В статье рассматривается метод оценки остаточного ресурса грузоподъемных машин, который заключается в поиске оптимального способа анализа остаточного ресурса грузоподъемных машин на основе применения временных рядов. Актуальность проблемы исследования состоит в предсказании периодов эксплуатации грузоподъемных механизмов без необходимости проведения ремонтных работ и замены комплектующих частей, а также оценке факторов, влияющих на степень износа грузоподъемных механизмов. Внедрение аналитики в оценку остаточных ресурсов грузоподъемных механизмов позволит повысить точность расчетов, которая напрямую влияет не только на прибыль компании, связанную с качеством и сроком эксплуатации машины, но и порой влияет на жизнь сотрудников, непосредственно работающих с грузоподъемными механизмами. Помимо этого, автоматизация оценки остаточного ресурса позволит сократить время приготовления готового паспорта ГПМ.
линейная регрессия
логистическая регрессия
режим нагружения
класс использования
временные ряды
грузоподъемные машины
остаточный ресурс
1. Александров М.П., Колобов Л.Н., Лобов Н.А. Грузоподъемные машины: учеб. для вузов. – М. : Машиностроение, 1986. – 400 с.
2. Афанасьев В.Н. Анализ временных рядов и прогнозирование: учеб. – М. : Финансы и статистика, 2010. – 179 с.
3. Лукашин Ю.П. Адаптивные методы краткосрочного прогнозирования временных рядов: учеб. – М. : Финансы и статистика, 2000. – 416 с.
4. РД26.260.004-91. Прогнозирование остаточного ресурса оборудования по изменению параметров его технического состояния при эксплуатации.
5. РД 09-102-95. Методические указания по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, подконтрольных Госгортехнадзору России.
Введение
Остаточный ресурс ГПМ (грузоподъемного механизма) это - расчетная величина наработки грузоподъемной машины (с момента проведения экспертизы) до достижения предельного состояния ее базовых частей (несущих металлических конструкций) по критериям усталости. Суть оценки остаточного ресурса крана изначально заключается в определении группы классификации режима крана. Для определения группы классификации принимают во внимание класс использования и режим нагружения крана.
Определив и рассчитав остаточный ресурс, можно перейти к анализу полученных данных с помощью временных рядов. Логистическая регрессия используется для предсказания вероятности возникновения некоторого события, в связи с чем становится возможным предположить когда и при каких заданных условиях возникнет та или иная ситуация. В случае расчета остаточного ресурса крана становится возможным осуществить прогноз, в рамках которого владельцу ГПМ будет известен период эксплуатации машины. Линейная регрессия позволяет оценить степень зависимости одной переменной от другой или ряда других переменных. Отсюда следует, что в случае применения линейной регрессии сотрудники экспертных организаций имеют возможность оценить факторы, влияющие на ГПМ в целом.
Цель проведенного исследования заключается в поиске оптимального способа анализа остаточного ресурса грузоподъемных машин на основе применения временных рядов.
Актуальность данной проблемы состоит в предсказании периодов эксплуатации ГПМ без необходимости проведения ремонтных работ и замены комплектующих частей, а также оценки факторов, влияющих на степень износа ГПМ.
Расчет остаточного ресурса грузоподъемных машин
Разработка метода анализа остаточного ресурса при помощи временных рядов является весьма рациональным решением поставленной цели. Внедрение аналитики в оценку остаточных ресурсов грузоподъемных механизмов позволит повысить точность расчетов, которая напрямую влияет не только на прибыль компании, связанную с качеством и сроком эксплуатации машины, но и порой влияет на жизнь сотрудников, непосредственно работающих с грузоподъемными механизмами. Помимо этого, автоматизация оценки остаточного ресурса позволит сократить время приготовления готового паспорта ГПМ.
Остаточный ресурс ГПМ это - расчетная величина наработки грузоподъемной машины (с момента проведения экспертизы) до достижения предельного состояния ее базовых частей (несущих металлических конструкций) по критериям усталости.
Суть оценки остаточного ресурса крана изначально заключается в определении групп классификации режима крана. Для определения групп классификации принимают во внимание класс использования и режим нагружения крана. Класс использования любого из кранов зависит от общего числа рабочих циклов в течение срока службы крана и определяется по таблице 1.
Таблица 1 - Класс использования кранов
|
Класс использования |
Максимальное количество рабочих циклов |
Примечание |
|
Нерегулярное использование |
||
|
Регулярное использование в легких условиях |
||
|
Регулярное использование с перерывами |
||
|
Регулярное интенсивное использование |
||
|
Интенсивное использование |
||
|
Более 4*106 |
Режим нагружения связан со среднекубическим значением нагрузки на крюке в усредненном рабочем цикле (с номинальным коэффициентом распределения нагрузок К) и определяется по таблице 2.
Таблица 2 - Номинальные коэффициенты распределения нагрузок для кранов
|
Режим нагружения |
Номинальный коэффициент распределения нагрузок |
Примечание |
|
Q1 - легкий |
Краны, поднимающие регулярно легкие грузы, а номинальные грузы - редко |
|
|
Q2 - умеренный |
Краны, поднимающие регулярно средние грузы, а номинальные - довольно часто |
|
|
Q3 - тяжелый |
Краны, поднимающие регулярно тяжелые грузы, а номинальные - часто |
|
|
Q4 - весьма тяжелый |
Краны, поднимающие регулярно грузы, близкие к номинальным |
Коэффициент К рассчитывается по формуле: ,
где Ci - среднее число циклов работы с массой поднимаемого груза Pi;
Сt - суммарное число рабочих циклов;
Pmax - масса наибольшего груза, который разрешается поднимать краном.
По найденным значениям класса использования и режима нагружения по таблице 3 определяют группу классификации крана в целом.
Таблица 3 - Группы классификации режима кранов
|
Режим нагружения |
Класс использования |
|||||||||
Группа классификаций характеризует кран в целом по степени использования и степени действующих на него нагрузок. Так, к кранам групп классификации А1 и А2 относятся, например, краны, применяемые при ремонте и ревизиях оборудования машинных залов электростанций. Суммарное время использования таких кранов обычно не превышает 200 часов в год.
Краны групп А7 и А8, наоборот, работают с нагрузками, приближающимися к максимальным при большей продолжительности использования. К ним относятся специальные мостовые краны металлургических производств, применяемые на работах по транспортировке слитков и мульд с помощью автоматических грузозахватных органов и магнитов.
После определения группы классификации крана необходимо произвести сравнения наработки конкретной грузоподъемной машины с нормативными характеристиками.
Первым этапом определяется текущее значение характеристического числа (NT) -безразмерная величина, которая является мерой ресурса вышки на текущий момент, определяется по формуле:
где - поправочный коэффициент, который зависит от характера работ, выполняемых ГПМ, и выбирается по таблице 4.
Таблица 4 - Поправочный коэффициент
|
Характер работ, выполняемых вышкой |
Поправочный коэффициент |
|
Регулярный |
|
|
Нерегулярный |
|
|
Вспомогательный |
Сt - число рабочих циклов, выполненных от начала эксплуатации. Данное число определяется по формуле:
где K=2 - коэффициент запаса;
n - число циклов в смену;
T - общее число смен, отработанных вышкой от начала эксплуатации;
T в свою очередь рассчитывается как Т=300*М,
Таким образом расчётный ресурс вышки равен:
Отсюда также известно, что время до окончания расчетного срока службы вышки, т.е её остаточный ресурс, приближённо равен:
где tн - количество лет, которое определяется из нормативного документа РД-10-112-01-04 для каждого изучаемого крана.
Таким образом, можно определить остаточный ресурс той или иной грузоподъемной машины.
Определив остаточный ресурс, хотелось бы перейти к анализу полученных данных, а именно к временным рядам. Что в свою очередь открывает перспективы использования ГПМ на краткосрочные и долгосрочные периоды.
С содержательной точки зрения временной ряд порождается в результате наблюдения за одним или несколькими параметрами какого-либо процесса. При наблюдении фиксируется значение этих параметров и привязывается к моменту наблюдения. В результате образуется последовательность измеренных значений, упорядоченная в хронологическом порядке. Такая последовательность и называется временным рядом. На основе выявлении закономерностей в поведении наблюдаемого процесса и прогнозирования его поведения в будущем проведем анализ остаточного ресурса ГПМ.
Что касается линейной регрессии и её применения в анализе, то он является разновидностью алгоритма дерева принятия решений. Он помогает рассчитать линейную связь между зависимой и независимой переменной, а затем использовать эту связь при прогнозировании. В качестве зависимой переменной мы можем использовать данные о выходе из эксплуатации. Т.е. если выход из эксплуатации произошел, то переменная (y) равна 1, а иначе 0. Все независимые (x) переменные - это переменные, которые носят влиятельный характер на зависимую переменную. Это могут быть данные о температуре работы крана, степень агрессивности среды, сейсмичность района и т.д. Тогда:
где - параметры модели, - случайная ошибка модели, называется линейной регрессией, если функция регрессии f(x,b) имеет вид:
где bj - параметры (коэффициенты) регрессии, хj - регрессоры (факторы модели), k - количество факторов модели.
Каждой точке на диаграмме линейной регрессии (рисунок 1) соответствует ошибка, связанная с ее расстоянием от линии регрессии.
Рисунок 1 - Диаграмма линейной регрессии
Коэффициенты a и b в уравнении регрессии регулируют угол и положение линии регрессии. Можно получать регрессивное уравнение с помощью подбора коэффициентов a и b до тех пор, пока сумма ошибок, связанных с этими точками, не станет минимальной. Это может помочь эксперту промышленной безопасности избежать нежелательных ошибок при расчетах и выявлениях перспектив использования той или иной ГПМ.
Рассмотрим второй вид регрессии - это логистическая регрессия. Она является известным статистическим методом для определения влияния нескольких факторов на логическую пару результатов. Измеряется вклад каждого входного атрибута, и в законченной модели различные входы снабжаются весовыми коэффициентами. Название «логистическая регрессия» отражает тот факт, что кривая данных сжимается путем применения логистического преобразования с целью снижения эффекта экстремальных значений.
В качестве зависимой переменной, так же как и в линейной регрессии, можно использовать данные о выходе из эксплуатации ГПМ. Т.е. если выход из эксплуатации произошел, то эта переменная y равна 1, а иначе 0. Все независимые x переменные - это переменные, которые носят влиятельный характер на зависимую переменную. Это могут быть данные о температуре работы крана, степени агрессивности среды, сейсмичности района и т.д. Тогда делается предположение о том, что вероятность наступления события y=1 равна:
где , и -вектора - столбцы значений независимых переменных и параметров (коэффициентов регрессии) — вещественных чисел соответственно, а f(z) - так называемая логистическая функция.
Работа такой регрессии несколько отличается. Предположим, что прогнозируемый столбец содержит только два состояния, но все же необходимо провести регрессионный анализ, сопоставляя входные столбцы с вероятностью того, что прогнозируемый столбец будет содержать конкретное состояние. На следующей диаграмме (рисунок 2) показаны результаты, которые будут получены, если состояниям прогнозируемого столбца присвоить значения 1 и 0, рассчитать вероятность того, что столбец будет содержать конкретное состояние, и рассчитать линейную регрессию по отношению к входной переменной.
Рисунок 2 - Диаграмма линейной регрессии с ограничениями
Ось X содержит значения входного столбца. Ось Y содержит вероятности того, что прогнозируемый столбец будет в том или ином состоянии. Проблемой в этой ситуации является то, что линейная регрессия не ограничивает значения столбца значениями 0 и 1, несмотря на то, что они являются минимальным и максимальным значениями этого столбца. Одним из способов решения этой проблемы является расчет логистической регрессии. Вместо создания прямой линии при логистическом регрессионном анализе создается кривая в форме латинской буквы «S», содержащая максимальное и минимальное ограничения.
Заметьте, что кривая никогда не выходит за пределы выше 1 или ниже 0. Логистическую регрессию можно использовать для описания того, какие входные столбцы являются важными для определения состояния прогнозируемого столбца.
Используя рассмотренные методы анализа на основе временных рядов, вполне возможно произвести исследование и взвешивание факторов, влияющих на результат и срок работы грузоподъемных механизмов, поиск факторов, влияющих на сохранность механизмов и опор грузоподъемной машины.
Рецензенты:
Марков Виталий Николаевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры информационных систем и программирования Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кубанский государственный технологический университет», г. Краснодар.
Ключко Владимир Игнатьевич доктор технических наук, профессор, профессор кафедры информационных систем и программирования Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кубанский государственный технологический университет», г. Краснодар.
Специальное конструкторс
ко-технологическое бюро
башенного краностроения
СКТБ БК
ОЦЕНКА
ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ КРАНОВ.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ.
МУ 22-28-05-99 *)
_____________
*) С изменением № 1 от 11.03.2002 г.
Москва, 1999
Предисловие
1. Разработан: СКТБ башенного краностроения
2. Разработчики: Л.А. Невзоров, А.И. Инденбаум, П.А. Леонов, Г.Н. Пазельский
3. Введен в действие: с 01.10.99
4. Разработан взамен: с изм. № впервые
Руководящий нормативный документ
|
Оценка
остаточного ресурса грузоподъемных кранов. |
МУ 22-28-05-99 |
Дата введения - 99-10-01
1.1. Оценка остаточного ресурса разработана применительно к башенным, стреловым несамоходным, мачтовым кранам и кранам-лесопогрузчикам (в дальнейшем «кранам»), отработавшим нормативный срок службы и согласно РД 10-112-3 подлежащим оценке остаточного ресурса.
1.2. Заложенные в настоящем РД положения могут быть использованы при оценке остаточного ресурса и других кранов.
1.3. Документ разработан на основании и в развитие РД 09-102 и РД 10-112-3 .
2.1. В настоящем документе приняты следующие термины и определения:
Остаточный ресурс - расчетная величина возможной наработки крана (с момента проведения обследования крана, при котором было принято решение об оценке ресурса, до достижения предельного состояния его несущих металлоконструкций), определяемая с учетом критериев повреждения конструкции.
Показатель группы классификации - показатель режима работы крана ПК, характеризующийся произведением максимального числа рабочих циклов за срок службы N u и номинального коэффициента распределения нагрузок К р .
Параметр технического состояния - показатель, характеризующий способность крана выполнять заданные функции в соответствии с требованиями нормативной и/или конструкторской документации.
Определяющий параметр технического состояния - параметр, изменение которого может привести кран в неработоспособное или предельное состояние.
Предельное состояние - состояние крана, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или неэффективно (по РД 10-112 ч. 1).
Тренд - аналитическое или графическое представление изменения переменной во времени, полученной в результате выделения регулярной составляющей динамического ряда.
Характеристическое число - произведение двух чисел - максимального количества рабочих циклов и номинального коэффициента распределения нагрузок для кранов, характеризующее заданную группу классификации (режима) крана.
В настоящем стандарте использованы ссылки на нормативную документацию, приведенную в приложении.
3.1. Оценка остаточного ресурса проводится с целью определения возможности, условий и сроков дальнейшей эксплуатации крана в порядке и сроки, предусмотренные РД 10-112-3 .
3.2. Оценка остаточного ресурса должна проводиться:
по заявке владельца крана;
по решению комиссии, проводившей экспертное обследование, в зависимости от состояния крана;
по дополнительным требованиям СКТБ БК - для кранов повышенного риска (типа КБ-403, КБ-504, КБ-572, КБ-674);
(Измененная редакция, Изм. № ).
при эксплуатации кранов в условиях, не соответствующих паспортным данным;
по заданию органов госгортехнадзора.
3.3. Оценку остаточного ресурса проводят организации, имеющие лицензии на право проектирования (а соответственно и на проведение расчетов) подъемных сооружений и на проведение их экспертного обследования.
3.4. При оценке остаточного ресурса в качестве базовой концепции принимается подход, основанный на принципе «безопасной эксплуатации по техническому состоянию», согласно которому оценка технического состояния объекта осуществляется по параметрам технического состояния, обеспечивающим его надежную и безопасную эксплуатацию в соответствии с нормативной и конструкторской документацией. При этом величина остаточного ресурса оценивается по параметрам технического состояния, изменение которых согласно РД 10-112-3 может привести кран в неработоспособное или предельное состояние.
3.5. Оценка параметров технического состояния (в т.ч. и определяющих параметров) должна проводиться по результатам анализа технической документации проведения экспертного обследования и оперативной диагностики, анализа механических свойств и повреждений элементов крана.
4.1. Анализ технической документации крана выполняется с целью выявления наиболее вероятных видов повреждения и элементов, в которых имеется высокая вероятность появления повреждений. При этом выявляются узлы и элементы, имеющие высокий уровень напряжений, узлы, по которым ранее выполнялись ремонты, а также степень загрузки крана и его элементов за срок службы.
4.2. Для проведения анализа технической документации владельцем крана должны быть представлены следующие материалы:
эксплутационные документы на кран и крановый путь (паспорт ПС, руководство по эксплуатации (РЭ) или техническое описание совместно с инструкцией по эксплуатации (ТО), инструкция по монтажу крана (ИМ), проект кранового пути);
акты обследований, предшествующих оценке остаточного ресурса, (со всеми приложениями);
справки о характере проведенных ранее ремонтов и имеющаяся расчетная документация, в т.ч. о капитально-восстановительном ремонте, с сертификатами об использованных металлах;
документы, подтверждающие объем и характер работ, выполненных краном за срок службы.
4.3. Анализ технической документации должен проводиться с учетом банка данных по разрушениям аналогичных конструкций и расчета крана для выявления уровня нагруженности и резервов несущей способности элементов конструкции.
перечня (в табличной форме) узлов и элементов крана (с приложением геометрических схем), у которых в результате особенностей конструкции или технологии изготовления возможность разрушения наиболее вероятна;
списка возможных отступлений в части применения при изготовлении материалов, не заложенных в проекте (расчете) крана;
5.1. Целью экспертного обследования должно быть получение информации о фактическом техническом состоянии крана, оценка имеющихся дефектов, выявление причин их возникновения и развития.
5.2. Обследование крана проводится (в соответствии с требованиями РД 10-112-3 для повторного обследования крана) в смонтированном или демонтированном состоянии с учетом замечаний и уточнений, приведенных в настоящем документе.
5.3. При проверке технического состояния особое внимание следует обратить на состояние узлов, близких к своему предельному состоянию (см. п. 4.5.).
5.3.1. В этих узлах должны быть зафиксированы все имеющиеся дефекты как заводского изготовления, так и возникшие в процессе эксплуатации: трещины, погнутости, коррозия, расцентровка осей элементов, величина подрезов, характер сварных швов (выпуклый, вогнутый), непровары, наличие кратеров и т.д.
5.3.2. Особое внимание должно быть обращено на наличие и число ремонтов в зоне размещения узлов, близких к предельному состоянию (или возле них), качество ремонта. Должны быть составлены эскизы отремонтированных узлов для их последующей расчетной оценки с указанием марок примененного металла.
5.4. При обследовании должны быть зафиксированы имеющиеся дефекты и повреждения, в первую очередь, в узлах, подвергшихся капитально-восстановительному ремонту (даже если эти дефекты и повреждения не достигли своих предельных значений).
5.5. При наличии или при имевших место ранее трещинах, износах, погнутостях в несущих металлоконструкциях должны быть выявлены механизм и динамика их образования, характер развития дефектов и повреждений узлов (усталостный, случайный от перегрузки при перевозке или монтаже). Выявленные повреждения фиксируются в табличной форме.
5.6. При наличии регистратора показателей назначения в процессе обследования должны быть сняты и проанализированы записанные регистратором показания.
5.7. При обследовании особое внимание должно быть уделено оценке режима загрузки и использования крана за весь срок его службы как в дореформенный период, так и в настоящее время.
5.7.1. «Справка о характере работ, выполненных краном» может быть составлена по форме прил. Е3 к РД 10-112-3 , но за подписями членов экспертной комиссии, проводящей обследование.
5.8 По результатам обследования составляется проект Акта по форме прил. Л3 РД 10-112-3 , но без заполнения разделов и . Раздел заполняется по усмотрению комиссии. Помимо Акта комиссией подготавливается справка, где отражаются элементы, для которых необходимо провести оценку механических свойств. Анализ металла может не проводиться для тех элементов, у которых расчетные напряжения от собственного веса частей крана и груза не превышают 40 % от расчетного сопротивления по пределу прочности.
6.1. Целью оперативной диагностики является получение объективных данных о техническом состоянии обследуемого объекта и реальных условиях его нагружения.
6.2. Оперативная диагностика выполняется для кранов, оборудованных согласно ПБ 10-382 регистраторами параметров (типа «черный ящик»), обеспечивающими получение и регистрацию информации о работе крана (например, о нагрузках, циклах нагружения, длительности нагружения).
(Измененная редакция, Изм. № ).
6.3. Полученная информация анализируется статистическими методами, согласно паспорту регистратора.
6.4. В случаях, когда отсутствует необходимая информация о нагрузках крана, а также в случаях, когда краны выпускались в единичных экземплярах, кран может быть оснащен измерительной или диагностической аппаратурой с проведением его испытаний согласно РД 22-28-36 .
(Измененная редакция, Изм. № ).
7.1. Оценка механических свойств металла должна проводиться по всем несущим элементам металлоконструкций, предусмотренным Перечнем по п. .
Учитывая, что некоторые элементы крана выполняются составными из проката различных плавок, пробы должны быть взяты из элементов каждой плавки.
7.2. Для оценки механических свойств из исследуемых элементов должны вырезаться пробы металла с последующим выявлением предела текучести и временного сопротивления. Для кранов исполнения У, работающих в зоне ХЛ, должно определяться также и значение ударной вязкости при допустимой температуре нерабочего состояния крана.
7.3. Пробы должны вырезаться на максимальном удалении от мест-концентраторов напряжений.
7.4 С целью исключения потери несущей способности конструкции крана рекомендуется использовать метод микропроб предусмотренный ВРД 22-28-26.
(Измененная редакция, Изм. № ).
7.5. Результаты полученных испытаний проб (предел текучести σ т и временное сопротивление σ в) должны быть сопоставлены с нормативными значениями этих показателей для выявления имеющихся резервов конструкции.
7.6. При положительных результатах оценки остаточного ресурса (по завершении работы) места вырезки проб должны быть отремонтированы с восстановлением несущей способности конструкции.
7.7. По результатам оценки механических свойств подготавливается соответствующее заключение.
8.1. Целью анализа является определение загрузки крана и его максимально нагруженных узлов за срок службы, а также установление фактического технического состояния крана по результатам экспертного обследования.
8.2. Если представленная владельцем информация о загрузке крана вызывает сомнение у членов комиссии, то по данным паспорта и по опросу лиц, занятых обслуживанием крана, определяют объем работ, выполненных краном за срок службы (по числу построенных зданий и соответствующих перебазировок, типу и параметрах зданий, этажности, числу и распределению строительных элементов по массе, особенности организации работ на объекте при монтаже «с колес» или со склада).
8.2.2. При анализе данные по использованию крана сопоставляются с аналогичными данными по другим кранам. Также используются имеющиеся в СКТБ БК данные о распределении, составе и числе элементов для различных типов зданий или грузов на различных типах объектов использования башенных кранов.
8.2.3. По результатам анализа определяются показатели использования, группа классификации согласно ИСО 4301/1 и показатель группы классификации крана.
8.3. В случае, если кран не достиг предельного значения по показателю группы классификации (характеристическому числу), заложенной в паспорте крана, допускается определение возможности дальнейшей эксплуатации крана проводить без расчета остаточного ресурса крана, по балльной шкале предельных оценок дефектов и повреждений отдельных единиц и крана в целом, приведенной в табл. 6 РД 10-112-3 .
(Измененная редакция, Изм. № ).
8.3.1. Если дефекты элементов не достигли предельных значений, указанных для них в приложении ГЗ РД 10-112-3 , то дальнейшая эксплуатация крана по этому критерию не запрещается.
8.3.2. При превышении отдельных дефектов элементов их предельных значений, указанных в приложении Г3 РД 10-112-3 , элементы должны быть подвергнуты ремонту или заменены.
8.3.3. При наличии в креплении отдельных узлов крана (например, башни) значительного числа шарниров, выработка (износ) которых может привести этот узел в неработоспособное состояние (положение), предельное состояние каждого отдельного шарнира при износе, определенном при капитально-восстановительном ремонте, должно быть скорректировано с учетом влияния их выработки на перемещение узлов крана, приводящее кран в неработоспособное или предельное состояние.
(Измененная редакция, Изм. № ).
8.3.4. Если значение оценки дефектов повреждения в сборочной единице крана равно или превышает указанное в табл. 6 РД 10-112-3 значение, сборочная единица подлежит списанию или, в возможных случаях, капитально-восстановительному ремонту.
8.3.5. Если в число сборочных единиц крана, требующих списания, входит две и более базовых сборочные единицы или секции одного узла, то подлежит списанию весь узел (выбраковка башни производится при выбраковке не менее 30 % ее секций);
9.2. При оценке остаточного ресурса, в случае превышения показателя группы классификации, прогнозируется изменение технического состояния 2 х - 3 х - его узлов до достижения ими предельного состояния.
9.3. При прогнозировании развития повреждений производится:
Расчет на усталость элементов, у которых по результатам анализа имеется вероятность усталостного разрушения;
Экстраполяция данных о состоянии элементов, полученных ранее по результатам обследования подобных конструкций с учетом «корытообразной формы» кривой роста интенсивности повреждений со временем и статистических данных о развитии повреждений на аналогичных элементах других кранов.
9.3.1. Расчет на усталость должен проводиться для элементов, согласно Перечню по п. в случае, если по данным обследования подтверждено появление повреждений, носящих усталостный характер, а при проектировании расчеты на усталость не проводились. Если же при проектировании крана проводились расчеты на усталость, эти расчеты должны быть скорректированы с учетом полученных при обследовании данных по эксплуатации крана за пределами его срока службы.
9.3.2. Расчеты на усталость должны проводиться с учетом определенного в результате обследования числа циклов, характера асимметричности цикла, спектра нагрузок, выявленных концентраторов напряжений в максимально нагруженных элементах и фактического расчетного сопротивления элементов.
9.3.3. В расчетах должны учитываться дополнительные напряжения, вызванные отклонениями от правильной геометрической формы и размеров, выявленными при экспертном обследовании и спрогнозированными на период возможной дальнейшей эксплуатации.
9.3.4. Расчеты на усталость должны проводиться по методике СКТБ БК с учетом требований, приведенных в РД 22-166 и РД 2201-6.
9.4. В случае, если за период обследований конструкций , накоплен достаточный объем данных для определения тенденций изменения (тренда) параметров состояния, их графического или аналитического представления на период дальнейшей эксплуатации, могут быть использованы экстраполяционные модели (линейные, степенные и др.) изменения состояния конструкции. Вид функции выбирается, исходя из обеспечения требований к точности прогноза параметров состояния на период Т. Соответствующие примеры использования метода экстраполяции рассмотрены в основных нормативных документах по надежности промышленного оборудования.
9.6. При отсутствии данных по п. могут быть использованы непараметричные методы оценки. При этом учитываются полученные в процессе проведения настоящей работы данные об особенностях конструкции, нагружения и прочих показателей элементов.
9.7. При оценке остаточного ресурса конструкций крана прогнозируется возможность дальнейшей работы крана до достижения скорректированного предельного значения показателя группы классификации или до достижения узлами и элементами их предельного состояния по развитию повреждений, при котором восстановление узла (элемента) практически невозможно или экономически неэффективно.
10.1. При положительной оценке остаточного ресурса составляется Акт по форме прил. Л3 РД 10-112-3 с заключением о допустимости и сроках дальнейшей эксплуатации и приложением отчета по проведению оценки остаточного ресурса.
10.2. При отрицательной оценке Акт не составляется. Работа в этом случае завершается отчетом по проведению оценки остаточного ресурса.
10.3. Отчет должен включать данные, приведенные в настоящем документе, результаты проведенной оценки, расчет остаточного ресурса и рекомендации по возможным предельным срокам дальнейшей эксплуатации крана (или по списанию крана - при отрицательной оценке остаточного ресурса).
10.4. В Акте должны быть указаны:
срок до следующего обследования;
предложения по списанию сборочных единиц (при необходимости);
требования по необходимости и сроках проведения капитально-восстановительного ремонта;
10.5. В случае проведения оценки остаточного ресурса силами специализированной организации, отчеты и Акты по оценке остаточного ресурса должны быть направлены в СКТБ башенного краностроения для пополнения банка данных.
Перечень использованной нормативной документации
|
«Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов». |
||
|
« Краны. Классификация. Часть 1. Общие положения». |
||
|
«Методические указания по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, поднадзорных Госгортехнадзору России». |
||
|
«Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы. Часть 1. Общие положения». |
||
|
«Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы». Часть 3. «Башенные, стреловые несамоходные и мачтовые краны, краны-лесопогрузчики». |
||
|
ВРД 22-28-26-98 |
«Машины грузоподъемные. Временная методика отбора микропроб и определения свойств стальных сварных конструкций». |
|
|
«Краны башенные строительные. Нормы расчета». |
||
|
РД 2201-6-79 |
«Краны башенные строительные. Стальные конструкции. Нормы расчета на усталость». |
|
|
«Краны грузоподъемные. Типовые программы и методики испытаний». |
(Измененная редакция, Изм. № ).
Развитие техногенной сферы на рубеже XXI века в целом привело к созданию новых технических решений и технологий, позволивших достигнуть небывалого прогресса во всех сферах жизнедеятельности. Однако при этом создались и невиданные ранее угрозы человеку, техническим системам, среде обитания человека.
На основании этого Европейское Экономическое Сообщество приняло директиву №82/501/ЕЭС «О предотвращении крупных промышленных аварий», в которой введены категории опасных производственных объектов. В Российской Федерации в 1997 г. был принят федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов». Этим законом к категории опасных производственных отнесены объекты, на которых используются стационарно установленные грузоподъемные машины (подъемные сооружения).
Отнесение грузоподъемных машин к опасным производственным объектам вызвано достаточно большим количеством случаев (около 15%), связанных с техническим состоянием кранов.
В настоящее время в России сложилась чрезвычайно сложная ситуация во всех областях промышленности, связанных с использованием грузоподъемных машин. Крановое хозяйство страны стремительно стареет, а возможности для его обновления у большинства организаций, эксплуатирующих грузоподъемное оборудование, отсутствуют. В частности, по данным Ростехнадзора, около 95% мостовых кранов в России выработали свой нормативный срок службы, известны случаи работы кранов, изготовленных еще в конце позапрошлого века. В связи с этим остро встал вопрос о возможности дальнейшего использования существующей на сегодняшний день грузоподъемной техники. Очевидно, что многие из грузоподъемных машин, выработавших свой нормативный срок, находятся в работоспособном состоянии. Как следствие, большое значение приобретают задачи повышения безопасности эксплуатации и оценка остаточного ресурса исчерпавшего свой нормативный срок грузоподъемного оборудования.
На основании изложенного можно сказать, что одной из главных задач эксплуатирующих грузоподъемное оборудование организаций является повышение безопасности грузоподъемных кранов и достоверное определение остаточного ресурса кранов с тем, чтобы можно было своевременно планировать модернизацию кранов с целью продления срока службы, или, в крайнем случае, замену при невозможности дальнейшей эксплуатации. Актуальность этой задачи усугубляется еще и тем, что большинство кранов отработало нормативный срок службы (более 30 лет).
Особенно важно выделить краны с высоким классом ответственности, обслуживающие такие объекты как атомные, тепловые и гидроэлектростанции, которые оцениваются по энерговооруженности и последствиям от отказов как технические системы.
При большом объеме исследований по определению остаточного ресурса практически нет обоснования значений остаточного ресурса грузоподъемных кранов легких групп классификации. Сегодня в нашей стране существует несколько методик для определения остаточного ресурса, пять из которых утверждены Госгортехнадзором. Эти методики позволяют адекватно определить остаточный ресурс кранов тяжелых групп классификации, однако в отношении кранов легких групп ни одна из них не в состоянии дать четкую количественную оценку срока, на который возможно продление эксплуатации кранов такого типа. Большинство из существующих методик либо рекомендует для кранов легких групп классификации экспертный метод оценки остаточного ресурса, либо распространяют свое действие лишь на краны тяжелых групп классификации. Это связано, в первую очередь, с отсутствием инженерных расчетов, позволяющих определить развитие повреждений, являющихся критериальными для кранов легких групп.
Исторически первой методикой определения остаточного ресурса металлоконструкций в нашей стране была методика, разработанная в 1982 году в Челябинском Политехническом институте (ЧПИ). В ее основу легла классическая теория усталости металлов, характеризуемая кривой Велера. В дальнейшем на основе опыта ее применения и новых теоретических материалов она была дополнена и приняла законченный вид во второй половине 90-х годов прошлого века. Главным положением методики является постоянство произведения числа циклов нагружения и напряжения, возведенного в определенную степень «m»
Z m = const, (1)
где m - показатель кривой Велера.
Таким образом, задача определения ресурса решается в детерминированном аспекте, при этом принимается принцип суммирования повреждений. Обосновывая выбранный подход, авторы методики указывают на отсутствие аппаратной фиксации нагрузок и циклов нагружения, что остается существенной проблемой при определении ресурса и на сегодняшний день, поскольку предлагаемые регистраторы параметров нагружения крана большинству эксплуатирующих организаций недоступны из-за их достаточно высокой стоимости.
В рассматриваемой методике для сбора статистических материалов о загрузке крана впервые было предложено использовать данные, предоставленные организацией-владельцем. Для этого была разработана специальная форма «Справка о характере работы крана», в которой должны быть указаны все необходимые для расчета ресурса сведения. Для проверки предоставленных сведений авторы методики настоятельно рекомендуют лицам, проводящим расчет ресурса, ознакомиться с условиями и технологией работы рассматриваемого крана. Однако очевидно, что для качественного проведения таковой оценки необходимо затратить достаточно длительное время, причем начинать ее проведение необходимо с самого начала эксплуатации диагностируемой машины. Поэтому ключевую роль при определении ресурса играют данные, указанные владельцем в «Справке о характере использования», которые по объективным или субъективным причинам не всегда являются достоверными.
Данная методика получила долгую проверку практикой и, несомненно, является самой проверенной из существующих сегодня. Тем не менее, она имеет ряд недостатков:
Во-первых, результаты расчета весьма существенно зависят от выбранной величины показателя m, однако рекомендации по его выбору в методике не отражены.
Во-вторых, расчет производится только на сопротивление усталости металла крана, причем до момента появления в кране усталостных повреждений. Однако современные работы рекомендуют также учитывать период развития этих повреждений до критического значения. В данной методике не учитываются имеющиеся в металлоконструкции коррозионные разрушения, что делает ее применимой в большей степени для кранов тяжелой и средней группы классификации, работающих в неагрессивных средах.
В-третьих, данная методика никак не отражает реальное состояние металлоконструкции крана на момент исследования, то есть не учитывает уже имеющиеся в металле деформации, повреждения или ремонтные изменения.
Появившаяся следом методика определения остаточного ресурса металлических конструкций, разработанная Санкт-Петербургским государственным техническим университетом под руководством Соколова С.А. строилась также на численном расчете ресурса выносливости металлоконструкции. Хотя при расчете учитывалась также возможность потери несущей способности в результате вязкого разрушения или возникновения остаточных деформаций, а также при потере местной устойчивости.
При расчете предельного усталостного повреждения условно процесс делится на два этапа. На первом этапе при развитии трещины от начала циклического нагружения до возникновения магистральной трещины определенного размера (4…8 мм). На этой стадии характеристикой сопротивления усталости является предел выносливости, накопление повреждения описывается с помощью гипотезы линейного суммирования.
Эта методика на сегодняшний день точнее остальных рассматривает развитие усталостного повреждения, с применением более современного расчетного аппарата.
Однако она малоприменима для кранов легкого режима, так как для них рекомендуется только проверка на потерю несущей способности (либо в результате вязкого разрушения, либо возникновения остаточных деформаций или потери местной устойчивости), которая не может дать количественных результатов.
Среди прочих методик, разработанных в последнее время, стоит особо выделить методику определения ресурса на основании так называемого «характеристического числа». Само характеристическое число представляет из себя произведение коэффициента распределения нагрузок на число циклов, выполненных краном. Сравнивая текущее характеристическое число с нормативным для группы классификации рассматриваемого крана, делается вывод о величине ресурса или об его исчерпании.
Несомненное достоинство рассматриваемой методики - ее простота и применимость к машинам любого типа и любой группы классификации, тем не менее, на практике она часто дает весьма парадоксальные результаты, особенно для машин высокой группы классификации, что вызвано, по нашему мнению, завышенными значениями нормативных характеристических чисел для этих групп. Кроме этого, данная методика никак не учитывает процессы разрушения, развивающиеся не пропорционально наработке крана, а пропорционально общему времени службы, в первую очередь коррозийное разрушение, что делает ее малоприменимой и для низких групп классификации, для которых одним из определяющих критериев при прогнозировании остаточного ресурса является именно коррозия.
В 2002 году вышел нормативный документ РД 24-112-5Р по оценке остаточного кранов мостового типа. В РД для кранов групп классификации А1-А5 рекомендуется экспертный метод определения остаточного ресурса. Для кранов более высоких групп рекомендуется экспериментально-расчетный метод.
В первом случае остаточный ресурс назначается на основе данных о фактической группе классификации крана и результатов оценки его технического состояния при выполнении работ, предусмотренных РД 10-112-5-97 (Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы). При этом также должны учитываться данные о конструктивных особенностях рассматриваемого крана и о наиболее характерных дефектах и повреждениях, встречающихся в кранах подобной конструкции. Также для определения ресурса должны использоваться такие признаки, как средний срок службы грузового каната, средняя периодичность ремонта или замены узлов механизмов крана, качество технического обслуживания при эксплуатации кранов.
Во втором случае для определения остаточного ресурса помимо данных, необходимых в первом случае, должен также быть произведен расчет одного или нескольких предельных состояний металлоконструкции крана, наиболее вероятных по мнению экспертов. Расчет рекомендуется проводить согласно норм и методов расчета элементов стальных конструкций.
Представляет интерес методика оценки остаточного ресурса Уральского экспертного центра, дающая методически последовательную и простую в использовании методику экспертам. Однако она тоже базируется на определении характеристического числа, а отсюда имеет те же указанные выше недостатки.
Проведенный анализ существующих методик определения остаточного ресурса позволяет сделать вывод, что все они касаются в основном кранов тяжелых и средних групп классификации, численная же оценка величины ресурса производится, как правило, на основе расчета на предельное состояние усталости. Для кранов относящихся к легкой группе классификации, все данные методики малоприменимы, либо рекомендуют экспертный метод, недостатки которого уже приводились выше.
Для кранов данного типа предельное состояние усталости не может быть определяющим, так как чаще всего такие краны не набирают предельного числа циклов нагружения. Следовательно, прогнозирование остаточного ресурса подобных кранов следует проводить на основе величины коррозионного поражения крана и скорости протекания коррозии. Так же известно, что при коррозионном повреждении существенно снижаются усталостные характеристики металла. Этот процесс получил название коррозионной усталости и не учитывается ни в одной из рассмотренных методик. Таким образом, главными критериями для определения остаточного ресурса кранов высокого класса ответственности и легкого режима работы следует считать:
1) возникновение недопустимых остаточных деформаций или хрупкое разрушение, а также потеря несущей способности расчетных элементов металлоконструкции крана вследствие утонения расчетных сечений, вызванных коррозийным процессом,
2) хрупкое разрушение расчетных элементов металлоконструкции крана вследствие развития коррозионной усталости.
Территориальный уполномоченный орган Единой системы оценки соответствия на объектах, подконтрольных Ростехнадзору
ИКЦ «Альтон»
Экспертные организации, оформляющие Акт технического обследования грузоподъемного крана после отработки нормативного срока, в котором указано на полное отсутствие дефектов или несоответствий, преднамеренно вводят владельца подъемного сооружения в заблуждение о фактическом состоянии крана.
По статистике, до истечения нормативного срока службы выходят из строя до 20% кранов, но значительное их количество сохраняют свою работоспособность и после окончания этого срока. Это связано с тем, что металлоконструкции кранов изготовляются с достаточным запасом прочности и обладают высокой надежностью при нормально функционирующей системе обслуживания и надзора. Кроме того, большинство кранов, особенно мостового типа, эксплуатируются со значительной «недозагрузкой». Например, мостовой кран грузоподъемностью 50/12,5 т, согласно справке о работе крана, представленной владельцем грузоподъемной машины, за период эксплуатации был загружен только на 50% и, естественно, не в полной мере выработал установленный ресурс.
Указанные факторы учитываются при проведении экспертизы промышленной безопасности кранов, выработавших нормативный ресурс. В результате экспертизы принимается одно из решений: вывод из эксплуатации, необходимость ремонта, продолжение эксплуатации с продлением срока службы кранов. Решение о продлении срока эксплуатации принимается на основе оценки, а также при необходимости расчета остаточного ресурса.
Для выполнения комплекса работ по экспертизе промышленной безопасности и определения остаточного ресурса подъемных сооружений, отработавших нормативный срок эксплуатации, в качестве нормативной базы применяются следующие документы: Федеральный закон № 116-ФЗ от 21.07.1997 г. с изм., ПБ 03-246-98 с изм., РД 03-298-99 с изм., РД 10-528-03, методические указания РД 10-112 (части 1-9), а также сравнительно новые методики оценки остаточного ресурса РД 24-112-5Р, МУ 36.22.16-02, МУ 36.22.15-02, РД НИИ Краностроения -10-07.
В соответствии с этими документами этапы проведения экспертизы промышленной безопасности жестко регламентированы. Качество проведения экспертных работ зависит от полноты и последовательности выполнения всех этапов.
На первом – предварительном этапе, после обращения заказчика в экспертную организацию, проводятся переговоры для информирования заказчика о порядке проведения экспертизы, а также для обсуждения вопросов, касающихся ее проведения, в том числе содержание и ход экспертизы, подготовка к проведению экспертизы на месте.
На втором этапе производится составление заявки или плана-графика проведения экспертизы, заключение договора, обсуждение условий проведения обследования.
Третий – основной этап включает в себя изучение экспертами эксплуатационной и другой технической документации, документации по организации надзора за безопасной эксплуатацией грузоподъемных машин, выезд специалистов на объект и проведение полного комплекса работ по техническому диагностированию с применением методов неразрушающего контроля (ультразвуковая дефектоскопия и толщинометрия, вихретоковый и капиллярный контроль, магнитная дефектоскопия канатов, твердометрия и др.). Совокупность применяемых при обследовании технических средств и методов контроля должна обеспечивать максимальную выявляемость дефектов металлоконструкции, неисправностей систем и механизмов. С помощью новейшего приборного оснащения эксперты выявляют невидимые невооруженным глазом дефекты конструкций и несоответствия структурного состояния материалов, применяемых в техническом устройстве, из-за которых может произойти любая авария, вплоть до внезапного лавинообразного разрушения конструкции.
Достоверность и объективность полученных результатов в определяющей степени зависят от квалификации и ответственности специалистов, проводящих обследование. На приведенных фотографиях показаны только несколько из многих тысяч дефектов, обнаруженных специалистами ИКЦ «Альтон» при диагностировании подъемных сооружений. Каждый из обнаруженных и устраненных дефектов – это предотвращенные авария или несчастный случай.
По результатам технического диагностирования составляется Ведомость дефектов Акта обследования с планом и сроками выполнения мероприятий, необходимых для завершения процесса экспертизы. Акт обследования подписывают в двустороннем порядке представитель экспертной организации и владелец грузоподъемной машины. После этого владелец грузоподъемной машины должен выполнить все мероприятия по устранению замечаний, указанных в Ведомости дефектов, и уведомить об этом экспертную организацию. В соответствии с требованиями п. 4.2.4. ПБ 03-246-98 срок проведения экспертизы не должен превышать трех месяцев. В случае несвоевременного устранения замечаний или несвоевременного сообщения об их устранении потребуется повторное проведение экспертизы.
Многолетний опыт работы экспертов ИКЦ «Альтон» свидетельствует о том, что практически не существует технических устройств, которые после отработки нормативного срока находятся в абсолютно исправном состоянии. Поэтому Акт технического обследования, в котором указано на полное отсутствие дефектов или несоответствий, зачастую является свидетельством не столько хорошего технического состояния грузоподъемной машины и безукоризненной организации эксплуатации, сколько вызывает сомнение в компетентности и добросовестности специалистов экспертной организации, выполнявших обследование. Это вводит владельца в преднамеренное заблуждение о состоянии крана и действительном положении дел.
На последнем – четвертом этапе экспертная организация оформляет Заключение экспертизы промышленной безопасности и выдает его владельцу. Владелец в течение месяца направляет Заключение в территориальный орган Ростехнадзора для регистрации и утверждения.
В последнее время все более остро поднимается вопрос оценки и расчета остаточного ресурса грузоподъемных кранов. При экспертном обследовании в соответствии с методиками, разработанными головными институтами краностроения (ВНИИПТМАШ, ВНИИстройдормаш, СКТБ башенного краностроения и др.), проводится оценка дефектов несущих металлоконструкций крана в баллах. Но даже если допустить, что выявлены все дефекты, этого недостаточно для того, чтобы с большой достоверностью гарантировать безопасную эксплуатацию грузоподъемных машин на довольно продолжительный срок. При применении этого способа оценки существует вероятность того, что к эксплуатации будет допущен небезопасный кран или, наоборот, краны, которые могли бы еще работать, но которые рекомендуется списывать.
Поэтому бывает необходимо после окончания нормативного срока службы крана определять остаточный ресурс – расчетную величину наработки грузоподъемной машины с момента проведения обследования до достижения предельного состояния ее несущих металлических конструкций по критериям усталости.
Основной проблемой при решении задачи оценки остаточного ресурса является отсутствие достоверных данных о нагрузках и условиях эксплуатации крана за весь период его работы. Выходом из этого положения могло бы стать оснащение крана прибором регистрации параметров его работы, но лишь для будущей оценки остаточного ресурса вновь выпускаемых кранов после отработки ими нормативного срока службы. Для кранов, эксплуатируемых десятки лет, прибор регистрации параметров не даст полной информации об истории нагружения. Получив с помощью прибора регистрации параметров данные за последний период эксплуатации крана, можно отследить динамику развития повреждения для того, чтобы в дальнейшем сделать обоснованный прогноз, когда повреждение достигнет критической величины.
Существует несколько способов расчета остаточного ресурса: расчет на сопротивление усталости, который включает проверку на неограниченную долговечность, уточненный расчет на ограниченную долговечность и проверку долговечности узлов местного нагружения.
 |
| Фото 4. Трещина по сварному шву подкоса башни крана |
Для определения остаточного ресурса кранов мостового типа эксперты в настоящее время используют методику расчета по критериям сопротивления усталости и трещиностойкости металлоконструкций. Владельцам таких кранов при составлении графиков проведения экспертизы промышленной безопасности необходимо планировать после повторного четвертого обследования проведение расчета остаточного ресурса крана по указанным критериям. Однако данная методика не применима для решетчатых (ферменных) конструкций козловых кранов. Для этих конструкций необходима иная методика, основанная на усложненном расчете методом конечных элементов.
При определении остаточного ресурса по наработке (характеристическому числу) календарный остаточный ресурс порой составляет несколько десятков лет. Однако в соответствии с требованиями РД 24-112-5Р эксперт даже при самом благоприятном сочетании эксплуатационных факторов вправе назначить календарный остаточный ресурс не более 20 лет. Владельцам подъемных сооружений необходимо планировать замену оборудования, не дожидаясь окончания назначенного срока.
Не все экспертные организации квалифицированно выполняют работы по расчету остаточного ресурса, ограничиваясь лишь оценкой состояния несущих металлоконструкций в баллах, которая не дает полной информации о необходимости выполнения расчета остаточного ресурса.
При выборе экспертной организации владельцам подъемных сооружений необходимо руководствоваться не ценой, а компетентностью подрядчика, качеством выполняемых работ и достоверностью полученных результатов.
