THE STANDARDIZATION OF QUQLITY ASSESMENT OF SPECIAL METALLURGICAL CRANES BASED ON DESIGN RISK ANALYSIS

全文:

ВВЕДЕНИЕ В настоящее время оценка качества конструкций металлургических кранов осуществляется по [1, 2]. Специальные металлургические краны относятся к опасным производственным объектам [3, 4], работающие в большинстве своем (в некоторых случаях более 80% от общей группы) за пределами гарантийных сроков эксплуатации. Требования же [5] yнапрямую указывают на учет рисков, возникающих в процессе эксплуатации. Для специальных металлургических кранов предусмотрено два вида экспертного обследования [1] - промежуточное экспертное обследование (ПЭО) и генеральное экспертное обследование (ГЭО). Учитывая, что большинство таких кранов работают за пределами гарантии, оценке фактического технического состояния необходим углубленный анализ состояния несущих конструкций. Этот анализ должен позволять уточнять расчет остаточного ресурса и выдавать рекомендации по принятию решений - дальнейшей эксплуатации крана, или его капитально-восстановительного ремонта, или его утилизации. Нужно решить задачу оценки качества специального металлургического крана по критериям риска. Таким образом, назрела необходимость в изучении и уточнении, разработке новых стандартов оценки качества специальных металлургических кранов [6-8]. Эти стандарты, в том числе, должны оценивать качество таких объектов (систем) как функцию от их надежной, безопасной и экономически эффективной эксплуатации. Настоящее состояние оценки качества опасных производственных объектов металлургической отрасли не содержит единую научно-методическую базу, поэтому статья представляется достаточно актуальной и своевременной. ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Выработка нормативного срока службы по [1] оценивается по текущему значению характеристического числа , которое определяется как произведение величины расчетного коэффициента нагружения числа циклов работы крана за срок эксплуатации (1): (1) Но, как было сказано выше, большая часть группировки таких кранов уже давно перешла число допустимых рабочих циклов и такая методика должна быть либо уточнена, либо существенно быть доработана. Кроме этого, должны быть дополнены основные виды работ при обследовании специальных кранов. Стандарт [2] распространяется на краны мостового типа и устанавливает рекомендуемые основные положения их расчета с целью обеспечения надежности при эксплуатации. Результаты расчетов должны обеспечивать сохранение несущей способности крана и его элементов. Здесь используются методы предельных состояний в детерминированной форме для металлических конструкций и допускаемых напряжений - для механизмов. Вместе с тем, в пункте 2.2 [2] при наличии необходимых исходных данных допускается для расчета кранов и их элементов применять вероятностные методы [7-12]. В этом случае за предельное напряжение принимают нормативные значения предела прочности, предела текучести или предела выносливости. В [2] рекомендуется металлические конструкции рассчитывать по методу предельных состояний: - по исчерпанию конструкцией несущей способности; - по достижению условий, нарушающих нормальную эксплуатацию. Говоря о металлоконструкции крана, необходимым выглядит достижение состояния, при котором дальнейшее увеличение нагрузок приведет к переходу конструкции или его элемента в изменяемую систему (например, достижения напряжениями в определенных зонах сечения предела текучести). Расчетная зависимость первого предельного состояния имеет вид (2): (2) где - коэффициент надежности по назначению крана или элемента конструкции; - обобщенное расчетное усилие для соответствующего сочетания нагрузок; - нормативная нагрузка; - коэффициент надежности по нагрузке; - обобщенная несущая способность конструкции или ее элемента; Ф - геометрический фактор, характеризующий зависимость между действующей нагрузкой и напряженным состоянием конструкции; - нормативное сопротивление материала; - коэффициент надежности по материалу; - коэффициент условий работы. Анализируя (2) и современное состояние эксплуатирующихся кранов в металлургической отрасли, можно сделать вывод о неоднозначности такого подхода в этом стандарте. Оценить возможные угрозы и уязвимости, а также проанализировать потенциальные дефекты позволяет анализ FMEA (Failure Mode and Effects Analysis, анализ видов и последствий отказов) [13-19]. FMEA имеет достаточно широкое применение на машиностроительных предприятиях. Однако, как представляется, даже этот метод не лишен некоторых недостатков. К ним можно отнести не слишком высокая достоверность результатов при эксплуатации, то есть с какой-либо наработкой, потому как он изначально разработан для элементов при проектировании и производстве. Второе - FMEA более всего подходит для элементов не высокой сложности. Третье - в обозначенных стандартах прямо написано, что при высокой сложности оборудование FMEA должен применяться в совокупности с другими методами. Таким образом, современное состояние оценки качества по критериям риска не отвечает заявленным требованиям эксплуатируемого оборудования и требует новых подходов. Одним из таких подходов является вероятностный конструкционный риск-анализ [6-8, 10-12]. Оценка качества будет представлять собой функцию, изменяющуюся во времени K(t), обратную риску R(t) (3): (3) Риск R(t) представляет собой произведение вероятности P(t) возникновения аварийной или другой ситуации на ущерб U(t). Если (3) записать для сложной системы, состоящей из нескольких элементов, то она примет следующий вид (4): (4) Здесь [K(t)] - допускаемое качество объекта, которое связано с экономическими затратами и их эффективностью, которые показывают ущерб аварийных ситуаций и будут направлены на их устранение. Качество будет обусловлено функцией риска со следующей классификацией: нормальный риск, допускаемый риск, критический риск. Тогда, с учетом характеристического числа , S несущей способности конструкции и некоторых положений FMEA можно будет оценить качество конструкции. При этом качество будет являться безразмерной величиной или величиной, обратной денежным единицам, выраженной в баллах или единицах. Значения вероятности аварий можно получить на основании статистических данных, но в настоящее время это является проблематичным, поэтому они могут быть получены некоторыми расчетными методами [6-12] или методом имитационного моделирования. Значения экономических показателей принимается в условных денежных единицах. Изучив катастрофические события на ПАО (Публичное акционерное общество) ММК (Магнитогорский металлургический комбинат) 1947, 1967, 1987 и 2008 годов: обрыв траверсы сталь-ковша, разлив металла, отрыв крюка, излом несушей конструкции, гибель людей, можно рассчитать риск как (1/20) - один раз в 20 лет. Экономический ущерб не сопоставим, но выразив через условные денежные единицы, получим значение критического или катастрофического риска в этом случае в условных единицах, тогда критическое качество условных единиц в степени «минус 1». Таким образом, для имеющейся группировки металлургических кранов в процессе эксплуатации и за пределами гарантийных сроков можно предложить следующий алгоритм оценки их качества по критериям риска: 1) анализ всей информации и документации по конструкции крана; 2) оперативная диагностика и экспертное обследование; 3) анализ механизмов деградации и эскалации повреждений; 4) оценка качества в баллах или условных единицах по критериям нормального риска, приемлемого риска, критического (катастрофического) риска; 5) принятие решение по крану: капитально-восстановительный ремонт, снижение рабочих параметров эксплуатации и дальнейшая эксплуатация, демонтаж или утилизация. На основе ранее проведенных исследований [7, 8] с учетом экономической составляющей удалось нормировать качество эксплуатирующегося мостового металлургического крана кислородно-конвертерного цеха (ККЦ) ПАО ММК следующим образом, изображенном на рисунке 1. Нормальному качеству соответствует - 120 единиц и выше; предельно-допустимому - 1,7678; критическому (катастрофическому) - 0,0137. Таким образом, на основе имеющегося нормирования можем определить текущее фактическое техническое состояние специального металлургического крана. Данные значения качества позволяют связать количество отработанных циклов, действующие напряжения и деформации ранее, построить таблицы для групп режимов, то есть это сделает возможным уточнение характеристического числа для оценки нормативного срока службы, оценки несущей способности конструкции и применения алгоритма оценки качества. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Современное состояние специального кранового хозяйства металлургических предприятий характеризуется его эксплуатацией в насыщенных тяжелых и сверхтяжелых режимах работы. Стандарты, которые используются при принятии решений об их дальнейшей эксплуатации неизбыточны и недостаточны. Время требует их пересмотра, перехода на высокопроизводительные и высокоинформативные вероятностные методы анализа. Одним из таких методов является конструкционный риск-анализ, который позволяет представить и нормировать качество несущих конструкций в простом виде и является удобным при проведении алгоритма его оценки. Риск-анализ вписывается в сложившуюся картину эксплуатации исследуемых элементов, расчетные данные удовлетворительно сходятся с реальными, что говорит о его актуальности и правомерности такого подхода и, кроме этого, уточняет современные стандарты, а также может быть использован при разработке требований к новым стандартам.

作者简介

Yu. Izvekov

Nosov Magnitogorsk State Technical University

Email: yurij.izvekov@mail.ru
Magnitogorsk, Russia

参考

补充文件