книги / Техническая диагностика остаточного ресурса и безопасности

Если время работы (службы) под действием эксплуатационных нагрузок тн составляет заданную долю dm полного (общего) времени тнп функцио­ нирования (существования) элемента СТС

ТИ=Ч.П-Т.1П. (3.70)

где dxm - коэффициент, учитывающий время простоев, остановов, планово­ предупредительных ремонтов ( dm < 1), не вошедших в п. 3.4.6.3, то исходный допускаемый полный срок службы с учетом п. 3.4.8.1 составит

3.4.8.2. Приближенный расчет остаточного ресурса

Если к моменту xs по п. 3.4.7.1 проведения оценки технического состояния элемент сложной технической системы находился в эксплуатации тл1 < т„ (лет)

под действием заданных в ТЗ или установленных экспериментом реальных эксплуатационных нагрузок и для этого времени по (3.68) определена величина [as ], то допускаемый расчетный остаточный ресурс будет равен

3.4.8.3.Уточненныйрасчет остаточного ресурса

Всоответствии с настоящей методикой в уточненном расчете остаточного ресурса учитываются все указанные выше факторы и параметры:

- широкий диапазон числа циклов эксплуатационного нагружения

10°<#э < Ю10 по пп. 3.4.4.1,3.4.4.2,3.4.4.3, 3.4.6.1;

- температура /э и времена циклов Тц по пп. 3.4.2,3.4.3.4;

-циклические свойства материалов по п. 3.4.2;

-возможность образования пластических деформаций по п. 3.4.1.5;

-циклические нагрузки, напряжения и деформации по п. 3.4.3.3;

-концентрация напряжений и деформаций по п. 3.4.3.2;

-асимметрия цикла напряжений по п. 3.4.3.5;

-диаграммы статического и циклического деформирования по п. 3.4.3.3;

-накопленные повреждения по п. 3.4.3.6;

-коррозионные воздействия по п. 3.4.4.4;

-остаточные напряжения по п. 3.4.3.8;

-остаточные пластические деформации по пп. 3.4.3.8,3.4.4.3;

-наложенные вибрационные напряжения по п. 3.4.3.9;

-наличие сварных соединений по п. 3.4.4.2;

-рассеяние характеристик механических свойств по п. 3.4.4.5;

-изменение запасов в зависимости от объема исходной информации по

п.3.4.5.1.

Уточненный расчет остаточного ресурса выполняется с использованием системы расчетных уравнений, связывающих амплитуды действующих

условных упругих напряжений а* и чисел циклов до разрушения N по

п. 3.4.4.1.

Исходными для уточненной оценки остаточного ресурса являются зависимости (кривые) допускаемых амплитуд условных упругих напряжений

[а0] и допускаемых чисел циклов [А] по уравнениям п. 3.4.6.1 с выбором

расчетных характеристик по п. 3.4.6.2.

При уточненном расчете остаточного ресурса используются температурные (п. 3.4.6.2), скоростные (п. 3.4.6.2) и временные (3.4.6.3) зависимости для расчетных характеристик, а также влияние на них коррозионных повреждений (п. 3.4.6.3), двухчастотности цикла нагружений (п. 3.4.8.1).

Вотличие от приближенной оценки исходного и остаточного ресурса (по

п.3.4.8.1) при уточненных расчетах остаточного ресурса основное значение имеют температурно-временные эффекты по п. 3.4.6.3 и эффекты коррозионных повреждений по п. 3.4.6.3.

Сучетом п. 3.4.8.3 при уточненном определении остаточного ресурса для

всех временных параметров (тт ,т ,,т Лг и xtN по п. 3.4.6.3, ть т2, тз, • Ъ по

п. 3.3.6.3) определяется поэтапное изменение (снижение) расчетных характеристик механических свойств в соответствии с п. 3.4.6.3.

Для выделенных по п. 3.4.7.1 времен xs , т5, и т,. история эксплуата­

ционного нагружения разбивается по п. 3.4.6.3 на участки Т|, т2, т3, ..., т, с характерными близкими к стационарным амплитудами эксплуатационных

нагружений а*,- и изотермическим состояниям с температурами Для этих

участков учитывается последовательное изменение (снижение) во времени т расчетных характеристик по п. 3.4.4.3. При этом поэтапно должно быть учтено влияние коррозионных повреждений по п. 3.4.6.3. Стадии и участки эксплуатационного циклического и термоциклического нагружения по п. 3.4.6.3

Окончательно допускаемый полный срок эксплуатации, устанавливаемый

Полученный допускаемый остаточный ресурс [xJrj] и допускаемый полный срок эксплуатации (службы) [тдтп] подлежат согласованию головными

конструкторскими, технологическими, эксплуатирующими организациями и утверждению надзорными службами.

В связи с изложенным, на основе выражений (3.1) - (3.78) основной задачей технической диагностики остаточного ресурса является определение всех основных параметров расчетных уравнений.

Вопросы для самопроверки

1.С какой целью используются понятия исходного и остаточного ресурса?

2.Какие основные факторы учитываются в методике расчета остаточного циклического ресурса?

3.Каким образом количественно увязываются параметры состояния

конструкции, накопленных повреждений и остаточного ресурса?

4. Каковы процедуры приближенного и уточненного расчетов остаточного ресурса на стадии образования трещин?

Глава 4. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ПО КРИТЕРИЯМ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ

4.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Настоящая методика распространяется на оценку технического состояния и уточненный поверочный расчет остаточного ресурса (срока службы) оборудова­ ния, обеспечивающего эксплуатацию сложных технических систем (СТС) с це­ лью поддержания их в работоспособном состоянии с учетом критериев прочно­ сти, ресурса и живучести при образовании трещин.

Оценка технического состояния и остаточного ресурса осуществляется в связи с выработкой назначенного срока службы СТС как элемент специального научно-технического сопровождения для обеспечения надежности и безопасно­ сти, снижения затрат на дальнейшую эксплуатацию на стадии развития трещин.

Объектами применения настоящей методики являются поврежденные тре­ щинами элементы общепромышленного оборудования СТС - металлоконструк­ ции сложной формы, гидравлические силовые механизмы, сосуды высокого давления, гидравлические емкости (в том числе для криогенных продуктов), трубопроводы, арматура, насосы, компрессоры, электродвигатели и др.

В состав решаемых в рассматриваемом направлении задач входят:

-обобщение результатов анализа проблемы оценки технического состоя­ ния и остаточного ресурса общепромышленного оборудования с исходными технологическими или возникшими эксплуатационными дефектами типа тре­ щин;

-анализ основных конструкторско-технологических и эксплуатационных факторов, влияющих на формирование технического состояния материалов, аналитическое описание процессов старения и развития трещин в конструкциях оборудования СТС в процессе изготовления и эксплуатации;

-выбор типов предельных состояний оборудования СТС и критериев для оценки исходного и остаточного ресурса по критериям трещиностойкости;

-обоснование методов диагностики технического состояния дефектов в оборудовании с целью получения исходных расчетных характеристик;

-выбор расчетно-экспериментальных методов определения живучести и остаточного ресурса оборудования СТС;

-разработка рекомендаций и расчетных уравнений и их параметров для количественного определения трещиностойкости и сроков службы оборудова­ ния СТС с высокими показателями по контроле- и ремонтопригодности, долго­ вечности и безопасности функционирования;

-развитие подходов к обоснованию научной концепции долговременной ресурсосберегающей эксплуатации оборудования СТС по фактическому техни­ ческому состоянию дефектности и параметрам остаточного ресурса.

При использовании настоящей методики учитываются технические требо­ вания к СТС, а также соответствующая нормативно-техническая документация по проектированию, изготовлению, контролю и эксплуатации объектов СТС (федеральные законы, строительные нормы и правила, выпущенные ранее руко­ водящиедокументы органов государственного надзора).

Результаты оценки технического состояния дефектности и остаточного ре­ сурса СТС в соответствии с настоящей методикой используются для принятия решений о возможности продления срока службы, о необходимости проведения диагностических и ремонтно-восстановительных работ, а также для проведения экспертизы промышленной безопасности и реализации требований техническо­ го регулирования и технических регламентов.

Оценка технического состояния и остаточного ресурса производится для критических элементов оборудования СТС, испытывающих при эксплуатации действие механических и тепловых нагрузок в диапазоне числа циклов от 10° (статическое нагружение) до 10|() (многоцикловое нагружение) и действие пере­ менных температур (криогенных, климатических и повышенных). Поверочный расчет остаточного ресурса и живучести в соответствии с настоящей методикой проводится как для случаев, когда исходный ресурс определялся на стадии про­ ектирования по действующим нормам расчета прочности, так и для случаев, ко­ гда исходный ресурс не определялся или назначался не по критериям прочности (как правило, по амортизационным экономическим показателям).

Расчет остаточного ресурса осуществляется с использованием данных о техническом состоянии, полученных экспериментальными и расчетными мето­ дами, по следующим предельным состояниям:

-образование трещин при циклическом нагружении;

-возникновение вязкого или хрупкого разрушения при наличии исходных технологических и эксплуатационных трещин.

-развитие трещин при циклическом нагружении.

При расчете остаточного ресурса учитываются накопленные в процессе предшествующей эксплуатации циклические, временные, коррозионные и дру­ гие повреждения, а также основные конструктивные, технологические и экс­ плуатационные факторы, изменяющие характеристики предельных состоянии (см. гл. 3).

По величинам характеристик живучести и остаточного ресурса с введением соответствующих запасов (по напряжениям, деформациям, долговечности, кри­ тическим температурам, коэффициентам интенсивности напряжении и длине трещины) устанавливается срок службы оборудования до исчерпания остаточ­ ного ресурса или до очередного освидетельствования и оценки технического состояния.

Оценка технического состояния оборудования проводится методами и сред­ ствами разрушающего и неразрушающего контроля по действующим нормам контроля, а также с использованием новых методов и средств (диагностики, де­ фектоскопии, дефектометрии, мониторинга) с установлением следующих ос­

138 Глава 4. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

новных параметров, используемых прй расчете живучести и остаточного ре­ сурса:

-характеристики механических свойств конструкционных материалов (основного металла, металла сварных соединений и наплавок);

-характеристики эксплуатационной нагруженности (напряжения, дефор­ мации, температуры);

-характеристики дефектов, в первую очередь трещин (их размеры, зоны расположения и ориентация).

Результаты оценки технического состояния дефектности, живучести и оста­ точного ресурса оформляются в виде технических отчетов и заключений о воз­ можности дальнейшей эксплуатации оборудования СТС с указанием сроков службы и необходимых мероприятий по модернизации, ремонту и замене по­ врежденных элементов оборудования, уточненных режимов эксплуатации, а также сроков повторных оценок состояния живучести и остаточного ресурса.

Эти результаты представляются в установленном порядке для принятия ре­ шения об остаточном ресурсе и безопасности СТС соответствующим федераль­ ным надзорным службам и ведомствам России.

4.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Живучесть оборудования - способность выполнять свои основные функции при возникновении и развитии трещин в несущих элементах, выходящих за пре­ делы, установленные нормами и правилами.

Трещиностойкость - сопротивление несущих конструкций развитию тре­ щин и окончательному разрушению, определяемое методами механики разру­ шения.

Оценка технического состоянии и состояния дефектности - комплекс экс­ периментальных и расчетных мероприятий по определению на данной стадии эксплуатации базовых характеристик основных механических свойств конст­ рукционных материалов, напряженно-деформированных состояний и дефектно­ сти несущих элементов оборудования СТС с учетом предыстории проектирова­ ния, изготовления и эксплуатации этого оборудования на основе действующей нормативно-технической документации, а также с применением новых методов и средств, дающих более полную или более точную информацию о техническом состоянии.

Оценка остаточного ресурса на стадии развития трещин - определение на данной стадии эксплуатации расчетными и экспериментальными методами вре­ менных характеристик наступления заданных предельных состояний несущих элементов оборудования СТС по степени развития трещин или по полному раз­ рушению с учетом конструктивных, технологических и эксплуатационных фак­ торов (проявившихся в процессе предшествующей истории создания и эксплуа­ тации и предусмотренных для последующих стадий эксплуатации) на основании действующей нормативно-технической документации или-настоящей методики.

Оценка исходного технического состояния и живучести - определение ха­ рактеристик состояния в начале и в процессе эксплуатации оборудования СТС в соответствии с действующей нормативно-технической документацией по де­ фектности и дефектометрии на стадии роста трещин или настоящей методикой.

Определение накопленных повреждений - установление доли исчерпания ресурса на предшествующей или на последующих стадиях эксплуатации обору­ дования СТС на основе закономерностей линейной и нелинейной механики раз­ рушения с учетом основных конструктивных, технологических и эксплуатаци­ онных факторов по данным об истории нагружения и о характеристиках исход­ ного или остаточного ресурса.

Обоснование запасов по остаточному ресурсу при развитии дефектов - про­ ведение комплексного анализа по выбору, расчетно-экспериментальному или экспертному установлению и назначению степени снижения остаточного ресур­ са и трещиностойкости при определении сроков дальнейшей безопасной экс­ плуатации оборудования СТС.

Критическая температура хрупкости tk - температура, при которой проис­

ходит резкое изменение характеристик разрушения (доли вязкой составляющей в изломе FB, ударной вязкости ар , разрушающих напряжений ак, скорости

роста трещины, общих и локальных пластических деформаций в зоне разруше­ ния).

Хрупкое разрушение - наиболее опасный вид разрушения, при котором но­ минальные разрушающие напряжения а А меньше предела текучести ( 2 или

Оу), скорость развития трещины составляет 600...2800 м/с, отсутствуют макро­ скопические деформации, пластические деформации возникают только у вер­ шины трещины и вязкая составляющая в изломе FB = 0 %.

Квазихрупкое разрушение - опасный вид разрушения, при котором номи­ нальные разрушающие напряжения находятся в интервале от предела текучести

до предела прочности (а о 2< а*< ав), скорость роста трещин составляет

400...600 м/с, пластическая деформация возникает у вершины трещины и по значи­ тельнойчасти несущего сечения, а вязкая составляющая в изломе FB « 50 %.

Вязкое разрушение - менее опасный вид разрушения при напряжениях вы­ ше предела текучести и достигающих предела прочности (о[) 2^сгА<о'в ); скоро­

сти роста трещины составляют значения до 400 м/с, пластические деформации возникают у вершины трещины и по всему сечению, доля вязкой составляющей находится в пределах 50 <FB < 100 %.

Первая критическая температура /А1 характеризует переход от вязких раз­ рушений к квазихрупким, вторая критическая температура tk2 характеризует переход от квазихрупких разрушений к хрупким.

Скорость роста трещины - приращение размеров трещины за заданные чис­ ло циклов или время.