Оценка несущей способности и прогнозирование ресурса стальных канатов на стадии эксплуатации по результатам магнитной дефектоскопии

Оценка несущей способности и прогнозирование ресурса стальных канатов на стадии эксплуатации по результатам магнитной дефектоскопии

, ,

г. Москва, Россия

Магнитная дефектоскопия канатов стала типовым методом диагностики технического состояния канатов различного назначения, в том числе крановых канатов, тяговых и несущих канатов фуникулёров и различных подъёмников, вантовых канатов мостов и других сооружений. Это отражено в российских и зарубежных нормах и руководящих документах, например, в РД, BS EN и ISO 4309:2010. Накоплен многолетний успешный опыт применения магнитной дефектоскопии для определения состояния стальных канатов. Одним из ведущих производителей приборов для этого направления неразрушающего контроля выступает ПЛЮС», которое также активно разрабатывает новое оборудование и методики его применения.

Основными факторами, влияющими на прочностные свойства каната, являются потеря сечения, обусловленная, например, истиранием или коррозией каната, и локальные обрывы проволок. Магнитные дефектоскопы позволяют получить информацию как о потере сечения (ПС), так и локальных обрывах (ЛД). На рис. 1 представлена типичная дефектограмма каната, на которой присутствует сигнал потери сечения и сигналы локальных обрывов. Современные нормы браковки каната ориентированы в основном на численное ограничение допустимой потери сечения и числа обрывов проволок каната на длине свивки. Недостатком такого подхода является то, что при этом не учитывается реальный режим нагружения каната, условия его эксплуатации. Современные тенденции в области технической диагностики заключаются в развитии методов оценки фактического прочностного состояния объекта контроля и расчета его остаточного ресурса с учетом режимов работы. В настоящем докладе описывается метод такого расчета применительно к стальным канатам.

Рис. 1 Дефектограмма каната по каналам ПС и ЛД

Основным условием прогноза является регулярная магнитная дефектоскопия каната. В компании «ИНТРОН ПЛЮС» был разработан программный комплекс Wintros – RopeStrength, который позволяет автоматизированно решать поставленную задачу. В результате обработки дефектограмм формируются исходные данные для расчета текущего значения несущей способности каната по коэффициенту запаса прочности. Совокупность оценок прочностных показателей текущей инспекции и ближайших предыдущих используются для прогнозирования остаточного ресурса. Исходные данные представляют собой распределение потери сечения каната по длине и таблицу локальных дефектов. При проведении расчета учитываются реальные условия нагружения каната. На рис. 2 показан результат расчета текущего распределения несущей способности каната по его длине, выполненный для четырех последовательных инспекций. Ниже рассмотрены теоретические основы расчета.

Рис. 2 Результат расчета распределения несущей способности каната по длине

В основу расчета прочности и ресурса стального каната положена модель Глушко-Малиновского [1], позволяющая определить напряженное состояние каждой проволоки при разнообразных условиях нагружения. Рассматривается прямой каната, который растягивается подвешенным грузом. Уравнения механического состояния каната связывают растягивающее усилие и крутящий момент с обобщенными деформациями – относительным удлинением и относительным углом закручивания :

, (1)

где и – эффективные жесткости каната. Они зависят от жесткости проволок, радиусов и углов свивки проволок в пряди и прядей в канат. Развернутые выражения коэффициентов довольно громоздки и здесь не приводятся.

Согласно соотношениям (1) канат представляется как система с двумя степенями свободы. Такой подход позволяет учесть влияние различных способов крепления груза на напряженно-деформированное состояние проволок. Обычно различают два типичных случая: 1) груз закреплен от вращения (), канат испытывает так называемое «чистое растяжение»; 2) груз может поворачиваться, и канат, за счет несбалансированной винтовой структуры, при действии растягивающего усилия способен раскручиваться (закручиваться); при этом реактивный крутящий момент равен нулю. Данное состояние называют «свободное растяжение».

Порядок расчета напряжений в проволоках следующий. Деформации каната и определяются из уравнений (1) для заданных нагрузок и известных жесткостей . С учетом условий совместности найденные деформации последовательно преобразуются к системам координат винтовых линий прядей и проволок с учетом поперечных деформаций, возникающих благодаря обжатию каната. В подвижных базисах винтовых осей каждой проволоки определяются деформации растяжения, изгиба и кручения и соответствующие нормальные и касательные напряжения. Сложное напряженное состояние заменяется некоторым эквивалентным, например . Прочностным показателем каната служит коэффициент запаса прочности по напряжениям в наиболее нагруженной проволоке

, (2)

где – предел прочности материала проволок (сертифицированная маркировочная группа).

Если канат работает в условиях циклического изменения натяжения, то наряду с определением параметра (2) необходим расчет запаса на выносливость [2].

Определение запаса прочности каната с распределенной по длине потерей сечения и/или обрывами проволок производится по той же схеме с учетом влияния любого дефекта на изменение коэффициентов жесткости . Концентрацию напряжений в окрестности дефекта можно оценить в первом приближении методом конечных элементов.

Структурная механическая модель позволяет прояснить действие ряда факторов на остаточную прочность канатов с дефектами. Ниже будут рассмотрены два примера, раскрывающие влияние конструкции каната при альтернативных условиях нагружения и влияние местоположения дефекта по его сечению.

На рис. 3 сравниваются запасы прочности прямых канатов трех типов при чистом и свободном растяжении, рассчитанные по формуле (2). Все канаты имели одну и ту же маркировочную группу σu = 2160 МПа и один и тот же исходный нормативный коэффициент запаса [n] = 6. По данному параметру канат подбирается исходя из номинальной рабочей нагрузки ( площадь сечения целого каната). Показаны результаты для целых канатов и канатов с потерей сечения по металлу (ПС) 10%, что является средним браковочным нормативом [3]. Предполагается, что потеря сечения статистически равномерно распределена по прядям каната [4]. Для сравнения приведены коэффициенты запаса однородных стержней, потерявших 10% своего сечения.

При чистом растяжении распределение напряжений по проволокам практически однородное, поэтому для всех конструкций результаты близки к стержневому приближению. В случае свободного растяжения, из-за дополнительного кручения каната напряжения распределены по сечению крайне неравномерно, поэтому реальный запас прочности по сравнению с назначенным показателем n=6 заметно снижается. Особенно это касается канатов сложной структуры (номера 2 и 3), что подтверждается независимыми расчетами [1].

Расчет по напряжениям в наиболее опасной проволоке дает оценки, идущие в запас по надежности, однако, как показывают эксперименты [5], диапазон нагрузок между обрывом первой проволоки и прогрессирующим разрушением всего каната является малым.

Рис.3 Влияние вида нагружения и конструкции каната на запас  прочности:

1 – 6х19 + ОС ГОСТ 3077; 2 –  6х19 + 6х7+1х7 ГОСТ 3081;

3 – PYTHON 8х19+4х19+4х7+ 1х7

Второй пример касается влияния расположения дефектов в сечении каната на относительную потерю прочности, которая характеризуется показателем . Здесь и - соответственно коэффициенты запаса каната с дефектами и целого каната при одном и том же нагружении.

В качестве первого взят малокрутящийся многопрядный канат DIEPA 1315 CZ 15x7-6x26/6x7+IWRC (1x25), который эксплуатируется на стреловом кране оффшорной платформы. Пусть сечение каната имеет потерю площади по металлу 7 %, эта потеря обусловлена обрывами проволок и сосредоточена либо во внешних прядях, либо в прядях сердечника. Диаграммы относительной потери прочности для чистого растяжения и растяжения с кручением в сравнении с однородным стержнем представлены на рис.4а. Небольшая потеря проволок в тонких внешних прядях приводит к лучшей уравновешенности каната в смысле сопротивления кручению. Поэтому падение прочности в случае растяжения с кручением оказывается даже меньше, чем ожидаемое. Аналогичная потеря проволок сердечника вызывает дополнительный крутильный дисбаланс, который приводит к более высоким относительным потерям коэффициента запаса.

а) б)

Рис.4 Зависимость относительной потери прочности от условий работы каната и расположения дефектов

В качестве второго взят крутящийся восьмипрядный канат PYTHON 8F7K N 8x25+IWRC (1x7+6x7) с потерей несущего сечения в 7,3% благодаря обрывам проволок. Диаграммы на рис.4б свидетельствуют о высокой чувствительности прочности подобного типа конструкций к условиям подъема груза и расположению дефектов по сечению. Потеря прочности особенно заметна, когда кручение каната ничем не ограничено. Во всех случаях внутренние дефекты выглядят более опасными, чем сопоставимые в количественном выражении внешние дефекты.

При планировании сроков инспекций и прогнозе индивидуального ресурса на стадии эксплуатации рабочее состояние каната будем характеризовать показателем прочности (x- продольная координата контролируемого участка, t - наработка, измеряемая в единицах времени, циклах нагружения и т. п.). Этот показатель вычисляется по механической модели каната (1),(2) на основании данных инструментальной диагностики.

Условие надежного функционирования каната выражается требованием

, (3)

где параметр имеет смысл запаса прочности каната при наработке . Допустимый остаточный запас прочности (живучести) отражает приемлемый риск эксплуатации каната с повреждениями. Он назначается, исходя из опыта работы аналогичных канатов в сходных условиях, или определяется пересчетом нормативного браковочного числа дефектов [3]. Нарушение условия (3) означает отказ каната.

Алгоритм прогноза при достигнутом значении наработки основывается на экстраполяции аппроксимации дискретной функции  . Пример линейной аппроксимации, отражающей среднюю (на ближайший предыдущий период) скорость снижения прочности, приведен на рис.5.

 

Рис. 5 Схема планирования сроков инспекций и прогнозирования ресурса

Теоретический прогноз сводится к ответам на три вопроса:

1) прекращать или продолжать эксплуатацию каната при текущей наработке на основе анализа совокупности значений ;

2) если продолжать, то для какого значения наработки необходимо проводить очередной контроль, и какой при этом ожидается коэффициент запаса .

3) чему на данный момент равен остаточный ресурс каната по отношению к предельному уровню .

Теоретические оценки остаточного ресурса носят рекомендательный характер. Окончательное решение о продолжении работы каната или снятия его с эксплуатации принимает оператор.

Литература

1. Малиновский канаты. Одесса: Астропринт, часть 1, 2001. – 188 с; часть 2, 2002. – 180 с.

2. Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович  способность и расчеты деталей машин на прочность. – М.: Машиностроение, 1975. – 488 с.

3. Руководящий документ. Канаты стальные. Контроль и нормы браковки. РД РОСЭК 012-97. – 49 с.

4. , , Каган оценка прочности стальных канатов по данным магнитной дефектоскопии. Вестник МЭИ, 2002, №5, с.5-10.

5. A. Vorontsov, V. Volokhovsky, J. Halonen, J. Sunio. Prediction of operating time of steel wire ropes using magnetic NDT data. OIPEEC Conference, Johannesburg. 2007, p. 145-154.