Лекция 20. Оценка и продление остаточного ресурса критически важных технических устройств

Применяемые здесь понятия, показатели и модели соответствуют материалу, ранее изложенному в гл. 3, 10 и 12, а усвоение рассматриваемых здесь сведений может оказаться полезным для принятия грамотных решений по продлению ресурса безопасной эксплуатации ОТУ с дорогостоящими составными частями. Работоспособность и конструктивность предлагаемой здесь концепции иллюстрируются конкретными и важными для практики примерами, содержащими не только оригинальные модели, но и правдоподобные рекомендации, вытекающие из их количественного анализа.

.1. Концепция прогнозирования параметров, определяющих ресурс безопасной эксплуатации технических систем

При рассмотрении особенностей прогноза долговечности ОТУ ниже учитывается ограниченность объема настоящего учебника и необходимость в соответствующих исходных данных. По этим причинам ниже описываются не ОТУ в целом, а лишь те их критически важные устройства, которые удовлетворяют следующим дополнительным требованиям:

1) наличие большого объема достоверных эмпирических данных о результатах их ежегодного технического диагностирования, обслуживания и ремонта;

2) пригодность этой информации для статистической оценки вероятности Q(τ) отказа или времени Т до перехода этих устройств ОТУ в предельные состояния по иной причине;

3) возможность выявления соответствующих признаков при диагностировании текущего состояния ОТУ и их использования при достоверной апостериорной оценке данных показателей.

С учетом вышеизложенного в качестве интегрального показателя продолжительности дальнейшей безопасной эксплуатации ОТУ ниже предлагается использовать гамма-процентный остаточный ресурс τγ, задаваемый наработкой (временем τ допустимого функционирования) и выраженной в процентах вероятностью у недостижения им за этот период предельного состояния. Что касается методик, предлагаемых для прогнозирования параметров Q(τ), γ и интегрального показателя τγ в целом, в совокупности определяющих ресурс безопасной эксплуатации ОТУ, то при обосновании их состава и областей предпочтительного использования следует исходить из таких основных требований:

а) пригодность подобных методов для объединения априорных и апостериорных данных при оценке только что упомянутых количественных характеристик;

б) учет таких специфических особенностей исследуемых ОТУ, как сложность, декомпозируемость и диагностируемость рассматриваемых критически важных частей.

Соблюдение данных требований при прогнозировании перечисленных выше частных и интегрального показателей возможно путем применения двух методов:

1) моделирование с помощью диаграмм причинно-следственных связей и параметрических моделей теории случайных процессов;

2) целенаправленная статистическая обработка уже накопленных и специально формируемых эмпирических данных.

Среди известных способов моделирования процессов утраты ресурса наиболее перспективными считаются сети GERT, позволяющие прогнозировать не только вероятность Q(τ) достижения критически важными частями ОТУ их предельного состояния, но и требуемое для этого время τ. Что же касается статистической оценки этих показателей, то в настоящее время ее пока не проводят для электротехнических изделий – из-за неясности механизмов их постепенной деградации. Считается также, что прогноз остаточного ресурса механических элементов целесообразно осуществлять на основе результатов диагностики их технического состоянию и сведений, полученных применением методов подобия в надежности.

Учитывая предварительное знакомство с возможностями модельного метода (см. параграфы 5.2 и 11.2), здесь ограничимся лишь его упоминанием. А вот для облегчения практической реализации второго (статистического) метода прогноза параметров безопасной эксплуатации механического оборудования ОТУ ныне рекомендуется руководствоваться следующей классификацией [35], основанной на особенностях его конструкции, а также характера нагружения и механизма разрушения:

а) уровень нагруженности элементов конструкции: низкая – не более 1/3 предела текучести материала, средняя – до 2/3 и высокая – более 2/3 данного предела;

б) конструктивная жесткость подобных изделий, определяющая характер их напряженно-деформированного состояния: низкая – малые толщины элементов, незначительные остаточные напряжения и отсутствие их конструктивных концентраторов; средняя – наличие двух- и трехмерных остаточных напряжений и их концентраторов, средняя геометрическая сложность; высокая – сложная геометрия, присутствие как элементов малой, средней и большой толщины, так и конструктивных концентраторов больших остаточных напряжений;

в) характер нагружения – статическое, циклическое и импульсное (ударное);

г) объем неразрушающего контроля – не подлежащие подобному контролю; подлежащие лишь выборочно (25–50%); подвергаемые в полном объеме;

д) чувствительность металлов к концентрации напряжений (в порядке снижения) – углеродистые нормализованные или улучшенные; углеродисто-марганцевые и низколегированные; улучшенные, нормализованные, легированные ниобием, бором или низколегированные хромомолибденовые и никелеванадиевые; низколегированные термоупрочненные; высоколегированные термоупрочненные;

е) опасность механизма разрушения (в порядке снижения) – хрупкое и квазихрупкое; усталостное и коррозионно-усталостное, разрушение в условиях ползучести; недопустимые пластические деформации и потеря устойчивости.

Применение данной классификации позволяет устанавливать приоритетность прогноза параметров безопасной эксплуатации механических частей ОТУ. В первую очередь он необходим для конструктивных элементов, изготовленных из малоуглеродистых и низколегированных сталей, а в последнюю – из высоколегированных и термоупрочненных, которые предрасположены к хрупкому разрушению. А вот при априорной оценке соответствующих вероятностей желательно исходить из концепции повреждаемости конструкционного материала и процесса эволюционного достижения им предельных состояний.

Что касается повреждаемости П материала, то под ней обычно подразумевают ухудшение его свойств из-за появления различных микротрещин, пор и расслоений, образуемых под воздействием механических усилий, температурных напряжений и неблагоприятной рабочей среды. Считается также, что интенсивность и разрушительный эффект подобных вредных проявлений определяется соответствующей нагрузкой F, изменяющей микроструктуру конструкционного материала, а ухудшение прочностных характеристик изготовленных из него элементов ОТУ – нарушением их сплошности ψ, являющейся как бы дополнением до единицы его уже реализованной повреждаемости (ψ = 1 – Ω).

В сравнении с одномерным вязким и хрупким разрушением механических элементов модель эволюционного накопления повреждений [33] является более совершенной. Дело в том, что она основана на представлении конструкционного материала в виде системы, состоящей из приповерхностного и внутренних слоев, что позволяет интерпретировать утрату его сплошности под воздействием нагрузок как процесс естественной самоорганизации этой системы, сопровождающейся постепенной деградацией подобного материала.

Иначе говоря, данный подход увязывает причины ухудшения эксплуатационных свойств механических элементов ОТУ с образованием в их конструкционном материале различных диссипативных структур (пространственно неоднородных дислокаций в форме трещин, пор и субзерен), предназначенных для рассеяния той части подводимой к нему энергии, которая способна к самопроизвольному превращению в тепло. При этом становится понятным не только ускоренное появление подобных структур в приповерхностном слое (контактируя с внешней средой, он отдает ей часть тепла), но и обусловленное этим временное упрочнение конструкционного материала, способствующее сохранению несущей способности нагруженных механических деталей благодаря временному торможению приповерхностным слоем процессов развития и выхода наружу внутренних дислокаций.

Кроме того, рассмотрение конструкционного материала механических элементов как самоорганизующейся системы [30], в которой механизмы деформирования на микро-, мезо- и макроуровнях обусловлены большим числом факторов и масштабной инвариантностью, подтверждает целесообразность выбора моделей, учитывающих и законы стохастического подобия, и стадийность процессов, предшествующих разрушению. Что касается стадийности деформирования и разрушения металла под воздействием статических и циклических нагрузок, то она характеризуется двумя периодами – зарождение (I) и распространение (II) трещин, предшествующих разрушению элемента, что и представлено на рис. 20.1.

Рис. 20.1. Периоды и стадии деформации с разрушением металла:

а – статическое растяжение; б – усталостное разрушение

При этом на стадии зарождения трещин (I) можно выделить следующие этапы накопления повреждений (см. рис. 20.1, а): 1) микротекучесть (микропластическая деформация преимущественно приповерхностного слоя глубиной порядка размера зерна); 2) текучесть (негомогенное пластическое деформирование, которое наблюдается не всегда); 3) деформационное упрочнение пластичного металла либо разупрочнение высокопрочного. Последний этап характеризуется образованием на поверхности металла субмикротрещин или интенсивным повышением плотности дислокаций и появлением дефектных структур, вызванных деформационным старением и фазовыми превращениями его внутренних слоев.

А вот период распространения трещин (II) при статическом растяжении, например, вызван началом шейкообразования в ячеистой структуре дислокаций, т.е. с зарождением пор на стенках ранее возникших трещин и образованием поворотных мод пластической деформации. Последующий рост и объединение пор, появившихся между соседними ячейками, приводят вначале к ослаблению и обрыву разъединяющих их перемычек, а затем – и к окончательному разрушению конструктивного элемента в результате макроизлома конструкционного материала по причине сдвига или отрыва его крупных приповерхностных и внутренних слоев.

Что касается усталостного разрушения металла (см. рис. 20.1, б), то ему свойственны следующие три стадии распространения соответствующей трещины: 1) припороговый рост; 2) стабильный рост;

ускоренный (нестабильный) рост. Считается также, что данный период начинается после достижения коэффициентом интенсивности напряжений (или их размахом) пороговой величины Kt, тогда как до этого возможно лишь зарождение малых усталостных трещин (заштрихованная площадь). Завершается же данный период усталостным разрушением металла при критической величине KF данного параметра, соответствующей циклическому пределу текучести конкретного металла.