МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ МАШИНОСТРОЕНИЯ
РОЛЬ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ В ОБЕСПЕЧЕНИИ БЕЗОПАСНОСТИ МАШИНОСТРОТЕЛЬНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ И СПЕЦИФИКА ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ОБЪЕКТОВ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Опыт последних нескольких десятилетий эксплуатации машиностроительных предприятий доказывает достаточно низкую, социально приемлемую вероятность аварий [1]. Это важнейшее достижение во многом связано с высоким качеством диагностического обслуживания и достоверным прогнозированием времени достижения предельного состояния элементами конструкции и системами обеспечения безопасности. Однако по эффективности использования имеющихся мощностей российские заводы уступают зарубежным. Во время планово-предупредительного ремонта (ППР) мощность цеха не используется для производства продукции. С другой стороны, повышение качества диагностического обслуживания обеспечивает безопасность работы цеха предприятия между двумя ППР и способствует снижению вероятности аварийного останова производства в этот период. Все это время можно использовать для производства продукции.
Диагностическое обслуживание оборудования и технических систем предприятий машиностроения в отличие от диагностики аналогичного оборудования в других отраслях имеет свою специфику. Например, существующие методы диагностики транспортных машин (кранов) для транспортирования тяжелых грузов за разумный период ППР не могут в полном объеме обеспечить дефектоскопический контроль металла и сварных швов транспортных машин. На заводе пролет кранов во много раз меньше, и такой проблемы не существует. В то же время зачастую к оборудованию машиностроительного предприятия ограничен доступ персонала из-за того, что оно находится под воздействием интенсивных нагрузок. Поэтому большое внимание уделяется разработке дистанционных методов диагностики и контроля.
Для организации диагностического обслуживания оборудования имеет значение также и срок его эксплуатации. Так промысловые трубопроводы в местах добычи нефти и газа для предприятий заготовительного производства обычно эксплуатируются 5-8 лет. В течение этого времени их безопасность может быть относительно легко обеспечена только за счет конструкторско-технологических решений. Объем работ по диагностике в этом случае минимален и сводится к контролю качества монтажа на этапе строительства и ввода трубопроводов в эксплуатацию. Из-за отсутствия опыта создания техники с длительными сроками службы выбор технических решений на стадии проектирования сравнительно ограничен. Поэтому дефицит опыта и знаний должен быть компенсирован не только повышением коэффициента запаса прочности и надежности конструкций, но и созданием эффективной системы диагностического обслуживания новых предприятий на всех этапах их жизненного цикла. Технической диагностике при этом отводится роль важнейшего инструмента управления процессом безопасной эксплуатации заводов в течение столь длительного времени.
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ОБЪЕКТОВ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Цели и задачи диагностики
Специфика объектов машиностроения находит свое отражение и в системе организации их диагностического обслуживания, отличающейся от диагностики объектов немашиностроительной техники. Общие принципы диагностического обслуживания предприятий определяются современной концепцией безопасности машиностроения. В ее основу заложено экономически устойчивое и экологически безопасное развитие предприятий машиностроительного профиля на территории Российской Федерации. В соответствии с этой концепцией основными целями Государственных программ по перспективному развитию машиностроения являются:
1. снижение техногенного воздействия объектов машиностроения на окружающую среду;
2. обеспечение безопасной эксплуатации действующих объектов машиностроения: предприятий, цехов, участков, инженерных коммуникаций, транспортных и других систем;
3. соблюдение действующих стандартов безопасности.
При разработке программ учитывались мировые тенденции в развитии машиностроения, поэтому в число основных задач указанных программ включены:
1. анализ и управление риском эксплуатации объектов использования машиностроения в течение всего жизненного цикла с учетом их многофакторного воздействия на персонал, население, территории и окружающую среду;
2. вероятностный анализ и декларирование безопасности объектов машиностроительной техники для различных сценариев их эксплуатации с учетом разнообразных вариантов диагностического обслуживания;
3. создание современных систем управления, эксплуатационного контроля и технической диагностики с использованием последних достижений в информационных технологиях;
4. проведение инженерных и организационных мероприятий по снижению риска тяжелых аварий.
Для достижения заявленных целей потребовалось не только усовершенствовать уже существующие технологии диагностики, но и разрабатывать новую методологию контроля безопасности, прогнозирования долговечности и управления сроками службы объектов машиностроения. Потребовалось изменение правовой и нормативно-технической базы работ по эксплуатационному контролю и диагностике предприятий. Она регулярно пополняется новыми документами – методиками, рекомендациями, стандартами и правилами.
Нормативные документы определяют:
1. последовательность и периодичность измерения параметров технологических процессов, алгоритмы определения изменений этих параметров и сравнения их с исходными или априорно установленными допустимыми значениями;
2. состав дополняющих друг друга и частично дублирующих систем и средств эксплуатационного контроля и диагностики, включая системы защитных и аварийных блокировок, обеспечивающих заданный уровень риска при эксплуатации объекта машиностроительной техники;
3. критерии формирования аварийных сигналов о недопустимом отклонении характеристик технологических режимов при сохранении устойчивой работы объекта с малой вероятностью ложного срабатывания систем аварийной защиты;
4. согласование и объединение технических и финансовых мероприятий для обеспечения безопасной и надежной эксплуатации объектов.
В СССР дополнявшие и частично дублировавшие друг друга средства контроля параметров, отражавших отклонение технологических режимов от штатных условий эксплуатации, впервые были использованы на машиностроительных объектах. В целях предупреждения аварийных ситуаций уже на первом промышленном предприятии технологические каналы, а их было более тысячи, снабжались несколькими системами контроля [4]. Каждая из них контролировала независимые технологические параметры.
Требования к составу и структуре систем эксплуатационной диагностики машиностроительных станков отражены в специальной нормативно-технической документации. Проектная организация для каждого цеха предприятия обязана разработать и представить техническое обоснование безопасности.
В обосновании определяются критерии и принципы безопасности, указывается комплекс технических и организационных мероприятий по соблюдению стандартов безопасности. Предприятие считается безопасным, если техническими средствами и организационными мерами обеспечивается непревышение установленных значений характеристик. Кроме того, содержание пыли и вредных веществ в окружающей среде не должно быть выше допустимого как при нормальной эксплуатации станции, так и в случае проектных аварий. Предельно допустимые загрязнения окружающей среды определяются Нормами безопасности, принятыми на основе законов и нормативных актов Российской Федерации.
Основные требования к системам обеспечения безопасности машиностроительного предприятия
Безопасность машиностроительного предприятия уже на стадии проектирования обеспечивается комплексом технических и организационных мероприятий, в числе которых:
1. выбор благоприятной площадки для размещения машиностроительного предприятия;
2. определение границ необходимой санитарно-защитной зоны;
3. оснащение предприятия системами безопасности;
4. высокое качество проектных работ и экспертизы проектов;
5. высокое качество изготовления, монтажа, ремонта и реконструкции оборудования и станков;
6. высокое качество строительно-монтажных работ;
7. профилактические проверки работоспособности важных для безопасности систем.
Системы безопасности машиностроительного предприятия должны удовлетворять нормам и правилам конструирования, изготовления, монтажа и эксплуатации оборудования ядерной техники. Узлы и компоненты технологического оборудования должны проектироваться, изготавливаться и эксплуатироваться с учетом возможных механических, тепловых и других воздействий, которые имеют место при проектных авариях.
Многоцелевое использование систем и их отдельных элементов, как правило, запрещается. В отдельных случаях допускается отступление от этого правила, если в проектной документации обосновано, что совмещение функций не приведет к нарушению требований обеспечения общей безопасности машиностроительного предприятия. Если обстановка в местах размещения оборудования и трубопроводов или их конфигурация не позволяют контролировать технологические параметры штатными средствами, то допускается применение для этих целей специальных устройств и приспособлений.
В проектах систем машиностроительного предприятия, имеющих существенное значение для ее безопасной эксплуатации, должны быть предусмотрены:
1. приспособления и устройства для проверки работоспособности технологического оборудования и систем;
2. метрологическое обеспечение процедур испытания систем и их отдельных элементов на соответствие проектным показателям и нормам;
3. мониторинг качества процесса диагностики, например, проверка последовательности прохождения сигналов и включения оборудования при переходе на аварийные источники питания;
4. приспособления и устройства для контроля состояния металла и сварных соединений оборудования, сосудов давления и трубопроводов, разрушение которых могут инициировать аварию;
5. регламенты контроля технологических параметров и диагностики состояния конструктивных элементов технологического оборудования, важных для безопасности машиностроительного предприятия;
6. порядок техобслуживания и инспекционных проверок надежности и работоспособности общей системы контроля и диагностики.
Средства контроля и диагностики должны подвергаться постоянному мониторингу или периодической проверке в течение всего срока службы машиностроительного предприятия, причем после профилактических ремонтов такая проверка обязательна. Нормативные акты требуют, чтобы все проводимые технические мероприятия не снижали уровень безопасности цехов. Проектировщики обязаны предусмотреть технические и организационные меры, исключающие или смягчающие последствия ошибочных или несанкционированных действий персонала и посторонних лиц, если такие действия могут усугубить последствия отказов систем обеспечения безопасности и предупреждения аварий на производстве.
ПРИНЦИПЫ ОПТИМИЗАЦИИ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
Оценка приоритетов
Безаварийность эксплуатации машиностроительного предприятия зависит от своевременности и качества проведения диагностических и ремонтно-профилактических работ. Для оптимизации программы диагностического обслуживания требуется получить ответы на следующие вопросы:
1. Какие аварии могут произойти в период между ближайшими инспекционными проверками?
2. Каковы могут быть последствия и ущерб от аварий?
3. Как часто следует ожидать аварий и отказов оборудования?
4. Как изменится вероятность аварий и отказов, если изменить периодичность инспекционных проверок и диагностических работ?
5. Какова должна быть доля затрат в эксплуатационных расходах на диагностические работы и техобслуживание, чтобы обеспечить социально приемлемый риск эксплуатации машиностроительного предприятия?
6. Какую часть затрат в общем объеме расходов на эксплуатацию и дополнительный контроль составят работы по ликвидации последствий возможных аварий?
Так как материальные и технические ресурсы ограничены, для определения того, какие конструкции и объекты нуждаются в первоочередном обследовании, необходимо их ранжирование по степени надежности. При этом следует принять во внимание и негативные последствия в случае их разрушения или отказов. Оба эти факторы учитываются в показателе риска Rэ дальнейшего использования объектов при заданных условиях и сроках их будущей эксплуатации. Риск дальнейшей эксплуатации конструктивных элементов рассчитывается как произведение
Rэ = Pраз*SS
где Pраз – вероятность разрушения элемента; машиностроительных предприятий.SS – общие потери от аварии и затрат на ее ликвидацию с учетом возмещения причиненного ущерба. Такой метод расчета не противоречит формальному определению промышленного риска, предложенному многими разработчиками нормативных документов. Расчет Pраз производится следующим образом. Определяют – какие аварийные ситуации могут произойти на объекте. Классифицируют возможные отказы и аварии и оценивают степень тяжести их последствий. Далее выявляют множество исходных событий, инициирующих ту или иную нештатную ситуацию. Следует учесть, что к одному и тому же аварийному инциденту могут привести различные цепочки событий, которые могут протекать как одновременно, так и последовательно во времени. Вначале оцениваются вероятности исходных событий. Далее, в зависимости от сценария развития аварии с учетом временной последовательности событий рассчитывается вероятность разрушения конструкций или оборудования. При вычислении вероятности разрушения металлоконструкций, трубопроводов и сосудов высокого давления, вызванного теми или иными эксплуатационными факторами, используются данные соответствующих прочностных расчетов – на усталостную выносливостью, коррозионную стойкость и т. п.
Если аварийная ситуация вызвана непрофессиональными действиями персонала, землетрясением, падением самолета и т. п., то есть когда невозможно достоверно рассчитать вероятности событий, используются данные о прошлых чрезвычайных ситуациях на аналогичных отечественных и зарубежных машиностроительных предприятиях. Оцененные таким образом вероятности экстраполируются на будущий период эксплуатации объектов.
Определение сроков эксплуатации и периодичности
контроля оборудования.
Определив приоритеты, необходимо установить объемы и сроки проведения работ. В настоящее время периодичность контроля оборудования устанавливается на основе опыта эксплуатации машиностроительных предприятий. Однако при этом не учитываются индивидуальные особенности создания и эксплуатации диагностируемых объектов.
Принципы, которыми руководствуются разработчики нормативных документов, назначая периодичность контроля оборудования, по нашему мнению, не лишены недостатков. Главный – жесткие сроки обследования. Второй недостаток – при определении сроков в расчет принимаются некие усредненные характеристики металла конструкций и условия их эксплуатации. Однако для различных объектов они могут существенно различаться. Очевидно, чем меньше учитываются индивидуальные особенности диагностируемых конструкций, тем ниже будет качество результатов оценки их состояния и прогноза долговечности. С другой стороны, положительный момент фиксированных сроков диагностического обследования – совмещение контроля с ППР.
Независимо от того, какие принципы будут в будущем приняты за основу, главным требованием к процедурам диагностики останется предотвращения аварийных ситуаций, связанных с переходом контролируемых объектов в предельное состояние. В методических документах указывается, что «...объект может эксплуатироваться до тех пор, пока конструкционный материал, сварные швы и другие соединения не изменили своих физических характеристик до величин, не гарантирующих конструктивным элементам объекта без разрушения выдерживать эксплуатационные нагрузки, в том числе и в аварийных проектных ситуациях». Поэтому объемы и сроки эксплуатационного контроля и инспекционных проверок металла и сварных швов конструкций должны назначаться из условия, чтобы в период между двумя ближайшими проверками вероятность достижения конструкцией предельного состояния для проектных аварий не превышала социально приемлемого значения. Если же в процессе контроля обнаружены дефекты, которые являются допустимыми согласно установленным браковочным уровням, то сроки следующих проверок и испытаний должны быть выбраны так, чтобы при любых штатных нагрузках за межконтрольный период размеры выявленных дефектов не достигли критического значения.
Рис. 2. Схема выбора решения при анализе вариантов диагностического обслуживания предприятий машиностроения
Выбор методов и средств диагностики и контроля
Специалистам, занимающимися технической диагностикой и контролем, хорошо известно, что одну и ту же задачу можно решить несколькими различными физическими методами или совокупностью методов. Каждый из методов обладает своими достоинствами, но и не лишен недостатков. При этом всегда существует конечная вероятность ошибочных заключений о состоянии контролируемого объекта или характеристиках имеющихся в нем дефектах. Такие ошибки могут привести к аварийным ситуациям и сопутствующим им материальным потерям. Поэтому, обсуждая проблему выбора методов и средств контроля, следует иметь в виду фактор риска, связанный с этим выбором. На этапе разработки программы диагностического обслуживания целесообразно оценить величину риска условий диагностики. Она определяется затратами применения тех или иных методов контроля или их комбинации, стоимостью работ, зависящей от квалификации исполнителей, сроков и периодичности обследования, а также вероятностью ошибочных решений и связанными с ними потерями. Выразив риск в зависимости от условий диагностики в стоимостных единицах, можно выбрать оптимальный вариант, отвечающий минимальному значению риска.
Таким образом, оптимизация программы работ по диагностике конструкций и оборудования базируется на прогнозе прочностной и эксплуатационной надежности этих объектов в зависимости от объема и частоты диагностического обслуживания. При разработке оптимальной программы необходимо:
1. проанализировать данные о фактических характеристиках материала и имеющихся дефектах металлоконструкций или оборудовании;
2. проанализировать информацию о термосиловых, коррозионных и других постоянных, периодических и случайных воздействий на диагностируемый объект в прошедший и будущий периоды эксплуатации;
3. с учетом возможных вариантов диагностического обследования рассчитать сроки будущей безопасной эксплуатации объекта и величину риска при заданном уровне надежности, используя результаты обследований по первым двум анализам;
4. проанализировать рассмотренные объекты по величине риска, рассчитанного по третьему анализу;
5. выбрать оптимальный режим будущей эксплуатации и диагностического обслуживания с приемлемым уровнем риска.
На рис. 3 приведены факторы, которые необходимо учитывать при оптимизации технического и диагностического обслуживания предприятий. Обобщенный алгоритм создания программы работ по диагностике представлен на рис. 4.
Подводя итоги сказанному, отметим, что с математической точки зрения выбор оптимального режима эксплуатации объекта является задачей минимизации затрат предприятия на диагностику, техобслуживание и капитальный ремонт в пространстве параметров: потери предприятия от аварий – затраты на диагностику – величина риска – выгода от эксплуатации. При этом априорно вводится ограничение на размеры экономического ущерба и социального риска от возможных аварийных ситуаций.
В качестве примера на рис. 5 показана зависимость риска эксплуатации и затрат на диагностику от периодичности его обследования. Он заключается в нагружении объекта машиностроения повышенным давлением и оценке состояния металла с помощью неразрушающих методов. Здесь же приведены суммарные затраты на эксплуатацию с учетом диагностики. Минимум затрат указывает оптимальную периодичность диагностического обслуживания. Отметим, что представленный подход может быть принят за основу при определении проектных сроков эксплуатации оборудования машиностроительных предприятий. В этом случае они будут назначаться не только по результатам прочностных расчетов конструктивных элементов или ресурсным характеристикам оборудования, но и с учетом оптимизированного диагностического обслуживания. Разумеется, помимо изменения системы проведения диагностических работ на заводах, это потребует еще и решения следующих организационно-технических задач:
1. паспортизации оборудования в виде, удобном для формирования отраслевых и международных баз данных о фактическом состоянии этих объектов;
2. аккредитация специализированных структур для проведения работ по диагностике и лицензирование их деятельности;
3. улучшения методического, приборного и инструментального оснащения работ по диагностике и контролю;
4. организации метрологического обеспечения процедур технической диагностики;
5. совершенствования методов прогнозирования долговечности и назначения новых сроков службы конструктивных элементов и узлов;
6. создания технологий восстановления технического состояния объектов, в том числе и измененного в результате диагностических работ;
7. организации системы подготовки, переподготовки и аттестации кадров обслуживающего и административного персонала.
Рис. 3. Диаграмма взаимосвязи факторов, определяющих оптимизацию объема и сроков диагностических работ, ремонта, замены оборудования и технического обслуживания
Рис. 4. Обобщенная схема построения системы диагностического обслуживания
Рис. 5. Зависимость стоимости риска эксплуатации – 1, затрат на диагностическое обслуживание – 2 и суммарных затрат – 3 от периодичности неразрушающего контроля объекта машиностроения
Стратегии диагностического обслуживания
Диагностике и контролю уделяется особое внимание в машиностроении. Статистика результатов обследования показывает, что в металле и сварных швах машиностроительных конструкций зачастую имеется заметное количество дефектов. Причиной их появления могут быть нарушения технологии монтажных работ при строительстве заводов, а также деградация свойств материалов в процессе эксплуатации. В последнем случае нередка ситуация, когда конфигурация конструкций, форма и местоположение дефектов затрудняют их обнаружение. Поэтому уже на стадии проектирования при выборе конструктивных вариантов размещения и компоновки оборудования необходимо продумать стратегию его диагностического обслуживания.
В зависимости от показателей надежности, закладываемых на этапе проектирования и, главным образом, от условий работы оборудования машиностроительных предприятий можно выделить три стратегии их диагностического обслуживания:
первая – в соответствии с условиями эксплуатации и нормативными требованиями проводится постоянный мониторинг параметров технологического процесса и контроль состояния конструкции или системы;
вторая– в течение всего периода эксплуатации не проводятся какие-либо мероприятия, связанные с инспекционными проверками или диагностическим обследованием;
третья – через определенный период или после нарушения проектных условий эксплуатации проводится диагностика состояния конструкций и оборудования, и уточняются прогнозные оценки времени достижения ими предельного состояния.
Известно, что в ходе эксплуатации предприятия происходят накопление дефектов и деградация служебных свойств материалов конструкций и оборудования. Выбор же конструктивных параметров устройств при проектировании базируется на том, что поврежденность конструкции к моменту выработки проектного ресурса не должна достигать критического значения. Зачастую при этом не учитываются индивидуальные особенности изготовления, монтажа и эксплуатации объектов, существенным образом влияющие на процесс накопления поврежденности материала. В результате складывается такая ситуация, когда некоторые устройства, не выработав ресурс, теряют свою работоспособность, а другие, отработав положенные сроки, еще пригодны к эксплуатации. Установить, какие устройства относятся к той или иной группе, можно только после их детального обследования.
Еще одна проблема – объекты машиностроения относятся к объектам длительной эксплуатации, и многие машиностроительные предприятия создавались по нормам и стандартам двадцати тридцатилетней давности. Так как за это время технические нормы пересмотрены в сторону ужесточения требований безопасности, конструкции, удовлетворявшие старым нормам, формально перешли в категорию, не соответствующую современным требованиям безопасности. Однако многие из них были спроектированы с большим запасом прочности. Ответить на вопрос – допустима ли их дальнейшая эксплуатация – можно только после диагностического обследования и расчета долговечности. В этой ситуации диагностика позволяет избежать нормативного консерватизма в определении работоспособности объектов машиностроения.
В обоих случаях решение о допустимости дальнейшей эксплуатации принимается после определения фактического состояния конструкций в результате диагностики.
Профилактика и ремонт в ходе эксплуатации машиностроительных предприятий также являются элементами технического обслуживания. Для этого разрабатываются специальные регламенты, в которых определяются основные показатели этого процесса. При создании регламентов и программ контроля используют также данные о распределении механических напряжений в наиболее нагруженных конструктивных элементов контролируемых объектов.
КОНТРОЛЬ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ДЕФЕКТОВ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
На этапе проектирования проводят расчетное обоснование прочности элементов установок. Расчеты выполняются с использованием понятия предельного состояния конструкции. В зависимости от условий работы конструкции в качестве критерия наступления предельного состояния может быть выбрано:
вязкое разрушение;
хрупкое разрушение;
пластическая деформация элемента;
потеря устойчивости конструкции;
недопустимое изменение формы и размеров конструктивных элементов;
появление макротрещины.
Критерии предельного состояния, как правило, представляют в виде математических соотношений, которым должны удовлетворять размеры конструктивных элементов, действующие в них напряжения и температурные поля. В качестве параметров в прочностных расчетах фигурируют пределы прочности, текучести, ползучести, длительной прочности и выносливости, модуль упругости, относительные удлинение и сужение сечения, удельная работа разрушения и вязкость разрушения, а также критическая температура хрупкости материала. Разумеется, необходимо учитывать изменение этих свойств из-за старения материалов, коррозионно-эрозионных процессов, неоднородности полей излучения и температуры, в которых будет работать конструкция, а также возможных структурных превращений в материалах при эксплуатации. В табл. 1 приведены основные эксплуатационные факторы влияния на критерии предельного состояния.
Таблица 1
Эксплуатационные факторы и механизмы старения оборудования и трубопроводов машиностроительных предприятий
| Эксплуатационное Воздействие Механизмы старения | Радиационное воздействие | Термическое старение | Термодеформационные старения | Статическое нагружение | Динамическое нагружение | Циклическое нагружение | Фрикционное взаимодействие | Коррозионное воздействие | Влияние составов и параметров среды | Наводораживание | Коррозионно-эрозионное воздействие |
| Изменение микроструктуры | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
| Радиационное охрупчивание | + | ||||||||||
| Термическое и термодеформационное охрупчивание | + | + | |||||||||
| Усталость | + | + | |||||||||
| Термоусталость | + | ||||||||||
| Межкристаллитная коррозия | + | ||||||||||
| Коррозионное растрескивание под напряжениям | + | ||||||||||
| Общая коррозия | + | + | |||||||||
| Питинговая и язвенная коррозия | + | + | |||||||||
| Изменение физико-механических свойств | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | |
| Водородное охрупчивание | + | ||||||||||
| Износ, в т.ч. коррозионно-эрозионный | + | + | |||||||||
| Термоудар | + | ||||||||||
| Коррозионное растрескивание и коррозионная усталость | + | + | + | ||||||||
| Трибофатика | + |
При проектировании тех или иных конструктивных элементов разработчики выбирают материалы, ориентируясь в основном на опыт свой предыдущей работы. Закладываемые в расчеты данные о свойствах материала определяются при испытании большого числа образцов и представляют собой некие усредненные, справочные характеристики, порой отличающихся от свойств конкретного элемента конструкции.
В результате критическая деградация их эксплуатационных свойств может произойти ранее ожидаемого срока и явиться причиной аварийного инцидента. Возможна и обратная ситуация, когда, выработав расчетный срок службы, конструкция сохраняет работоспособность. Для предотвращения аварийных ситуаций и обоснованного продления ресурса установки необходимы данные о фактическом состоянии материалов. Их можно получить в ходе эксплуатационного контроля, и таким образом оценить момент достижения конструкцией своего предельного состояния.
Для разных этапов эксплуатации оборудования, трубопроводов и других металлоконструкций машиностроительных предприятий предусмотрены процедуры уточнения характеристик материалов.
Образцы для испытаний, как правило, изготавливаются из архивных запасов конструкционных материалов или из материалов, имеющих такие же физико-механические свойства, как и материалы реальной конструкции. Если это возможно, то для изготовления образцов используют специально отобранные пробы металла, вырезанные из доступных и не влияющих на безопасность элементов и зон контролируемых металлоконструкций. Для оценки изменения свойств материала трубопроводов ВВЭР-440 и определения технического состояния металла сварных соединений трубопроводов Ду500 берут пробы после 105 часов эксплуатации, которые подвергают дополнительному ускоренному старению. Ускоренное старение за короткое время позволяет перевести материал в состояние, соответствующее длительным срокам эксплуатации. К ускоренным видам старения относится, в частности, термическое старение, проводимое при температурах выше эксплуатационных. Термическое старения при температуре 450°С в течение 1500 часов металла сварных швов с содержанием ферритной фазы до 8% переводит его в состояние с поврежденностью, соответствующей эксплуатации конструкции при температуре 280°С в течение 2,5×105 часов. В свою очередь, металл вырезок из трубопровода Ду500 ВВЭР-440, отработавший 105 часов и подвергнутый дополнительному старению, оценивается как металл после наработки в 3,5×105 часов.
Заключение об изменении эксплуатационных характеристик делается на основе результатов следующих материаловедческих испытаний:
3. металлографических, электронно-микроскопических и рентгеноструктурнных исследований структуры и химического состава образцов;
4. определения механических свойств образцов при их растяжении до момента разрушения; определения ударной и пластической вязкости разрушения;
5. исследования параметров сопротивления образцов при малоцикловой и многоцикловой усталости, циклической трещиностойкости;
6. исследования стойкости к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением;
7. других специальных исследований.
В качестве примера в табл. 2 и 3 приведены данные об изменении физико-механических характеристик конструкционных сплавов, исследованных указанным образом.
Таблица 2.