книги / Техническая диагностика остаточного ресурса и безопасности

ются риски R(t) в виде временных (по времени /) функционалов от двух опреде­ ляющих параметров - вероятностей Р(() возникновения неблагоприятных собы­ тий, связанных с рассматриваемыми ОТР, ОПО, КВО и СВО и ущербов £/(/) от этого события, также имеющих вероятностную природу:

Установление вида функционала в выражении (2.49) является фундамен­ тальной задачей науки о безопасности; на современном этапе технического ре­ гулирования можно ограничиться произведением величины P(t) на математиче­ ское ожидание ущерба U(t).

Непосредственной целью технического регулирования следует считать вве­ дение допустимых уровней риска [/?(/)], устанавливаемых через критические

Управление рисками R(t) до достижения их приемлемых значений [/?(/)] на всех стадиях жизненного цикла объектов требует разработки и реализации соот­ ветствующего комплекса научных, организационных, технических, экономиче­ ских мероприятий на государственном, региональном, местном и объектовом уровнях. Эти мероприятия требуют определенных затрат Z(t) с заданным уров­ нем их эффективности mz\ они записываются через временной функционал:

Таким образом, в рамках Федерального закона «О техническом регулирова­ нии» комплексное обеспечение безопасности с учетом всех указанных выше ви­ дов безопасности и объектов (ОТР, ОПО, КВО и СВО) сводится к одновремен­

где [/] - допускаемое время функционирования ОТР, ОПО, КВО и СВО при ус­

ловии а д < [/?(/)].

Как следует из существа этого закона, при анализе рисков R{t) подлежат рассмотрению три основные сферы, являющиеся как источниками, так и жерт­ вами неблагоприятных событий: люди (человеческий фактор - У), объекты тех­ нического регулирования (техногенный фактор - 7) и объекты природной среды (природный фактор S). Это означает, что составные элементы риска R(t) зависят

92 Глава 2. ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ ПРОЧНОСТИ И РЕСУРСА

R R

Рис. 2.9. Диаграммы изменения рисков при изменении воздействий системы и их реакций

В общем случае для ОТР, ОПО, КВО и СВО характерны три сценария (раз­ новидности) рисков /?(/) во времени (рис. 2.9):

1 - сценарии монотонного возрастания рисков R(t) до критических зна­ чений Rc;

2 - сценарии с обострением, характеризуемые резкими переходами к ката­ строфическим явлениям (событиям);

3 - сценарии с бифуркационными переходами и возникновением точек не­ устойчивости и со сложными траекториями изменения рисков.

Сценарии 1 относятся к большому (основному) числу ОТР, сценарии 2 - к сложным потенциально опасным ОТР - к ОПО, сценарии 3 - к наиболее опас­ ным, критически важным ОТР - СВО.

При разработках регламентов и стандартов с учетом определяющих выра­ жений (2.49) - (2.54) можно исходить из того, что для обеспечения безопасности наиболее важными являются две группы рисков:

-индивидуальные риски для жизни и здоровья людей - риски летального или нелетального исхода для N(t) при неблагоприятных событиях с ОТР, ОПО, КВО и СВО;

-экономические риски, характеризуемые через интегральные экономиче­ ские потери (ущербы) для N(t), T(t) и S(t) при неблагоприятных событиях с ОТР, ОПО, КВО и СВО.

Учитывая существенное различие величин рисков R(t), вероятностей P(f) и ущербов U(t) для различных ОТР, ОПО, КВО и СВО, различный уровень прорабатываемости теоретических и прикладных вопросов безопасности, в настоящее время при разработках регламентов и стандартов можно ориентироваться на следующую иерархию научных методов анализа рисков: детерминированные, статистические, вероятностные, логико-вероятностные, методы нечетных мно­ жеств, комбинированные методы, имитационные модели. В целом ряде случаев используются комбинированные методы (см. рис. 2.8).

Рис. 2.10. Структура анализа безопасности и проведения механических испытаний

Таким образом, в задачах технического регулирования базовые параметры безопасности и рисков R(t), P(t) и £/(/), входящие в систему выражений (2.49) - (2.54) и отражающие механическое поведение ОТР (в первую очередь материа­ лов и изделий), должны относиться к таким видам комплексной безопасности 5, как механическая SM, химическая SK, пожарная Slt, взрывная 5,„ электромагнитная 5ЭМ, экологическая S0 (рис. 2.10). Эти виды безопасности определяются через риски R и их составляющие Ям, /?х, /?„, /?„, Rw, /?р, Ry

Вопросы для самопроверки

1.Какова роль расчетов и экспериментов при определении запасов прочно­ сти и ресурса?

2.Какими основными стадиями разрушения характеризуется общий ресурс?

3.В чем смысл введения в процедуру расчетов понятий штатной и аварий­

ной ситуаций?

4.Назовите основные цели выполнения прикладных разработок по обеспе­ чению техногенной безопасности.

5.На какие главные цели ориентировано техническое регулирование?

Глава 3. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ПО КРИТЕРИЮ ОБРАЗОВАНИЯ ТРЕЩИН

3.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Настоящая методика распространяется на оценку технического состояния и уточненный поверочный расчет остаточного ресурса (срока службы) оборудова­ ния, обеспечивающего эксплуатацию сложных технических систем (СТО) в це­ лях поддержания его в работоспособном состоянии с учетом критериев прочно­ сти, ресурса и живучести.

Оценка технического состояния и остаточного ресурса по п. 1.1 осуществ­ ляется в связи с выработкой назначенного срока службы СТС как элемент спе­ циального научно-технического сопровождения для обеспечения надежности и безопасности, снижения затрат на дальнейшую эксплуатацию СТС в потенци­ ально опасных объектах - атомных энергетических и исследовательских реакто­ рах и объектах ядерного цикла; ракетно-космических системах оборонного и гражданского назначения; боеприпасах, вооружении и военной технике; хими­ ческих и биотехнологическаих комплексах; энергетических установках и пере­ дающих энергосистемах; крупных гидротехнических сооружениях; транспорт­ ных системах (воздушных, наземных, надводных); магистральных газо-, нефте-, продуктопроводах; уникальных инженерных сооружениях; горнодобывающих и металлургических комплексах; объектах гражданского и промышленного строи­ тельства.

Несущими элементами СТС, на которые распространяется настоящая мето­ дика, являются изготовленные из конструкционных сталей трех групп (малоуг­ леродистых, низколегированных, аустенитных нержавеющих) несущие элемен­ ты: сосуды давления, емкости, трубопроводы, нефте-, газо-, продуктопроводы, стержневые и листовые металлоконструкции, элементы резьбовых соединений, корпуса и станины оборудования, колонны, траверсы, штоки, роторы, диски и лопатки турбин и компрессоров и др.

Всостав решаемых задач входят:

-обобщение результатов анализа проблемы оценки технического состояния

иостаточного ресурса общепромышленного оборудования сложных техниче­ ских систем;

-анализ основных конструкторско-технологических и эксплуатационных факторов, влияющих на формирование технического состояния материалов, и математическое описание процессов старения и износа материалов конструкций оборудования СТС в процессе изготовления и эксплуатации;

-выбор типов предельных состояний оборудования СТС и критериев для оценки долговечности;

-обоснование методов диагностики технического состояния оборудования СТС в целях получения исходных расчетных характеристик;

-выбор расчетно-экспериментальных методов определения остаточного ре­ сурса оборудования СТС;

-разработка рекомендаций и расчетных уравнений и их параметров для ко­ личественного определения ресурса и сроков службы оборудования СТС с вы­ сокими показателями по контроле- и ремонтопригодности, долговечности и безопасности функционирования;

-развитие подходов к обоснованию научной концепции долговременной ресурсосберегающей эксплуатации оборудования СТС по фактическому техни­ ческому состоянию и параметрам остаточного ресурса.

При использовании настоящей методики учитываются технические требо­ вания к СТС, а также соответствующая нормативно-техническая документация по проектированию, изготовлению и эксплуатации объектов СТС (федеральные законы, строительные нормы и правила, руководящие документы Ростехнадзо­ ра, Росстандарта и ведущих ведомств).

Результаты оценки технического состояния и остаточного ресурса СТС в соответствии с настоящей методикой используются для принятия решений о возможности продления срока службы, о необходимости проведения диагности­ ческих и ремонтно-восстановительных работ, а также для проведения эксперти­ зы промышленной безопасности и реализации требований технического регули­ рования и технических регламентов.

Оценка технического состояния и остаточного ресурса производится для критических элементов оборудования СТС, испытывающих при эксплуатации действие механических и тепловых нагрузок в диапазоне числа циклов от 10° (статическое нагружение) до Ю10 (многоцикловое нагружение). Поверочный расчет остаточного ресурса в соответствии с настоящей методикой проводится как для случаев, когда исходный ресурс определялся на стадии проектирования по действовавшим нормам расчета прочности, так и для случаев, когда исход­ ный ресурс не определялся или назначался не по критериям прочности (как пра­ вило, по амортизационным экономическим показателям).

Определение остаточного ресурса осуществляется с использованием дан­ ных о техническом состоянии, полученных экспериментальными и расчетными методами, по следующим предельным состояниям:

-образование трещин при циклическом нагружении;

-развитие трещин при циклическом нагружении;

-возникновение вязкого или хрупкого разрушения при наличии исходных технологических и эксплуатационных трещин.

Основное внимание в настоящей методике уделено первому из названных

предельных состояний.

При расчете остаточного ресурса учитываются накопленные в процессе предшествующей эксплуатации циклические, временные, коррозионные и дру­ гие повреждения, а также основные конструктивные, технологические и экс­ плуатационные факторы, изменяющие характеристики предельных состояний.

По величинам характеристик остаточного ресурса с введением соответст­ вующих запасов (по напряжениям, деформациям, долговечности, критическим

температурам и длине трещины) устанавливается срок службы оборудования до исчерпания остаточного ресурса или до очередного освидетельствования и оценки технического состояния.

Оценка технического состояния оборудования проводится методами и сред­ ствами разрушающего и неразрушающего контроля по действующим нормам контроля (диагностики, дефектоскопии) с установлением следующих основных параметров, используемых при расчете остаточного ресурса:

-характеристики механических свойств конструкционных материалов (ос­ новного металла, металла сварных соединений и наплавок);

-характеристики эксплуатационной нагруженности (напряжения, деформа­ ции, температуры);

-характеристики дефектов, в первую очередь трещин (их размеры, зоны

расположения и ориентация).

Результаты оценки технического состояния и остаточного ресурса оформ­ ляются в виде технических отчетов и заключений о возможности дальнейшей эксплуатации оборудования СТС с указанием сроков службы и необходимых мероприятий по модернизации, ремонту и замене поврежденных элементов обо­ рудования, уточненных режимов эксплуатации, а также сроков повторных оце­ нок состояния и остаточного ресурса.

Результаты оценки технического состояния и остаточного ресурса пред­ ставляются в установленном порядке соответствующим службам Государствен­ ного надзора для принятия решений о ресурсе и безопасности СТС.

3.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Оценка технического состоянии - комплекс экспериментальных и расчет­ ных мероприятий по определению на данной стадии эксплуатации базовых ха­ рактеристик основных механических свойств конструкционных материалов, на- пряжено-деформированных состояний и дефектности несущих элементов обо­ рудования СТС с учетом предыстории проектирования, изготовления и эксплуа­ тации этого оборудования на основе действующей нормативно-технической до­ кументации, а также с применением новых методов и средств, дающих более полную или более точную информацию о техническом состоянии.

Оценка остаточного ресурса - определение на данной стадии эксплуатации расчетными и экспериментальными методами временных характеристик насту­ пления заданных предельных состояний несущих элементов оборудования СТС с учетом конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов (про­ явившихся в процессе предшествующей истории создания и эксплуатации и предусмотренных для последующих стадий эксплуатации) на основании дейст­ вующей нормативно-технической документации или настоящей методики.

Оценка исходного технического состояния и исходного ресурса - определе­ ние характеристик состояния ресурса в начале эксплуатации оборудования СТС в соответствии с действующей нормативно-технической документацией или на­ стоящей методикой.

Определение накопленных повреждений - установление доли исчерпания ресурса на предшествующей или на последующих стадиях эксплуатации обору­ дования СТС с учетом основных конструктивных, технологических и эксплуа­ тационных факторов по данным об истории нагружения и о характеристиках исходного или остаточного ресурса.

Обоснование запасов по остаточному ресурсу - проведение комплексного анализа по выбору, расчетно-экспериментальному или экспертному установле­ нию и назначению степени снижения остаточного ресурса при определении сро­ ков дальнейшей безопасной эксплуатации оборудования СТС.

3.3.ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

Оценка технического состояния для последующего определения остаточно­ го ресурса несущих элементов оборудования СТС производится комбинирован­ ными экспериментальными и расчетными (стандартными и нестандартными) методами в целях получения расчетных характеристик прочности, надежности и долговечности.

При оценках технического состояния разрушающими и неразрушающими методами должна быть получена следующая исходная информация:

- базовые характеристики механических свойств конструкционных мате­ риалов (предел текучести а т , условный предел текучести а 0 2, предел прочно­

сти <тв , относительное сужение 1|/^ в шейке при разрыве, сопротивление раз­

рыву SK в шейке);

- характеристики напряженно-деформированных состояний (толщины сте­ нок S в опасных сечениях, теоретические коэффициенты концентрации напря­ жений а ст, зоны и величины максимальных ( отах,етах) и минимальных

(amin ,emin) напряжений и деформаций, зоны и величины максимальных /тах и

минимальных /min температур, времена циклов нагружения тц);

- характеристики состояния дефектов - трещин (их глубина /, протяжен­ ность а, места расположения и ориентация).

Для определения базовых характеристик механических свойств в соответст­ вии с действующей нормативно-технической документацией и методическими рекомендациями используются:

-стандартные испытания на растяжение образцов и микрообразцов, выре­ занных из характерных зон элементов оборудования, имеющих наибольшие на­ копленные повреждения;

-стандартные и нестандартные испытания на мало- и многоцпкловую уста­ лость образцов, вырезанных из указанных выше зон;

-стандартные испытания на ударную вязкость образцов, вырезанных из указанных выше зон;

-стандартные и нестандартные испытания на твердость и мпкротвердость в указанных выше зонах.

При отсутствии возможностей проведения указанных испытаний допуска­ ется определение характеристик механических свойств косвенными методами (магнитными, акусто-эмиссионными, вибрационными и др.)

Для определения напряжено-деформированных состояний используются унифицированные и специальные методы:

-толщинометрии (механические, оптические, ультразвуковые);

-тензометрии (тензорезисторы, тензочувствительные покрытия, гологра­ фия, интерферометрия);

-термометрии (термопары, термосопротивления, термовидение, пиромет­

ры, термокраски);

-виброметрии (акселирометры, механические, оптические, электромехани­ ческие, лазерные, ультразвуковые виброметры).

Для определения состояния дефектов используются стандартные, унифици­ рованные и специальные методы дефектоскопии и дефектометрии:

-визуальные и оптические;

-ультразвуковые;

-рентгеновские и беттатронные;

-магнитные и магнитопорошковые;

-люминисцентные и жидкостные (капиллярные);

-акустические;

-акустоэмиссионные;

-термовизионные;

-голографические;

-электрофизические;

-вихретоковые;

-вибродиагностические.

В качестве наиболее отработанных и часто применяемых методов оценки технического состояния оборудования СТС могут быть названы методы разру­ шающих испытаний образцов, методы толщинометрии, визуальной, оптической и ультразвуковой дефектоскопии. Наиболее информативными и перспективны­ ми являются переносные методы вдавливания с записью диаграмм вдавливания, многоточечной тензо-, термометрии, акустической эмиссии, голографии и теп­ ловидения.

Конечными результатами оценки технического состояния являются количе­ ственные значения расчетных параметров, используемых для оценки остаточно­ го ресурса.

3.4. ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ПО СОПРОТИВЛЕНИЮ ЦИКЛИЧЕСКОМУ РАЗРУШЕНИЮ

3.4.1.Основы метода

Всоответствии с настоящей методикой остаточный ресурс для критических элементов оборудования СТС, в которых при оценке технического состояния не

обнаружены дефекты, недопустимые нормами контроля, при циклическом на­ гружении определяется:

-по предельным, соответствующим образованию трещин местным дефор­ мациям (напряжениям) для чисел циклов, равных эксплуатационным;

-по предельным, также соответствующим образованию трещин числам циклов для деформаций (напряжений) от эксплуатационных нагрузок с учетом ряда основных факторов, отраженных или не отраженных в нормативных расче­ тах.

Если для стадии проектирования оборудования СТС проводился расчет циклической прочности в соответствии с действующей нормативно-технической документацией, то в рамках настоящей методики должна быть дана оценка цик­ лических повреждений, накопленных за предшествующий период эксплуатации, и по ним приближенно определен остаточный ресурс.

Уточненный расчет остаточного ресурса при циклическом нагружении эле­ ментов конструкций СТС для заданных условий эксплуатации (число циклов, асимметрия цикла, максимальная и минимальная температура) проводится по критериям квазистатического и усталостного разрушения с учетом кинетики повреждений вследствие внешней и внутренней нестационарности процессов деформирования.

Оценка остаточного ресурса по характеристикам долговечности (числу циклов) и деформациям (напряжениям) проводится расчетным путем, а также по результатам испытаний моделей, узлов или натурных элементов конструкций при циклическом нагружении (с учетом конструктивных форм штатных изде­ лий, материалов и технологии изготовления, числа циклов нагружения в экс­ плуатации, температуры и времени).

Уточненный расчет остаточного ресурса, также как и исходного, произво­ дится на основе анализа общих и местных деформаций (или напряжений) эле­ ментов конструкций по расчетным кривым усталости или по данным механиче­ ских испытаний лабораторных образцов из материала конструкции в исходном состоянии или в состоянии на данном этапе эксплуатации.

Расчет остаточного ресурса по настоящей методике выполняется в местных условных упругих напряжениях а*, равных произведению местных упругих

или упругопластических деформаций е на модуль упругости Е1 при заданной температуре t. Условные упругие напряжения позволяют вести расчет по де­ формационным критериям в форме, принятой в инженерных расчетах прочности по напряжениям.

Определение местных деформаций в элементах конструкций СТС произво­ дят по данным упругого или упругопластического расчета для исходного и по­ следующих циклов или по данным измерений деформаций на моделях и на на­ турных конструкциях для заданных эксплуатационных нагрузок.

В расчетах остаточного ресурса по настоящей методике учитываются числа циклов нагружения, температуры, асимметрии циклов деформации (напряже­ ний), нестационарность нагружения, остаточные напряжения от сварки, исчер­

пание пластичности при технологических и монтажных операциях, снижение пластичности за счет предварительного циклического нагружения и деформаци­ онного старения в процессе эксплуатации, наличие сварных швов и наплавок.

В результате уточненного расчета остаточного ресурса при циклическом нагружении определяются:

-коэффициенты запаса прочности по деформациям (напряжениям) и по долговечности с использованием указанных выше критериев;

-допускаемые числа циклов (долговечности) при выбранных запасах проч­

ности.

Полученные в расчете коэффициенты запаса прочности по напряжениям и долговечности должны быть не ниже требуемых по действующим нормам, ру­ ководящим документам или по настоящей методике. Снижение запасов по срав­ нению с требуемыми должно обосновываться более точными методами расчета

ииспытаниями модельных или натурных элементов конструкций и деталей обо­ рудования СТС.

При определении остаточного ресурса по критериям сопротивления цикли­ ческому нагружению учитываются:

-механические нагрузки (внутреннее и наружное давление, собственный вес изделия и его содержимого, вес других присоединенных элементов, реакции опор и трубопроводов, монтажные усилия);

-температурные воздействия;

-вибрации;

-сейсмические нагрузки.

В расчете учитываются остаточные напряжения от сварки однородных и неоднородных материалов; остаточные напряжения от сварки и наплавок сум­ мируются с напряжениями от указанных выше нагрузок.

Уточненный расчет остаточного ресурса производится с учетом асимметрии цикла по амплитудам условных упругих напряжений цикла.

При определении величины условных упругих напряжений, как для оценки остаточного ресурса, так и для оценки исходного ресурса, учитываются:

-номинальные мембранные напряжения от механических нагрузок;

-мембранные напряжения в зонах действия внешних сосредоточенных на­ грузок и в местах присоединения фланцев, днищ патрубков и т.д.;

-изгибные номинальные напряжения;

-местные напряжения от механических, вибрационных и сейсмических на­ грузок;

-температурные напряжения (номинальные, местные, изгибные), возник­ шие в результате неравномерного распределения температур или из-за различия коэффициентов термического расширения;

-напряжения компенсации.

При определении местных максимальных условных упругих напряжений в зонах концентрации (в отверстиях, резьбах, пазах, галтелях, буртах и усилениях сварных швов и т.д.) учитываются все указанные выше напряжения. Местные температурные напряжения (вне зон действия краевых сил), возникающие в