книги / Техническая диагностика остаточного ресурса и безопасности
..pdfОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ПО СОПРОТИВЛЕНИЮ |
131 |
По полученной величине [#], и числу циклов NJ нагружения для /-го
режима определяют долю допускаемого накопленного повреждения в этом режиме:
(3.65)
Если на /-м режиме на основной цикл напряжений с амплитудой o*J и с
частотой f i накладывается дополнительное высокочастотное (вибрационное,
сейсмическое) эксплуатационное нагружение с амплитудой ст*в/ и частотой
/В( ,то расчетное накопленное повреждение увеличивается:
У? |
(3.66) |
[я,] = - l- J - x |
'[У],- '
где %j - коэффициент увеличения повреждений, определяемый экспери
ментально.
При отсутствии экспериментальных данных можно принять
X/ = (/в/ / f i ) 1 а*" , |
(3-67) |
где т] - коэффициент, зависящий от материала.
В расчетах величину rj можно принять равной: 1,30 - для малоуглеро
дистых сталей; 1,80 - для низколегированных сталей; 1,55 - для аустенитных нержавеющих сталей.
Для всех выбранных / режимов полученные доли допускаемых накопленных повреждений суммируются, и полная величина допускаемых повреждений [а] определяется их суммированием. Тогда допустимость всех режимов определяется из условия
M = £ [ 0,.]SI. |
(3.68) |
/ |
|
Если назначенный по техническому заданию или определенный по экономическим (амортизационным) параметрам срок эксплуатации (под действием эксплуатационных нагрузок) составил тн (лет) и для этого срока
определено допускаемое суммарное повреждение [я], то исходный допускаемый временной ресурс [ т0] эксплуатации будет равен
Т о ^ н / Ы - |
(3.69) |
132 |
Глава 3. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА |
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
[Хнп] = [т0]/^нп- |
(3-71) |
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
|
[ T ^ K |
J / K J . |
(3.72) |
|
Если при дальнейшей (после |
) |
эксплуатации |
будут сохраняться все |
|
основные режимы работы |
и коэффициент dm , то остаточный допускаемый |
|||
полный срок службы будет |
|
|
|
|
|
[•U =[TS1.] /K n]. |
(3.73) |
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;
ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ПО СОПРОТИВЛЕНИЮ |
133 |
-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
с учетом |
расчетных |
характеристик на момент xs оценки |
технического |
состояния |
дают возможность определить характеристики |
Е[, а'Вт, ст^т, |
|
Vi Sj f t H параметры |
тр , mQ, /и,, у д , Увт • |
|
ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ПО СОПРОТИВЛЕНИЮ |
135 |
равенство |
|
H + H „ y S l. |
(3.77) |
Окончательно допускаемый полный срок эксплуатации, устанавливаемый
по величине остаточного ресурса, будет |
|
[v n ]= [v ]y/</„„• |
(3.78) |
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.
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ |
137 |
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.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ |
139 |
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.
140 Глава 4. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
4.3. ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ
Оценка технического состояния, дефектности и живучести для последую щего определения остаточного ресурса несущих элементов оборудования СТС с трещинами производится комбинированными экспериментальными и расчет ными (стандартными и нестандартными) методами в целях получения расчет ных характеристик прочности, ресурса и живучести.
При этих оценках разрушающими и неразрушающими методами с учетом данных гл. 3 должна быть получена следующая исходная информация:
- базовые характеристики механических свойств конструкционных мате
риалов (предел текучести а т , условный предел текучести а в>2, предел прочно
сти а в , относительное сужение vjtK в шейке при разрыве, сопротивление раз
рыву SK в шейке);
-базовые характеристики ударной вязкости и трещиностойкости;
-характеристики напряженно-деформированных состояний (толщины стенок s в опасных сечениях, теоретические коэффициенты концентрации на
пряжений оса , зоны и величины максимальных (стшах, етах) и минимальных (omin, emia) напряжений и деформаций, зоны и величины максимальных /шах и мини мальных /mi„ температур, времена циклов нагружения тц);
- характеристики состояния дефектов - трещин (их глубина /, протяжен ность а, места расположения и ориентация).
Для определения базовых характеристик механических свойств в соответст вии с действующей нормативно-технической документацией и методическими рекомендациями используются:
-стандартные испытания на растяжение образцов и микрообразцов, выре занных из характерных зон элементов оборудования, имеющих наибольшие на копленные повреждения;
-стандартные и нестандартные испытания на мало- и многоцикловую ус талость образцов, вырезанных из указанных зон;
-стандартные испытания на ударную вязкость образцов, вырезанных из указанных зон;
-стандартные и нестандартные испытания на твердость и микротвердость
вуказанных зонах.
При отсутствии возможностей проведения указанных выше испытаний до пускается определение характеристик механических свойств косвенными мето дами (магнитными, акустоэмиссионными, вибрационными и др.)
Для определения напряжено-деформированных состояний используются унифицированные и специальные методы:
-толщинометрии (механические, оптические, ультразвуковые);
-тензометрии (тензорезисторы, тензочувствительные покрытия, голо графия, интерферометрия);
-термометрии (термопары, термосопротивления, термовидение, пиромет
ры, термокраски);