Відкрите акціонерне товариство український науково-дослідний та проектний інститут сталевих конструкцій імені В.М. Шимановського

Філатов Юрій Васильович

УДК 624.014:620.193

технологІчНА безПЕКА ТА пРодОВЖЕННЯ ресурсУ сталЕВИХ конструкцІй в корозІЙНИХ сЕРЕДОВИЩАХ

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаському центрі технологічної безпеки Відкритого акціонерного товариства Український науково-дослідний та проектний інститут сталевих конструкцій імені В.М. Шимановського.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Корольов Володимир Петрович,

Відкрите акціонерне товариство Український науково-дослідний та проектний інститут сталевих конструкцій імені В.М. Шимановського,

директор Донбаського центру технологічної безпеки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Єгоров Євгеній Аркадійович,

Придніпровська державна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри металевих, дерев’яних і пластмасових конструкцій

кандидат технічних наук, доцент

Іванов Анатолій Порфірійович,

Донбаський державний технічний університет, доцент кафедри будівельних конструкцій

Захист відбудеться «26» червня 2008 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.857.01 у Відкритому акціонерному товаристві Український науково-дослідний та проектний інститут сталевих конструкцій імені В.М. Шимановського за адресою: 02660, м. Київ, проспект Визволителів, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Відкритого акціонерного товариства Український науково-дослідний та проектний інститут сталевих конструкцій імені В.М. Шимановського за адресою: 02660, м. Київ, проспект Визволителів, 1.

Автореферат розісланий «___» травня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

К 26.857.01, д.т.н., с.н.с. О.І. Голоднов

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проблема забезпечення технологічної безпеки на об'єктному рівні пов'язана з регламентацією підходів щодо попередження аварійних ситуацій на основі методів програмно-цільового керування надійністю конструкцій будівель та споруд. Технологічна безпека являє важливу структурну складову безпеки підприємства, що характеризує систему заходів для підтримки працездатності, підвищення експлуатаційних властивостей конструкцій будівель, споруд та інженерних мереж, які повністю або суттєво вичерпали свій нормативний ресурс. Такі об’єкти розглядаються як джерела потенційної небезпеки при модернізації (технічному переоснащенні), реконструкції та продовженні терміну їхньої експлуатації. Аналіз вітчизняних нормативних документів, європейських і міжнародних стандартів підтверджує, що забезпечення безпеки та ремонтопридатності конструкцій пов'язане з розвитком підходів до керування надійністю і якістю на основі ISO 9001:2000.

Необхідність удосконалення нормативно-правових і методичних документів, що визначають порядок виконання робіт з підвищення надійності та безпеки експлуатації конструкцій будівель, споруд та інженерних мереж на національному, галузевому, регіональному і об'єктному рівнях визначена розпорядженням КМУ № 100-р від 1 березня 2004 р. “Про заходи щодо посилення контролю за проектуванням, новим будівництвом, реконструкцією, капітальним ремонтом та експлуатацією будівель і споруд”, Постановою КМУ від 8 жовтня 2004 р. № 1331 ”Про затвердження Державної науково-технічної програми "Ресурс". Найнесприятливіші умови для оцінки показників технологічної безпеки мають місце на підприємствах металургійного комплексу, де експлуатуються приблизно 45% об'єктів за межами встановлених термінів, а технічний стан багатьох будівель і споруд не відповідає будівельним нормам і правилам.

Розвиток методів керування технологічною безпекою пов'язаний з реалізацією програм технічного переоснащення і стратегічного розвитку підприємств. Аналіз функціональних вимог і технічних характеристик будівельних об'єктів за даними експертного діагностування конструкцій сприяють формуванню програм забезпечення надійності (ПЗН) і дозволяють визначити об'єми ремонтно-відновлюваних робіт для підтримки експлуатаційних параметрів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до завдань п.п. 6.4, 6.5 напрямків щодо вдосконалювання заходів забезпечення надійності та безпечної експлуатації споруд, конструкцій, устаткування та інженерних мереж Державної науково-технічної програми «Ресурс» (держ. регістр. № 0107U005865).

Метою роботи є теоретичне узагальнення і експериментальне обґрунтування методу оцінювання технологічної безпеки будівель і споруд за показниками довговічності, ремонтопридатності та післяремонтної несучої здатності сталевих конструкцій у корозійних середовищах.

Задачі досліджень:

• визначити якісні і кількісні критерії технологічної безпеки при продовженні терміну експлуатації конструкцій;

• обґрунтувати показники ремонтопридатності на основі моделей діагностики корозійного стану сталевих конструкцій та захисних покриттів за ознаками граничних станів;

• розробити методику реєстраційної оцінки рівня ризику при продовженні терміну експлуатації конструкцій на основі функціонально-вартісного аналізу показників ремонтопридатності та післяремонтної несучої здатності;

• сформувати специфікації ресурсу сталевих конструкцій для керування параметрами технічного стану і технологічної безпеки із визначенням, за даними моніторингу, ступеня критичності дефектів та пошкоджень;

• впровадити результати досліджень і розробок в стандарти підприємств і базу даних «Ресурс» для забезпечення безаварійної експлуатації сталевих конструкцій.

Об’єкт дослідження – технічний стан сталевих конструкцій об’єктів металургійного виробництва, що вичерпали термін експлуатації.

Предмет дослідження – характеристики технологічної безпеки і розрахункові моделі для визначення залишкового ресурсу та обґрунтування можливості продовження експлуатації конструкцій в умовах корозійного руйнування.

Методи досліджень засновані на процесному підході до керування якістю та оцінки ризиків у будівництві, теорії надійності будівельних конструкцій, технічному діагностуванні об'єктів у корозійних середовищах, моделюванні напружено-деформованого стану, аналізі характеру, наслідків і критичності граничних станів сталевих конструкцій.

Наукову новизну отриманих результатів становлять:

• методика реєстраційної оцінки рівня ризику і розрахунково-експериментального визначення показників ремонтопридатності сталевих конструкцій за фактичним станом;

• математична модель продовження ресурсу та розрахункові параметри коефіцієнта готовності сталевих конструкцій при корозійних впливах з урахуванням післяремонтної несучої здатності;

• результати чисельного моделювання корозійного стану і оцінки пропускної здатності регулювання ресурсу при обґрунтуванні заходів первинного і вторинного захисту для розробки специфікації ПЗН сталевих конструкцій з урахуванням ступеня агресивності впливів;

• алгоритм попередження аварійних ситуацій промислових об'єктів, що включає аналіз груп відповідальності будівель і споруд, рівня загрози та вразливості за технологічною безпекою при експлуатації конструкцій у корозійних середовищах.

Практичне значення результатів роботи полягає в тому, що:

• розроблений методичний підхід дозволяє виконувати обґрунтування показників технологічної безпеки продовження залишкового ресурсу з урахуванням результатів діагностики корозійного стану і заходів щодо протикорозійного захисту конструкцій відповідно до вимог міжнародних стандартів ISO 9001:2000, ISO 14001:2004 й OHSAS 18001:1999;

• виконані прискорені випробування систем захисних покриттів (СЗП) і встановлені значення контрольного нормативу класифікаційних ознак ремонтопридатності конструкцій та їхніх захисних покриттів;

• визначена послідовність оцінки рівня ризику аварійних ситуацій за показниками ремонтопридатності та післяремонтної несучої здатності сталевих конструкцій, що експлуатуються в агресивних середовищах;

• сформована структура показників технологічної безпеки для бази даних «Ресурс», що дозволяє розробляти ПЗН для об'єктів у корозійних середовищах при технічному обслуговуванні конструкцій за фактичним станом.

Впровадження результатів роботи. Результати досліджень використано при розробці:

• стандарту підприємства СТП 101С-6.3-05-2007 щодо забезпечення безпечної експлуатації конструкцій будівель і споруд об'єктів металургійного комплексу;

• положення про порядок виробництва і контролю протикорозійних робіт;

• інформаційної технології оцінки корозійного стану конструкцій будівель і споруд автоматизованої бази даних «Ресурс».

Матеріали досліджень використані при оцінці показників технологічної безпеки, розробці рекомендацій з продовження терміну служби сталевих конструкцій ДП «Донецьквугілля», ВАТ «Ясинівський КХЗ», ЗАТ «Донецьксталь» - металургійний завод», ЗАТ «Макіївкокс», ЗАТ «Мініметалургійний завод «Істіл», а також для обґрунтування вибору засобів і методів протикорозійного захисту металоконструкцій об'єктів ВАТ «Алчевський металургійний комбінат», Макіївського заводу металевих конструкцій тощо.

Особистий внесок здобувача. Наведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно або в співавторстві відповідно до основних публікацій, в яких особисто авторові належать:

• сформульований підхід до оцінки рівня ризику при реєстраційному визначенні показників технологічної безпеки сталевих конструкцій;

• установлені характеристики рівня вразливості сталевих конструкцій і визначена область припустимих значень ремонтопридатності конструкцій;

• вирішена задача визначення пропускної здатності регулювання ресурсу сталевих конструкцій у корозійних середовищах;

• виконані розрахункові оцінки коефіцієнта готовності сталевих конструкцій (K_g) і їхніх захисних покриттів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: Європейському конгресі EUROCORR-2003, м. Будапешт; Міжнародній науково-практичній конференції «ДОНБАС–РЕСУРС-2003. Захист від корозії і моніторинг залишкового ресурсу промислових будівель, споруд та інженерних мереж», м.м. Донецьк-Макіївка; Українській науково-технічній конференції «Металлические конструкции: взгляд в прошлое и будущее», м. Київ; Міжнародних конференціях Корозія-2004, Корозія-2006 “Проблеми корозіі та протикорозійного захисту матеріалів”, м. Львів; школі-семінарі «Инновационные технологии для оценки состояния конструкций и сооружений. Обеспечение безопасной эксплуатации по фактическому состоянию», м. Лейпциг, 2005 р.; V міжнародній науково-практичній конференції “Будівельні металеві конструкції: сьогоднення та перспективи розвитку”, м. Київ, 2006 р.; міжнародній конференції «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов», м.м. Донецьк-Авдіївка, 2006 р.; міжнародному симпозиумі «Современные строительные конструкции из металла, дерева и пластмасс», м. Одеса, 2007 р.; на засіданні Вченої ради ВАТ Укрндіпроектстальконструкція ім. В.М. Шимановського, м. Київ, 2008 р.

Публікації. Основні положення дисертації знайшли своє відображення в 13 друкованих роботах, з яких 6 статей у фахових наукових журналах і збірках, 5 в матеріалах та тезах конференцій; 2 роботи опубліковані без співавторів.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, основних висновків, переліку використаних джерел з 200 найменувань, двох додатків. Робота викладена на 187 сторінках, в тому числі 127 сторінках основного тексту, 22 сторінках переліку використаних джерел, 20 повних сторінок з рисунками і таблицями, 18 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладена загальна характеристика роботи, обґрунтована актуальність, мета і задачі досліджень, наведені наукова новизна і практичне значення. Вказані зв’язок роботи з науковими програмами, відомості про апробацію, публікації, структуру і обсяг дисертації.

Перший розділ присвячений аналізу системних методів оцінки надійності і безпеки конструкцій будівель і споруд при технічній експлуатації та реконструкції об'єктів різного призначення. Систематизовані вимоги технологічної безпеки, що включають додаткові заходи з підтримки працездатності та експлуатаційних властивостей конструкцій, будівель, споруд та інженерних мереж, які повністю або суттєво вичерпали термін експлуатації. У значній мірі умови забезпечення безпеки і безперервності виробничого процесу підприємств залежать від ефективності заходів щодо запобігання аварійних ситуацій, розробки методів технічного обслуговування конструкцій з урахуванням їхнього фактичного технічного стану.

Як методологічна основа для збереження, відновлення і продовження життєвого циклу конструкцій будівель і споруд розглядаються результати досліджень в рамках цільової комплексної програми НАН України «Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин», які виконувались під науковим керівництвом академіка Б.Є.Патона. Відзначений суттєвий внесок у розробку теорії та наукових основ нормування безпеки таких науковців, як В.В. Болотін, Е.Ф.Гарф, В.М.Гордєєв, Л.М.Лобанов, М.П.Мельников, А.Я.Недосєка, В.О.Троїцький, В.І.Похмурський, А.В.Перельмутер, О.Р.Ржаніцин, А.В. Сильвестров, М.С. Стрєлецький, В.П. Стрєльніков, В.Т.Трощенко, В.М.Шимановський та ін.

Важливим етапом забезпечення надійної експлуатації конструкцій розглядаються роботи з оцінки технічного стану та розробки заходів довговічності конструкцій при корозійних впливах. Проаналізовані роботи С.Г.Ажермачева, Г.І.Білого, І.Д.Бєлова, З.Я.Бліхарського, М.Р.Бєльського, М.В.Гоголя, О.І.Голоднова, В.В. Горєва, Є.В.Горохова, Є.А.Єгорова, Є.М.Єрмака, Д.Г.Зеленцова, А.П.Іванова, О.І.Кікіна, Р.І.Кінаша, В.П.Корольова, А.І.Лантуха-Лященка, М.О.Микитаренка, В.П.Мущанова, С.Ф.Пічугіна, В.О.Пермякова, Ю.М.Почтмана, В.В.Стоянова, А.М.Югова, С.М. Шаповалова, Є.В.Шевченка, О.В.Шимановського та ін., які присвячені розрахунково-експериментальним методам обґрунтування підвищення надійності будівельних конструкцій. Розглянуті методи забезпечення якості і зниження ризиків у будівництві за результатами досліджень С.М. Булгакова, М.Л. Гринберга, А.Г. Тамразяна, І.А. Рахмана, В.І. Теличенка, А.П. Мельчакова та ін.

Показана необхідність використання процесного підходу, заснованого на принципах менеджменту якості ISO 9001:2000 при розробці програм забезпечення надійності виробничих об'єктів. Попередження корозійного руйнування та подовження залишкового ресурсу конструкцій на об'єктному рівні включає оцінку ремонтопридатності конструкцій для аналізу ризиків, наслідків і критичності відмов. Наведено структуру основних фондів ЗАТ «Донецьксталь»-металургійний завод» до складу яких входять понад 500 будівель і споруд із загальним об'ємом понад 350 тис. т металоконструкцій і понад 100 тис. м³ бетонних і залізобетонних конструкцій. За результатами контролю технічного стану приблизно 60% несучих і огороджувальних конструкцій мають фізичний знос до 20% за рахунок механічних та корозійних пошкоджень.

Сформульовані задачі щодо керування технологічною безпекою.

У другому розділі наведене обґрунтування процесного підходу до оцінки ризиків за ознаками технологічної безпеки конструкцій промислових об'єктів при корозійних впливах. Стабільність і безперервність виробничих процесів при негативних впливах забезпечується умовами технологічної безпеки, які можуть бути представлені у вигляді:

; (1)

де U_i – витрати на підтримку i – того конструктивного елемента вибірки (N) в працездатному стані, що забезпечують вимоги технологічних процесів будівель і споруд, грн/рік; S_d,i - втрати, викликані фізичним зносом, грн/рік; S_c,i - втрати в результаті морального старіння, грн/рік; T_в,j – показник ремонтопридатності, що визначає проміжок часу (рік), для відновлення працездатності при мінімальних витратах j-того конструктивного елемента вибірки (M), ступінь критичності дефектів і ушкоджень якого вище за граничний рівень пошкоджуваності.

Розроблений методичний підхід передбачає основні етапи оцінки рівня ризику з технологічної безпеки (R_i, бал) для конструкцій будівель і споруд:

– вибір режиму контролю параметрів конструкцій за результатами оцінки пошкоджуваності і припустимим інтервальним значенням ремонтопридатності;

– кількісна оцінка показника ремонтопридатності T_в,j на підставі розрахунку сталевих конструкцій на корозійну стійкість і довговічність;

– аналіз рівня вразливості сталевих конструкцій залежно від ступеня критичності (категорії) дефектів і ушкоджень;

– оцінювання погроз (категорії технічного стану) при експлуатації за фактичним станом для встановлених значень ремонтопридатності сталевих конструкцій;

– відновлення експлуатаційних властивостей, подовження ресурсу сталевих конструкцій і зниження рівня ризику при реалізації заходів ПЗН виробничих будівель і споруд.

Ступінь критичності дефектів і пошкоджень конструкцій (_f) визначається за формулою:

ь(2)

де _i - вагова характеристика виявлених недосконалостей конструкції; _i - відносна частота виявлення дефектів та ушкоджень, 1/рік.

На підставі оцінки показників якості експлуатації, реєстрації дефектів і ушкоджень призначається режим безперервного або вибіркового контролю (табл. 1) з урахуванням категорії виявлених недосконалостей. Вибірковий контроль може бути трьох видів: посилений, нормальний та послаблений. Показник ремонтопридатності (Т_в, рік) визначається за формулою:

Т_в =Т_о + Т_у, (3)

де Т_о – тривалість контролю при виявленні дефектів та пошкоджень, рік; Т_у – тривалість технічного обслуговування і ремонту, рік.

Таблиця 1

Режим контролю технічного стану і відновлення експлуатаційних властивостей конструкцій

Група ремонто-придатності

Показник ремонто-придатності,

Т_в, рік

Режим контролю

Характеристика виду дефектів та ушкоджень

І

0Т_в0,02

Безперервний

Наявність хоча б одного критичного дефекту або пошкодження (категорія «А»). Припускаються недосконалості категорій «Б», «В».

ІІ

0,02Т_в0,08

Посилений

Є один або кілька дефектів або пошкоджень (категорія «Б»). Припускаються недосконалості категорії «В».

ІІІ

0,08Т_в0,5

Нормальний

Є незначні дефекти або пошкодження (категорія «В»)

ІV

Т_в0,5

Послаблений

Дефекти та пошкодження категорій «А», «Б», «В» відсутні.

Як основна характеристика для визначення ресурсу сталевих конструкцій при агресивних впливах приймається характеристичне значення річних корозійних втрат (A_n, г/м²рік).

Розрахункові річні втрати від зовнішніх факторів агресивних впливів (A, г/м²рік) визначаються за формулою:

(4)

де  — тривалість впливів корозійно-активних компонентів в годинах за рік; _fk — коефіцієнт надійності за впливами, що залежить від ступеня агресивності та категорії конструкцій.

Розрахункові річні втрати з урахуванням конструктивної форми (A_k, г/м²рік) визначаються за формулою:

(5)

де _mk – коефіцієнт надійності за матеріалом при оцінці ступеня агресивності впливів; _f – конструктивний коефіцієнт, що враховує нерівномірність корозійного руйнування перетину.

Результатами моделювання корозійного стану сталевих конструкцій є масиви значень коефіцієнта _zf для обґрунтування показників корозійної стійкості (К, мм/рік) і строку експлуатації (Т, рік) елементів конструкцій (рис. 1). Оцінка залишкового ресурсу (T_r) виконується з урахуванням значень коефіцієнта _zf для визначення стратегії технічного обслуговування сталевих конструкцій в агресивних середовищах. Результати розрахункової оцінки залишкового ресурсу сталевих конструкцій (T_r) на прикладі однорідних конструктивних елементів шихтового прольоту мартенівського цеху наведені в табл. 2.

Систематизація показників корозійної стійкості і довговічності сталевих конструкцій виконана для основних груп цехів ВАТ «Донецьксталь» - металургійний завод» за даними розрахунково-експериментального визначення показника якості експлуатації F_e, що включає аналіз пошкоджуваності по відхиленню від середини поля допуску (метод Г. Тагуті).

Дані контролю корозійного стану об'єктів (параметри «виходу» системи) дозволяють зробити аналіз вимог технологічної безпеки (параметри «входу») для обґрунтування регламенту ремонтно-відновлюваних робіт з урахуванням показників ремонтопридатності і післяремонтної несучої здатності.

Таблиця 2

Специфікація параметрів залишкового ресурсу для однорідних конструктивних елементів

№ п/п

Прольот

шихтовий

Показник якості експлуатації, F_e, (номер осей)

Ступінь агресивності впливів, A_n, г/(м²рік)

Залишковий ресурс конструкцій T_r, років

1

Кроквяні ферми та ліхтареві конструкції

1,24 –1,35

(в осях 10-22)

Неагресивні впливи, 250–400

6,5 – 7,0

1,16-1,30

(в осях 22-34)

Слабоагресивні впливи, 500-750

6,5 – 7, 5

0,91-1,01

(в осях 1-10)

Низькоагресивні впливи, 750–1200

5,0 – 6,0

2

Колони

1,54-1,66

(в осях 1-34)

8,0 – 9,0

3

Підкранові балки

1,89-2,07

(в осях 1-34)

11,0-12,0

Завдання критеріїв граничних станів при продовженні ресурсу за результатами оцінки фактичного стану виконується за допомогою коефіцієнта зворотного зв'язку режиму експлуатації конструкцій () на підставі залежності:

, (6)

де N – найбільше розрахункове зусилля в конструктивному елементі, кН; Ф – граничне зусилля, кН, яке може сприйняти елемент з характеристикою пошкоджуваності _f; Г – відношення резерву надійності.

Використання коефіцієнта зворотного зв'язку режиму експлуатації () забезпечує реалізацію аналітичного підходу до керування технологічною безпекою, формування програм забезпечення надійності на основі рішення завдань аналізу причин, наслідків відмов (FMEA) і оцінки критичності відмов (FMECA). При цьому критерієм технологічної безпеки конструкцій залишається характеристика (), що визначає пропускну здатність регулювання ресурсу:

= 1/(Г-). (7)

При накопиченні пошкоджень _f коефіцієнт зворотного зв'язку () характеризує зниження експлуатаційних показників сталевих конструкцій при встановленому проектному значенні відношення резерву надійності (Г). Впливи негативних зовнішніх факторів A(L,G,S,T,R) і внутрішніх параметрів A(f) викликають корозійне руйнування і появу ознак граничних станів конструкцій. Пропускна здатність регулювання ресурсу характеризує припустиму зміну проектного значення відношення резерву надійності (Г) для відновлення працездатного стану і продовження ресурсу за рахунок конструктивно-технологічних обмежень і методів забезпечення необхідної післяремонтної несучої здатності. Скінченно-елементне моделювання напружено-деформованого стану (НДС) сталевих конструкцій для оцінки показників ресурсу (,) виконане з використанням інтегрованого розрахункового комплексу SCAD 7.29.

Третій розділ містить розрахунково-експериментальне обґрунтування показників ремонтопридатності сталевих конструкцій. За даними обстежень технічного стану захисних покриттів об'єктів металургійного виробництва встановлено, що експлуатаційні параметри конструкцій суттєво залежать від умов експлуатації, якості ремонтних робіт, виконання вимог щодо забезпечення довговічності конструкцій.

При завданні вимог щодо надійності на етапі продовження ресурсу вибір засобів і методів поновлення протикорозійного захисту робиться з урахуванням коефіцієнта готовності сталевих конструкцій (K_g ). Завдання визначення коефіцієнта готовності при експлуатаційних впливах середовища (A_n) сформульоване як розрахунок сталевих конструкцій за граничними станами на корозійну стійкість і довговічність для обґрунтування техніко-економічних показників продовження ресурсу:

граничний стан I групи

(8)

(9)

граничний стан II групи

(10)

(11)

(12)

де _sr   - коефіцієнт технологічної безпеки; _zf – коефіцієнт надійності протикорозійного захисту на момент контролю корозійного стану; _zr - коефіцієнт надійності, що характеризує граничний рівень корозійних втрат елемента конструкції при експлуатації в працездатному стані; _zrv - коефіцієнт надійності при поновленні протикорозійних покриттів; Т_r - залишковий термін експлуатації без додаткових заходів на протикорозійний захист і підсилення; Т_z - нормативний термін служби захисних покриттів за даними сертифікаційних випробувань; Т_z - розрахунковий термін служби захисних покриттів з довірчою ймовірністю =0,95; Т_zv - розрахунковий термін продовження ресурсу за корозійною стійкістю.

З метою порівняльної оцінки показників ремонтопридатності для обґрунтування параметрів специфікації по ресурсу (_zrv, Т_z) при поновленні протикорозійного захисту конструкцій проведені прискорені випробування у соляному тумані (ISO 12944-6) зразків конструктивних елементів із захисними покриттями. Коефіцієнт надійності (_zrv) установлює граничний рівень корозійних втрат для заданої розрахункової схеми узагальнених впливів «Навантаження-Конструкція-Середовище» («Н–К–С») при експлуатації з урахуванням припустимого терміну (Т_zv) відновлення працездатності захисних покриттів конструкцій за граничним станом ІІ групи.

Як основна розрахункова характеристика корозійної системи «Н–К–С» розглядається реакція опору поверхневому руйнуванню однорідного конструктивного елемента A_rn, г/м²рік.

Термін служби системи захисного покриття (СЗП) для заданого режиму експлуатації об'єкта встановлений за експериментальними даними прискорених корозійних випробувань і визначається за формулою:

; (13)

де P(N) – корозійні втрати незахищеної сталі, що відповідають N циклам прискорених випробувань до відмови захисного покриття, г/м².

Результати розрахунково-експериментальної оцінки показників ремонтопридатності представлені в табл. 3. На основі теоретичних та експериментальних досліджень зроблена оцінка контрольного нормативу СЗП за даними прискорених випробувань для визначення гарантованої довговічності і ремонтопридатності конструкцій.

Таблиця 3

Специфікація систем покриттів при поновленні протикорозійного захисту конструкцій

№№

п/п

Найменування матеріалу покриття

Позначення системи за СНиП 2.03.11-85*

Характеристика стійкості при прискорених випробуваннях

За розробленою методикою при _max=720 годин

За ISO 12944

_zrv

K_g

Т_z ,

год

Тривалість

випробуван-ня, _max, годин

Інтервальна оцінка довго-вічності, годин

1.

Пентафталеві ПФ-115

Ia-2 (55)

PSt2

0,9

0,65

4,0

480

низька,

від 2 до 5

2.

Пентафталеві ПФ-132 МР «ФЕРРОКОР^®»

Ia-2 (80)

PSt2

0,95

0,6

6,5

720

середня,

від 5 до 15

3.

Перхлорвінілові ХВ-124

IIa-3 (80)

PSt2

1,00

0,4

10,5

720

середня,

від 5 до 15

Четвертий розділ містить матеріали оцінки і управління технологічною безпекою на основі аналізу пропускної здатності регулювання ресурсу () конструкцій. Невизначеність та ймовірні характеристики об’єктно-суб’єктних взаємозв’язків при технічному обслуговуванні та ремонтних роботах за фактичним станом вимагають створення організаційної структури, яка забезпечує умови прийняття рішень щодо відновлення працездатного стану конструкцій з урахуванням коефіцієнта зворотного зв’язку (). Для моніторингу, оцінки, контролю і визначення характеристик ризиків використовуються можливості експертної системи «Діагностика–Антикорозійний захист–Реконструкція» і бази даних «Ресурс», склад і функції якої регламентовані положеннями «Інтегрованої системи управління якістю, екологією та охороною праці» стандарту підприємства СТП 101С-6.3-05-2007 «Забезпечення технологічної безпеки при експлуатації будівельних конструкцій будівель та споруд».

Результати розрахункової оцінки показників ремонтопридатності та післяремонтної несучої здатності при продовженні терміну експлуатації конструкцій обробляються у відповідності до встановленої ієрархією побудови інформаційних баз даних об’єктів (рис. 2). Систематизація ознак експлуатаційного стану конструкцій виконується в залежності від рівня вразливості та загроз, груп відповідальності з технологічної безпеки будівель та споруд (табл. 4, 5).

Кількісний показник рівня вразливості змінюється від 1 до 8 балів в залежності від ступеня критичності пошкоджень.

Група конструкцій за показниками ремонтопридатності визначає можливість і терміни їхнього відновлення в залежності від режиму функціонування об’єкту. Категорія дефекту або пошкодження визначається за табл. 13 ДБН 362-92.

Рівень вразливості при моніторингу технічного стану конструкцій класифікується наступним чином:

• низький (Н) – від 1 до 2 балів;

• середній (С) – від 3 до 5 балів;

• високий (В) – від 6 до 8 балів.

Група ремонтопридатності визначає вид контролю і терміни проведення робіт з підвищення працездатності сталевих конструкцій.

Основні етапи робіт, пов’язані з продовженням терміну експлуатації, розглянуті для сталевих конструкцій рудного перевантажувача вантажопідйомністю 30 т прольотом 76,2 м. Рудно-грейферний кран (РГК-2) експлуатується з 1954 р. в тяжкому режимі роботи (табл. 6). Кран-перевантажувач встановлений на рудному дворі доменного цеху (рис. 3, 4).

В конструктивному відношенні сталева клепана гратчаста конструкція РГК-2 має проліт 76,2 м і консолі з боку шарнірної опори 21,85 м, з боку жорсткої опори – 34,5 м. Чисельні дослідження напружено-деформованого стану несучих конструкцій враховували специфіку роботи конструкцій мостових перевантажувачів.

При постановці задачі продовження терміну експлуатації розглянуті параметри вантажопідйомності, інтенсивності експлуатації (діюча продуктивність, фактичні швидкості підйому вантажу, рух візка і мосту крана) і ремонтопридатності.

Таблиця 4

Рівень вразливості конструкцій

Категорія дефекту або ушкодження Група ремонтопридатності

І ІІ ІІІ

А 6-8 - -

Б - 3-5 -

В - - 1-2

Як розрахункова прийнята просторова схема мосту з П-подібним перетином в гратчастому виконанні (рис. 5).

Зусилля в елементах визначалися методом просторових скінченних елементів з використанням обчислювального комплексу «SCAD Office». Виявлені елементи, напруження в яких перевищують граничні з урахуванням чинних режимів навантаження та технічного стану.

Таблиця 5

Рівні ризиків з технологічної безпеки (R_i) в залежності від груп відповідальності, рівня загроз та вразливості конструкцій будівель та споруд

Групи відповідальності з технологічної безпеки

Рівень загрози (категорія технічного стану)

Низький ()

Низький ()

Середній ()

Високий (V)

Оцінка вразливості конструкцій

Н

С

В

Н

С

В

Н

С

В

Н

С

В

Об’єкти з функціями обслуговування невиробничого призначення (R5)

1

2

3

2

3

4

3

4

5

4

5

6

Об’єкти з функціями обслуговування виробничого призначення (R4)

2

3

3

3

4

5

4

5

6

5

6

7

Допоміжні об’єкти (R3)

3

3

4

4

5

6

5

6

7

6

7

8

Основні об’єкти, що припускають ремонт і технічне обслуговування без технологічної зупинки (R2)

4

4

5

5

5

7

6

7

8

7

8

9

Основні об’єкти, для яких ремонт і технічне обслуговування виконується при технологічній зупинці (R1)

5

5

6

5

6

7

7

8

8

8

9

10

За даними моніторингу технічного стану встановлено, що при III категорії технічного стану, високому рівні вразливості для групи відповідальності (R2) рівень ризику сталевих конструкцій перевантажувача з технологічної безпеки становить 8 балів. Після розробки заходів ПЗН досягнуте зниження рівня ризику до 4 балів і забезпечені умови продовження ресурсу за розрахунковим терміном служіння об'єкта. З урахуванням даних специфікації захисних покриттів обґрунтовані заходи протикорозійного захисту.

Таблиця 6

Режим роботи сталевих конструкцій рудно-грейферного перевантажувача

Найме-нування норма-тивного доку-менту

Загальне число циклів роботи крана за термін його служби, С_о

Коефіцієнт наванта-ження крана, К_р

Клас використання крана

Клас/

режим наван-таження крана

Група класи-фікації режиму роботи крана

Режим роботи крана за паспор-том

Режим роботи

крана за Правилами по кранах (ДНАОП 0.00-1.03-02)

ГОСТ 25546-82

1,18·106

0,262

C7

Q3

8К

Досить тяжкий

Досить тяжкий

ISO 4301/1

U6

Q3

А7

Тяжкий

Аналіз результатів обстежень, оцінки технічного стану сталевих конструкцій і продовження ресурсу роботи конструктивних елементів дозволив увести для розрахунків на корозійну стійкість і довговічність коефіцієнт технологічної безпеки (табл. 7).

Таблиця 7

Групи відповідальності будівель і споруд за технологічною безпекою

Групи відповідальності за технологічною безпекою

R1

R2

R3

R4

R5

Коефіцієнт технологічної

безпеки, _sr

1,25

1,15

1,10

1,05

1,0

Розроблений методичний підхід визначення якісних і кількісних критеріїв технологічної безпеки при продовженні ресурсу конструкцій використаний для обґрунтування об'ємів ремонтно-відбудовчих робіт конструкцій мартенівського цеху, мостового перевантажувача РГК-2 та ін. об'єктів ЗАТ «Донецьксталь» -металургійний завод», що забезпечило можливість експлуатації об'єкта за розрахунковим терміном служби. Загальний економічний ефект, пов'язаний з виконанням розрахунків на корозійну стійкість і довговічність, а також більш повного використання ресурсу конструкцій і відстрочки витрат на заміну будівель і споруд за розрахунковим терміном експлуатації для об'єктів ЗАТ «Донецьксталь» - металургійний завод» склав 1470 тис.грн.

ВИСНОВКИ

В ході виконання комплексу теоретичних та експериментальних досліджень, виконаних для підвищення технологічної безпеки будівель і споруд, оцінки ремонтопридатності та післяремонтної несучої здатності конструкцій, формування програм забезпечення надійності при продовженні експлуатаційного строку об’єктів в корозійних середовищах отримані такі результати:

1. Визначені якісні і кількісні критерії технологічної безпеки при продовженні терміну експлуатації конструкцій, рівні ризику за альтернативними ознаками, що включають якісні характеристики вразливості та загроз при продовженні ресурсу сталевих конструкцій в залежності від групи відповідальності об’єктів щодо технологічної безпеки. Обґрунтовано методику діагностики і моніторингу виробничих об’єктів за розрахунковим терміном експлуатації за результатами статистичного контролю дефектів та пошкоджень сталевих конструкцій в агресивних середовищах.

2. Обґрунтовані показники ремонтопридатності на основі моделей діагностики корозійного стану сталевих конструкцій і захисних покриттів за ознаками граничних станів. Розроблений методичний підхід включає аналіз вразливості конструкцій будівель та споруд для оцінки показників технологічної безпеки на об’єктному рівні. В залежності від ступеня критичності дефектів та ушкоджень обґрунтовані види вибіркового або безперервного контролю та визначені інтервальні значення ремонтопридатності для оцінювання рівнів ризиків при продовженні ресурсу конструкцій будівель та споруд металургійного комплексу.

3. Розроблена методика реєстраційної оцінки рівня ризику при продовженні терміну експлуатації конструкцій на основі функціонально-вартісного аналізу показників ремонтопридатності та післяремонтної несучої здатності. За класифікаційними ознаками граничних станів встановлена розрахункова схема корозійної системи «Навантаження – Конструкція – Середовище» та розрахункова модель коефіцієнта надійності (_zrn) вторинного захисту від корозії для визначення строку експлуатації покриттів (Т_в, рік). За результатами випробувань захисних покриттів обґрунтований коефіцієнт готовності сталевих конструкцій K_g, що дозволяє виконати порівняльну оцінку засобів і методів захисту за показниками ремонтопридатності з урахуванням значень річних корозійних втрат.

4. Сформульовані специфікації ресурсу сталевих конструкцій для керування параметрами технічного стану і технологічної безпеки із визначенням, за даними моніторингу, ступеня критичності дефектів та пошкоджень. Вперше для організації технічного обслуговування та ремонтно-фарбувальних робіт за фактичним станом використаний експертний показник пропускної здатності регулювання ресурсу конструкцій (). Вирішена задача оцінки коефіцієнта зворотного зв’язку () при негативних зовнішніх впливах A(L,G,S,R) та варіюванні параметрів конструктивної форми A(f) для забезпечення післяремонтної несучої здатності конструкцій будівель та споруд.

5. Методика реєстраційної оцінки рівня ризику за показниками ремонтопридатності використана при розробці бази даних «Ресурс», склад і функції якої регламентовані положеннями «Інтегрованої системи управління якістю, екологією та охороною праці» стандарту підприємства СТП 101С-6.3-05-2007 «Забезпечення технологічної безпеки при експлуатації будівельних конструкцій будівель та споруд». За експериментальними даними обстежень виробничих об’єктів зроблено оцінку ступеня критичності дефектів та ушкоджень конструкцій (_f), визначені рівні ризиків (R_i, бал) та встановлені значення коефіцієнта технологічної безпеки (_sr). Економічний ефект, пов’язаний з виконанням розрахунків конструктивних елементів на корозійну стійкість і довговічність конструкцій, для об’єктів ЗАТ «Донецьксталь» - металургійний завод» склав 1470 тис. грн.

список опублікованих праць за темою дисертації

1. Филатов Ю.В. Методика оценки уровня повреждаемости по данным мониторинга технического состояния конструкций. / Науковий вісник будівництва. //Зб. Наукових праць. Вип. 46/2008. – Харків, ХДТУБА, 2008. – с.88-91.

2. Королев В.П., Филатов Ю.В. Расчетно-экспериментальная оценка сроков службы защитных покрытий стальных конструкций в коррозионных средах. / Будівництво України, № 4, 2008. – с. 16-17.

3. Королёв В.П., Филатов Ю.В. Учет требований технологической безопасности при оценивании рисков эксплуатации промышленных объектов в коррозионных средах. / Современные строительные конструкции из металла и древесины.// Сб.научн. трудов, ч.1. – Одесса, ОГАСА, 2007. - С.98-103.

4. Филатов Ю.В., Сурин Р.Н., Галактионов А.В., Селютин Ю.В., Войтова Ж.Н. Безаварийная эксплуатация конструкций зданий и сооружений предприятия на основе внедрения новых материалов и технологий./ Кокс и химия, №11, 2003, с.27-30.

5. Филатов Ю.В., Медянцев С.А., Золотарев И.В., Нижник В.Ю., Базов С.В., Кагадовский В.Е., Бежин В.И., Дариенко Е.В., Непомнящий Л.И., Зулгарин В.Г., Прилипко П.В., Шляхов А.А. Реконструкция коксовых батарей на ОАО «Ясиновский коксохимический завод»./ Кокс и химия, №11, 2003, с.18-20.

6. Ю.В.Філатов, О.М.Гібаленко, Ю.Ю.Хилько, Ю.Г.Сулима. Формування бази данних про корозійний стан металоконструкцій./ Фізико-хімічна механіка матеріалів. Спец.вип.№4. Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів, Львів, 2004, с. 329-341.

7. Філатов Ю., Селютін Ю., Суліма Ю. Побудова територіальних будівельних норм щодо впровадження регіональної системи моніторингу залишкового ресурсу з урахуванням вимог технологічної безпеки./ Фізико-хімічна механіка матеріалів. Спец.вип.№ 5. Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів, Львів, 2006, с. 439-442.

8. Филатов Ю.В., Крикунов Б.П., Гордиенко А.Н., Коломийченко А.И., Ковалев Е.Т., Шульга И.В. Опыт производства доменного кокса улучшенного качества из украинских углей и испытание его в доменной печи с использованием ПУТ. / Углехимический журнал, №5, 2007. – с.11- 17.

9. E.Gorokhov, Yu.Filatov, Yu.Vysotsky, O.Shevchenko, Yu.Selyutin. Modified Antirust Stuffs On The Basis Of indene - coumarone resin and synthetic fatty acids./ EUROCORR-2003. (The European Corrosion Congress.) Book Of Abstracts. Budapest, 28 September - 2 October, 2003, р.317.

10. Филатов Ю.В., Гибаленко А.Н., Селютин Ю.В. Программа обеспечения надежности зданий и сооружений ОАО “Донецкий металлургический завод” на основе аудита коррозионного состояния строительных металлоконструкций. / Захист від корозії і моніторинг залишкового ресурсу промислових будівель, споруд та інженерних мереж. / Матеріали научн-практ. конф. (м.Донецьк, 9-12 червня 2003 р.). - Донецьк: УАМК, 2003, с.402-407.

11. Филатов Ю.В., Рухович И.Р., Гибаленко А.Н. Продление остаточного ресурса рудно-грейферного крана при конструктивно-технологических ограничениях./ Металлические конструкции: взгляд в прошлое и будущее: Сборник докладов VIII Украинской научно-технической конференции. - Часть II. - К.: Изд-во «Сталь», 2004, с.417-428.

12. Филатов Ю.В. Техническое регулирование ресурса производственных зданий и сооружений с учетом требований технологической безопасности. /Экологические проблемы индустриальных мегаполисов: Материалы межд. научн.-практ.конф. - Донецк-Авдеевка, 2006.

13. Королёв В.П., Филатов Ю.В. Оценка риска при техническом регулировании безопасности производственных зданий и сооружений / V міжн. наук.-техн. конф. “Будівельні металеві конструкції: сьогоднення та перспективи розвитку”./ 19-22 вересня 2006 р., Київ.- К.: Видавництво “Сталь”, с.287-290.

У публікаціях зі співавторами здобувачем виконані: визначення контрольного нормативу відмови захисних властивостей покриттів при розрахунковій оцінці ремонтопридатності конструкцій [2, 9]; оцінка рівня ризику і показників ремонтопридатності конструкцій для розробки стандарту підприємства [3, 10]; обґрунтування показників технологічної безпеки при технічному обслуговуванні конструкцій за фактичним станом [4, 6]; сформульовані вимоги до продовження ресурсу при модернізації і реконструкції об'єктів на основі аналізу змін технологічних процесів [5,8] та експлуатаційного стану конструкцій [7]; визначений рівень вразливості сталевих конструкцій за даними контролю технічного стану [7, 11]; запропоновані методика і алгоритм експертизи ризиків аварійних ситуацій за критеріями технологічної безпеки конструкцій [13].

АНОТАЦІЯ

Філатов Ю.В. Технологічна безпека і продовження ресурсу сталевих конструкцій в корозійних середовищах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди. / Відкрите акціонерне товариство Український науково-дослідний та проектний інститут сталевих конструкцій імені В.М.Шимановського. - Київ, 2008.

Наведені результати досліджень корозійного стану сталевих конструкцій та їхніх захисних покриттів. На підставі підходів методики граничних станів обґрунтовані показники технологічної безпеки конструкцій будівель та споруд при експлуатації за фактичним станом. Розроблена методика реєстраційної оцінки рівня ризику та розрахунково-експериментального визначення ремонтопридатності сталевих конструкцій в корозійних середовищах. Виконані прискорені і натурні корозійні випробування, запропоновані розрахункові моделі моніторингу експлуатаційних показників, визначені характеристики коефіцієнта готовності сталевих конструкцій для розглянутих варіантів систем захисних покриттів. Зроблено оцінку ремонтопридатності та післяремонтної несучої здатності на основі розрахунку сталевих конструкцій на корозійну стійкість і довговічність за граничними станами. Показано економічну ефективність управління показниками технологічної безпеки для реалізації програм забезпечення надійності та продовження ресурсу сталевих конструкцій, зниження рівня ризиків виробничих об’єктів.

Ключові слова: сталеві конструкції, захисні покриття, корозійна стійкість, довговічність, ремонтопридатність, технологічна безпека, рівень ризику.

АННОТАЦИЯ

Филатов Ю.В. Технологическая безопасность и продление ресурса стальных конструкций в коррозионных средах. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения. / Открытое акционерное общество Украинский научно-исследовательский и проектный институт стальных конструкций имени В.Н.Шимановского. - Киев, 2008.

Цель работы - теоретическое обобщение и экспериментальное обоснование метода оценки технологической безопасности конструкций зданий и сооружений по показателям долговечности, ремонтоспособности и послеремонтной несущей способности в коррозионных средах.

Введение содержит цель и задачи исследования, научную новизну и характеристику результатов работы. Показана необходимость оценки технологической безопасности для разработки системы мер по поддержанию работоспособности, повышению эксплуатационных свойств конструкций зданий, сооружений и инженерных сетей, которые полностью или в значительной степени исчерпали свой нормативный ресурс.

В первом разделе представлен анализ выполненных исследований по оценке технического состояния и разработке мер повышения надежности строительных конструкций. Рассмотрены методические подходы и определены принципы обеспечения надежности и безопасности строительных конструкций. Показана необходимость предупреждения коррозионного разрушения и продления ресурса объектов на основе процессного подхода системы менеджмента качества ISO 9001:2000. Сформулирована задача определения качественных и количественных критериев технологической безопасности при продлении ресурса конструкций.

Во втором разделе изложена методика регистрационной оценки уровня риска при продлении остаточного ресурса на основе анализа показателей ремонтопригодности и послеремонтной несущей способности. В соответствии с установленным подходом выбор режима контроля при мониторинге коррозионного состояния объектов производится в зависимости от степени критичности дефектов и повреждений. Для оценки уязвимости конструкций определены характеристики ремонтнопригодности, учитывающие возможности выполнения ремонтно-восстановительных работ по программе обеспечения надежности (ПОН). Управление технологической безопасностью, задание требований по формированию ПОН с учетом результатов оценки фактического состояния конструкций выполнено с помощью коэффициента обратной связи режима эксплуатации конструкций () и характеристики пропускной способности регулирования ресурса ().

В третьем разделе произведена оценка показателей ремонтопригодности на основе ускоренных и натурных коррозионных испытаний, результатов мониторинга при эксплуатации стальных конструкций по фактическому состоянию. Представлены результаты физико-химического и математического моделирования коэффициента готовности стальных конструкций, сравнительной оценки показателей ремонтопригодности для обоснования параметров спецификации по ресурсу с учетом интенсивности коррозионных воздействий.

В четвертом разделе систематизированы признаки эксплуатационного состояния конструкций в зависимости от уровня уязвимости и угроз, групп ответственности по технологической безопасности, эффективности существующих и дополнительных мер инженерной защиты объектов. Разработан алгоритм предупреждения аварийных ситуаций промышленных объектов, включающий определение уровня риска по технологической безопасности (R_i, балл) при эксплуатации конструкций в коррозионных средах. По разработанной методике выполнен анализ степени критичности дефектов и повреждений, обоснованы меры по продлению ресурса стальных конструкций рудно-грейферного крана с учетом коррозионных воздействий эксплуатационной среды.

Ключевые слова: стальные конструкции, защитные покрытия, коррозионная стойкость, долговечность, ремонтопригодность, технологическая безопасность, уровень риска.

SUMMARY

Filatov Y.V. Techological safety and prolongation of steel structure life in corrosive environment. –Manuscript.

The thesis for taking the scientific degree of Сandidate of Technical Sciences in speciality 05.23.01 - Building Construction, Buildings and Structures. / Open Joint-Stock Company V.Shimanovsky Ukrainian Research and Design Institute of Steel Construction. - Kiev, 2008.

Results of the theoretical and experimental researches of corrosion state of steel constructions and their coatings are presented. On the basis of approaches of the limiting state method the indices of technological safety of building and construction structures in the process of use are justified according to an observed condition. The procedure of the risk level registration estimation and the design-experimental estimation of maintainability of steel structures in corrosion environments was developed. The accelerated and environmental corrosion tests were carried out, the design models of in-use indices monitoring were proposed, the steel structure availability factor were specified for the examined types of the protective coating systems. The estimation of maintainability and postrepair carrying capacity were made on the basis of steel structure corrosion resistance and durability calculation according to the limiting states. Economic efficiency of management of technological safety indices for realization of programs of reliability assurance and prolongation of steel structure life, decrease of industrial facility risk level is shown.

Keywords: steel structures, protective coatings, corrosion resistance, durability, maintainability, technological safety, risk level.