книги / Техническая диагностика остаточного ресурса и безопасности
..pdfОСТАТОЧНЫЙ РЕСУРС И КРИТЕРИИ ЖИВУЧЕСТИ |
171 |
При длительном циклическом нагружении зависимость скорости роста трещины от коэффициента интенсивности напряжений по параметру времени нагружения оказывается более выраженной, чем при длительном статическом нагружении (угол наклона касательных к кривым на рис. 4.9 на 5..Л0 % выше, чем на рис. 4.7).
Интегрирование выражений (4.33), (4.37) - (4.39) по времени т или по числу циклов N позволяет установить временной тя или циклический Np ресурс на ста дии развития трещин. Вводя запасы пх и nNпо выражению (1.92) можно полу чить допускаемое время [тя] и число циклов [JVp] на стадии живучести.
Оценка долговечности на стадии развития трещины малоциклового нагру жения проводится с использованием выражения (4.39) для скорости развития трещины. При этом в качестве исходных используются данные о значениях ко эффициентов интенсивности напряжений (в упругой области), начальных раз мерах дефектов /0 , а также данные о значениях местной разрушающей дефор
мации ёу- в вершине трещины, определяемых по выражению (4.34). В силу
сложности интегрирования выражения (4.39) в расчетах можно использовать соответствующие значения скорости роста трещины по выражению (4.39) для различных / и по величинам dl/dN и / определять числа циклов Np для раз
вития трещины от /0 до /. Если и для стадии развития трещины ввести в рас смотрение запас по долговечности nN, то тогда общий исходный или остаточ ный ресурс как допускаемые время и число циклов будут:
Н=Ы+Ы; МФо]+КЬ |
<4-4°) |
где [т0], [Лу - часть допускаемого ресурса на стадии образования трещин. Необходимыми для рассмотренного расчетного определения ресурса эле
ментов конструкций на стадии образования и развития трещин являются испы тания гладких стандартных образцов при кратковременном, циклическом и дли тельном статическом нагружении (с оценкой характеристик прочности и пла стичности), а также образцов с начальными трещинами при малоцикловом на гружении при соответствующей температуре и времени выдержки (с измерени ем скорости развития трещин).
Вопросы для самопроверки
1.В чем заключается связь между критериями трещиностойкости и живучести?
2.Чем отличаются понятия напряжений и коэффициентов интенсивности напряжений?
3.Что понимается под характеристиками первой и второй критических температур хрупкости?
4.Как определяются и в чем выражаются скорости роста трещин при статическом и циклическом нагружениях?
5.В чем отличие запаса по вязкости разрушения от запаса по размерам тре
щин?
Глава 5. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ РЕСУРСА И БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ШТАТНЫХ И АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЯХ
5.1. ОБЩАЯ СТРУКТУРА МЕТОДОВ АНАЛИЗА РЕСУРСА И БЕЗОПАСНОСТИ
По уровню потенциальной опасности, по требованиям законодательства, Стратегии национальной безопасности и решениям Совета безопасности Рос сийской Федерации объекты техносферы могут быть разделены на четыре ос новные группы (рис. 5.1):
-объекты технического регулирования (ОТР) по закону о техническом ре гулировании - их число измеряется миллионами и десятками миллионов;
-опасные производственные объекты (ОПО) по закону о промышленной безопасности - их число измеряется сотнями тысяч;
-критически важные объекты (КВО) по решению Совета безопасности Рос сийской Федерации - их число измеряется тысячами;
-стратегически важные объекты (СВО) с учетом базовых положений Стра тегии национальной безопасности.
В соответствии с рис. 1.12 и 5.1 для СВО в обязательном порядке необхо
димо удовлетворение базовых требований по этапам VIII -> I, для КВО - по эта пам VII -» I, для ОПО - возможно практическое выполнение требований VII
I, для ОТР - важно частичное выполнение требований из цепочки VII —>I. Эти условия будут закрепляться в технических регламентах, стандартах и сводах правил. Важно, что при переходе от ОТР к СВО ущербы от возможных аварий и катастроф возрастают от 104 до 10*1руб., а потенциальная опасность их возник новения - от локальных до глобальных катастроф.
Рис. 5.1. Структурная схема анализа потенциально опасных объектов
ОБЩАЯ СТРУКТУРА МЕТОДОВ АНАЛИЗА РЕСУРСА |
173 |
С учетом данных гл. 1-4 в блок базовых методов и направлений фундамен тальных исследований ресурса и безопасности введены:
-теория техногенных и природно-техногенных катастроф;
-научные основы правового, экономического и нормативного управления безопасностью и рисками катастроф для СВО и КВО, ОПО и ОТР;
-научные принципы, методы и системы диагностики, мониторинга и защи ты от аварий и катастроф.
Научную основу анализа тяжелых катастроф, рисков и безопасности, вклю чая технические объекты, операторов, население и окружающую среду, в соот ветствии с рис. 1.13 составляют:
-физика, химия и механика катастроф;
-математическое моделирование сценариев аварий и катастроф;
-методы и принципы аварийной диагностики и мониторинга чрезвычайных ситуаций;
-биомеханика взаимодействия операторов и технических объектов в ава рийных ситуациях;
-методы и принципы защиты персонала объектов и окружающей среды от аварий и катастроф;
-критерии нормативного обоснования и повышения безопасности. Диагностическое, информационно-математическое обеспечение и систем
ные математические модели, разрабатываемые в интересах предотвращения и мониторинга аварийных ситуаций и катастроф, а также прогнозов и оператив ной ликвидации их последствий, ориентированы на решение задачи построения обобщенных математических моделей сложных технических систем на разных стадиях возникновения и развития аварий и катастроф, в том числе на анализ аварий и катастроф и задачи создания алгоритмов их математического модели рования, а также алгоритмов и программ математического моделирования ава рий и катастроф с учетом их масштабов. В этих целях проводится:
-разработка методов математического моделирования и диагностики раз вития аварий и катастроф в системе «человек - объект техносферы - окружаю щая среда» с учетом приземных концентраций радионуклидов, поллютантов при существенных ограничениях на объем исходной информации, на используемые для моделирования вычислительные средства и время счета;
-построение математических моделей объекта как сложной технической системы и ее системы управления для прогноза возможных аварийных ситуаций
ианализа их последствий;
-разработка методов, алгоритмов и системы программного обеспечения для математического моделирования возникновения и развития аварий;
-математическое моделирование механического разрушения конструкции
исистем защиты под действием высокоскоростных ударных волн, тепловых и механических нагрузок;
-разработка универсальной синергетической модели динамики сложных технических систем при авариях и катастрофах;
-разработка методов моделирования нелинейных неизотермических про цессов деформирования и разрушения трехмерных тел.
174 Глава 5. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ РЕСУРСА
5.2. ШТАТНАЯ И ОПЕРАТИВНАЯ ДИАГНОСТИКА ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ
Одной из важных научных проблем является развитие методов и создание штатной и оперативной диагностики и мониторинга аварийных ситуаций и по врежденных состояний технических систем в случае возникновения аварий и катастроф, имеющих глобальный, национальный или региональный характер.
Всостав исследований оперативной диагностики входят:
-определение поражающих факторов потенциально опасных технических систем и природных явлений и возможности их контроля и оперативной диагно
стики;
-определение концепции построения систем контроля и оперативной диаг ностики;
-определение совмещенной структуры поражающих факторов сложных
технических систем и природных явлений, состава и характеристик оптимизи рованной аппаратуры для их контроля и диагностики;
- развитие новых концепций применимости и номенклатуры средств диаг ностики аварийных ситуаций для объектов атомной энергетики при воздействии опасных природных процессов и поражающих факторов (землетрясения, навод нения, цунами и т.д.).
Системы штатной и оперативной диагностики и мониторинга аварийных ситуаций включают объектовые, региональные и национальные элементы на земного, воздушного и космического базирования.
При создании систем диагностики потенциально опасных объектов с уче том накопленного в нашей стране и за рубежом опыта анализа техногенных и природно-техногенных катастроф следует учитывать два важных фактора:
-класс аварий и катастроф и их последствий;
-тип аварийных ситуаций.
Аварии и катастрофы были разделены на планетарные, глобальные, нацио нальные, региональные, местные, объектовые и локальные. Первые из них создают тяжелые социально-экономические и экологические последствия для сопредельных стран, последние затрагивают промышленные и санитарно-защитные площади объ ектов. Аварийные ситуации по степени снижения их последствий были классифи цированы как гипотетические, запроектные, проектные и режимные. Первые имеют минимальную вероятность возникновения, но наиболее тяжелые послед ствия и создают максимальный риск; последние имеют большую вероятность возникновения при меньших, парируемых последствиях.
Для всех стадий создания и эксплуатации потенциально опасных и критиче ски важных объектов (разработка технического задания, проектирование, изго товление и эксплуатация) системы диагностирования остаются важнейшей про блемой обеспечения безопасности.
С учетом изложенного системы диагностики условно можно представить состоящими из следующих групп:
- встроенных систем, функционирующих на всех стадиях нормальной экс плуатации объектов и обеспечивающих срабатывание систем аварийной защиты;
ШТАТНАЯ И ОПЕРАТИВНАЯ ДИАГНОСТИКА ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ 175
-встроенных систем, включаемых в работу при возникновении и развитии режимных и проектных аварийных ситуаций, включающих срабатывание систем защиты и аварийной остановки объектов;
-мобильных внеобъектовых систем диагностики предвестников тяжелых аварий или развития аварий, действующих непрерывно или периодически и включаемых в систему мониторинга запроектных и гипотетических аварий;
-мобильных внеобъектовых и объектовых систем, доставляемых в зону проектных, запроектных и гипотетических аварий.
При использовании действующих и разработках новых диагностических систем применительно к каждому классу катастроф и каждому типу аварийных ситуаций должны быть выделены три разновидности измеряемых характери стик:
-характеристики состояния наиболее важных систем потенциально опас
ных компонентов СВО, КВО, ОПО и ОТР в штатных и аварийных ситуациях;
-характеристики повреждающих факторов при возникновении и развитии аварийных ситуаций;
-характеристики состояния конструкционных материалов и их свойств.
Кпервым относятся напряжения а (деформации е), температуры /, разме ры, формы и места возникновения дефектов (трещин) /, изменяющиеся во вре
мени т. Эти параметры оказываются зависящими от условий эксплуатационного нагружения (давления р, механических, тепловых и электромагнитных усилий скорости, ускорения), геометрических форм и размеров конструктивных эле ментов, свойств конструкционных материалов. Так как возникновение и разви тие практически всех аварийных ситуаций начинается с повреждений несущих элементов (разрушение, деформирование, разуплотнение, потеря устойчивости), то в процессе диагностирования подлежат обязательному определению макси мальные (сгтах, ^шах, /щах) и амплитудные значения (<т(„ еа, /„) базовых параметров. По ним могут устанавливаться коэффициенты асимметрии соответствующих циклов.
Для измерений в реальном масштабе времени эксплуатации или при прове дении регламентных работ с остановкой объектов могут быть использованы (знак «+» в табл. 5.1) как широко применяемые, так и новые методы и средства - оптические, физические, механические, электромеханические. К ним можно от нести: внешний осмотр, ультразвуковую и магнитную дефектоскопию, методы проникающих жидкостей и фотоупругости, тензометрию, виброметрию, термо метрию, акустическую эмиссию, термовидение, рентгенографию, томографию, голографию и др. При этом оказывается, что в настоящее время отсутствуют (знак «-» в табл. 5.1) универсальные методы, позволяющие одновременно вести измерения всех указанных выше параметров - ст, /, /. Наибольшими возможно стями обладают методы тензометрии, термометрии, акустической эмиссии, тер мовидения, голографии и др.
176Глава 5. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ РЕСУРСА
5.1.Потенциальные возможности методов экспериментального определения параметров прочности, ресурса и безопасности
Напряжения |
Температура |
Дефекты |
Методы |
Вели- |
Цикл |
Вре- |
Вели |
Цикл |
Вре |
|
|
чина а |
N |
мят |
чина / |
т» |
мя т |
|
УЗД |
- + |
- |
- |
- |
- |
- |
|
м п д |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
Визуальный |
~ |
~ |
- |
- |
- |
- |
|
контроль |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
||
Рентген |
- + |
- |
- |
- |
- |
- |
|
Виброметрия |
+ |
|
|
|
|
|
|
Акустический |
+ - |
~ |
- |
- |
- |
- |
|
контроль |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
||
Акустическая |
+ + |
~ |
- |
- |
- |
- |
|
эмиссия |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
Голография |
+ - |
+ + |
+ - |
+ - |
- |
- |
|
Термовидение |
+ - |
+ - |
+ + |
+ + |
+ + |
+ + |
|
Томография |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
Натурная тер |
+ + |
+ + |
|
|
|
|
|
мометрия и тен |
+ + |
+ + |
+ + |
+ + |
|||
зометрия |
|
|
|
|
|
|
Размер Форма |
Место |
|
/ |
а/1 |
5 |
+ + |
- + |
- + |
+ - |
- |
- |
+ - |
- |
- |
- + |
- + |
- + |
+ - |
|
+ - |
+ - |
- |
+ - |
+ + |
+ - |
+ + |
- |
- + |
+ - |
+ - |
- |
+ - |
+ + |
+ + |
+ + |
+ - |
+ - |
+ - |
Расчетные соотношения:
N P ~ / |
h<t>)- натурная тензометрия; |
Т = /(стп, N, т, /) - термовидение;
АЭ = / ( с а, ep,K fej ) ~ акустическая эмиссия;
G =/ ( а а, /, N, т) - голография.
Входящие во все расчетные уравнения и выражения гл. 1 - 4 характеристи ки механических свойств конструкционных материалов (сгт, ств, ст-i, SK, у*, /С/си др.), как правило, определяются при механических испытаниях стандартных об разцов на статическое, циклическое и длительное нагружение. Испытательные
ШТАТНАЯ И ОПЕРАТИВНАЯ ДИАГНОСТИКА ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ 177
машины при этом имеют механический, гидравлический, электрогидравлический, тепловой, электромагниный, пьезоэлектрический принципы силовозбуждения. Такие испытания применительно к аварийным ситуациям дополняются косвенным определением характеристик механических свойств по результатам локальных измерений твердости и микротвердости материала, по их магнитным
иакустическим свойствам.
Вцелом ряде случаев в штатных и аварийных ситуациях важную роль при обретает диагностика структурных состояний материалов и их химческого со става с применением оптической и электронной микроскопии. Это также позво ляет оценивать их механические свойства.
Встроенные системы штатной диагностики на таких потенциально опасных объектах, как атомные и термоядерные реакторы, турбогенераторы, авиацион ные и ракетно-космические системы, нефтегазохимические аппараты могут включать непрерывную термометрию, виброметрию, измерение акустической эмиссии и внешних механических, тепловых и электромагнитных нагрузок.
Продвинутые фундаментальные исследования основ указанных выше мето дов, первичной и вторичной аппаратуры, систем регистрации, обработки и пере дачи информации создают исходную базу для мощных интегрированных систем диагностики аварийных ситуаций для СВО, КВО, ОПО и ОТР новых поколений. Возможности их практической реализации связываются с программами косми ческого зондирования Земли, разрабатываемыми Российским космическим агентством, Российской академией наук, Росгидрометом, Министерством по чрезвычайным ситуациям совместно с европейским и американским космиче скими агентствами.
Сочетание космических, воздушных и наземных измерений параметров и
основных характеристик наиболее тяжелых аварийных ситуаций на высокорис ковых объектах с глобальными, национальными и региональными последствия ми позволит создать единую общепланетную систему в ближайшие годы:
-распознавания и контроля начала развития аварий и катастроф;
-оперативного оповещения населения, национальных и международных сил противодействия авариям и катастрофам;
-управления действиями по ликвидации последствий аварий и катастроф;
-мониторинга краткосрочных и долговременных последствий аварий и ка тастроф.
Диагностика и мониторинг СВО, КВО, ОПО и ОТР повышенного ресурса и безопасности могут стать составным элементом национального центра управле ния кризисными ситуациями.
Анализ крупнейших техногенных аварий на ядерных объектах (Черно быльская АЭС, ТМА АЭС США, Томск-7, СШ ГЭС), а также природных катаст роф (землетрясения в Армении, Иране, США, Японии) показал чрезвычайную важность развития систем оперативной мобильной диагностики для зон чрезвы чайных ситуаций, в которых оказывались и могут оказываться СВО, КВО, ОПО
иОТР.
178 Глава 5. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ РЕСУРСА
Это в первую очередь касается систем обнаружения (термовизионных, ла зерных, вибрационных, спектральных) пострадавших операторов, персонала и населения. Исключительные сложности технической диагностики в зонах ава рийных ситуаций состоят:
-в необходимости оперативного начала диагностических мероприятий в начальных и последующих стадиях развития аварий и катастроф;
-комплексном воздействии поражающих факторов (радиации, взрывов, пожаров, заражения отравляющими веществами, высоких температур, ударных волн, световых излучений, осколочных поражений, завалов, плохой и нулевой
видимости);
-высокой скорости и неопределенности изменения контролируемых пара метров;
-слабой защищенности систем измерений от воздействий поражающих
факторов; - чрезмерном возникновении преград для обработки и передачи информа
ции.
В число контролируемых параметров в дополнение к входящим в диагно стику нормальных (штатных) ситуаций должны быть внесены:
- интегральные потоки Ф излучений и истечений; плотности потоков
еК Ы ( к \
-массы т0 выброшенных и скорости выброса drrujdx радиационно и хими чески опасных веществ;
-массы ть выброшенных и скорости выброса dmjdx биологически опасных веществ;
-скорости распространения в воздухе, воде и почве радиационно, химиче ски и биологически опасных веществ;
- максимальное давление /?тах и скорости изменения волн давления dp/dx;
-максимальные температуры /шах и скорости изменения температуры dtldx;
-максимальные тепловые £ тах, механические Ртах и электромагнитные на грузки Мтах и скорости их изменения;
-деформации несущих конструкций етах;
-повторность N действия нагрузок;
-масса G и скорости vc летящих осколков;
-степень поврежденности d несущих конструкций.
Вмобильных системах оперативной диагностики аварийных ситуаций ре
шающее значение приобретают дистанционные бесконтактные многоточечные или полевые измерения. Такие измерения можно проводить с помощью:
-систем радиофизических измерений;
-термовизионных систем;
-систем голографической интерферометрии;
-систем фотоупругих и тензочувствительных покрытий;
-лазерных систем измерения деформаций и вибраций;
ШТАТНАЯ И ОПЕРАТИВНАЯ ДИАГНОСТИКА ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ 179
-телевизионных систем наблюдений и регистраций;
-указанных выше систем лазерного спектрального анализа химически и биологически опасных выбросов;
-компьютерных систем с термо-, влаго-, пыле- и ударозащищенностью;
-систем измерения электрических и магнитных полей.
Вдополнение к ним важные данные получаются с применением мобильных контактных средств ультразвукового, магнитного, токовихревого, радиографи ческого измерения толщин поврежденных и неповрежденных элементов, оста точных напряжений, дефектов и механических свойств.
Такие мобильные системы измерений представляются, как правило, порта тивными приборами отдельных систем, приемлемыми для транспортировки экс пертами в зоны аварийных ситуаций.
При возникновении аварийных ситуаций на сложных технических системах необходимы специальные средства:
-доставки экспертов и диагностической аппаратуры в потенциально опас ные или аварийные зоны;
-установки измерительных комплексов в очагах развития аварийных и ка тастрофических ситуаций;
-защиты операторов и экспертов в опасных зонах диагностирования. Такими средствами оказываются специализированные мобильные диагно
стические лаборатории (на базе автобусов, вертолетов, самолетов) - для контро ля воды, воздуха, почв, обрывов линий электропередач, вибраций.
Универсальный измерительный комплекс для анализа аварийных ситуаций должен содержать встроенные системы энерго- и водообеспечения, иметь защи ту от ударов, перегрева, пыли и влаги и может быть оснащен указанными выше портативными диагностическими системами. Такие универсальные серийные комплексы в нашей стране и за рубежом пока отсутствуют, и с получением пер вого опыта их создания и применения можно будет оценить их эффективность для оперативного решения вопросов безопасности при возникновении аварий ных и катастрофических ситуаций.
Предотвращение кризисных ситуаций, решение проблем, связанных с раз работкой методов обоснования безопасности человека-оператора, рабочего пер сонала и населения при возникновении аварийных ситуаций в человекомашинных системах, возможно на базе таких исследований, как:
-комплексное изучение психофизиологических возможностей человека и обоснование требований к отбору и подготовленности людей, деятельность ко торых является потенциальным источником возникновения опасных ситуаций;
-анализ функционирования потенциально опасных систем и тестирование операторов, прогнозирование их состояния и выработка превентивных мер по предотвращению предаварийных и аварийных ситуаций;
-совершенствование методов диагностики, коррекции, адаптации состоя ния человеческого организма, а также реабилитации людей в условиях чрезвы чайных ситуаций.
180 Глава 5. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ РЕСУРСА
Предметом фундаментальных исследований СВО, КВО, ОПО и ОТР повы шенного ресурса и безопасности являются методы и критерии защиты сложных технических систем, повреждение или разрушение которых ведет к вероятности возникновения аварий и катастроф с глобальными, национальными или регио нальными последствиями и больших людских или материальных потерь.
5.3. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ДИАГНОСТИКИ РЕСУРСА И БЕЗОПАСНОСТИ
Всоответствии с изложенным при создании единых научных основ норми рования безопасности и рисков СВО, КВО, ОПО и ОТР должны учитываться степень опасности объектов, типы катастроф и аварийных ситуаций (нормаль ные условия эксплуатации, отклонения от нормальных условий эксплуатации, проектные, запроектные, гипотетические аварии), комплексный набор пора жающих факторов и комплексная система критериев безопасности.
Вкачестве таких основ предусмотрены:
-разработка методологии анализа и обоснования безопасности по критери ям рисков;
-разработка единой системы критериев и параметров риска, живучести, ус тойчивости и безопасности сложных технических систем (СТС) и объектов (ОТР, ОПО, КВО, СВО) при возникновении аварий и катастроф;
-создание систем физических и математических моделей образования и развития аварий и катастроф;
-определение и классификация основных параметров поражающих факто ров и их воздействий на человека, окружающую среду и сложные технические системы;
-построение и назначение критериев, определяющих безопасность людей, окружающей среды и объектов;
-разработка предложений по структуре унифицированных и специализиро ванных методов диагностики, мониторинга и нормативно-технических докумен тов, регламентирующих риск и безопасность объектов при техногенных и при родных катастрофах.
При этом важнейшее значение имеет дальнейшее перераспределение роли нормирования и человеческого фактора в предотвращении тяжелых аварий и катастроф.
На рис. 5.2 представлена комплексная блок-схема решения проблем проч ности, ресурса и безопасности таких потенциально опасных объектов, как атом ные электростанции (АЭС) с водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР), тепловые электростанции (ТЭС), ракетно-космические комплексы (РКК), летательные аппараты (ЛА), атомные подводные лодки (АПЛ), магист ральные трубопроводы (МТ), химические производства (ХП). Эти проблемы охватывают все стадии жизненного цикла объектов: проектирование, изготовле ние, испытания и эксплуатацию. Проектирование с учетом критериев риска и безопасности включает в себя разработку и согласование технического задания