CC BY
20
© М.С. Никитенко, К.В. Князьков, Н.В. Абабков, Е.А. Ожиганов, 2013
УДК 531.781.2 : 620.179.17 621.791.92 : 669.018.25
М.С. Никитенко, К.В. Князьков, Н.В. Абабков, Е.А. Ожиганов
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА СРЕДСТВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ, ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ
Рассмотренные наиболее эффективные средства и методы технической диагностики горнодобывающего оборудования. Отмечается, что внедрение этих методов и работа совместно с системами постоянного мониторинга позволяют выявить наиболее изношенные элементы оборудования, оценить возможность и разработать технологии по их восстановлению. Определено, что при восстановлении и упрочнении деталей машин перспективно применение плазменных способов с композиционными материалами типа ПС-12НВК-01.
Ключевые слова: горнодобывающее оборудование, прочность, ресурс, техническая диагностика, тензометрия, напряженно-деформированное состояние, акустическая эмиссия, вибродиагностика, дефект, наплавка, износостойкость, модифицирование.
В рамках утвержденной Правительством РФ в 2012 году Долгосрочной Программы развития угольной промышленности России на период до 2030 года предусматривается значительная интенсификация угольного производства. Ставятся задачи кардинального повышения производительности труда, модернизации и обновления производственных мощностей по добыче угля. При этом упор делается на импор-тозамещение и развитие собственной машиностроительной базы, обеспечение мировых стандартов в области промышленной и экологической безопасности, снижение аварийности, повышение уровня автоматизации [1].
Ориентация на обеспечение безопасности труда, автоматизацию и роботизацию процесса угледобычи подземным способом подтверждается новой редакцией Правил безопасности в угольных шахтах, согласно п. 41 которых шахта должна быть оборудована комплексом систем и средств, обеспечивающих решение задач организации и осуществления безопасного про-
изводства и информационной поддержки контроля и управления технологическими и производственными процессами в нормальных и аварийных условиях - многофункциональной системой безопасности [2].
Модернизация существующих и создание новых, более производительных и безопасных элементов горнодобывающего оборудования (ГДО) в рамках утвержденной стратегии неосуществимо без обеспечения постоянного мониторинга воспринимаемых ими нагрузок, контроля эксплуатационных режимов и их технической диагностики. Данные мероприятия необходимы для своевременного выявления наиболее изношенных элементов оборудования, оценки остаточного ресурса, установления возможности их восстановления и упрочнения.
Несвоевременная или необъективная диагностика технического состояния и остаточного ресурса конструкций и оборудования может привести к преждевременному выходу их из строя и серьезным авариям.
В связи с этим актуальными задачами являются:
1. Определение и разработка эффективных методов технической диагностики ГДО в процессе эксплуатации, прогнозирования ресурса ответственных изделий, который определяется состоянием металла и формируется на протяжении всего жизненного цикла оборудования;
2. Разработка технических средств для постоянной и периодической эксплуатационной диагностики для выявления наиболее нагруженных элементов ГДО на базе выбранных методов;
3. Разработка методик оценки возможности восстановления деталей машин ГДО;
4. Разработка технологий восстановления, упрочнения деталей машин ГДО.
В лаборатории геомеханики угольных месторождений и лаборатории угольного машиноведения ИУ СО РАН совместно с инновационными компаниями ООО «СибТензоСервис» и ООО «Кузбасский центр сварки и контроля» ведется разработка и экспериментальная реализация комплекса средств технической диагностики состояния оборудования угольных шахт и разрезов, а также технологий восстановления изношенных по-
верхностей деталей машин и разработка упрочняющих покрытий позволяющих существенно повысить ресурс (Рис. 1). В дальнейшем, с учётом интересов малых инновационных компаний в ИУ СО РАН планируется создание комплексной лаборатории диагностики, материаловедения и специальных технологий.
Для оценки качества и надежности объекта контроля и его элементов, без выведения его из эксплуатации или демонтажа применяют различные физические методы нераз-рушающего контроля (НК). Классификация видов и методов НК приведена в ГОСТ 18353-79. Однако многие традиционные методы НК применяемые для оценки состояния ГДО имеют ряд существенных ограничений, главное из которых - все эти методы позволяют уверенно выявить уже образовавшиеся, сравнительно крупные дефекты, кроме того большую роль при их обнаружении играет человеческий фактор.
По данным Независимого органа по аттестации лабораторий, из всех физических методов НК (Рис. 2.) используются для контроля технических устройств на опасных производственных объектах (ОПО) менее трети. Учитывая ряд очевидных преимуществ, внедрение этих методов и работа совместно с системами постоянного мониторинга для ГДО позволяют обеспечить его комплексную техническую диагностику в период эксплуатации.
Одним из важнейших этапов решения задачи оценки технического состояния и ресурса конструкций и оборудования является определение деформаций и напряжений, вызываемых быстро изменяющимися нагрузками [3]. Тензо-метрические системы позволяют проводить техническую диагностику и оценку напряжений в наиболее ответственных элементах конструкций ГДО в условиях эксплуатации, осуществлять оценку эксплуатационных режимов для выявления наиболее нагруженных узлов и единиц техники на протяжении всего срока службы. В рамках совместной программы научных исследований проводятся стендовые испытания и разрабатываются опытные образцы и элементы многофункциональной тензометрической системы для мониторинга напряженно-деформированного состояния элементов ГДО [4, 5].
1 3
Рис. 1. Экспериментальны реализация комплекса средств технической диагностики состояния оборудования: 1 - многоканальная тензометрическая система; 2 - акустико-эмиссионный измерительный комплекс; 3 - спек-трально-акустический измерительно-вычислительный центр
100
90 80 70 60
50 40 30 20
10
96
97
62
63
УК
МК
ПВК
ВИК
34
РК
17
ТК
АЭ
ОК
13
ВТ
31
ВД
Рис. 2. Процентное соотношение методов НК, применяемых на О ПО: УК - ультразвуковой (включая толщино-метрию); МК - магнитный; ПВК - проникающими веществами; ВИК - визуальный и измерительный; РК - радиационный; ТК - тепловой; АЭ - акустико-эмиссионный; ОК - оптический; ВТ - вихретоковый; ВД - вибродиагностика
Разрабатываемая тензометрическая система совместно с акустико-эмиссионным измерительным комплексом «A-line» позволяет решать ряд задач по контролю качества сварных соединений, основного металла, упрочняющих покрытий, а также оценивать степень опасности развивающихся дефектов в режиме реального времени. Метод АЭ наиболее эффективен при диагностике элементов ГДО, т.к. основан на явлении испускания и распространения упругих механических (акустических) волн при нелинейных трансформациях структуры объекта контроля, в результате физического воздействия на него. При этом каждый параметр сигнала АЭ связан с каким-либо параметром процесса разрушения и является его акустическим отображением [6]. Метод АЭ является наиболее достоверным средством мониторинга и оценки состояния технических устройств опасных производственных объектов в процессе длительной работы, без вывода их из эксплуатации.
Работа ГДО зачастую связана с предельными нагрузками, эрозионной и коррозионной средой, которые неизбежно ведут к преждевременному износу узлов машин и, как следствие, к отказу оборудования. Помимо тензометрии и метода АЭ для диагностики машин и комплексов ГДО с вращающимися элементами применяется виброакустическая диагностика. Метод ВД позволяет определить состояние технических устройств по параметрам быстропеременных колебательных процессов, определяемых как внутренними рабочими процессами, так и внешними динамическими воздействиями, выявить опасные критические вибрации и своевременно произвести ремонт (замену).
Как известно [7], в процессе длительной эксплуатации технических устройств ОПО, в том числе и ГДО, при воздействии высоких температур и давлений в металле происходят сложные физико-химические процессы, связанные в первую очередь с распадом перлитной составляющей микроструктуры, коагуляцией и сфероидизацией карбидов, образованием микропор, либо клиновидных микротрещин. Скорость распада микроструктуры, образования и роста микроповрежден-ности также зависит от числа пусков и остановов оборудования. В этом отношении перспективно применение спектрально-акустического метода неразрушающего контроля. Такие харак-
теристики как скорость и время задержки поверхностных акустических волн чувствительны к изменениям структуры длительно работающего металла и зарождению микроповреждений, а также имеют связь с механическими свойствами материалов.
Измерение скорости и времени задержки волн Релея проводят с применением измерительно-вычислительного центра «АСТРОН», предназначенного для контроля состояния материала, в основу работы которого положен современный спектральный импульсный метод акустической структуромет-рии [8].
Применение неразрушающих методов контроля основанных на тензометрических, акустических, вибрационных, спектрально-акустических методах позволяет выявить наиболее изношенные элементы оборудования, установить уровень внутренних дефектов, оценить возможность и разработать технологии по их восстановлению. Исследование основного металла перед восстановлением позволяет отбраковывать детали, имеющие существенные дефекты и не подвергать их восстановлению.
Восстановление и при необходимости упрочнение необходимо выполнять дуговыми способами наплавки, применение напыления не позволяет существенно повысить ресурс из-за существующих высоких ударных нагрузок при эксплуатации ГДО. Один из основных способов позволяющих повысить ресурс и снизить количество используемых наплавочных материалов - Плазменно-порошковая наплавка. Достоинства данного способа позволяют достичь минимального проплав-ления, а также применять материалы, из которых невозможно или сложно получить наплавочные материалы для других способов наплавки.
Определение наплавочного материала является основным при разработке технологии восстановления. В результате проведенного анализа отечественных и зарубежных наплавочных материалов, предназначенных для эксплуатации в условиях абразивного и комбинированного ударно-абразивного износа, выявлено (таблица), что преобладающим видом упрочняющей фазы в импортных материалах являются карбиды хрома, в меньшем количестве карбиды титана.
Наплавочный материал Тип упрочняющей фазы Твердость, HRC
1 Э320Х25С2ГР (Т-620) Карбид хрома 57-69
2 09Х4В18Ф Карбид хрома 55-57
3 32Х20С2Р1Т1 Карбиды хрома, титана 53-55
4 Релит (WC) Карбид вольфрама 63-65
5 ПС-12НВК-01 Карбиды хрома, вольфрама 54-57
7 ESAB ОК 84.78 Карбиды хрома 58-62
8 Lincoln Карбиды хрома 58-61
9 Stelite Карбид вольфрама 52-54
Рис. 3. Относительная износостойкость различных наплавочных материалов (эталон - сталь 45)
Применение методик для определения износостойкости на абразивное изнашивание показали, что многие наплавочные материалы отечественного производства имеют значительное превосходство перед иностранными (рис. 3). Данные результаты были получены в результате проведенных исследований на базе лаборатории угольного машиноведения ИУ СО РАН [9-11].
Производственное применение различных наплавочных материалов, также позволяет говорить о конкурентоспособности отечественных материалов. Так в работах [12-14] представлен опыт применения технологий упрочнения различных деталей ГДО. Производственные испытания показали, что применение
электродов плавящихся для наплавки ОЗИ-6 позволяет получить повышение ресурса 2,2 раза, по сравнению с импортной сталью На^ох 500. Также проведенные испытания на разрезе Черниговец, показывают, что применение ППН наплавки композиционными материалами ПС-12НВК-01 модифицированные ультрадисперсным Д120з, позволяют получить повышение ресурса в 2 раза по отношению к материалам типа Б1е1Ме и 8 раз при упрочнение электродами Т-620.
Применение вышеописанного комплекса диагностических средств и технологий восстановления ГДО позволяют:
1. Получать данные о фактических нагрузках, действующих на оборудование и эксплуатационных режимах; записывать и хранить информацию для выявления наиболее изношенных единиц оборудования и их дефектов; упростить процедуры обязательной экспертной оценки технического состояния металлоконструкций ГДО, снизить металлоемкость на стадии проектирования и повысить надежность, обеспечить безопасность производства, предотвратить аварийные ситуации.
2. На основе выявленных дефектов разработать методики и способы по восстановлению и упрочнению; применить современные отечественные технологии наплавки для повышения механических свойств элементов ГДО, за счет применения модифицирования упрочняющих покрытий.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Распоряжение Правительства РФ от 24 января 2012 г. N 14-р «Об утверждении Долгосрочной Программы развития угольной промышленности России на период до 2030 года»
2. Пб 05-618-03 «Правила безопасности в угольных шахтах» (в редакции Приказа Ростехнадзора от 20.12.10 □ 1158
3. Степанова Л.Н., Кабанов С.И., Бехер С.А., М.С. Никитенко. Микропроцессорные многоканальные тензометрические системы для динамических испытаний конструкций // Датчики и системы. - 2011.- №8.- С.29-34.
4. Никитенко М.С. Технические требования к системе диагностики состояния конструкций секций механизированных крепей. Сборник трудов участников XIX Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Современные техника и технологии". Тезисы докладов,15-19 апреля 2013 года, Томск 2013.
5. Никитенко М.С. Подбор упругого элемента тензометрического датчика системы оперативного контроля состояния промышленных конструкций. Контроль. Диагностика. №9. 2012г. - С. 42-45.
6. Ожиганов Е.А. Оценка качества сварки модулированным током конструкционных сталей методом акустической эмиссии в режиме реального времени. Вестник КузГТУ 2012. №6. С.109-111.
7. Диагностика, повреждаемость и ремонт барабанов котлов высокого давления / Н.В. Абабков, Н. И. Кашубский, В. Ё. Князьков и др., под общ. ред. Смирнова А.Н. - М.: Машиностроение, 2011. - 256 с.
8. Абабков Н.В. Современное методическое обеспечение для оценки состояния металла потенциально опасного оборудования. Часть 2. Спектрально-акустический метод контроля / Н.В. Абабков, А.В. Бенедиктов, А.Н. Смирнов // Вестник КузГТУ. - 2010. - № 5. - С. 101-106.
9. Лившиц Л.С. Металловедение для сварщиков. - М.: Машиностроение, 1979 г., с. 241-242.
10. Трошков А.С. Модифицирование структуры наплавленного металла нанодисперсными карбидами вольфрама. // Ползуновский альманах// Вып. №2.- 2009, стр. 72-75.
11. Анализ способов ремонта и восстановления деталей машин горнообогатительных комплексов Горизонты образования (электронный журнал). - 2011. - вып. 13 с. 14-15. (Труды 8-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и молодежь- 2011").
12. Коротков В.А. Исследование износостойкости твердых наплавочных материалов в производственных условиях. Материаловедение и нанотехно-логии. №3-2013. С. 45 - 51.
13. Смирнов А.Н., Князьков К.В., Радченко М.В., Князьков В.Л., Козлов Э.В. Влияние нанодисперстных частиц AL2O3 на структурно-фазовое состояние покрытий системы Ni-Cr-B-Fe/WC, полученных плазменно-порошковой наплавкой. Сварка диагностика. №5-2012 (сентябрь-октябрь). С. 32-37.
14. Смирнов А.Н., Князьков К.В., Радченко М.В., Князьков В.Л., Козлов Э.В. Исследование износостойкости упрочняющих покрытий системы Ni-Cr-B-Fe/WC, модифицированных нанодисперсными частицами Al2O3. Ползуновский альманах. №1/2012г. С. 169-171. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Никитенко Михаил Сергеевич - инженер лаборатории геомеханики угольных месторождений ФГБУ Институт угля СО РАН, г. Кемерово, [email protected]
Князьков Константин Викторович - инженер лаборатории угольного машиноведения ФГБУ Институт угля СО РАН, г. Кемерово, [email protected] Абабков Николай Викторович - кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Технология машиностроения» Кузбасского государственного технического университета имени Т.Ф. Горбачева, г. Кемерово, [email protected]
Ожиганов Евгений Анатольевич - начальник лаборатории неразрушающего контроля ООО «Кузбасс РИКЦ», г. Кемерово, [email protected]
