Об оценке надежности эксплуатирующихся конструкций (состояние вопроса и перспектива развития)

Рассмотрены основные методы оценки состояния материалов конструкций в условиях эксплуатации. Приведены сведения о возможностях различных методов контроля. Рассматривается метод, позволяющий на основе данных акустической эмиссии прогнозировать разрушающую нагрузку и остаточный ресурс конструкций в...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Недосека, А.Я., Недосека, С.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2010
Назва видання:	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
Теми:	Техническая диагностика
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103513
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Об оценке надежности эксплуатирующихся конструкций (состояние вопроса и перспектива развития) / А.Я. Недосека, С.А. Недосека // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2010. — № 2. — С. 7-17. — Бібліогр.: 32 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-103513
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1035132025-02-23T18:56:37Z Об оценке надежности эксплуатирующихся конструкций (состояние вопроса и перспектива развития) On assessment of reliability of operating structures (current status and development prospects) Недосека, А.Я. Недосека, С.А. Техническая диагностика Рассмотрены основные методы оценки состояния материалов конструкций в условиях эксплуатации. Приведены сведения о возможностях различных методов контроля. Рассматривается метод, позволяющий на основе данных акустической эмиссии прогнозировать разрушающую нагрузку и остаточный ресурс конструкций в обычных условиях эксплуатации. The paper deals with the main methods of assessment of the condition of structure materials under operation conditions. Data on the capabilities of various control methods are given. A method is considered, which allows prediction of the breaking load and residual life of structures under regular operation conditions. 2010 Article Об оценке надежности эксплуатирующихся конструкций (состояние вопроса и перспектива развития) / А.Я. Недосека, С.А. Недосека // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2010. — № 2. — С. 7-17. — Бібліогр.: 32 назв. — рос. 0235-3474 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103513 620.130.19 ru Техническая диагностика и неразрушающий контроль application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Техническая диагностика Техническая диагностика
spellingShingle	Техническая диагностика Техническая диагностика Недосека, А.Я. Недосека, С.А. Об оценке надежности эксплуатирующихся конструкций (состояние вопроса и перспектива развития) Техническая диагностика и неразрушающий контроль
description	Рассмотрены основные методы оценки состояния материалов конструкций в условиях эксплуатации. Приведены сведения о возможностях различных методов контроля. Рассматривается метод, позволяющий на основе данных акустической эмиссии прогнозировать разрушающую нагрузку и остаточный ресурс конструкций в обычных условиях эксплуатации.
format	Article
author	Недосека, А.Я. Недосека, С.А.
author_facet	Недосека, А.Я. Недосека, С.А.
author_sort	Недосека, А.Я.
title	Об оценке надежности эксплуатирующихся конструкций (состояние вопроса и перспектива развития)
title_short	Об оценке надежности эксплуатирующихся конструкций (состояние вопроса и перспектива развития)
title_full	Об оценке надежности эксплуатирующихся конструкций (состояние вопроса и перспектива развития)
title_fullStr	Об оценке надежности эксплуатирующихся конструкций (состояние вопроса и перспектива развития)
title_full_unstemmed	Об оценке надежности эксплуатирующихся конструкций (состояние вопроса и перспектива развития)
title_sort	об оценке надежности эксплуатирующихся конструкций (состояние вопроса и перспектива развития)
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Техническая диагностика
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103513
citation_txt	Об оценке надежности эксплуатирующихся конструкций (состояние вопроса и перспектива развития) / А.Я. Недосека, С.А. Недосека // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2010. — № 2. — С. 7-17. — Бібліогр.: 32 назв. — рос.
series	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
work_keys_str_mv	AT nedosekaaâ obocenkenadežnostiékspluatiruûŝihsâkonstrukcijsostoânievoprosaiperspektivarazvitiâ AT nedosekasa obocenkenadežnostiékspluatiruûŝihsâkonstrukcijsostoânievoprosaiperspektivarazvitiâ AT nedosekaaâ onassessmentofreliabilityofoperatingstructurescurrentstatusanddevelopmentprospects AT nedosekasa onassessmentofreliabilityofoperatingstructurescurrentstatusanddevelopmentprospects
first_indexed	2025-11-24T11:59:57Z
last_indexed	2025-11-24T11:59:57Z
_version_	1849672961780350976
fulltext	УДК 620.130.19 ОБ ОЦЕНКЕ НАДЕЖНОСТИ ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ КОНСТРУКЦИЙ (состояние вопроса и перспектива развития) А. Я. НЕДОСЕКА, С. А. НЕДОСЕКА Рассмотрены основные методы оценки состояния материалов конструкций в условиях эксплуатации. Приведены сведения о возможностях различных методов контроля. Рассматривается метод, позволяющий на основе данных акустической эмиссии прогнозировать разрушающую нагрузку и остаточный ресурс конструкций в обычных условиях эксплуатации. The paper deals with the main methods of assessment of the condition of structure materials under operation conditions. Data on the capabilities of various control methods are given. A method is considered, which allows prediction of the breaking load and residual life of structures under regular operation conditions. Практика эксплуатации машин, конструкций и со- оружений все настойчивее требует создания ме- тодов и средств, с помощью которых можно было бы определять их функциональные возможности в любой момент времени как в прошлом, так и в настоящем, а также уметь на базе этих данных получать информацию об их состоянии и пове- дении в будущем. Обеспечение безопасности конструкции начи- нается задолго до пуска ее в эксплуатацию. На первой стадии проводятся расчеты, предваритель- ные испытания, проектно-конструкторские и дру- гие работы, связанные с созданием конструкции. Нужно отметить, что прочность объектов, как пра- вило, хорошо обеспечена еще на стадии их про- ектирования. Проведены расчеты, выбран мате- риал, даны соответствующие запасы, просчитан ресурс конструкции или, что точнее, обеспечен заданный сроком службы ресурс. Однако длитель- ная эксплуатация изделия, нарушение технологии производства и ремонтных работ приводят к не- обратимым процессам прежде всего в материале, особенно в зонах технологического воздействия, где прочностные свойства нарушаются еще на стадии изготовления. Именно отклонения свойств и структуры материалов конструкции от приня- тых при расчетах несут основную ответственность за дальнейшую эксплуатацию, причем скорость нарастания таких негативных изменений в мате- риале является решающим фактором. И лишь на второй стадии — стадии эксплуатации — начи- нают проводить мероприятия по контролю ее сос- тояния, оценке ее поврежденности и определению реального остаточного ресурса. На второй стадии, которая наступает после введения конструкции в эксплуатацию, существенную долю неопределен- ности в фактическое состояние конструкции мо- гут внести случайные просчеты в конструктивных решениях, нарушения технологии изготовления и эксплуатации, внешняя среда и собственно время эксплуатации. В результате, как уже было сказано, в отдельных локальных областях суммарный объем повреждений может достигнуть критичес- кой величины и может начаться разрушение. Поэтому при разработке мер безопасности ос- новное внимание следует уделять организации ме- роприятий по приведению условий эксплуатации конструкций в соответствие с техническими тре- бованиями, разработке систем, оборудования и нормативных материалов, обеспечивающих под- держание заданных документацией норм и режи- мов, поиску методов и средств, которые бы ана- лизировали несущую способность материалов и своевременно предупреждали о ее исчерпании. Можно отметить, что в настоящее время наука о прочности материалов располагает следующими тремя группами методов, способными решить проб- лему обеспечения безопасности конструкций. Первая группа основана на привлечении об- щих теорий прочности материалов. Они могут быть использованы лишь в случаях, когда пред- полагаемая авария может произойти в результате не появления трещин, а ослабления несущего се- чения конструкции за счет, например, утонения стенки или изменения механических свойств ма- териалов. Такая методика должна применяться после того, как проверка тем или иным способом показала, что трещин в материале нет. Вторая группа методов основана на общих за- конах механики разрушения для материалов с по- явившимися и прогрессирующими трещинами. Эти методы наиболее общие, однако, трудны в применении, так как требуют обнаружения места и параметров трещины, анализа напряженного состояния в ее окрестности, анализа изменивших- ся за многолетнюю эксплуатацию механических © А. Я. Недосека, С. А. Недосека ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2010 7 свойств материала в районе образовавшегося де- фекта. Группа методов третьего типа может быть ус- ловно охарактеризована как группа интегральных методов, которые реагируют лишь на активиза- цию того или иного дефекта по сопутствующим ему процессам, например, по излучению упругих волн, вызванных перемещением дислокаций, по- явлением их опасной концентрации в каком-либо месте конструкции, появлением и развитием тре- щины. Эта группа наиболее перспективна. К ней, прежде всего, следует отнести метод акустичес- кой эмиссии (АЭ), достаточно хорошо разрабо- танный и используемый в мировой практике в нас- тоящее время. Представленное выделение трех групп мето- дов оценки состояния материалов при диагнос- тическом контроле позволяет полностью опреде- лить процедуру диагностики и необходимое для этих целей оборудование. При этом на первое мес- то выходит процесс выявления в материалах тре- щин и им подобных дефектов, их идентификация и оценка. Эта часть диагностических работ явля- ется коренным вопросом процедуры оценки сос- тояния конструкций и сооружений, особенно тех, которые длительное время находились в эксплу- атации, она оказывает решающее влияние на всю дальнейшую процедуру контроля1. При изготовлении конструкций доминирую- щим технологическим процессом является сварка. Умело подобранная технология сварки позволяет создавать прочные и надежные сварные конс- трукции, работающие без аварий в течение дли- тельного периода времени. Об этом свидетель- ствует вся отечественная и мировая практика соз- дания сварных конструкций. В то же время неумелое применение сварки или осуществление ремонтных работ на ее основе может привести к серьезным последствиями, осо- бенно спустя некоторое время после ввода кон- струкции в эксплуатацию. Сварка имеет ряд осо- бенностей, которые необходимо учитывать при ее применении. В зоне высоких температур, вызванных свар- кой, происходят физико-химические превраще- ния. Картина усложняется тем, что в это же время в материале протекают интенсивные пластичес- кие деформации из-за неравномерности его наг- рева. Пластические деформации, усадка сварного шва вызывают существенные поперечные укоро- чения. Постепенное в процессе охлаждения фор- мирование поля остаточных напряжений и физи- ко-химические процессы, протекающие в матери- але в это же время, могут привести к появлению трещин. Трещины могут появиться и в процессе вы- полнения сварного шва, когда соотношение между прочностными свойствами материала и достаточно высокими растягивающими остаточными напряже- ниями может стать неблагоприятным. Существенным воздействием остаточных сва- рочных напряжений на работоспособность конс- трукций является понижение коррозионной стой- кости материалов. Растягивающие напряжения способствуют движению и концентрации вредных примесей, понижающих сопротивление материала действию знакопеременных нагрузок и нагрузок, действующих на конструкцию при низких внеш- них температурах. Поэтому перед изготовлением конструкции необходима тщательная проработка ее проекта, анализ применяемых для ее изготов- ления материалов и правильный выбор техно- логии ее изготовления, учет указанных на схеме явлений с тем, чтобы конструкция отвечала тех- ническим условиям ее эксплуатации и имела дос- таточно продолжительный ресурс. Однако пол- ностью ликвидировать воздействие сварки на сварное соединение удается не всегда. В первый начальный период эксплуатации конструкции эти недостатки сказываются незначительно. С тече- нием времени в материале происходят необрати- мые процессы, которые, в конечном счете, могут привести к таким изменениям, которые не учи- тывать нельзя. На рис. 1 приведен один из ме- ханизмов деформационного старения материала, так называемая газовая коррозия, когда отдельные атомы таких газов, как водород или азот, мигри- рующих в металле и на его поверхности, прони- кают в микронесплошности, взаимодействуют с поверхностной энергией несплошностей и прев- ращаются в молекулы, имеющие значительно меньшую подвижность [19]. Срабатывает схема «свободный вход и ограниченный выход». При этом внутреннее давление в несплошности дос- 1 В странах СНГ и в Украине нашел применение метод, основан- ный на опыте эксплуатации конструкций различных видов. Метод базируется на технологических инструкциях оценки качества конс- трукции в процессе изготовления и практически не связан с текущей оценкой прочности материала. Рис. 1. Накопление водорода в несплошностях 8 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2010 тигает громадных величин, приводя к резкому развитию несплошности с таким же резким по- нижением давления. Далее процесс повторяется и происходит увеличение размеров несплошности. В таких случаях образующаяся и постепенно разви- вающаяся сеть микротрещин может привести к уменьшению ударной вязкости материала. Это яв- ление хорошо иллюстрирует рис. 2 [5, 9, 18]. Приведенные примеры показывают, что дос- таточно сложно применять одни и те же подходы к оценкам состояния материалов конструкций, эк- сплуатирующихся в различных условиях. Как показывает опыт, существенное влияние на состояние материалов конструкций оказывает обычная коррозия самостоятельно или во взаимо- действии с твердыми сыпучими материалами, вы- зывающими, как правило, ручейковую эрозию стенок труб. Таким образом, оценке возможности нести полезную нагрузку должны подвергаться не только элементы собственно конструкции, но и места, где осуществлялся ее ремонт с примене- нием сварки. Способы определения состояния материа- лов конструкций в процессе эксплуатации. К настоящему времени приняты указанные выше три способа оценки состояния материалов конс- трукций. Первые два по своей сути представляют одно целое и применяются в зависимости от сло- жившихся обстоятельств. Оба способа базируют- ся на результатах предварительного неразруша- ющего контроля. Если нет трещин, то расчет ве- дется с использованием методик, основанных на тех или иных теориях прочности. При наличии трещин методика усложняется и привлекается более сложный расчетный аппарат, базирующий- ся на механике разрушения (МР). Каковы трудности, возникающие при исполь- зовании этих методов? Первая связана с непол- нотой данных НК. В большинстве случаев воз- можность проконтролировать всю поверхность конструкции отсутствует. Некоторые инструкции предусматривают контроль 2025 % сварных швов. Естественно, в этих условиях определить наличие дефектов затруднительно, а иногда прос- то невозможно. В случае применения АЭ, позво- ляющей получить координаты акустической ак- тивности материалов под нагрузкой, можно об- наружить развивающиеся дефекты, хотя это и дает определенный процент ложных показаний, свя- занных с различными условиями прохождения волны и общей шумовой обстановкой на объекте. При этом контроль можно считать 100%-м и далее проверять показания АЭ обычными методами НК. Однако это не все трудности. Далее для расчетов необходим определенный набор данных не только о найденной трещине, но и о материале конс- трукции на данный момент времени. Так, автор работы [1] показывает, что для оценки состояния материала конструкции необходимо получить 3437 параметров материала. Основные из этих параметров он свел в таблицу. В табл. 1 пере- числены 12 основных параметров, необходимых для принятия решения о состоянии конструкции. Измерение и оценка приведенных в табл. 1 па- раметров представляет достаточно большие труд- ности. Каждый параметр измеряется с вполне оп- ределенной погрешностью, которая, в конечном счете, суммируется. Необходима очень высокая квалификация и большой опыт специалистов, го- товящих материал для прочнистов, которые и бу- дут определять возможность дальнейшей эксплу- атации контролируемого объекта. Рис. 2. Изменение ударной вязкости материалов труб газо- проводов в Украине (а: 1 — 09Г2С; 2 — Ст.20; 3 — 14ХГС; 4 — 19Г; 5 — 17Г1С; 6 — 17ГС) и в РФ, Уренгой (б: 1 — основной металл; 2 — сварной шов для сталей 09Г2С, 17Г1С, 17Г) в зависимости от времени эксплуатации [18] ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2010 9 Порядок действий контролеров и расчетчиков, работающих по первому и второму методам, мож- но представить схемой, показанной на рис. 3. Пер- вая методика такой схемы (1) представляет про- цедуру, при которой сначала рассчитываются не- допустимые дефекты, а затем найденные на объекте дефекты сравнивают с рассчитанными и определяют их опасность. Другая методика (2) предусматривает полный цикл исследований на объекте с выполнением (например, для внутритрубной диагностики тру- бопроводного транспорта) работ по шурфованию в потенциально опасных местах, подъем трубы и установка ее на опору для обеспечения удобства дальнейших измерений, проведение УЗК и томог- рафии, затем проводится измерение напряженно- го состояния на поверхности трубы. Следующим этапом определяют механические характеристики материала трубы. По совокупности полученных результатов проводят оценку состояния материала трубы методами механики разрушения. Двойной линией выделены наиболее сложные и трудоем- кие этапы контроля. Специалисты ЦНИИ КМ «Прометей», работа- ющие в напрпавлении оценок состояния конс- трукций [4], считают, что очень сложно с дос- таточной для практических расчетов точностью получить методами НК необходимые исходные данные. Так, авторы работы [4] пишут, что кон- троль материала конструкции выполнен, получе- ны исходные данные, а прогнозировать его сос- тояние по этим данным нельзя. Другими словами, для проведения расчета прочности конструкции с дефектом зачастую надо знать те параметры де- фектов, которые на реальных конструкциях по- лучить чрезвычайно трудно или практически не- возможно средствами и методами НК. Далее ав- торы приходят к выводу, что простейший способ решить вопрос о наличии дефектов — необходимо ждать, пока в процессе эксплуатации они появят- ся. Естественно, это вынужденное решение, хотя трудно прогнозировать как проявится этот дефект и не поздно ли будет говорить о его развитии. Надо отметить, что сделан достаточно четкий вы- вод о тех трудностях, которые пытаются преодо- левать специалисты в области прочности, исполь- зуя данные НК. Выбор в этом случае небольшой — комплексная диагностика и контроль с повы- шением надежности оценки за счет сопоставления различных схем. Акустическая эмиссия. Раскроем более под- робно возможности третьей группы методов — интегральных. Выше мы говорили, что примене- ние простейшей (координатной) аппаратуры на основе АЭ позволяет с достаточной для практики точностью определять координаты АЭ активности материала под нагрузкой. И хотя часть этих ко- ординат не соответствует реальным дефектам, все же это большой шаг вперед к 100%-му контролю конструкций, ибо лучше лишний раз проверить место, указанное АЭ аппаратурой, чем пропустить дефект. Опыт работы показывает, что с приме- Т а б л и ц а 1. Параметры дефекта и характеристики материала конструкции, необходимые для оценки ее состояния Данные об исследуемом объекте 1.1 Тип и габариты сварной конструкции 1.2 Химический состав основного металла и сварного шва 1.3 1.4 1.5 Характер и величина рабочей нагрузки Условия эксплуатации (окружающая среда, температура) Действующий срок эксплуатации Данные о выявленных дефектах 2.1 Тип дефекта (поверхностный, внутренний, плоскостной, объемный) 2.2 Место расположения (основной металл, шов, зона термичес- кого влияния) 2.3 Размеры и глубина залегания от поверхности изделия 2.4 Определение напряженно-деформированного состояния (НДС) в зоне дефекта Данные о свойствах материала в зоне дефекта 3.1 Исходные механические свойства и измеренные прибором 3.2 Критерий трещиностойкости (K1C, Kth) и предельная плас- тичность (iпред) в зависимости от объемности НДС 3.3 Степень ухудшения (деградации) свойств материалов в про- цессе эксплуатации Рис. 3. Методы оценки состояния конструкций на примере трубопроводов 10 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2010 нением АЭ объем работ по контролю уменьша- ется. Следует, однако, отметить, что поиск дефек- тов, указанных АЭ аппаратурой, бывает затруднен из-за отсутствия к ним доступа. Как правило, опасные дефекты появляются в зонах пересечения многих конструктивных элементов, приваренных к главному несущему элементу, или доступ к мес- ту контроля затруднен другими частями конс- трукции. В этих случаях необходимо местное раз- рушение конструкции, а это не всегда можно сде- лать без серьезного ущерба производству. В то же время к проблеме обеспечения безо- пасности эксплуатации конструкций можно по- дойти с другой стороны. Если принять во вни- мание, что важно знать состояние конструкции, а не причины, приведшие к нему, то аварийную ситуацию, в которой оказалась конструкция, мож- но оценить более простым способом. Итак, наша задача — определить, в каком состоянии нахо- дится конструкция в момент контроля. Анализи- ровать причины, по которым наступило такое сос- тояние — последующая задача специалистов в об- ласти прочности, как и разработка мероприятий, необходимых, чтобы не допустить повторения по- добной ситуации в будущем. При таком подходе не обязательно оценивать каждый фактор, представленный в табл. 1, с точки зрения его влияния на прочность материала кон- струкции. Ведь только неблагоприятное сочета- ние каких-либо факторов, влияющих на несущую способность материала, приводит к появлению де- фекта или развитию существующего. Данная схе- ма хорошо иллюстрируется рис. 4. Воспользоваться представленной на рис. 4 схе- мой пытались и пытаются многие исследователи как у нас в стране, так и за рубежом. Так, раз- работки в области АЭ контроля фирмы «Ниппон Стил Корпорейшин» в Японии еще в 1972 г. поз- волили провести АЭ испытания сосуда высокого давления с указанием зон повышенной опасности, на которые необходимо обратить внимание тра- диционными методами НК [28, 29]. Некоторое время спустя специалисты этой же фирмы раз- работали систему оценки развивающихся дефек- тов по степени их опасности. Система оценивает основные параметры АЭ, возникающей в матери- але при его деформировании. Вначале эти явления классифицируются как группа событий. Затем по- лученная таким путем группа разбивается на ряд заранее установленных классов в зависимости от интенсивности эмиссии, определяемой по выде- ленной энергии и количеству вспышек АЭ. Далее система классифицирует характер АЭ группы в зависимости от заранее установленных типов, выбранных по результатам испытания образцов, на которых оценивалась акустическая активность. Степень опасности сигналов определенной груп- пы определяется путем комбинации класса и типа. Представленный подход оценки опасности дефек- тов применяется на практике при производствен- ных испытаниях крупных сосудов высокого дав- ления и в настоящее время. Американским обществом инженеров-механи- ков (ASME) в 1976 г. завершена разработка и опубликован проект стандарта Е 569-76 и позднее ASTM E569-02 по испытанию давлением сосудов с применением акустико-эмиссионной аппарату- ры. Стандарт, также как и японская система оцен- ки опасности дефектов, предусматривает группи- рование источников акустических вспышек, воз- никающих в материале при деформировании, и разделение их по активности на три группы. Тип A — неактивный источник, тип B — активный (т. е. указывающий на рост дефектов), который необходимо оценить с помощью других методов Рис. 4. Факторы, влияющие на прочность материала, и инди- кация разрушения ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2010 11 НК, тип C — источник с критической актив- ностью (в этом случае испытания необходимо приостановить, источник оценить другими мето- дами контроля). Описанные работы японских и американских специалистов хорошо иллюстрируют развитие средств акустико-эмиссионного контроля. Из вспомогательных при НК они постепенно прев- ращаются в средства диагностики несущей спо- собности сварных конструкций, хотя неопреде- ленность критериев в оценках авторы рекомен- дуют «закрывать» дополнительным контролем другими методами и окончательное решение при- нимать после осуществления такого контроля. Используя приведенные выше разработки, фирма «Monsanto» (США) создала свою несколь- ко усовершенствованную методику оценки состо- яния материала конструкций на основе АЭ, ис- пользуя видимую связь между параметрами АЭ и подвижностью дефекта. Схема принятия реше- ния представляет собой двухкоординатную диаг- рамму. По оси координат отложена энергия им- пульсов АЭ, а по оси абсцисс — активность ис- точника. Сочетание активности и интенсивности представляет определенную степень опасности для контролируемого материала. Так, рассмотре- но три степени активности источника АЭ — не- активный, активный и критически активный. Ин- тенсивность сигнала АЭ (энергия) рассматрива- ется в четырех вариантах — неактивный, низкой активности, активный и критически активный. Неопределенность заключена в расшифровке ука- занных понятий. Нет методики, дающей количес- твенные значения этим параметрам. Поэтому ме- тодика носит качественный характер и должна настраиваться в каждом отдельном случае. Реко- мендации по настройке отсутствуют. Типичная схема принятия решения о состоянии конструк- ций, принятая многими фирмами, представлена на рис. 5, где различные сочетания уровней актив- ного (амплитуда) и интенсивного (число импуль- сов в секунду) источников определяют ту или иную степень опасности. На основании этого подхода построены модели принятия решения о состоянии материала конс- трукции аппаратурой некоторыми другими фир- мами, в частности, «Интерюнис» (Россия) [22]. При этом разработчики предполагают, что осно- вой расчетной модели служат известные законо- мерности механики разрушения применительно к трещинам. Предварительная дефектоскопия и ана- лиз конструкции позволяют разбить ее на отдель- ные участки, которые затем исследуют при по- мощи АЭ с учетом выявленных особенностей. Ре- шение принимается по установленному для каж- дой части конструкции критическому числу им- пульсов. На основании решения делаются выводы о состоянии материала конструкции. В обоих слу- чаях технология, приведенная на рис. 5, не имеет метрологической аттестации и является сугубо «прикидочной». Несколько позднее фирма РАС (Physical Acoustic Corporation, США) увеличила число градаций значимости источников АЭ, ло- цируемых на испытуемом объекте, и представила свою схему принятия решения Monpac (табл. 2) [32]. По существу принятие решения о состоянии конструкции по методике Monpac ничем не от- личается от рассмотренных выше. Надо отметить, что число компаний, использующих АЭ при кон- троле конструкций, растет быстрыми темпами как в Украине, так и за рубежом. Достаточно интересную методику оценки сос- тояния материала предложил Т. Б. Петерсен [17]. Им разработана автоматическая система класси- фикации на принципе распознавания образа. В своей работе автор использует известное в теории распознавания образа расстояние между исследу- емыми кластерами информации. Минимизируя это расстояние, Т. Б. Петерсен добился положи- тельных результатов, сравнивая искусственные источники излучения в лабораторных условиях. При этом в качестве исходных использовали 10 параметров, включая амплитуду АЭ и число со- бытий. На основании этого подхода и образуются кластеры АЭ параметров. Подобный подход ис- пользовали В. А. Стрельченко, В. В. Данилин и С. Н. Пичков [20]. Их технология использует так называемые кластеры поврежденности материала, определяемые величиной рабочего параметра АЭ, значение которого принимается во внимание, если коэффициент корреляции между напряжениями и обобщенным параметром АЭ по отношению к эн- тропии становится наибольшим. На основании та- кого анализа принимается решение о воз- можном разрушении. Применение разработанных схем для практического анализа состояния матери- ала не приводится. Следует отметить, что Т. Б. Петерсен наиболее близко подошел к решению задачи количественной оценки состояния материала, однако, если судить по публикации, выбранное сочетание па- раметров и схема решающего правила в приведенном виде не позволяют приме-Рис. 5. Классификатор источников АЭ 12 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2010 нить полученное решение для распознавания сос- тояния материала при контроле промышленных объектов. Анализ применяемых в мире методик для рас- познавания состояния контролируемых конструк- ций показывает, что все методики базируются на японской технологии с попытками ее улучшения для конкретных условий испытаний. При этом ме- тодики остаются приближенными, причем сте- пень приближения к действительности не оцени- вается. В то же время промышленность все более жес- тко выдвигает требования количественной с оп- ределенной степенью достоверности оценки не- сущей способности контролируемых конструк- ций. Подводя промежуточный итог, можно конста- тировать, что развиваемые методики и технологии контроля конструкций с применением АЭ до сих пор в мировой практике не получили количест- венной оценки результатов контроля. Качествен- но новую технологию контроля помогла создать методика, базирующаяся на теории дискриминан- тного анализа. Первые шаги в этом направлении были сделаны Т. Б. Петерсеном, как было пока- зано выше. Ему не удалось решить эту задачу из- за сложности и громоздкости решающих правил, которые он применял при анализе АЭ. Прорыв в этом направлении может быть сделан, если со- единить эксперимент с аналитическим описанием распространяющихся в конструкциях акустичес- ких волн. Для этого в классификатор событий, разделя- ющий поступающую на анализ информацию, не- обходимо включить канал самообучения, что даст возможность решить поставленную задачу до кон- ца в определенных границах ошибки при заданной вероятности протекания процесса разрушения. На рис. 6 представлена блок-схема работы одного из вариантов такой технологии [9]. Здесь информация с контролируемого объекта поступает в расчетно-аналитический блок, где формируется вектор состояния материала (ВСМ) по параметрам АЭ и другим параметрам, харак- терным для работоспособности данной конс- трукции. Информативность всех параметров оп- ределяет решающее правило, позволяющее отб- росить те из них, которые не несут информации в пределах установленных значений вероятности и ошибки. На следующем этапе проводится ана- лиз ВСМ по существующим эталонам. При не- совпадении показаний сравнения вводится блок самообучения, построенный на базе аналитичес- ких разработок АЭ. Блок самообучения устраняет «невязку» до уровня принятых допущений по ошибке и информация поступает в блок принятия решения, где на основе минимизации риска при- нимается решение о состоянии материала конс- трукции. На рис. 7 представлены действия дежур- ного персонала в зависимости от возникшей си- туации при контроле, например, крупногабарит- ной емкости, наполненной жидким продуктом. Там же для иллюстрации процесса расчета оста- точного ресурса по данным прогнозируемой раз- рушающей нагрузки приведен график-схема со случайными по годам значениями разрушающей нагрузки. На графике виден физический остаточ- ный ресурс. Допустимый остаточный ресурс оп- ределяется по допустимому превышению прогно- зируемой разрушающей нагрузки над рабочей. Сверху в левой части графика приведена вероят- Т а б л и ц а 2. Распознавание опасности АЭ излучения Тип источника Характер источника Действие персонала Незначительный источник Незначительный источ- ник Продолжить эксплуата- цию в штатном режиме A Очень незначительный источник Продолжить эксплуата- цию в штатном режиме B Незначительный источ- ник Визуальный внешний осмотр C Действующий источник Исследование НК D Активный источник Немедленное примене- ние НК E Интенсивный источник Немедленное решение Рис. 6. Адаптивная система распознавания состояния материалов ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2010 13 ность рассчитанной тенденции развития процесса разрушения. Оборудование и нормативная документа- ция. В настоящее время существует достаточно большое количество аппаратуры, работающей на основе АЭ, и разработчиков этой аппаратуры [8, 19, 22]. Выпускаемая АЭ аппаратура может быть условно разбита на два вида: – аппаратура, основное назначение которой, как уже было сказано, определять координаты об- ластей активности АЭ в конструкции. При этом последующий анализ состояния материала на участках с высокой активностью АЭ при помощи методов НК позволяет определить, какая часть по- лученной АЭ информации соответствует наличию реальных дефектов в конструкции. Следует отме- тить, что при работе по такой схеме необходимы предварительные настройки оборудования во из- бежание большого количества ложных сигналов; – аппаратура, прогнозирующая разрушающую нагрузку и остаточный ресурс конструкций с за- данной вероятностью и погрешностью. Такая ап- паратура в настоящее время выпускается в двух модификациях — переносная (мобильная) и ста- ционарная для непрерывного мониторинга конс- трукций в течение длительного времени. Пос- ледняя наиболее предпочтительна, так как позво- ляет получать информацию непрерывно, что дает возможность более точного определения парамет- ров работоспособности материала конструкции. Подавляющее большинство выпускаемой АЭ аппаратуры относится к первому виду, хотя ее возможности и пытаются расширить, комплектуя различными специализированными программами обработки АЭ сигналов. Имеются попытки ис- пользовать такую аппаратуру для оценки состо- яния материала конструкций. Однако, как было сказано, эти попытки не дают возможности ко- личественной оценки и, тем более, не могут прог- нозировать ситуацию, возникшую в материале при его разрушении, особенно на начальных стадиях, когда еще можно успеть принять решение по действиям персонала и выводе конструкции из аварий- ной ситуации. Применение любой контроли- рующей аппаратуры и методик регламентируют нормативные до- кументы. С учетом особенностей осуществления контроля в странах СНГ и в Украине можно выделить три уровня документации: – первый уровень — разреши- тельная документация, которая определяет общие правила, уста- новленные государственной орга- низацией, в ведении которой на- ходится контроль за безопас- ностью эксплуатации конс- трукции. Данный уровень доку- ментации разрешает применять тот или иной метод контроля, не указывая, каким образом следует это делать; – второй уровень — общая до- кументация по применению мето- да в промышленности с формули- ровкой общих положений. Как правило, такая документация раз- рабатывается Госпотребстандар- том Украины или службами на ее основе, например, техническими комитетами Госпотребстандарта Украины по определенным нап- равлениям деятельности; Рис. 7. Действие персонала и расчет остаточного ресурса 14 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2010 – третий уровень — специализированная по отношению к изделию или их группе докумен- тация относительно конкретного применения тех- нологии контроля. Как правило, это подробная до- кументация, описывающая все особенности при- менения технологии с учетом конкретного изде- лия. Работы в области контроля с применением АЭ технологии нормативная документация, определя- ющая технику и специфические особенности при- менения оборудования и методик, регламентиру- ется правилами изготовления и безопасной экс- плуатации сосудов, работающих под давлением НАОП 0.00-1.07–94 (нормативная документация первого уровня). Общеизвестно, что применение АЭ технологии в производстве, как и любой дру- гой, требует специальной подготовки персонала. За рубежом подготовке контролирующего персо- нала уделяется исключительно важное на государ- ственном уровне значение, хотя непосредствен- ный контроль во многих случаях осуществляют частные фирмы, например TUV в Германии и дру- гих странах. TUV, кроме контролеров, готовит также технических экспертов, на которых возло- жена ответственность за принятие решения о воз- можности дальнейшей эксплуатации конструкций по результатам контроля. В странах СНГ и в Ук- раине подготовка специалистов в области конт- роля также имеет определенную специфику, так как именно контролеры в этих странах должны давать заключение о состоянии конструкций и назначать срок ее дальнейшей эксплуатации. Та- кая постановка задачи требует введения в прог- рамму обучения курса технической диагностики с понятием прогнозирования состояния конструк- ций с заданной вероятностью, что предусматри- вает соответствующая нормативная документа- ция. С учетом изложенного выше в Украине по специальности «АЭ контроль» готовятся специ- алисты трех уровней. Первый и второй уровень — это специалисты по НК с применением АЭ. При этом решение о состоянии контролируемого объекта принимается на основании традиционной нормативной документации или специалистами, прошедшими обучение с курсом технической ди- агностики. На третий уровень подготовки аттес- туются специалисты, принимающие решение о состоянии объекта на основании показаний ди- агностической АЭ аппаратуры. В программу под- готовки специалистов третьего уровня входит курс технической диагностики, даются более глу- бокие представления об АЭ и технологии конт- роля на ее основе. Эту работу проводят специ- альные центры на государственной основе. Струк- тура применения АЭ технологии в Украине пред- ставлена на рис. 8. Как видно из схемы, техно- логия контроля состояния конструкций предус- матривает все необходимые элементы системы — аппаратуру контроля, ее метрологию, метрологию методики контроля, необходимую документацию по применению технологии и аппаратуры и до- кументацию по принятию решения. Технология также предусматривает подготовку контролирую- щего персонала и обслуживание клиентов и тех- ники. Следует отметить также общемировые тен- денции в разработке и применении АЭ технологии при контроле состояния конструкций и сооруже- ний. В последнее время возникло понятие так на- зываемой интеллектуальной технологии и интел- лектуальной конструкции. Понятие интеллекту- альных конструкций, например мостов, все чаще встречается в употреблении и подразумевает кон- струкции, которые сами дают знать, в каком сос- тоянии они находятся, и следует ли прекращать их эксплуатацию. Такие конструкции начали по- Рис. 8. Блок-схема технологии по обеспечению безопасности эксплуатации конструкций ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2010 15 являться в США, Финляндии и в Украине. На ряде предприятий Украины уже более 8 лет работают стационарные диагностические системы непре- рывного мониторинга, определяя состояние кон- струкций с заданной вероятностью и при уста- новленных пределах погрешности. При этом ди- агностическая информация передается по компь- ютерным сетям как в диагностический центр предприятия, так и в дублирующие центры, на- ходящиеся на любом расстоянии от контролиру- емой конструкции (рис. 9). Для повышения эффективности внедрения в промышленность технологий на основе метода АЭ в ряде стран созданы рабочие группы, объеди- няющие специалистов-разработчиков АЭ техно- логий и пользователей. Это следующие группы и объединения: AEWG — Американская рабочая группа по АЭ; JCAE — Японский комитет по АЭ; EWGAE —Европейская рабочая группа по АЭ; GLEA — Латино-американская рабочая группа по АЭ; УРГАЭ — Украинская рабочая группа по АЭ при ТК 78; РРГАЭ — Российская рабочая группа по АЭ при Госгорнадзоре России. Указанные рабочие группы проводят необхо- димые исследования в направлении АЭ, создают и распространяют необходимую нормативную до- кументацию, проводят научные и практические конференции и семинары. С целью придания ра- ботам по АЭ контролю большего значения и уси- ления их координации, при 135 комитете ИСО по НК создан подкомитет № 9 «Acoustic emission testing» с центром, расположенным в Бразилии, который в 2006 г. приступил к координации работ в области применения АЭ при контроле и испы- тании конструкций и сооружений. Выводы Стремительное развитие средств контроля кон- струкций, особенно применяющих АЭ техноло- гию, и то внимание, которое уделяется этому воп- росу мировым сообществом, дает возможность предположить широкое применение АЭ для соз- дания «интеллектуальных конструкций и соору- жений», которые с заданной точностью и веро- ятностью сами будут сообщать о своем состоянии и предлагать меры выхода из затруднительных си- туаций. Другими словами, системы непрерывного мониторинга, использующие интегральные мето- ды контроля и, в частности, АЭ, будут все шире применяться при контроле сначала опасных в эк- сплуатации, а затем, по мере упрощения техно- логии их создания, и в обычных промышленных конструкциях. Следует также предположить расширение сети специализированных центров контроля эксплуа- тирующихся конструкций. Такие центры будут укомплектованы специалистами высокой квали- фикации, а современные цифровые технологии и средства коммуникации позволят им проводить мониторинг и оценивать состояние конструкций дистанционно, находясь от объекта контроля на любом расстоянии. Рис. 9. Дистанционное управление эксплуатацией конструкций 16 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2010 1. Алешин Н. П. Оценка остаточного ресурса сварных конс- трукций // Сварка и Диагностика. — 2007. — №2. — С. 4–10. 2. Бигус Г. А. Требования к системам технического диаг- ностирования оборудования стартовых комплексов ра- кет-носителей // Свароч. пр-во. — 2004. — № 10. — С. 50–55. 3. Бирюкова Н. П., Соловьева М. О. Опыт организации и работы с экзаменационными центрами при ОС «Сер- тиНК» // В мире неразруш. контроя. — 2002. — № 4. — С. 62–63. 4. Варовин А. Я., Карзов Г. П., Марголин Б. З. Проблемы прогнозирования работоспособности конструкций по данным НК // Там же. — 2006. — № 4. — С. 6–11. 5. Влияние длительной эксплуатации на вязкость трубной стали 17ГС / С. А. Котречко, А. Я. Красовский, Ю. Я. Мешков и др. // Проблемы прочности. — 2002. — № 6. — С. 21–30. 6. Кузьмин А. Н., Жуков А. В., Журавлев Д. Б. Акустико- эмиссионная диагностика магистральных газопроводов с применением тензометрии // В мире неразруш. контро- ля. — 2002. — № 4. — С. 60–62. 7. Махненко В. И. Совершенствование методов оценки ос- таточного ресурса сварных соединений конструкций длительного срока эксплуатации // Автомат. сварка. — 2003. — 10/11. — С. 112–121. 8. Назарчук З. Т., Скальский В. Р. Акустико-емісійне дігностування елементів конструкцій / Наук.-техн. посібник. — Т. 1–3. — Киев: Наук. думка, 2009. — С. 872. 9. Недосека А. Я. Основы расчета и диагностики сварных конструкций / Под ред. Б. Е. Патона. — Киев: Индпром, 2008. — 814 с. 10. Недосека А. Я., Недосека С. А. Акустическая эмиссия и ресурс конструкций // Техн. диагностика и неразруш. контроль. — 2008. — № 2. — С. 5–19. 11. Недосека С. А., Недосека А. Я. Диагностические систе- мы симейства «ЕМА». Основные принципы и особен- ности архитектуры (Обзор) // Там же. — 2005. — № 3. — С. 20–26. 12. Недосека С. А., Недосека А. Я. Комплексная оценка пов- режденности и остаточного ресурса металлов с эксплуа- тационной наработкой // Там же. — 2010. — № 1. — С. 9–16. 13. Применение АЭ технологии при непрерывном монито- ринге оборудования Одесского припортового завода / А. Я. Недосека, С. А. Недосека, М. А. Яременко и др. // Там же. — 2008. — № 4. — С. 85–95. 14. Панасюк В. В., Андрейкив А. Е., Партон В. З. Основы механики разрушения материалов. Справ. пособие в 4 т. / Под общей ред. В. В. Панасюка. — Т. 1. — Киев: Наук. думка, 1988. — 487 с. 15. О некоторых путях построения автоматических инфор- мационно-измерительных систем для диагностики на- дежности сварных конструкций / Б. Е. Патон, И. В. Куд- рявцев, А. Я. Недосека, А. Е. Коротынский // Автомат. сварка. — № 9. — 1974. — С. 1–5. 16. Патон Б. Е., Лобанов Л. М., Недосека А. Я. Техническая диагностика: вчера, сегодня и завтра // Техн. диагности- ка и неразруш. контроль. — 2003. — № 4. — С. 6–10. 17. Петерсен Т. Б. Разработка и использование автомати- ческой системы классификации для идентификации сиг- налов акустической эмиссии // Там же. — 1993. — № 3. — С. 3–9. 18. Ремонт магистральных и промысловых газопроводов. Справ. пособие / Под ред. А. И. Степаненко. — Киев: Интерграфик, 1996. — 191 с. 19. Смиян О. Д. Распределение водорода в зоне деформа- ционных трещин // Журн. физич. химии. — 1980. — Т. LIV. — № 11. — С. 2913–2917. 20. Стрельченко В. А., Данилин В. В., Пичков С. Н. Опреде- ление степени поврежденности конструкционных сталей по сигналам акустической эмиссии // Техн. диагностика и неразруш. контроль. — 1999. — № 3. — С. 74–81. 21. Харебов В. Г., Кузьмин А. Н., Жуков А. В. Совершенство- вание методики диагностики трубопроводов с примене- нием метода акустической эмиссии // В мире неразруш. контроля. — 2009. — № 4. — С. 5–9. 22. Харебов В. Г., Бородин Ю. П., Шапорев В. А. Система комплексного диагностического мониторинга опасных производственных объектов // Там же. — 2006. — № 4. — С. 13–17. 23. Шаталов А. А., Разуваев И. В., Костюков В. Н. Опыт ре- ализации стратегии обеспечения безопасности нефтехи- мических производств при их эксплуатации по факти- ческому техническому состоянию // Химическая технология. — 2003. — № 3. — С. 11–13. 24. Черепанов Г. П. Квантовая механика разрушения // Пробл. прочности. — 1990. — № 2. — С. 3–9. 25. Эксплуатацию кранов можно продлить / О. Григоров, А. Рахманый, А. Садило, В. Макац // Охрана труда. — 2009. — № 2. — С. 27–29. 26. Obodovsky B., Fedchun A., Nedoseka Ya. Application of a Permanent Acoustic Emission Monitoring System on Four Ammonia Storage Tanks // Ammonia Plant Safety. AIChE Technical Manual. — 2006. — 39. — P. 24–34. 27. Balderston H. L. The broad range detection of incipient fai- lure using the acoustic emission phenomena // A symposium presented at the December Committee Week American Sosi- ety for Testing and Materials. — Bal Harbour, — 7-8 Dec. — 1971. — P. 297–317. 28. Watanabe T., Hashirizaki S., Arita H. Inspection of large pressure vessels by the acoustic emission technique // Weld. and Metal Fabrication. — 1975. — Sept. — P. 525–527. 29. Watanabe T., Hashirizaki S., Arita H. Метод оценки дефек- тов в сооружениях, основанный на контроле акустичес- кой эмиссии // ВЦП. — В-40573. — 28 с. — «Хихакай кенса», 1978. — 27, № 4. — С. 225–232. 30. Acoustic Emission Monitoring of Pressure Vessels During Proof Test / Etienne Soutif, Catherine Herve, Fan Zhang, Marc Deschamps // Ammonia technical manual. — 1999. — P. 251–263. 31. Acoustic Emission Monitoring of Bridge Structures in the Field and Laboratory / Rhys Pullin, Karen M. Holford, Ro- bert J. Lark, Mark J. Eaton // J. of Acoustic Emission. — 2008. — 26, January-December. — P. 172–181. 32. Stanley R. Experience of using a non-intrusive approach to the inspection of a 23 year ammonia storage tank // Ammo- nia Technical Manual. — 2004. — P. 204–230. Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев Поступила в редакцию 15.04.2010 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2010 17

Об оценке надежности эксплуатирующихся конструкций (состояние вопроса и перспектива развития)

Репозитарії

Схожі ресурси