熔融金属起重装备及其厂房结构力学行为远程智慧安全监测与预警

李贵文

(宝武装备智能科技有限公司上海金艺检测技术有限公司,上海 201999)

1 概述

熔融金属起重装备是冶金工业生产中的重要装备,厂房结构是承载其运行的关键构件,它们均具有承受频繁重载、工作条件恶劣等特点,一旦发生故障或事故,可能造成全线停产甚至群死群伤事故。

国家应急管理部、原国家安监总局先后发布的91号令《冶金企业和有色金属企业安全生产规定》和《高温熔融金属吊运安全规程》(AQ7011—2018)及《冶金行业重大事故隐患判定标准》,要求推进冶金行业熔融金属安全风险分级管控和隐患排查治理体系。

工作频率较高的熔融金属起重装备及厂房结构在使用10年以后,安全指标逼近或超出临界值。当前基本是利用停机进行目测、无损检测、几何量检测等常规检测手段,采集随机数据,无法实时预警,疲劳寿命检测计算结果与实际情况相差较大,对于力学行为变化趋势、安全预警无有效的手段。

熔融金属起重装备及厂房结构在冶炼车间组成重要相关的重载系统,以450 t起重机为例,自身质量约650 t,满包质量450 t,熔融金属起重装备受力状态传递至厂房结构,厂房结构承受单台设备的总质量达1 100 t,若考虑动载系数的影响,厂房结构承载单个起重装备车轮轮压为550 kN,接近厂房结构的强度安全限值,安全后果非常严重。据报道,2015年1月某钢厂450 t熔融金属厂房结构开裂,危及整个厂房的安全使用。在后续的抢险、抢修过程中发现其他厂房结构均存在裂纹缺陷,直接经济损失约数亿元(图1(a))。2019年4月某公司发生了熔融金属起重装备坠落事故,事故由厂房结构梁断裂引发,损失惨重(图1(b))。

图1 熔融金属厂房结构开裂及坠落事故Fig.1 Structural cracking and falling accidents of molten metal workshop

统计显示粗钢产能1 000万t/a的钢铁生产单元有熔融金属起重装备及厂房结构综合生产系统约20台(套),大多数的钢铁企业熔融金属起重装备及厂房结构分别属于不同部门和专业管理,对于二者力学行为状态的关联管理也是空白。

随着科技发展和技术进步,互联网技术和工业生产的联系越来越紧密,利用智能传感、智能诊断、大数据分析等应用技术,实现熔融金属起重装备及其厂房结构远程智慧监测与预警,符合互联网、大数据、人工智能深度融合、广度发展的趋势。

2 关键技术介绍

通过潜心研究,成功研制了具备航天军工品质、性能指标与国际对标的熔融金属起重装备及其厂房结构力学行为远程智慧安全监测与预警技术,率先在国内开展应用。本项技术符合智慧制造的趋势,有机地融合物联网、大数据等技术,查新和同行评价为源自先进的理论,采用基于原理和应用突破的技术方法,属原创性成果,总体技术达到国际领先水平。

2.1 总体技术思路

在分析起重装备和厂房结构的力学行为理论、优化配置力学传感器的基础上,构建传感网络及现场分布式数据采集系统;利用4G/5G信号进行远程传输,基于研发的应力状态和疲劳寿命数学模型、负荷监测数学模型,应用基于浏览器/服务器(B/S)架构的软件系统实现自动预警和报警,从而实现熔融金属起重装备受力状态的分析、厂房结构受力状态的分析、起重装备与厂房结构力学行为的相关性研究。不仅能够实现远程实时监视熔融金属起重装备及厂房结构安全状态,而且能够及时预警风险、及时推送信息。总体技术思路流程见图2。

图2 总体技术思路流程图Fig.2 Overall technical concept flow chart

2.2 力学行为智慧监测与预警

2.2.1 力学行为基础理论

基础理论研究包括有限元分析和现场应力测试,将二者结合确定关键受力部位及测点的安装位置等。

2.2.1.1 大型复杂机电系统力学建模与模型验证的理论与方法

分析熔融金属起重装备的机电耦合特性,提出切实有效的建模方法和解耦策略;将大系统分解为子系统,由局部到整体建立参数化耦合动力学模型;融合各子系统模型建立全局耦合动力学模型,并进行模型验证和参数修改。

2.2.1.2 基于载荷/应力/应变测试的起重装备及厂房结构薄弱环节分析

搭建巨型熔融金属起重装备及厂房结构主梁应力应变测试环境,研究应力应变分布规律并编制载荷谱,确定主梁薄弱环节,为多力学行为传感器优化配置提供依据;研究大尺度箱形梁及工字梁焊接构件疲劳破坏的类型和特点,特别是起重装备箱型梁跨中拉压应力、厂房结构工字梁端部剪应力情况,分析其疲劳裂纹的形成与扩展机理,确定裂纹报警门限与准则(图3)。

图3 起重装备及厂房结构薄弱环节分析Fig.3 Analysis of weak links in lifting equipment and plant structure

2.2.1.3 基于负荷—时间跟踪监测的起重装备及厂房全部载荷运行记录

建立“负荷—时间”分析曲线。有针对性地建立数学分析模型,并将数据输入计算机进行数理统计分析。通过时间积累可以将数学模型进行优化,计算出负荷跟踪下的构件寿命周期,单次“负荷—时间”计算的开始负荷阈值和停止负荷阈值可设定,实时显示单次“负荷—时间”值与累积“负荷—时间”值,为负荷关联性研究提供数据依据。

2.2.2 力学行为传感网络构建

2.2.2.1 传感网络构成理论与技术及传感器优化配置

针对熔融金属起重装备及厂房结构基础尺寸大、状态信息种类多等特点,在研究薄弱环节的基础上,研究基于双准则或多准则目标函数的传感器优化配置算法,合理选择有效合适的传感器,如采用磁座式传感器合理分配有限的传感器资源;研究传感网络的构建方式,减少传感器自身故障对测试系统的影响,建立容错性强、可靠性高的多传感器检测网络系统。

2.2.2.2 基于应力测试技术的起重机轮压检测方法

熔融金属起重装备大车车轮是起重装备和大车轨道之间传力的唯一零部件,厂房结构的受力直接来源于大车车轮。起重装备在大车轨道运行时,车轮对轨道产生铅垂方向的力,会使轨道产生应变。据此特点,应力传感器安装在被测车轮走过的轨道侧面,当车轮走过时传感器随着轨道一起变形。动态信号测试分析系统将电阻变化转换成应变值并记录下来,通过对应变值的分析换算,以实现荷载起重机轮压的分析,完成起重机力学行为对于厂房结构实时影响的关联判断和综合分析预警。

2.3 远程智慧监测与预警系统架构

2.3.1 系统组成

远程智慧监测与预警系统主要由4个部分组成:熔融金属起重装备应力在线及负荷监测子系统、厂房应力在线及负荷监测子系统、4G/5G通信系统、基于B/S架构软件系统等。

对熔融金属起重装备及厂房结构同步进行力学行为监测,特别是负荷状态时结构的力学行为综合分析,实现对熔融金属起重装备及厂房结构数据同步采集、关联计算分析起重装备对于厂房结构的受力影响,发现异常,及时报警;之后可持续不间断监测,同时可对生产工艺的参数设定进行优化,有效防止金属结构意外损伤。

2.3.2 系统架构

整个监测预警系统框架逻辑上分为3层架构(图4):数据采集层、数据分析层及管控应用层。

图4 远程智慧监测与预警系统架构Fig.4 Architecture of remote intelligent monitoring and early warning system

第一层为数据采集层,简称采集层。为各个工业现场设备状态采集系统,主要负责现场设备结构应力状态和负荷状态的采集,以及设备监测数据短期存储、实时诊断设备状态、智能预警模型、状态报警、传输和推送。

采集层服务器采集力学行为状态数据、工艺数据等信息,同时对数据进行边缘特征值计算并判定状态,并结合设定预警模型进行数据状态判定,同时上送各类采集、状态及分析数据信息至数据分析处理中心。

第二层为数据分析层,简称分析层。主要由熔融金属起重装备及厂房结构在线监测设备应用、数据状态数据分析处理中心等组成。主要实现数据中心存储及分析,实现“数据汇聚、数据挖掘、分析诊断模型、标准优化和智能信息推送”等。

第三层为管控应用层,简称应用层。主要负责设备力学行为的汇总,并结合生产、运营数据为设备管理方提供专业可视化的数据信息。设备状态数据分析处理中心对各区域服务器上送数据信息进行融合、分类存储,同时结合存储历史数据对数据信息进行再一次分析处理,确认各类分析诊断结果,帮助用户提高装备安全管理水平。

2.4 基于无线通信的数学模型及软件系统

2.4.1 多层金属屏蔽无线信号的通信

熔融金属吊运环境恶劣,又涉及高温,布置通信光缆受到制约。我们选择4G/5G进行无线传输,但是由于整个现场分布式采集系统的通信部分一般安置在起重装备主梁内和厂房结构内,同时起重装备在间歇移动作业,这些金属屏蔽层严重影响了信号的远程实时传输。于是从多维度着手增强与改进信号传输,升级路由器、选用增强型的信号天线、延长信号天线长度,实现了远程信号不间断的实时传输。

2.4.2 基于B/S架构的软件系统

远程安全智慧监测与预警系统在线监测软件基于B/S构架,数据库采用SQL Server数据管理系统,集数据采集分析、图形显示、远程控制及数据管理于一体,界面简洁美观,操作方便,完整直观地显示结构健康监测内容。软件可以对受力结构的运行状况进行24 h不间断监控,利用服务器的存储空间记录结构的状态参数(包括负荷—时间、应力—时间等信息),当受力结构出现事故前兆或突然变化时,能够及时预警报警,同时可为了解事故现象和分析事故原因及造成的结构损伤原因提供可靠的数据支持。

2.4.3 基于数学模型的疲劳寿命分析

无论是熔融金属起重装备还是厂房结构均承受疲劳载荷的作用,在这方面国内外采用的技术有所不同。欧洲设计标准和我国的起重机设计标准对于结构的疲劳强度分析都采用应力比法为依据的校核技术,日本设计标准对于结构的疲劳强度分析采用应力幅法为依据的计算技术,我们认为采用应力幅法更符合实际情况。该项技术在应用过程中,我们形成了一套自己独有的分析方法和计算方法,利用软件系统数学模型的分析功能,开发总结了独有的应变测试数据处理模块,可以在软件环节完成数据存储、滤波、运算、雨流计算、疲劳分析等,方便快捷[1]。

在分析计算过程中,对数据分析处理所用公式也进行了修正。在疲劳寿命评估计算过程中,通过现场实际应用、数据累积和分析,对关键参数的调整分析,结论更加精准、更加符合实际情况。

2.5 可靠性分析与安全评估技术

在保障现场分布式采集系统、远程智慧监测系统等可靠性的基础上,通过监测设备运行过程中的性能退化数据,提出基于两类关联设备状态的可靠性分析与安全评估模型;从运行状态信号中提取具有明确物理意义的可靠度指标,为定量进行可靠性分析和安全评估提供依据;研究应用多样本条件下熔融金属起重装备和厂房结构的可靠性分析与安全评估方法,实现了连续采样环境中,远程智慧安全监测与预警。

3 应用案例介绍

某炼钢厂450 t熔融金属起重装备及其厂房结构均是1985年投入使用,2015年开始进入性能指标逐步下降、疲劳损伤逐步显现的时间窗。熔融金属起重主要承担钢水包搬运工作,具有工作级别较高的特点。主梁结构疲劳寿命进入末期,AB跨厂房结构疲劳破坏严重,2002年由圆弧端更换为变截面插板式,2015年1月厂房结构A10-A11端部发生开裂,危及整个厂房的安全使用。

基于上述状况,针对这两类装备开展了力学行为远程智慧监测与预警。包括450 t起重装备主梁结构的受力状态、疲劳寿命分析,起重装备轮压变化对于厂房结构的力学行为影响,起重装备作业循环对于厂房结构本体疲劳寿命的影响,厂房结构力学行为状态变化趋势监测等,实现数据远程分析、推送及预警。

结论对现场的安全生产起到了保障作用:主梁结构多处应力集中区的疲劳损伤程度严重,主梁疲劳强度可靠性明显不足。如果生产工况一直未变,主梁结构疲劳寿命应达到626 547个工作循环。当每天工作循环数取75个时,已经完成的工作量为594 000个循环,约占主梁寿命的94.8%,主梁结构的疲劳寿命已经接近完成。通过450 t起重装备状态关联,研究其轮压对于厂房结构的安全影响。根据历时3个月远程监测数据分析,为后续的厂房结构改造提供了有效的数据依据。AB跨厂房结构旧的吊车梁材料为Q345B,判断有4根厂房结构梁需要更换新梁,决定更换行车轨道梁采用圆弧式三腹板方案。确定新的吊车梁制造材料牌号为Q390E,提升其抵御疲劳破坏的能力40%,所谓三腹板即距离端部3.3 m范围采用三块腹板,其余部分为单腹板,以增加圆弧端抵抗破坏的能力[2]。

新更换的厂房结构梁同步实施了力学行为远程安全智慧监测与预警(图5),实现其全生命周期的安全管理,符合标准AQ7011—2018中4.4条的规定“起重机改造时,若起重机自身额定起重量增大及工作级别提高,应对起重机的轨道梁、立柱及基础的承载能力进行校核,必要时应采取加固措施”要求,符合应急管理部标准AQ7011—2018中关于熔融金属吊运全生命周期安全管理的要求。

图5 450 t起重机及其厂房结构远程安全监测与预警系统Fig.5 Remote safety monitoring and warning system for 450 t crane and its plant structure

4 后续发展与展望

“工欲善其事,必先利其器”,研究熔融金属起重装备及其厂房结构力学行为远程智慧安全监测与预警技术,响应和执行了国家相关要求。过程中创新性地采用了一些技术手段,有效提升在高温熔融金属吊运安全管理水平,促进我国在这个领域安全技术的发展,具有广阔的应用前景。

熔融金属起重装备及其厂房结构的研究工作大多数是分开研究,关联性的研究对象和机会也相对有限。我们所开展的工作属于创新性的,没有模板可以借鉴和参考。目前在冶金领域和港口运输领域已经成功应用,后续将在建筑、桥梁等领域进行推广应用,将这项技术结合更多的各种现场安全生产工况,努力深化其技术功能,力求该项技术更加完善,在安全管理中发挥更大的作用[3]。

5 结语

通过本文的详尽记录,展现熔融金属起重装备及其厂房结构力学行为远程智慧安全监测方法与效果,希望为国内熔融金属起重装备及其厂房金属结构安全保障提供先进的技术手段,也为其他大型机械设备远程监测提供有效的实施路线,实现远程智能运维借鉴和参考。