Прочностные расчёты с применением средств конечно-элементного моделирования при конструировании и эксплуатации металлургического оборудования

Стегниенко А. В. АО «КО ВНИИМЕТМАШ» (ПАО «Северсталь»)

Последние десятилетия достаточно заметно развиваются различные программные комплексы конечно-элементного моделирования. Наиболее известные иностранные продукты: ANSYS, PATRAN, NASTRAN, ABAQUS, Siemens NX, CATIA, Autodesk, SolidWorks, продукты от российских разработчиков: Fidesys, ЛОГОС, QForm, CADFlo, КОМПАС и др.
С появлением различных программных комплексов конечноэлементного моделирования и их развитием трудозатраты на выполнение прочностных расчётов значительно сократились, а также значительно повысилась их точность. Таким образом, в настоящее время выполнять расчёты механики деформируемого твёрдого тела (расчёты на статическую прочность, усталостную прочность, устойчивость, контактное взаимодействие, динамические расчёты, расчёты при тепловом воздействии и пр.) стало сравнительно проще и быстрее.
Прочностные расчёты выполняются на различных этапах жизненного цикла изделия: конструирование, производство и эксплуатация.
На этапе конструирования применение конечно-элементного моделирования позволяет снизить металлоёмкость машин за счёт оптимизации их конструкции (топологическая оптимизация). Расчёты позволяют уменьшить массу детали с сохранением необходимых прочностных характеристик, а с точки зрения долговечности - выявить и оптимизировать зоны повышенной напряжённости конструкции машины, а также позволяют проверить работоспособность конструкции по критериям прочности, жёсткости, теплостойкости, виброустойчивости и других.
На этапе производства программные комплексы конечно-элементного моделирования позволяют проводить расчёты, связанные с технологическими процессами производства самого изделия. Наиболее понятные и распространённые примеры - это прокатка, штамповка, сварка, резка. Эти расчёты связаны с самой физикой получения того или иного изделия.
И еще один важнейший этап жизненного цикла изделия - это его эксплуатация. На данном этапе необходимость проведения прочностных расчётов в основном связана с внезапным выходом из строя оборудования, техническим обслуживанием или его модернизацией. Всё выше упомянутое напрямую связано с повышением надёжности оборудования, сокращением затрат на его эксплуатацию, ростом производительности и улучшением экономических показателей производства.
Отказ оборудования несёт за собой значительные убытки. На примере компании ПАО «Северсталь» имеющей в суммарном количестве около 500 единиц (шт.) оборудования по всем производственным площадкам, за последние 4,5 года среднее количество случаев отказа оборудования составляет 330 случаев в год. Средняя продолжительность простоя оборудования по причине отказа составляет 630 часов в год (рис. 1). По оценкам средний размер убытков крупных металлургических компаний по масштабу сравнимых с ПАО «Северсталь» составляет - 120 млн. руб./год. В настоящее время по сравнению с 2022 годом наблюдается тенденция уменьшения отказов оборудования

Рисунок 1 – Статистика отказов оборудования ПАО «Северсталь».

По статистическим данным выявлены три основные причины отказа оборудования:

1. Выработка ресурса: усталостное разрушение, ползучесть, выкрашивание, отслаивание, абразивный износ и пр.;
2. Некачественная проработка изделия (детали, узла) на этапе конструирования. Отказы, вызванные недостатком (несовершенством) конструкции (ошибки при конструировании, низкие запасы прочности, разработка на определённый ресурс и т.д.);
3. Дефекты материала деталей, заложенные на этапе производства: твёрдые включения, раковины, закалочные трещины и пр.

Пути решения данного рода проблемы (отказ оборудования):
- преждевременное обнаружение возможной причины и ее устранение;
- организация правильного ремонта машины;
- мониторинг «слабых мест» (зон возможного разрушения).
Очевидно, что никто лучше разработчика машины не может знать её слабые места. Примерно 50 % машин на площадках металлургических производств это машины иностранного производства. В текущих реалиях и выбранном курсе в сторону импортозамещения, качественное и своевременное техническое обслуживание данного оборудования, поставка запасных частей становится затруднительным или невозможным (см. пример на рис. 9).
Также большая часть металлургического оборудования находится в эксплуатации достаточно долгое время (около 50 лет), что в связи с наработкой ресурса требует проведения преждевременного обследования зон возможного разрушения методами неразрушающего контроля.
С появлением средств конечно-элементного моделирования, выявление так называемых «слабых мест» машины стало доступным.
С начала 2024 года ПАО «Северсталь» с входящей в её группу компанией АО «КО ВНИИМЕТМАШ» приступила к реализации программы, направленной на повышение надёжности оборудования, работающего на основных её площадках. Программа подразумевает проведение расчётов статической и усталостной прочности деталей и узлов основного оборудования с использованием средств конечно-элементного моделирования. На основании проведённых расчётов разрабатывается регламент по обеспечению работоспособности оборудования и своевременного технического обслуживания. Производится оценка ресурса, объёмов и путей модернизации, обследования и ремонта оборудования (рис. 2).

Предпосылками к реализации столь объёмной программы по проведению расчётов послужило разрушение крюка устройства уравновешивания системы верхних валков клети «Кварто» стана 5000 (г. Колпино) в 2023 году (рис. 3). Продолжительность устранения неисправности, ремонта, составила 83 часа.
Четырёхвалковая реверсивная клеть стана 5000 находится в эксплуатации с 1985 года. Демонтаж, замена крюка до момента отказа ни разу не проводилась.
Для установления причин разрушения было проведено обследование крюка методами неразрушающего контроля (визуально-оптический контроль), произведены замеры твёрдости материала вблизи области разрушения. Материал крюка – сталь 35ХМЛ К40 ГОСТ 977-88 с пределом текучести σт = 300…392 МПа, временным сопротивлением σв = 589…640 МПа и пределом выносливости σ-1 = 283,9…311 МПа [1, 2].
Результаты обследования и анализа причин отказа выявили, что разрушение носит усталостный характер, причиной которого служит некачественная конструкторская проработка изделия на предмет оптимизации формы и уменьшения влияния местных напряжений.
Для оценки прочности и определения вероятности зарождения и развития усталостных трещин на основании чертежа крюка была построена точная трёхмерная геометрическая модель, проведен расчёт напряжённодеформированного состояния (НДС) методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS WB 2022, произведена оценка запаса статической и усталостной прочности с учётом динамической нагрузки. Коэффициент динамичности нагрузки kд = 1,52. Результаты расчёта НДС показали, что максимальные напряжения реализуются в галтелях, образованными инструментом при механической обработке паза, и подтвердили зону высокой концентрации напряжений именно в том месте, где и произошло разрушение (рис. 4). Максимальное эквивалентное напряжение по Мизесу в зоне разрушения составило σэкв.max = 296,57 МПа, первое главное напряжение σ1 = 393,64 МПа. Фактический коэффициент запаса статической прочности по пределу текучести составил nт = 1,01…1,32 при рекомендуемых минимально допустимых величинах [n]т = 1,6…2,5 [3]. Очевидно, что при σ1 > σт и σ1 > σR, крюк будет иметь ограниченную долговечность. Также ввиду того, что конструкция крюка выполнена литой, то вероятность зарождения и более интенсивного развития усталостных трещин в таких деталях возрастает из-за особенностей структуры материала, внутренних дефектов и высокой шероховатости поверхности.

В дальнейшем была произведена модернизация существующей конструкции крюка, исключающая зоны высокой концентрации напряжений и, в общем, повышающая его надёжность и долговечность. Кроме того, специалистами КО ВНИИМЕТМАШ была разработана принципиально новая конструкция крюка, состоящая из набора пластин (рис. 5). Введена в эксплуатацию в 2023 г.

Подобного рода примеров отказа оборудования, к сожалению, можно привести много. Некоторые из них представлены на рисунках 6, 7, 9, 10.
Пример некачественной проработки изделия на этапе конструирования. Коромысло устройства уравновешивания верхнего валка клети «Дуо» № 1 стана 2000 ППП гп. ЛПЦ-2 (рис. 6). Разработчик – НКМЗ, 1971 г. Ввод в эксплуатацию – 1975 г.). По результатам анализа напряжённодеформированного состояния выявлены зоны высокой концентрации напряжений, даны рекомендации по периодичности и методам проведения неразрушающего контроля для предупреждения внезапного отказа.

Гидроцилиндры ГНУ (рис. 7), у которых конструкция поршня выполнена с контрштоком, чувствительны к смещению действия на поршень осевого усилия и перекосам, что в свою очередь приводит к изгибу контрштока.
На рисунке 7 представлен пример образования трещин в контрштоке поршня гидроцилиндра.
В более современных гидроцилиндрах ГНУ конструкция поршня выполнена без контрштока (рис. 8).

Пример импортозамещения. Профилированный валок листогибочного станка MH340G (рис. 9). Разработчик – MG S.r.l. (Италия). Ввод в эксплуатацию – 2013 г. В 2023 г произошло разрушение профилированного валка. В ходе анализа причин поломки проведены:
- замеры твёрдости и химический анализ материала валка;
- проверочный расчёт усилия гибки сортамента в соответствии с технической характеристикой станка;
- произведён расчёт профиля бочки валка для компенсации прогиба.
Выявлено:
- твёрдость и химический состав материала соответствует европейским маркам сталей С45 (1.0503), C45R (1.1201) и С45Е (1.1191);
- валок при работе на усилиях полученных в результате проверочного расчёта усилия гибки не удовлетворяет условию неограниченной долговечности.

Простои оборудования в следствие проведения внеплановых ремонтов из-за его отказа несут за собой значительные финансовые потери. Поэтому проведение прочностных расчётов с выявлением критичных мест оборудования, разработкой регламента планового осмотра, контроля наиболее подверженных к разрушению областей и своевременной профилактической замены элементов позволяет сократить количество аварий, повысить надёжность оборудования, а также сократить затраты, связанные с выходом из строя оборудования.

Применение программных комплексов конечно-элементного моделирования при решении задач прочности позволяют с высокой точностью производить расчёты напряжённо-деформированного состояния различных конструкций. Применение их на различных этапах жизненного цикла изделия позволяет сократить затраты на его изготовление и обслуживание, повысить его надёжность и долговечность.
По мере реализации программы по повышению надёжности оборудования определены его «слабые места», сформирован комплекс рекомендаций и технических решений по обеспечению работоспособности, определён объём и направления модернизации, сформирована стратегия обслуживания в части проведения неразрушающего контроля, своевременной замены и формировании аварийного запаса.
В рамках металлургической отрасли внедрение подобного рода программ по повышению надёжности оборудования на предприятиях позволит повысить экономический эффект, также целесообразно применение конечно-элементного моделирования на различных этапах освоения профессии - это приведёт к повышению научно-технического уровня конструкторов, что в конечном итоге отразится на улучшении качества создаваемых машин