Малоцикловая прочность элементов шлюзовых ворот транспортных гидросооружений и методы продления их ресурса (23.08.2010)

Автор: Абросимов Виктор Григорьевич

В этой главе рассмотрен ряд основных современных методов и средств контроля напряженно-деформированного состояния в процессе экспериментальных натурных исследований элементов шлюзовых ворот. Выполнен анализ применимости для указанных исследований метода оптически чувствительных покрытий, метода делительных сеток, метода муара и различных методов тензометрического исследования, который показал, что первые три метода оказываются малопригодными для измерения в труднодоступных зонах шлюзовых ворот (на криволинейных поверхностях, на внутренних поверхностях, на элементах, работающих в водной среде и т.д.). Таким образом, проведенный анализ показал, что для задач настоящей работы наиболее пригодными являются различные варианты тензометрических методов.

На этапе подготовки натурного эксперимента проведены:

анализ условий натурной тензометрии и решаемых данными исследованиями задач;

анализ выбора мест и схем расположения измерительных точек на исследуемой конструкции;

выбор типоразмеров тензодатчиков, типов активных преобразователей, схем компенсации, типов защитных устройств, способов вывода соединительных кабелей с напорной поверхности конструкций.

Эксплуатация шлюза сопровождается цикличностью его работы, причем в процессе шлюзования и перепуска воды за навигацию может быть осуществлено до нескольких тысяч циклов при практически стационарном режиме повторного нагружения, определяемом постоянством верхнего и нижнего уровней воды в камерах шлюза при каждом срабатывании. Поэтому, основными задачами измерений было определение циклической составляющей напряжений (деформаций) при эксплуатационных режимах.

В настоящей работе использовались малобазные фольговые датчики с базой 1 мм, сопротивлением 100 Ом (продольные и поперечные), соединенные последовательно между собой в цепочки. Всего было установлено около 160 тензорезисторов. Схема наклейки тензодатчиков представлена на рис. 1. Места размещений тензорезисторов в процессе натуральных исследований выбрали с учетом появлений трещин в тех или иных элементах конструкций, а также в зонах возможной повышенной концентрации напряжений. Для тензометрирования были выбраны следующие зоны (рис. 1):

1) напорная водонепроницаемая обшивка ворот в зоне приварки к двутавровым балкам стрингеров на уровне второго и третьего ригелей (зоны I и II);

2) поясной уголок нижнего ригеля вереянного столба (зона III);

3) торцевой лист напорной части вереянного столба в зоне первого и второго ригелей (зона IV и V).

Цепочки тензодатчиков, состоящих из непрерывных двухкомпонентных розеток, наклеивались на поверхности элементов в околошовной зоне по двум взаимно перпендикулярным направлениям (рис.4). Большинство установленных на элементах водонапорной обшивки и опорных конструкциях тензорезисторов работало в процессе исследований под водой.

Рис. 4.

Измерение перемещений обшивки ворот производили при помощи приборов индикаторного типа (стрелочного) с визуальным отсчетом. Индикатор неподвижно закреплялся с возможностью регулировки. Штифт индикатора приводился концом в соприкосновение с точкой, перемещение которой определяется, и делается отсчет. Диапазон измерения перемещений от 1 до 10 мм, цена деления 0,01 мм.

Известно, что получение информации о параметрах НДС натурных конструкций шлюзовых ворот в реальных условиях эксплуатации сопряжено со значительными трудностями материального и технического характера. С целью получения более полной информации по НДС рассматриваемых конструктивных элементов в настоящей работе был создан метод модельных экспериментальных исследований статической и малоцикловой прочности. Для проведения указанных исследований были изготовлены фрагменты натурных конструкций (шпации) и в масштабе 1:2. Данные модельные элементы испытывали в лабораторных условиях, моделирующих реальные условия эксплуатации. Условия нагружения моделировали с использованием полей перемещений, полученных в натурном эксперименте. Металл моделей соответствовал металлу шлюзовых ворот. В процессе испытаний проводилось подробное тензометрирование полей циклических упругопластических деформаций. Более подробно разработанная методика и полученные результаты представлены в главе 5 диссертации.

Очевидно, что прочность и ресурс шлюзовых ворот определяется не только представленными выше факторами, но и механическими свойствами конструкционных материалов в условиях эксплуатации. В соответствии с этим была разработана методика, оснастка, оборудование и методы обработки результатов исследования сопротивления конструкционных материалов шлюзовых ворот малоцикловому нагружению. Данная методика разработана в рамках деформационно-кинетических подходов и базируется на результатах фундаментальных исследований ИМАШ РАН, таких как обобщенная диаграмма циклического неупругого деформирования (диаграмма Гусенкова - Шнейдеровича) и деформационно-кинетический критерий малоцикловой прочности.

Исследование характеристик сопротивления малоцикловому нагружению конструкционных сталей М16С, ст. 3сп, 09Г2С и др., проводилось с применением специальных средств и аппаратуры. При испытаниях была использована сервогидравлическая испытательная установка типа МТS, 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. Для случая, когда для эксплуатационных разрушений характерным является появление вертикальных трещин в зоне сварного шва обшивки, вырезка образцов проводилась в зоне сварного соединения в направлении, перпендикулярном шву, где на поверхности возникают условия повторного растяжения-сжатия.

Изготовление обшивки двустворчатых ворот из металла толщиной 10 мм позволяет осуществлять вырезку образцов для испытаний на растяжение-сжатие непосредственно из листа обшивки. При этом толщина металла оказалась недостаточной для изготовления образца с требуемыми захватными частями, в связи, с чем была использована конструкция с навинчивающимися и привариваемыми по торцам головками (рис. 5).

Исследование характеристик сопротивления деформированию и разрушению металла сварного соединения представляет специальную задачу. В зависимости от технологии сварки, применяемых электродов и т.д., зоны основного металла, металла шва и термического влияния могут обладать различными статистическими и циклическими свойствами. Для получения позонных характеристик необходимо использовать методику, позволяющую проводить измерения и управление режимом нагружения в зоне, относящейся к определенному типу металла шва. Такие условия могут быть созданы при испытании корсетных образцов и измерении в минимальном сечении деформаций с помощью поперечного деформометра. Располагая корсетную часть образца в том или ином месте сварного соединения, можно получить позонные характеристики сопротивления малоцикловому деформированию и разрушению металла различных зон шва.

В четвертой главе диссертации приведены результаты, полученные соискателем при проведении исследований напряжено-деформированного состояния, малоцикловой прочности и трещиностойкости элементов шлюзовых ворот, применяемых в гидротехническом строительстве. Приведены результаты исследования реальной нагруженности основных несущих элементов шлюзовых ворот, полученные на основе разработанных методик. Рассматриваемые конструкции эксплуатируются в весьма сложных условиях воздействия нагружающих факторов, которые можно разделить на три группы: основные, дополнительные и катастрофические.

Основным видом нагружения, который рассматривается в настоящей работе, является гидростатическое давление за счет разницы уровней бьефов. Воздействие этого давления на элементы металлоконструкций затворов носит циклический характер, связанный с выполнением соответствующих технологических операций, схематически представленных на рис. 2. Количество срабатываний ворот одного из типичных шлюзов (число циклов слитых призм - число циклов наполнения и опорожнения шлюза) составляет от 3800/4000 в год до 20 тыс. и более (рис. 3).

Рис. 6.

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. 3сп, 09Г2С и др. Для этих материалов представлены полученные экспериментальные данные по циклическим диаграммам деформирования (рис. 6) с учетом их кинетики и кривым усталости (было испытано более 100 образцов). По результатам этих исследований построены средние и минимальные для данного полуцикла кривые деформирования по всем испытанным сталям, а также получены кривые усталости (рис. 7). Здесь 1,2,3 – кривые минимальных, средних и максимальных значений долговечности; 4 – кривая долговечности с запасами прочности nN = 3, n? = 1,25.

Рис. 7.

Как показывают данные, представленные на рис. 6,7 испытанные конструкционные материалы можно отнести к циклически стабилизирующимся. Количество циклов до разрушения (появления трещины) располагается в диапазоне от 400 до 6(105 при соответствующих значениях амплитуды циклической симметрической деформации от 2% до 0,2%, что соответствовало диапазону малоцикловой усталости.

Таблица 1

Сталь ?0,2 ?0,2 ?0,2/?в ?% ?%

Ст. 3сп

16Г2АФ 460,7

621,0 274,2

470,0 0,595

0,756 29,7

29,2 58,5

В Таблице 1 представлены полученные данные по статическим характеристикам испытанных материалов. Эти данные показывают, что названные материалы обладают достаточной статической прочностью и пластичностью.

На основе разработанной методики было проведено экспериментальное исследование полей циклических упругопластических деформаций и перемещений на ряде затворов гидротехнических сооружений канала им. Москвы (шлюз №8 и др.) и Волгоградских гидроузлов (шлюз № 30,31 и др.). В Таблице 2 представлены некоторые режимы эксплуатации шлюзов, на которых были проведены натурные исследования. Всего регистрация проведена на 31 режиме.

Таблица 2

Режимы работы шлюза Число режимов Количество датчиков

Деформаций Всего измерений

1. Снятие показаний при опорожненной камере

2. Снятие показаний в процессе наполнения камеры и опорожнения на отметках:

15, 25 м


загрузка...