книги / Техническая диагностика остаточного ресурса и безопасности
..pdfПРЕДИСЛОВИЕ |
11 |
Для наиболее значимых и ответственных объектов на повестку дня выходит создание автоматизированных систем оценки остаточного ресурса (АСООРО), которые требуют непрерывного мониторинга и диагностического сопровожде ния с высокой надежностью, лучшими метрологическими и техническими ха рактеристиками, параллельным измерением выбранных диагностических пара метров и сравнением их с предельными значениями.
Ясно, что мероприятия по восстановлению технического состояния обору дования в процессе эксплуатации должны проводиться в нормативно установ ленные сроки, а на основе непрерывного диагностирования, например, режим работы магистральных газопроводов должен осуществляться не на основе их паспортных характеристик, а с учетом индивидуальных диагностируемых во времени характеристик механических свойств материала, толщины стенки тру бы, износа, напряженно-деформированного состояния и др.
Самые главные дефекты в промышленности и строительстве - коррозия, износ и усталость материалов - приводят к авариям, потери от которых состав ляют в США и России ежегодно более 100 млрд долларов. Если к этому доба вить неподготовленность персонала, то проблема техногенной безопасности еще более усугубляется и в масштабах и во времени.
Оценка истинных значений технических параметров является задачей рас познавания состояния объекта контроля, для решения которой может быть при менен вероятностный подход.
Средства непрерывного мониторинга объекта должны иметь средства передачи данных для организации сети и подключения ее к серверу обработки данных. При этом наиболее целесообразной представляется организация беспроводных сетей, менее зависящих от внешних условий и более надежных, чем обычные проводные.
Для подтверждения критериальных характеристик остаточного ресурса проводят комплекс аттестационных испытаний на стандартных, унифицирован ных или специальных лабораторных образцах.
АСООРО проводит последовательные и систематические измерения и вы явление изменений определенных параметров в процессе эксплуатации, сравне ние их с исходными, а также прогнозирование изменения этих параметров.
Необходимо определить:
-иерархические уровни для каждого объекта диагностики;
-диагностические параметры для каждого узла, входящего в объект диаг ностики, в том числе имеющие значение для всего объекта;
-оптимальный объем измерений диагностических параметров объекта ди агностики, состав приборных средств диагностики, математическое обеспечение работы системы;
-решить задачу прогнозирования работоспособности объекта в реальном
масштабе времени.
В общем случае ТД включает в себя анализ технической документации, функ циональную диагностику, экспертное обследование, анализ механизмов поврежде ния, нормирование, выбор критериев с помощью расчетов, экспериментов и изуче ния механических характеристик с принятием решения по дальнейшей эксплуата ции изделия, либо по ремонту, либо по изменению режимов его эксплуатации. Ес тественно, что в практике оценки остаточного ресурса эксплуатируемых объектов
12 |
ПРЕДИСЛОВИЕ |
конкретного типа может оказаться достаточным учитывать отдельные факторы. Так, например, уже появились первые упрощенные подходы для определения оста точного ресурса трубопровода по результатам измерения толщины стенки трубо провода и скорости распространения коррозии. Однако в дальнейшем необходимо создание многопараметрового диагностирования и программного обеспечения для встроенных диагностических систем с оптимальным числом измерительных кана лов и минимальными затратами - не превышающими 30 % стоимости объекта.
Изменение технических параметров объекта описывается уравнением со стояния (1). Под режимом работы объекта понимается развертка во времени набора технических процессов, каждый из которых характеризуется совокупно стью рабочих диагностических параметров.
О совокупности технических параметров объекта судят по результатам техни ческих измерений (прямых или косвенных), которые характеризуют соответствую щие технические параметры объекта на момент измерений и условия, в которых производились измерения. Данная стадия представляетсяуравнением тмерення (2).
Далее оценивается фактическое состояние объекта (вектор в пространстве состояний), о котором судят по совокупности оценок истинных значений техни ческих параметров объекта, полученных в данных условиях, -уравнение оценки фактического состояния объекта (4).
Остаточный ресурс объекта рассчитывается по построенной математиче ской модели и определяется совокупностью оценок технических параметров объекта, уравнением состояния, условиями эксплуатации, фактическим состоя нием объекта и совокупностью предельных технических параметров - уравне ние оценки остаточного ресурса (5).
Упомянутые уравнения выглядят следующим образом:
II |
.,'~Н |
>4 |
Я')= с М 'о ). И 'о)];
ф(0 = у [*М. Я')];
д (< )= И '.Я )> H 0 L
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
где x(t) - вектор технических данных (диагностических) параметров; y(t) - ус
ловия эксплуатации объекта в текущий момент времени; _У[,0>/] - условия экс
плуатации объекта на промежутке времени; *(/) - оценка вектора технического
состояния; y(t) - прямые или косвенные измерения при проведении контроля
(случайная величина); ф(/) - оценка фактического состояния объекта на момент
времени /; R(t) - оценка остаточного ресурса на момент времени t; х - предель
ные значения технических параметров.
ПРЕДИСЛОВИЕ |
13 |
Диагностирование объекта
Диагностирование среды
Рис. 2. Структура диагностирования технического состояния объекта
Данная модель строится для каждого существенно влияющего на ресурс компонента объекта. Остаточный ресурс всего объекта оценивается по компо ненту, находящемуся в наихудшем состоянии.
Оценка остаточного ресурса объектов осуществляется после отнесения их текущего технического состояния к одному из классов: «дефект»; «поврежде ние»; «разрушение»; «отказ». Деградация (Д) объекта определяется через ее признаки, кинетику и механизм развития, а диагностирование среды проводится по анализу ее свойств, создаваемых нагрузок и напряженно-деформированного состояния объекта (рис. 2).
Внастоящем учебном пособии основное внимание уделено научному и нормативному обоснованию двух важнейших характеристик потенциально опасных объектов техносферы - остаточному ресурсу и безопасности, оцени ваемой по критериям риска. При этом во главу угла поставлена методология расчетного и экспериментального определения количественных параметров прочности, ресурса, живучести, рисков и безопасности несущих элементов объ ектов техносферы. Важнейшими элементами этой методологии являются фун даментальные закономерности деформирования, повреждения и разрушения в критических зонах несущих элементов и исходная информация о состоянии этих несущих элементов, получаемая методами ТК и ТД.
Вэтом пособии использованы результаты многолетних совместных иссле дований и разработок, выполненных в Институте машиноведения Российской академии наук (ИМАШ РАН) и Московском научно-производственном объеди нении «Спектр» {МНПО «Спектр»).
Главный редактор издания, академик РАН В.В. Клюев
Глава 1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТИ, РЕСУРСА И БЕЗОПАСНОСТИ
1.1.ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ, ЖЕСТКОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ
1.1.1.Условия и критерии прочности, жесткости и устойчивости
На протяжении многовековой истории создания инженерных сооружений все возрастающей сложности базовыми фундаментальными проблемами были и остаются проблемы комплексных исследований, обоснования и обеспечения прочности, ресурса и безопасности их несущих элементов. К числу таких со оружений можно отнести все объекты техносферы, созданные человеком, - от первых каменных зданий и мостов до самых современных авиационных, косми ческих, лазерных, атомных, термоядерных аппаратов, установок и комплексов. Если на первых этапах создания сооружений в качестве основной решалась за дача прочности - не допустить их разрушения, то в настоящее время круг ре шаемых задач расширился - сооружения должны не потерять устойчивость, не входить в опасные резонансы, не давать недопустимых пластических деформа ций, не доводить стадии развития дефектов и трещин до критических, не созда вать угрозы крупных техногенных катастроф и неприемлемых рисков как для самих объектов техносферы, так и для людей и окружающей среды.
Решение проблем прочности на протяжении столетий и тысячелетий дости галось двумя основными методами:
- методом проб и ошибок, когда необеспеченность прочности завершалась разрушениями, учитываемыми или не всегда учитываемыми в практике созда ния последующих сооружений;
- методами предварительного расчета и экспериментирования для оценки прочности, предельных состояний и характеристик разрушения материалов и типовых элементов конструкций (балок, колонн, арок).
Существо таких подходов к оценке прочности можно выразить простейшим
соотношением |
|
Р 3<РК, |
(1.1) |
где Рэ - обобщенное внешнее экспериментальное воздействие (нагрузка); Рк - критическое, предельное разрушающее воздействие (нагрузка).
Материальных свидетельств невыполнения условия (1.1) в большинстве случаев не сохранилось. Однако в истории человеческой цивилизации были и остаются выдающиеся образцы сооружений древних государств Китая, Индии, Египта, Греции, Рима, прошедших через сложнейшие испытания временем (до 5 • 107 часов) и нагрузками (весовыми, сейсмическими, ветровыми).
ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ, ЖЕСТКОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ 15
Научная и прикладная сторона условия прочности как доминанты в оценке работоспособности (1.1) фактически сохранилась до настоящего времени. Про стейшими экспериментами на сжатие, изгиб и растяжение было показано, что от абсолютных значений нагрузок в выражении (1.1) можно перейти к относитель ным нагрузкам, приходящимся на заданную единицу поперечного сечения. В этом случае зависимость нагрузок Р'н Ркот вида нагружения, формы и размеров нагружаемого (например, осевыми усилиями) элемента приобретали более уни версальную запись в напряжениях:
стэ = Рэ / F ; |
стэ < [о] < стк.; |
'а > |
( 1.2) |
где F - площадь поперечного сечения; стк - базовая характеристика материала, определяющая сопротивление разрушению; п„ - запас прочности; [а] - допус каемое напряжение.
Важное значение имело установление того факта, что критические (разру шающие) напряжения для каменных конструкционных материалов в условиях действия сжимающих нагрузок (стк)с существенно выше, чем при действии рас тягивающих нагрузок (ск)р
(стк)с>(стк)р. |
(1.3) |
Соотношение (1.3) предопределило также конструкторские решения древ них и современных инженерных строительных сооружений, при которых внеш ние нагрузки Р’ в выражении (1.1) должны создавать преимущественно сжи мающие напряжения по (1.2), что позволяет уменьшить размеры F несущих се чений колонн, стен, арок. Если в несущих элементах возникали растягивающие напряжения, то в сооружениях использовались другие материалы - металличе ские растяжки или деревянные изгибаемые балки либо фермы.
В современных конструкциях наряду с применением широкого спектра од нородных материалов с различной анизотропией механических свойств (в пер вую очередь, прочности) наибольшее применение получило армирование мате риалов (железобетон, биметаллы, стеклоуглепластики). При этом абсолютные величины критических напряжений стк для конструкционных материалов с тече нием времени увеличивались крайне неравномерно: за первые 1 0 - 2 0 веков в 3-5 раз, а за последний век - в 10-20 раз. При этом запасы прочности па были снижены от 5... 10 до 1,5...2,5.
Вторым после прочности важным фактором работоспособности инженер ных сооружений на протяжении многих веков явилась жесткость (деформативность) несущих элементов. Наблюдениями, опытами и измерениями на реаль ных конструкциях и образцах было показано, что в начальной, относительно
неопасной стадии нагружения возникающие деформации (удлинение |
Д/р, сжа |
тие Д/с, прогиб) пропорциональны действующим нагрузкам: |
|
Д/э = кР \ |
( 1.4) |
16 |
Глава 1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТИ |
|
где к - |
коэффициент пропорциональности, зависящий от материала, вида нагру |
|
жения, формы и размеров несущих элементов. |
|
|
Если перейти к силовым факторам ст в форме (1.2), то можно получить ли |
||
нейную связь между деформациями еэ еэ = |
и напряжениями ст (ст = P/F): |
|
|
о э = Е е\ |
(1.5) |
где / - длина растягиваемого (сжимаемого) элемента; Е - фундаментальная ха рактеристика материала, определяющая сопротивление упругим деформациям.
Линейное уравнение (1.5) широко известно как закон Гука (1635-1703), а константа материала Е как модуль Юнга (1773-1829).
Математической записью условия жесткости явилось выражение, аналогич ное условию прочности по (1.2):
еэ <-£- = [е], |
( 1.6) |
пе
где пе - запас по деформациям; [е\ = допускаемые деформации. С учетом эффек тов нелинейности запасы по деформациям пе> па.
Длительный опыт создания инженерных сооружений обнаруживал, что сжимаемые стержни (колонны, опоры) могли терять свою несущую способность не за счет разрушения по условиям (1.1)—(1.3), а за счет потери устойчивости, продольного изгиба. Фундаментальные исследования по теории устойчивости были выполнены Эйлером (1707-1783). В простейшей форме условие устойчи вости записывается в виде:
а кр |
” 2£ |
. Ю с |
— = [«Ч,]. |
(1.7) |
|
х2 |
якр |
||||
|
”|ф |
|
|||
|
|
|
|
где X - гибкость стержня, зависящая от длины, формы и размеров поперечного сечения.
1.1.2.Анализ напряженных и деформированных состояний
Кконцу XIX в. фундаментальные закономерности (1.2), (1.3), (1.5), (1.6) и (1.7) были положены в основу одной из важнейших технических дисциплин в области прочности, жесткости и устойчивости - сопротивления материалов (рис. 1.1).
На этой основе была сформирована постановка основных задач фундамен тальной проблемы прочности, жесткости и устойчивости: I - анализ внешних воздействий Р3 и наряжено-деформированных состояний стэ, е3; II - выбор и обоснование теорий и критериев прочности а к, жесткости еКи устойчивости а кр;
ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ, ЖЕСТКОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ 17
Рис. 1.1. Составные компоненты анализа прочности, жесткости и устойчивости
III - обоснование и назначение запасов п прочности, жесткости и устойчивости; IV - комплексное определение прочности, жесткости и устойчивости:
"а |
"о |
% |
В сопротивлении материалов для различных видов обобщенных нагрузок Р (осевых усилий N, перерезывающих сил Q, изгибающих моментов Ми, крутящих моментов Мк) и обобщенных характеристик поперечных сечений (площади F, осевых 1Х, 1Уи полярных 1р моментов инерции, осевых Wx, Wy и полярных Wp
моментов сопротивления, осевых Sx, Sy статических моментов инерции) опреде ляются соответствующие величины нормальных ст и касательных т напряжений (рис. 1.2).
В системе линейных координат х, у, z (или полярных р, 0, z) для элементар ной площадки dF поперечного сечения F, имеющей координаты 2, л, у (рис. 1.2, а), напряжения с т и х - задача I на рис. 1.1- вычисляются по базовым выражениям сопротивления материалов:
- от осевого растяжения (сжатия) силой N:
N |
|
(1.8) |
а = стд, = ст2 = — ; |
|
|
F |
|
|
- от полярного изгиба моментами Мх и Му: |
|
|
М |
M v |
(1.9) |
° =°м х = у -У* <* =<*му = - p v; |
||
18 |
Глава 1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТИ |
Рис. 1.2. Силовые факторы и напряжения при
комбинированном нагружении стержня
- от перерезывающих сил Qx и Qy в условиях изгиба:
QxSy |
. Q y S x |
и™ / ь |
/ А ’ |
1 у их |
1 хиу |
где bXi by - ширина сечения на уровнях х и у;
- от срезающих сил Qx и Qy при отсутствии изгиба:
т - т - Qx .
Qy '
- от крутящих моментов Мк= М2:
М к
( 1.10)
(1.И)
(U 2 )
Напряжения ст по (1.8) и т по (1.11) распределены по сечению F равномер но, и тогда
N |
Ж |
|
т |
ж . |
|
(1.13) |
а" я7 ‘ ®N in |
F |
'■Qx шах > |
Оу |
р |
'’Qy шах • |
Напряжения ст по (1.9) и т по (1.12) распределены неравномерно. На ней тральных осях х и у соответственно от Мх и Му они равны нулю, далее линейно возрастают и достигают максимума в наиболее удаленных от нейтральных осей листочках:
м х |
|
_ М у _ |
(1.14) |
<*мх Wx ~ |
тах ’ |
<*Му ~ iir ~ ^Мушах' |
|
|
|
Wy |
|
ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ, ЖЕСТКОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ 19
Напряжения т по (1.12) равны нулю в центре (полюсе) сечения, линейно растут по мере увеличения расстояния р от центра и достигают максимума в наиболее удаленной точке:
_ Мк |
_ |
(1.15) |
XМк ~ 1дг |
~ ^Л/Ктах- |
WP
При сложном сопротивлении, когда имеет место различное сочетание сило вых факторов N, Qx, Qy, Мх, Му, Мк (косой изгиб, изгиб с растяжением, сжатием; изгиб с кручением), для заданной площадки AF вычисляются:
- суммарные нормальные напряжения (алгебраическим сложением, геомет рическим сложением) с использованием выражений (1.8), (1.9):
<W = = CT,V+ <*МХ+ <*Му* |
(1•16) |
- суммарные касательные от перерезывающих и сдвигающих сил напряже ния с использованием выражений (1.10), (1.11):
х = = J(TQm + xQx f + (ZQ II +xQv)2. |
(1.17) |
Общее касательное напряжение т0 (векторным) сложением напряжений хм
по (1.12) и суммарных напряжений тQ по (1.17)
Х о +t g. |
(1-18) |
Вектор общих касательных напряжений т0 можно разложить на состав
ляющие т0 и т0д. с компонентами:
рОх +Ч у |
(1.19) |
Тогда по площадкам элементарного объема в зоне AF (рис. 1.2, 6) будут иметь место следующие компоненты напряжений: а=, аЛ= ст,.= 0, т0г, x0v.
Из них составляется тензор напряжений:
( 1.20)
20 |
Глава 1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТИ |
По компонентам напряжений, входящим в тензор напряжений (1.20), могут быть определены главные напряжения: CTI > ст2> ст3.
Для большого числа несущих конструкций применимы простейшие выра жения сопротивления материалов при прямом определении максимальных глав ных напряжений:
- для растягиваемых (или сжимаемых) стержней при Р = N\
G =N /F \ ст2 = ст3 = 0; |
(1.21) |
- для относительно тонкостенных оболочек и пластин при нагружении дав лением при Р = р:
<*1 = ^г> сг2 = ^сг,; о3 = - р , |
(1.22) |
1 о |
|
где D - диаметр оболочки; 8 - толщина стенки; к - коэффициент, зависящий от формы оболочки (0 < к < 1; для сферической оболочки к - 1, для цилиндриче ской к = 0,5);
-для скручиваемого цилиндрического стержня при Р = Мх = Mz по рис. 1.1:
МК |
а 2 = 0;; |
Мк |
(1.23) |
а. = —- ; |
а 3 = -----s.. |
Кж .
где Wp - полярный момент инерции {Wp = --------7tZr для сплошного стержня с на- |
|
|
16 |
|
^^3 /j_^4 \ |
ружным диаметром D; Wp ------- |
—------, а = d/D - для трубчатого стержня с |
наружным D и внутренним d:
- для изгибающего стержня (балки) при Р = Мн (Мн = Мх или Mv по рис. 1.1):
|
|
|
М |
(1.24) |
|
|
|
°'=i£ ; |
|
|
|
|
С2=аз=0’ |
|
где |
Wo - |
|
осевой момент сопротивления |
Wx или Wv (для кругового сечения |
Wx- |
|
KD3 |
|
|
Wy — |
, для прямоугольного сечения шириной b и высотой /? величины |
|||
|
bh2 |
|
h r |
|
Wx =— |
nW y = ^ r ). |
|
||
оо
Вобщем случае нагружение по рис. 1.1 можно принять:
-для плоского напряженного состояния ( ста > сто)
а 1,2 Рд+Рр _ |
уа ~ а р + та ; ст3= 0 , |
(1.25) |
2 |
\ \ 2 |
|
где ста = а 2 по (1.16); ар= 0;та= т0по(1.19);