Влияние высокотемпературных воздействий на риск эксплуатации подъёмных канатов

Введение. Оценку безопасности при эксплуатации стальных канатов подъёмных сооружений принято проводить на основе анализа развития во времени браковочных показателей (дефектов). К последним относятся: изменение геометрии Pi(£), коррозия и износ Р_г(1), обрывы проволок (усталость) P^t), повреждение в результате температурного воздействия Р4Л\ Здесь t— текущее время эксплуатации каната.

Под изменением параметров понимают величину P^f), представленную в виде:

Р№ = P_i0+ P/W,                                (1)

где Рю —склеромная часть P_n(t), т. е. независимая от t и связанная с однократным приложением нагрузок; PKQ — реономная часть P_r£j), которая накапливается во времени, например в процессе высокотемпературного воздействия; л —тип дефекта; / — текущее значение нормы браковки.

При общем подходе к оценке безопасности стального каната необходимо доказать, что в процессе эксплуатации значения норм браковки не превысят допустимые дискретные значения, т. е.

Pto < MJ,                                 (2)

где п = 14-4.

Основная часть. Рассмотрим процесс эксплуатации стального каната в условиях высокотемпературного воздействия. В этом случае происходит неравномерный нагрев проволок, приводящий к изменению напряжённо-деформированного состояния каната и, соответственно, к потере его прочности.

Условия безопасности стальной каната можно записать в виде: у = F - Q > 0 при R < [Я],

где F — несущая способность каната; Q— растягивающая нагрузка, действующая на канат при эксплуатации; R, [/?] — расчётное и допустимое значение риска эксплуатации.

Принимая во внимание, что несущая способность каната и растягивающая нагрузка от веса груза распределены по нормальному закону [1, 2], рассмотрим выражение (3) с точки зрения вероятностного аспекта природы их взаимодействия.

В качестве реперного значения риска при нормировании безопасности стального каната при высокотемпературном воздействии можно принять значение 10”5 [3].

Если величины Qn F имеют нормальные распределения с математическим ожиданием Qo и Ло и среднеквадратическими отклонениями o_Q и o_F соответствен но, величина убудет иметь математическое ожидание V_y = F_o - Qo с расчётным риском:

где Oq — величина для конкретного грузоподъёмного крана, характеризующая действующие во времени нагрузки на стальной канат; o_F — величина, характеризующая несущую способность в зависимости от деградационных процессов в стальном канате, Pj(t).

Иллюстрация условия безопасности стального каната (3) в вероятностной постановке приведена на рис. 1.

Q (растягабающая нагрузка)

Рис. 1. Кривые плотности вероятности распределения фактической нагрузки Q и несущей способности Остального каната, представленных моделью «нагрузка — несущая способность»: ЦР\ — расстояние до предельного значения риска [/У;

Vr — скорость изменения расчётного риска в процессе эксплуатации; И= —скорость изменения несущей способности за счёт высокотемпературного воздействия; Q), Л — математическое ожидание, соответственно, растягивающей нагрузки Q и несущей способности Р, [/у — допустимый риск

Стрелками и пунктирными линиями на рис. 1 показан характер изменения во времени указанных величин при эксплуатации. Заштрихованная площадь соответствует возможным значениям рисков.

На кривых, расположенных ниже уровня допустимого риска, значениями величин Q и F обозначены «зоны относительной опасности» (эксплуатация возможна с ограничениями). Анало- гичным образом на кривых, расположенных выше уровня допустимого риска, представлена «зона повышенной опасности» (требуется немедленная замена стального каната).

Вследствие высокотемпературного воздействия на стальной канат, как показано в [4], его несущая способность уменьшается на 52 % и составляет всего 48 % от начального значения. Кроме того, при высокотемпературном воздействии происходит значительная потеря несущей способности — у проволок наружного слоя на 64 %, у проволок внутреннего слоя на 32 %. Таким образом, несущая способность проволок наружного слоя составляет 36 %, внутреннего слоя — 68 %.

В работе [5] приведён график изменения суммарного разрывного усилия стального каната в зависимости от температуры (рис. 2).

Рис. 2. Влияние температуры на несущую способность каната

Как видно из рис. 2, в зоне Д т. е. при изменении температуры нагрева проволок до 120 °C несущая способность каната не изменяется. При изменении температуры нагрева от 120 °C до 410 °C (зона Б) несущая способность каната уменьшается по линейному закону до 0,15 F. При температуре свыше 410 °C, несущая способность каната снижается и становится равной нулю при 1050 °C.

Коэффициент запаса прочности каната имеет вид:

Fn

Со'

Выражение коэффициента запаса прочности каната в относительной форме для зоны Б при температуре нагрева 410 °C и 120 °C имеет следующий вид:

^О41о

^ = ^ = 0/15; или Z410 = 0,15Z120

120      ^Г0₁₂₀

Со

Как следует из (6), коэффициент запаса прочности каната уменьшается при изменении температуры от 120 °C до 410 °C на 85 % и соответственно возрастает риск возникновения аварии.

Риск обрыва усугубляется тем, что технология изготовления стальных канатов, в том числе и с механическим сердечником, допускает несовершенства (различную длину прядей). При этом короткие пряди перегружаются, а длинные недогружаются — таким образом при эксплуатации каната возникает волнистость.

В работе [6] было получено уравнение относительного радиуса волнистости R_b, выраженного через радиус каната /?* из условия прочности наиболее нагруженной проволоки:

_а

Rb „ znp Р

Rk Rk - Q ■А где ор — номинальное растягивающее напряжение; Znp — коэффициент запаса прочности проволок наиболее короткой пряди каната; А — обобщённый коэффициент жёсткости каната:

71 = Б" cos2 a cos 0 ^-| cos2p + kcosa-sin3pcosp |+-к-Я| singcosg +-^cos4 р |+^-/?cos23 , (8)

где a, Р — углы свивки соответственно проволок и прядей; г, R — радиус свивки слоя проволок и прядей; Д1, Д₂, Аз — определители второго порядка; Д — определитель третьего порядка [6,7].

На основании исследования [6] было установлено, что допустимое отношение — состав ляет 0,08. Это значение в качестве браковочного показателя по волнистости используется в «Правилах устройства и безопасности эксплуатации грузоподъёмных кранов» [8]: «При совпадении направлений спирали волнистости и свивки каната и равенстве шагов спирали волнистости Нв и свивки каната Нк канат бракуется при dB > l,08dK, где dB — диаметр спирали волнистости, dK — номинальный диаметр каната».

Формула (7) ужесточает приведённую в [8] норму браковки стальных канатов по критерию волнистости.

Заключение. На анализе возможных вариантов выполнения условия безопасности (3) основан алгоритм оценки безопасности стального каната при его эксплуатации в условиях высокотемпературного воздействия. Исходя из этих данных, принимают решение о его замене (табл.).

Канаты, эксплуатирующиеся в условиях высокотемпературного воздействия, следует рассматривать как невосстанавливаемые изделия. Они требуют замены при снижении несущей способности до критического состояния. В этом случае их дальнейшая эксплуатация невозможна из-за дефектов, выявляемых методами и средствами визуального и инструментального контроля.

Алгоритм оценки безопасности стального каната с учётом риска, математического ожидания нагрузки Q, несущей способности Ри дефектов п,-

Оценка	Признаки опасности	Категория отказов	Количественные параметры	Рекомендации
Отлично	Отсутствуют	Невероятны	Q Параметры дефектов ni< [л/]	Эксплуатация без ограничений
Хорошо	Необходимое условие создания аварийной ситуации	Отказ с малыми последствиям	Q> F ni^ [л/] Риск при эксплуатации Q>F<\R\	Применять неразрушающие методы дефектоскопии
Удовлетворительно	Необходимое и достаточное условие создания аварийной ситуации	Критичный (возможны разрушения, угроза жизни объекта)	Q>F ni> [л/] Q>F<[R]	Ежедневный (ежесменный) контроль
Неудовлетворительно	Необходимое и достаточное условие аварии	Катастрофический (потеря объекта)	Q> F ni> [л/] Q>F>\R\	Эксплуатация запрещена, замена

Для повышения безопасности эксплуатации подъёмных канатов в условиях высокотемпературных воздействий (при температуре свыше 370 °C) рекомендуется:

— использовать предложенный алгоритм, учитывающий риск деградационных процессов (дефектов) в стальном канате;

— применять специальные конструкции канатов с индикаторными проволоками [9].