RU2518407C1 - Способ проведения неразрушающего контроля изделия во время его эксплуатации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к методам испытаний, в частности к методам неразрушающего контроля. Определяют дефектность изделия методом неразрушающего контроля (критические размеры χ_кp дефектов в режиме эксплуатации и допустимые в эксплуатации размеры [χ]_d.э. дефектов, N_обн, вероятность обнаружения дефектов P_{вод сущ}, исходную дефектность N_исх, остаточную дефектность N_ост до начала эксплуатации, остаточную дефектность изделия после ремонта, если таковой проводился, выявленных дефектов существующими методами контроля). Определяют остаточную дефектность на момент достижения времени контроля при исходной периодичности П_сущ, которая изменится из-за подроста дефектов во время эксплуатации. Величину перемещения остаточной дефектности определяют расчетным путем в зависимости от механизма и условий эксплуатации. Полученную новую кривую принимают за предельную кривую остаточной дефектности, которую нельзя превысить при новой периодичности П_нов. Предельную кривую остаточной дефектности используют для определения требований к новому ЭНК. Достигается увеличение периодичности эксплуатационного неразрушающего контроля без снижения надежности изделия. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способам испытаний и эксплуатационного контроля изделий в рамках системы планово-предупредительных ремонтов, в частности для оценки показателей надежности изделия по результатам неразрушающего контроля. Изобретение может применяться в транспорте, атомной и традиционной энергетике, авиации, судостроении, нефтехимии, нефте-, газо- и продуктопроводах, сельскохозяйственных машинах и других областях техники и машиностроения.

Уровень техники

Правила проведения эксплуатационного неразрушающего контроля (далее - ЭНК) в России регулируется нормами и правилами побезопасности, например для атомных электростанций (АЭС) документом ПНАЭГ-7-008-89 «Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов АЭУ», в котором нормирована 4-летняя периодичность ЭНК. При этом весь объем контроля (100%) можно разбить на части и выполнять эти части ежегодно.

Периодичность ЭНК на АЭС в атомной энергетике различных стран существенно отличается от принятой в России (см. ФИГ.8).

В США в нормативном документе ASME, том XI, в разделе IWA-2430 установлена 10-летняя периодичность ЭНК с возможностью ее увеличения до 11 лет. При этом частичный контроль должен проводиться не реже, чем 1 раз в 2 года.

Очевидно, что наиболее жесткие требования к частоте контроля, согласно ФИГ.8, предусмотрены российским нормативным документом. Это означает, что объем ЭНК на российских АЭС в пересчете на один год эксплуатации является самым большим.

Большой объем и повышенная частота ЭНК на АЭС, с одной стороны, оказывают положительное влияние на надежность эксплуатации оборудования и трубопроводов и безопасность АЭС.

С другой стороны, отрицательным является то, что частое проведение ЭК и его большой объем снижает коэффициент использования установленной мощности (КИУМ). КИУМ - это интегральный показатель эксплуатационного качества энергоблока, который рассчитывается как отношение фактической выработки электроэнергии на энергоблоке за определенный период эксплуатации к максимально возможной выработке энергии при работе без остановок, на номинальной мощности.

Кроме того, любая разборка и последующая сборка оборудования для контроля повышают риск снижения надежности последующей эксплуатации оборудования вследствие возможных в этих ремонтных процессах ошибок персонала. За полный эксплуатационный цикл контроля целесообразно минимизировать число разборок и сборок оборудования.

На ФИГ.1 показан нормативный вариант организации ППР для 12-месячного топливного цикла в соответствии с 4-летней периодичностью ЭНК по требованиям ПНАЭ Г-7-008-89.

Альтернативная (увеличенная) периодичность ЭНК, равная 8 годам, при топливный цикле 18 месяцев, показана на ФИГ.2.

При увеличении периодичности ЭНК, если не принимать специальных компенсирующих мероприятий, может произойти снижение надежности оборудования и трубопроводов. В работе [Исследование влияния периодичности технического освидетельствования на прочностную надежность элементов 1 контура РУ с ВВЭР-1000. Тутнов А.А., Лоскутов О.Д., Гетман А.Ф. Журнал «Атомная энергия», №4, 2005 г.] показано, что для условий эксплуатации реакторной установки типа ВВЭР-1000 снижение надежности при увеличении периодичности ЭНК с 4 до 10 лет может быть значительным (в 2-3 раза).

Следовательно, увеличить периодичность ЭНК можно только при условии, что надежность при новой периодичности не снизится, а останется, как минимум, на прежнем уровне.

Для выполнения указанного выше условия требуется введение специальных мероприятий, обеспечивающих повышение надежности и безопасности до необходимого уровня.

В качестве прототипа выбран способ определения качества изделий, раскрытый в патенте RU 2243586 C1 (опубликован 27.12.2004). Данный способ позволяет определять остаточную дефектность. Однако данный способ не позволяет определять и обосновывать периодичность неразрушающего контроля и ее влияние на надежность изделия, а также ее изменение при изменении периодичности ЭНК в ходе эксплуатации изделия.

Раскрытие изобретения

Задача, которую решает данное изобретение, состоит в совершенствовании методов эксплуатационного неразрушающего контроля изделий в рамках системы планово-предупредительных ремонтов.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в том, что обеспечивается увеличение периодичности ЭНК с существующей величины П_сущ до новой увеличенной периодичности П_нов без снижения надежности изделия. Дополнительным техническим результатом является улучшение экономических показателей эксплуатации изделия или технической системы в счет увеличение времени ее эксплуатации.

Упомянутые выше технические результаты достигаются тем, что способ проведения неразрушающего контроля изделия во время его эксплуатации состоит в том, что определяют для изделия критический размер χ_кр, дефекта в режиме эксплуатации и допустимый в эксплуатации размер [χ]_д.э. дефекта; осуществляют контроль изделия штатными средствами и представляют результаты контроля в виде гистограммы в координатах (N_обн, χ), где N_обн - число обнаруженных при контроле дефектов, χ - характеристический размер дефектов; определяют вероятность Р_{вод сущ} обнаружения дефектов штатными средствами неразрушающего контроля; определяют исходную дефектность N_исх(χ) изделия по формуле N_исх(χ)=N_обн(χ)/P_{вод сущ}(χ), определяют остаточную дефектность изделия N_ост(χ) до начала эксплуатации как разность N_исх(χ) и N_обн(χ); определяют величину подроста остаточных дефектов за период эксплуатации П_сущ, получая тем самым предельную кривую остаточной дефектности на конец периода эксплуатации П_сущ; задают новую длительность периода эксплуатации П_нов; принимают предельную кривую остаточной дефектности на конец периода эксплуатации П_сущ в качестве предельной кривой остаточной дефектности на конец периода эксплуатации П_нов; определяют дополнительное время эксплуатации по формуле (П_нов-П_сущ), определяют величину Δχ_t подроста остаточных дефектов, возникших в конце периода эксплуатации П_сущ, за дополнительное время эксплуатации (П_нов-П_сущ); определяют параметры дефектности изделия в области размеров дефектов (χ_кр-Δχ_t) и в области размеров дефектов ([χ]_д.э.-Δχ_t); исходя из полученных параметров дефектности в областях размеров дефектов (χ_кр-Δχ_t) и ([χ]_д.э.-Δχ_t) определяют потребные характеристики достоверности контроля; по полученным характеристикам подбирают новые средства неразрушающего контроля; осуществляют контроль изделия новыми средствами; в случае необходимости проводят ремонт изделия; последующие контроли осуществляют через период времени эксплуатации П_нов.

В качестве характеристического размера χ дефекта выбирают линейный размер дефекта, или комбинацию линейных размеров дефекта, или площадь дефекта, или объем дефекта.

Отличительной чертой данного изобретения является то, что надежность и безопасность изделия обеспечивается путем управления остаточной дефектностью изделия по результатам неразрушающего контроля несплошностей, неоднородностей и других дефектов материала изделия или группы изделий (деталей, элементов конструкций и т.п.), при этом могут использоваться любые способы неразрушающего контроля (ультразвуковой, вихретоковый, радиографический и другие).

Краткое описание чертежей

На ФИГ.1 показан нормативный вариант организации ППР для 12-месячного топливного цикла в соответствии с 4-летней периодичностью ЭНК.

На ФИГ.2 показан новый вариант организации ППР для 18-месячного топливного цикла в соответствии с 8-летней периодичностью ЭНК.

На ФИГ.3 представлены кривые остаточной дефектности.

На ФИГ.4 изображена схематизация дефекта в трубопроводе эллипсом с полуосями a и c.

На ФИГ.5 показана совокупность дефектов критических и допустимых размеров.

На ФИГ.6 показана гистограмма выявленных в изделии дефектов, кривые исходной и остаточной дефектности.

На ФИГ.7 показаны графики для определения вероятности обнаружения дефектов при П_сущ и П_нов.

На ФИГ.8 представлена таблица периодичности эксплуатационного контроля главных циркуляционных трубопроводов (ГЦТ) и корпусов реакторов (КР) в разных странах.

Осуществление изобретения

Эксплуатационный неразрушающий контроль (ЭНК) оборудования, трубопроводов и элементов конструкций (далее - изделий) современной техники является одной из самых затратных и дорогих технологий, реализуемых на технических объектах во время их эксплуатации.

ЭНК включает контроль состояния металла (материала) изделия и включает ряд трудозатратных операций, таких как установка и разборка ремонтных лесов, снятие и установка теплоизоляции, подготовка поверхностей изделий для проведения неразрушающего контроля, разборка и сборка узлов уплотнения насосов, арматуры, главного и других разъемов корпусного оборудования и других изделий. Эти работы выполняются в период планово-предупредительных ремонтов (ППР), и в них участвует большое число персонала организации и персонала специализированных предприятий.

Предельные состояния изделий (механических изделий), как правило, связаны с дефектами металла (или другого конструкционного материала) из которого изготовлено изделие. В соответствии с существующими правилами и нормами в технике устанавливаются допустимые размеры несплошностей, превышение которых запрещено. Такие несплошности называются дефектами. Дефекты, в случае их обнаружения методами неразрушающего контроля, устраняются ремонтом. В процессе эксплуатации несплошности и дефекты материала изделия могут развиваться и увеличиваться в размере, приводя к окончательной поломке или разрушению изделия. Для своевременного выявления опасных несплошностей применяют неразрушающий контроль.

Настоящее изобретение направлено на то, чтобы увеличить периодичность ЭНК с существующей величины П_сущ до новой увеличенной периодичности П_нов без снижения надежности изделия.

Считается, что после проведения неразрушающего контроля и ремонта по его результатам всех выявленных дефектов в изделии отсутствуют дефекты. При этом считается, что надежность и безопасность изделия в эксплуатации обеспечена (см., например, нормативные документы в области атомной энергетики: «Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок» ПНАЭГ-7-008-89, «Оборудование и трубопроводы атомных энергетических установок. Сварные соединения и наплавки. Правила контроля» ПНАЭГ-7-010-89, Госатомнадзор России, Энергоатомиздат, 1991 г.).

На самом деле в настоящее время в технике практически отсутствуют методы и средства неразрушающего контроля, гарантированно, со 100%-ной достоверностью выявляющие все дефекты. Поэтому всегда имеется определенная вероятность пропуска дефекта, в том числе и дефекта, представляющего опасность (то есть развитие которого во время эксплуатации приведет к повреждению изделия или его разрушению). Известно (см., например, Аркадов Г.В., Гетман А.Ф., Родионов А.Н. Надежность оборудования и трубопроводов АЭС и оптимизация их жизненного цикла, -М.: Энергоатомиздат, 2010.; Гурвич А.К. «Надежность дефектоскопического контроля как надежность комплекса «Дефектоскоп - оператор - среда». Дефектоскопия, 1992 г., №3, с.5-13), что практически во всех случаях НК имеется существенная вероятность пропуска дефекта больших размеров, существенно превышающих допустимые размеры. На практике оказывается, что практически всегда после НК и устранения выявленных дефектов в изделии еще остаются дефекты. Именно эти оставшиеся дефекты в конечном итоге и определяют надежность и долговечность изделия.

Существующие методы оценки надежности изделия основаны на формально-математических подходах, в которых не учитываются реальные оставшиеся в изделии дефекты. Например, в рамках существующих теорий надежности фактический уровень надежности изделия определяют по результатам математической обработки так называемого потока отказов однотипных изделий, находящихся в эксплуатации (Острейковский В.А. «Эксплуатация атомных станций», Москва, Энергоатомиздат, 1999 г., раздел 3.5: «Методы анализа несплошностей оборудования АЭС»). Недостаток таких подходов состоит в том, что находящиеся в эксплуатации изделия должны повредиться или разрушиться, прежде чем можно будет оценить их фактический уровень надежности и безопасность.

Данное изобретение позволяет произвести оценку реальной дефектности изделия после контроля и ремонта выявленных дефектов и определить условия ЭНК с увеличенной периодичностью, выполнение которого в сочетании с ремонтом выявленных дефектов позволит, как минимум, не снизить уровень надежности изделия, который существовал до увеличения периодичности ЭНК.

Вначале методами механики разрушения определяют для изделия критический размер χ_кр дефекта в режиме эксплуатации и допустимый в эксплуатации размер [χ]_д.э. дефекта (нормы дефектов изделия). Расчеты производятся на основе действующих нормативных документов и/или ТУ на изготовление (например, для атомной техники - по нормативной методике М-02-91). В качестве χ обозначен характеристический размер дефекта, в качестве которого, например, можно выбрать линейный размер дефекта, или комбинацию линейных размеров дефекта, или площадь дефекта, или объем дефекта. Совокупность дефектов критических размеров (кривая 3), допустимых в эксплуатации размеров (кривая 2), а также допустимые размеры несплошностей при изготовлении (кривая 1) изображены на ФИГ.5.

Далее осуществляют контроль изделия штатными средствами ЭНК и представляют результаты контроля в виде гистограммы в координатах (N_обн, χ), N_обн - число обнаруженных при контроле дефектов, χ -характеристический размер дефектов.

Как правило, в качестве характеристического размера χ дефекта выбирается линейный размер а дефекта, или комбинация линейных размеров дефекта, или площадь дефекта, или объем дефекта.

Как вариант гистограмму (N_обн, χ) можно аппроксимировать уравнением

N_обн(χ)=A₁χ^-n1{1-(1-η)exp[-α(χ-χ₀)]-η} или

N_обн(χ)=A₂exp(-n₂χ){1-(1-η)exp[-α(χ-χ₀)]-η},

где A₁, A₂, n₁, n₂, α, η - постоянные, которые определяют из условия максимального приближения уравнения N_обн (χ) к результатам контроля, представленным в виде гистограммы,

χ₀ - минимально доступный для выявления размер дефекта.

В частном случае в качестве характеристического размера χ принимают малую полуось а эллипса, которым схематизируют дефект, при этом соотношение а/с принимают постоянным для всех а, определяемым из условия максимальной скорости развития дефекта в эксплуатационных условиях.

При этом минимально доступный для выявления размер дефекта χ₀ определяют при настройке дефектоскопа, применяемого при контроле изделия, или как минимальный размер дефекта, который был выявлен при контроле.

Для упрощения вычислений постоянную η можно принимать равной 0.

Определяют вероятность P_{вод сущ} обнаружения дефектов штатными средствами неразрушающего контроля. Для этого может использоваться формула P_{вод сущ}=1-(1-η)exp[-α(χ-χ₀)]-η].

Определяют исходную дефектность N_исх(χ) изделия по формуле N_исх(χ)=N_обн(χ)/P_{вод сущ}(χ). Зависимость (N_исх,χ) можно аппроксимировать уравнением типа N_исх=A_χexp(-n_χχ), или N_исх=A_aexp(-n_aa), или N_исх=A_a,cexp{-n_a,c(a²/c)] или N_исх=A_Fexp(-nF), или $$N_{исх}=A_{\chi }{\chi }^{-n_{\chi }}$$

, или $$N_{исх}=A_a{a}^{-n_a}$$

, или $$N_{исх}=A_{a,c}{(a^2/c)}^{-n_{a,c}}$$

, или $$N_{исх}=A_F{F}^{-n_F}$$

,

где a, c - линейные размеры дефекта,

F - площадь дефекта,

n, A - коэффициенты, выбираемые из условия максимального приближения аналитической кривой к экспериментальным данным.

Определяют остаточную дефектность изделия N_ост(χ) до начала эксплуатации как разность N_исх(χ) и N_обн(χ). Структура уравнения, которое может описать результаты НК, представленные на гистограмме, фиг.6, следующая:

N_обн(χ)=N_исх(χ)P_вод(χ),

где N_обн - число обнаруженных при контроле дефектов на единицу характеристического размера. Если в качестве характеристического размера выбрана малая полуось эллипса, которым схематизируют дефект, то размерность N_обн - мм^-1;

N_исх - функция исходной (т.е. до неразрушающего контроля и ремонта) дефектности с той же размерностью, что и N_обн,

P_{вод сущ} - вероятность обнаружения дефекта данного размера χ.

Вид функций N_исх и P_{вод сущ} определяется исходя из условия наибольшей простоты выражения, минимального числа констант и соответствия физически обусловленной зависимости N_исх и P_вод от χ. В первом приближении могут быть использованы следующие уравнения:

N_исх=Aχ^-n,

P_вод=1-(1-η)exp[-α(χ-χ₀)]-η,

N_обн(χ)=Aχ^-n{1-(1-η)exp[-α(χ-χ₀)]-η},

где A, n, α, η, χ₀ - постоянные.

Определяют численные значения постоянных A, n, α, η из условия максимального приближения уравнения N_обн(χ) к результатам неразрушающего контроля, представленным в виде гистограммы.

При этом χ₀ - минимально доступный для выявления размер дефекта - определяют при настройке дефектоскопа, применяемого при контроле изделия, или как минимальный размер дефекта, который был выявлен при контроле; η в первом приближении можно принять равной 0. В результате остаются три неизвестных, что существенно облегчает задачу их определения.

Определить постоянные A, n, α можно либо решая систему трех уравнений относительно A, n и α, которые получают, если взять три точки на гистограмме, либо их определяют с использованием метода наименьших квадратов.

Остаточную дефектность N_ост определяют как разность N_исх и N_обн:

N_ост(χ)=N_исх(χ)-N_обн(χ).

При этом число оставшихся после ПК и ремонта дефектов в изделии определяют в двух диапазонах. Остаточную дефектность $$N_{ост,кр}^{\Sigma }$$

в области дефектов, важных для безопасности, определяют в виде числа дефектов в изделии, размеры которых равны или больше критических размеров χ_кр в режиме эксплуатации изделия. Остаточную дефектность $$N_{ост,д.э.}^{\Sigma }$$

в области дефектов, важных для надежности, определяют в виде

числа дефектов, размеры которых превышают размеры допустимых в эксплуатации дефектов [χ]_д.э.

При построении гистограммы горизонтальная ось χ должна включать критический размер дефекта, даже если в результате контроля все выявленные дефекты не достигали критических размеров.

В случае контроля нескольких однотипных изделий все результаты контроля суммируют и представляют в виде одной гистограммы. Чем большее количество изделий было проконтролировано, тем достовернее получаемый окончательный результат.

Кривую вероятности выявления дефектов от размеров дефектов "a" и "c" (любой дефект в материале консервативно можно описать эллипсом с полуосями a и c) можно аппроксимировать наиболее близко описывающим экспериментальные результаты контроля уравнением, например

P_вод=1-(1-η)exp[-α_НК(a-a₀)(c-c₀)]-η,

или

$$P_{вод}=1-\left(1-\eta \right)\exp \left[-{\alpha }_{НК}(a-a_0)\frac{a}{c}\right]-\eta$$

,

или

$$P_{вод}=1-(1-\eta )\exp \left[-{\alpha }_{НК}(\chi -{\chi }_0)\right]-\eta$$

где α_НК - коэффициент достоверности НК, характеризует увеличение выявляемости дефектов в зависимости от его размера;

η - постоянная, характеризующая предельную выявляемость контроля данным методом при сколь угодно большом размере дефекта; если размеры детали небольшие, то данной величиной можно пренебречь введя соответствующую корректировку величины α_НК;

χ -характеристический размер дефекта, например его площадь;

χ₀ - минимальный характеристический размер дефекта;

a_O, c_O - минимальные размеры дефектов, доступные для выявления неразрушающим контролем.

Далее проводят контроль изделия, а результаты контроля представляют в виде гистограммы в координатах «характеристический размер дефекта χ - количество выявленных дефектов данного размера N_{обн изд}».

Исходную дефектность N_исх также можно определить из соотношения N_обн/Р_{вод сущ}(χ). Для этого полученную гистограмму аппроксимируют уравнением типа N_исх=A_χexp(-n_χχ), или $$N_{исх}=A_{\chi }{\chi }^{-n_{\chi }}$$

, или $$N_{исх}=A_a{a}^{-n_a}$$

, или $$N_{исх}=A_{a,c}{(a^2/c)}^{-n_{a,c}}$$

, или $$N_{исх}=A_F{F}^{-n_F}$$

, $$N_{исх}=A_a{a}^{-n_a}\rho (c)$$

, или $$N_{исх}=A_{a,c}{a}^{-n}\frac{1}{\sqrt{2\pi D}}\exp \left[\raisebox{1ex}{${(c-\overline{c})}^2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2D^2(c)$}\right.\right]$$

где a, c - линейные размеры дефекта,

ρ_c - функция распределения величины c, например нормальный закон распределения,

F - площадь дефекта,

n, A, D, $$\overline{c}$$

- коэффициенты, выбираемые из условия максимального приближения аналитической кривой к экспериментальным данным, при этом $$\overline{c}$$

- среднее значение с, а D - дисперсия.

В качестве характеристического размера можно принять малую полуось а эллипса, которым схематизируют дефект, при этом соотношение а/с принимают постоянным для всех а исходя из условия максимальной скорости роста дефекта в условиях эксплуатации; при этом

$$N_{исх}={\displaystyle \underset{0}{\overset{c_{макс}}{\int }}\varphi (a,c)dc=f(a)}$$

,

например, в случае однородного поля напряжений а/с=2 и нормального закона для распределения с со средним значением c=2а и дисперсией D=a/2 получаем

$$\begin{array}{l}{N}_{исх}={\displaystyle \underset{0}{\overset{c_{макс}}{\int }}A{a}^{-n}}\frac{1}{\sqrt{2\pi D}}\exp \left[\raisebox{1ex}{${(c-\overline{c})}^2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2D^2(c)$}\right.\right]dc=\\ A{a}^{-n}{\displaystyle \underset{0}{\overset{c_{макс}}{\int }}\frac{1}{\sqrt{2\pi D}}}\exp \left[-{(c-2a)}^2\right]dc=A{a}^{-n}\end{array}$$

Остаточную дефектность получают как разность между N_исх и N_{обн изд}. При этом N_{обн изд} определяют из аналитического выражения N_исх·P_вод (χ), т.е. остаточную дефектность N_ост можно представить в виде уравнения

N_ост=N_исх(1-P_вод).

Полученная таким образом остаточная дефектность будет начальной кривой остаточной дефектности после контроля и ремонта выявленных дефектов.

Далее необходимо определить величину подроста остаточных дефектов за период эксплуатации П_сущ и получить тем самым предельную кривую остаточной дефектности на конец периода эксплуатации П_сущ.

Во время эксплуатации дефекты будут расти. Это означает, что за время эксплуатации П_сущ (за счет того, что дефекты подрастут) эта кривая сдвинется вправо (кривая 3 на ФИГ.3). Величины сдвигов вправо можно определить по известным формулам в зависимости от исходного размера дефекта, например по нормативному документу в атомной энергетике РД ЭО-0330 или упоминавшейся выше монографии Аркадова Г.В., Гетмана А.Ф. и Родионова А.Н. Полученная новая кривая остаточной дефектности будет предельной остаточной дефектностью, превысить которую нельзя при увеличенной периодичности П_нов ЭНК.

Механизм роста может быть различным в зависимости от условий эксплуатации. Если превалирует рост дефектов под действием циклических нагрузок, то в этом случае используем уравнение типа:

$$\frac{da}{dN}=C\cdot {\left(\frac{\Delta K_1}{\sqrt{1-R}}\right)}^m$$

в котором

C и m - постоянные, зависящие от материала и условий эксплуатации;

R - коэффициент асимметрии цикла для цилиндра давления равен 0;

ΔK₁ - размах коэффициента интенсивности напряжений. Коэффициент интенсивности напряжений при неоднородном распределении напряжений в районе трещины определяют по уравнению:

K₁=Y*σ_кр*(а/1000)^0,5,

где

Y=(2-0,82(a/c))/[1-(0,89-0,57(a/c)^0,5)³(a/c)^l,5]^3,25,

$${\sigma }_{кр}=\mathrm{0,61}{\sigma }^A+\mathrm{0,39}{\sigma }^B+\left[\mathrm{0,11}(a/c)-\mathrm{0,28}(a/s)(1-{(a/c)}^{\mathrm{0,5}})\right]({\sigma }^A-{\sigma }^B)(5)$$

σ^A - напряжение в вершине трещины;

σ^B - напряжение на поверхности детали в корне трещины.

Для частного случая $$Y=1.12\sqrt{\pi }$$

.

Интегрируя приведенное выше выражение, его можно представить в виде:

$$N={\displaystyle \underset{a_0}{\overset{a_k}{\int }}1/C\cdot {\left(\frac{\Delta K_1}{\sqrt{1-R}}\right)}^{m}da}$$

Подставляя в выражение предыдущие выражения и решая его относительно конечного размера трещины a_k, можно определить подрост трещины Δa_N под воздействием N циклов нагружения.

Определяя указанным способом подрост дефектов для верхней, средней и нижней частей кривой 2 (ФИГ.3) остаточной дефектности для числа циклов нагружения на конец времени эксплуатации П_сущ, получим предельную кривую остаточной дефектности (кривая 3 на ФИГ.3).

Таким образом, ФИГ.3 иллюстрирует тот факт, что определенная указанным выше способом кривая остаточной дефектности принимается за исходную (то есть на момент проведения ЭНК до начала эксплуатации) остаточную дефектность (кривая 1 на ФИГ.3), которая после контроля существующими методами и ремонта выявленных дефектов сдвинется влево (кривая 2, ФИГ.3), а за время эксплуатации П_сущ (за счет того, что дефекты подрастут) сдвинется вправо (ФИГ.3, кривая 3). Полученную кривую 3 остаточной дефектности принимают за предельную кривую остаточной дефектности.

Далее задают желательную новую длительность периода эксплуатации П_нов и принимают предельную кривую остаточной дефектности на конец периода эксплуатации П_сущ в качестве предельной кривой остаточной дефектности на конец периода эксплуатации П_нов.

Определяют дополнительное время эксплуатации по формуле (П_нов-П_сущ) и величину Δχ_t (сдвига кривой остаточной дефектности влево, связанную с дополнительным временем эксплуатации (П_нов-П_сущ).

Характерными размерами изделия, определяющие возможность его разрушения или ремонта, являются критический размер дефекта χ_кр и допустимый в эксплуатации размер дефекта [χ]_д.э

Точка a на кривой 3 ФИГ.3 соответствует остаточной дефектности для χ_кр, которая при новой периодичности контроля должна быть смещена влево на расстояние Δχ_t, равное подросту дефекта от точки b до точки а за время эксплуатации (П_нов-П_сущ).

Исходя из полученных параметров дефектности в областях размеров дефектов (χ_кр-Δχ_t) и ([χ]_д.э.-Δχ_t) определяют потребные характеристики достоверности контроля. Требования к вероятности выявления дефектов при увеличенной периодичности ЭНК находят их соотношения:

α_НК={ln[N_ост после _НКнов(χ_кр-Δχ_t)/N_ост до _НК(χ_кр-Δχ_t)]}/(χ_кр-Δχ_t-χ₀).

При этом значениям N_ост после _НКнов(χ_кр-Δχ_t) соответствует точка b на ФИГ.3, а N_ост до _НК (χ_кр-Δχ_t) - точка а.

Аналогичное уравнение необходимо применить и для размеров дефектов ([χ]_д.э-Δχ_t). В этих уравнениях:

α_НК - коэффициент достоверности неразрушающего контроля, который характеризует выявляемость дефектов в зависимости от их размеров;

N_ост после _НКнов (χ_кр-Δχ_t) - величина остаточной дефектности после ЭНК новыми средствами неразрушающего контроля с повышенной выявляемостью контроля в области размеров дефектов (χ_кр-Δχ_t) (точка b на ФИГ.3);

N_ост до _НК (χ_кр-Δχ_t) - величина остаточной дефектности до ЭНК и до ремонта выявленных дефектов в области размеров дефектов (χ_кр-Δχ_t); точка а на ФИГ.3;

χ_кр-Δχ_t-χ_t0) - где Δχ_t, подрост дефекта за время П_нов-П_сущ от величины (χ_кр-Δχ_t) до χ_кр, а χ₀ - чувствительность средств контроля; при использовании в качестве размера дефекта его ширину в направлении стенки трубопроводов - а, эта величина будет равна (a-Δa-a₀) (размер а показан на ФИГ.4)

По полученным характеристикам подбирают новые средства неразрушающего контроля. Новые средства неразрушающего контроля (методы и технические средства) с требуемыми характеристиками достоверности контроля α_НК подбирают путем, например, изготовления тест-образца со скрытыми дефектами и определения на нем вероятности выявления дефектов с применением различных существующих на рынке средств и методов неразрушающего контроля. После этого выполняют контроль изделия новыми средствами неразрушающего контроля и проводят ремонт всех выявленных дефектов (трещин, непроваров, неоднородностей и других дефектов) материала изделия по результатам двух контролей. В последующие циклы контроля с повышенной периодичностью П_нов выполняют только одним новым средством ЭНК.

Таким образом, существенными операциями способа являются следующие: определение дефектности изделия методом неразрушающего контроля (критические размеры χ_кр дефектов в режиме эксплуатации и допустимые в эксплуатации размеры [χ]_д.э. дефектов, N_обн, вероятность обнаружения дефектов P_{вод сущ}, исходную дефектность N_исх, остаточную дефектность N_ост до начала эксплуатации, остаточную дефектность изделия после ремонта, если таковой проводился, выявленных дефектов существующими методами контроля), определение остаточной дефектности на момент достижения времени контроля при исходной периодичности П_сущ, которое изменится из-за подроста дефектов во время эксплуатации, при этом величину перемещения остаточной дефектности определяют расчетным путем в зависимости от механизма и условий эксплуатации; полученную новую кривую принимают за предельную кривую остаточной дефектности, которую нельзя превысить при новой периодичности П_нов. Предельную кривую остаточной дефектности используют для определения требований к новому ЭНК с увеличенной периодичность, который должен обеспечить условие не снижения надежности изделия при увеличенной периодичности.

Способ может применяться для конкретного изделия или группы однотипных изделий, периодичность ЭНК которых надо безопасно увеличить с применением нового метода ЭНК при проведении контроля оператором известной квалификации с последующим ремонтом выявленных дефектов.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

Необходимо безопасно увеличить периодичность неразрушающего контроля (ЭНК) с существующей величины П_сущ 4 года (ФИГ.1) до новой периодичности П_нов=8 лет (ФИГ.2), то есть без снижения надежности изделия.

Изделие - трубопровод внутренним диаметром D=800 мм толщиной стенки S=34 мм из перлитной стали. Критические размеры дефектов в поперечных сварных швах представлены на ФИГ.5 (кривая 3). Допустимые в эксплуатации дефекты определили с использованием уравнений механики разрушения и коэффициентов запаса прочности (кривая 2 на ФИГ.5). Нормы дефектов при изготовлении представлены на ФИГ.5 кривой 1.

По результатам штатного НК, который характеризуется вероятностью выявления дефектов P_вод в соответствии с кривой 1 на ФИГ.7 (определили с использованием тест-образцов со скрытыми дефектами), выявили дефекты (ФИГ.6, гистограмма) и определили исходную дефектность изделия до контроля и ремонта выявленных дефектов по формуле:

N_исх до _НК(χ)=N_обн(χ)/P_вод(χ).

Эта кривая представлена кривой 1 на ФИГ.3.

В качестве характеристического размера дефекта χ выбрана ширина дефекта в направлении толщины стенки, а точнее - малая полуось эллипса a, которыми схематизировали все выявленные дефекты.

При соотношении а/с≈0,5 (соотношение, при котором дефекты имеют максимальную скорость и первыми могут достигнуть критических значений во время эксплуатации) критическому размеру дефекта соответствует a_кр=28 мм, [a]_д.э.=11 мм, [a]_изг.=1,15 мм (ФИГ.4).

Несмотря на то, что максимальный размер выявленного дефекта составил a_макс.=3 мм, ось абсцисс содержит критический размер a=28 мм.

По результатам контроля определяли остаточную дефектность до начала эксплуатации и ремонта выявленных дефектов (кривая 1 на ФИГ.3) после ремонта выявленных штатным методом НК дефектов до начала эксплуатации (кривая 2 на ФИГ.3) и на конец срока эксплуатации П_сущ (кривая 3 на ФИГ.3). Способ определения (построения остаточной дефектности описан в патенте RU 2243586 C1 (опубликован 27.12.2004).

Во время эксплуатации дефекты будут расти. Механизм роста может быть различным в зависимости от условий эксплуатации. В нашем случае превалирует рост дефектов под действием циклических нагрузок по механизму коррозионной усталости. В этом случае используем уравнение типа:

$$\frac{da}{dN}=C\cdot {\left(\frac{\Delta K_1}{\sqrt{1-R}}\right)}^m$$

,

в котором

C и m - постоянные, зависящие от материала и условий эксплуатации;

R - коэффициент асимметрии цикла для цилиндра давления равен 0;

ΔK₁ - размах коэффициента интенсивности напряжений.

Интегрируя приведенное выше выражение, его можно представить в виде:

$$N={\displaystyle \underset{a_0}{\overset{a_k}{\int }}1/C\cdot {\left(\frac{\Delta K_1}{\sqrt{1-R}}\right)}^{m}da}$$

Решая выражение относительно конечного размера трещины a_k, можно определить подрост трещины Δa_N под воздействием N циклов нагружения.

Определяя указанным способом подрост дефектов для верхней, средней и нижней частей начальной кривой остаточной дефектности для числа циклов нагружения на конец срока эксплуатации П_сущ, получим предельную кривую остаточной дефектности (кривая 3 на ФИГ.3).

Определяем время эксплуатации (П_нов-П_сущ) и для него определяем величину смещения точки а на кривой 2 ФИГ.3 влево, которое будет равно величине подроста дефекта размером (a_кр-Δa_t) до размера a_кр. Этот подрост составил (28-22,5)=5,5 мм. При этом начальный дефект размером 22,5 мм за срок эксплуатации (П_нов-П_сущ) дорастет до дефекта критического размера, то есть величина подроста составит Δa_N=5,5 мм.

Аналогичным образом определим смещение точек d и k, соответствующим [a_дэ].

По уравнению

α_НК={ln[N_ост после _НКнов (a_кр-Δa_t)/N_ост до _НК(a_кр-Δa_t)]}/(a-Δa_t-a₀)

определим характеристику ЭНК, обеспечивающую безопасность при увеличении периодичности ЭНК (чувствительность a₀ принимаем на уровне 1 мм). При этом как в районе a_кр, так и в районе [a]_дэ значения α_НК оказались близкими, равными 0,11 (1/мм) и 0,105 (1/мм).

В дальнейшем ориентировались на величину 0,11 (1/мм).

Подбор средств ПК (методы и технические средства) с требуемыми характеристиками достоверности контроля осуществляли с использованием тест-образца со скрытыми дефектами, на котором определяют вероятности выявления дефектов с применением различных существующих на рынке средств и методов ПК. Характеристики выявления дефектов штатным методом контроля и новым методом показаны на ФИГ.7 (кривые 1 и 2, соответственно).

После подбора необходимых средств НК выполняют контроль изделия новыми средствами неразрушающего контроля и производят ремонт изделия по результатам по результатам двух неразрушающих контролей.

Проконтролированное и отремонтированное описанным выше изделие (трубопровод) будет иметь уровень надежности, не ниже надежности при 4-летней периодичности ЭНК, который определяется предельной кривой остаточной дефектности 3 на ФИГ.3.

В дальнейшем ЭНК проводят с новой периодичностью П_нов=8 лет с использованием средств контроля с α_НК=0,11 (1/мм), которая обеспечивает безопасность изделия на уровне, как и при 4-летней периодичности.

Claims (2)

1. Способ проведения неразрушающего контроля изделия во время его эксплуатации, состоящий в том, что определяют для изделия критический размер χ_кр дефекта в режиме эксплуатации и допустимый в эксплуатации размер [χ]_d.э. дефекта; осуществляют контроль изделия штатными средствами и представляют результаты контроля в виде гистограммы в координатах (N_обн, χ), где N_обн - число обнаруженных при контроле дефектов, χ - характеристический размер дефектов; определяют вероятность P_{вод сущ} обнаружения дефектов штатными средствами неразрушающего контроля; определяют исходную дефектность N_исх(χ) изделия по формуле N_исх(χ)=N_oбн(χ)/P_{вoд сущ}(χ); определяют остаточную дефектность изделия N_ост(χ) до начала эксплуатации как разность N_исх(χ) и N_обн(χ); определяют величину подроста остаточных дефектов за период эксплуатации П_сущ, получая тем самым предельную кривую остаточной дефектности на конец периода эксплуатации П_сущ; задают новую длительность периода эксплуатации П_нов; принимают предельную кривую остаточной дефектности на конец периода эксплуатации П_сущ в качестве предельной кривой остаточной дефектности на конец периода эксплуатации П_нов; определяют дополнительное время эксплуатации по формуле (П_нов-П_сущ); определяют величины Δχ_t подроста остаточных дефектов, возникших в конце периода эксплуатации П_сущ, за дополнительное время эксплуатации (П_нов-П_сущ); определяют параметры дефектности изделия в области размеров дефектов (χ_кр-Δχ_t) и в области размеров дефектов ([χ]_d.э.-Δχ_t); исходя из полученных параметров дефектности в областях размеров дефектов (χ_кр-Δχ_t) и ([χ]_d.э.-Δχ_t) определяют потребные характеристики достоверности контроля; по полученным характеристикам подбирают новые средства неразрушающего контроля; осуществляют контроль изделия новыми средствами; в случае необходимости проводят ремонт изделия; последующие контроли осуществляют через период времени эксплуатации П_нов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве характеристического размера χ дефекта выбирается линейный размер дефекта, или комбинация линейных размеров дефекта, или площадь дефекта, или объем дефекта.

Images