книги / Техническая диагностика остаточного ресурса и безопасности

При длительном циклическом нагружении зависимость скорости роста трещины от коэффициента интенсивности напряжений по параметру времени нагружения оказывается более выраженной, чем при длительном статическом нагружении (угол наклона касательных к кривым на рис. 4.9 на 5..Л0 % выше, чем на рис. 4.7).

Интегрирование выражений (4.33), (4.37) - (4.39) по времени т или по числу циклов N позволяет установить временной тя или циклический Np ресурс на ста­ дии развития трещин. Вводя запасы пх и nNпо выражению (1.92) можно полу­ чить допускаемое время [тя] и число циклов [JVp] на стадии живучести.

Оценка долговечности на стадии развития трещины малоциклового нагру­ жения проводится с использованием выражения (4.39) для скорости развития трещины. При этом в качестве исходных используются данные о значениях ко­ эффициентов интенсивности напряжений (в упругой области), начальных раз­ мерах дефектов /0 , а также данные о значениях местной разрушающей дефор­

мации ёу- в вершине трещины, определяемых по выражению (4.34). В силу

сложности интегрирования выражения (4.39) в расчетах можно использовать соответствующие значения скорости роста трещины по выражению (4.39) для различных / и по величинам dl/dN и / определять числа циклов Np для раз­

вития трещины от /0 до /. Если и для стадии развития трещины ввести в рас­ смотрение запас по долговечности nN, то тогда общий исходный или остаточ­ ный ресурс как допускаемые время и число циклов будут:

где [т0], [Лу - часть допускаемого ресурса на стадии образования трещин. Необходимыми для рассмотренного расчетного определения ресурса эле­

ментов конструкций на стадии образования и развития трещин являются испы­ тания гладких стандартных образцов при кратковременном, циклическом и дли­ тельном статическом нагружении (с оценкой характеристик прочности и пла­ стичности), а также образцов с начальными трещинами при малоцикловом на­ гружении при соответствующей температуре и времени выдержки (с измерени­ ем скорости развития трещин).

Вопросы для самопроверки

1.В чем заключается связь между критериями трещиностойкости и живучести?

2.Чем отличаются понятия напряжений и коэффициентов интенсивности напряжений?

3.Что понимается под характеристиками первой и второй критических температур хрупкости?

4.Как определяются и в чем выражаются скорости роста трещин при статическом и циклическом нагружениях?

5.В чем отличие запаса по вязкости разрушения от запаса по размерам тре­

щин?

С учетом данных гл. 1-4 в блок базовых методов и направлений фундамен­ тальных исследований ресурса и безопасности введены:

-теория техногенных и природно-техногенных катастроф;

-научные основы правового, экономического и нормативного управления безопасностью и рисками катастроф для СВО и КВО, ОПО и ОТР;

-научные принципы, методы и системы диагностики, мониторинга и защи­ ты от аварий и катастроф.

Научную основу анализа тяжелых катастроф, рисков и безопасности, вклю­ чая технические объекты, операторов, население и окружающую среду, в соот­ ветствии с рис. 1.13 составляют:

-физика, химия и механика катастроф;

-математическое моделирование сценариев аварий и катастроф;

-методы и принципы аварийной диагностики и мониторинга чрезвычайных ситуаций;

-биомеханика взаимодействия операторов и технических объектов в ава­ рийных ситуациях;

-методы и принципы защиты персонала объектов и окружающей среды от аварий и катастроф;

-критерии нормативного обоснования и повышения безопасности. Диагностическое, информационно-математическое обеспечение и систем­

ные математические модели, разрабатываемые в интересах предотвращения и мониторинга аварийных ситуаций и катастроф, а также прогнозов и оператив­ ной ликвидации их последствий, ориентированы на решение задачи построения обобщенных математических моделей сложных технических систем на разных стадиях возникновения и развития аварий и катастроф, в том числе на анализ аварий и катастроф и задачи создания алгоритмов их математического модели­ рования, а также алгоритмов и программ математического моделирования ава­ рий и катастроф с учетом их масштабов. В этих целях проводится:

-разработка методов математического моделирования и диагностики раз­ вития аварий и катастроф в системе «человек - объект техносферы - окружаю­ щая среда» с учетом приземных концентраций радионуклидов, поллютантов при существенных ограничениях на объем исходной информации, на используемые для моделирования вычислительные средства и время счета;

-построение математических моделей объекта как сложной технической системы и ее системы управления для прогноза возможных аварийных ситуаций

ианализа их последствий;

-разработка методов, алгоритмов и системы программного обеспечения для математического моделирования возникновения и развития аварий;

-математическое моделирование механического разрушения конструкции

исистем защиты под действием высокоскоростных ударных волн, тепловых и механических нагрузок;

-разработка универсальной синергетической модели динамики сложных технических систем при авариях и катастрофах;

-разработка методов моделирования нелинейных неизотермических про­ цессов деформирования и разрушения трехмерных тел.

174 Глава 5. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ РЕСУРСА

5.2. ШТАТНАЯ И ОПЕРАТИВНАЯ ДИАГНОСТИКА ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ

Одной из важных научных проблем является развитие методов и создание штатной и оперативной диагностики и мониторинга аварийных ситуаций и по­ врежденных состояний технических систем в случае возникновения аварий и катастроф, имеющих глобальный, национальный или региональный характер.

Всостав исследований оперативной диагностики входят:

-определение поражающих факторов потенциально опасных технических систем и природных явлений и возможности их контроля и оперативной диагно­

стики;

-определение концепции построения систем контроля и оперативной диаг­ ностики;

-определение совмещенной структуры поражающих факторов сложных

технических систем и природных явлений, состава и характеристик оптимизи­ рованной аппаратуры для их контроля и диагностики;

- развитие новых концепций применимости и номенклатуры средств диаг­ ностики аварийных ситуаций для объектов атомной энергетики при воздействии опасных природных процессов и поражающих факторов (землетрясения, навод­ нения, цунами и т.д.).

Системы штатной и оперативной диагностики и мониторинга аварийных ситуаций включают объектовые, региональные и национальные элементы на­ земного, воздушного и космического базирования.

При создании систем диагностики потенциально опасных объектов с уче­ том накопленного в нашей стране и за рубежом опыта анализа техногенных и природно-техногенных катастроф следует учитывать два важных фактора:

-класс аварий и катастроф и их последствий;

-тип аварийных ситуаций.

Аварии и катастрофы были разделены на планетарные, глобальные, нацио­ нальные, региональные, местные, объектовые и локальные. Первые из них создают тяжелые социально-экономические и экологические последствия для сопредельных стран, последние затрагивают промышленные и санитарно-защитные площади объ­ ектов. Аварийные ситуации по степени снижения их последствий были классифи­ цированы как гипотетические, запроектные, проектные и режимные. Первые имеют минимальную вероятность возникновения, но наиболее тяжелые послед­ ствия и создают максимальный риск; последние имеют большую вероятность возникновения при меньших, парируемых последствиях.

Для всех стадий создания и эксплуатации потенциально опасных и критиче­ ски важных объектов (разработка технического задания, проектирование, изго­ товление и эксплуатация) системы диагностирования остаются важнейшей про­ блемой обеспечения безопасности.

С учетом изложенного системы диагностики условно можно представить состоящими из следующих групп:

- встроенных систем, функционирующих на всех стадиях нормальной экс­ плуатации объектов и обеспечивающих срабатывание систем аварийной защиты;

ШТАТНАЯ И ОПЕРАТИВНАЯ ДИАГНОСТИКА ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ 175

-встроенных систем, включаемых в работу при возникновении и развитии режимных и проектных аварийных ситуаций, включающих срабатывание систем защиты и аварийной остановки объектов;

-мобильных внеобъектовых систем диагностики предвестников тяжелых аварий или развития аварий, действующих непрерывно или периодически и включаемых в систему мониторинга запроектных и гипотетических аварий;

-мобильных внеобъектовых и объектовых систем, доставляемых в зону проектных, запроектных и гипотетических аварий.

При использовании действующих и разработках новых диагностических систем применительно к каждому классу катастроф и каждому типу аварийных ситуаций должны быть выделены три разновидности измеряемых характери­ стик:

-характеристики состояния наиболее важных систем потенциально опас­

ных компонентов СВО, КВО, ОПО и ОТР в штатных и аварийных ситуациях;

-характеристики повреждающих факторов при возникновении и развитии аварийных ситуаций;

-характеристики состояния конструкционных материалов и их свойств.

Кпервым относятся напряжения а (деформации е), температуры /, разме­ ры, формы и места возникновения дефектов (трещин) /, изменяющиеся во вре­

мени т. Эти параметры оказываются зависящими от условий эксплуатационного нагружения (давления р, механических, тепловых и электромагнитных усилий скорости, ускорения), геометрических форм и размеров конструктивных эле­ ментов, свойств конструкционных материалов. Так как возникновение и разви­ тие практически всех аварийных ситуаций начинается с повреждений несущих элементов (разрушение, деформирование, разуплотнение, потеря устойчивости), то в процессе диагностирования подлежат обязательному определению макси­ мальные (сгтах, ^шах, /щах) и амплитудные значения (<т(„ еа, /„) базовых параметров. По ним могут устанавливаться коэффициенты асимметрии соответствующих циклов.

Для измерений в реальном масштабе времени эксплуатации или при прове­ дении регламентных работ с остановкой объектов могут быть использованы (знак «+» в табл. 5.1) как широко применяемые, так и новые методы и средства - оптические, физические, механические, электромеханические. К ним можно от­ нести: внешний осмотр, ультразвуковую и магнитную дефектоскопию, методы проникающих жидкостей и фотоупругости, тензометрию, виброметрию, термо­ метрию, акустическую эмиссию, термовидение, рентгенографию, томографию, голографию и др. При этом оказывается, что в настоящее время отсутствуют (знак «-» в табл. 5.1) универсальные методы, позволяющие одновременно вести измерения всех указанных выше параметров - ст, /, /. Наибольшими возможно­ стями обладают методы тензометрии, термометрии, акустической эмиссии, тер­ мовидения, голографии и др.

ШТАТНАЯ И ОПЕРАТИВНАЯ ДИАГНОСТИКА ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ 177

машины при этом имеют механический, гидравлический, электрогидравлический, тепловой, электромагниный, пьезоэлектрический принципы силовозбуждения. Такие испытания применительно к аварийным ситуациям дополняются косвенным определением характеристик механических свойств по результатам локальных измерений твердости и микротвердости материала, по их магнитным

иакустическим свойствам.

Вцелом ряде случаев в штатных и аварийных ситуациях важную роль при­ обретает диагностика структурных состояний материалов и их химческого со­ става с применением оптической и электронной микроскопии. Это также позво­ ляет оценивать их механические свойства.

Встроенные системы штатной диагностики на таких потенциально опасных объектах, как атомные и термоядерные реакторы, турбогенераторы, авиацион­ ные и ракетно-космические системы, нефтегазохимические аппараты могут включать непрерывную термометрию, виброметрию, измерение акустической эмиссии и внешних механических, тепловых и электромагнитных нагрузок.

Продвинутые фундаментальные исследования основ указанных выше мето­ дов, первичной и вторичной аппаратуры, систем регистрации, обработки и пере­ дачи информации создают исходную базу для мощных интегрированных систем диагностики аварийных ситуаций для СВО, КВО, ОПО и ОТР новых поколений. Возможности их практической реализации связываются с программами косми­ ческого зондирования Земли, разрабатываемыми Российским космическим агентством, Российской академией наук, Росгидрометом, Министерством по чрезвычайным ситуациям совместно с европейским и американским космиче­ скими агентствами.

Сочетание космических, воздушных и наземных измерений параметров и

основных характеристик наиболее тяжелых аварийных ситуаций на высокорис­ ковых объектах с глобальными, национальными и региональными последствия­ ми позволит создать единую общепланетную систему в ближайшие годы:

-распознавания и контроля начала развития аварий и катастроф;

-оперативного оповещения населения, национальных и международных сил противодействия авариям и катастрофам;

-управления действиями по ликвидации последствий аварий и катастроф;

-мониторинга краткосрочных и долговременных последствий аварий и ка­ тастроф.

Диагностика и мониторинг СВО, КВО, ОПО и ОТР повышенного ресурса и безопасности могут стать составным элементом национального центра управле­ ния кризисными ситуациями.

Анализ крупнейших техногенных аварий на ядерных объектах (Черно­ быльская АЭС, ТМА АЭС США, Томск-7, СШ ГЭС), а также природных катаст­ роф (землетрясения в Армении, Иране, США, Японии) показал чрезвычайную важность развития систем оперативной мобильной диагностики для зон чрезвы­ чайных ситуаций, в которых оказывались и могут оказываться СВО, КВО, ОПО

иОТР.

178 Глава 5. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ РЕСУРСА

Это в первую очередь касается систем обнаружения (термовизионных, ла­ зерных, вибрационных, спектральных) пострадавших операторов, персонала и населения. Исключительные сложности технической диагностики в зонах ава­ рийных ситуаций состоят:

-в необходимости оперативного начала диагностических мероприятий в начальных и последующих стадиях развития аварий и катастроф;

-комплексном воздействии поражающих факторов (радиации, взрывов, пожаров, заражения отравляющими веществами, высоких температур, ударных волн, световых излучений, осколочных поражений, завалов, плохой и нулевой

видимости);

-высокой скорости и неопределенности изменения контролируемых пара­ метров;

-слабой защищенности систем измерений от воздействий поражающих

факторов; - чрезмерном возникновении преград для обработки и передачи информа­

ции.

В число контролируемых параметров в дополнение к входящим в диагно­ стику нормальных (штатных) ситуаций должны быть внесены:

- интегральные потоки Ф излучений и истечений; плотности потоков

еК Ы ( к \

-массы т0 выброшенных и скорости выброса drrujdx радиационно и хими­ чески опасных веществ;

-массы ть выброшенных и скорости выброса dmjdx биологически опасных веществ;

-скорости распространения в воздухе, воде и почве радиационно, химиче­ ски и биологически опасных веществ;

- максимальное давление /?тах и скорости изменения волн давления dp/dx;

-максимальные температуры /шах и скорости изменения температуры dtldx;

-максимальные тепловые £ тах, механические Ртах и электромагнитные на­ грузки Мтах и скорости их изменения;

-деформации несущих конструкций етах;

-повторность N действия нагрузок;

-масса G и скорости vc летящих осколков;

-степень поврежденности d несущих конструкций.

Вмобильных системах оперативной диагностики аварийных ситуаций ре­

шающее значение приобретают дистанционные бесконтактные многоточечные или полевые измерения. Такие измерения можно проводить с помощью:

-систем радиофизических измерений;

-термовизионных систем;

-систем голографической интерферометрии;

-систем фотоупругих и тензочувствительных покрытий;

-лазерных систем измерения деформаций и вибраций;

ШТАТНАЯ И ОПЕРАТИВНАЯ ДИАГНОСТИКА ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ 179

-телевизионных систем наблюдений и регистраций;

-указанных выше систем лазерного спектрального анализа химически и биологически опасных выбросов;

-компьютерных систем с термо-, влаго-, пыле- и ударозащищенностью;

-систем измерения электрических и магнитных полей.

Вдополнение к ним важные данные получаются с применением мобильных контактных средств ультразвукового, магнитного, токовихревого, радиографи­ ческого измерения толщин поврежденных и неповрежденных элементов, оста­ точных напряжений, дефектов и механических свойств.

Такие мобильные системы измерений представляются, как правило, порта­ тивными приборами отдельных систем, приемлемыми для транспортировки экс­ пертами в зоны аварийных ситуаций.

При возникновении аварийных ситуаций на сложных технических системах необходимы специальные средства:

-доставки экспертов и диагностической аппаратуры в потенциально опас­ ные или аварийные зоны;

-установки измерительных комплексов в очагах развития аварийных и ка­ тастрофических ситуаций;

-защиты операторов и экспертов в опасных зонах диагностирования. Такими средствами оказываются специализированные мобильные диагно­

стические лаборатории (на базе автобусов, вертолетов, самолетов) - для контро­ ля воды, воздуха, почв, обрывов линий электропередач, вибраций.

Универсальный измерительный комплекс для анализа аварийных ситуаций должен содержать встроенные системы энерго- и водообеспечения, иметь защи­ ту от ударов, перегрева, пыли и влаги и может быть оснащен указанными выше портативными диагностическими системами. Такие универсальные серийные комплексы в нашей стране и за рубежом пока отсутствуют, и с получением пер­ вого опыта их создания и применения можно будет оценить их эффективность для оперативного решения вопросов безопасности при возникновении аварий­ ных и катастрофических ситуаций.

Предотвращение кризисных ситуаций, решение проблем, связанных с раз­ работкой методов обоснования безопасности человека-оператора, рабочего пер­ сонала и населения при возникновении аварийных ситуаций в человекомашинных системах, возможно на базе таких исследований, как:

-комплексное изучение психофизиологических возможностей человека и обоснование требований к отбору и подготовленности людей, деятельность ко­ торых является потенциальным источником возникновения опасных ситуаций;

-анализ функционирования потенциально опасных систем и тестирование операторов, прогнозирование их состояния и выработка превентивных мер по предотвращению предаварийных и аварийных ситуаций;

-совершенствование методов диагностики, коррекции, адаптации состоя­ ния человеческого организма, а также реабилитации людей в условиях чрезвы­ чайных ситуаций.

180 Глава 5. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ РЕСУРСА

Предметом фундаментальных исследований СВО, КВО, ОПО и ОТР повы­ шенного ресурса и безопасности являются методы и критерии защиты сложных технических систем, повреждение или разрушение которых ведет к вероятности возникновения аварий и катастроф с глобальными, национальными или регио­ нальными последствиями и больших людских или материальных потерь.

5.3. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ДИАГНОСТИКИ РЕСУРСА И БЕЗОПАСНОСТИ

Всоответствии с изложенным при создании единых научных основ норми­ рования безопасности и рисков СВО, КВО, ОПО и ОТР должны учитываться степень опасности объектов, типы катастроф и аварийных ситуаций (нормаль­ ные условия эксплуатации, отклонения от нормальных условий эксплуатации, проектные, запроектные, гипотетические аварии), комплексный набор пора­ жающих факторов и комплексная система критериев безопасности.

Вкачестве таких основ предусмотрены:

-разработка методологии анализа и обоснования безопасности по критери­ ям рисков;

-разработка единой системы критериев и параметров риска, живучести, ус­ тойчивости и безопасности сложных технических систем (СТС) и объектов (ОТР, ОПО, КВО, СВО) при возникновении аварий и катастроф;

-создание систем физических и математических моделей образования и развития аварий и катастроф;

-определение и классификация основных параметров поражающих факто­ ров и их воздействий на человека, окружающую среду и сложные технические системы;

-построение и назначение критериев, определяющих безопасность людей, окружающей среды и объектов;

-разработка предложений по структуре унифицированных и специализиро­ ванных методов диагностики, мониторинга и нормативно-технических докумен­ тов, регламентирующих риск и безопасность объектов при техногенных и при­ родных катастрофах.

При этом важнейшее значение имеет дальнейшее перераспределение роли нормирования и человеческого фактора в предотвращении тяжелых аварий и катастроф.

На рис. 5.2 представлена комплексная блок-схема решения проблем проч­ ности, ресурса и безопасности таких потенциально опасных объектов, как атом­ ные электростанции (АЭС) с водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР), тепловые электростанции (ТЭС), ракетно-космические комплексы (РКК), летательные аппараты (ЛА), атомные подводные лодки (АПЛ), магист­ ральные трубопроводы (МТ), химические производства (ХП). Эти проблемы охватывают все стадии жизненного цикла объектов: проектирование, изготовле­ ние, испытания и эксплуатацию. Проектирование с учетом критериев риска и безопасности включает в себя разработку и согласование технического задания