CC BY
71
^ВЕСТНИК
......рае ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
ХиуЮРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
УДК 626.45
М. Л. Кузьмицкий, Н. М. Ксенофонтов, В. Б. Чистов
РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ КОРРОЗИОННОГО ИЗНОСА НА ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ВОРОТ И ЗАТВОРОВ ШЛЮЗОВ
Целью работы является оценка технического состояния металлоконструкций ворот и затворов судоходных шлюзов, подверженных, в процессе эксплуатации, коррозионному изнашиванию. Определены расчетные сечения и действующие нагрузки. Использованы классические методики расчета напряженно-деформированного состояния в упругой зоне и результаты натурных измерений, в том числе ультразвуковой толщинометрии остаточной толщины металла силовых элементов и упругой их деформации. Получены расчетные зависимости, позволяющие оценить изменение напряженно-деформированного состояния силовых элементов металлоконструкций ворот и затворов судоходных шлюзов при различных значениях их коррозионного износа по величине прогиба под напором. Отмечено, что одним из способов повышения надежности и точности оценки напряженно-деформированного состояния элементов расчетными методами может рассматриваться их дублирование результатами непосредственных измерений уровня приложенных напряжений.
Ключевые слова: коррозионный износ, металлоконструкции ворот и затворов, судоходный шлюз, запас прочности, напряженно-деформированное состояние, ригель, жесткость, остаточная толщина, прогиб под напором, срок эксплуатации.
расчетного значения, обеспечивающего необходимые запасы прочности конструкции [2], [3]. В связи с этим при формальном выполнении требований [1] возможна необоснованная замена конструкций, обладающих достаточными запасами прочности, что может быть подтверждено расчетами напряженно-деформированного состояния (далее — НДС) наиболее нагруженных участков элементов [4].
В некоторых случаях, например, при недостатке диагностической информации о фактическом коррозионном износе элементов (утонение Дя), имеется потенциальная возможность его оценки по результатам измерений деформации элементов под воздействием штатных нагрузок. В связи с этим необходимо рассмотреть характер зависимостей показателей НДС элементов от степени их коррозионного износа на примере верхних рабочих подъемно-опускных ворот (далее — ПОВ) шлюза № 25 - 26 Балаковского РГСиС [5].
Схема конструкции двухригельных ПОВ и действующей на них нагрузки приведена на рис. 1.
ОРМАТИВНЫМ документом [1] значения предельно-допустимых износов силовых элементов ворот и затворов судоходных шлюзов, как правило, устанавливаются в размере 15 % от проектной толщины. Последняя, во всех случаях не должна быть меньше
сч
6.0н
Рис. 1. Схема нагрузок, действующих на двухригельные ворота
Равнодействующая давления воды Q находится на расстоянии 2 м выше уровня бьефа. Ригели расположены на одинаковом расстоянии от равнодействующей давления воды, что обеспечивает равную нагрузку на каждый из них при расчете на прочность и жесткость [6]. Для исследования изменения прочности ПОВ следует учесть влияние обшивки как с напорной, так и безнапорной стороны.
Рис. 2. Сечение нижнего ригеля с присоединенными поясками обшивки
Схема сечения нижнего ригеля с присоединенными поясками обшивки приведена на рис. 2, а расчет геометрических характеристик его поперечного сечения дан в следующей таблице.
Расчетные характеристики поперечного сечения нижнего ригеля
Расчетные ¥, м2 1, м г 5 , м3 г7 I., м4 1собств
характеристики 1 2 3 4 5
0,0384 0 0 0 —
0,012 0 0 0 —
¥2 0,066 1,665 0,110 0,183 0,060
¥3 0,009 3,33 0,030 0,100 —
¥3' 0,029 3,33 0,096 0,319 —
I 0,154 0,236 0,662
Примечания: в графе 1 приведены ¥.— площади поперечных сечений частей составного профиля; в графе 2 — 2. — расстояние от центра тяжести площади ¥1 до центра тяжести г'-й площади; в графе 3 — 5. = ¥2. — статический момент г'-й площади относительно оси, проходящей через центр тяжести площади ¥1; в графе 4 — I. = ¥.1. — момент
инерции .-й площади относительно оси, проходящей через центр тяжести площади ¥1; в графе 5 - I _ ЗП собсгв 12
собственный момент инерции, где h — высота элемента.
Если принять допущение о том, что площади каждой составляющей поперечного сечения уменьшаются одинаково, то геометрические характеристики сечения будут уменьшаться пропорционально коэффициенту износа к , определяемому по формуле
к =
"5
5
_ос
5
(1)
1
где s — остаточная толщина элемента, мм; s — проектная толщина элемента, мм; Дя = s
ост 4 ' ' пр г ' ' ирг
Дя.
s
уменьшение толщины составляющей площади сечения ригеля, мм;
относительным
износ каждой из составляющей площади сечения ригеля (для данной задачи принято
Дя.
st).
Исходя из полученных данных в таблице, находим:
1) расстояние от оси, проходящей через центр тяжести площади F1 до оси, проходящей через центр тяжести площади всего сечения
0,236
2но 0,154
= 1,53 м;
2) момент инерции сечения относительно нейтральной оси:
1Н0 = 0,662 -1,53 • 0,154 = 0,426 м4;
3) момент сопротивления сечения:
Ж =
I
но
0,426
= 0,237 м3;
3,330 - ZHO 3,330 -1,53 4) максимальный статический момент отсеченной площади:
Л™ = 0,050(3,33 - 1,53) + (3,3 -1,5) • 0,02- = 0,122 м3.
Геометрические характеристики сечения составного профиля в процессе эксплуатации изменяются в зависимости от утончения его элементов. На графиках (рис. 3 и 4) показано изменение
ТТГ « ОтаХ
момента сопротивления У, максимального статического момента отсеченной площади Л^ и момента инерции 1НО в зависимости от срока эксплуатации ворот при постоянной скорости уменьшения толщин элементов 0,05 мм/год и 0,10 мм/год.
Рис. 3. Уменьшение момента сопротивления У и максимального статического момента 5
тах
нижнего ригеля от продолжительности эксплуатации ворот
х
ВЕСТНИК,
ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА VH
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА^
Рис. 4. Уменьшение момента инерции I площади поперечного сечения нижнего ригеля от продолжительности эксплуатации ворот
Для расчета изменений прочности (максимальных нормальных и касательных напряжений) и жесткости (прогиба середины пролета) нижнего ригеля последний представляется в виде одно-пролетной балки, свободно опертой по концам и загруженной равномерно распределенной нагрузкой q, кН/м [7], величина которой определяется по формуле
1 1 2
q = 9,8---H
2 2
(2)
где Н — максимальный напор, м (Н = 6,0 м).
После подстановки получим q = 88,2 кН/м. На рис. 5 приведены графики изменения максимальных касательных и нормальных напряжений в процессе эксплуатации.
0 10 20 30 40
Рис. 5. Изменение касательных и нормальных напряжений
Жесткость ворот можно оценить по величине прогиба ригеля, максимальное значение которого в середине пролета (при s = sп .) составит
У
' L л
2
V у
384 • Е1
5
384'
,2-31,24-103
= 0,0127 м,
2105-106-0,426
(3)
где Е = 2105 МПа — модуль нормальной упругости стали.
На рис. 6 приведена номограмма, позволяющая определить изменение характеристик прочности и жесткости ворот (нормальные (о, МПа) и касательные (т, МПа) напряжения) при гидродинамическом напоре в зависимости от износа элементов ригеля или года эксплуатации при заданной средней скорости изнашивания. Полученные зависимости позволяют также произвести оценку коррозионного износа ригеля ворот по изменению величины прогиба «у» под напором.
Результаты расчетов для аналогичных элементов, выполненных различными авторами [5], в ряде случаев имеют значительные отличия, что связано, как правило, с погрешностью определения характеристик расчетного сечения и степени коррозионного износа. Дополнительные погрешности при оценке НДС вызывают отклонения фактических нагрузок, действующих на элементы, от принятых при расчетах. Повышению точности определения НДС может способствовать применение физических методов контроля, в частности, рассмотренных в работах [8] - [11].
у, мм а,т МПа
16- ■80
14- 70
12 ■ ■60
108- ■50 '40____
6 30
4 ■ 20
2 ■10
10
20
30
Л8, ММ
Ук =0,15
V,=0,125
К=0,05К=0,075 У.=0,10
Годы
Рис. 6. Номограмма для определения прогиба (у, мм) и максимальных нормальных (о, МПа)
и касательных (т, МПа) напряжений
Из результатов, проведенных исследований следует:
- полученные расчетные зависимости позволяют оценить изменение НДС силовых элементов металлоконструкций ворот и затворов судоходных шлюзов при различных значениях их коррозионного износа;
- результаты расчетов в целом согласуются с установленными предельно-допустимыми значениями износов и деформаций элементов при рабочих нагрузках;
- точность оценки технического состояния металлоконструкций ворот и затворов зависит от корректности принятых характеристик расчетных сечений, погрешности определения износа элементов и возможностей используемых расчетных методов;
- одним из способов повышения надежности и точности оценки НДС элементов расчетными методами может рассматриваться их дублирование результатами непосредственных измерений уровня приложенных напряжений.
ВЕСТНИК^Г
ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА BBQ^^V
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. МУ 050-025-2001 Методические указания. Определение технического состояния металлоконструкций ворот и затворов СГТС. — М.: ФГУП ЦБНТИМТ РФ, 2002. — 86 с.
2. Федеральный закон № 384 от 30.12.2009. Технический регламент о безопасности зданий и сооружений.
3. СП 58.13330.2012. Гидротехнические сооружения. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 33-01-2003. — Введ. 2012-01-01. — М., 2012. — 40 с.
4. Кузьмицкий М. Л. Исследование возможности и условий развития процесса усталостного разрушения элементов механических систем на этапе образования макротрещин / М. Л. Кузьмицкий, Н. М. Ксено-фонтов, И. Н. Базавлук // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2014. — № 4 (26). — С. 68-74.
5. Кузьмицкий М. Л. Проведение расчетных исследований с анализом прочностного состояния и остаточного ресурса металлоконструкций аварийно-ремонтных ворот, верхних рабочих ворот, нижних двустворчатых ворот и ремонтных двустворчатых ворот и затворов водопроводных галерей шлюза № 1718 Чебоксарского РГСиС и шлюза № 25-26 Балаковского РГСиС: Отчет о НИР (заключительный); рук. М. Л. Кузьмицкий / М. Л. Кузьмицкий, В. Б. Чистов, Н. М. Ксенофонтов, Ю. А. Киселев, В. М. Рябчук, Д. А. Бордиян. — СПб.: ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова», 2014. — 118 с.
6. Полонский Г. А. Механическое оборудование гидротехнических сооружений / Г. А. Полонский. — М.: Энергия, 1974. — 343 с.
7. Беляев Н. М. Сопротивление материалов / Н. М. Беляев. — М.: Наука, 1976. — 607 с.
8. ГОСТ Р 53965-2010. Контроль неразрушающий. Определение механических напряжений. Общие требования и классификация методов. — Введ. 2011-12-01. — М.: Стандартинформ, 2011. — 8 с.
9. Дубов А. А. Новые требования к методам и средствам диагностики напряженно-деформированного состояния материалов / А. А. Дубов // Территория NDT. — 2012. — № 4. — С. 52-56.
10. Берман А. В. Оценка остаточного ресурса металлоконструкций горных машин на основе характеристик несущей способности материала / А. В. Берман, Я. С. Ватукин, С. К. Коровин, К. М. Первов, В. К. Первов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2005. — № 5. — С. 220-228.
11. Никитина Н. Е. Акустоупругость и ее применение для измерения напряжений в крупногабаритных конструкциях / Н. Е. Никитина // Вестник научно-технического развития. — 2009. — № 2. — С. 41-46.
CALCULATED RESEARCH INFLUENCE CORROSIVE WEAR ON STRENGTH METAL CONSTRUCTIONS GATES NAVIGATION LOCK
The aim of the work is to evaluate the technical condition of metal structures gates and gate shipping locks exposed, during operation, corrosion wear. Determine the design section and current load. We use the classical method of calculating the stress-strain state in the elastic region and the results of field measurements, including ultrasonic thickness of the residual metal thickness of power elements and elastic deformation. Calculated according to assess the change in the stress-strain state power components metalwork gates and gate shipping locks at different values of corrosion deterioration of the value of deflection under pressure. It is noted that one way to improve the reliability and accuracy of the assessment of the stress-strain state of the elements of calculation methods may be considered duplication results of direct measurements of the level of the applied voltage.
Keywords: corrosion wear, metal framework gates, navigation lock, a margin of safety, stress-strain state, girder, stiffness, residual thickness, bending under pressure, service life.
REFERENCES
1. Russian Federation. Methodical instructions MU 050-025-2001. Opredelenie tehnicheskogo sostojanija metallokonstrukcij vorot i zatvorov SGTS. M.: FGUP CBNTIMT RF, 2002.
2. Russian Federation. Federal Law № N 384. 30 December 2009. Tehnicheskij reglament o bezopasnosti zdanij i sooruzhenij.
3. Russian Federation. Rulebook. SP 58.13330.2012. Gidrotehnicheskie sooruzhenija. Osnovnye polozhenija. M., 2012.
4. Kuzmitskiy, M., N. Ksenofontov, and I. Bazavluk. "Research opportunities and conditions for the development of the process of fatigue fracture elements of machanical systems at the stage of education macrocracks." Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova 4(26) (2014): 68-74.
5. Kuzmickij, M. L., V. B. Chistov, N. M. Ksenofontov, Ju. A. Kiselev, V. M. Rjabchuk, and D. A. Bordijan.
Provedenie raschetnyh issledovanij s analizom prochnostnogo sostojanija i ostatochnogo resursa metallokonstrukcij avarijno-remontnyh vorot, verhnih rabochih vorot, nizhnih dvustvorchatyh vorot i remontnyh dvustvorchatyh vorot i zatvorov vodoprovodnyh galerej shljuza № 17-18 Cheboksarskogo RGSiS i shljuza №25-26 Balakovskogo RGSiS: Otchet o NIR (zakljuchitel'nyj); ruk. Kuz'mickij M.L. SPb.: FGBOU VO «GUMRF imeni admirala S.O. Makarova», 2014.
6. Polonskij, G. A. Mehanicheskoe oborudovanie gidrotehnicheskih sooruzhenij. M.: Jenergija, 1974.
7. Beljaev, N. M. Soprotivlenie materialov. M.: Nauka, 1976.
8. Russian Federation. State standard. GOST R 53965-2010. Kontrol nerazrushajushhij. Opredelenie mehanicheskih naprjazhenij. Obshhie trebovanija i klassifikacija metodov. M.: Standartinform, 2011.
9. Dubov, A. A. "Novye trebovanija k metodam i sredstvam diagnostiki naprjazhenno-deformirovannogo sostojanija materialov." Territorija NDT 4 (2012): 52-56.
10. Berman, A. V., Ja.S. Vatukin, S. K. Korovin, K. M. Pervov, and V. K. Pervov. "Ocenka ostatochnogo resursa metallokonstrukcij gornyh mashin na osnove harakteristik nesushhej sposobnosti materiala." Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal) 5 (2005): 220-228.
11. Nikitina, N. E. "Akustouprugost i ee primenenie dlja izmerenija naprjazhenij v krupnogabaritnyh konstrukcijah." Vestnik nauchno-tehnicheskogo razvitija 2 (2009): 41-46.
_ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Кузьмицкий Михаил Леонидович —
доктор технических наук.
ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени
адмирала С. О. Макарова»
Ы1т^'^утЬрЬ uwc@mail. ги
Ксенофонтов Николай Михайлович — аспирант.
Научный руководитель:
Кузьмицкий Михаил Леонидович.
ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени
адмирала С. О. Макарова»
ksen_nm@mail. ги
Чистов Валентин Борисович —
доктор технических наук, профессор.
ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени
адмирала С. О. Макарова»
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Kuzmitskiy Mikhail Leonidovich —
Dr. of Technical Sciences.
Admiral Makarov State University of Maritime
and Inland Shipping
Ksenofontov Nikolai Mikhailovich — postgraduate.
Supervisor:
Kuzmitskiy Mikhail Leonidovich.
Admiral Makarov State University of Maritime
and Inland Shipping
Tchistov Valentin Borisovich —
Dr. of Technical Sciences, professor.
Admiral Makarov State University of Maritime
and Inland Shipping
Статья поступила в редакцию 13 октября 2015 г.
УДК 574, 528.422 Е. Н. Колосков
ВЗАИМОСВЯЗЬ ГИДРОГРАФИИ И ГЕОЭКОЛОГИИ В КОНТЕКСТЕ ГЛОБАЛЬНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ В АРКТИЧЕСКИХ МОРЯХ И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ
Рассмотрены вопросы использования гидрографических информационных технологий для исследования микрорельефа арктических морей и дальнейшее обоснование на основе этих данных глобальных климатических изменений. Отмечается, что современная гидроакустическая аппаратура предоставляет
