygin M., Kurychkin N., Bakanov A. Strategy of Russian Coal Mining Enterprises' Excavator Park Technical State Correction // The 1st Scientific Practical Conference "International Innovative Mining Symposium (in memory of Prof. Vladimir Pronoza)". 2017. Vol. 15. DOI: 10.1051/e3sconf/20171503011.
5. Сварка. Резка. Контроль: справочник: / под ред. Н. П. Алёшина, Г. Г. Чернышова. В 2 т. Т. 1. М.: Машиностроение, 2004. 624 с.
6. Белянин П. Н., Колесников К. С., Адамов Е. О. [и др.]. Технология сварки, пайки и резки: энциклопедия: в 4 т. Т. 3. М.: Машиностроение, 2006. 767 с.
7. Васильев К. В., Вилль В. И., Волченко В. Н. [и др.]. Сварка в машиностроении / Под ред. Н. А. Ольшанского. В 4 т. Т. 1. М.: Машиностроение, 1978. 501 с.
УДК 535.241
ОПТОВОЛОКОННЫЙ МЕТОД ПИРОМЕТРИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РАСПЛАВОВ
В. А. Захаренко, Я. Р. Веприкова
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-129-134
Аннотация - В настоящее время существует научная проблема бесконтактного измерения температуры расплавов металлов. Проблема связана с необходимостью достижения заданных погрешностей измерений в условиях неопределённости коэффициентов черноты излучающих поверхностей. Целью работы являются обоснования нового метода измерений, при котором влияние коэффициента черноты элиминируется. Задача работы состояла в расчетном обосновании конструкции и материала специального тигля, помещаемого в расплав металла, который представляет собой излучатель в виде модели абсолют-
