Експертне діагностування корозійно-механічного руйнування сталевих конструкцій в умовах коксохімічного виробництва

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДК 624.014:620.193

ЕКСПЕРТНЕ ДІАГНОСТУВАННЯ КОРОЗІЙНО-МЕХАНІЧНОГО РУЙНУВАННЯ СТАЛЕВИХ КОНСТРУКЦІЙ

в УМОВАХ КОКСОХІМІЧНОГО ВИРОБНИЦТВА

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Волкова Ірина Анатоліївна

Макіївка - 2002



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Металеві конструкції" Донбаської державної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор КОРОЛЬОВ Володимир Петрович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, завідувач науково-виробничої випробувальної лабораторії "Антикор-Дон"

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент Левін Віктор Матвійович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, професор кафедри "Залізобетонні конструкції" кандидат технічних наук, доцент Єгоров Євген Аркадійович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри "Металеві, дерев'яні і пластмасові конструкції"

Провідна установа: ВАТ Український проектний і науково-дослідний інститут "УкрНДІпроектсталь-конструкція ім. В.М. Шимановського", науково-дослідний та проектний відділ нових типів конструкцій, м. Київ

Захист відбудеться " 26 " червня 2002 року о 13-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 у Донбаській державній академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, I навчальний корпус, зала засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий " 25 " травня 2002 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент А.М. Югов



АНОТАЦІЯ

Волкова І.А. Експертне діагностування корозійно-механічного руйнування сталевих конструкцій в умовах коксохімічного виробництва. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Донбаська державна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Макіївка, 2002.

Дисертація присвячена проблемі експертного діагностування корозійно-механічного руйнування в умовах коксохімічного виробництва. Розроблена система моніторингу технічного стану конструкцій у корозійних середовищах дає можливість оцінки залишкового ресурсу об'єктів коксохімічного виробництва. Перший розділ присвячений аналізу системних методів забезпечення надійності та обґрунтуванню необхідності практичного використання нормативної бази стандартів ІSО 9001 / МЕК 300-1 при розробці програми забезпечення надійності на стадії експлуатації. Показано необхідність розробки структурних моделей діагностичних параметрів корозійного стану з метою попередження аварійних ситуацій і продовження залишкового ресурсу конструктивних елементів. В другому розділі представлені матеріали систематизованого опису режиму експлуатації об'єктів ВАТ "Ясинівський КХЗ" для експертного діагностування ознак граничних станів при корозійно-механічному руйнуванні сталевих конструкцій. Третій розділ присвячений фізико-хімічному моделюванню корозійно-механічного руйнування сталевих конструкцій, що експлуатуються при двохосьовому напруженому стані. Четвертий розділ присвячений розробці методики продовження залишкового ресурсу сталевих конструкцій з урахуванням корозійно-механічних пошкоджень шляхом введення конструктивних, технологічних та експлуатаційних обмежень на основі функціонально вартісного аналізу коефіцієнта надійності gzr.

Ключові слова: будівельні металоконструкції, показники корозійної стійкості, коефіцієнт надійності протикорозійного захисту, залишковий ресурс, показник якості експлуатації, експертне діагностування.



АННОТАЦИЯ

Волкова И. А. Экспертное диагностирование коррозионно-механического разрушения стальных конструкций в условиях коксохимического производства. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. - Донбасская государственная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Макеевка, 2002.

Диссертация посвящена проблеме экспертного диагностирования коррозионно-механического разрушения в условиях коксохимического производства. Разработанная система мониторинга технического состояния конструкций в коррозионных средах дает возможность оценки остаточного ресурса металлических конструкций объектов коксохимического производства. Первый раздел посвящен анализу системных методов обеспечения эксплуатационной надежности и обоснованию необходимости практического использования нормативной базы стандартов ISO 9001 / МЭК 300-1 при разработке программы обеспечения надежности на стадии эксплуатации. Показана необходимость разработки структурных моделей диагностических параметров коррозионного состояния с целью предупреждения аварийных ситуаций и продления остаточного ресурса конструктивных элементов. Во втором разделе представлены материалы систематизированного описания режима эксплуатации объектов ОАО "Ясиновский КХЗ" для экспертного диагностирования признаков предельных состояний при коррозионно-механическом разрушении стальных конструкций. Третий раздел посвящен физико-химическому моделированию коррозионно-механического разрушения стальных конструкций, эксплуатирующихся при двухосном напряженном состоянии. Экспериментальные исследования, выполненные на моделях листовых конструкций, позволили обосновать численные значения коэффициента интенсивности напряжений при местных коррозионно-механических повреждениях, что обеспечивает возможность учета влияния плоского напряженного состояния на изменение относительной скорости коррозионного износа при обосновании остаточного ресурса. Четвертый раздел посвящен разработке методики продления остаточного ресурса стальных конструкций с учетом коррозионно-механических повреждений при допустимых конструктивных, технологических и эксплуатационных ограничениях на основе функционально-стоимостного анализа коэффициента надежности gzr. В разделе представлены технико-экономические показатели, использованные для обоснования объемов ремонтно-восстановительных работ листовой оболочки ректификационных колонн ОАО "Ясиновский КХЗ", что обеспечило возможность эксплуатации объекта за расчетным сроком службы.

Ключевые слова: строительные металлоконструкции, показатели коррозионной стойкости, коэффициент надежности противокоррозионной защиты, остаточный ресурс, показатель качества эксплуатации, экспертное диагностирование. стандарт корозійний коксохімічний моніторинг



ABSTRACT

Volkova I.A. Expert Diagnostics of Steel Structures Corrosion Failure in Coke and By-Product Industry. A Manuscript.

Thesis for gaining scientific degree “Candidate of Technical Sciences” in specialty 05.23.01 - Buildings and Structures. - Donbass State Academy of Civil Engineering and Architecture, Ministry of education and Science of Ukraine, Makeyevka, 2002.

The thesis is devoted to the problem of steel structures corrosion expert diagnostics in coke and by-product industry. A developed monitoring system of structures technical state in corrosive mediums allows to estimate metalwork's remaining service life in coke and by-product industry.

The first section deals with the analysis of system methods providing operate reliability and it proves the of standards ISO 9001 practical use while working out operate reliability program.

There has been shown the necessity to develop structural models of corrosive state diagnostic parameters to prevent from damages and to prolong structures elements remaining life service. The second section gives the description of “Yasinovskiy Coke - Chemical Plant” objects operating conditions for expert diagnostics of limiting states indications under steel structures corrosion failures. The third section is devoted to physical and chemical modeling steel structures corrosion failures and two-axial stressed state. The fourth section deals with working out methods of prolonging steel structures remaining service life taking into account corrosion failures by setting structural, engineering and operational limits on the basis of reliability index gzr functional and cost analysis.

Key-words: constructional metalwork's, corrosion resistance indices, corrosion protection reliability index, remaining service life, performance index, expert diagnostics.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема забезпечення надійності будівельних металоконструкцій на сучасному етапі пов'язана з необхідністю обґрунтування залишкового ресурсу на методологічній основі, яка визначена на міжнародному рівні вимогами стандарту ІSО 9001 /МЕК 300-1. Удосконалення національної нормативної бази передбачає реалізацію принципів, пов'язаних з розробкою технічних регламентів попередження аварійних ситуацій на основі програм забезпечення надійності (ПЗН) і економічних методів обґрунтування продовження залишкового ресурсу.

В даний час металофонд конструкцій будівель і споруд складає понад 36 млн. тонн, з яких близько 75% несучих металоконструкцій експлуатуються в умовах середньо- і сильноагресивних середовищ. Проблема забезпечення надійності і довговічності конструкцій промислових і цивільних об'єктів є важливим елементом державної політики з організації і здійснення нагляду за корозійним станом основних фондів, оцінки технічного рівня засобів і методів протикорозійного захисту. Законодавчою базою для удосконалення нормативно-методичного забезпечення заходів для продовження залишкового ресурсу є Накази Президента України “Про заходи щодо підвищення якості вітчизняної продукції”, “Про нейтралізацію загроз, обумовлених погіршенням екологічної і техногенної обстановки в країні” (№1420/98 від 31.12.98 р.), Постанови Кабінету Міністрів України №409 від 05.05.1997 р. „Про забезпечення надійної і безпечної експлуатації будівель та інженерних мереж”, рішення міжвідомчої комісії з питань науково-технологічної безпеки при Раді національної безпеки і оборони України від 14.02.2002 р. "Про технічний стан і залишковий ресурс конструкцій і споруд основних галузей господарства в Україні".

Складність рішення задач розробки аналітичного апарата розрахунку показників надійності будівельних металоконструкцій у корозійних середовищах вимагає використання сучасних методів діагностування технічного стану при розгляді корозійної системи "Навантаження - Конструкція - Середовище" ("Н-К-С").

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно з науково-технічними напрямками "Концепції протикорозійного захисту України на 2001 - 2010 рр.", що розроблені Українською асоціацією корозіоністів за узгодженням з Держкомпромполітики, а також у рамках держбюджетної теми: “Удосконалення формоутворення металоконструкцій на основі діагностики і моніторингу залишкового ресурсу, економіко-математичне моделювання режиму експлуатації будівель і споруд” (№ держреєстрації 0101U004769).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методики продовження залишкового ресурсу сталевих конструкцій у корозійних середовищах коксохімічних підприємств на основі діагностики корозійно-механічного руйнування і обґрунтування припустимих конструктивних, технологічних, експлуатаційних обмежень.

Для досягнення поставленої автором мети сформульовані наступні задачі:

розробка методики розрахункового визначення залишкового ресурсу сталевих конструкцій при наявності корозійно-механічних пошкоджень з урахуванням коректування типової моделі експлуатації об'єкта;

оцінка параметрів корозійних впливів, зонування і класифікація режиму експлуатації сталевих конструкцій в умовах коксохімічного виробництва для виконання розрахунків на корозійну стійкість і довговічність;

вибір і експериментальне обґрунтування розрахункової моделі залишкового ресурсу конструктивних елементів при двохосьовому напружено-деформованому стані за класифікаційними ознаками граничних станів корозійної системи "Навантаження - Конструкція - Середовище";

розробка алгоритму функціонально-вартісного аналізу коефіцієнта надійності протикорозійного захисту gzr при продовженні залишкового ресурсу на основі експертного діагностування параметрів експлуатаційного стану і коректування програми забезпечення надійності.

Логічна схема представленої проблеми приведена на рис. 1.

Об'єкти досліджень - сталеві конструкції в умовах коксохімічного виробництва при тривалій експлуатації за розрахунковим терміном служби.

Предметом дослідження є нормативне обґрунтування ознак граничних станів у розрахунках на корозійну стійкість і довговічність при визначенні залишкового ресурсу.

Методи досліджень засновані на статистичному аналізі дефектів і пошкоджень, розрахунково-експериментальних даних фізико-хімічного моделювання корозійно-механічного руйнування, розрахункових моделях і розрахункових ситуаціях, експертному діагностуванні причин і наслідків ознак граничних станів.

Наукова новизна отриманих результатів:

математична модель коефіцієнта надійності протикорозійного захисту gzr за розрахунковим терміном служби конструктивного елемента при встановленій імовірності безвідмовної роботи;

методика продовження залишкового ресурсу Тrg сталевих конструкцій у корозійних середовищах, що включає експертне діагностування і функціонально-вартісний аналіз конструктивних, технологічних і експлуатаційних обмежень;

коефіцієнти надійності за матеріалом гmk і впливами гfk для розрахункового визначення характеристик корозійної агресивності Аk;

алгоритм розрахунку напружено-деформованого стану (НДС) розтягнутих циліндричних оболонок при наявності корозійно-механічних пошкоджень.

Практичне значення отриманих результатів:

систематизовані ознаки граничних станів для кількісної оцінки показника якості експлуатації Fe при обґрунтуванні залишкового ресурсу сталевих конструкцій коксохімічних підприємств;

номограма показників надійності і довговічності об'єктів, що експлуатуються за розрахунковим терміном служби;

обґрунтування можливості продовження залишкового ресурсу конструкцій при наявності корозійно-механічних пошкоджень за рахунок коректування типової моделі режиму експлуатації листових конструкцій об'єктів ВАТ "Ясинівський КХЗ";

визначена послідовність обґрунтування коефіцієнта надійності gzr, визначення періодичності діагностування і розробку програми забезпечення надійності на стадії експлуатації (ПЗНе) для призначеного залишкового ресурсу Тrg.

Впровадження результатів роботи:

ДБН В.1.2-...-2001 (Замість СНиП 2.01.07-85) "Система надійності і безпеки в будівництві. Навантаження і впливи";

ДСТУ "Технічна діагностика. Металеві конструкції підіймальних та будівельних споруд. Загальні технічні вимоги";

галузевий нормативний документ "Посібник з діагностики корозійного стану будівельних металоконструкцій будівель і споруд в агресивних середовищах (до СНиП 2.03.11-85)";

технічні умови ТУ В У2.6. 02070795.001-2001 "Резервуари сталеві горизонтальні одно- і двостінні для нафти і нафтопродуктів об'ємом від 10 до 100 м3".

Особистий внесок здобувача:

обґрунтовано математичну модель коефіцієнта надійності протикорозійного захисту gzr з урахуванням коефіцієнта інтенсивності напружень сv конструктивних елементів;

розроблено методику визначення залишкового ресурсу на основі експертного діагностування і функціонально-вартісного аналізу конструктивних, технологічних і експлуатаційних обмежень;

отримано результати чисельного моделювання коефіцієнта протикорозійного захисту gzr елементів сталевих конструкцій для технологічних впливів робочих середовищ ВАТ "ЯКХЗ".

У публікаціях зі співавторами здобувачем виконано: класифікація і систематизація корозійно-механічних пошкоджень [4, 7]; зонування і систематизація агресивних середовищ в умовах коксохімічних виробництв [1, 3, 8]; вибір і обґрунтування розрахункових моделей показників корозійної стійкості [1, 4, 8]; розрахунок конструктивних елементів на корозійну стійкість і довговічність на основі ПЗН [3, 4, 7]; формалізація і алгоритмічний опис задачі визначення залишкового ресурсу [1, 8]; розрахункова оцінка залишкового ресурсу на підставі експертного діагностування [2, 4, 6, 7, 8].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися: на другій всеукраїнській науково-технічній конференції "Аварії на будівлях і спорудах та їх попередження" у м. Києві, 1999 р.; третій міжнародній конференції "Оцінка і обґрунтування продовження ресурсу елементів конструкцій" у м. Києві, 2000 р.; на VII українській науково-технічній конференції "Металеві конструкції" у м. Дніпропетровську, 2000 р.; міжнародній науково-практичній конференції "Баштові споруди: матеріали, конструкції, технології" у м. Макіївці, 2001 р.

Публікації. Основні положення дисертації знайшли своє відображення в 9 друкованих працях, з яких 6 статей у наукових журналах і збірниках і 3 у матеріалах і тезах конференцій; 1 робота опублікована без співавторів.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, основних результатів і висновків, списку використаних джерел з 179 найменувань, двох додатків. Робота викладена на 190 сторінках, у тому числі 134 сторінки основного тексту, 21 сторінка списку використаних джерел, 23 повних сторінок з рисунками і таблицями, 35 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, наукова новизна і практичне значення роботи, представлена її загальна характеристика.

Перший розділ присвячений аналізу системних методів забезпечення експлуатаційної надійності і обґрунтуванню необхідності практичного використання нормативної бази стандартів ІSО 9001 / МЕК 300-1 при розробці програм забезпечення надійності для будівельних металоконструкцій коксохімічних підприємств. Показано необхідність розробки структурних моделей діагностичних параметрів корозійного стану з метою попередження аварійних ситуацій і продовження залишкового ресурсу конструктивних елементів.

Теоретичною основою нормативного забезпечення вимог надійності є метод граничних станів з використанням частинних коефіцієнтів, структура яких представляє розрахунковий апарат оцінки напружено-деформованого стану металевих конструкцій на основі статистичних й імовірностних закономірностей. Основні положення теорії надійності будівельних конструкцій сформульовані в наукових працях М. Майєра, М.С. Стрєлецького, М.Ф. Хоціалова й одержали розвиток у роботах В.В. Болотіна, А. Мразика, О.Р. Ржаніцина, С.А. Тімашева й ін. Удосконалювання методів розрахунку при виявленні резервів несучої здатності конструкції розглянуто в працях Є.І. Беленя, В.М. Гордєєва, Є.В. Горохова, Л.В. Єнджиєвського, М.М. Жербіна, М.І. Казакевича, Ф.Е. Кліменка, Л.М. Лобанова, В.М. Левіна, А.Я. Недосекі, С.Ф. Пічугіна, В.О. Пермякова, А.В. Сільвестрова, В.В. Горєва, Б.Ю. Уварова, А.В. Перельмутера, В.Д. Райзера, В.В. Трофимовича, В.М. Шимановського та ін.

Концептуальні підходи щодо оцінки локального руйнування, визначенню критеріїв діагностики і підвищення довговічності елементів конструкцій представлені в дослідженнях Е.М. Гутмана, О.І. Стєклова, В.В. Панасюка, В.І. Похмурського та ін. Аналіз робіт Ю.Л. Вольберга, А.І. Голубєва, О.І. Кікіна, І.І. Кошина, В.П. Корольова, Л.Я. Цикермана, А.М. Шляфірнера, С.М. Шаповалова та ін. свідчать про необхідність обліку впливу конструктивних параметрів на характер корозійного руйнування при визначенні несучої здатності. Постановка і формулювання задач, пов'язаних з розвитком методів розрахунку і проектування тонкостінних конструкцій в умовах агресивних впливів виконана в роботах Є.А. Єгорова, Д.Г. Зєлєнцова, І.Г. Овчиннікова, В.В. Петрова, Ю.М. Почтмана, В.Я. Флакса й ін.

Методологічною основою для обґрунтування методів оцінки залишкового ресурсу будівельних металоконструкцій у корозійних середовищах є системний аналіз режиму експлуатації промислових об'єктів, запропонований при розрахунково-експериментальній оцінці коефіцієнта надійності протикорозійного захисту в роботах Є.В. Горохова, В.П. Корольова.

З урахуванням впливу конструктивних, технологічних і експлуатаційних факторів сформульовані задачі теоретичних і експериментальних досліджень для поетапного визначення умов чисельного моделювання коефіцієнта надійності gzr за розрахунковим терміном служби конструктивних елементів (рис. 2).

В другому розділі представлені матеріали систематизованого опису режиму експлуатації об'єктів ВАТ "Ясинівський КХЗ" для експертного діагностування ознак граничних станів при корозійно-механіч-ному руйнуванні сталевих конструкцій.

Експериментальні дані контролю корозійно-механічних руйнувань включали об'єкти коксового цеху, цехів ректифікації, вловлювання, вуглепідготовки і сіркоочищення, металомісткість яких перевищує 1700 т. Аналіз пошкоджуваності, зроблений для основних конструктивних елементів опор трубопроводів, пролітних будівель транспортерних галерей, несучих та огороджуючих конструкцій виробничих будівель і технологічних естакад, листових конструкцій скруберів і ректифікаційних колон Ясинівського КХЗ.

Для виявлення причин зниження експлуатаційної несучої здатності конструкцій запропонована методика аудита технічного стану конструкцій і зроблена оцінка вагомості різних факторів за допомогою побудови діаграми Парето (рис. 3). Відповідно до розробленого підходу при експертному діагностуванні корозійного руйнування показник якості експлуатації в агресивних середовищах Fe визначався за методом Г. Тагуті (рис. 4).

Показник якості Fe, введений як комплексна характеристика, яка враховує стан первинного і вторинного протикорозійного захисту в задачах виявлення резерву несучої здатності і залишкового ресурсу:

(1)

де Г - відношення резерву надійності; gzk - коефіцієнт надійності протикорозійного захисту, який установлюється при обґрунтуванні методів первинного захисту; gzf - коефіцієнт надійності протикорозійного захисту за даними контролю корозійного стану в період експлуатації.

При цьому визначені граничні параметри

Аmin =1/Г і Аmax=Г/?zk

полів допуску, що встановлюють припустимі межі зміни показників якості експлуатації.

Для визначення нормативних (Аn, г/м2год) і розрахункових (Аr, г/м2год) характеристик показників корозійної стійкості проведені стендові випробування зразків сталі звичайної корозійної стійкості (ВСт3пс5), зниженої корозійної стійкості (09Г2С) і атмосферостійких сталей (10ХНДП).

Статистичний аналіз показників ступеня агресивності впливів виконаний за результатами випробувань 279-ти стандартних зразків, встановлених у 31-ій однорідній зоні експлуатації 6-ти основних цехів ВАТ "Ясинівський КХЗ". Установлено, що середні значення характеристик Аn змінюються від 1570 г/м2рік - для цеху газопередачі до 7065 г/м2рік - у цеху вловлювання. Для сталей звичайної, зниженої корозійної стійкості й атмосферостійких сталей обґрунтовані значення коефіцієнта надійності за матеріалом гmk = 0,95...1,2. За результатами зонування встановлені коефіцієнти надійності за впливами гfk =1,00...1,25, що враховують категорію розміщення конструкцій.

Задача аналітичного опису коефіцієнта надійності gzr для встановленого залишкового ресурсу Trg та імовірності безвідмовної роботи Рr зведена до обґрунтування характеристик: розрахункового опору корозійному впливу конструктивного елемента (Ak, г/м2рік); відношення резерву надійності (Г); індексу надійності (b); оптимальної періодичності діагностування (Td, рік); граничної експериментальної похибки (d) оцінки геометричних характеристик і механічних властивостей з урахуванням нормального закону розподілу випадкових величин.

Третій розділ присвячений фізико-хімічному моделюванню корозійно-механічного руйнування сталевих конструкцій, що експлуатуються при двохосьовому напруженому стані. Розрахункові моделі визначення показників корозійної стійкості листових конструкцій при впливі атмосферних і технологічних середовищ коксохімічного виробництва.

За основні розрахункові характеристики корозійної системи "Навантаження - Конструкція - Середовище" розглянуті: Аk - реакція опору

поверхневому руйнуванню однорідного конструктивного елемента, г/рік; А (L, G, S) - ступінь агресивності корозійних впливів, рідких (L), газоподібних (G), твердих (S) середовищ г/м2рік; F - розтяжні зусилля в циліндричній оболонці радіуса R, товщини t.

Математичний опис показника Аk виконується на основі узагальнених моделей елементів з урахуванням вагових характеристик структурних коефіцієнтів корозійного руйнування, що враховують додатковий вплив плоского напруженого стану:

, (2)

де ai,j - корозійні втрати при взаємодії i-того зовнішнього фактора та j-того внутрішнього параметра конструктивної форми; gmk - коефіцієнт надійності за матеріалом при оцінці ступеня агресивності впливів; gq - коефіцієнт тривалості впливів; af - конструктивний коефіцієнт, що ураховує нерівномірність корозійного руйнування перетину конструктивного елемента; gfk - коефіцієнт надійності за впливами корозійних середовищ; ck - відносна швидкість корозії при плоскому напруженому стані (за даними Е.М. Гутмана).

Розроблена методика обліку двохосьового напруженого стану на основі розрахункових моделей припускає експериментальну оцінку коефіцієнта інтенсивності напружень:

, (3)

де уk/ - максимальні напруження в зоні локального корозійного пошкодження; уk - напруження в елементі з урахуванням зміни геометричних характеристик при рівномірній корозії.

Облік впливу плоского напруженого стану на розвиток корозійно-механічних руйнувань виконувався в наступній послідовності: за результатами аудита технічного стану уточнювались лінійні розміри корозійних пошкоджень; здійснювалась оцінка коефіцієнта інтенсивності напружень на основі залежності ; визначались максимальні значення напружень у зоні локального корозійного пошкодження; на основі залежності Гутмана Е.М. установлювалась відносна швидкість корозії ck; визначалась реакція опору поверхневому руйнуванню однорідного конструктивного елемента Аk ; визначалось чисельне значення гzf на підставі даних фізико-хімічного і математичного моделювання.

Експериментальні дослідження впливу корозійно-механічних пошкоджень на несучу здатність циліндричних оболонок виконані для обґрунтування коефіцієнта інтенсивності напружень сv з обліком двохосьового напруженого стану. Моделювання корозійно-механічних пошкоджень проведено шляхом утворення поверхневих дефектів із заданими лінійними розмірами і глибиною.

Задача розрахунково-експериментальної оцінки коефіцієнта інтенсивності напружень включала:

визначення коефіцієнта сv при різних типах і розмірах пошкоджень на моделях листових конструкцій;

перевірку адекватності параметрів НДС за даними гідравлічних випробувань і чисельного моделювання показників корозійно-механічного руйнування з використанням коефіцієнта сv.

Для експериментальної оцінки характеру залежності при плоскому напруженому стані листових конструкцій проведені гідравлічні випробування на моделях, параметри яких враховували класифікаційні особливості об'єктів у залежності від співвідношення геометричних розмірів висоти (H) і діаметра (D). Методика гідравлічних випробувань передбачала виконання контролю параметрів напружено-деформованого стану тензометричним, електромагнітним способом у два етапи:

1 етап - без дефектів циліндричної оболонки;

2 етап - після утворення поверхневих дефектів, форма і розміри яких визначені за даними систематизації корозійно-механічних пошкоджень на етапі експертного діагностування.

Розміри утворених дефектів уточнювалися ультразвуковим товщіноміром УТ-93 П, ультразвуковим дефектоскопом УД-2-12, індикатором годинного типу. Навантаження моделі проводилося за п'яти ступенями для послідовного виконання тензометричного та електромагнітного контролю. Виміри проводилися за допомогою тензометричної системи СІІТ - 3 і приладу MESTR-411 у 37-ми характерних точках.

Кінцево-елементне моделювання виконане з використанням інтегрованого розрахункового комплексу для аналізу конструкцій Structure CAD 7.29. Поля головних еквівалентних напружень (МПа) при розрахунковій ситуації, що включає внутрішній надлишковий тиск, який відповідає значенню робочого тиску для основних видів корозійно-механічних пошкоджень.

Порівняльний аналіз значень коефіцієнта інтенсивності напружень сv при плоскому напруженому стані свідчить, що розрахункові й експериментальні величини відрізняються в межах 5-8%.

За результатами експериментальних досліджень установлений характер зміни коефіцієнта інтенсивності напружень від відносної глибини пошкодження.

Четвертий розділ присвячений розробці методики продовження залишкового ресурсу сталевих конструкцій з урахуванням корозійно-механічних пошкоджень при припустимих конструктивних, технологічних та експлуатаційних обмеженнях на основі функціонально-вартісного аналізу коефіцієнта надійності gzr. Коефіцієнт надійності протикорозійного захисту g zr встановлює граничний рівень корозійних втрат при продовженні залишкового ресурсу Тrg за рахунок збільшення відношення резерву надійності Г при заданій розрахунковій схемі узагальнених впливів "Н-К-С" і функціональних обмеженнях.

Розрахункове визначення залишкового ресурсу за методикою граничних станів виконується на основі експертно-технічного діагностування корозійно-механічного руйнування з використанням залежностей:

I граничний стан

(4)

II граничний стан

, (5)

де Г - відношення резерву надійності; С - коефіцієнт кінетики корозійного зносу; t - приведена товщина перетину елемента; m=?·104 - перевідний коефіцієнт корозійних втрат; gzk - коефіцієнт надійності протикорозійного захисту, який установлюється при обґрунтуванні методів первинного захисту; gzr - коефіцієнт надійності, що встановлює граничний рівень корозійних втрат при подальшій нормальній експлуатації з урахуванням результатів оцінки корозійного стану; gzf - коефіцієнт надійності протикорозійного захисту за даними контролю корозійного стану в період експлуатації; Тrg - залишковий термін служби без додаткових заходів на протикорозійний захист і посилення, років; ? - густина металу (г/см3).

Оцінка й обґрунтування продовження залишкового ресурсу при розрахунково-експериментальному визначенні коефіцієнта gzr виконані за допомогою розробленого алгоритму функціонально-вартісного аналізу конструктивних, технологічних і експлуатаційних обмежень (рис. 7). Чисельне моделювання показників діагностування при продовженні залишкового ресурсу сталевих конструкцій у корозійних середовищах здійснено для побудови номограми, яка встановлює взаємозв'язок між характеристиками Аk, gzr, Fe.

Розроблений методичний підхід забезпечує порівняльний аналіз ефективності коректування типової моделі експлуатації об'єкта при продовженні залишкового ресурсу й обґрунтуванні заходів ПОНе. У розділі наведені техніко-економічні показники, які використані при визначенні обсягів ремонтно-відновлювальних робіт листової оболонки ректифікаційних колон ВАТ "Ясинівський КХЗ", що забезпечило можливість експлуатації об'єкта за розрахунковим терміном служби.

Економічна ефективність експертно-технічного діагностування корозійно-механічного руйнування і продовження залишкового ресурсу листових конструкцій цеху ректифікації ВАТ "Ясинівський КХЗ" склала 278 тис. грн.



ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

В результаті теоретичних і експериментальних досліджень, виконаних при проведенні діагностики корозійного стану і паспортизації конструкцій будівель та споруд, дана оцінка залишкового ресурсу сталевих конструкцій ВАТ "Ясинівський КХЗ" на основі вимог стандартів ІSО 9001 / МЕК 300-1 при розробці програм забезпечення надійності.

1. Обґрунтовано методику технічного аудиту сталевих конструкцій в агресивних середовищах для прийняття рішення про можливість подальшої експлуатації за розрахунковим терміном служби за результатами оцінки параметрів корозійних впливів, зонування і класифікації режиму експлуатації, що забезпечує можливість виконання розрахунків на корозійну стійкість і довговічність при визначенні залишкового ресурсу.

2. На підставі експериментальних даних фізико-хімічного моделювання і стендових випробувань будівельних сталей класу С235 (Вст3пс5, gmk=0,95-1), С255 (О9Г2С, gmk=0,85-1,1) установлені закономірності корозійного руйнування для основних об'єктів коксохімічного виробництва. Зміна коефіцієнта надійності за впливами для однорідних зон експлуатації для середньо- і високоагресивних середовищ склала gfk = 1,1 - 1,2. Для технологічних середовищ при сильноагресивних впливах gfk = 1,15 - 1,25.

3. Вперше при експертному діагностуванні корозійного стану сталевих конструкцій використаний показник якості експлуатації Fe, що дозволяє виконати оцінку ефективності засобів і методів протикорозійного захисту для об'єктів різного призначення. Кількісна оцінка зроблена для основних конструктивних елементів: транспортерних галерей - 3...3,15; опор трубопроводів - 0,5...0,85; несучих конструкцій виробничих будівель - 1,25...1,5; листових конструкцій - 6,5...7,15. Отримані дані свідчать про низьку якість експлуатації листових конструкцій, для яких найбільш небезпечними є локальні види корозійно-механічного руйнування.

4. Експериментальні дослідження, виконані на моделях листових конструкцій, дозволили обґрунтувати чисельні значення коефіцієнта інтенсивності напружень при місцевих корозійно-механічних пошкодженнях, що забезпечує можливість обліку впливу плоского напруженого стану на зміну відносної швидкості корозійного зносу при обґрунтуванні залишкового ресурсу. При цьому встановлено, що на значення коефіцієнта інтенсивності напружень сv значний вплив має глибина пошкодження, а лінійні розміри не в значній мірі (до 15%) змінюють величину місцевих напружень, що пояснюється перерозподілом напружень в оболонці. Розрахункові значення напружень, отримані при чисельному моделюванні корозійно-механічного руйнування відрізняються від експериментальних на 7-10%.

5. За класифікаційними ознаками граничних станів корозійної системи "Н-К-С" установлена розрахункова модель визначення коефіцієнта надійності протикорозійного захисту gzr для циліндричних оболонок, навантажених внутрішнім надлишковим тиском, що забезпечує:

визначення мінімальної товщини стінки за розрахунковим терміном служби при типовій моделі експлуатації з урахуванням інтенсивності і виду корозійних пошкоджень;

обґрунтування конструктивних, технологічних і експлуатаційних обмежень для призначеного залишкового ресурсу Trg.

6. Розрахункова оцінка залишкового ресурсу одержана для листової оболонки ректифікаційних колон ВАТ "Ясинівський КХЗ" з обліком конструктивних і технологічних обмежень для продовження залишкового ресурсу на термін Trg = 10 років при встановленій імовірності безвідмовної роботи Рr=0,95. Економічна ефективність проведення ремонтно-відбудовчих робіт склала 15 тис. грн. за рахунок використання протикорозійних матеріалів з гарантованими показниками та 263 тис. грн. за рахунок продовження залишкового ресурсу.



ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

1. Королев В.П., Волкова И.А. Экспертное техническое диагностирование реакторов гидроочистки цеха ректификации коксохимического производства // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. Випуск 98-4(12). - Макіївка, 1998. - С. 44-48.

2. Волкова И.А., Черных И.Ю. Анализ причин аварии и моделирование прочностных параметров маслоотделителя цеха ректификации Ясиновского КХЗ на основе методов ультразвуковой дефектоскопии // Вісник ДонДАБА. Вип. 99 - 4. - Макіївка, 1999. - С.50.

3. Королев В.П., Толстяков Р.Г., Волкова И.А. Контроль коррозионного состояния стальных конструкций в коррозионных средах на основе программы обеспечения надежности // Праці Другої Української науково-технічної конференції “Аварії на будівлях і спорудах та їх попередження” - Київ, 1999. - С.245-250.

4. Королев В.П., Волкова И.А. Оценка остаточного ресурса сосудов, работающих под давлением, с учетом характера коррозионных повреждений // Праці Третьої Міжнародної конференції "Оцінка й обґрунтування продовження ресурсу елементів конструкцій" - Київ, 1999. - С.477-483.

5. Волкова И.А. Диагностирование сосудов, работающих под давлением, с учетом коррозионных повреждений // Вісник ДонДАБА. Вип. 2001-4(29). - Макіївка, 2001. - С.16-23.

6. Галактионов А.В. Волкова И.А. Методика оценки овальности с учетом нормированных метрологических характеристик // Вісник ДонДАБА. Вип. 2000 - 1 (21). - Макіївка, 2000. - С.199-202.

7. Королев В.П., Волкова И.А., Яременко М.А. Оценка остаточного ресурса цилиндрических листовых конструкций башенного типа при коррозионно-механическом разрушении // Вісник ДонДАБА. Вип. 2001-5(30). Том 2. - Макіївка, 2001. - С.163-168.

8. Королев В.П., Волкова И.А., Шелихова Е.В. Экспертное диагностирование коррозионного разрушения при определении остаточного ресурса строительных металлоконструкций в коррозионных средах. // Технічна діагностика та неруйнівний контроль. - 2002. - №1 - С.6-11.

Праці, які додатково відображають результати досліджень:

9. Королев В.П., Гибаленко В.А., Пожарская Г.А., Волкова И.А. Нормативные требования по изготовлению двустенных резервуаров с учетом сертификационных испытаний // Вісник ДонДАБА. Вип. 2000 - 1 (21). - Макіївка, 2000. - С.199-202.

Размещено на Allbest.ru