Автореферат (Малоцикловая прочность элементов шлюзовых ворот транспортных гидросооружений и методы продления их ресурса), страница 6

(7)

где ε – величина циклической деформации; D=1/(1-) - истинная деформация при статическом разрыве образца; _в- предел прочности; Е – модуль упругости.

Для минимальных и средних значений долговечности стали 09Г2С параметры уравнения (7) могут быть положены равными (на рис. 7 кривые 1 и 2 соответственно):

Использование в уравнении (7) статических характеристик прочности и пластичности материала дает результаты, идущие не в запас прочности (на рис. 7 кривая 3).

Данное исследование и оценка ресурса элементов ворот шлюза показывают, что при принятых геометрических параметрах конструкции и технологии изготовления ворота шлюза без промежуточных ремонтов не могут обеспечить достаточный ресурс по условиям сопротивления малоцикловому нагружению. Необходимо разработать конструктивные и технологические мероприятия по снижению уровня максимальных циклических напряжений и деформаций в конструкции, а также использовать материалы, типы сварных соединений и методы ремонта элементов ворот шлюза, обеспечивающие повышение характеристик сопротивления малоцикловой усталости. При этом, например, снижение максимальных циклических деформаций в зоне сварных соединений ворот до значений 0,175…0,2% (что возможно за счёт конструктивных и технологических мероприятий, разработанных и представленных в 8 главе диссертации) позволит повысить долговечность элементов ворот и увеличить период между ремонтами до 10...15 лет, что следует признать вполне удовлетворительным для эксплуатации.

В восьмой главе диссертации приведены рекомендации по продлению ресурса шлюзовых ворот на стадии изготовления, эксплуатации и ремонта, вытекающие из результатов исследований, полученных в процессе выполнения данной работы.

В настоящее время при установке водонапорной обшивки используется, в основном, конструктивные решения в виде сварных соединений внахлест и встык. Выполненное расчетно-экспериментальное исследование ресурса водонапорной обшивки таких конструкций показывает, что долговечность соединений внахлест оказывается существенно ниже долговечности сварных соединений встык. Сказанное подтверждается рис. 14, на котором представлены полученные расчетно-экспериментальные данные по сопротивлению малоцикловой усталости водонапорной обшивки при различных прогибах пластины в центре шпации от гидростатического напора. Видно, что ресурс водонапорной обшивки при сварке встык оказывается в 2 раза выше по сравнению со случаем сварки внахлест.

Это обстоятельство позволяет рекомендовать применение конструкций с использованием стыковых сварных швов и избегать, по возможности, нахлесточных соединений. При этом для стыковых соединений удается достигать ресурса порядка 4000÷5000 циклов повторения нагрузок при эксплуатационных прогибах. Данный вывод хорошо коррелирует с данными по ресурсу, полученными экспериментально на шлюзовых воротах каналов Москвы и Волгограда. С учетом числа срабатывания призм за навигацию порядка 4000 (канал им. Москвы) и 8000 (Волгоградских шлюзов) повышение ресурса за счет использования стыковых сварных соединений обеспечивает без ремонта 5-6 лет эксплуатации.

Вместе с тем, может быть применен еще ряд способов повышения ресурса. К таким способам, прежде всего, следует отнести упрочнение сварных соединений за счет апробированного в настоящей работе оплавления сварного соединения ацетилено - кислородным резаком. При этом зона сварного шва и зона основного металла, прилегающего к шву, подвергается тепловой обработке пламенем кислорода и ацетилена. Металл поверхностных слоев доводится до состояния плавления, в результате чего снимаются остаточные напряжения сварки, залечиваются поверхностные трещины, снижается геометрическая концентрация напряжений от сглаживания усиления и подреза сварного шва, создается благоприятное поле сжимающих остаточных напряжений.

Эффективность предложенного метода сварки была подтверждена серией испытаний модельных элементов с оплавлением зон сварных швов по названной технологии. Испытывались три элемента с нахлесточным соединением пластины водонапорной обшивки и двутавровых балок. Нагружение выполнялось в режиме заданных перемещений с максимальными значениями 5, 3 и I,5 мм, режим циклического нагружения – отнулевой. На исследуемых моделях определялись ресурс и деформации по разработанной методике. Обнаружено, что долговечность модельных элементов при таком виде сварки оказывается максимальной и превосходит долговечность всех ранее испытанных видов соединений. По сравнению с аналогичной неоплавленной моделью долговечность оказывается повышенной до 10 раз по числу циклов нагружения (рис. 14).

Эффективность указанной выше технологии, также, была проверена в эксплуатационных условиях на элементах водонапорной обшивки Волгоградского шлюза № 30. Эксплуатация элементов водонапорной обшивки, прошедших технологическую операцию оплавления сварных швов, показала увеличение ресурса по сравнению с необработанными швами до 3-3,5 раза.

Как показали выполненные в работе исследования, еще одним эффективным способом повышения ресурса элементов сварных соединений водонапорной обшивки шлюзовых ворот является механическое снятие усиления валика сварного шва. Эти исследования показали, что за счет снижения геометрической концентрации напряжений удается достичь повышения усталостного ресурса до 3-х раз. При этом, однако, следует отметить более высокую трудоемкость данной технологии по сравнению с методом оплавления, в силу чего рекомендовать для практического использования в первую очередь можно метод оплавления, как более производительный, дешевый и в той же мере эффективный с точки зрения повышения ресурса.

Важнейшим вопросом является вопрос оптимизации технологии ремонта после появления эксплуатационных усталостных трещин в зоне сварных соединений водонапорной обшивки. В работе были проведены исследования применимости предлагаемых для использования на практике различных видов технологических подходов для таких работ. Это, прежде всего, разделка под сварку зоны трещины. Заварка без разделки трещины дает ресурс на уровне только порядка 2000 циклов (рис. 14). Столь низкая долговечность объясняется непроваром и наличием щелевого соединения при рассматриваемой технологии.

Следует рекомендовать способы заварки усталостных трещин методами, исключающими непровар и возникновение щелевых соединений. Это может быть достигнутую, в частности, применением механической разделки и электросварной строжки под сварной шов с двух сторон водонапорной обшивки, когда ресурс соединения может быть повышен до 8000 циклов, что составляет практически ресурс одной – двух навигаций. Дальнейшее повышение ресурса может быть обеспечено применением упрочняющих обработок и оплавлением. В этом случае при долговечности на уровне 20-30 тысяч циклов ресурс будет близок ресурсу новых сварных соединений этого типа (рис. 14).

Необходимо подчеркнуть, что методы упрочнения сварных соединений на практике требуется реализовывать лишь для ограниченного количества швов, расположенных только в максимально нагруженных зонах водонапорной обшивки. Так, например, для шпации можно рекомендовать обработку сварного соединения на большей стороне пластины на длину порядка 1/3 в средней части шпации. Это позволяет существенно снизить трудоемкость таких операций при изготовлении новых конструкций.

При ремонте после образования усталостных трещин разделку и упрочнение следует проводить на длину трещины с перекрытием каждой из сторон на 20-25 мм.

Таким образом, в работе показано, что при внедрении в практику проектирования и эксплуатации инженерных сооружений водонапорных обшивок шлюзовых ворот соответствующих технологий получения сварных соединений, методов их упрочнения и ремонта, удается поднять ресурс с одной навигации до трех-пяти, а новых конструкций до 8-10 навигаций.

ВЫВОДЫ

1. На основе разработанных экспериментально – расчетных методов и созданных пакетов прикладных программ установлены основные закономерности, уравнения и критерии для определения сопротивления деформированию и разрушению (до момента возникновения трещин) элементов водонапорной обшивки гидротехнических сооружений с учетом нелинейного поведения материала, реальной геометрии, особенности конструкции, условий эксплуатации и технологической наследственности.

2. Разработана методика сбора данных по нагрузкам шлюзовых двустворчатых ворот (затворов) и методы схематизации основных нагружающих факторов. Показано, что основным нагружающим фактором, определяющим в значительной степени их несущую способность, является гидростатическое давление. Выявлено, что воздействия основных нагружающих факторов на несущие элементы шлюзовых ворот носят явно выраженный циклический характер.

3. В результате проведенных исследований установлено, что разрушения конструкций элементов водонапорной обшивки гидротехнических сооружений в эксплуатационных условиях вызываются циклическим действием нагрузок. При этом число циклов нагружения до момента потери несущей способности (возникновения усталостных трещин), помимо истории нагружения, определяется также показателями сопротивления малоцикловому деформированию (кривые циклического упругопластического деформирования с учетом кинетики механических свойств материала) и разрушению (кривые малоцикловой усталости), а также реальной геометрией, условиями эксплуатации и технологической наследственностью.

4. Выполненный анализ причин возникновения аварийных ситуаций при эксплуатации шлюзовых ворот (затворов) показал, что большинство их связано с возникновением и распространением трещиноподобных дефектов, являющихся следствием воздействия малоциклового нагружения.

5. Разработана методика, оснастка, аппаратура и проведено экспериментальное исследование полей циклических упругопластических деформаций элементов шлюзовых ворот в реальных условиях эксплуатации. Исследование выполнено с использованием порядка 160 малобазных тензодатчиков, установленных в 5 наиболее нагруженных зонах: вереяльные и створные столбы, нижний пояс нижнего ригеля, диафрагма и обшивка ворот в районе 2-го и 3-го ригеля. При этом преобладали изгибные эффекты в рассматриваемых местах конструкции. Как показали эксперименты, изменения циклических деформаций от цикла к циклу не наблюдается, а материал ворот шлюза в эксплуатационных условиях в максимально напряженных местах работает за пределами пропорциональности.

6. Разработана методика, оснастка, аппаратура, получены образцы характерных зон материала шлюзовых ворот и выполнены экспериментальные исследования с целью установления характеристик сопротивления зон основного металла, зон термического влияния и зон сварных швов основных конструкционных материалов шлюзовых ворот статическому и циклическому упругопластическому деформированию и разрушению. Эксперименты выполнены на растяжение-сжатие на образцах сталей М16С, Ст. 3сп, 09Г2С, 10ХСНД, 16Г2АФ и др. Всего было испытано более 100 образцов. Для этих материалов получены данные по циклическим диаграммам деформирования с учетом их кинетики и кривым усталости. Эти данные показали, что испытанные конструкционные материалы можно отнести к классу циклически стабилизирующихся. Показано, также, что наиболее оптимальным уравнением для описания сопротивления испытанных материалов малоцикловому деформированию является уравнения обобщенного принципа Мазинга, а для описания их сопротивления малоцикловому разрушению является уравнение деформационно-кинетического критерия малоцикловой прочности. Для указанных условий испытаний предложены новые варианты этих уравнений и определенны соответствующие константы материалов.

7. Выполнены лабораторные исследования малоцикловой прочности с регистрацией деформаций модельных элементов шлюзовых ворот с различным конструктивным исполнением сварных соединений. В качестве модельных элементов использовались шпации, геометрически подобные натурным. Эксперименты показали, что:

- максимальные деформации в моделях обнаружены в направлении меньшей оси прямоугольной пластины водонапорной обшивки. Имеется значительный градиент в этом направлении деформаций по мере удаления от основания сварного шва;

- измеряемая вторая компонента деформации на поверхности в направлении большей оси прямоугольной пластины, оказывается меньше, чем первая в 3-4 раза. По мере приближения к центру пластины в зоне местного увеличения деформаций начинается рост компоненты деформаций в направлении большей из осей.

Установлено, что при распространении усталостных трещин на моделях, характерным было их развитие в длину до 250-300 мм, после чего разрушение начинало развиваться по основному металлу, отходя от зоны сварного соединения. Период развития трещин до окончательного разрушения составлял 5-10 тысяч циклов. В отличие от моделей у плоских образцов после образования поверхностных макротрещин разрушение интенсивно распространялось по длине и толщине сечения, причем период от момента образования трещины до окончательного разрушения составлял по числу циклов порядка 500 циклов.

8. С использованием разработанного в деформационной постановке численного метода выполнено исследование полей деформаций и напряжений в зонах сварных швов натурных конструкций и модельных элементов шлюзовых ворот с учетом физической нелинейности и дефектности сварных соединений. Расчетные данные показывали, что величины максимальных деформаций в зоне шпаций, непосредственно прилегающих к дефектам сварки типа подрезы, могут отличаться от соответствующих значений в шпациях без подрезов в 2 и более раз.

9. На базе разработанных экспериментально - расчетных методов выполнено исследование малоцикловой прочности шпаций с различными видами сварных соединений, имеющими место в реальной конструкции шлюзовых ворот: нахлесточных сварных швов с газосварочным оплавлением, нахлесточных сварных швов без оплавления и подреза, сварных швов встык со сварным валиком, сварных швов встык со снятием сварного валика, нахлесточных сварных швов второго ремонта без снятия сварного валика, нахлесточных сварных швов второго ремонта со снятием сварного валика с напорной стороны, сварных швов встык с оплавлением сварного валика с напорной стороны, сварных швов встык после первого ремонта без оплавления, сварных швов встык после второго ремонта с оплавлением сварного валика с напорной и ненапорной стороны.