Влияние дефектов язвенной коррозии на несущую способность стержней крановых ферм Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.873:620.193

Н. С. Парфенов, асп., (4832) 68-70-06,

[email protected] (Россия, г. Брянск, БГТУ),

С. В. Ануфриев, асп., (4872) 33-22-88, [email protected] (Россия, г. Тула, ТулГУ)

ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ ЯЗВЕННОЙ КОРРОЗИИ

НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ СТЕРЖНЕЙ КРАНОВЫХ ФЕРМ

Представлены результаты исследований напряженно-деформированного состояния стержней ферменных металлоконструкций грузооодъемных машин, подверженных развитию язвенной корутии.

Ключевые слова: ферменные металлоконструкции грузооодъемных машин, язвенная кoяяозuя.

В соответствии с нормативной документацией по экспертизе промышленной безопасности грузоподъемных машин (ГПМ), отработавших нормативный срок службы, при обследовании необходимо учитывать текущее состояние несущих металических конструкций с учетом дефектов и повреждений, в том челе от коррозии [1,2].

Стержни металлических ферменных конструкций при условии отсутствия погрешностей монтажа рассчитываются только на действие осевой силы и проверяются по следующим условиям [3]:

1) по условию прочности от максимальных осевых си;

2) по условию устойчивости;

3) по условию ограничения гибкости.

В ферменных металлоконструкциях ГПМ, находящихся в эксплуатации, могут присутствовать такие дефекты, как эксцентриситет в узлах, обрыв стержней, отклонение от прямолинейности стержней. В этом случае дефектные стержни ферм подвержены действию осевой силы с изгибом и проверяются по следующим условиям [3]:

1) по условию прочности от действия продольных сил и изгибающих моментов;

2) по условию гибкости;

3) по условию устойчивости в плоскости действия изгибающего момента и устойчивости из плоскости действия момента.

Ферменные металлоконструкции башенных кранов подвергаются интенсивному воздействию атмосферных факторов - дождь, солнечный свет, перепады температур. Вследствие их действия разрушается защитное лакокрасочное покрытие металлоконструкций и развиваются коррозионные дефекты. Наиболее распространенным видом коррозионного повреждения крановых ферм является дефект от язвенной коррозии. Коррозион-

на язва представляет собой местное коррозионное разрушение, имеющее вид отдельной язвы [4].

Существующие нормы дефектации коррозионных повреждений не отражают влияние дефектов данного вида на прочность, несущую способность и снижение предела выносливости элемента [2]. Предлагаемые в научной литературе и нормативной документации методы учета влиянга язвенной коррозии на механическую прочность и усталостную долговечность изделий из стаи также нося приближенный характер [5;6].

Отдельна коррозионная язва может иметь произвольную форму и ориентацию относительно оси стержня, произвольный рельеф поверхности дна и глубину проникновения в стенку стержня. Следовательно, она вли-ет на качество поверхности метала в дефектной зоне и образует концентратор напряжений.

Ввиду того, что изменение геометрически характеристик дефектного сечени незначительно (при глубине проникно вени язвы в материал стержня на 83 % от толщины стени уменшене пощади составляет 4 %, момента инерции - 5 %) , язвенна коррозия не оказывает существенного влияния на гибкость и устойчивость стержня.

В работе рассмотрены влияние данного дефекта на прочность стержней ферменных металлоконструкций под действием осевых сил и изгибающих моментов и уменьшение предела выносливости стержневых элементов при циклических растягивающих напряжениях.

Влияние дефектов язвенной коррозии на прочность стержней ферменных металлоконструкций предлагается учитывать теоретическим коэффициентом концентрации напряжений аа.

При изготовлении ферменных металлоконструкций ГПМ используются стальные электросварные трубы, одиночные и составные стержневые элементы из горяче ктан ого металлопрокта.

Для вычисления напряженно-деформированного состояния (НДС) в области дефекта использовался метод конечных элементов (МКЭ).

При исследовании влиния дефекта на прочность стержней ферм с трубчатым сеченем рассчитывалась конечно-элементна модель с характернім для применяемых в ферменніх металлоконструкциях труб соот-ношенем размеров г/Я -0,85. Среднй размер конечных элеменов Ае=0,1ґ [7].

Коррозионна впадина моделировалась коническим вырезом на поверхности трубы с варьируемыми соотношениями формы конуса и его размеров, таким образом, что оси стержня и конического выреза пресекаются и взаимно перпендикулярні (рис. 1). Параметр к - высота конса -является глубной проннновени коррозии в стену стержн. Параметр Ь представляет собой максимальную шириу коррозионной язвы и является диаметром основаня конуса.

Рис. 1. Моделирование дефекта язвенной коррозии коническим вырезом в стержне круглого сечения

Для определения влияния формы дефекта на концентрацию напряжений отношение Ь/Н варьировалось в пределах от 5 до 10 с шагом 1. Такие значения Ь/Н брались с условием, что пи Ь/Н < 5 коррозию можно считать щелевой, а пи Ь/Н > 10 коррозионная впадина не создает значительной концентрации напряжений у вершины конуса и приближается к коррозии пятнами [4].

Глубина проникновения коррозии Н в материал стержня варьировалась от 10 до 90 % толщины стенки стержня. В настоящей работе предполагалось, что пи значениях Н <10 % коррозионный дефект слишком мал и не влияет на прочность стержня, при Н >90 % коррозионный дефект более подходит под определение сквозной коррозии [4].

Для вычисления теоретического коэффициента концентрации напряжений аа был поведен ряд конечно-элементных расчетов. Поведение модели анализировалось в следующих расчетных случаях:

1) пи действии осевой силы;

2) при действии изгибающего момента в плоскости, которая проходит через ось стержня и ось дефекта;

3) при действии изгибающего момента в плоскости, перпендикулярной оси дефекта.

При сравнении результатов расчета, значения а, полученные в первом и втором расчетных случаях, совпадают на 95 %. Во втором расчетном случае значения а не превышают 1,2. И во всех трех расчетных случаях наибольшие значения оа получены в вершине дефекта.

Таким образом, дефект язвенной коррозии тонкостенного стержня круглого сечения одинаково влияет на концентрацию напряжений от действия осевых сил и изгибающего момента, действующего в плоскости, проходящей через ось дефекта и ось стержня, и практически не влияет на

концентрацию напряжений от действия момента в плоскости, перпендикулярной оси дефекта. Полученные значения а представлены в табл. 1.

Таблица 1

Величина коэффициента концентрации напряжений от дефекта язвенной коррозии на поверхности тонкостенного стержня с круглым сечением

Глуби а h,% Отношение b/h с зормы дефекта

b/h =10 b/h =9 b/h =8 b/h =7 b/h =6 b/h =5

17 1,50 1,56 1,60 1,60 1,63 1,65

33 1,60 1,66 1,70 1,75 1,79 1,88

50 1,73 1,81 1,86 1,90 1,97 2,06

67 1,88 1,98 2,04 2,11 2,19 2,31

83 2,07 2,14 2,24 2,32 2,50 2,54

Наибольшая концентрация напряжений наблюдается при отношении b/h = 5, т. е. при приближении формы коррозионной впадины к щелевой коррозии.

При сложном напряженном состоянии напряжения у вершины дефекта еле дет находить по следующей зависимости:

Fa0 (Mx cos P)gCT -Mx sin p + My cosp

° = AW W ’

где F - осевая нагрузка на стержень, Н; А - площадь сечения брутто стержня, м ; Mx, My - изгибающие моменты, приложенные к стержню в плоскостях yz и zx соответственно, Н-м; W - момент сопротивления сечения стержня, см3; в - угол между осью OY главных осей инерции сечения и осью модели дефекта (см. рис. 1).

Влияние дефекта язвенной коррозии на усталостную прочность стержней с круглым трубчатым сечением предлагается учитывать суммарным коэффициентом K снижения предела выносливости изделий из стаи, определяемым по методике [6]:

K =

^+ _L_ -

1

(1)

KvKa

КСо ККОр

где Ка - эффективный коэффициент концентрации напряжений, который следует определять ро формулам, приведенным в [5], с использованием теоретического коэффициента концентрации наряжений в области дефекта по табл. 1; КСа, Ку, КА - коэффициенты, учитывающие масштабный фактор, поверхностное упрочнение и анизотропию соответственно, находятся по формулам, приведенным в [5]. Значение коэффициента Ккор, характеризующего снижение предела выносливости образцов из стаи от действия коррозии до испытаний на усталость, еле дет определять по диаграмме [5, прил. 4, чертеж 4]. При нахождении Ккор следует принимать число дней

воздействия коррозионной среды (пресной воды) не более 5, так как в данной диаграмме учтено возникновение макроскопических коррозионных повреждений на поверхности образцов при их длительном пребывании в коррозионной среде (10 - 20 дней).

При исследовании напряженного состояния в области дефекта язвенной коррозии в стержнях из открытого профиля учитывались следующие особенности этих стержней - наличие плоских прямолинейных граней, отсутствие у некоторых сечений осей симметрии, отклонение главных и централ ных осей инерции на некоторый угол.

При нлшчии плоских граней принимаем, что картина НДС в области дефекта складывается из следующих основных компонент:

1) напряжения от изгиба грани в плоскости, проходящей через ось конического выреза и геометрическую ось стержня;

2) напряжения от изгиба грани в плоскости, парллельной плоскости самой грани;

3) напряжения от продольных растягивающих или сжимающих усилий.

При этом составляющие компоненты напряжений в осях, перпендикулярных плоской грани, содержащей дефект, можно найти, используя аффинные преобрлования от напряжений, найденных в главных осях инерции сечения и коэффициенов концентрации напряжений для каждой из компонент простого напряженного состояния грани.

В настоящей работе для моделирования напряженного состояния в стержнях с некруглым сечением и дефектом язвенной коррозии использо-влись коэффициенты концентрации напряжений а, найденные для пластин:.

С целью нахождения коэффициентов концентрации напряжений для каждой из компонент простого напряженного состояния гран была рассмотрена пластина с дефектом.

НДС в области дефекта на пластине вычислялось с использованием МКЭ. Конечно-элементна модель составлена для пластины с пропорция B/t=15, где t - толщи л. пластины (рис. 2). Средний рлмер конечных элементов Ae=0,1t [7].

Коррозионнл впадина моделировлась коническим вырезом на поверхности пластины с варьируемыми соотношениями b/h и теми же условиями, что и для стержней с круглым сече нем.

Поведение модели анлизировлось в следующих расчетных случах:

1) пи действии осевой силы;

2) при действии изгибающего момента в плоскости, котора походит через ось симметрии пластины и ось дефекта;

3) пи действии изгибающего момента в плоскости, перпендикулярной оси дефекта.

В результате расчетов были получены следующие результаты. Значения коэффициента а концентрации напряжений в области дефекта при действии осевой силы на 90 % совпадают со значениями, полученными в 3-м расчетном случае. Таким образом, при изгибе пластины в плоскости, перпендикулярной оси дефекта, концентрация напряжений такая же, как и при действии осевой силы.

Значения коэффициента а концентрации напряжений в области дефекта при действии нагрузки 2-го расчетного случая меньше, чем в 1-ми 3-м расчетных случая.

Во всех расчетных случаях максимальные напряжения находились на кромках дефекта.

Значения а, найденные для всех расчетных случаев, представлены в табл. 2.

Таким образом, при расположении дефекта язвенной коррозии на плоской гран стержня можно выделить два коэффициента концентрации напряжений, соответствующих различным компонентам сложного напряженного состояния:

а 1 - коэффициент, соответствующий растяжению (сжатию) и изгибу в плоскости, параллельной грани стержня;

а2 - коэффициент, соответствующий изгибу в плоскости, перпендикулярной оси дефекта.

При сложном напряженном состоянии стержня с некруглым простым или составным сечением максимаьные напряжения в области дефекта следует находить по еле дую щей зависимости:

_ ^аа1 .

а =------+

А

/МУи п Миу . '

------СОБР+--------Б1ПР аа2 +

V ^и )

МУи . п Миу

У Б1П Р + —— СОБ Р

аа1,

где МУ, Ми - изгибающие мометы, приложенные к стержню в нормаь-ных плоскостях по отношению к главным цeдтрльным осям инерции V и и соответственно, Нм; Jv, Ju - момент инерции сечения стержня по отношению к осям V и и соответственно, см3; в - угол между главной осью и сечения и осью модели дефекта (рис. 3).

Таблица 2

Величина коэффициента концентрации напряжений а от дефекта язвенной коррозии на поверхности пластины при различных условиях

нагружения

Глубина И,% Расчетный случай Отношение Ь/И формы дефекта

0 Ь/И =9 Ь/И =8 Ь/И =7 Ь/И =6 Ь/И =5

10 2-й 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25

1-й и 3-й 1,50 1,47 1,51 1,57 1,67 1,63

30 2-й 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25

1-й и 3-й 1,73 1,79 1,83 1,90 1,89 1,86

50 2-й 1,33 1,34 1,30 1,30 1,30 1,30

1-й и 3-й 1,84 1,95 1,94 1,93 1,92 1,93

70 2-й 1,55 1,51 1,48 1,44 1,45 1,42

1-й и 3-й 2,49 2,54 2,42 2,38 2,41 2,39

90 2-й 1,83 1,73 1,67 1,61 1,56 1,54

1-й и 3-й 3,24 3,21 2,96 3,12 2,90 2,93

\ и

Рис. 3. Моделирование дефекта язвенной коррозии коническим вырезом

в стрежне урового сечения

Влияние дефекта язвенной коррозии на снижение предела выносливости стержня с некруглым простым или составным сечением предлагается находить с использованием той же методики, что и для трубчатых круглых стержней - по формуле (1). В качестве теоретического коэффициента концентрации напряжений в этой методике соответствующий растяжению -

сжатию и изгибу в плоскости, параллельной дефектной грани стержня. Это допущение основывается на главенстве растягивающих продольных напряжений при усталостной повреждаемости. В случае, если основной компонентой напряженного состояния являются напряжения от изгиба в плоскости, перпендикулярной оси дефекта, то незначительное превышение ао1 над Oj2 идет в запас прочности.

Предлагаемый в данной работе способ определения снижения прочности и предела выносливости стержн позволяет учитывать фактическое состояние развития дефекта язвенной коррозии.

Список литературы

1. РД 10-112-1-04. Рекомендации по экспертному обследованию грузоподъемных машин. Общие положения.

2. РД 10-112-3-97. Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы. Часть 3. Башенные, стреловые несамоходные и мачтовые краны, краны-лесопогрузчики (взамен РД 22-318-91 и в доп. РД 10-112-96. Часть 1).

3. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции. Методы проектирования.

4. ГОСТ 5272-68. Коррозия металлов. Термины.

5. ГОСТ 25.504-82. Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости.

6. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М. : Машиностроение, 1993. 364 с.

7. Соколов С.А. Металлические конструкции подъемно-

транспортных машин. СПб. : Политехника, 2005. 423 с.

N. Parfyonov, S. Anufriev

Influence to corrosions on toughness of steel lattice framework, made from metallic pipes

The results of the study of the influence defect to ulcerous corrosion on steel lattice framework of the tower tap are presented.

Получено 07.04.09