Яровий Сергій Миколайович Надійність металевих димових і вентиляційних труб та їх несучих веж

Краткое описание

Яровий Сергій Миколайович, професор кафедри мета­левих та дерев’яних конструкцій Харківського національ­ного університету будівництва та архітектури: «Надійність металевих димових і вентиляційних труб та їх несучих веж» (05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та спору­ди). Спецрада Д 08.085.02 у ДВНЗ «Придніпровська дер­жавна академія будівництва та архітектури»

Міністерство освіти і науки України
Харківський національний університет будівництва та архітектури
І
Державний вищий навчальний заклад
«Придніпровська державна академія будівництва та архітектури»
Кваліфікаційна наукова праця
на правах рукопису
ч
ЯРОВИЙ Сергій Миколайович
УДК 628.014:624.046.2
ДИСЕРТАЦІЯ
НАДІЙНІСТЬ МЕТАЛЕВИХ ДИМОВИХ І ВЕНТИЛЯЦІЙНИХ ТРУБ
ТА ЇХ НЕСУЧИХ ВЕЖ

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди
спеціальність
19 - архітектура та будівництво
галузь знань
Подається на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук
Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей,
• •
результатів та текстів інших авторів мають посилання на відповідне

С.М. Яровий
Науковий консультант - Фурсов В. В.|, доктор технічних наук, професор
Дніпро - 2018

26
РОЗДІЛ 1. ЗАГАЛЬНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ, НАВАНТАЖЕННЯ ТА ВПЛИВИ НА МЕТАЛЕВІ ДИМОВІ І ВЕНТИЛЯЦІЙНІ ТРУБИ ТА ЇХ НЕСУЧІ ВЕЖІ, ІСТОРИЧНИЙ ОГЛЯД ДОСЛІДЖЕНЬ РОБОТИ ТА ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ НАДІЙНОСТІ ВИСОТНІХ СПОРУД 36
1.1. Загальні характеристики металевих димових труб і несучих
веж 36
1.2. Класифікація і конструктивні особливості металевих
димових і вентиляційних труб 39
1.3. Характеристики і конструктивні форми несучих металевих
веж димових і вентиляційних труб 45
1.4. Матеріали для виготовлення металевих димових і
вентиляційних труб і несучих веж 60
1.5. Навантаження і впливи на металеві димові і вентиляційні
труби та їх несучі вежі 64
1.5.1 Класифікація навантажень і впливів на висотні
споруди 64
1.5.2 Постійні та змінні довготривалі навантаження на висотні
споруди 67
1.5.3 Вітрові навантаження на димові труби і металеві несучі 67
вежі
1.5.4 Динамічні вітрові навантаження на труби та вежі 75
1.5.5 Ожеледно-вітрові навантаження на труби і вежі 76
1.5.6 Снігові навантаження на висотні споруди 78
1.5.7 Типи впливів на металеві димові труби і їх несучі вежі 79
1.5.8 Силові експлуатаційні впливи на висотні споруди 80
1.5.9 Корозійні впливи на металеві димові труби і несучі вежі 82
1.5.10 Температурні впливи на димові труби 84
1.5.11 Експлуатаційні механічні впливи 85

23
1.6. Історичний огляд досліджень роботи димових труб та їх
несучих веж 87
1.7. Надійність металевих димових і вентиляційних труб та їх
несучих веж 90
1.8. Висновки по розділу 1 91
1.9. Список використаних джерел у розділі 1 92
РОЗДІЛ 2. НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН ЕЛЕМЕНТІВ МЕТАЛЕВИХ ДИМОВИХ ТРУБ І НЕСУЧИХ ВЕЖ 93
2.1. Напружено-деформований стан стиснуто-згинаної труби.... 93
2.2. Розрахунок на міцність і стійкість елементів металевих
димових і витяжних труб 101
2.3. Сучасні методи розрахунку металевих димових і
вентиляційних труб, їх несучих веж 107
2.4. Висновки по розділу 2 121
2.5. Список використаних джерел у розділу 2 121
РОЗДІЛ 3. УТВОРЕННЯ І РОЗВИТОК ПОШКОДЖЕНЬ
В МЕТАЛЕВИХ ДИМОВИХ ТРУБАХ І НЕСУЧИХ ВЕЖАХ 122
3.1. Розвиток пошкоджень в елементах металевих димових труб
і їх несучих вежах від динамічних впливів 122
3.2. Розвиток корозійних пошкоджень у металевих димових
трубах і несучих вежах 137
3.3. Утворення температурних пошкоджень у димових трубах .. 140
3.4. Деформаційне старіння металу димових труб 144
3.5. Утворення і розвиток пошкоджень у зварних з’єднаннях
металевих димових труб та елементів веж 148
3.6. Висновки по розділу 3 152
3.7. Список використаних джерел у розділі 3 152
РОЗДІЛ 4. ВІДМОВИ ВИСОТНИХ СПОРУД 153
4.1. Загальні дані щодо збирання дефектів і пошкоджень 153

24
4.2. Аналіз дефектів і пошкоджень металевих димових труб
компресорних станцій магістрального газопроводу 155
4.3. Типологія дефектів і пошкоджень димових та
вентиляційних труб і несучих веж 165
4.4. Пошкоджуваність металевих димових труб і несучих веж... 179
4.5. Категорії небезпечності дефектів і пошкоджень елементів
металевих висотних споруд 186
4.6. Оцінка технічного стану металевих димових труб і веж,
граничні значення дефектів і пошкоджень 193
4.7. Висновки по розділу 4 198
4.8. Список використаних джерел у розділі 4 198
РОЗДІЛ 5. ОЦІНКА НАДІЙНОСТІ, УПРАВЛІННЯ СТАРІННЯМ І ПРОГНОЗУВАННЯ ДОВГОВІЧНОСТІ МЕТАЛЕВИХ ДИМОВИХ ТРУБ І НЕСУЧИХ ВЕЖ 199
5.1. Загальна методологія оцінки надійності і управління
старінням елементів металевих димових труб і несучих веж 199
5.1.1. Фізико-статистичний метод оцінки надійності елементів
металевих димових труб і несучих веж 203
5.1.2. Управління старінням конструкцій металевих димових і
вентиляційних труб та їх несучих веж. 213
5.2. Основне кінетичне рівняння довговічності елементів
металевих димових труб і несучих веж 215
5.3. Оцінювання довговічності металевих димових труб і веж
з урахуванням корозійного і температурного впливу 218
5.4. Довговічність металевих висотних споруд з урахуванням динамічного і корозійного впливів при загальній втраті стійкості труби 224
5.5. Довговічність і зниження несучої здатності металевих
димових труб з прогарами у стінці 228
5.6. Визначення довговічності димових труб за критеріями

25
механіки руйнування 232
5.7. Залишковий ресурс металевих димових і вентиляційних
труб та їх несучих веж 241
5.8. Висновки по розділу 5 249
5.9. Список використаних джерел у розділі 5 249
РОЗДІЛ 6. ПІДСИЛЕННЯ ЕЛЕМЕНТІВ МЕТАЛЕВИХ ВИСОТНИХ СПОРУД 250
6.1. Підсилення елементів металевих димових труб і веж
з тріщинами в основному металі і зварних швах 250
6.2. Підсилення елементів металевих димових труб і веж
із наскрізними отворами 255
6.3. Урахування залишкових зварних напружень при підсиленні
труб з пошкодженими накладками 257
6.4. Підсилення металевої димової труби, що втратила стійкість 263
6.5. Забезпечення надійності металевих димових і
вентиляційних труб та їх несучих веж 265
6.6. Висновки по розділу 6 267
6.7. Список використаних джерел у розділі 6 268
ВИСНОВКИ 269
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 273
ДОДАТКИ 296
ДОДАТОК А 297
ДОДАТОК Б 306
ДОДАТОК В 350

Список литературы

ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі виконано теоретичне узагальнення і вирішено важливу науково-технічну проблему забезпечення надійності металевих димових і вентиляційних труб та їх несучих веж після тривалих термінів експлуатації з урахуванням розроблених і обґрунтованих методів визначення довговічності та залишкового ресурсу, способів забезпечення безпечної експлуатації та збереження. При цьому основними науковими і практичними результатами, висновками та рекомендаціями роботи є наступні:
1. Проведено аналіз конструктивних особливостей металевих димових і вентиляційних труб та їх несучих веж, матеріалів та умов експлуатації за весь життєвий цикл, аналіз наукових праць присвячених розробці методів розрахунку напружено-деформованого стану і оцінки надійності.
Обґрунтовано актуальність, наукову і практичну цінність вибраного напрямку досліджень.
2. Виконано аналіз навантажень та впливів на металеві димові і вентиляційні труби та їх несучі вежі, визначені основні параметри силових, динамічних, корозійних, температурних та експлуатаційно-механічних впливів, їх взаємозв'язок за весь період експлуатації. Ґрунтуючись на дані численних натурних обстежень були зроблені висновки: фактичні
навантаження істотно відрізняються від проектних - постійні навантаження можуть зрости на 10% (ремонт, заміна елементів конструкцій); змінні довготривалі навантаження - до 20% (заміна устаткування, футеровки). Встановлено, що величини змінних короткочасних навантажень істотно відрізняються від величин, визначених за попередніми нормами проектування: вітрових навантажень - на 30-40%; снігових навантажень - на 100% і більше. Враховуючи ці зміни при розрахунках за чинними нормами величини напружень в елементах і їх переміщення зміняться на 10-15%.
3. Отримав подальшого розвитку метод оцінки напружено- деформованого стану на основі рішення просторової задачі механіки твердого тіла під впливом стискуючих та згинаючих зусиль, проведено

270
порівняльний аналіз розрахунків на пружність і стійкість елементів труб та веж, виконаний аналітичними методами та з використанням сучасних програмних комплексів (SCAD, ЛІРА САПР, Selena-Result). Використання цих програмних комплексів при урахуванні просторової і сумісної роботи конструкцій, дозволяють знайти резерви несучої здатності до 7-10%.
4. Набули подальшого розвитку уявлення про основні закономірності багатоциклової і малоциклової пошкоджуваності металу конструкцій висотних споруд під дією динамічних навантажень з урахуванням втомної міцності.
5. Ґрунтуючись на результати натурних обстежень проведено аналіз утворення та розвитку пошкоджень від корозійних процесів під дією атмосферних впливів та продуктів згоряння з агресивними сірковмісними сполуками SO2 і SO3, аналіз високотемпературних впливів на металеві димові труби без футеровки і на труби з локальним руйнуванням футеровки, аналіз розвитку деформаційного старіння після механічних впливів на різні елементи конструкцій димових труб.
6. На основі фактичних даних натурних обстежень розроблено типологію дефектів і пошкоджень елементів конструкцій металевих димових труб і їх несучих веж; вперше проведено статистичну оцінку величин та характеру пошкоджень; удосконалено визначення категорії небезпеки основних типів дефектів і пошкоджень; встановлено гранично допустимі значення пошкоджень в залежності від категорії їх небезпеки і технічного стану конструкцій.
7. На основі фізико-статистичного підходу запропоновані методи оцінки надійності і управління старінням елементів металевих димових і вентиляційних труб та їх несучих веж.
8. Вперше розроблено метод визначення довговічності металевих димових труб і несучих веж з урахуванням домінуючої сумісної дії різних впливів - силового, корозійного, температурного і динамічного; методи визначення довговічності металевих димових труб при загальній втраті

271
стійкості труби і з прогарами у стінці, довговічності димових труб за критеріями механіки руйнування.
9. Вперше розроблено метод визначення залишкового ресурсу металевих димових і вентиляційних труб з урахуванням пошкоджень та терміну експлуатації. Розрахунки за розробленою методикою свідчать про істотний залишковий ресурс конструкцій споруд понад проектний навіть після тривалих термінів експлуатації (50 і більше років).
10. В залежності від технічного стану, категорії небезпеки виявлених дефектів, термінів експлуатації, необхідності виконання ремонтних робіт для металевих димових труб та їх несучих веж вперше запропоновано визначити три класи надійності - гарантований, граничний і незабезпечений.
11. Розроблені конструктивні і технологічні рішення підсилення металевих димових і вентиляційних труб, їх несучих веж з особливо небезпечними пошкодженнями: прогарами, тріщинами в основному металі і зварних швах, утратою загальної стійкості стовбура труби. Удосконалено спосіб урахування підсумовування силових та зварювальних напружень при різних варіантах підсилення димових труб.
Результати досліджень реалізовані більш ніж на 100 об'єктах будівництва з розробкою рекомендацій по збереженню споруд, по визначенню довговічності та залишковому ресурсу, по безпечній експлуатації, впровадженню конструктивних рішень щодо усунення пошкоджень на підставі запропонованих методів забезпечення надійності, що підтвердило їх ефективність у порівнянні з традиційними рішеннями. При цьому отримано загальний економічний ефект у розмірі понад 2,5 млн. грн. Теоретичні основи розрахунку і проектування металевих димових і вентиляційних труб та їх несучих веж, оцінка їх надійності впроваджені при підготовці спеціалістів та магістрів за напрямком «Будівництво» спеціальності «Промислове та цивільне будівництво». Результати дисертаційної роботи використані при розробці стандарту асоціації СА-03- 006-08 «Методические указания по проведению технического