Совершенствование методов оценки и восстановления ресурса вагонов-цистерн с котлами из алюминиевых сплавов

Актуальность проблемы.

Транспортировка грузов для комплексов химического производства в Российской Федерации осуществляется преимущественно железнодорожным транспортом, причем основная часть грузов перевозится в универсальных вагонах. Грузы, вызывающие интенсивную коррозию или требующие наличия специальных конструкций погрузки-выгрузки, транспортируются в специализированном подвижном составе, который в настоящее время получает все большее применение. Это объясняется тем, что при использовании специализированных вагонов обеспечивается лучшая сохранность грузов, снижение эксплуатационных расходов, повышение производительности труда и экологической безопасности при одновременном снижении рисков возникновения аварийных ситуаций.

Одним из таких специализированных видов подвижного состава являются вагоны-цистерны с котлами из алюминиевых сплавов, которые с шестидесятых годов прошлого столетия успешно применяются для транспортировки кислотных меланжей и крепкой азотной кислоты. В настоящее время номенклатура перевозимых в них грузов существенно расширена. Это обусловлено тем, что котел данной цистерны, изготовленный из алюминиевых сплавов, эффективно противостоит агрессивному воздействию перевозимого груза.

В последние годы парк специализированных вагонов-цистерн постоянно сокращается, в результате чего возникает дефицит вагонов для транспортировки специальных грузов даже в условиях снижения объемов перевозок. Все больше вагонов-цистерн выходит из эксплуатации вследствие отказов и окончания нормативного срока службы. Одним из способов решения проблемы нехватки вагонов в условиях существующей экономической ситуации является проведение комплекса работ по продлению срока их безопасной эксплуатации. Исходя из опыта прошлых лет, данные мероприятия оказывают существенный экономический эффект, который, по сравнению с покупкой нового подвижного состава, может достигать 40%.

Специалистами ведущих организаций России и Украины выполнено большое количество работ, связанных с оценкой технического состояния и прогнозирования срока эксплуатации универсальных вагонов-цистерн. Значительно менее изучены в этом плане специализированные вагоны-цистерны, используемые для перевозки агрессивных и химических грузов (азотная кислота, стирол, кислотные меланжи и.т.д.), которые в настоящий момент находят применение в отраслях химической промышленности.

Таким образом, исследования направленные на совершенствование методов оценки и восстановления ресурса вагонов-цистерн с котлами из алюминиевых сплавов, на сегодняшний день являются актуальными и способствуют существенному улучшению экономической ситуации страны.

Целью работы является разработка комплекса методик по оценке и восстановлению ресурса основных элементов металлоконструкции специализированных вагонов-цистерн с котлами из алюминиевых сплавов и обоснование ремонтных мероприятий для их последующей безопасной эксплуатации.

Научная новизна.

1. Разработана блок-схема вагона-цистерны с котлом из алюминиевого сплава, позволяющая проектировать и модернизировать вагон в целом и его основные элементы с учетом статистических данных повреждаемости в эксплуатации.

2. Сформированы алгоритм и методика оценки и восстановления ресурса вагонов-цистерн с котлами из алюминиевых сплавов, позволяющие на основе использования теории графов выбрать наиболее рациональный вариант ремонта и с помощью уточненной расчетно-аналитической оценки определить его объем и срок дальнейшей эксплуатации вагона.

3. Выполнена классификация повреждений и дефектов, возникающих в конструкции вагонов-цистерн с котлами из алюминиевых сплавов на всех этапах жизненного цикла, позволяющая прогнозировать повреждения в эксплуатации и систематизировать вероятностные причины их возникновения.

4. Получены зависимости напряжений, возникающих в элементах конструкции от геометрических параметров дефектов, позволяющие обосновать предельные поверхностные и внутренние дефекты при проведении диагностирования вагонов-цистерн методами неразрушающего контроля, ремонте и модернизации.

Практическая ценность работы.

1. Сформированная конструктивная схема вагона-цистерны модели 15−1406 позволяет определять наиболее нагруженные и повреждаемые в эксплуатации элементы конструкции котла и рамы.

2. Разработанная методика оценки и восстановления ресурса вагонов-цистерн с котлами из алюминиевых сплавов позволяет детально оценить текущее техническое состояние основных элементов конструкции вагона, условия его эксплуатации и определить ресурс вагона-цистерны в целом при проведении расчетно-аналитической оценки.

3. Разработанная прикладная методика определения объема и вида необходимого ремонта позволяет сократить временные затраты по оценке выявленных при натурном обследовании повреждений и обоснованно разработать проект ремонта с точки зрения экономической целесообразности.

4. Предложенная методика обоснования допускаемых дефектов и браковочных критериев в котлах из алюминиевых сплавов позволяет сформировать браковочные критерии и на каждом этапе натурного обследования вагона-цистерны проводить детальную оценку целесообразности дальнейших работ, путем сопоставления выявленных дефектов с полученными браковочными критериями.

5. Полученные зависимости геометрических параметров дефектов позволяют повысить качество проводимого контроля и, таким образом, сократить внеплановые эксплуатационные расходы.

6. Внедрение рекомендованных мероприятий, для вагонов-цистерн находящихся в эксплуатации, по сравнению с заменой существующего грузового парка вагонов на новый, позволяют получить годовой экономический эффект не менее 70 ООО руб. на 1 вагон.

Реализация. Результаты работы использованы ООО «Инженерный центр вагоностроения» при разработке технических условий на капитальный ремонт с продлением срока службы, переоборудование под перевозку стирола вагонов-цистерн модели 15−1406 и успешно внедрены на предприятиях Владикавказский ВРЗ (филиал ОАО «РЖД») и ООО «Саяногорский ВРЗ».

Достоверность полученных данных подтверждается результатами экспериментальных исследований вагона-цистерны: максимальное расхождение экспериментальных и расчетных напряжений при действии статических и ударных нагрузок не превышает 10%. Обоснованность разработанных рекомендаций и методик подтверждается положительными результатами эксплуатации. В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические разработки, имеющие существенное значение для развития экономики железнодорожного транспорта России.

Апробация. Основные результаты работы докладывались на VI научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» ПГУПС (2009 г.) — на неделях науки ПГУПС (2005, 2007 гг.) — на научно-технических совещаниях ООО «Инженерный центр вагоностроения» (2007;2009 гг.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах, 1 из которых издана в журнале «Транспорт Урала», входящем в перечень изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией для публикации научных результатов диссертационных исследований.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает в себя введение, пять глав, заключение, приложения и изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц и 60 иллюстраций.

Список использованных источников

насчитывает 110 наименований.

Результаты работы использованы при разработке технических условий на капитальный ремонт с продлением срока полезного использования специализированных вагонов-цистерн модели 15−1406 с оконченным сроком службы и переоборудования вагонов-цистерн модели 15−1406 под перевозку стирола в пределах нормативного срока эксплуатации. Вышеизложенные технические условия на КРП и переоборудование успешно внедрены на предприятиях Владикавказский ВРЗ филиала ОАО «РЖД» и ООО «Саяногорский ВРЗ» (рисунок 59). Все упомянутые технические условия согласованы надзорными органами (Ростехнадзор и ОАО «РЖД»), рассмотрены и утверждены на заседании комиссии Совета по железнодорожному транспорту полномочных специалистов вагонного хозяйства железнодорожной администрации.

Рисунок 59 — вагон-цистерна модели 15−1406 после проведения необходимых.

Помимо вышеизложенного разработанная методика обоснования допускаемых дефектов и браковочных критериев в котлах из алюминиевых сплавов используется в ЗАО «ИЦ ОВС», при диагностировании технического состояния специализированных вагонов-цистерн, предназначенных для перевозки агрессивных грузов. Уточненная методика определения ресурса вагонов-цистерн используется при экспертизе промышленной безопасности и позволяет детально оценить наличие ресурса у основных элементов конструкции вагона, возможность его дальнейшей эксплуатации с учетом текущего технического состояния и экономической целесообразности. Результаты внедрения подтверждаются Актами внедрения научных и практических результатов диссертационной работы, приведенными в приложении Д. капитального ремонта с продлением срока полезного использования вагона-цистерны модели 15−1406.

ТУ 3182−013−71 390 252−2006 УК) переоборудование под стирол вагона-цистерны модели 15−1406 (ТУ 3182−017−71 390 252−2006) ремонтных мероприятий.

Оценка экономической эффективности.

В данной части работы проведена оценка экономического эффекта от предложенных автором рекомендаций по оценке и восстановлению ресурса вагонов-цистерн с котлами из алюминиевых сплавов. Для того, что бы в достаточной степени оценить экономическую эффективность разработанных методик и рекомендаций, были рассмотрены два варианта перевозки агрессивных грузов железнодорожным подвижным составом. Первый предполагает закупку новых вагонов, а предложенный автором второй вариант предполагает продление срока полезного использования существующих вагонов-цистерн с исчерпанным нормативным сроком эксплуатации. В качестве вагона, проходящего процедуру продления и оценки ресурса, был рассмотрен вагон-цистерна модели 15−1406, детально описанный в предыдущих главах, с учетом возможности дальнейшей эксплуатации в течение 7 лет до окончания максимально возможного срока эксплуатации.

Экономическая целесообразность продления срока службы по сравнению с закупкой нового подвижного состава оценивалась по затратам жизненного цикла вагона за 1 год эксплуатации по следующей формуле:

S = &bdquo-год ~ ^mod) • Тна3н (5.1) где Знгод — стоимость жизненного цикла за 1 год нового вагона, с учетом стоимости плановых ремонтных мероприятий в течение нормативного срока эксплуатации, руб.;

Smod ~ стоимость жизненного цикла за 1 год продлеваемого вагона с исчерпанным нормативным сроком службы и стоимости плановых и необходимых ремонтных мероприятий в течение остаточного срока эксплуатации, руб.- Т назн срок службы вагона, определяемый при использовании комплекса работ в соответствии с разработанной методикой определения ресурса, лет;

Стоимость 1 года эксплуатации нового и продлеваемого вагонов-цистерн с учетом проведения плановых видов ремонта, капитального ремонта с продлением срока полезного использования, направленного на восстановление ресурса и приведение вагона в работоспособное состояние вычисляется по следующим формулам: с^н + РдКН.

Ь нгод ~ J, (5.2) норм.

Ь РД1ГТТ «Ь Р.

П 'ост Г ДКП ' М mod ~ т (5.3) ост где SH — рыночная стоимость нового вагона, руб.;

S0CT — остаточная стоимость продлеваемого вагона, руб.;

Рм — стоимость необходимого ремонта в баллах, определяемая по прикладной методике оценки объема и вида ремонта, балл;

Рдкн у Рдкп — стоимость плановых видов ремонта нового и продлеваемого вагона в течении всего срока нормативный и остаточной эксплуатации, руб.;

ТНОрм — нормативный срок службы нового вагона-цистерны, лет;

Тост — остаточный срок службы до удвоенного нормативного срока службы вагона, лет;

Остаточный срок службы вагона-цистерны определяется исходя из его первоначальной стоимости с учетом общего срока эксплуатации по следующей формуле: с с ост н.

4 -т,.

V / max J эксп.

5.4) где Ттах — максимально возможный срок эксплуатации нового вагона-цистерны с учетом продления срока службы, лет;

Тэксп — общий срок эксплуатации вагона-цистерны, лет;

Расчет экономического эффекта произведен в условиях внедрения разработанных конструкторских мероприятий для 1 вагона-цистерны по сравнению с покупкой нового вагона без учета затрат на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.

Помимо вышеизложенного в связи с тем, что рассматриваемые вагоны-цистерны являются специализированными и нуждаются в увеличенных плановых видах ремонта, общая стоимость затрат для капитального ремонта и деповского была принята 120 000 и 70 000 руб. соответственно.

Результаты расчета экономического эффекта представлены на рисунке 60, и отражают значительное снижение затрат эксплуатационных расходов жизненного цикла продлеваемого вагона-цистерны на 35% по сравнению с эксплуатацией аналогичного нового подвижного состава и могут достигать до 105 000 руб. в год. Однако следует учитывать, что после 33 лет эксплуатации проведение ремонта в объеме КРП не целесообразно, так как затраты на плановые ремонты и ремонт увеличенного объема превышают затраты по эксплуатации аналогичного нового подвижного состава. года эксплуатации 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 20 го ^ 400 Щ f 3? i 800? го Н.

О «.

ГПТГГТТ стоимость 1 года эксплуатации вагона: ж с продлением срока м новый.

Рисунок 60 — Суммарные затраты на ежегодную эксплуатацию вагонов-цистерн с восстановленным ресурсом и новый.

Как видно из диаграммы представленной выше суммарные затраты на проведение КРП вагона-цистерны оказывают существенный экономический эффект в течение 1 года эксплуатации.

Таким образом, усредненный годовой экономический эффект от внедрения разработанных мероприятий для вагонов-цистерн, находящихся в эксплуатации, по сравнению с заменой существующего грузового парка вагонов на новый, составляет не менее 70 ООО руб. на 1 вагон.

6.

Заключение

.

Выполненный комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленных на совершенствование методов оценки и восстановления ресурса вагонов-цистерн с котлами из алюминиевых сплавов, позволил констатировать следующее:

1. Проведен анализ потребности в перевозке агрессивных химических грузов на примере одного из крупнейших предприятий химической промышленности России до 2015 г., позволивший выявить дефицит специализированного подвижного состава.

2. Выполнен анализ технического состояния вагонов-цистерн с котлами из алюминиевых сплавов, позволивший выявить полный перечень возможных повреждений вагонов-цистерн. На основании проведенного анализа проведена классификация эксплуатационных повреждений вагонов-цистерн по количественному критерию и проанализированы основные вероятностные причины их возникновения в зависимости от стадии жизненного цикла.

3. Сформирована конструктивная схема вагона-цистерны модели 15−1406, которая состоит из отдельных блоков, разделенных по функциональному назначению, и учитывает наиболее нагруженные и повреждаемые в эксплуатации элементы конструкции.

4. Разработаны алгоритм и методика оценки ресурса вагонов-цистерн с котлами из алюминиевых сплавов, позволяющая определять ресурс вагона до наступления предельного состояния его конструкции с учетом необходимого объема ремонтных операций.

5. Предложена прикладная методика определения объема и вида ремонта, позволяющая учитывать наиболее полный перечень возможных повреждений, определять наиболее рациональные способы их устранения и оценивать ориентировочную стоимость ремонта.

6. Разработаны алгоритм и прикладная методика обоснования допускаемых дефектов и браковочных характеристик, обосновывающая расчетным способом предельные размеры наружных и подповерхностных дефектов.

7. Созданы расчетные конечно-элементные модели, позволяющие проводить теоретические исследования влияния искусственного дефекта на напряженно-деформированное состояние вагона.

8. Проведены исследования механических и химических свойств материала котла вагона-цистерны, позволившие определить его состояние после длительного взаимодействия с крепкой азотной кислотой и определить напряжения страгивания трещины от дефекта.

9. Разработана прикладная методика расчетной оценки ресурса вагонов-цистерн с котлами из алюминиевых сплавов, позволяющая определять минимальный ресурс элементов конструкции вагона-цистерны с учетом конструкционных изменений по критерию устойчивости, анализа технической документации и натурного обследования конкретного вагона, а так же определять достоверность определенного вида и объема ремонта.

10. Проведена апробация разработанных методик и предложен комплекс методических рекомендаций, направленных на улучшение эксплуатационной надежности вагонов-цистерн;

11. Проведены экспериментальные исследования, включающие в себя статические и ударные испытания, позволившие оценить достоверность разработанных методических рекомендаций. Результаты испытаний подтвердили данные, полученные расчетным путем (расхождение показателей при максимальном уровне напряжений не превысило 10%);

12. При проведении оценки экономической эффективности восстановления ресурса вагонов-цистерн по сравнению со стоимостью нового подвижного состава установлено, что экономический эффект на 1 вагон составит не менее 70 тыс. рублей в год.

13. Основные положения разработанных методических рекомендаций внедрены при разработке технических условия на капитальный ремонт с продлением срока полезного использования и переоборудование вагонов-цистерн модели 15−1406 и успешно используются на предприятиях Владикавказский ВРЗ филиала ОАО «РЖД «и ООО «Саяногорский ВРЗ «.