Обоснование выбора точек контроля металлоконструкций экскаваторов — драглайнов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ГОРНЫЕ МАШИНЫ / ЭКСКАВАТОРЫ / ЭКСКАВАТОРЫ ДРАГЛАЙНЫ / МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ / БЕЗОПАСНАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ / ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ / ДИАГНОСТИКА И МОНИТОРИНГ / АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ / SAFE OPERATION / MINING MACHINERY / TECHNICAL CONDITION / EXCAVATOR / DIAGNOSTICS / ACOUSTIC EMISSION / METAL STRUCTURES

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Побегайло Пётр Алексеевич, Крицкий Дмитрий Юрьевич, Мутыгуллин Альберт Вакильевич, Шигин Андрей Олегович

Советское экскаваторостроение было построено на основании капитальных экспериментальных исследований. В ходе их проведения были исследованы практически все основные машины, применяемые на открытых горных работах и выявлены их «слабые» места, в том числе и с применением методов неразрушающего контроля. При этом был собран существенный и уникальный массив данных по отказам этих машин и комплексов. В сегодняшних условиях хозяйствования не использовать этот задел неразумно. Основу настоящей работы формирует выдвинутая авторами гипотеза о схеме построения первичного множества конечной мощности так называемых «слабых» мест экскаваторов с целью интенсификации их эксплуатационных характеристик. Это позволяет достаточно обоснованно подходить к вопросу о построении системы контроля состояния экскаваторов . Для конкретизации, авторами настоящей работы рассмотрены экскаваторы драглайны.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Побегайло Пётр Алексеевич, Крицкий Дмитрий Юрьевич, Мутыгуллин Альберт Вакильевич, Шигин Андрей Олегович

Общее состояние исследований одноковшовых экскаваторов в СССР на конец 60-х годов прошлого века. Исторический очерк

The rationale for the selection of control points critical stress states of steel structures of dragline excavators

Soviet excavator construction was based on the vast experimental research. In the course of the research, almost all the major machines used in open cast mining were investigated and their weak points were identified, including using non-destructive testing methods. At the same time, a substantial and unique array of data was collected on the failures of these machines and complexes. In today’s conditions of management, it is unreasonable not to use this reserve. The basis of presented work is formed by means of the advanced by the authors hypothesis dealing with the scheme for constructing a primary set of finite power of the so-called «weak points” of excavators in order to intensify their operational characteristics. This considers scientific and reasonable approach to the issue of constructing a system for monitoring the condition of excavators. For specification, the authors of this work consider dragline excavators.

Текст научной работы на тему «Обоснование выбора точек контроля металлоконструкций экскаваторов — драглайнов»

УДК 621.879.3 © П.А. Побегайло, Д.Ю. Крицкий, А.В. Мутыгуллин, А.О. Шигин, 2018

Обоснование выбора точек контроля металлоконструкций экскаваторов-драглайнов

ПОБЕГАЙЛО Пётр Алексеевич

Канд. техн. наук, старший научный сотрудник

Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, 101990, г. Москва, Россия, e-mail: petrp214@yandex.ru

КРИЦКИЙ Дмитрий Юрьевич

Инженер, начальник отдела

эксплуатации и ремонта ГТО АО «СУЭК-Красноярск», 660049, г. Красноярск, Россия, e-mail: kritskijdy@suek.ru

МУТЫГУЛЛИН Альберт Вакильевич

Начальник управления, главный механик АО «СУЭК», 115054, г. Москва, Россия, e-mail: MutygullinAV@suek.ru

ШИГИН Андрей Олегович

Доктор техн. наун, профессор, заведующий кафедрой «ГМК» СФУ, 660025, г. Красноярск, Россия, тел.: +7 (391) 206-36-97, e-mail: shigin27@rambler.ru

Советское экскаваторостроение было построено на основании капитальных экспериментальных исследований. В ходе их проведения были исследованы практически все основные машины, применяемые на открытых горных работах и выявлены их «слабые» места, в том числе и с применением методов неразрушающего контроля. При этом был собран существенный и уникальный массив данных по отказам этих машин и комплексов. В сегодняшних условиях хозяйствования не использовать этот задел неразумно. Основу настоящей работы формирует выдвинутая авторами гипотеза о схеме построения первичного множества конечной мощности так называемых «слабых» мест экскаваторов с целью интенсификации ихэксплуатационныххаракте-ристик. Это позволяет достаточно обоснованно подходить к вопросу о построении системы контроля состояния экскаваторов. Для конкретизации авторами настоящей работы рассмотрены экскаваторы драглайны. Ключевые слова: горные машины, экскаваторы, экскаваторы драглайны, металлоконструкции, безопасная эксплуатация, техническое состояние, диагностика и мониторинг, акустическая эмиссия.

Известно, что экскаваторы-драглайны состоят из набора взаимоувязанных сложных пространственных металлоконструкций в сочетании с приводом (о котором мы

далее говорить не будем). Детали металлоконструкций соединены путем сваривания. Общеизвестным является мнение о том, что от состояния металлоконструкций зависит успешная работа драглайна, а состояние металлоконструкций во многом определяется состоянием сварных швов. При этом автоматическая сварка, считающаяся нормой уже много лет, из-за длительных сроков эксплуатации отечественных машин (до 30 лет и более) встречается не на всех машинах и не во всех их узлах и элементах. Кроме этого, часто, в целях ремонта, сварные работы проводятся силами организаций, в которых данный экскаватор работает, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Необходимо также напомнить, что элементы металлоконструкций драглайнов в процессе их работы подвергаются пространственному знакопеременному динамическому нагружению. Оно имеет стохастический характер. При этом напряжения в металлоконструкциях носят переменный и случайный характер. В процессе такой циклической работы металлоконструкции драглайнов стареют, теряют устойчивость, деформируются и приобретают трещины; материалы, использованные в конструкции, изменяют свои свойства. Все это часто выходит за границы ожидаемого и желаемого (прогнозируемого).

Эта проблема, с одной стороны, иногда объясняется недостаточным уровнем качества проекта машины и/или ее непрофессиональным изготовлением еще на заводе (и/ или проблемами при сборке машины), с другой стороны, обычно является следствием совокупности:

— недостаточного качества обслуживания машины и плохой подготовки забоя;

— случайных изменений внешних условий, в число которых входят: перепады температур в широких пределах (от -60 до +50 С°), существенные изменения влажности (от 30 до 100%), высокая и случайная скорость порывов ветра, атмосферные осадки (и, как следствие, коррозия и рост на-груженности) и запыленность, солнечное излучение и т.п.

Заметим, что в наше время к этим проблемам добавилось еще и так называемое изменение климата с непредсказуемыми последствиями через несколько десятков лет.

При этом, как известно, более 90% отказов металлоконструкций драглайнов происходит в результате образования и развития трещин в сварных соединениях, имеющих существенную технологическую дефектность, при этом основными причинами служат дефекты сварки (15%), хрупкие и вязкие разрушения (40%). При этом сильное влияние на формирование лавинообразного роста потока отказов оказывает низкая температура (ниже -30 С°). За последние семьдесят лет этим вопросам, в приложении к драглайнам, был посвящен значительный корпус самых разных по уровню и содержанию работ, и мы укажем сейчас лишь несколько — [1, 2, 3, 4].

СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ЭКСКАВАТОРОВ

Одним из очевидных инженерных решений для улучшения эксплуатационных характеристик экскаваторов-драглайнов представляется научно обоснованное, активное и полномасштабное применение методов неразру-шающего контроля (МНК) [5, 6, 7]. Эти методы следует использовать все время эксплуатации машины — в формате «24/7». К этому обязывает и федеральный закон № 116 «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» [8].

Однако, несмотря на то, что и драглайны существуют уже более ста лет, и МНК известны не менее полувека, проблема как внедрения отмеченных методов, так и обоснования выбора конкретного метода или их совокупности в сочетании с технологией их эффективного применения (с обязательным экономическим обоснованием) для крупных экскаваторов не решена.

Отмеченная проблема усугубляется тем, что организации, эксплуатирующие экскаваторы-драглайны, не могут вести серьезных теоретических исследований собственными силами; не могут они и оплачивать привлечение экспертов к каждой появившейся трещине, к каждой отвалившейся гайке.

Это, очевидно, требует построения «промежуточных» решений сформулированной проблемы, позволяющих с достаточной вероятностью и точностью, в минимальное время и при минимальной себестоимости, при невысоких требованиях к знаниям и возможностям сотрудников (и при отсутствии современных профессиональных компьютеров и специализированного программного обеспечения) осуществлять первичный экспресс-анализ состояния металлоконструкций экскаваторов. Для построения указанных решений необходимо максимально достоверное знание о состоянии и поведении различных элементов металлоконструкций драглайна.

Для успешного решения этой задачи и с учетом всего вышесказанного нами предлагается Гипотеза о схеме построения первичного множества конечной мощности так называемых «слабых» мест экскаваторов-драглайнов.

Суть Гипотезы такова: слабые места металлоконструкций в условиях организации эксплуатирующей драглайны, можно определить только экспериментально. Однако проведение полномасштабных экспериментов на всех элементах машин невозможно. Тогда, с целью разрешения выявленного

противоречия, целесообразно воспользоваться имеющимся опытом по отказам и дефектам драглайнов как в самой организации, так и из известных работ советского периода. Такой подход позволяет нам сформировать первичное множество конечной мощности так называемых «слабых» мест экскаваторов-драглайнов (с учетом конкретных условий эксплуатации). После этого эти «слабые» места могут быть либо сразу использованы для дальнейшей работы по внедрению МНК, либо, при необходимости, сначала обследованы дополнительно, что уже вполне возможно, так как трудоемкость и стоимость работ в этом случае вполне приемлемые. После формирования указанного множества «автоматически» уточняются схемы обслуживания и ремонта, что, несомненно, повышает надежность указанных машин.

Заметим, что в ходе дальнейшего уточнения расположения, свойств и характера поведения «слабых» мест (а также и для решения прочих проблем вокруг металлоконструкций драглайнов) значительный интерес представляют труды, посвященные близким вопросам касательно металлоконструкций у иных машин: одноковшовых экскаваторов, роторных экскаваторов, монтажных кранов, погрузчиков и прочее [9, 10, 11, 12]. Однако использование их напрямую невозможно, а вопросы их переноса на структуры конструкций экскаваторов-драглайнов выходят за рамки настоящей работы.

Приведем три примера формирования указанного множества «слабых» мест:

— пример 1. Напомним, что к концу 1980-х годов в эксплуатации на горных предприятиях СССР находилось около 450 экскаваторов-драглайнов ЭШ-10/70А (и уже начали появляться их модификации — ЭШ-10/70Б). В период с 1978 по 1986 г. отраслевая научно-исследовательская лаборатория мощных экскаваторов МИСИ им. В.В. Куйбышева вела постоянное наблюдение за эксплуатацией 75 таких экскаваторов (17% парка этих машин). Работой в разное время руководили: доктор техн. наук Н.Н. Кисилёв, канд. техн. наук М.С. Балаховский, доктор техн. наук А.А. Дёмин под непосредственным патронажем патриарха отечественного экскаваторостроения, доктора техн. наук, профессора Н.Г. Домбровского.

На основании анализа собранного экспериментального и эксплуатационного материала были выявлены основные дефекты и отказы стрел экскаваторов ЭШ-10/70А. Нами было произведено обобщение собранных тогда данных (рис. 1).

Наиболее часто встречающимися дефектами и отказами для указанных машин были (и остаются): разрушение обоймы упорного подшипника на цапфе траверсы головных блоков; трещина по сварному шву крепления оголовка к металлоконструкции стрелы; трещины по кольцевым сварным швам в стыковых соединениях; трещины по кольцевым сварным швам оснований верхних секций; трещины по поверхности труб в местах приварки кронштейнов наклонных раскосов; вибрация крестовых раскосов нижней секции; трещины по сварным кольцевым швам, соединяющим основание стрелы с поясами нижних секций.

Отметим, что мощность множества «слабых» мест стрелы экскаватора ЭШ-10/70А составляет двенадцать;

— пример 2. Еще одной весьма распространенной машиной является драглайн ЭШ-20/90 с иным типом стрелы.

На основании анализа и обобщения опыта АО «СУЭК», МИСИ им. В.В. Куйбышева и УЗТМ для этой машины нами также получено множество «слабых» мест. Они указаны на рис. 2 и 3.

Отметим, что мощность множества «слабых» мест в данном случае три для стрелы и шесть для надстройки. Иными словами, у стрелы, ковша и надстройки экскаватора ЭШ-20/90 необходимо постоянно контролировать: состояние целостности металлоконструкций головной секции стрелы (см. рис. 2, поз. 1); серьги подвески стрелы (см. рис. 2, поз. 2); подвеску стрелы — трехопор-ную проушину (см. рис. 2, поз. 2); подвеску стрелы, подкос, «ключ», трехопор-ную проушину (см. рис. 2, поз. 3); проушины крепления подкосов (см. рис. 2, поз. 4); переднюю стойку надстройки (см. рис. 2, поз. 5); раскосы нижнего пояса стрелы (см. рис. 2, поз. 6); кольцевую балку в поворотной платформе (см. рис. 2, поз. 7); кольца и проушины в упряжи ковша (см. рис. 2, поз. 8); места крепления блоков наводки на передней стойке надстройки (см. рис. 3 поз. 1); состояние металла в нижней трети самой стойки (см. рис. 3 поз. 2); сварочные швы шарнирных соединений проушин крепления подкосов к поворотной платформе (см. рис. 3 поз. 3);

— пример3. Без указания деталей отметим, что мощность множества «слабых»

мест стрелы экскаватора драглайна ЭШ-15/90А составляет три, а для экскаватора с трехгранной жесткой стрелой -два [13]. Несомненно, что эта информация нуждается в дальнейшем уточнении.

Последующая работа с выявленными «слабыми» местами сегодня существенным образом опирается на разработанную нами схему контроля технического состояния несущих металлоконструкций экскаваторов-драглайнов (рис. 4).

Заметим, что одна из главных функциональных задач указанной схемы состоит в иллюстрации фрагмента структуры сложного движения и взаимодействий информационных потоков (и сопутствующего ей оборудования и программного обеспечения), потребных для обеспечения безопасности работ экскаваторов и ряда служб на предприятиях АО «СУЭК».

Новизна указанной схемы состоит в том, что в ее фундамент заложены возможности сценарного и индикаторного подходов для управления состоянием как единичных экскаваторов, так и отдельных подразделений компании (основанные на работах научной школы академика В.А. Легасова и чл.-корр. П.П. Пархоменко). В перспективе это позволит, осуществляя процедуру многокритериальной оптимизации, привести все информационные (и прочие) структуры предприятия к совершенству.

Рис. 2. Экскаватор ЭШ-20/90 с наиболее «слабыми» местами в своих металлоконструкциях

Рис. 3. Надстройка экскаватора ЭШ-20/90 с наиболее «слабыми» местами

С учетом, представленной на рис. 4 схемы нами предложена оригинальная методика контроля сплошности металла и сварных швов надстройки экскаваторов-драглайнов методом акустической эмиссии в круглосуточном режиме при любых погодных условиях. Ее новизна состоит в обоснованном выборе мест точек контроля, научно обоснованном выборе самого метода и схемы его применения. Это дополнительно сопровождалось технико-экономическим обоснованием. Детали этой методики будут изложены нами в последующих работах. При этом отметим, что на фундаменте наших исследований, для экскаваторов-драглайнов на предприятиях АО «СУЭК» внедрено несколько соответствующих нормативных документов.

В настоящей работе нами на основании известных данных по эксплуатации экскаваторов-драглайнов, сформулирована актуальная проблема, имеющая и научное, и практическое значение. А именно: несмотря на то, что и драглайны существуют уже более ста лет, и МНК известны не менее полувека, проблема как внедрения отмеченных методов, так и обоснования выбора конкретного метода или их совокупности в сочетании с технологией их

эффективного применения (с обязательным экономическим обоснованием) для крупных экскаваторов не решена.

Для решения сформулированной нами проблемы мы установили, что нуждаемся в знании «слабых» мест металлоконструкций экскаваторов-драглайнов. Для поиска и обоснованного выбора таких слабых мест нами выдвинута Гипотеза о схеме построения первичного множества конечной мощности «слабых» мест экскаваторов-драглайнов, которая, на наш взгляд, наилучшим образом подходит для эксплуатирующих такого рода машины организаций. В качестве подтверждения полезности выдвинутой нами Гипотезы в работе приведены соответствующие примеры, сформированные с учетом и советского, и современного опыта. Точность предложенного нами подхода обеспечивается использованием значительного статистического материала.

Далее нами представлена схема предложенных методов технического диагностирования для шагающих экскаваторов ЭШ-20/90. При этом отмечена ее новизна как фрагмента структурной иерархической схемы «течения» информационных потоков внутрифирменных взаимодействий («кровеносной системы фирмы» [14]), оптимизация которых в будущем может улучшить жизнедеятельность организации. В фундамент указанной схемы заложены идеи и методы сценарного и индикаторного подходов к управлению состоянием сложных технических систем.

Отмеченная совокупность поставленных и решенных нами вопросов (с разным уровнем исчерпанности проблем, ибо нельзя объять необъятное) составляет часть основания для будущей методологии оценки и управления техническим состоянием уникального горного оборудования большой производственной мощности, например экскаваторов-драглайнов, что будет служить задаче успешного выполнения Федерального закона № 116-ФЗ [8].

Таким образом, наши исследования, способствуя интенсификации качества применения МНК несущих металлоконструкций экскаваторов, приводят к росту их надежности и удешевлению их эксплуатации. Попутно успешно решается и вопрос безопасности промышленных объек-

тов. Также полезны наши результаты и для проектировщиков экскаваторов, так как они имеют возможность уточнить расчетные схемы машин и их элементов и узлов. Несомненно, авторами настоящей работы внесен существенный вклад в реализацию программы Правительства РФ по развитию угольной отрасли на период до 2030 г. [15, 16].

1. Дёмин А.А., Кочетов Е.В. Надежность шагающих драглайнов // Горное оборудование (НИИинформтяжмаш). 1977. № 32. 52 с.

2. Дёмин А.А., Игнатьев А.А., Кочетов Е.В. Пути повышения надежности мощных экскаваторов // Горное оборудование

(ЦНИИТЭИтяжмаш). 1979. № 34. 50 с.

3. Моделирование прочности и разрушения несущих конструкций технических систем / Ю.И.Шокин, А.М. Ле-пихин, В.В. Москвичев, С.В. Дорохин. Новосибирск: Наука, 2005. 250 с.

4. Dayawansa P. & etc. Fracture mechanics of mining dragline booms // Engineering Failure Analysis. 2006. N 13(4). Pp. 716-725.

5. Иванов В.И., Корнилов А.В., Мусатов В.В. Техническое диагностирование при оценке риска аварии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. № 7. С. 45-50.

6. Научно-методические основы дефектоскопии, диагностики и мониторинга состояний материалов и технических систем / Н.А. Махутов, М.М. Гаденин, В.В. Иванов, П.В. Миодушевский // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. № 10. С. 47-56.

7. Оценка технического состояния несущих металлоконструкций шагающих экскаваторов по параметрам акустико-эмиссионного сигнала / Б.А. Герике, С.И. Протасов, А.В. Менчугин, П.В. Буянкин // Горное оборудование и электромеханика. 2009. № 5. С. 25-30.

8. Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21.07.1997 № 116-ФЗ (ред. от 04.03.2013) (с изм. и доп., вступающими в силу с 01.07.2013). 21 с.

9. Rusiñski E. & etc. Surface mining machines: problems of maintenance and modernization. Springer International Publishing AG, 2017. 169 p. doi: 10.1007/978-3-319-47792-3.

10. Barnes N., Joseph Т., Mendez P.F. Issues associated with welding and surfacing of large mobile mining equipment for use in oil sands applications // Journal Science and Technology of Welding and Joining. 2015. № 20 (Issue 6: Problems in the Welding of Automotive Alloys). Pp. 483-493. doi: 10.1179/1362171815Y.0000000060.

11. Cai F. & etc. Fatigue life analysis of crane k-type welded joints based on non-linear cumulative damage theory // Strojniski vestnik — Journal of Mechanical Engineering. 2014. N 60(2). Pp. 135-144. doi:10.5545/sv-jme.2013. 1368.

12. Leitner M. & etc. Application studies for fatigue strength improvement of welded structures by high-frequency mechanical impact (HFMI) treatment // Engineering Structures, № 106, 2016. Pp. 422-435. doi: 10.1016/j.engstruct.2015.10.044.

13. Руководство по ультразвуковой дефектоскопии для одноковшовых экскаваторов. Кемерово: Энергомеханическое управление Министерства угольной промышленности СССР, 1983.

14. Гейтс Б. Бизнес со скоростью мысли. М.: ЭКСМО-Пресс, 2000. 477 с.

15. Подэрни Р.Ю. Мировой рынок поставок современного выемочно-погрузочного оборудования для открытых горных работ // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015. № 2, С. 148-167.

16. Программа развития угольной промышленности России на период до 2030 года. Распоряжение Правительства РФ от 21 июня 2014 г. №1099-р. М., 2014. 178 с. URL: http://government.ru/media/files/41d4eab427ce44a21148. pdf. (дата обращения: 15.05.2018).

COAL MINING EQUIPMENT

UDC 621.879.3 © P.A. Pobegaylo, D.Yu. Kritskij, A.V. Mutygullin, A.O. Shigin, 2018

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol’ — Russian Coal Journal, 2018, № 7, pp. 48-52

the rationale for the selection of control points critical stress states of steel structures of dragline excavators

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-6-48-52 Authors

Pobegaylo P.A.1, Kritskij D.Yu.2, Mutygullin A.V.3, Shigin A.O.4

1 A.A. Blagonravov Mechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, 101990, Russian Federation

2 «SUEK-Krasnoyarsk» JSC, Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation

3 «SUEK» JSC, Moscow, 115054, Russian Federation

4 Siberian Federal University, Krasnoyarsk, 660025, Russian Federation

Pobegaylo P^., PhD (Engineering), Senior Scientific Researcher, e-mail: petrp214@yandex.ru

Kritskij D.Yu., Engineer, Head of the Mining conveying equipment Operation and Maintenance e-mail: kritskijdy@suek.ru

Mutygullin A.V., Management Head, Chief Mechanical Engineer, e-mail: Mu-tygullinAV@suek.ru

Shigin А.О., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Mining and Machinery Complexes Department Head, tel.: +7 (391) 206-36-97, e-mail: shigin27@ rambler.ru

Soviet excavator construction was based on the vast experimental research. In the course of the research, almost all the major machines used in open cast mining were investigated and their weak points were identified, including using non-destructive testing methods. At the same time, a substantial and unique array of data was collected on the failures of these machines and complexes. In today’s conditions of management, it is unreasonable not to use this reserve. The basis of presented work is formed by means of the advanced by the authors hypothesis dealing with the scheme for constructing a primary set of finite power of the so-called «weak points» of excavators in order to intensify their operational characteristics. This considers scientific and reasonable approach to the issue of constructing a system for monitoring the condition of excavators. For specification, the authors of this work consider dragline excavators.

Safe operation, Mining machinery, Technical condition, Excavator, Diagnostics, Acoustic emission, Metal structures.

1. Demin A.A. & Kochetov E.V. Nadezhnost’ shagayushchih draglaynov [Walking draglines reliability] // Gornoe oborudovanie (Nllinformtyazhmash) — Mining Equipment (Nllinformtyazhmash), 1977, No. 32, 52 p.

2. Demin A.A., Ignatyev A.A. & Kochetov E.V. Puti povysheniya nadezhnosti moshchnyh ehkskavatorov [Ways of powerful excavators reliability improvement]. Gornoe oborudovanie (TsNIITEItyazhmash) — Mining Equipment (CNIIT-Eltyazhmash), 1979, No. 34, 50 p.

3. Sholin Yu.I., Lepikhin A.M., Moskvichev V.V., Dorokhin S.V. Modelirovanie proch-nosti i razrusheniya nesushchih konstruktsiy tekhnicheskih sistem [Engineering systems bearing structures strength and destruction simulation]. Novosibirsk, Nauka Publ., 2005, 250 p.

4. Dayawansa P. etc. Fracture mechanics of mining dragline booms. Engineering Failure Analysis, 2006, No. 13(4), pp. 716-725.

5. Ivanov V.I., Kornilov A.V. & Musatov V.V. Ekhnicheskoe diagnostirovanie pri otsenke riska avarii [Technical diagnostics during accident risk assessment]. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov — Plant laboratory. Materials diagnostics, 2015, No. 7, pp. 45-50.

6. Makhutov N.A., Gadenin M.M., Ivanov V.V. & Miodushevskiy P.V. Nauchno-metodicheskie osnovy defektoskopii diagnostiki i monitoringa sostoyaniy materialov i tekhnicheskih sistem [Scientific and methodological basics of materials and engineering systems nondestructive testing, diagnostics and status monitoring]. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov — Plant laboratory. Materials diagnostics, 2015, No. 10, pp. 47-56.

7. Gerike B.A., Protasov S.I., Menchugin A.V. & Buyankin P.V. Otsenka tekhnichesk-ogo sostoyaniya nesushchih metallokonstruktsiy shagayushchih ehkskavatorov po parametram akustiko-ehmissionnogo signala [Walking excavators support structures technical condition assessment based on acoustic emission signal parameters]. Gornoe oborudovanie i ehlektromekhanika — Mining Equipment and Electromechanics, 2009, No. 5, pp. 25-30.

8. Federalnyy zakon O promyshlennoy bezopasnosti opasnyh proizvodstvennyh obektovot21 07 1997116-FZredot 04 03 2013 s izm i dop vstupayushchimi vsilu s 01 072013 [Federal Law «On hazardous production facilities industrial safety’, dated 21/07/1997, No. 116-FZ (revised as of 04.03.2013) (including revisions and amendments effective as of 01.07.2013), 21 p.

9. Rusinski E. etc. Surface mining machines: problems of maintenance and modernization. Springer International Publishing AG, 2017. 169 p. doi: 10.1007/9783-319-47792-3.

10. Barnes N., Joseph T., Mendez P.F. Issues associated with welding and surfacing of large mobile mining equipment for use in oil sands applications. Journal Science and Technology of Welding and Joining, 2015, No. 20 (issue 6: Problems in the Welding of Automotive Alloys), pp. 483-493. doi: 10.1179/1362171815Y.0000000060.

11. Cai F. etc. Fatigue life analysis of crane k-type welded joints based on nonlinear cumulative damage theory. Strojniski vestnik — Journal of Mechanical Engineering, 2014, No. 60(2), pp. 135-144. doi: 10.5545/sv-jme.2013.1368.

12. Leitner M. etc. Application studies for fatigue strength improvement of welded structures by high-frequency mechanical impact (HFMI) treatment. Engineering Structures, 2016, No. 106, pp. 422-435. doi: 10.1016/j.engstruct.2015.10.044.

13. Rukovodstvo po ultrazvukovoy defektoskopii dlya odnokovshovyh ehkskavatorov [Ultrasonic non-destructive testing manual for shovel excavators]. Kemerovo, Electromechanical Department at the Ministry of Coal Industry of the USSR, 1983.

14. Gates B. Biznes so skorostyu mysli [Business at the speed of thought]. Moscow, EKSMO-Press Publ., 2000, 477 p.

15. Poderni R.Yu. Mirovoy rynok postavok sovremennogo vyemochno-pogru-zochnogo oborudovaniya dlya otkrytyh gornyh rabot [Global market of the advanced extraction and loading equipment for open-pit mining]. Gornyy Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten’ — Mining Information and Analytical Bulletin, 2015, No. 2, pp. 148-167.

Руководство по ультразвуковой дефектоскопии одноковшовых экскаваторов

Дефектоскопист.ру | Неразрушающий контроль запись закреплена

Здравствуйте, коллеги дефектоскописты. У меня #вопросНК к имеющим опыт в проведении УЗК стрелы экскаватора. Заказчик проделал ремонт сварных соединений стрелы, теперь им требуется провести ультразвуковой контроль всех сварных соединений стрелы экскаватора. Кто-нибудь проводил такой контроль? Каким РД (ГОСТ) пользоваться? В основном нахлестные стыки и тавровые. #вопросНК

опа

РД-15-14-2008 Методические рекомендации о порядке проведения экспертизы промышленной безопасности карьерных одноковшовых экскаваторов
Гласит:
Методики УК деталей КЭ приведены в Руководстве по ультразвуковой дефектоскопии одноковшовых экскаваторов, утвержденном Министерством угольной промышленности СССР 27.09.82 г., стандартах ГОСТ 27518-87 «Диагностирование изделий. Общие требования», ГОСТ 12503-75* «Сталь. Методы ультразвукового контроля. Общие требования», ГОСТ 14782-86. «Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые», а также в руководствах по применению дефектоскопов. Рекомендуемые к применению типы дефектоскопов приведены в приложении N 4.

Всё что нужно знать про ультразвуковой контроль (УЗК) в одной статье

Если Вам необходимо разобраться с ультразвуковым контролем (УЗК), узнать основные способы выполнения и область его применения то все это вы найдете в этой статье. Вас ждет подробное описание простыми словами этого способа неразрушающего контроля.

Что такое УЗК сварочных стыков

Ультразвуковой контроль (УЗК) или ультразвуковая дефектоскопия — это метод неразрушающего контроля. Детали и материалы, подвергаемые ему, не получают повреждений. Его применяют во многих сферах и отраслях в промышленности, в медицине и т. д.

Данный метод активно применяется при контроле сварных швов таких как: стыковые, угловые, нахлестрочные и тавровые с конструктивным проваром (это те швы у которых после сварки не останется внутри непроваренного участка). На рисунке для примера приведен тавровый шов с конструктивным проваром Т8 по ГОСТ 5264)

Методика основан на применении ультразвука (звуковой волны с частотой свыше порога слышимости более 20 кГц, для контроля используются частоты от 180 кГц – 10 МГц, а иногда и до 100 МГц).

При контроле ультразвуком используются 2 основных принципа:

1. Изменение амплитуды у отражённого сигнала (выявляются дефекты).
2. Измерение времени, за которое волна проходит изделия (определяется толщина)

На основе этих 2 принципов и проводится контроль сварных соединений, металла при входном контроле, и различного оборудования, которое уже длительное время отработало и нужно оценить его остаточный ресурс.

Для чего проводят ультразвуковой контроль

Данным методом неразрушающего контроля возможно:

1. Оценить наличие размеры очагов коррозии;
2. Выявить внутренние (подповерхностные) дефекты – трещины, не сплавления, отслоение металла, поры, шлаковые включения и прочее не сплошности сварочного шва и основного металла.
3. Оценить качество шва и определить глубину залегание дефектов.

Данным методом проводит диагностирование оборудование как действующего, так и нового (перед вводом в эксплуатацию), а также контролируется качество сварки после её выполнения.

При выполнении контроля в некоторых случаях даже не требуется опорожнение сосудов и трубопроводов (удаление среды), что делать данную методику очень востребованный.

Применяемое оборудование

При УЗК используется следующее оборудование:

1. Дефектоскоп.
2. Пьезоэлектронный преобразователь (ПЭП).
3. Соединяющий Lemo кабель.

Дефектоскопы применяемые в настоящее время имеет небольшие размеры их удобно использовать и не сложно переносить. В зависимости от производителя различается и функционал дефектоскопов от самых простейших с монохромными дисплеями типа УД-2-70 до самых компактных и передовых с цветными дисплеями и программным управлением.

Пьезоэлектронные преобразователи (или сокращённо ПЭПы) различаются по частотам, углам ввода, способам излучения и так далее.

Для контроля сварных швов используются следующие типы:

Совмещённые преобразователи — имеет только один пьезоэлемент который является и излучателем, и приёмником одновременно.

Раздельно-совмещённые преобразователи имеют уже 2 пьезоэлемента один из которых является источником волн, а другой приёмником. Данные преобразователи обеспечивают более точное определение дефекта. Ими можно контролировать под поверхностные дефекты и проводить контроль поверхности с высокой шероховатостью.

Виды ультразвуковой дефектоскопии

Сейчас существует и применяется порядка 16 методов ультразвукового контроля, но на практике из этого числа как правило применяется только 7 методов. О них и поговорим поподробнее.

1. Эхо-метод.
2. Эхо-зеркальный.
3. Дельта метод.
4. Зеркально теневой метод.
5. Теневой.
6. Ревербационно-сквозной метод.
7. Акустико-эмиссионный метод.

Сущность метода

Эхо-методом (в некоторых источниках – эхо-импульсный). Это самый применяемый метод УЗК и чаще всего он применяется для проверки сварочных швов. Принцип метода, следующий: звуковая волна, проходя через контролируемое изделие отражается от поверхности дефекта (если он есть) или от поверхности дна (если дефектов нет). При обнаружении дефекта прибор фиксирует это сигналом на дисплее. Для применения данного способа достаточно доступа только с одной стороны и в некоторых случаях не нужно разбирать оборудование.

Контролировать сварные швы можно без снятия усиления используя наклонные ПЭПы. Для проведения контроля потребуется зачистка шва на расстояние 100 мм в оба направления, шероховатость должна быть не выше Ra 3.2. Также потребуется нанести контактную жидкость (гель, глицерин, минеральное масло и т.д.)

Эхо-зеркальный метод. Для его реализации используется 2 ПЭПа один – трансмиттер, излучающий звуковые волны. Второй – ресивер, приемник отраженных волн от дефекта или донной поверхности. Располагаются они с одной стороны контролируемой детали и перемещаются совместно.

Данный метод применяется для выявления вертикально расположенных дефектов, чаще всего непроваров, несплавлений и трещин расположенных в корне шва.

Дельта метод. Принцип метода, следующий: излучатель вводит в изделие звуковые волны, которые рассеиваются и превращаются на краях дефекта в продольную волну, которую фиксирует ресивер продольных волн. Для контроля достаточно доступа с одной стороны. Данный метод является сложным в применении из-за необходимости чрезвычайно точной настройки дефектоскопа. Также предъявляются высокие требования к компетенции дефектоскописта. Данный способ активно применяется там, где предполагается наличие вертикально ориентированных дефектов.

Зеркально теневой метод основан на том, что производится измерение снижения силы сигнала от дефекта. При контроле сигнал дважды проходит сечение объекта.
Данный метод часто используют вместе с эхо-методом для дополнительного контроля.

Теневой (в некоторой литературе амплитудно-теневой) – данный метод основывается на снижении амплитуды звуковой волны после прохождения через дефект. Для него требуется двухсторонний доступ. Излучатель устанавливают с одной стороны, а приемник с другой и проводят прозвучивание. Важной особенностью является то, что нельзя определить глубину нахождения дефекта. Используют его для контроля листовых конструкций.

Ревербационно-сквозной метод используется для контроля в полимерных, многослойных материалах и композитах. Датчики располагаются с одной стороны объекта контроля, звуковая волна, пропускаемая через тело объекта, совершает несколько отражений от донных поверхностей.

Акустико-эмиссионный метод. Этот способ применяется там, где нужно выявить дефекты на ранней стадии их образование. Метод основан на способности изучать звуковые волны низкой частоты в процессе возникновение дефектов таких как: трещин и структурных перестроения.

На контролируемые изделия устанавливаются множество датчиков, которые фиксируют данные волны и передают их на усилители. Далее сигнал попадает в блок информационной обработки, в котором отфильтровываются посторонние шумы. Полученное значение выводится на дисплей.

Ниже приведем схему проведения акустико-эмиссионного контроля.

Данный способ чаще всего применяется на объектах химической и нефтехимической промышленности: резервуарах, ёмкостях и трубопроводах.

Свойства ультразвуковой волны

Звуковая волна как вид механического колебания обладают следующими свойствами:

1. Период—(Т) — то время, за которое совершается одно полное колебание.
2. Длина волны – (λ) — это то расстояние который проходит волна за одно колебание.
3. Чистота (f) — важная характеристика, которая показывает сколько совершается колебаний за 1 секунду.
4. Амплитуда (dB) — максимальное отклонение волны от равновесного состояния.

При ультразвуковом контроле также учитывается типа волн:

Углы направления

При проведении УЗК используются ПЭПы (пьезоэлектронные преобразователи). Они же в свою очередь отличаются по углу ввода волны в контролируемые материалы на:

Прямые—создают и получают ультразвуковые волны под прямым углом к поверхности контроля.

Наклонные преобразователи — создают и получают ультразвуковой волны под различными углами отличными от нормали к поверхности. Чаще всего на практике применяются ПЭПы с углами ввода 50, 65 и 70 градусов.

Какие дефекты можно выявить

При контроле можно выявить следующий дефекты:

1. Поры.
2. Расслоения.
3. Шлаковые и другие включения.
4. Непровары.
5. Несплавления кромок.

Перечислены лишь основные дефекты. с помощью ультразвука можно выявить и другие несплошности, а также их расположение и размеры.

Область применения — где применяется ультразвуковой контроль

Ультразвуковой контроль весьма универсальный метод и обладает очень широкой областью применения. С его помощью можно контролировать как металлические, так и неметаллические изделия такие как: керамика, полимеры, стекло. Ограничением является лишь контроль пористых материалов, в которых происходит сильное затухание волн. Также весьма затруднительно использование данного метода при контроле изделий со сложной конфигурацией (резьбовые соединения) и контроль на малых толщинах.

УЗД (ультразвуковая дефектоскопия) применяется при контроле сварных швов и основного металла при техническом диагностировании, строительстве, реконструкциях в процессе эксплуатации и при монтаже. Применяется на таких объектах как :

• объекты котлонадзора (котельное оборудование);
• подъёмные сооружения (краны, подъёмники, лифты и так далее);
• объекты газоснабжения;
• горная промышленность (здание и сооружение, а также оборудование шахт и рудников);
• угольная промышленность;
• объекты контроля нефтяной и газовой промышленности;
• металлургическая промышленность;
• объекты химической и нефтехимической промышленности;
• железнодорожный транспорт;
• хранение, переработка зерна;
• объекты строительства (здания и сооружения, а также металлические конструкции);
• электроэнергетика.

Преимущества и недостатки методики

Преимуществами методы являются:

1. Скорость проведения контроля — данный получают без задержек в режиме реального времени (не требуется проявка пленок или расшифровка данных с магнитных лент).
2. Высокая универсальность метода позволяющая контролировать большую номенклатуру материалов и изделий.
3. Возможно выполнение контроля во всех пространственных положениях.
4. Возможна автоматизация метода.
5. Контроль больших толщин (вплоть до 3–5 м).
6. Метод безвреден для человека.
7. Большинство оборудования компактно и портативно (облегчает работу в полевых условиях).

Как у медали 2 стороны, так и у данного метода есть своя 2 сторона – недостатки.

К недостаткам метода относятся:

1. Сложно оценить реальные размеры дефекта.
2. Ряд ограничений при контроле материалов, имеющих зернистую или крупнозернистую структуру в которых происходит сильное затухание волны.
3. Имеется мёртвая зона при контроле поверхностных и подповерхностных дефектов.
4. Требуется высокое качество зачистки поверхности при контроле контактными способами.

Порядок проведения УЗК

Рассмотрим порядок проведения ультразвуковой дефектоскопии на примере контроля сварных швов. Перед контролем должны быть завершены все работы на данном оборудовании.

Перед началом необходимо зачистить зону вдоль сварочного шва на расстояние Д которая рассчитывается по формуле Д= Lмах+30 мм; где L — длина зоны перемещения ПЭПа (как правило 120 — 150 мм).

Зачистку для проката можно не производить, а убрать только брызги металла и коррозию глубина которой более 1 мм. Все забоины, вмятины и неровности должны быть устранены. Зачистку производит с помощью металлических щеток, напильников, также с помощью шлифовальные машинки с применением абразивных кругов.

Шероховатость подготовленной поверхности должна быть не выше Rz40 а температура при которой будет производиться контроль должна быть в пределах от минус 30 до плюс 30 градусов.

Далее для создания акустического контакта на поверхность наносится контактная жидкость (глицерин, минеральные трансмиссионные и машинные масла, специализированные жидкости и гели).

После производится настройка дефектоскопа на стандартных образцах СО-2 и СО-3, а чувствительность устанавливается по искусственно выполненному отражателю (дефекту) на стандартном образце предприятия – СОПе. Конструкции СОПов с искусственными отражателями приведены ниже.

Проверку исправности ПЭПов производят на стандартных образцах предприятия СО-2 и СО-3. СО-3 используют для определения точки выхода и стрелы.

С помощью СО— 2 определяют угол ввода.

На стандартном образце предприятия (СОПе) выполнен максимально допустимый дефект для данного объекта контроля при заданный толщине. По нему производится настройка чувствительности дефектоскопа. Сначала производится настройка сигнала, получаемого однократно отраженным лучом, а после настраивается сигнал, получаемый при контроле прямым лучом. Самые часто применяемый способы контроля прямым и однократно отраженным лучом.

Далее производится прозвучивание самого объекта. Преобразователь располагают перпендикулярно сварочному шву и плавно перемещают, удаляя и приближая совершая как бы возвратно-поступательные движения. В процессе совершения перемещений преобразователь поворачивают на угол от 10 до 15 градусов вправо влево. Шаг перемещения должен быть не более 5-6 мм.

В процессе сканирования дефектоскопист отслеживает получаемые сигналы на дисплее дефектоскопа и в случай брака отмечает место на изделии маркером или мелом.

Ниже можете ознакомиться со схемами прозвучивания различных сварочных соединений.

Параметры оценки результатов

Расшифровка результатов, полученных ультразвуковым методам контроля при прозвучивании сварных соединений, является одним из важных этапов работы.

При обнаружении дефекта измеряют:

1. Глубину залегания дефекта.
2. Протяженность.
3. Расстояние между дефектами (если их несколько).
4. Максимальную амплитуду от сигнала.
5. Суммарную протяженность дефектов.

Результаты заносятся в журнал контроля, а также в заключение или протокол. В журнале контроля указывают:

• Номер сварочного стыка по формуляру и его тип;
• длина контролируемого участка;
• № СОПа;
• рабочая частота и угол ввода;
• результаты контроля;
• участки, которые не удалось проконтролировать (при отсутствии доступа);
• дата контроля и подписи дефектоскопистов.

Выявленные дефекты при контроле описываются с помощью буквенно-цифирного обозначения. Для обозначения дефектов следует использовать ГОСТ 14782.

Обучение и аттестация специалистов

Обучение и аттестацию специалистов по ультразвуковой дефектоскопии проводит в специальных аттестованных организациях. Существует 3 уровня квалификации у дефектоскопистов.

I уровень присваивается новичкам работа которых будет проводиться под наблюдением специалиста со II или III уровнем. Специалист первым уровнем не может самостоятельно выбрать методику контроля, проводить оценку результатов, подбирать технологию и режим.

Дефектоскопист II уровня могут самостоятельно проводить и руководить работами. Принимать решение по выбору способа контроля, методик, технологий, также проводить оценку результатов контроля. Они могут разрабатывать технологические карты и утверждать их.

Дефектоскописты с III уровнем могут руководить работой дефектоскопистов с I и II уровнем, проводит обучение и аттестацию.

УЗК сварных швов трубопроводов

Зачастую УЗК сварных швов трубопроводов проводят лишь с одной стороны. При этом используются ПЭПы наклонные и прямые. В зависимости от толщины стенки ПЭПы подбираются по частоте.

Ниже в таблице приведены критерии выбора преобразователя.

Если контролируются трубопроводы диаметром от 10 до 530 мм с небольшой толщиной стенки (до 8-9 мм), лучше использовать хордовый раздельно-совмещённые преобразователи. Это увеличит скорость контроля и точность полученных результатов.

Критерии выбора преобразователя в зависимости от диаметра трубопровода и толщины стенки приведены ниже в таблице.

Источник https://cyberleninka.ru/article/n/obosnovanie-vybora-tochek-kontrolya-metallokonstruktsiy-ekskavatorov-draglaynov

Источник https://vk.com/wall-40334017_151866

Источник https://mrmetall.ru/ultrazvukovoy-kontrol-uzk/