Повышение безопасности эксплуатации мостовых кранов со сварной модульной конструкцией на основе анализа их аварий

Введение. В настоящее время в Российской Федерации получили широкое распространение мостовые грузоподъемные краны со сварной модульной конструкцией. Они массово применяются при выполнении технологических процессов на различных производственных предприятиях, что определяет степень механизации погрузо-разгрузочных работ, влияет на затраты выпускаемой продукции и иные технико-экономические показатели производства.

На текущий момент в Российской Федерации приблизительно 65 % зарегистрированных в Ростехнадзоре грузоподъемных кранов отработали нормативный срок службы [1]. Эксплуатация мостовых кранов, выработавших свой срок службы, зачастую сопровождается авариями с сопутствующими случаями производственного травматизма и значительного материального ущерба. В соответствии с ФЗ № 116[1] к категории опасных производственных объектов относятся объекты, на которых используются краны, а ФНП[2], регламентирует проведение экспертизы промышленной безопасности кранов.

С введением Технических регламентов ТР ТС 010/2011 «О безопасности машин и оборудования»[3], ТР ТС 011/2011 «Безопасность лифтов»[4], ТР ТС 018/2011 «О безопасности колесных транспортных средств»[5] термин «безопасность грузоподъемного крана» можно рассматривать как «конструкционную безопасность» на всех стадиях жизненного цикла: проектирования, изготовления и эксплуатации. Нарушение конструкционной безопасности может привести к аварии подъемного сооружения. Вопросы обеспечения прочности крановых металлоконструкций рассмотрены в трудах [2–6], а с позиций безопасности крана как сложной технической системы в работе [7].

Целью настоящего исследования является повышение безопасности эксплуатации мостовых кранов модульных конструкций и надежности их сварных металлоконструкций. На основе анализа разрушений металлических конструкций мостовых кранов составлена диагностическая карта сварных соединений металлоконструкций концевых балок с модулями ходовых колес мостового крана. Применение предлагаемой диагностической карты в производственных условиях позволит существенно поднять качество диагностики сварных соединений.

Материалы и методы. Анализ эксплуатации мостовых кранов методами технической диагностики [8] показывает, что в последние годы на таких кранах многократно происходили аварии, инициированные разрушением их сварных модульных конструкций. Причем подобного рода аварии происходили на мостовых кранах со сварной модульной конструкцией, которые проработали менее четверти указанного предприятием-изготовителем срока службы[6]. Проанализируем причины аварий мостовых кранов со сварной модульной конструкцией. Анализ разрушений конструкций модульных мостовых кранов позволит предложить ряд мер, позволяющих предотвратить образование подобных дефектов, возникновение из-за них аварий, а также повысить безопасность эксплуатации мостовых кранов.

Результаты исследования. Сроки службы грузоподъемных машин регламентированы государственными стандартами, техническими условиями и другими нормативными документами. Каждый кран имеет определенный срок службы, указанный в его техническом паспорте. Как правило, срок службы крана определяется сроком службы его несущих металлических конструкций.

Например, требования надежности по ГОСТ 27584-88[7] устанавливают параметры для мостовых кранов, размещенных в помещении, не менее значений, приведенных в таблице 1.

Таблица 1

Показатель срок службы и надежности для мостовых кранов

Так, для крана группы режима 6К, 7К при 1,5 сменной работе в сутки и количестве циклов 5 в час, установленная безотказная наработка на отказ составит 64000/300×12×5=3,5 года.

Несущая металлическая конструкция двухбалочного мостового крана, представленная на рис. 1, состоит из двух пролетных балок, по которым перемещается грузовая тележка с механизмом подъема, и двух концевых балок, с установленной на них ходовой частью крана.

Рис. 1. Общий вид металлоконструкции двухбалочного мостового крана: 1 — пролетные балки; 2 — концевые балки; 3 — ходовая часть крана; 4 — грузовая тележка

Типовая металлическая конструкция концевой балки двухбалочного мостового крана, показанная на рис. 2, состоит из поясов (верхнего и нижнего), вертикальных стенок и диафрагм, размещенных внутри балки. Как правило, вертикальные стенки балок выполняются из цельного листа.

Рис. 2. Общий вид типовой металлоконструкции концевой балки двухбалочного мостового крана: 1 — верхний и нижний пояс; 2 — вертикальные стенки; 3 — ходовая часть крана

Для установки ходовой части двухбалочного мостового крана к концевым балкам, продемонстрированным на рис. 3, крепятся буксы с ходовыми колесами.

В последнее время получили широкое распространение модульные конструкции концевых балок, имеющие болтовые (рис. 4) или сварные (рис. 5) фланцевые соединения.

Модульная конструкция позволяет уменьшить габариты концевых балок крана при его транспортировке до места монтажа, но требует более высокой квалификации специалистов, производящих установку крана в производственных условиях, особенно модульной конструкции со сварным фланцевым соединением.

Наличие фланцевого соединения усложняет конструкцию концевой балки. На практике имеют место аварии мостовых кранов, вызванные разрушением сварного фланцевого соединения, представленного на рис. 6, модуля ходового колеса, как приводного, так и холостого, с концевой балкой.

Анализ причин разрушений сварных швов фланцевых соединений, проиллюстрированных на рис. 7, модульных конструкций мостовых кранов позволяет предотвратить в дальнейшем появление подобных дефектов, повысить надежность сварных металлоконструкций, отработать методы диагностики сварных соединений в производственных условиях.

По результатам обследования с применением методов неразрушающего контроля [9– 17] составлена диагностическая карта сварных соединений металлоконструкций концевых балок с модулями ходовых колес мостового крана грузоподъемностью 10 тонн, приведенная в таблице 2.

Таблица 2

Диагностическая карта сварных соединений металлоконструкций концевых балок с модулями ходовых колес мостового крана грузоподъемностью 10 тонн

Параметр	Обозначение	Фактическое значение	Рекомендуемое значение
Конструкция сварного соединения		Т1 по ГОСТ 14771‑76[1] – односторонний без разделки кромки с конструктивным непроваром	Т6 по ГОСТ 14771‑76 – с разделкой кромки
Толщина свариваемого металла, мм	S	10	10
Катет шва, мм	К	К = 0,4s + 2 = 6	10 – 12
Зазор между свариваемым металлом, мм	Z	≈ 0	0 – 1,5
Глубина проплавления, мм	H	≈ 0	1,5 – 2
Расчетная высота углового шва, мм	P	4,2	9
Расчетная площадь поперечного сечения шва, мм2	F	18 – 20	50 – 70
Коэффициент формы шва	Кф	1,5	1,8
Расчетная несущая способность по металлу шва, кН/см2		Расчетная несущая способность 45% от проектной	Расчетная несущая способность 100% от проектной

Узел соединения модуля ходового колеса следует отнести к тяжелонагруженной конструкции, которая воспринимает нагрузки от собственного веса крана, зависит от положения грузовой тележки в пролете крана и веса поднимаемого груза, воспринимает динамические нагрузки от состояния кранового пути. Коэффициент толчков при движении крана достигает значения К=1,3–1,4, а горизонтальная составляющая давления колеса R=0,5N, что следует учитывать при расчете прочности и долговечности конструкции.

              Обсуждение и заключения. Представленное выше исследование, в аспекте повышения безопасности эксплуатации модульных мостовых кранов и надежности их сварных металлоконструкций, показывает, что:

1. Конструктивная безопасность модульной концевой балки снижена на стадии проектирования путем введения дополнительного сварного фланцевого соединения. Традиционная конструкция в виде неразрезной балки более надежна в эксплуатации и имеет больший ресурс.
2. На стадии изготовления концевой балки, вследствие неотработанного технологического процесса параметров сварки, ее конструктивная безопасность снижена до 45% требуемой несущей способности, что и привело в дальнейшем к полному разрушению сварного соединения.
3. Односторонние угловые швы в тавровых соединениях элементов металлоконструкций следует применять в конструкциях нормального и пониженного уровня ответственности по классификации ГОСТ 27751–2014[1]. Их не следует применять в узлах, испытывающих динамические нагрузки.
4. Назначение катета углового сварного шва в зависимости от толщины по формуле К=0,4s+2 приемлемо для сварных соединений изделий общего машиностроения. Для узлов крановых металлоконструкций, воспринимающих динамические нагрузки, катет сварного шва нужно назначать с учетом всех возможных сочетаний нагрузок.
5. Значение коэффициента прочности сварного шва φ определяется способом сварки и конструкцией шва, что снижает его несущую способность. Например, для таврового шва Т1 с конструктивным непроваром φ=0,65, для сварного шва Т6 с полной проваркой φ=0,9–1,0.
6. Диагностика сварных соединений с применением визуального и измерительного контроля позволяет определить только поверхностные дефекты, геометрические параметры сварного шва и их отклонения. Толщину сварного шва и величину конструктивного непровара возможно определить ультразвуковым методом контроля с использованием прямого или наклонного преобразователей.

[1] ГОСТ 27751-2014 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения // docs.cntd.ru : [сайт]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200115736 (дата обращения : 03.09.2022).

[1] ГОСТ 14771-76 Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры // docs.cntd.ru : [сайт]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200004932 (дата обращения : 25.08.2022).

[1] Федеральный закон от 21.07.1997 № 116-ФЗ (редакция от 11 июня 2021 года) «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» // consultant.ru : [сайт]. URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_15234 (дата обращения : 03.08.2022).

[2] Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности опасных производственных объектов, на которых используются подъемные сооружения» // sudact.ru : [сайт]. URL:  https://sudact.ru/law/prikaz-rostekhnadzora-ot-26112020-n-461-ob/federalnye-normy-i-pravila-v/ (дата обращения : 03.08.2022).

[3] ТР ТС 010/2011 Технический регламент Таможенного союза «О безопасности машин и оборудования» // docs.cntd.ru : [сайт]. URL: https://docs.cntd.ru/document/902307904 (дата обращения : 10.08.2022).

[4] ТР ТС 011/2011 Технический регламент Таможенного союза «Безопасность лифтов» // docs.cntd.ru : [сайт]. URL: https://docs.cntd.ru/document/902307835 (дата обращения : 11.08.2022).

[5] ТР ТС 018/2011 Технический регламент Таможенного союза «О безопасности колесных транспортных средств» // sudact.ru : [сайт]. URL: https://sudact.ru/law/reshenie-komissii-tamozhennogo-soiuza-ot-09122011-n_19/tr-ts-0182011/ (дата обращения : 11.08.2022).

[6] ГОСТ 33709.1-2015 Краны грузоподъемные. Словарь. Часть 1. Общие положения // docs.cntd.ru : [сайт]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200135709?marker=7D20K3 (дата обращения : 13.08.2022).

[7] ГОСТ 27584-88 Краны мостовые и козловые электрические. Общие технические условия // docs.cntd.ru : [сайт]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200004626 (дата обращения : 19.08.2022).