Особенности прогнозирования остаточного ресурса

Важное место при оценке надежности и живучести технических устройств принадлежит прогнозированию ресурса их безопасной эксплуатации, т.е. априорной оценке времени достижения предельного состояния или возникновения происшествий из-за отказа их критически значимых частей. Когда речь идет об остаточном ресурсе, определяемом по результатам диагностики текущего состояния наиболее ответственных узлов техники [34], то повысить достоверность его прогноза можно путем учета не только полученных таким способом данных, но и накопленных ранее других сведений о безотказности, включая результаты моделирования и эксплуатации наиболее подходящих аналогов, функционирующих в сходных условиях.

Логично также считать, что обеспечить требуемую точность подобной и ответственной оценки технического состояния можно путем использования новейших достижений в сфере вероятностного риск-анализа технических устройств, а прогноза параметров их предельного состояния – пополнением полученной при этом информации с помощью методов подобия в надежности [8] и математической статистики, т.е. после обоснования однородности подобной информации.

Учитывая малую известность прогнозирования остаточного ресурса, рассмотрим место и порядок его осуществления, руководствуясь схемой на рис. 3.9.

Как следует из приведенной схемы, оценка остаточного ресурса предполагает шесть основных этапов и начинается с идентификации тех частей объекта техносферы (ответственных технических устройств – ОТУ), отказ которых является критически значимым для утраты безопасности или живучести. Так как процедура их выявления уже рассматривалась в предыдущем параграфе, то ниже остановимся только на особенностях практической реализации каждого из этапов, помеченных на этой блок-схеме цифрами.

Рис. 3.9. Структурная схема процесса оценки остаточного ресурса

1. Изучение истории создания и нагружения рассматриваемого здесь (механического) устройства. Данный этап обычно предполагает решение следующих основных задач:

а) исследование конструкторско-технологической, производственной, эксплуатационной и ремонтной документации;

б) анализ выбранных методов расчета и принятых коэффициентов запаса прочности;

в) определение циклов, амплитуд и других особенностей воздействующих нагрузок;

г) анализ сертификатов на конструкционные материалы и сварочные работы, а также результатов металлографии и дефектоскопии.

В некоторых случаях дополнительно рекомендуется проводить углубленные экспериментальные исследования микроструктуры конструкционного материала, в том числе и с помощью образцов, вырезанных непосредственно из наиболее наряженных зон эксплуатирующихся механических конструкций, если это позволяет запас их прочности.

2. Предварительный анализ напряженно-деформированного состояния рассматриваемых ОТУ, который проводится с целью выявления зон потенциального разрушения. Под такими зонами обычно подразумеваются локальные области вокруг имеющихся отверстий, пазов, галтелей и сварных швов, в которых возможны различные сочетания высоких напряжений, пониженных характеристик материала и разнообразных технологических дефектов.

Один из наиболее перспективных подходов к описанию процессов возникновения и опасного проявления только что упомянутых зон базируется на концепции повреждаемости конструкционного материала под воздействием механических нагрузок, физических (тепловых) полей и ионизирующих излучений. Их разрушительный эффект обычно вызван изменением поврежденности или сплошности материала из-за появления и роста в нем микротрещин и пор, ухудшения механических и иных свойств всей конструкции.

3. Уточнение состава признаков и характера возможных предельных состояний исследуемых устройств осуществляется с учетом вероятных механизмов накопления ими повреждений и утраты работоспособности. Так как механическое оборудование работает при переменных нагрузках, а иногда – и значительных температурных перепадах, то наиболее вероятными механизмами накопления в их материале эксплуатационных повреждений будут ползучесть, а также усталость – повторно-статическая, малоцикловая и многоцикловая.

Учитывая данное обстоятельство, основными формами утраты работоспособности механических ОТУ целесообразно считать:

а) разрушение (вязкое и хрупкое);

б) пластическое деформирование по всему сечению критически значимого элемента;

в) потерю устойчивости и недопустимые формоизменения;

г) появление макротрещин по причине усталости конструкции либо вследствие ее износа и коррозии, фреттинга и эрозии.

4. Определение допустимых для конкретного критически значимого устройства напряжений v_кр, деформаций w_кр и числа циклов его нагружения проводится с использованием выбранных критериальных соотношений между параметрами расчетной нагрузки и вызванного ею деформирования или трещинообразования соответствующего материала. Решение данной задачи требует достоверного знания особенностей процессов деформирования и разрушения подобной конструкции в заданных условиях нагружения.

Наиболее предпочтительными критериями оценки долговечности механических ОТУ следует считать:

а) для повторно-статического и малоциклового нагружения – деформационные критерии, характеризующие критическое для материала раскрытие трещины или критический коэффициент интенсивности (плотности) деформаций;

б) для многоцикловой усталости без учета локального пластического деформирования – силовые критерии, определяющие предел трещиностойкости элемента, критические для него напряжения или коэффициент их интенсивности;

в) для многоцикловой усталости с учетом пластического деформирования микрообъемов металла – энергетические критерии, выражающие критический уровень работы деформирования либо критическое значение суммарного потока энергии в вершине дефекта.

5. Уточнение состава показателей проявления рассматриваемых механизмов разрушения или способов наступления предельных состояний в элементах конструкции ОТУ осуществляется с учетом предварительно выбранных признаков, критериальных соотношений и вероятностных моделей утраты работоспособного состояния.

Определение признаков и модельных оценок меры возможности наступления предельных состояний целесообразно осуществлять с учетом наиболее вероятного механизма утраты работоспособности. Например, хрупкое разрушение и потерю устойчивости критически значимого механического элемента целесообразно интерпретировать внезапным отказом, а исчерпание его конструктивной прочности по причине износа или усталости – параметрическим. Прогнозирование вероятности наступления подобных событий следует осуществлять методами теории надежности и случайных процессов в технике или вероятностного риск-анализа разрушения конструкции элементов по причине повреждаемости их материала.

6. Прогнозирование остаточного ресурса обычно имеет целью принятие решений:

а) о возможности дальнейшей эксплуатации ОТУ в составе данного объекта техносферы с уточнением срока его очередной технической диагностики и привлекаемых для этого методов неразрушающего контроля;

б) о необходимости последующих демонтажа, дополнительных исследований, капитального ремонта или окончательного вывода из эксплуатации того элемента, который является критически значимым и уже достиг предельного состояния.

Решение о продлении эксплуатации критически значимых устройств до проведения очередной диагностики должно приниматься после оценки остаточного гамма-процентного ресурса T_γ. Для повышения достоверности подобной оценки целесообразно учитывать также априорную информацию о поведении как конкретного ОТУ, так и всех наиболее близких ему аналогов.

На этом завершим знакомство с методологией обоснования решений о приемлемых сроках безопасного применения ответственных объектов. Что касается ее конструктивности, то она будет проиллюстрирована в конце настоящей книги (в гл. 20) – на примере прогнозирования остаточного ресурса конкретного критически важного компонента (подсистемы автоматической защиты паровой турбины) и критически значимого механического элемента (ее ротора).

Подытоживая данную главу в целом, еще раз подчеркнем тот важный вклад в исследование и совершенствование живучести и безопасности эксплуатации объектов техносферы, который может быть обеспечен грамотным использованием изложенных выше методов.