Методика определения группы классификации стреловых кранов зарубежных фирм при оценке их технического состояния в период действующих санкций

Введение. В настоящее время на территории Российской Федерации зарегистрировано 51 670 единиц поднадзорных опасных производственных объектов, эксплуатирующих более 284 тысяч подъемных сооружений, среди которых 224 363 грузоподъемных крана. Важно отметить, что 51,2 % эксплуатируемых подъемных сооружений уже отработало нормативный срок службы.

В 2023 году на подъемных сооружениях было зафиксировано 30 аварий. Анализ причин этих происшествий за последние несколько лет показал, что основными факторами их возникновения являются: осуществление производственного контроля на низком уровне [1], эксплуатация неисправного подъемного сооружения, а также неудовлетворительная организация проведения осмотров, технического обслуживания и плановых ремонтов подъемных сооружений [2].

Санкции, введенные странами-производителями, затронули зарубежные грузоподъемные краны, которые в основном установлены в морских и речных портах. У значительной части импортных грузоподъемных кранов срок службы подошел к критической точке или даже превысил установленный нормативный [3]. Для обеспечения дальнейшей безопасной эксплуатации этих устройств в соответствии с требованиями нормативных правовых актов Российской Федерации необходимо проведение экспертизы промышленной безопасности. Это обязательное действие позволяет гарантировать надежность и безопасность эксплуатации кранов, а также соблюдение всех действующих стандартов и норм. Группы классификации, классы использования и режимы нагружения указанных кранов приняты на основе международных европейских норм FEM 1.001-1998¹ «Правила проектирования подъемных средств», модификации которых эквивалентны российскому стандарту ГОСТ 34 017–2016.² Сравнительный анализ этих нормативных документов показал, что согласно FEM³ в паспортах кранов указана загрузка Q2, тогда как фактическая нагрузка соответствует Q3. Это приводит к превышению значения группы классификации и повышенному риску возникновения аварий.

Особенностью эксплуатации таких кранов в условиях наложенных санкций со стороны государств-производителей является прекращение или значительное ограничение поставок оборудования, запасных частей и агрегатов к ним, а также нарушение контактов для получения консультационных услуг по вопросам эксплуатации кранов. К тому же наблюдается прекращение обслуживания техники специалистами от фирм-поставщиков, дистанционного мониторинга состояния оборудования и обновления программных продуктов, обеспечивающих безопасную эксплуатацию кранов.

Стреловые краны, согласно законодательству РФ № 116 ФЗ⁴, относятся к потенциально опасным объектам IV класса опасности, которые должны соответствовать нормированным требованиям безопасности, таким как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость [4][5].

В ходе выполнения плановых экспертных обследований кранов установлено наличие отдельных ресурсоопределяющих (ресурсоограничивающих) узлов и элементов металлоконструкций [6]. Повреждение (выработка ресурса) таких узлов может привести к полному разрушению конструкции. Например, произошли аварии, связанные с: разрушением узла крепления рейки механизма изменения вылета стрелы у портального крана типа «Альбатрос» (рис. 1), разрушением узла крепления аутригеров у башенного крана (рис. 2), разрушением механизма подъема у портального крана (рис. 3).

Описанные аварии объединены общей причиной [7], а именно, превышением группы классификации (режима) крана паспортного значения, что, в свою очередь, приводит к превышению назначенного ресурса крана в целом, а также ресурсоопределяющих конструктивных элементов крана в частности.

Актуальной представляется задача проведения объективной оценки технического состояния стрелковых кранов в процессе экспертизы промышленной безопасности. Поэтому целью данной работы стала разработка методики определения фактической группы классификации (режима) стреловых кранов зарубежных компаний и проверка разработанной методики на конкретном примере.

Материалы и методы. Краны типа «Готвальд» имеют группу классификации режима работы крана А5 или А6 с рекомендованными параметрами по международным европейским нормам FEM 1.001–1998⁵ [8]:

• группа классификации крана А;
• группа классификации механизмов М;
• группа классификации иных компонентов Е;
• класс использования U для каждой группы;
• режим нагружения Q для каждой группы.

При данных параметрах должен быть реализован определенный срок службы узлов и механизмов крана [9], выраженный в моточасах (таблица 1).

Таблица 1

Диаграмма срока службы для кранов типа HMK, HSK

 

По данной таблице определяются рекомендованные сроки службы в моточасах несущих металлоконструкций кранов, а также основных узлов и компонентов крана — механизмов подъема, поворота, ходовой части, электро- и гидрооборудования — при определенном режиме нагружения Q. Например, срок службы металлоконструкции крана составляет 40 000 моточасов при режиме нагружения Q2.

Согласно FEM⁶, в паспортах импортных кранов указан (рекомендован) режим нагружения Q2. Однако при анализе фактической загруженности нескольких обследованных кранов было установлено, что действующий режим нагружения соответствует уровню Q3, что превышает паспортные значения группы классификации (режима) крана [10].

При проведении экспертизы промышленной безопасности особенно важно собрать данные о реальной загрузке крана [11]. Тем не менее, далеко не всегда есть возможность воспользоваться регистраторами параметров, так как они могут находиться в неработоспособном состоянии. Поэтому в таких ситуациях решено применить статистические данные о фактической загрузке кранов.

Загрузка стреловых кранов является функцией как минимум двух параметров — массы груза и вылета стрелы, произведение которых определяет грузовой момент. В общем случае эти параметры могут быть случайными величинами [12], их следует учитывать при определении загрузки крана.

Таким образом, ключевой задачей определения группы классификации (режима) крана является сбор первичной информации и построение гистограмм распределения перемещаемых масс грузов и вылетов стрелы испытуемого крана. Распределение случайных величин (массы перемещаемых грузов и вылет стрелы крана) характеризуется такими величинами, как среднее значение (математическое ожидание) и среднеквадратичное отклонение (дисперсия).

Принимаем закон распределения случайных величин (массы перемещаемых грузов и вылет стрелы крана) за нормальный, что значительно упростит расчеты в дальнейшем [13]. Принятые допущения поддерживаются исследованиями вылета и угла наклона стрел портальных кранов, представленными в работах [7][8].

Результаты исследования. С целью получения более объективной информации для принятия обоснованного решения о дальнейшей эксплуатации стреловых кранов зарубежных компаний, разработана методика оценки фактической группы классификации (режима) для проведения экспертизы промышленной безопасности. Процесс включает несколько этапов. Первым шагом является определение фактического значения коэффициента распределения нагрузок К_р через грузовые моменты и его сравнение с паспортным значением. Второй этап включает оценку остаточного ресурса по наработке и его сопоставление с нормативным значением. Затем проводится расчет максимальных напряжений на усталость ресурсоопределяющего узла металлоконструкции с последующим сравнением полученного значения с предельным. Также осуществляется расчет вероятности разрушения конструкции и его сравнительный анализ с допустимым значением. Важным элементом оценки является анализ уровня риска аварии.

В качестве примера рассмотрен конкретный объект, на котором определена фактическая группа классификации (режима) стрелового крана, который рекомендован к списанию. На первом этапе определен коэффициент распределения нагрузок К_р определен через грузовые моменты из выражения:

(1)

где C_i / C_T — отношение количества циклов работы крана со средним грузовым моментом к общему количеству циклов (в расчетах принимаем равное 1); М_(xy) — математическое ожидание грузового момента; М_n — максимальный грузовой момент крана, указанный в паспорте крана; М_xy = 28 ∙ 40 = 1120 т∙м; М_n = 33,4 ∙ 50=1670 т∙м (40 и 50 — среднее и наибольшее значение вылета в крюковом режиме; 28,0 и 33,4 — средняя и наибольшая грузоподъемность крана в крюковом режиме по грузовой характеристике).

(2)

В соответствии с [5][6][9], группа классификации (режима) кранов в целом определяется в зависимости от класса использования (U0 – U9), характеризующегося величиной максимального числа циклов за срок службы, и режима нагружения (Q1–Q4). Расчетное значение коэффициента распределения нагрузок К_р = 0,30 соответствует группе классификации (режима) крана в целом А6, но выше паспортного значения А5 [14].

На втором этапе произведена оценка остаточного ресурса крана по текущему значению характеристического числа, которое является мерой ресурса крана, и определяется с учетом коэффициента распределения нагрузок крана для соответствующего режима нагружения и количества рабочих циклов [15].

Предельное состояние крана по наработке наступает при условии равенства или превышения текущего характеристического числа относительно нормативного значения. Остаточный ресурс определен из выражения:

(3)

где N_н — нормативное значение характеристического числа, принимаемое в зависимости от группы классификации крана по режиму работы  в соответствии с [9][10]; N_т — текущее значение характеристического числа.

(4)

Для ранее рассмотренного примера дополнительные условия следующие:

N_н = 125 000 — нормативное значение характеристического числа для группы классификации (режима) крана А5;

С = 596 228 — расчетное количество рабочих циклов.

Тогда текущее значение характеристического числа:

N_т = 596228 ∙ 0,67³ =179 323;

179 323 > 125 000;

N_т > N_н .

Вывод: ресурс исчерпан.

На следующем этапе произведен проверочный расчет ресурсоопределяющего узла металлоконструкции [11] на сопротивление усталости по формуле.

 (5)

где s_max — наибольшее напряжение; a_v — коэффициент режима работы элемента; R_V — расчетное сопротивление усталости, определяемое с учетом временного сопротивления, стали и группы соединений элементов, учитывающих степень концентрации напряжений; g_v — коэффициент, учитывающий вид напряженного состояния и асимметрию действующих напряжений; g_с — коэффициент условий работы.

Значение коэффициента режима работы a_v определен в зависимости от группы режима крана и степени концентрации напряжений. Значение g_v рассчитываем в зависимости от вида напряженного состояния и коэффициента асимметрии напряжений:

 (6)

где s_min и s_max — наибольшее и наименьшее по абсолютному значению напряжения в рассчитываемом элементе.

В качестве примера выполнен расчет опорного контура поворотного устройства портального крана. Результаты расчета на сопротивление усталости представлены в таблице 5.

Проверочный расчет опорного контура поворотного устройства портального крана на сопротивление усталости показал, что расчетные максимальные значения напряжений близки к предельному значению.

Имея статистический материал о загруженности стрелового крана, определена вероятность разрушения ресурсоопределяющего элемента металлоконструкции из выражения:

(7)

где Ф(х) — функция Лапласса; σ_н — среднее квадратичное отклонение напряжений в распределении фактора нагрузки; σ_п — среднее квадратичное отклонение напряжений в распределении фактора прочности; σ_vср — среднее расчетное напряжение в конструкции; σ_пср — среднее значение предела выносливости материала конструкции с учетом асимметрии цикла; σ_к — расчетное значение напряжения в точке пересечения распределения переменных напряжений и распределения пределов выносливости, которое можно получить из решения равенства уравнений распределений нагрузки и прочности. Результаты расчета приведены в таблице 6.

Условие безопасности не выполняется, т.к. расчетное значение вероятности разрушения равное 2 ∙ 10^-3 превышает допустимое, равное 10^-4.

Для сравнения в таблице 7 приведены вероятности отказа элементов кранов стрелового типа.

На заключительном этапе, основываясь на нормативно-технической документации, выполнена оценка уровня риска дальнейшей безопасной эксплуатации стрелового крана. Произведен расчет фонового значения риска аварий на грузоподъемные краны по статистическим данным за последние 27 лет:

• среднее количество кранов за период наблюдения — 254 250 ед.;
• среднее число аварий — 42,29;
• фоновая вероятность аварии — 42,29/254 250 = 0,000166 = 1,66·10^-4

Ущерб от аварий на опасных производственных объектах, где эксплуатируются грузоподъемные краны, включая прямые потери, затраты на локализацию и ликвидацию последствий аварий, экономический ущерб по статистическим данным из источников в открытой печати представлены в таблице 8.

В таблице 9 для сравнения приведены сведения о вероятности событий других типов оборудования, эксплуатируемого на опасных производственных объектах.

Обсуждение и заключение. Полученные результаты на конкретном примере показали, что превышение группы классификации (режима) крана над паспортным значением и превышение назначенного ресурса крана в целом, включая ресурсоопределяющие конструктивные элементы, неизбежно приведет к возрастанию риска возникновения аварий с использованием стреловых кранов. Таким образом, установлено, что фактическая группа классификации (режима) крана определена как А6, что превышает паспортное значение А5.

Разработанная методика оценки фактической группы классификации (режима) стреловых кранов зарубежных компаний позволит значительно снизить вероятность разрушения конструкций стреловых кранов и уровень аварий в процессе экспертизы промышленной безопасности. В настоящее время уровень приемлемого риска в России принят на качественном уровне без конкретных численных значений вероятности аварий и величины ущерба. Численные значения вероятности аварий и размеры ущерба определяются на основе экономического и социального развития общества и могут варьироваться для отдельных отраслей промышленности. В связи с этим рекомендуется при расчетах использовать фоновую вероятность аварии грузоподъемного крана 1,66·10^-4, а среднее значение материального ущерба 73,2 млн. руб.