Губайдулин Рафкат Галимович


Губайдулин Марат Рафкатович


Шматков А.С.

Одним из этапов экспертизы промышленной безопасности дымовых и вентиляционных промышленных труб является проведение расчета остаточного ресурса. В соответствии с [1, п.8] расчетный срок эксплуатации устанавливается после соответствующих расчетных обоснований по утвержденной Ростехнадзором методике. На данный момент времени утвержденных методик по определению срока эксплуатации дымовых и вентиляционных дымовых труб нет. Вследствие этого экспертные организации применяют методики расчетов, разработанных для других технических устройств и сооружений, а также методы оценки по косвенным признакам.

При этом основным условием для расчета принимают критерий достижения предельного состояния. Например, для металлических дымовых труб это условие прочности, выносливости и устойчивости. Расчет сводится к определению периода времени, через которое характеристики конструкций достигнут предельных параметров. Основными характеристиками являются геометрические и прочностные параметры конструкций. Геометрия конструкций меняется от воздействия агрессивной среды эксплуатации и выражается в уменьшении сечений элементов из-за коррозионных процессов, а также от непроектных нагрузок, которые приводят к деформациям элементов.

На прочностные свойства материалов влияют химические процессы, а также время эксплуатации. При этом прочностные свойства материалов могут как уменьшаться, так и увеличиваться, как это происходит в бетоне, который за долгие годы эксплуатации может набрать прочность, превышающую в два раза проектную.

Методика, изложенная в [2, раздел 6], применяется к оценке остаточного ресурса сосудов. Расчет проводится по формуле

Т=(S_ф -  S_р) / а,

где   S_ф – фактическая минимальная толщина стенки ствола, мм;

S_р – расчетная толщина стенки ствола, мм;

а – скорость равномерной коррозии, мм/год.

Аналогичный подход расчета с адаптацией к специфике дымовых труб используется в [2].

Для расчета металлических дымовых труб эта методика вполне подходит и может успешно применяться при проведении экспертиз.

Для расчета железобетонных и кирпичных дымовых труб эту методику применить проблематично. Опыт расчета на прочность таких труб показывает, что уровень напряжений, возникающих в стволе трубы, на порядок ниже прочностных свойств материала. В процессе эксплуатации толщина стенок труб практически не меняется, за исключением дымовых труб, которые эксплуатируются в особо тяжелых не проектных условиях на протяжении длительных промежутков времени.

В соответствии с [3] оценка надежности производится в зависимости от степени повреждений конструкций с учетом значимости этих конструкций в работе всего сооружения в целом. Расчеты проводятся по косвенным признакам и основываются на сравнении фактического состояния конструкций с проектными данными.

Методика позволяет оценить степень износа сооружений и срок эксплуатации до капитального ремонта. При этом итогом является приведение характеристик дымовой трубы к проектным параметрам. В расчетах не учитываются условия, связанные с введением новых нормативных документов, изменением технологических и внешних нагрузок.

Оценка остаточного ресурса в соответствии с [4] производится по анализу изменения коэффициентов запасов по предельным состояниям во времени. В процессе экспертизы определяются запасы прочности по первому предельному состоянию (прочность, устойчивость, выносливость), по второму предельному состоянию (перемещение, прогиб, раскрытие трещин) и по конструктивным требованиям. Исправное состояние определяется при значениях этих коэффициентов больше 1. Для расчета остаточного ресурса производится сравнение изменений коэффициентов запаса по сравнению с проектными значениями, или если этих данных нет, то с результатами предыдущих обследований.

Повреждения несущих конструкций стальных дымовых труб происходят вследствие либо хрупкого разрушения, либо зарождения и развития усталостных трещин, которые могут переходить в хрупкие. Это говорит о несовершенстве методов проектирования  и расчетной оценки усталостной долговечности и сопротивления хрупкому разрушению конструкций СМТ. Причем вопросы усталостной и хрупкой прочности необходимо рассматривать совместно, так как зародившаяся усталостная трещина может стать причиной разрушения при низком номинальном уровне напряжений и даже при положительных температурах.

При разработке методики комплексной расчетной оценки надежности металлических дымовых труб [5] использована кинетическая концепция прочности конструкционных материалов, которая предполагает, что разрушение представляет собой непрерывный процесс накопления повреждений с момента приложения нагрузки (рис.1).

Рис.1. Учет фактора времени при прогнозировании
резерва прочности конструкций

В действующих нормативных документах принято, что несущая способность (прямая 3) и внутреннее сопротивление, т.е. нагруженность (прямая 4), элемента конструкции в течение срока эксплуатации не меняются, т.е. принятый запас прочности сохраняется (∆i=Const).

В принятой методике комплексной расчетной оценки металлических труб показатели несущей способности (кривая 1) и нагруженности (кривая 2) зависят от времени, а точка пересечения этих кривых определяет эксплуатационный ресурс конструкции (τ_p) (∆^*_i→0). Из сказанного следует, что величина резерва прочности (∆^*_i=σ_R,i^*- σ_max,i^*) есть функция времени, в то время как по действующим нормативным документам эта величина постоянная (∆_i=σ_R,i- σ_max,i).

В практике проектирования конструкций, работающих на циклические нагрузки, как в нашей стране, так и за рубежом предлагается оценку долговечности элементов и сварных соединений вести на основании корректированной теории накопления усталостных повреждений:

,
                            

где   – расчетное число блоков нагружения (долговечность конструкции);

– сумма относительных усталостных повреждений;

– амплитуда предельных напряжений цикла;

– точка перелома кривой усталости;

– амплитуда напряжений и число циклов в i-той ступени действующего блока напряжений;

m₁, m₂ – коэффициенты, описывающие наклон левой и правой ветвей кривой усталости.

Для дымовых труб ветер является основной нагрузкой, поэтому при расчете таких сооружений, наряду с необходимостью определения характера изменения средних скоростей ветра по высоте, должно быть также учтено воздействие порывов ветра, накладывающихся на установившийся поток ветра.

Для оценки усталостной долговечности с точки зрения современных подходов необходимо реальное нагружение заменить блочным, эквивалентным по степени вносимого усталостного повреждения, а также иметь предельно допустимые амплитуды цикла нагружения и параметры, характеризующие кривую усталости в коррозионной среде.

Блок напряжений может быть получен как расчетным, так и экспериментальным путем (рис.2).

Рис.2. Распределение скорости ветра и блоков нагружения

Определение предельно допустимых амплитуд цикла нагружения с учетом влияния коррозионной среды, конструктивно-технологических факторов и плоского напряженного состояния, предлагается по следующим зависимостям:

- для знакопеременного цикла:

    ;

- для знакопостоянного цикла растяжения:

;

- для знакопостоянного цикла сжатия:

.

где   – предел выносливости конструкции с учетом реального напряженного состояния, условий нагружения и свойств материала;

 – предел выносливости при симметричном цикле нагружения с учетом влияния конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов;

, , , , , , , ,  – коэффициенты учитывающие влияние сложного напряженного состояния, асимметрии цикла нагружения, свойств материала.

Идея метода состоит в том, что при наличии диаграмм предельной пластичности стали и деформационных критериев первой ( ) и второй ( ) критических температур можно определить температурный интервал вязко-хрупкого перехода для конкретного конструктивного элемента, если известен для него показатель жесткости напряженного состояния (рис.3). За диаграмму предельной пластичности стали принята зависимость степени интенсивности пластической деформации ( ), накопленная материальной частицей на момент разрушения образца, от показателя жесткости и вида напряженного состояния.

Рис.3. Принципиальная схема определения критических температур хрупкости стали при сложном напряженном состоянии 1-5 - зависимости (П)
при температурах T₁-T₅ соответственно

Согласно принятой схемы (см. рис..3) критические температуры хрупкости определялись из условий:

                                           (1)

                                            (2)

решая которые были получены соответствующие расчетные зависимости, имеющие вид

К числу достоинств разработанного метода следует отнести возможность дифференцированного учета практически всех наиболее значимых факторов хрупкого разрушения. При этом важно отметить, что результаты расчета не противоречат общепринятым представлениями о закономерностях влияния этих факторов на критические температуры  хрупкости стали.

Библиографический список

1.    РД 03-421-01. Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определения остаточного срока службы сосудов и аппаратов. Серия 03. Выпуск 17. – М.: Государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2002.

2.    Способ определения остаточного ресурса промышленных дымовых и вентиляцоинных труб / В.Г. Сатьянов, П.Б. Пилипенко, В.А. Французов, С.В. Сатьянов, В.С. Котельников // Безопасность труда в строительстве, – 2007. - №12.

3.    Рекомендации по оценки надежности строительных конструкций по внешним признакам. ЦНИИпромзданий, 1989.

4.    Шматков С.Б. Определение остаточного ресурса промышленных дымовых труб. Технадзор, – 2007. - №5.