Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, ,остановка задачи 9
1.1. Обзор методов расчета конструкций при воздействии коррозионно-активных грузов 9
1.2. Выводы и формулирование решаемой задачи 26
2. Обследование технического состояния котлов цистерн и исследование коррозионной стойкости сталей 28
2.1. Анализ технического состояния котлов вагонов-цистерн для перевозки кислотного меланжа 28
2.2. Лабораторные испытания образцов вагонных сталей в меланже 40
2.3. Металлографические исследования стальных образцов после коррозионных испытаний 49
2.4. Основные результаты и выводы по главе 2 55
3. Разработка математической модели и исследование напряженно-деформированного состояния котлов цистерн 56
3.1. Математическая модель для исследования прочности котла цистерны 56
3.2. Напряженно-деформированное состояние котла цистерны с учетом коррозионных дефектов 78
3.3. Основные результаты и выводы по главе 3 100
4. Технико-экономическое обоснование применения для изготовления котлов коррозионно-стойкой стали 102
4.1. Методика расчета экономической эффективности от применения коррозионно-стойкой стали 102
4.2. Расчет экономической эффективности от внедрения новой стали 108
4.3. Выводы по главе 4 109
Заключение Список использованных источников 112
- Выводы и формулирование решаемой задачи
- Металлографические исследования стальных образцов после коррозионных испытаний
- Напряженно-деформированное состояние котла цистерны с учетом коррозионных дефектов
- Расчет экономической эффективности от внедрения новой стали
Выводы и формулирование решаемой задачи
Опыт эксплуатации и ремонта вагонов свидетельствует, что коррозия является одной из причин нарушения работоспособности железнодорожной техники. Появление неисправностей, отказов и предельных состояний, обусловленных коррозией, при которых дальнейшая эксплуатация невозможна, является причиной текущих и капитальных ремонтов, и даже исключения вагонов из рабочего парка. При этом коррозия элементов конструкции вагонов ведет к увеличению объема ремонта, что в свою очередь приводит к росту трудоемкости и повышению материальных затрат. Существующие технологии деповского и капитального ремонта не обеспечивают восстановление несущей способности кузова и ресурса узлов вагонов, используемых для перевозки коррозионно-активных грузов.
Сложившаяся экономическая ситуация требует поиска новых путей для достижения максимальной эффективности железнодорожного транспорта. Изменение структуры грузооборота, увеличение числа предприятий-производителей и владельцев грузовых вагонов обусловили необходимость совершенствования технологий ремонта вагонов, с целью повышения их коррозионной стойкости, и создания новых конструкций подвижного состава с использованием систем противокоррозионной защиты.
Основы современных методов исследования подвижного состава железных дорог заложили работы отечественных ученых СВ. Вершинского, Е.Н. Никольского, Л.Н. Никольского, И.И. Челнокова, Л.А. Шадура, а также зарубежных ученых И. Боммеля, Г. Марье, Е. Шперлинга и других.
Существенный вклад в развитие методов расчета, испытаний, проектирования перспективного подвижного состава внесли В.Р. Асадченко, П.С. Анисимов, Н.С. Бачурин, СВ. Беспалько, А.А. Битюцкий, Е.П. Блохин, М.М. Болотин, ЮЛ. Бороненко, В.М. Бубнов, Н.А. Буше, А.И. Быков, Н.Н. Воронин, И.И. Галиев, М.И. Глушко, В.Д. Данович, В.А, Двухглавов, С.А. Другаль, Г.Б. Дурандин, Р.И. Зайнетдинов, В.А. Ивашов, В.Г. Иноземцев, А.А. Камаев, В.А. Камаев, А.Д. Конюхов, В.В. Кобищанов, В.Н. Коту-ранов, М.Л. Коротенко, А.Д. Кочнов, В.В. Лукин, В.П. Лозбинев, В.И. Мя-ченков, Н.А. Панькин, Г.И. Петров, Ю.С. Ромен, А.Н. Савоськин, А.В. Смольянинов, М.М. Соколов, П.А. Устич, А.А. Хохлов, В.Д. Хусидов, В.Н. Филиппов, В.Ф. Ушкалов, В.Н. Цюренко, Н.Н. Шапошников и другие. Вопросами повышения прочности и надежности при коррозионном воздействии агрессивных сред заняты: ВНИИЖТ, ПГУПС, БИТМ, МГУПС, МВТУ им. Н.Э. Баумана, УрГУПС, ФГУП «ПО Уралвагонзавод», ОАО «БМЗ-Вагон» и другие научные и производственные организации.
Большое значение в развитии прикладных методов расчета напряженно-деформированного состояния конструкций вагонов имеют работы А.П. Азовского, Ю.Н. Аксенова, Б.А. Алексюткина, А.В. Третьякова, Г.Ф. Чугунова, В.Ю. Шувалова, СМ. Шудрака.
На современном этапе одной из главных задач в области вагонного хозяйства является создание нового поколения грузовых вагонов повышенной надежности и долговечности. Особое внимание при разработке вагонов нового поколения уделяется специализированным вагонам, которые используются для перевозки коррозионно-активных грузов.
Исследованию влияния коррозионной среды на подвижной состав посвящены работы А. Д. Конюхова и Г. И. Осадчука [1, 2, 3, 4]. По результатам исследований приведенных в этих работах видно, что уже через четыре года эксплуатации 15 % цистерн имеют трещины, к пяти годам - 42 %, а к шести годам - 62 %. Во второй ремонт цистерны поступают через более короткое время. Так через четыре года после капитального ремонта 40 % цистерн имеют трещины в котле. Более 60 % цистерн ремонтируют с заменой колпака и горловины. Проблеме коррозии и надежности железнодорожной техники посвящена работа [5] в которой показано, что наличие дефектов коррозионного характера оказывает существенное влияние на напряженно-деформированное состояние элементов конструкций вагонов.
В последнее время для анализа нагруженности и прочности вагонных конструкций получил широкое применение метод конечных элементов. Обладая высокой точностью, инвариантностью к геометрии расчетной модели он позволяет автоматизировать подготовку исходных данных и обработку результатов. Основы метода конечных элементов рассмотрены в работах [6, 7].
Применительно к расчету вагонных конструкций впервые метод конечных элементов был применен Е.Н. Никольским для анализа напряженного состояния кузова вагона [8, 9, 10]. Для расчета сложных конструкций вагонов использовались совместно метод чередования основных систем и метод конечных элементов. Был получен своеобразный способ составления уравнений метода конечных элементов при использовании суперэлементов.
МКЭ получил широкое распространение при статическом и динамическом расчете несущих конструкций кузовов, ударно-тяговых приборов, элементов ходовых частей, включая колеса. В большинстве работ при исследовании НДС кузовов вагонов учитывается пространственная работа несущих элементов и жесткость обшивы при различных схемах нагружения, включая кососимметричную нагрузку на кузов с опиранием его на скользу-ны тележек.
Основной концепцией использования МКЭ на настоящем этапе, является совместное использование, с одной стороны хорошо разработанных и постоянно развивающихся численных методов, позволяющих выявить все факторы, оказывающие превалирующее влияние на нагруженность различных элементов конструкций вагонов, а с другой стороны, методов и критериев оценки прочности, основанных на всестороннем анализе процессов, протекающих в локальных зонах концентрации деформаций.
Металлографические исследования стальных образцов после коррозионных испытаний
При непрерывном погружении скорость коррозии сталей 09Г2, 09Г2Д, 09Г2Ф, 10ХНДП мало изменяется во времени. Сформировавшаяся пассивная пленка не подвергается изменениям. Скорость коррозии несколько уменьшается во времени. Сначала она больше, когда пассивная пленка еще не сформировалась. Исключение составляет сталь 09Г2С. У этих образцов скорость коррозии резко увеличивается во времени. Видимо, сталь 09Г2С недостаточно пассивна, находится в состоянии перепассивации, при значительном электродном потенциале +1,257 В (рисунок 2.9) происходит активное анодное растворение железа [84]. время, сутки --10ХНДПНП - -09Г2СНП - -09Г2ФНП Рисунок 2.7 - Зависимость скорости проникновения коррозии от времени при прерывном (темные маркеры) и непрерывном (светлые маркеры) погружении для сталей 09Г2, 09Г2Д
Измерение стационарных потенциалов (Ест) показало, что потенциалы достаточно быстро устанавливаются, в течение трех часов. Как видно из испытаний, значения потенциалов положительные, близкие к потенциалу окислителя - азотной кислоты и относятся к области перепассивации анодной поляризационной кривой. Для этой области действует правило: чем положи-тельнее потенциал стали, тем больше скорость ее анодного растворения, т.е. скорость коррозии. Тогда по величине Ест стали располагаются в последовательности: Ест 09Г2Ф= +1Д93 3; Ест 10хндп= +1.217В; Ест 09Г2Д=+ 1,247В, Ест 09Г2 " "1,302В. Это оасположение соответствует данным мспытаний йри непрерывном погружении: наименьшая скорость коррозии для стали 09Г2Ф затем следуют стали 10ХНДП, 09Г2Д, 09Г2. Не соответствует лишь наибольшая скорость коррозии стали 09Г2С ее потенциалу + 1,257В. Вероятнее всего, поверхность этой стали недостаточна пассивна, находится в состоянии активной перепассивации, вследствие чего происходит ее активное анодное растворение [84]. Таким образом, наибольшей коррозионной стойкостью в меланже при прерывном нагружении обладает сталь 10ХНДП, затем следуют стали 09Г2Ф, 09Г2Д, 09Г2. Совершенно нестойкой в меланже является сталь 09Г2С, что не соответствует данным [3]. В целом нужно отметить, что по данным [85] все исследованные стали 09Г2, 09Г2Д, 09Г2Ф, 10ХНДП при прерывном погружении в меланже являются пониженно-стойкими, а сталь 09Г2С - малостойкой.
В лаборатории металлов ГУП «Уральское отделение ВНИИЖТ» при участии автора были проведены металлографические исследования образцов из сталей 10ХНДП, 09Г2С и 09Г2Ф. Исследования проводились после ускоренных коррозионных испытаний в кислотном меланже при непрерывном и переменном погружении. Длительность погружения при непрерывном и переменном погружении составила 39-40 суток. Металлографические исследования проводились с помощью оптических микроскопов ПМТ-3 (при увеличении х130 и х150) и МИМ-8М (при увеличении х200) на специально приготовленных поперечных микрошлифах.
Для приготовления микрошлифов из каждого образца, прошедшего коррозийные испытания, вырезались фрагменты размером (4x6x15) мм, которые закреплялись в цилиндрических обоймах с помощью сплава Вуда (Тп1=69 С).
В ходе исследований были проведены измерения микротвердости поверхностных слоев, размеров очагов коррозии. Определялись также характер, глубина и степень локализации повреждений. Измерение микротвердости осуществлялось путем вдавливания алмазной пирамиды (стандартная пирамида Викерса) при нагрузке на индентор 0,25 Н. Значение чисел твердости (Нд, кг/мм) рассчитывалось делением приложенной нагрузки на линейную
ВСЛИЧИНУ ДИЭРОНсШИ ОТпеЧЗТКОВ (и мкГУО пОЛУЧеННЫХ ОТ ВДЭ.ВЛИВЗ.НИЯ ШІмЗЗ 1 ,, ,315 мкм при увеличении (х500).
Микрофотография отпечатков алмазной пирамиды приведена на рисунке .10. Чтобы установить связь между глубиной коррозионных повреждений и микротвердостью исследуемых сталей, измерения проводились вблизи боко-вой поверхности и в объеме образца на расстоянии 0,7-1,0 мм от края. Пер-вый отпечаток в поверхностных слоях наносился на расстоянии 10-15 мкм от края, последний был удален от него на 60-90 мкм.
По результатам измерения глубины очагов коррозии выполнен расчет скорости коррозии исследуемых марок сталей при непрерывном и периодическом контакте с меланжем. При расчете учитывалась максимальная глубина коррозионного проникновения. У образцов из стали 09Г2С при длительности погружения в меланж 40 суток микротвердость поверхностных слоев значительно ниже, чем в объеме. Снижение микротвердости наблюдается в зоне коррозионных повреждений. Результаты замеров микротвердости опытных образцов приведены в таблице 2.4.
Разброс в значения чисел твердости, полученных на всех образцах обусловлен зернистостью исследуемых сталей, а так же спецификой феррито-порлитной структуры. Значения микротвердости опытных образцов близки к справочным величинам соответствующих марок сталей [86].
Более полная информация о характере разрушения поверхностных слоев при взаимодействии с меланжем была получена при микроскопическом исследовании и фотографировании поперечных шлифов. Микрофотографии поперечных шлифов показаны на рисунках 2.11 и 2.12.
Напряженно-деформированное состояние котла цистерны с учетом коррозионных дефектов
Таким образом, расчетные конечно-элементные подконструкции были разбиты с переменным шагом в виде плоских прямоугольных оболочек. Полученная нерегулярная сетка обеспечивала уменьшение размеров КЭ в области коррозионных повреждений и в зонах геометрических концентраторов, что позволило уточнить особенности НДС в этих зонах.
На рисунке 3.5 показаны конечно-элементная модель котла цистерны и подконструкции, соответствующие принятым коррозионным повреждениям. Критерием выбора линейных размеров подконструкции являлось условие отсутствия на их границах влияния концентраторов на общее НДС обечайки котла. Важным фактором, выступающим в пользу использования такого подхода к расчету НДС котла цистерны, является экономичность разработанных конечно-элементных моделей. Оценка экономичности производилась по двум параметрам: суммарное время счета на модели одного варианта нагру-жения и занимаемый объем на жестком диске компьютера файлов результатов.
Результаты оценки экономичности моделей представлены в таблицах 3.1-3.2.
Перечень нормативных нагрузок определяется «Нормами расчетов вагонов на прочность ...» [91]. Действующими нормами предусматривается оценка прочности элементов конструкции вагона по допускаемым напряжениям. Реализация такого подхода сводится к вычислению максимальных суммарных напряжений, обусловленных действием эксплуатационных нагрузок и сопоставление последних с уровнем допускаемых напряжений. Действие эксплуатационных нагрузок и их величины определяются двумя расчетными режимами, имитирующими определенный характер работы вагона.
Котлы железнодорожных цистерн рассчитываются на нагрузки, определяемые I и III режимами работы. Допускаемые напряжения по I режиму нагружения выбираются близкими к пределу прочности или пределу текучести материала с учетом характера действия нагрузки и свойств материала.
Характеристики различных вариантов конечно-элементных моделей котла цистерны и подмоделей, определяющих зоны котла с коррозионными повреждениями, представлены в таблице 3.3.
Время счета 2мин 4мин бмин 14мин В эксплуатации I режиму расчета соответствуют для грузовых вагонов осаживание и трогание с места тяжеловесного состава, соударения вагонов при маневрах, в том числе при роспуске с горок, экстренное торможение в поездах при малых скоростях движения.
По III расчетному режиму рассматривается относительно частое, возможное сочетание умеренных по величине нагрузок, характерное для нормальной работы вагона в движущемся поезде. Основное требование при расчете по этому режиму не допустить усталостного разрушения узла или детали.
Допускаемые напряжения по этому режиму выбираются исходя из пределов выносливости материала.
В условиях эксплуатации, III режиму расчета соответствуют случаи движения вагона в составе поезда по прямым и кривым участкам пути и стрелочным переводам с допускаемой скоростью, вплоть до конструкционной, при периодических служебных регулировочных торможениях, периодических умеренных толчках и рывках, штатной работе механизмов и узлов вагона.
Суммарные напряжения, определяемые нагрузками I и III режимов определяется следующим образом: а\ =a(Pe)+a{N1) + a{pp,d) [all (3.34) of ={1 + к)xа{Ре)+ст(Ыт+ + ст{рр.д) [аш1 (3.35) где о \Рв ) ) -апряжения ят собственного оеса котла и гидростатического давления перевозимого груза; т(#!) - напряжения, вызванные продольной сжимающей силой, равной 3,5МН; j{Nm ) - напряжения, вызванные продольной силой, равной 1МН; - напряжения ят рабочего оавления; к - коэффициент вертикальной и боковой динамики: к = 1 + kge + кг g e. =0,31, г =0,1 [91]. - допускаемые напряжения. Во всех случаях суммарные напряжения не должны превышать допускаемые, определяемые для каждого режима работы.
Гидростатическое давление жидкости действует по нормали к поверхности котла и определяется как: где р- плотность перевозимого груза; R - внутренний радиус котла; J3- угол, на который действует нагрузка;
Величина максимального расчетного давления, вызванного гидравлическим ударом жидкости в зоне днища, определяется из соотношения силы инерции жидкости в котле к поверхности поперечного сечения днища согласно п.2.7. [91].
При создания конечно-элементной модели использовались двухслойные прямоугольные конечные элементы. Толщина наружного слоя конечного элемента равнялась 6 мм, что соответствует толщине наружного слоя оболочки котла из стали 09Г2. Параметры внутреннего слоя конечного элемента соответствовали толщине плакирующего слоя котла из коррозионно-стойкой стали 10Х17Н13М2Т-2мм. Таблица 3.4 - Нагрузки, действующие на котел и схемы их приложения
Расчет экономической эффективности от внедрения новой стали
Как показали результаты расчетов, котлы из двухслойной стали не обеспечивают назначенный срок службы вагонов-цистерн по условию прочности. Если внутренний (плакирующий) слой является стойким к воздействию перевозимых грузов, то наружный из стали 09Г2(20К) в результате пролива меланжа подвергается местной коррозии. Для кислотных цистерн срок между заводскими ремонтами определен 6 лет, но результаты численных экспериментов показали, что уже после пяти лет эксплуатации напряжения достигают предела текучести в зонах повреждений. Одним из возможных путей повышения срока службы данных цистерн является сокращение периода между капитальными ремонтами до 4 лет. Другим возможным путем повышения срока службы цистерн для перевозки кислотного меланжа является, выполнение котла цистерн из коррозионно-стойкой стали марки 10Х17Н13М2Т, Применение этой стали позволяет уменьшить объем ремонта цистерн, увеличить нормативный срок службы котла цистерны. Исследования ВНИИЖТ показали, что стойкими к меланжу являются стали: 10Х17Н13М2Т, Н7М2ДЗР, 06Х17Н7М2ДЗР [1, 3].
Далее приводится расчет экономической эффективности применения таких сталей для котлов цистерн.
Проведение работ по повышению коррозионной стойкости котлов вагонов-цистерн связано с дополнительными затратами материальных, энергетических и трудовых ресурсов. В основу технико-экономического обоснования (ТЭО) эффективности мероприятий по повышению срока службы ваго 103 нов положен принцип минимума затрат, приведенных к единице подвижного состава.
Принятые в ТЭО, эксплуатационные расходы на транспортировку вагонов к месту капитального ремонта принимались в соответствие со сложившейся к 2002 г. инфраструктурой ремонтных предприятий на Свердловской ж.д.
За базовый вариант берется цистерна из двухслойной стали 09Г2(20К)+10Х17Н13М2Т. В качестве предлагаемого нового варианта рассматривается цистерна с котлом из коррозионно-стойкой стали марки 10Х17Н13М2Т.
В этих вариантах принимались различные сроки службы цистерн. В варианте 1 срок службы, исходя из результатов натурных обследований вагонов-цистерн и численных экспериментов, принимался равным восьми годам. Считалось, что капитальный ремонт меланжевых цистерн производится через четыре года. В варианте 2 срок службы цистерн принимался равным 22 годам.
Проведенная технико-экономическая оценка инноваций базировалась на следующих предпосылках: - ремонт и восстановление несущей способности котла цистерны в период между плановыми ремонтами не производится; - расчет экономической эффективности применения котлов из нержавеющих сталей проводился сравнением приведенных годовых затрат по различным вариантам срока службы цистерн; - годовая программа по плановым видам ремонтов меланжевых цистерн принималась по результатам опроса предприятий собственников таких цистерн, расположенных в Пермской и Свердловской областях (А=300 вагонов); - периодичность ремонта вагонов по обоим вариантам должна учитывать назначенные сроки службы сборочных единиц и деталей вагона; - учитывая отсутствие практического опыта ремонта вагонов с котлами из нержавеющих сталей, рекомендаций по их ремонту в ТЭО вводились дополнительные затраты на исследование и опытно-производственные работы. Увеличение стоимости ДР и КР вагонов с котлами из нержавеющих сталей учитывалось введением коэффициента A#w=1,1; - исходя из срока службы вагонов-цистерн с котлами из двухслойных сталей (вариант 1) равным восьми годам. Считалось, что пополнение рабочего парка вагонов производится путем закупки таких же цистерн; - возможные варианты срока службы вагонов-цистерн периодичности проведения плановых видов ремонта представлены на рисунке 4.1. Межремонтные сроки между деповскими ремонтами принимались равным 1 году, аналогично установленным в приказе МПС № 4Ц от 19.01.90 г. - производительность вагона базового варианта и цистерны с котлами из коррозионно-стойкой стали считались равными.
Расчет экономической эффективности производился в соответствии с ОСТ32 43-95[95]. Расчет производится по формуле: Для серийных вагонов моделей 15-1548. 15-1601 с котлами из двухслойных сталей, используемых для перевозки кислотного меланжа («Нормативные сроки службы вагонов», согласованные Госпланом СССР. 14.10.86 г.). годовые експлуатационные ездержки иотребителя, принимались исходя из стоимости плановых видов ремонта; К]ИК2- сопутствующие капитальные вложения при использовании базового и нового вариантов. При расчете экономической эффективности принималось KJ=K2; кпр - предпроизводственные затраты изготовителя вагона цистерны с котлами из коррозионно-стойкой стали;
