Анализ количественных характеристик износа металлических конструкций зданий обогатительных фабрик алмазодобывающей промышленности

Обогатительные фабрики алмазодобывающей промышленности в соответствии с действующим законодательством в области технического регулирования относятся к опасным производственным объектам, и к обеспечению их промышленной безопасности предъявляются повышенные требования.

Анализ результатов обследований металлических конструкций производственных зданий указывает на то, что промышленная безопасность таких объектов определяется годом возведения, конструктивными и объемно-планировочными решениями, наличием агрессивной среды, особенностями формирования нагрузок и воздействий на конструкции, уровнем изготовления и возведения, культурой эксплуатации, частотой и составом проводимых обследований текущего технического состояния [1, 2, 6].

Отсутствие комплексного подхода к вопросам проектирования, изготовления, возведения и эксплуатации объективно приводит к снижению показателей промышленной безопасности и сроков службы металлических конструкций производственных зданий, расположенных на территории Республики Саха (Якутия) [1, 3, 6, 8].

Износ отдельной металлической конструкции или здания в целом является количественным показателем, характеризующим результат снижения основных функциональных показателей или отклонений от установленных проектных параметров, выявленных на этапе эксплуатации производственного объекта.

Показатель износа производственного здания является наиболее удачной интегральной эксплуатационной характеристикой, увязанной с прогнозируемым (остаточным) ресурсом, резервом несущей способности и показателями надежности соответствующего здания. Информация о количественном значении износа металлических конструкций и каркаса в целом позволяет дать оценку состояния производственного здания по основным его потребительским свойствам: безотказности и долговечности [9].

Возможность количественной оценки безотказности и долговечности функционирования в предполагаемых условиях, совместно с анализом по абсолютным и относительным показателям функциональной эффективности принятых металлических конструкций производственных зданий, оценкой промышленной безопасности производства технологических процессов обеспечивает более объективную характеристику адекватности проектных решений для здания в целом. Рассмотренное обстоятельство в наибольшей степени способствует более рациональному расходованию средств на капитальное строительство, ремонт и эксплуатационное содержание производственных зданий.

Целью исследования является анализ количественных характеристик износа металлических конструкций зданий обогатительных фабрик алмазодобывающей промышленности для прогнозирования их сроков службы.

Материалы и методы исследования

Показатель износа металлических конструкций или каркаса производственного здания в целом является количественной характеристикой, отражающей характер и степень снижения их основных функциональных качеств и потребительской стоимости, который позволяет точно охарактеризовать степень соответствия проектных представлений о работе конструкций в конкретных условиях эксплуатации, в течение некоторого периода фактическим показателям состояния и функциональной эффективности.

Функциональная зависимость показателя износа от продолжительности рассматриваемого периода эксплуатации устанавливается при помощи параметра, который отображает качество металлической конструкции или каркаса производственного здания после последовательной реализации этапов изготовления, строительства в условиях воздействия местных природно-климатических факторов, конкретных условий эксплуатации.

Рассматриваемый параметр является статистическим показателем интенсивности физического износа и определяется по результатам натурных и инструментальных исследований. Разработка и получение количественных значений производятся с применением методов математической статистики и обработки большого количества исходной информации [4, 5, 10].

В качестве исходных данных для анализа количественных показателей технического состояния рассматриваемых металлических конструкций обогатительных фабрик приняты статистические данные о дефектах и повреждениях, выявленных в ходе проведения в различные периоды времени комплексных натурных обследований.

Статистические показатели разделены на абсолютные и относительные критерии. Из абсолютных критериев можно выделить статистические показатели вида: «количество дефектов и повреждений», «количество отклонений от проектного положения» или «количество изменений характеристик материала (стали)», зафиксированных за определенный период, например, за год. Рассмотренные абсолютные показатели характеризуют только общий уровень условий формирования негативных факторов.

Из относительных показателей используется следующий критерий отображения технического состояния эксплуатируемых металлических конструкций в виде:

λ _Д

nД

^ΝΣ ^,

где n д - количество дефектов и повреждений, шт.;

N ₂ - общее количество однотипных металлических конструкций, принятых к рассмотрению, шт.

В состав абсолютного показателя «количество возникших дефектов» включены зафиксированные случаи обнаружения дефектов и повреждений категорий опасности «А», «Б» и «В» (РД 22-01-97). В состав абсолютного показателя «количество устраненных дефектов» включены зафиксированные случаи устранения или снижения категории опасности для обнаруженных дефектов и повреждений (например, перевод дефекта из категории «А» в категорию «Б» или «В»). В состав абсолютного показателя «количество накопленных дефектов» включены обнаруженные дефекты и повреждения, которые сохранили установленную категорию опасности.

Результаты исследования и их обсуждение

Методика определения количественных показателей интенсивностей возникновения и накопления дефектов представлена примером анализа функционирования (с 1966 по 1970 г.) второстепенных балок перекрытий (в количестве 124 шт.), входящих в каркас обогатительной фабрики № 3 (табл. 1). Это связано с тем, что по видам металлических конструкций наибольшая интенсивность износа наблюдается именно у второстепенных балок перекрытий, что совпадает с данными натурных обследований [7], по результатам которых установлено, что балки перекрытий являются самым повреждаемыми конструкциями в каркасах фабрик.

Последовательность проведения анализа состоит в последовательном заполнении соответствующих граф таблицы абсолютными и относительными статистическими показателями.

Таблица 1

Количественные показатели интенсивности возникновения и накопления дефектов и повреждений второстепенных балок перекрытий обогатительной фабрики № 3

Год	Дефекты и повреждения, шт.			Общее количество конструкций, шт.	Интенсивность возникновения дефектов, годовая	Интенсивность возникновения дефектов, с начала эксплуатации	Интенсивность накопления дефектов, годовая	Интенсивность накопления дефектов, с начала эксплуатации
	возник-шие	уст-ранен-ные	на-копленные
1966	5	0	5	124	0,0403	0,0403	0,0403	0,0403
1967	0	2	3	124	0,0000	0,0202	0,0242	0,0323
1968	0	2	1	124	0,0000	0,0134	0,0081	0,0242
1969	3	0	4	124	0,0242	0,0161	0,0323	0,0262
1970	5	2	7	124	0,0403	0,0210	0,0565	0,0323

Графа «1» отведена для заполнения годовых интервалов, в течение которых зафиксированы количественные события: возникновение, устранение и накопление дефектов. В составе каркаса обогатительной фабрики № 3 насчитывается 124 (графа «5») второстепенные балки различных типоразмеров. Это количество металлических конструкций принимается одинаковым для всех рассматриваемых годовых интервалов времени.

Первый отрезок времени (1966 г. – один год эксплуатации):

В первый год эксплуатации зафиксировано возникновение 5 дефектов (графа «2») категорий «А», «Б», «В» (РД 22-01-97), которые являются следствием неправильных действий на этапе возведения каркаса обогатительной фабрики № 3.

В течение рассматриваемого периода не отмечено действий, направленных на устранение возникших дефектов, поэтому в соответствующей графе таблицы (графа «3») появилось значение «0», а все 5 возникших дефектов перешли в категорию «накопленные» дефекты (графа «4»).

Годовая (т. е. в течение только 1966 г.) интенсивность возникновения дефектов получает следующие значения (относительные показатели):

n    ( графа"2" )

X      ( графа "6" ) = д'*--------- - =---= 0,0403

Д1⁹⁶⁶             N^ ( графа "5" )    124

Поскольку 1966 г. завершает один год суммарной эксплуатации, интенсивность возникновения дефектов с начала эксплуатации получает следующие значения (относительные показатели):

X   (графа "7")- '(графа "^ - О^ - дНЭ              (1966 -1966) +1       1

Годовая (т. е. в течение только 1966 г.) интенсивность накопления дефектов получает следующие значения (относительные показатели):

n    ( графа "4" )

X       ( графа "8" ) ------ 0,0403

^д1966             N^ ( графа "5" )    124

Поскольку 1966 г. завершает один год суммарной эксплуатации, интенсивность накопления дефектов с начала эксплуатации получает следующие значения (относительные показатели):

X       ( графа "8" )

0.0403

------- 0,0403

X     ( графа "9" ) - ^д1966-----------

ДНЭ              (1966 - 1966) + 1

Второй отрезок времени (1967 г. – два года эксплуатации):

Во второй год эксплуатации зафиксировано возникновение 0 дефектов (графа «2») категорий «А», «Б», «В» (РД 22-01-97) для рассматриваемых второстепенных балок перекрытий обогатительной фабрики № 3.

В течение рассматриваемого периода времени отмечено 2 действия, направленных на устранение возникших или накопленных дефектов, поэтому в соответствующей графе таблицы (графа «3») появилось значение «2», а от 5 накопленных дефектов осталось значение «3» (графа «4»).

Годовая (т. е. в течение только 1967 г.) интенсивность возникновения дефектов получает следующие значения (относительные показатели):

n ( графа "2" )

— = 0 .

X     ( графа "6") = -Дв7--------- д1967             N^ (графа "5")

Поскольку 1967 год завершает два года суммарной эксплуатации, интенсивность возникновения дефектов, с начала эксплуатации, получает следующие значения (относительные показатели):

X      ( графа "6" ) + X      ( графа "6" )

д1966              д1967              0.0403

X      ( графа "7" ) =------------------------------------------=------= 0,0202 .

ДНЭ                       (1967 -1966) +12

Годовая (т. е. в течение только 1967 г.) интенсивность накопления дефектов получает следующие значения (относительные показатели):

n   (графа "4")

X       ( графа "8" ) =              _v =---= 0,0242 .

д1967 х            n^ (графа "5")

Поскольку 1967 г. завершает два года суммарной эксплуатации, интенсивность накопления дефектов, с начала эксплуатации, получает следующие значения (относительные показатели):

X       ( графа "8" ) + X       ( графа "8" )

д1966              д1967             0.0645

X      ( графа "9" ) =-------------------------------------------=-------= 0,0323 .

^дНЭ                        (1967 - 1966) + 1                2

Подобным образом определяются количественные показатели интенсивностей возникновения и накопления дефектов второстепенных балок перекрытий обогатительной фабрики № 3 для каждого периода времени и основные результаты за период эксплуатации с 1966 по 1970 г., представлены на рисунках 1, 2. На рисунке 1 представлена статистическая обработка абсолютных показателей – количества дефектов и повреждений второстепенных балок перекрытий обогатительной фабрики № 3. На рисунке 2 представлена статистическая обработка относительных показателей – интенсивности дефектов и повреждений относительно общего количества второстепенных балок перекрытий обогатительной фабрики № 3.

возникшие дефекты

устраненные (парированные) дефекты

Рисунок 1 – Динамика возникновения, устранения и накопления дефектов и повреждений

годовая интенсивность возникновения дефектов интенсивность возникновения дефектов с начала эксплуатации годовая интенсивность накопления дефектов интенсивность накопления дефектов с начала эксплуатации

Рисунок 2 – Динамика интенсивности возникновения, устранения и накопления дефектов и повреждений

Динамика распределения абсолютных и относительных показателей (рис. 1 и 2) имеет одинаковый качественный характер для рассматриваемых металлических конструкций и интервала времени (срок службы с 1966 по 1970 г.). Приведенный пример характеризует методический подход, который применяется для анализа технического состояния металлических конструкций, составляющих каркасы обогатительных фабрик № 3, 8, 12, 14, 15, 16 АК «АЛРОСА», расположенных на территории Республики Саха (Якутия), фактических условиях эксплуатации технологического оборудования с 1966 по 2016 г.

По итогам обработки данных по всем конструкциям и фабрикам составлены графики динамического изменения показателей групп металлических конструкций, которые нашли применение в соответствующих обогатительных фабриках. По видам металлических конструкций, наибольшая интенсивность накопления дефектов и повреждений с начала эксплуатации по всем обогатительным фабрикам наблюдается у второстепенных балок перекрытий со значением 0,6537 и главных балок перекрытий со значением 0,5912. Остальные конструкции по динамике интенсивности накопления дефектов и повреждений расположились в следующем порядке: балки покрытий – 0,3509, металлические конструкции для размещения технологического оборудования – 0,3295, металлические конструкции для размещения кранового оборудования – 0,3167, связи каркасов – 0,2802, фермы покрытий – 0,2714, колонны и фахверки каркасов – 0,2652, прогоны и связи покрытий – 0,1644. Анализ временного характера интенсивности возникновения дефектов и повреждений в металлических конструкциях каркасов обогатительных фабрик в целом показал, что в последние годы наблюдается ее снижение.

Результаты анализа количественных характеристик износа металлических конструкций каркасов обогатительных фабрик алмазодобывающей промышленности показали, что интенсивность возникновения, устранения и накопления дефектов и повреждений по различным фабрикам неодинакова. Однако при этом наблюдается прямая зависимость между интенсивностью накопления дефектов и повреждений с начала эксплуатации и сроком службы зданий обогатительных фабрик. Так, в основном интенсивность накопления дефектов и повреждений выше у металлических конструкций обогатительных фабрик раннего периода постройки, имеющих больший срок эксплуатации. Это, в свою очередь, позволяет использовать полученные значения интенсивности накопления дефектов и повреждений для прогнозирования сроков службы металлических конструкций обогатительных фабрик. Результаты проведенного анализа приняты в качестве методического обоснования для постановки и решения задачи прогнозирования сроков службы металлических конструкций обогатительных фабрик с учетом оценки их технического состояния.

Вывод

Формализация качественных и количественных показателей износа металлических конструкций является объективным фактором, определяющим соответствующие показатели надежности, а также состав необходимых мероприятий по поддержанию или повышению уровня промышленной безопасности. Верифицированная информация о количественных значениях технического состояния (в формате показателя износа и интенсивностей возникновения, устранения и накопления дефектов и повреждений) металлических конструкций позволит применить более совершенные проектные решения, ориентированные на повышение функциональной эффективности и показателей надежности производственных зданий. Учет количественных показателей износа и интенсивностей возникновения, устранения и накопления дефектов и повреждений позволяет аргументированно формировать технико-экономические показатели, способные минимизировать условия для возникновения дефектов и повреждений для проектируемых производственных зданий.

Такой подход позволяет сформировать методическое обоснование для назначения показателей надежности (в том числе и показателя «срока службы») на этапе проектирования, ориентируясь именно на верифицированные статистические количественные показатели эксплуатации аналогичных конструкций, зафиксированные для конкретных местных условий расположения, агрессивности среды, особенностей производства технологических процессов, а также возможностей эксплуатационного ресурса по устранению (ремонту и восстановлению) поврежденных конструкций.

Аналитический инструмент, ориентированный на достижение рационального баланса между уровнем капитальных затрат на формирование показателей надежности (на этапе проектирования) и уровнем эксплуатационных расходов (на этапе эксплуатации) на обеспечение установленных показателей, допускает применение различных методов прогноза технического состояния металлических конструкций производственных зданий.