Малоцикловая прочность элементов шлюзовых ворот судоходных гидротехнических сооружений и методы продления их ресурса

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1
10
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМ
ПРОЧНОСТИ, УСТАЛОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ
КОНСТРУКЦИЙ ШЛЮЗОВЫХ ВОРОТ СУДОХОДНЫХ 28
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ (СГТС)
1.1 - 28 Особенности конструкций и условий эксплуатации
шлюзовых ворот СГТС
1*1*1 Двустворчатые ворота " ^
1.1.2 Откатные ворота " ^
1*1*3 Сегментные ворота " ^
1.2
1.3
1.4
1.5
Анализ причин отказов и возникновения аварийных состояний шлюзовых ворот СГТС
Расчетно-аналитические методы исследования прочности, усталости и трещинообразования шлюзовых ворот СГТС
Обзор методов экспериментального исследования процессов возникновения и распространения усталостных трещин в элементах шлюзовых ворот
Постановка задач экспериментального и численного исследований
37
45
49
54
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ
ШЛЮЗОВЫХ ВОРОТ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ
НЕУПРУГОМ НАГРУЖЕНИИ
2.1 Основные особенности сопротивления конструкционных материалов шлюзовых ворот деформированию, накоплению повреждений и распространению трещин в условиях эксплуатации
2.2 Уравнения состояния конструкционных материалов шлюзовых ворот при эксплуатации в условиях малоциклового нагружения
2.3 Деформационно-кинетические критерии мапоцикловой прочности конструкционных материалов шлюзовых ворот
2.4 Основные критерии трсщиностойкости материалов шлюзовых ворот при статическом, повторностатическом и циклическом нагружениях
2.5 Методы учета основных особенностей условий эксплуатации элементов шлюзовых ворог на стадиях накопления повреждений и распространения трещин
2.6 Основные особенности проведения численных решений нелинейных задач о напряженно-деформированном состоянии типовых конструктивных элементов
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ, КИНЕТИКИ НАКОПЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТРЕЩИН В ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИЙ ШЛЮЗОВЫХ ВОРОТ
3.1 Методика сбора данных по нагрузкам шлюзовых ворот. Схематизация основных нагружающих факторов
3.2 Методы и средства контроля основных параметров напряженно-деформированного состояния, накопления повреждений и распространения трещин при статическом и циклическом нагружениях натурных элементов конструкций
3.3 Методика, оснастка и оборудование для проведения модельных исследований элементов шлюзовых ворот.
3.4 Экспериментальные установки, приспособления и методы обработки результатов исследования сопротивления конструкционных материалов шлюзовых ворот при малоцикловом нагружении
3.5 Планирование экспериментальных исследований и методы обработки полученных результатов
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ, МАЛОЦИКЛОВОЙ ПРОЧНОСТИ И ТРЕЩИТ ЮСТОЙКОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ШЛЮЗОВЫХ ВОРОТ В НАТУРНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ
5
4.1 Результаты исследования реальной истории нагружения основных несущих элементов шлюзовых ворот
4.2 Результаты экспериментального исследования основных закономерностей сопротивления конструкционных материалов шлюзовых ворот малоцикловому нагружению
4.3 Данные исследования напряженно-деформированного состояния, малоцикловой прочности и трещиностойкости элементов сегментных ворот
4.4 Данные исследования напряженно-деформированного состояния, малоцикловой прочности и чрещиностойкости элементов откатных ворот
4.5 Данные исследования напряженно-деформированного состояния, малоцикловой прочности и чрещиностойкости элементов двустворчатых ворот
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛЬНЫХ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
И МАЛОЦИКЛОВОЙ ПРОЧНОСТИ НЕСУЩИХ
ЭЛЕМЕНТОВ ШЛЮЗОВЫХ ВОРОТ
5.1 Методика трансформации реальных нагружающих факторов шлюзовых ворот на модельные элементы. Реализация методики в процессе лабораторных испытаний
5.2 Адекватность предложенных модельных испытаний
120
а
128
134
141
144
162
162
169
6
183
184
5.3 Результаты проведенных исследований полей деформаций при статическом и малоцикловых
нагружениях - 174
5.4 Результаты исследования накопления повреждений и распространения трещин в наиболее нагруженных
местах модельных элементов - 179
5.5 Результаты численного исследования напряженно-деформированного состояния основных модельных элементов ворот при малоцикловом нагружении
МЕТОД И РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ, ПРОЧНОСТИ И РЕСУРСА ШЛЮЗОВЫХ ВОРОТ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ
6.1 Численный метод исследования напряженно-деформированного состояния шлюзовых ворот с использованием МКЭ в циклической
упругопластической постановке " *
6.2 Исследование точности и вычислительной устойчивости метода расчета. Результаты решения тестовых задач. Сравнение результатов расчета и
192
эксперимента. ^
6.3 Поля циклических упругопластических напряжений и деформаций основных зон шлюзовых ворот, определяющих ИХ несущую способность " 196
6.4 Инженерный метод численной оценки усталостной долговечности шлюзовых ворот и использование его
ДЛЯ приближенной оценки При конструировании ■ 208
6.5 Обобщение результатов решения некоторых
практических задач о напряженно-деформированном состоянии шлюзовых ворот при малоцикловом нагружении
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ
ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ШЛЮЗОВЫХ
ВОРОТ ЦИКЛИЧЕСКОМУ
УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОМУ НАГРУЖЕНИЮ
7.1 Закономерности сопротивления конструкционных материалов шлюзовых ворот малоцикловому деформированию и разрушению
7.2 Исследование основных закономерностей напряжений и деформаций шлюзовых ворот в связи с
. конструкционно-технологическими факторами, условиями нагружения и маркой стали в натурном эксперименте.
7.3 Исследование основных закономерностей напряжений и деформаций шлюзовых ворот в связи с конструкционно-технологическими факторами, условиями нагружения и маркой стали в модельном эксперименте.
7.4 Результаты исследований основных закономерностей напряжений и деформаций шлюзовых ворот в связи с сложными сочетаниями конструкционнотехнологических факторов и условий нагружения
7.5 Обобщение полученных экспериментальных и расчетных результатов. Установление общих закономерностей.
8
8 МЕТОДЫ ПРОДЛЕНИЯ РЕСУРСА ШЛЮЗОВЫХ
ВОРОТ НА СТАДИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ,
ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕМОНТА
8.1 Рекомендации по увеличению ресурса шлюзовых ворот с использованием технологических и конструкционных приемов на стадии изготовления
8.2 Рекомендации по эксплуатации шлюзовых ворот, направленные на увеличение их ресурса
8.3 Современные методы восстановление несущей способности шлюзовых ворот и повышения их ресурса
8.4 Рекомендации по основным технологическим операциям при проведении ремонтновосстановительных работ
8.5 Рекомендации по внедрению основных положений настоящей работы в эксплуатации шлюзовых ворог судоходных гидротехнических сооружений
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ
Приложение 1 Приложение 2 Приложение 3 Приложение 4 Приложение 5
248
248
251
253
255
259
265
274
301
303
304
305 307
9
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Водный транспорт является важной частью транспортной инфраструктуры страны, активно способствуя развитию экономики. На внутренних водных путях России эксплуатируется более 720 судоходных гидротехнических сооружений /163/ (далее - СГТС). Серьезной проблемой является снижение уровня безопасности СГТС из-за ухудшения их технического состояния. Из 720 СГТС 335 сооружений включены в отраслевой Регистр судоходных гидротехнических сооружений, подлежащих декларированию безопасности. Данные сооружения относятся к стратегически важным объектам РФ, а по классификации угроз - к техногенно - опасным объектам.
На основе проведенного декларирования безопасности СГТС на 01.01.10 г. установлено, что 20,9 % сооружений имеют нормальный уровень безопасности, 60,8 % - пониженный, 14,2 % - неудовлетворительный и 4,1 % — опасный. Эксплуатация СГТС при неудовлетворительном техническом состоянии может привести к техногенным авариям и таким катастрофическим последствиям, как затопление нижележащих территорий с прохождением волны прорыва высотой до 30 метров, прекращение судоходства, работы ГЭС, водоснабжения, нарушение экологического равновесия на обширных территориях.
Как показал анализ многочисленных источников /1-7, 11-13, 16-17, 21, 30-38, 40-41, 52-65, 72-115/ и многолетний опыт эксплуатации СГТС, рост общего числа циклов наполнения и опорожнения шлюзовых камер (срабатывания призм) за каждую навигацию увеличивается, и, следовательно, происходит увеличение количества повторно-статических нагружений* несущих элементов. По мере наработки возникают повреждения в конструкциях шлюзовых ворот, в первую очередь, в водонапорной обшивке и ее опорных элементах. Повреждения
/
10
образуются, как правило, в виде трещин длиной от 50-100 мм до трех и более метров, что влечет за собой необходимость выполнения ремонтных работ и сопряжено с простоями при эксплуатации водного пути.
В связи с отмеченным, актуальным являются установление основных закономерностей сопротивления малоцикловому деформированию и разрушения элементов шлюзовых ворот с учетом нелинейного поведения материала, реальной геометрии конструкции, условий эксплуатации и технологической наследственности на основе разработанных расчетно-экспериментальных методов, а также разработка методов оценки прочности, ресурса в зависимости от конструкционных, технологических факторов, создание методов продления ресурса с использованием современных методик реконструкции, разработка и внедрение в заинтересованных научных и производственных организациях рекомендаций по увеличению ресурса шлюзовых ворот на стадии проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатации.
Проведение вышеуказанных исследований, безусловно, способствует повышению безопасности, надежности и ресурса и экономии энергоресурсов, что полностью соответствует Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации, утвержденным Президентом Российской Федерации 21 мая 2006 г. № Пр-843 и Перечню технологий, имеющих важное социально-экономическое значение для обороны и безопасности государства (критические технологии), утвержденному распоряжением правительства Российской Федерации от 25 августа 2008 г. № 1243-р.
Объектами и предметами исследования настоящей работы являются: конструкции затворов механического оборудования судоходных гидротехнических сооружений, созданные с использованием электросварки и других технологических операций; проблемы прочности и ресурса конструкционных материалов, элементов конструкций двустворчатых шлюзовых ворот при малоцикловом нагружении.
11
Научная цель исследования:
- установление основных закономерностей сопротивления малоцикловому деформированию и разрушения элементов шлюзовых ворот с учетом нелинейного поведения материала, реальной геометрии, особенностей конструкции, условий эксплуатации и технологической наследственности на основе разработанных расчетно-экспериментальных методов;
разработка методов оценки прочности ресурса в зависимости от конструкционных, технологических факторов;
- разработка методов продления ресурса элементам конструкций на основе современных методик их реконструкции; разработка и внедрение рекомендаций по увеличению ресурса шлюзовых ворот на стадии проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатации.
Для достижения поставленных научных целей применялись экспериментальные и расчетные методы исследования.
Основные задачи экспериментального исследования:
- разработка методики сбора данных но нагрузкам шлюзовых ворот и методов схематизации основных нагружающих факторов. Исследование реальной истории нагружения основных несущих элементов шлюзовых ворот;
- разработка методов и средств контроля основных параметров напряженно-деформированного состояния (НДС), накопления повреждений и распространения трещин в статическом и циклическом нагружениях натурных элементов конструкций. Исследование напряженно-деформированного состояния, малоцикловой прочности и трещин остойкости элементов двустворчатых, откатных и сегментных воро г;
- создание методики, оснастки и оборудования для проведения модельных исследований элементов шлюзовых ворот. Разработка методики трансформации реальных нагружающих факторов шлюзовых ворот на модельные элементы.
Г
I
12
Реализация методики, подтверждение адекватности предложенных модельных испытаний и проведение соответствующих лабораторных испытаний;
- доводка экспериментальных установок, создание приспособлений и методов обработки результатов исследования сопротивления конструкционных материалов шлюзовых ворот малоцикловому сопротивлению.
Основные задачи теоретического исследования:
- исследование напряженно-деформированного состояния, шлюзовых ворот на основе разработанной конечно-элементной модели в циклической упругопластической постановке. Исследование сходимости и вычислительной-устойчивости метода расчета. Сравнение результатов решения тестовых задач и экспериментальных исследований;
- проведение численного исследования НДС основных модельных элементов ворот при малоцикловом нагружении. Определение полей циклических упругопластических напряжений и деформаций основных зон шлюзовых ворот;
- разработка инженерного метода определения усталостной долговечности шлюзовых ворот при проведении конструкторских и проектировочных работ;
- определение основных закономерностей распределения напряжений и деформаций шлюзовых ворот в связи со сложными сочетаниями конструкционнотехнологических факторов и условий нагружения.
Методологическую и теоретическую основы настоящего исследования составили труды отечественных и зарубежных ученых в области исследования деформирования и разрушения твердых тел в условиях неупругого переменного на1ружения (С.В. Сервисен /287,289/, В.В. Москвитин /334-336/, А.П. Гусенков /17,309,342,343/, H.A. Махутов /287, 289,314/, Е.М.Морозов /186-188/, В.П. Когаев /337-339/, P.M. Шнейдсрович /289,298/, А.Н. Романов /242,284/, В.В. Ларионов /311/, Лэнджер /333/, Коффин, Мэнсон /330, 332/ и др.). Разработкой методов и проведением исследований в области прочности шлюзовых ворот занимались многие авторы. Статическую прочность изучали-I.A. Harringx /168/, Н.М. Савнин
13
/169/ и др., разработкой новых конструкций шлюзовых ворот, созданием технологий их производства - М.Л. Кузьмицкий /171/, А.И. Лиходед /193/, Н.Г. Паничкин /199/, В.А. Кривошей /257/, В.И. Савенко /222/, Г.Л., Мажбиц /206/ и др. Малоцикловая прочность двустворчатых ворот СГТС составила научный интерес А.П. Гусснкова /17,309,342,343/, В.П. Когаева /337-339/, В.В. Ларионова /311/, Г.В. Москвитина /340/.
Изучение публикаций отмеченных авторов позволило сделать вывод о том, что комплексные актуальные задачи малоцикловой прочности шлюзовых ворот СГТС решены недостаточно. Несмотря на большой объем выполненных исследований, в представленных работах не удалось создать расчетноэкспериментальных методов исследования НДС, прочности и ресурса несущих элементов, позволяющих в рамках физически нелинейной теории с учетом влияния технологических факторов и параметров технологической наследственности проводить расчет элементов шлюзовых ворот СГТС.
Научная новизна настоящего исследования заключается в том, что впервые на базе разработанных в диссертации экспериментально- расчетных методов были получены основные закономерности распределения полей деформаций и напряжений в несущих элементах шлюзовых ворот с учетом определяющих сочетаний нагрузочных, конструкционных и технологических факторов. Обоснован повторно-статический характер разрушения в эксплуатации элементов водонапорной обшивки. Разработан метод экспериментального исследования сопротивления конструкционных материалов циклическому упругопластическому нагружению и обоснованы новые виды уравнений состояния и критериев разрушения. На основе натурных и модельных испытаний, расчета ресурса при повторно - статическом нагружении используемых типов водонапорной обшивки предложены способы повышения долговечности исследуемой конструкции. Разработаны и апробированы методы технологического упрочнения-путем ацетиленокислородного оплавления радиуса
1
14
подреза в зонах сварных соединений. Получен комплекс механических свойств и расчетных характеристик основных конструкционных материалов, требуемых для оценки ресурса конструкции.
Практическая значимость исследования заключается в разработке комплекса подходов, дающих возможность проводить на стадиях проектирования и эксплуатации расчет ресурса элементов водонапорной обшивки по критерию сопротивления действию повторно-статических нагрузок. Предложена система конструктивных и технологических решений, обеспечивающая повышение ресурса водонапорной обшивки до 3-4 навигаций против 1-1,5 в настоящее время. Предложенные мероприятия по увеличению ресурса обоснованы расчетноэкспериментальными исследованиями натурных и модельных элементов конструкции, внедрены и прошли проверку при эксплуатации Волго-Донского судоходного канала и шлюзов канала им. Москвы.
Экономическая? эффективность исследования и основных выводов
%
диссертации, а также созданного пакета прикладных программ, определяется широким их применением в ряде организаций (Центральное конструкторское бюро «Ленгидрост&ть», г.Санкт-Петербург), внедрение; органами государственного надзора за безопасностью СГТС план-графика по программам разработки к представлению деклараций безопасности СГТС в 2000-2001 г.г. Разработаны нормативные документы, регламентирующие структуру декларации безопасности СГТС, порядок ее разработки, представления и утверждения. Гидросооружения следующих ГБУВПиС: Волго-Балтийского, Северо-Двинского, Азово-Донского, Кубанского «Федоровский гидроузел», Обского «Новосибирского гидроузла», Енисейского «Красноярского судоподъемника» и ФГУП «Канал имени Москвы». В результате выполненных научно-исследовательских работ выработаны предложения по максимально возможному удлинению сроков службы существующих металлоконструкций шлюзов, их
15
восстановлению и замены, а также по совершенствованию конструкции ворот и затворов гидросооружений.
Результаты диссертации внедрены на предприятиях: ФГУП «Канала имени Москвы» Тушинский район гидротехнических сооружений, 2004 г.; Открытое Акционерное Общество "Череповецкий порт", 2004 г.; ОАО «Столичная судоходная компания», 2004 г.; ФГУ «Волго-Донское государственное
бассейновое управление водных путей и судоходства», 2010 г.; ФГУ «Волжское государственное управление водных путей и судоходства», 2010 г.
Результаты диссертационной работы использованы при подготовке 2-й редакции методических рекомендаций по оценке технического состояния и безопасности судоходных гидротехнических сооружений Министерства транспорта Российской Федерации, утвержденных руководителем. Росморречфлота в 2010 г.
Апробация результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на совещаниях в ФГУП «Волжское ГБУ», технических советах Городецкого района гидротехнических сооружений, научных семинарах и конференциях в ВА\У (федеральный институт водного строительства Германии) в рамках сотрудничества российских и германских гидротехников (ВГАВТ 1996 г., 1998 г., 2000 г., 2001 г., 2004 г.; Карлсруэ 2002 г., 2003 г.), международном форуме «Великие реки» (Н.Новгород 2001 г., 2005 г., 2006 г.), межвузовских координационных совещаниях по проблемам безопасности, надежности и ресурса (Брянск 1994 г., Н.Новгород 1996 г., Ульяновск 2005 г.), IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Н.Новгород 2006 г.), международных пользовательских конференциях фирмы САП-РЕМ (МГУ 1999 г., Москва 2000 г., Подсдам (Берлин) 2001 г.), II Всероссийской научно-технической'конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве (Н.Новгород 2001 г.), научно-
технических конференциях профессорско-преподавательского состава МГАВТ
16
(1997-2007 гг.) научно-практической конференции «Обеспечение безопасности и надежности судоходных гидротехнических сооружений» (г. Ростов-на-Дону, 2008 г.), XVII международном семинаре «Технологические проблемы прочности» (Подольск, 2010 г.). Общеуниверситетский научный семинар «Механика неоднородных структур и систем» при МГОУ. Москва, 2010 г.
Вклад автора в проведенное исследование заключается в проработке состояния вопроса, постановке цели и задач исследований, постановке экспериментальных исследований, разработке математических моделей и расчетных программ, организации внедрения, в ведущем участии в проведении экспериментальных исследований, расчетов, внедрении результатов исследований.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 работ, включая 25 статей в журналах, входящем в перечень издательств, рекомендованных ВАК Российской Федерации.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, выводов (заключения), списка литературы из 327 наименований и приложения, в котором представлены результаты практического внедрения проведенных исследований. Общий объем диссертации 308 страниц, включая 108 рисунков и 55 таблицы.
В первой главе проводится анализ современного состояния проблем прочности, усталости и трещиностойкости конструкций шлюзовых ворот С Г ТС, который показывает, что надежная работа механического оборудования в значительной степени определяется несущей способностью элементов конструкций ворот (затворов). Дается подробное описание конструкций основных видов шлюзовых ворот СГТС (двустворчатые, откатные, сегментные). Отмечается, что двустворчатые ворота (ДВ) являются наиболее широко (более 80 %) применяемым типом затворов.
17
Показано, что цикл работы ДБ включает следующие этапы: 1) наполнение верхний камеры до рабочего уровня; 2) перепуск воды из верхний камеры в нижнюю до выравнивания уровней воды; 3) опорожнение нижней камеры при одновременном наполнение верхний камеры до расчетного уровня (двухкамерный шлюз).
Проведен анализ причин отказов и возникновения аварийных состояний шлюзовых ворот СГТС. Этот анализ выполнен на основании детального исследования 55 аварий на затворах. Причинами данных аварий, как правило, являлись появившиеся в процессе эксплуатации (около 200) трещины, вызвавшие частичное или полное разрушения элементов конструкций.
Проведенный обзор и анализ расчетно-аналитических и экспериментальных методов, применяющихся для оценки НДС, прочности, трещиностойкости и ресурса элементов шлюзовых ворот СГТС, показал, что не учитывается реальная концентрация напряжения и деформаций, которая и приводит к появлению необратимых циклических деформаций и более интенсивному накоплению циклических повреждений. Кроме того, применение ряда экспериментальных методов зачастую ограничено их высокой стоимостью, недостаточной точностью и удобством применения. Показано, что наиболее приемлемыми методами для натурных исследований элементов шлюзовых ворот является тензометрические методы.
На основании выполненных обзоров сформулированы задачи теоретического, экспериментального и численного исследований.
Во второй главе представлены научные основы исследования несущей способности элементов шлюзовых ворот при циклическом неупругом нагружении, а также рассмотрены основные особенности сопротивления конструкционных материалов деформированию, накоплению повреждений и распространению трещин в условиях эксплуатации.
18
Приводятся основные понятия, характерные для малоциклового
нагружения. В частности показано, что в зависимости от характера и величины накопления односторонних деформаций, различают квазистатическое,
усталостное и смешанное малоцикловое разрушение и описаны особенности этих видов разрушения. Приведены определения мягкого и жесткого малоциклового нагружений, показано, что связь между циклическими
напряжениями и деформациями определяется обобщенной диаграммой циклического деформирования, предложенной А.П. Гусенковым и P.M. Шнейдеровичем.
Указывается па важные особенности поведения различных конструкционных материалов при малоцикловом нагружении, которые могут упрочняться с числом циклов (циклически упрочняющиеся), разупрочняться (циклически разупрочняющиеся) и стабилизироваться (циклически стабилизирующиеся материалы), а также на важное значение влияния степени ассиметрии цикла на сопротивление деформированию и накопление малоцикловых повреждений. Отмечается важное значение эффекта Баушингера.
Представлены уравнения состояния конструкционных материалов для описания их механического поведения при циклическом упругопластическом нагружении. Также, в этой главе даны основные варианты деформационнокинетического критерия для определения количества циклов нагружения до появления первых макротрещин в материалах шлюзовых ворот.
В заключение второй главы рассмотрены методы учета концентрации упругопластических напряжений и деформаций, в том числе в районе сварных соединений, кинетики циклических свойств конструкционных материалов, асимметрии цикла нагружений, нестационарности приложения нагружающих факторов, наличия остаточных напряжений и деформаций.
Третья глава посвящена разработке методов экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния и кинетики накопления
19
повреждений в высоконагруженных элементах СГТС. Представлены результаты выполненного анализа различных подходов к сбору и обработке экспериментальных данных по нагружающим факторам.
Рассмотрен ряд основных современных методов и средств контроля напряженно-деформированного состояния в процессе экспериментальных натурных исследований.
Представлена методика экспериментального натурного эксперимента. Использовались малобазные фольговые датчики, соединенные последовательно между собой в цепочки. Всего было установлено около 160 тензорезисторов. Места размещений тензорезисторов в процессе натуральных исследований выбрали с учетом появлений в них трещин.
Отмечено, что получение информации о параметрах НДС натурных конструкций шлюзовых ворог в реальных условиях эксплуатации сопряжено со значительными трудностями материального и технического характера. С целью получения более полной информации по НДС рассматриваемых конструктивных элементов был создан метод модельных экспериментальных исследований малоцикловой прочности. Для проведения указанных исследований были изготовлены модельные элементы, которые испытывались в лабораторных условиях, моделирующих реальные условия эксплуатации.
Проведено исследование характеристик сопротивления малоцикловому нагружению конструкционных сталей с применением специально разработанного оборудования. При испытаниях была использована сервогидравлическая установка типа MTS, обеспечивающая нагружение образца в требуемом режиме (мягкое, жесткое, ассиметрия). Испытания выполнялись в условиях растяжения-сжатия при непрерывной регистрации параметров нагружения и деформирования. Исследования сопротивления конструкционных материалов малоцикловому нагружению проводилось как для основного материала, так и для материала сварных швов.
20
Для получения позонных характеристик применяли методику, позволяющую проводить измерения и управление режимом нагружения в зоне, относящейся к определенному типу металла или шва. Испытания проводили на корсетных образцах с использованием поперечного деформометра. Располагая корсетную часть образца в том или ином месте, получали искомые позонные характеристики металла различных зон.
В четвертой главе приведены результаты, полученные при проведении исследований ИДС и малоцикловой прочности элементов шлюзовых ворот, СГТС с использованием методик, описанных в предыдущих главах.
Приводятся результаты экспериментального исследования основных закономерностей сопротивления конструкционных материалов шлюзовых ворот основному виду нагружения - малоцикловому нагружению. С использованием представленного выше оборудования и разработанной методики такие исследования были выполнены для сталей М16С, ст. Зсп, 09Г2С и др. Для этих материалов представлены полученные экспериментальные данные по циклическим диаграммам деформирования с учетом их кинетики и кривым усталости. По результатам этих исследований построены средние и.минимальные для данного полуцикла кривые деформирования по всем испытанным сталям, а также получены кривые усталости.
На основе разработанной методики было проведено экспериментальное исследование полей циклических упругопластических деформаций и перемещений на ряде затворов гидротехнических сооружений. Результаты обработки проведенных тензометрических исследований. показали, что поцикловой кинетики циклических деформаций не наблюдается.
Оказалось, что материал ворот шлюза в максимально напряженных местах конструкции эксплуатируется за пределами пропорциональности, а уровень циклической напряженности конструкции подтверждает возможность малоциклового или усталостного разрушения элементов ворот шлюза.
21
Пятая глава посвящена результатам модельных исследований НДС. В качестве модельных элементов проводились испытания шпаций, геометрически подобных натурным.
В процессе исследований регистрировались перемещения и деформации обшивки модели. Цепочки тензорезисгоров с прямоугольными розетками устанавливали вблизи сварных швов и на противоположной стороне водонапорной обшивки в зонах максимальных перемещений.
Во время испытаний был отмечен общий характер развития трещин. Все они начинали развиваться от подреза, сделанного сварным швом в основном металле. Место разрушения моделей находилось в средней части длинной стороны. Экспериментальные данные получены при испытании образцов шпаций, моделирующих технологию сварки внахлест, технологию сварки внахлест (первый ремонт без разделки трещины), технологию сварки внахлест (второй ремонт с разделкой трещин), технологию сварки встык и технологию сварки встык (первый ремонт без разделки трещины). Проведенное тензометрирование позволило отметить ряд характерных особенностей распределения деформаций в зонах усталостного разрушения исследованных объектов.
Шестая глава посвящена вопросам построения, адаптации и верификации численных методов для исследования НДС элементов шлюзовых ворот. Необходимость разработки и широкого применения таких методов определяется большими временными, энергетическими и финансовыми затратами на проведение не только натурных, но и модельных экспериментальных исследований.
Для выполнения целей и задач, поставленных в работе, был применен метод конечных элементов в двумерной и трехмерной постановке с учетом циклической работы материала в зоне концентрации за пределами упругости.
Рассмотрена задача о НДС створки шлюзовых ворот в реальных условиях эксплуатации, которая моделировалась соответствующей пластиной * с жесткой
22
заделкой по контуру. Исследование НДС показало, что наиболее опасными зонами этой конструкции с точки зрения образования малоцикловых трещин являются зоны, расположенные около вереяльньтх и створных столбов.
■ Предложена расчетная схема шпаций, полученных с применением сварки встык и внахлест. Основным видом нагружения в этих задачах является распределенная нагрузка в виде давления, а в качестве краевых условий на левом и правом граничных контуров рассмотрены случаи полужесткого защемления. Схема создана с учетом влияния дефектов сварки типа подрезы, непровары и др.
Расчетные данные показали, 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.
Полученные результаты показали, что наибольшим ресурсом обладают шпации со стыковочными сварными швами после газосварочной обработки.-Наимеиыиий ресурс показали шпации с пахл сеточными-сварными швами второго: ремонта без снятия сварного валика: Таким образом, установлено, что вид сварного, соединения- оказывает весьма сильное влияние г на ресурс рассматриваемых элементов шлюзовых ворот. Снижение ресурса, при этом, может составлять два порядка и больше по числу циклов нагружения.
В седьмой главе- рассмотрены полученные в работе основные закономерности сопротивления высоконагруженных элементов шлюзовых ворот циклическому упругопластичёскому нагружению.
Как было показано в диссертации ранее,, уровень циклической напряженности конструкции . подтверждает возможность малоциклового разрушения элементов ворот шлюза. Для расчетного определения значений ресурса элементов шлюзовых ворот в этих условиях необходима разработка адекватных критериальных уравнений. В данной работе показано, что адекватным уравнением для проведения указанной оценки с достаточной для практических
23
приложений точностью является уравнение деформационно-кинетического критерия малоцикловой прочности.
Как показали данные натурного тензометрирования, интенсивного накопления односторонних деформаций в процессе экспериментов не наблюдалось. Для этого случая предложенное в диссертации критериальное уравнение было упрощено и использовано в виде, в котором доля квазистатического повреждения не учитывалось.
Располагая характеристиками сопротивления усталости и сопоставляя значения циклических деформаций конструкции и разрушающих деформаций конструкционного материала, была получена оценка долговечности высоконагружениых элементов ворот шлюза на уровне 9000-25000 циклов для циклических деформаций порядка 0,3-0,4 %. Указанная долговечность при числе циклов нагружения за одну навигацию порядка 3800-4000 соответствуют сроку эксплуатации до появления трещин усталости от двух до шести лет.
Подчеркнуто, что проведенная оценка ресурса высоконагружениых элементов конструкции ворот шлюза произведена по фактическим характеристикам сопротивления малоцикловому нагружению конструкционного материала ворот. В расчете не учитывалось влияние коррозионной среды, пепроваров и других подобных технологических дефектов на долговечность ворот. При наличии таких дефектов трещины могут обнаруживаться и на более ранней стадии, что иногда имеет место в эксплуатации. При этом для учета возможного снижения эксплуатационной долговечности вводятся запасы прочности по числу циклов и деформациям. Показано, что эти запасы при наличии данных натурного тензометрирования о величинах циклических деформаций в максимально нагруженных зонах конструкции могут быть приняты //* = 3 и //с= 1,25.
Представленные в главе результаты показывают, что при принятых геометрических параметрах конструкции и технологии изготовления ворота
24
шлюза без промежуточных ремонтов не могут обеспечить достаточный ресурс по условиям сопротивления усталостному 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 усталости.
В восьмой главе диссертации приведены рекомендации по продлению ресурса шлюзовых ворот на стадии изготовления, эксплуатации и ремонта, вытекающие из результатов выполненных исследований.
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.
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.
Эффективность указанной технологии была проверена в эксплуатационных условиях на элементах водонапорной обшивки Волгоградского шлюза Лга 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
25
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.
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.
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 по критериям усталостного сопротивления с одной навигации до трех-пяти, а новых конструкций порядка 8-10 навигаций.
Автор с особой благодарностью вспоминает долгие годы совместной научной работы с чл.- корр. РАН А.П.Гусенковым. Автор выражает большую благодарность научному консультанту д.т.н., проф. Г.В.Москвитину за постоянное внимание и поддержку при выполнении данной работы, а также выражает признательность д.т.н., проф. С.Д.Иванову, д.т.н., проф. В.Г.Дмитриеву, д.т.н., проф. И.И.Преображенскому, И.>1.Лукину, доц. М.А.Иванову' за ценные советы и замечания по работе, за помощь в проведении многочисленных экспериментальных и численных исследований, оформлении диссертации.
26
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМ ПРОЧНОСТИ, УСТАЛОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ШЛЮЗОВЫХ ВОРОТ СУДОХОДНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ (СГТС)
Шлюзовые ворота (затворы) перекрывают судоходные отверстия и удерживают соответствующий напор воды /1,2,3,4,5,6,34,35/. В качестве основных, т. е. постоянно . работающих при эксплуатации сооружений, применяются различные типы шлюзовых ворот: двустворчатые, откатные однополотные, сегментные и др. /36,37,38,40,41/.
1.1 Особенности конструкций и условий эксплуатации шлюзовых ворот СГТС
Двустворчатые шлюзовые ворота (ДВ) получили наибольшее распространение /52,54,57,58,59/. Они применяются в качестве основных ворот нижних и промежуточных голов, а в отдельных случаях и верхних голов. В зависимости от места расположения и расчетного напора высота ворот доходит до 27 м. Вес створки может достигать 500 т. При открытом положении ворот створки располагаются в нишах устоев головы шлюза и открывают полностью судоходное отверстие. Поворот створок производиться при отсутствии на них напора с помощью механизмов, расположенных на устоях головы.
Откатные ворота /62,63,72,76,77,80/, применяемые в качестве основных (а также используются как аварийные ворота), представляют собой плоский " однополотный затвор с горизонтальным поступательным движением. Г ид ростати ческу ю нагрузку они передают на устои головы шлюза. При открытом судоходном отверстии ворота размещаются в боковой нише одного из устоев
27
головы. Маневрирование воротами возможно только при отсутствии на них напора.
Откатные ворота применяют различных конструкций в зависимости от размеров перекрываемых отверстий и способов питания шлюза. Ворота бывают ригельные, стоечно-ригельные, без пропуска воды, с пропуском воды (при безгалерейных шлюзах), с различным размещением опорно-ходовых элементов.
Сегментные ворота /53/ применяются в верхних головах шлюзов со стенкой падения. Конструктивно они выполняются в виде двух консольных элементов. Ворота перекрывают судоходное отверстие шириной до 30 м и высотой от 5 до 11 м. При пропуске судов они опускаются в нишу за стенку падения. Наполнение камеры (как и при плоских опускных воротах) происходит под нижнюю кромку. Маневрирование воротам производиться механизмами, установленными на устоях головы.
Силы и нагрузки, действующие на ворота (затворы), можно разделить на три группы: основные, дополнительные и катастрофические.
Первая группа охватывает постоянно и длительно действующие в нормальных эксплуатационных условиях силы и нагрузки, к которым относятся:
Рис. 1.1
28
собственный вес конструкции, гидростатическое давление при нормальном горизонте, цикловые нагрузки, вибрационные.
Рис. 1.2.
Вторая группа охватывает силы и нагрузки, действующие кратковременно и случайно, к которым относятся: гидростатические силы, гидростатическое давление при повышенном подпорном горизонте, силы трения (или реактивные силы), возникающие при движении ворот (затвора), ветровая нагрузка, вес людей, находящихся на служебном мостике, силы, действующие при монтаже.
Третья группа охватывает силы и нагрузки, действующие в исключительных случаях: сейсмические силы, давление ветра во время урагана, давление штормовых волн, давление льда и т. п.
Для обеспечения безопасности эксплуатаций затворов СГТС (согласно классификации по степени ответственности) 81, 82 должны сдерживать достаточно большой напорный фронт воды. Например, для Волгоградского водохранилища этот объем составляет 3 1,45 км3.
Особенностью условий работы элементов конструкции затворов СГТС является цикличность приложения • на]рузок, обусловленная режимом эксплуатации /62,63/, (рис. 1.1).