CC BY
20[15] Д. А. Казаков, С. А. Капустин, Ю. Г. Коротких. Моделирование процессов деформирования и разрушения материалов и конструкций. Монография. - Н. Новгород: Изд-во ННГУ, 1999. 226 с.
[16] Ю. Г. Коротких, Описание процессов накопления повреждений материала при неизотермическом вязкопластическом деформировании // Проблемы прочности. № 1. 1985. C.I8-23.
[17] И. Ю. Гордлеева. Оценка применимости определяющих соотношений механики поврежденной среды при многоосных напряженных состояниях и произвольных траекториях деформирования: Автореферат диссертации кандидата технических наук - Тула: ТГУ, 1999.
[18] И. А. Волков. Моделирование динамического деформирования и разрушения упругопластических тел и элементов конструкций с повреждениями: Автореферат диссертации доктора физ.-мат. наук. - Тула: ТГУ, 1997.
[19] А. Г. Угодников. Нижегородская научная школа механики деформируемых сред и прочности конструкций // Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. Серия Механика. Вып. 1.-Н. Новгород: Изд-во ННГУ, 1999. - С. 135-185.
RELIABILITY’S AND RESOURCE ESTIMATION OF MACHINE-BUILDING OBJECTS - THE BASIC DIRECTION OF SCIENTIFIC ACTIVITY OF DEPARTMENT "THE APPLIED MECHANICS AND HOISTING-AND-TRANSPORT MACHINES"
/. A. Volkov, A. F. Kirilov The basic directions of the theory of reliability and approaches to an estimation produced resource and the forecast of a residual resource during their exploitation are considered. Experience in researches of a reliability's and resource estimation for engineering objects developed on department «The applied mechanics and hoisting-and-transport machines» is covered.
УДК 621.01/.03
Ф. М. Митенков, академик РАН, ОКБМ им. И. И. Африкантова.
Г, Ф. Городов, д. т. м., ОКБМ им. И. И. Африкантова.
603074, Н. Новгород, Бурнаковский проезд, 15. E-mail: kocay@okbm.nnov.ru.
Ю. Г, Коротких, д. ф.-м. н., профессор, ВГАВТ.
603600, Н. Новгород, ул. Нестерова, 5. E-mail: der@aqua-sci.nnov.ru
B. А. Панов, к. т. п., ОКБМ им. И. И. Африкантова.
C. И. Пичкое, д. т. н., профессор ОКБМ им. И. И. Африкантова.
603074, Н Новгород, Бурнаковский проезд, 15. E-mail: kocay@okbm.nnov.ru.
К ВОПРОСУ О СОЗДАНИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА РЕСУРСА ОБОРУДОВАНИЯ И СИСТЕМ ЯЭУ
Излагается методология контролирования выработанного и остаточного ресурса оборудования сложных инженерных объектов на базе современных методов механики поврежденной среды.
Обоснование гарантируемой безопасности ядерных энергетических установок (ЯЭУ) в течение длительного срока службы (40-60 лет) при коэффициенте использования ~ 90 % требует достаточно надежной информации о характере и истории воздействий, которым будут подвергаться конструкционные материалы в процессе из го-
товления, монтажа и последующей эксплуатации конструктивных элементов, включая этапы утилизации. Значительная часть этих воздействий (нестационарное термомеханическое нагружение, радиационное воздействие, воздействие рабочих сред и т. д.) в течение всего срока службы оборудования и систем вызывает различного рода преобразования начальной структуры материала и деградационные процессы, которые изменяют начальные физико-механические и прочностные характеристики конструкционных материалов. Информация об этих процессах при проектировании и в начальные периоды эксплуатации реакторной установки (РУ) является не полной, она должна уточнятся и пополнятся на всех жизненных циклах РУ: изготовления, монтажа и эксплуатации. В этом случае не только появляется возможность обоснования назначенного срока службы и обеспечения условий безопасной эксплуатации оборудования и систем ЯЭУ в течение 40-60 лет, но и решаются вопросы обоснования оптимальных меж контрольных интервалов в процессе эксплуатации. Последнее весьма важно для повышения конкурентоспособности атомной энергетики, учитывая повышенные значения удельных капитальных затрат для объектов атомной энергетики по сравнению с традиционными энергетическими объектами. Решение указанных задач на базе традиционных подходов практически затруднено сложным составом и структурой используемых конструкционных материалов, воздействием на структуру материалов технологических процессов при изготовлении и монтаже, малосерийностью атомных объектов, исключающих статистическую представительность результатов эксплуатации однотипного оборудования. Поэтому необходима целенаправленная разработка методологии обеспечения контроля темпов деградационных процессов в критических конструктивных узлах оборудования и систем на всех жизненных стадиях РУ, начиная с проектирования.
Требования к надежности корпуса реактора и первому контуру в целом в течение всего срока службы должны быть исключительно жесткими, а их выполнение контролируемым на всех стадиях жизненного цикла РУ. Обеспечение этих требований возможно только при условии надежного знания изменений физико-механических и прочностных характеристик конструкционных материалов в течении всего срока эксплуатации РУ, что возможно только при условии контролирования темпов деградационных процессов индивидуально для каждого критического элемента в реальных эксплуатационных условиях. Длительный срок службы приводит к проявлению в разные периоды эксплуатации различных доминирующих механизмов деградации материала, инкубационные периоды которых протекают скрытно, длительность этих периодов в значительной степени зависит от конкретных условий эксплуатации конструктивных элементов, определяемых фактической моделью эксплуатации РУ, а поврежденность материала в течение инкубационного периода не может быть выявлена традиционными методами неразрушающего контроля состояния материала. Примером таких инкубационных периодов является фаза накопления рассеянных по объему материала повреждений по механизмам малоцикловой и многоцикловой усталости, предшествующая образованию усталостной трещины. В первые 20-30 лет срока службы конструктивных элементов доминирующим механизмом деградации будет малоцикловая термическая усталость, а в последующие десятилетия - многоцикловая усталость в виду большого инкубационного периода этого механизма, причем конкретное время проявления и взаимодействие этих механизмов будет зависеть от конкретной истории эксплуатации РУ.
В виду локальности деградационных процессов ресурс конструктивных элементов РУ по существу определяется ресурсом их опасных зон с наибольшими темпами деградационных процессов, параметры которых могут сильно отличаться из-за различия конструктивных особенностей, эксплуатационных условий, технологии изготов-
ления, свойств конструкционных материалов. Трудность или невозможность доступа к контролируемым зонам конструктивных узлов в процессе эксплуатации затрудняет оценку фактического состояния материала этих зон неразрушающими методами контроля при очередных освидетельствованиях. Каждому режиму эксплуатации РУ соответствуют свои опасные зоны конструктивных элементов с различными темпами деградации материала по определённым механизмам деградации (многоцикловая усталость, малоцикловая усталость, накопление повреждений от нестационарной ползучести, развитие существующего дефекта). Это обстоятельство обуславливает зависимость процессов накопления повреждений в каждой зоне конструктивного узла от фактической истории эксплуатации РУ (фактической последовательности режимов модели эксплуатации).
Проблема контроля текущей повреждённости (выработанного ресурса) конструктивных узлов и прогноза её развития до наступления предельного состояния (остаточного ресурса) должна решаться на базе эксплуатационного мониторинга ресурса (ЭМР) оборудования и систем РУ, назначением которого является:
- осуществление контроля за выработанным и остаточным ресурсами оборудования и систем РУ в процессе эксплуатации с учетом фактической истории эксплуатации, фактических свойств конструкционных материалов, отклонений от ЧТД при изготовлении, монтаже и выявленных дефектов;
- определение индивидуальных возможностей по долговечности элементов оборудования и систем, лимитирующих ресурс РУ, обоснование длительности межкон-трольных интервалов;
- оптимизация (при необходимости) эксплуатации в части снижения нагружен-ности конструктивных элементов РУ;
- повышение безопасности эксплуатации РУ за счет снижения степени вероятности возникновения внезапных отказов по условиям прочности (снижение степени вероятности возникновения скрытых деградационных отказов).
Развивающиеся в течение длительного срока службы постепенные неконтролируемые деградационные процессы могут привести к внезапным неконтролируемым отказам, которые недопустимы для потенциально опасных объектов. Оценка текущего состояния материала в процессе эксплуатации обычно проводится различными методами неразрушающего контроля (МНК). Однако, во многих случаях, наиболее опасные зоны, определяющие ресурс оборудования и систем, являются недоступными для имеющихся МНК. В этих условиях задачи оценки фактического технического состояния (выработанного ресурса) конструктивных элементов и прогноз их остаточного ресурса до предельных состояний решаются различными расчетными методами с использованием различных моделей деградационных процессов, развивающихся в процессе эксплуатации ЯЭУ.
Для построения методов и моделей расчетной оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса в принципе можно использовать следующие подходы.
В первом подходе прогнозные модели строятся на основе наблюдений за данным объектом в начальные периоды его эксплуатации. В процессе наблюдений отбираются информативные параметры, устанавливаются системные связи между входными, определяемыми внешними воздействиями на объект, и выходными параметрами, которые рассматриваются как трансформация входных в результате воздействия объекта. Контроль за объектом в процессе эксплуатации заключается в сравнении наблюдаемых значений выходных параметров с вычисленными по модели. Тренд разности между замеренными и вычисленными параметрами является диагностическим параметром, характеризующим старение объекта. Этот подход в основном применяется, когда отсутствуют необходимые количественные характеристики диагностируемых
процессов и разработка математической модели рассматриваемых физических процессов невозможна. Поэтому диагностируемый объект рассматривается как «черный ящик» и точность прогнозной модели зависит от информативности выбранных диагностических параметров, их чувствительности к изменению степени поврежденности материала и точности методов экстраполяции.
Второй подход основывается на анализе статистической информации о наработках до отказа аналогов данного конструктивного узла или его отдельных элементов (системная теория надежности). На основе обработки данной информации строится вероятностная прогнозная модель, и вычисляются групповые точечные или интервальные оценки остаточного ресурса данного узла и вероятности его безотказной работы в течение заданной наработки (или вероятность отказа).
Применение вероятностных методов для оценки выработанного ресурса уникальных систем и малосерийных объектов встречает существенные трудности, которые в основном обусловлены следующими объективными причинами:
- отсутствием представительной статистической информации о наработках на отказ для конструктивных элементов ввиду малосерийности и уникальности их условий эксплуатации;
- высокими требованиями к вероятности безотказной работы (менее 0,999) для потенциально опасных систем, при этом, наступление предельного состояния элементов, работающих в штатных условиях, не может рассматриваться как массовое событие и, вследствие этого возникает необходимость экстраполяции эмпирических распределений в область малых вероятностей;
- условным характером вычисляемых вероятностей безотказной работы или риска.
Третий подход основан на математическом моделировании действующих процессов деградации материала индивидуально для каждой критической зоны оборудования и систем, обусловленных фактическими условиями эксплуатации, с использованием методов и моделей механики поврежденной среды и механики разрушения.
Под механизмами деградации обычно понимают процессы накопления повреждений в материале конструктивных узлов, развивающиеся на микро и макро уровнях вследствие эксплуатационных силовых и тепловых нагрузок, воздействия внешней среды и физических полей различной природы. Накапливающиеся в процессе эксплуатации повреждения приводят к постепенному ухудшению физико-механических характеристик конструкционного материала - деградации начальных предельных состояний конструктивных узлов. Процесс накопления повреждений может развиваться по различным механизмам (многоцикловая, малоцикловая усталость, ползучесть, коррозия, радиационные повреждения и т. д.), протекающим в зависимости от эксплуатационных условий одновременно или последовательно. Методы, основанные на математическом моделировании физических процессов деградации материала в опасных зонах по фактической истории их нагруженности, позволяют проводить анализ и прогноз развитии поврежденности в любой зоне объекта с учетом исходного состояния материала и конкретных условий эксплуатации в данной зоне. Точность метода сильно зависит от адекватности применяемых моделей фактическому процессу деградации материала и точности регистрации фактической истории эксплуатации объекта, которая определяет историю нагружения контролируемых зон. Наиболее перспективным является применение метода математического моделирования процессов поврежденности в сочетании с новыми нетрадиционными физическими методами контроля состояния материала на стадии накопления рассеянных по объему материала повреждений для коррекции теоретических оценок (спектрально-акустических, вдавливания инденторов и т. д.). Такое сочетание методов, оформленное в виде некоторой системы
оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса конструктивных узлов, позволит в процессе эксплуатации решать задачи контролирования темпов деградационных процессов. Большое количество факторов, влияющих на процессы исчерпания ресурса обуславливают множество вероятных сценариев развития процессов деградации материала конструктивных узлов в зависимости от условий эксплуатации объекта. Поэтому, получение достоверной оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса оборудования и систем ЯЭУ представляет сложную научно-техническую задачу, которая должна решаться на базе адекватного эксплуатационного мониторинга ресурса (ЭМР) оборудования и систем РУ (рис. 1).
В обеспечение создания такой системы:
1. На стадии проектирования РУ (рис. 2):
- определяются критические элементы оборудования и систем РУ, основные механизмы деградации конструкционных материалов опасных зон критических элементов;
- обосновываются назначенные сроки службы и ресурс оборудования и систем из условий прочности критических элементов в соответствии с требованиями нормативных документов с учетом результатов испытаний, результатов анализа расчетных моделей и анализа информации по результатам эксплуатации аналогов;
- определяются параметры процессов деформирования и деградации материала в опасных зонах в зависимости от режима модели эксплуатации РУ;
2. На стадии изготовления и монтажа обеспечиваются (рис. 3):
- регистрация отклонений от ЧТД, фактических сертификатных данных конструкционных материалов критических элементов;
- контролирование качества изготовления и фактической начальной дефектности материала конструктивных узлов оборудования и систем;
- подтверждение назначенных сроков службы и ресурса оборудования и систем с учетом выявленных отклонений от ЧТД, фактических сертификатных данных конструкционных материалов, фактической начальной дефектности.
3. На стадии эксплуатации предусматриваются:
- регистрация фактической модели эксплуатации РУ;
- расчетная оценка выработанного и прогноз остаточного ресурса контролируемых конструктивных элементов оборудования и систем РУ по их фактической истории нагруженности, определяемой фактической историей эксплуатации РУ;
- при необходимости оценка состояния материала доступных зон критических элементов (поврежденное™, геометрии и топологии дефектов) неразрушающими методами контроля;
- оптимизация (при необходимости) модели эксплуатации РУ с целью снижения нагруженности критических элементов оборудования и систем РУ, по возможности без ограничения тактико-технических характеристик;
- решение задач продления назначенных сроков службы и ресурса оборудования и систем и РУ в целом.
Создание системы эксплуатационного мониторинга ресурса включает два этапа -технологический и рабочий.
Технологический этап включает:
1. Разработку:
- математических моделей процессов деформирования, накопления повреждений и развития дефектов в конструкционных материалах оборудования и систем РУ;
- расчетных кодов процессов деформирования, накопления повреждений, развития дефектов в конструктивных зонах оборудования и систем РУ при нагружениях, соответствующих режимам модели эксплуатации РУ;
- экспериментальных средств и методик для определения параметров моделей.
2. Верификацию расчетных кодов, аттестацию математических моделей и средств неразрушающего контроля.
3. Разработку экспериментального стенда для отработки методических вопросов реализации ЭМР, состоящего из:
- конструктивных элементов трубопроводов с патрубками, сварными швами и начальными технологическими дефектами, моделирующими возможные дефекты критических зон оборудования и систем РУ;
- средств нагружения, имитирующих эксплуатационное нагружение конструктивных узлов оборудования и систем РУ в результате циклического изменения давления, температурных изменений объема материала, перемещения оборудования;
- систем термо- и тензометрии;
- средств неразрушающего контроля состояния материала и развития начальных дефектов;
- системы регистрации изменения давления и температуры;
- базы данных.
4. Формирование баз данных технологической и рабочей компонент ЭМР (структура РУ по критическим элементам, критическим узлам, зонам, характеристики конструкционных материалов, параметры моделей, для каждой критической зоны - параметры процессов деформирования, накопления повреждений, развития дефектов, параметры неразрушающих методов контроля, верификационные эксперименты).
Технологическая компонента должна обеспечивать:
- экспериментальное исследование процессов деформирования, накопления повреждений, развития дефектов в конструкционных материалах и сварных соединениях оборудования и систем РУ при нагружениях, соответствующих режимам модели эксплуатации, определение параметров моделей деформирования, накопления повреждений, развития дефектов;
- верификацию расчетных кодов и моделей;
- аттестацию неразрушающих средств контроля состояния материала оборудования и систем РУ;
- расчеты процессов деформирования, накопления повреждений, развития дефектов в конструкционных материалах оборудования и систем РУ в упругой и упругопластической постановках при термосиловых нагружениях, соответствующих режимам модели эксплуатации РУ;
- выбор критических конструктивных элементов и зон оборудования и систем
РУ;
- заполнение базы данных рабочей компоненты ЭМР информацией, необходимой для оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса оборудования и систем РУ по фактической модели эксплуатации;
- хранение и обработку информации в базе данных технологической компоненты, необходимой для реализации ЭМР;
- дополнительное обоснование назначенных сроков службы и ресурса оборудования и систем РУ с учетом выявленных отклонений от ЧТД и начальной дефектности.
Рабочая компонента должна обеспечивать:
~ регистрацию фактической истории эксплуатации РУ (последовательность режимов модели эксплуатации, регистрацию их параметров, идентификацию нештатных режимов, регистрацию их параметров);
- определение фактического состояния материала доступных критических зон оборудования и систем (текущей поврежденности, топологии и геометрии дефектов, выработанного ресурса) неразрушающими методами контроля;
- при необходимости, уточнение нагруженности критических зон, корректировку модели эксплуатации;
- расчетную оценку выработанного ресурса критических узлов оборудования и систем РУ по фактической модели ее эксплуатации;
- расчетную оценку остаточного ресурса от текущего до предельного состояния критических узлов РУ по планируемой модели эксплуатации;
- сравнение прогнозов остаточного срока службы и ресурса с назначенными значениями и выдача рекомендаций по дальнейшей модели эксплуатации исследуемого оборудования и систем из условия обеспечения проектного ресурса, продления назначенных срока службы и ресурса за проектные значения;
- представление результатов в удобном для понимания оператором виде;
- хранение и обработку результатов оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса конструктивных узлов РУ, параметров их фактической нагруженности, фактической модели эксплуатации РУ.
Экспериментальные средства для получения количественных характеристик процессов деформирования, накопления повреждений и развития дефектов должны позволять получать в рабочем диапазоне температур:
- стандартные характеристики конструкционных материалов;
- параметры петель гистерезиса упругопластического деформирования материала при симметричном жестком нагружении с различными амплитудами деформаций (одноосное растяжение-сжатие);
- параметры кривых усталости при симметричном жестком циклическом нагружении с различными амплитудами деформаций при постоянной температуре в диапазоне долговечностей 102—108 циклов;
- параметры гредшностойкости материалов;
- параметры моделей вязко-упруго-пластического деформирования материалов;
- параметры моделей накопления усталостных повреждений;
- параметры моделей развития дефектов (роста усталостных трещин).
Средства неразрушающего контроля, основанные на современных нетрадиционных теоретико-экспериментальных физических методах оценки состояния материала (спектрально-акустических, регистрации диаграмм вдавливания, акустико-эмиссионных), должны обеспечивать определение текущей поврежденности материала на стадии накопления рассеянных повреждений и получать информацию о геометрии и топологии зародившихся дефектов.
Модели деформирования и накопления повреждений конструкционных материалов должны моделировать с погрешностью не более 10 % процессы неизотермического вязко-упруго пластического деформирования материала и накопления усталостных повреждений при нестационарных нерегулярных термомеханических нагружениях, соответствующих режимам модели эксплуатации РУ.
Модели развития дефектов должны моделировать с погрешностью не более 10 % процессы развития трещин в материале конструктивных элементов при нерегулярных термомеханических нагружениях.
Расчетные КОДы должны обеспечивать с погрешностью не более 10 % расчеты кинетики напряженно-деформированного состояния при упруго-пластическом деформировании материала, развитие усталостных повреждений и дефектов типа усталостных трещин в материале конструктивных узлов оборудования и систем РУ в двумерной и трехмерной постановках в условиях нестационарного термомеханического нагружения, соответствующих режимам модели эксплуатации РУ.
Система регистрации фактической истории эксплуатации должна обеспечивать регистрацию фактической истории эксплуатации РУ (последовательность режимов модели эксплуатации, регистрацию их параметров, идентификацию нештатных режимов, регистрацию их параметров).
Методические и программные средства рабочей компоненты ЭМР должны обеспечивать индивидуально для каждой контролируемой зоны оценку выработанного ресурса по фактической истории ее нагруженности (фактической последовательности режимов модели эксплуатации), оценку остаточного ресурса по планируемой модели эксплуатации РУ.
База данных технологической компоненты (БДТ) ЭМР (рис.5) предназначена для хранения информации, касающейся:
- общей структуры РУ, состава критических конструктивных элементов, критических контролируемых зон;
- параметров отступлений от ЧТД критических элементов, начальной повреж-денности контролируемых зон;
- состава конструкционных материалов, их физико-механических характеристик, параметров моделей деформирования, накопления повреждений, развития дефектов;
- параметров режимов модели эксплуатации РУ;
- параметров процессов деформирования, накопления повреждений, развития дефектов для каждой контролируемой зоны в зависимости от режима модели эксплуатации;
- параметров предельных состояний для каждого критического узла;
- параметров неразрушающих методов контроля и результатов обучающих экспериментов;
- экспериментальных результатов верификации расчетных КОДов, моделей деформирования, накопления повреждений, развития дефектов.
База данных рабочей компоненты (БДР) ЭМР должны содержать информацию, отражающую:
-- структуру установки, состав критических конструктивных элементов, контролируемых зон;
- фактическую модель эксплуатации РУ на текущий момент (последовательности режимов модели эксплуатации, их параметры);
- текущую поврежденность контролируемых зон (выработанный ресурс материала);
- параметры процессов деформирования, накопления повреждений, развития дефектов для каждой контролируемой зоны и их связь с режимами модели эксплуатации;
- параметры предельных состояний для каждой контролируемой зоны и контролируемого конструктивного узла.
Для моделирования процессов не изотермического упру го пластического деформирования конструкционных материалов опасных зон конструктивных элементов при нестационарных термосиловых нагружениях, соответствующих режимам модели эксплуатации РУ, используется модель термопластичности с нелинейным кинематическим и изотропным упрочнением, позволяющая с необходимой степенью точности описывать монотонное и циклическое упрочнение материала при пропорциональном и непропорциональном (вращение главных площадок), нестационарном, нерегулярном термомеханическом нагружении, а также локальную анизотропию упрочнения при пластическом деформировании материала, и получать параметры, необходимые для моделирования процессов накопления усталостных повреждений - работу напря-
жений и микронапряжений на пластических деформациях. Эта модель обобщает используемые в настоящее время в вычислительных кодах типа А^УЭ более простые модели и включает их как частный случай. Основные положения модели заключаются в следующем.
Компоненты тензора напряжений связаны с компонентами тензора упругих деформаций законами термоупругости:
где К и Є - объемный и сдвиговой модули упругости, являющиеся функциями температуры Т, а - коэффициент температурного расширения материала (функция температуры), сгу, е' - компоненты девиаторов тензоров напряжений и деформаций, а и
е шаровые компоненты указанных тензоров, еЦ, ву - компоненты пластических и
упругих составляющих тензоров деформаций.
Поверхность текучести описывается уравнением:
- поверхность текучести; Ср - ее радиус; рц - координаты центра (тензор микронапряжений). Скорость изменения радиуса поверхности текучести Ср - является функцией температуры Т, длины траектории пластического деформирования х Р
(параметра Одквиста) и описывает изотропную часть упрочнения материала при пластическом деформировании. Скорость изменения координат центра поверхности текучести (кинематическое упрочнение) ру определяется уравнением:
где ё[р>ё2р - параметры, определяемые экспериментальным путем из соответствующих базовых экспериментов (функции температуры),
Соответствующие алгоритмы интегрирования приведенных выше уравнений тер-мопластичности на этапе нагружения, соответствующем приращению температуры АТ- и механической нагрузки АР} в >ой зоне конструктивного элемента, реализованы в рамках вычислительных кодов АИБУЗ и УПАКС. Параметры х Р (длина траек-
щие работы \Ур = ^<т'ус1е[} , ¡V - |ру с1еЦ используются в уравнениях, описывающих
накопление усталостных повреждений материала.
Моделирование процессов накопления усталостных повреждений
Математическое моделирование реальных процессов деградации материала для каждой контролируемой зоны по фактической истории ее нагруженности (малоцик-
(1)
(7 = 3к[е~а(т - Т0)]; сіст = 3к\^е - сі(аТ)\ + ^-ст; гц = е'* + ,
К
(2)
(3)
тории пластического деформирования), /? =
= (егрету)^2 и соответствую-
ловая, многоцикловая усталость), осуществляется с помощью методов и моделей механики поврежденной среда и механики разрушения.
Процесс накопления рассеянных повреждений происходит в две стадии: зарождение и роста дефекта и их коллективного взаимодействия путем слияния в микротрещины. В пределах указанных стадий до образования макроскопической трещины порядка 1 мм элементарный объем тела может рассматриваться как сплошная среда, в объеме которой статистически распределены структурные элементы и различного рода дефекты. Проведенные теорические и экспериментальные исследования, структурно-энергетическая интерпретация процессов деформирования и разрушения выявили глубокую взаимосвязь между закономерностями необратимой деформации, повреждаемостью и разрушением твердых тел с энергетическими характеристиками процессов. Однако для использования этой связи при моделировании процессов повреждений необходимо устанавливать функциональные зависимости между основными энергетическими характеристиками и параметрами процессов (скоростью накопления повреждений в единице объема, плотностью энергии, скоростью изменения напряжений, пластических деформаций, температуры и т. д.).
С учетом этого прогнозные модели процессов накопления усталостных повреждений (малоцикловая усталость, многоцикловая усталость или их сочетание) строятся на базе следующих положений:
- рассматривается стадия накопления рассеянных по объему материала микроповреждений до образования макроскопической трещины ~ 1 мм;
- рассматриваются две стадии развития рассеянных микроповреждений: стадия зарождения и роста микродефектов и стадия развития поврежденности путем развития и слияния микроскопических трещин до образования макроскопической трещины. Развитие поврежденности на второй стадии приводит к прогрессирующему ухудшению физико-механических характеристик материала;
- для процессов деформирования и накопления повреждений задачи рассматриваются как связные (механика поврежденной среды);
- эволюционные уравнения процессов вязкопластического деформирования и накопления повреждений учитывают влияние температуры, многоосности и параметров напряженно-деформированного состояния на темпы накопления повреждений.
Мерой текущей поврежденности соI ]-ой контролируемой зоны является отношение текущего объема микродефектов ДК; к критическому У,у в материале данной зоны или отношение текущего характерного параметра растущего дефекта (длины трещины) а} к критическому :
где ЬУупАау{ ~ приращение объемной доли микродефектов или параметра растущей
трещины в ]-ой зоне от ьго режима нагружения.
Для процесса накопления усталостных повреждений прогнозная модель имеет
вид:
м
(4)
(5)
где а, г - экспериментально определяемые материальные параметры (функции температуры), у) - функция, учитывающая влияние многоосности нагружения (вида
напряженного состояния) на скорость накопления повреждений, 1} = —-~-
- Ж.
относительная величина энергии, затраченной в ]-ой зоне на образование дефектности структуры материала в фазе развития поврежденности путем слияния микроскопических трещин, - общая величина энергии, затраченной на образование усталостных повреждений, - критическая величина этой энергии, IV^ - величина данной
энергии, соответствующая окончанию первой фазы накопления усталостных повреждений (образование и рост микропор, микротрещин; в пределах этой фазы отсутствует влияние накопленной поврежденности на физико-механические характеристики материала). Величины этих энергий для данной зоны конструктивного элемента вычисляются путем интегрирования по заданной истории нагружения этой зоны полных эволюционных уравнений механики поврежденной среды, включающих как эволюционные уравнения накопления повреждений (5), так и уравнения процесса упругопластического деформирования материала (1-3). Интеграл уравнения (5) можно представить в виде:
А - параметр приведения индивидуальных кривых накопления повреждений к единой обобщенной кривой. У является так называемым внутренним временем процесса накопления усталостных повреждений. Соотношение (6, 7) позволяют устанавливать эквивалентность процессов накопления повреждений между собой и их эквивалентность экспериментальным данным для различных видов напряженных состояний и различных историй нагружения. Для данного конструкционного материала кривая со —У является единой для всех процессов накопления повреждений и может быть построена из экспериментов на усталость лабораторных образцов при одноосном растяжении-сжатии. Текущее положение точки А на кривой со-У при вычисленном значении УА определяет накопленную поврежденность соА при наработке ТА и остаточную поврежденность со ^ - со А при оставшейся наработке Ту - ТА до предельного состояния поврежденности со {. В процессе эксплуатации по реальной истории нагруженности данной зоны фактической последовательности режимов модели эксплуатации РУ согласно уравнениям (4-7) отслеживается процесс накопления повреждений в данной зоне до некоторой наработки УА (значения УА могут быть переведены в обычную наработку АТ{ в часах), при которой проводится контроль состояния материала в этой зоне.
Такой подход позволяет проводить анализ развития поврежденности в любой зоне конструктивного узла в зависимости от исходного состояния материала и конкретных параметров нагружения этой зоны. Точность прогноза зависит от адекватности применяемых моделей реальному процессу деградации материала и соответствия моделируемого режима нагружения в данной зоне фактическим условиям эксплуатации
(6)
где Yj = ;
РУ, для чего необходима предварительная верификация модели на стенде. Метод требует периодической коррекции теоретических оценок ресурса материала в контролируемых зонах с помощью средств неразрушающего контроля при ремонтах или продлении назначенных сроков службы или ресурса.
І
£
и
о
П
сЗ
с_
ІС
о
с
іп
Контроль де-
фектности тра-
диционными ме-
тодами
Контроль аку-
стической эмис-
сией при опрес-
совке
Спекгрально-
акустические
тоды
МЄ'
Магнитные методы
Методы измерения микротвер-дости
Испытания
образцов
Тензометрия
Термометрия
Поверхностные дефекты отклони ние размеров формы
Растущие дефекты
Топология и геометрия де-фектов I Повреаденность
Фактические фи- } зико-
механические характеристики
Уточненные расчеты кинетики НДС, накопление повреждений, развития дефгктов
Уточнение на-груженности контролируемой зоны
База данных
Дополнительное обоснование назначенного срока службы и ресурса
Восстановление фактической истории эксплуатации
Неразрушающие методы контроля доступных зон
Анализ повреж-денности отработавших конструктивных элементов
Анализ отказов аналогов узлов
База данных
1. Структура установки:
элементы
узлы
зоны контроля_____________
2. Фактическая история эксплуатации ППУ_________
история нагруженности контролируемых зон
3. Текущая поврежден-ность: параметры дефек-тов контролируемых зон
4, Предельные состояния конструктивных узлов
5. Остаточный ресурс контролируемых зон оборудования и систем
Обоснование назначенных сроков службы или ресурса на следующий продлеваемый период
Модели и алгоритмы развития повреждений и трещин
нм
Расчеты выработанного и прогноз остаточного ресурса
Планируемая модель эксплуатации ППУ. нафу-женности зон
Прогноз остаточного ресурса контролируемых зон
Рис. 4.
Рис. 5.
Модель эксплуатации ППУ
Структура: Конструктивные Элементы: Конструктивные Узлы:
+ " '
Контролируемые узлы
Конструкционные материалы
Расчетные коды процессов деформирования, разрушения
і
Верификация
4
Выбор контролируемых зон
т
Вычисление параметров процессов в контролируемых зонах
База данных ЭМР: технологическая компонента
Режимы эксплуатации
Структура РУ: Конструктивные элементы Конструктивные узлы Конструктивные зоны
Конструкционные материалы: физико-механические характеристики, параметры моделей.
Параметры процессов в контролируемых зонах для каждого режима эксплуатации_________
Параметры неразрушающих методов контроля
Модели и расчетные
коды оценки ресурса контоолИОVемых зон
Верификация
I
Верификация эксперимента
Эксперимент, справочные данные: физико-механические характеристики
Модели материалов: термоупругость; термопластичность; накопление повреждений; развитие дефекта;
Обработка информашш
База данные рабочей компоненты ЭМР
1
Базовые эксперименты Параметры моделей
Неразрушающие методы контроля
І.
Обучающие эксперименты
Верификационные эксперименты на образцах, моделях, отработавших узлах
Вестник ВГАВТ
Выводы
1. Эксплуатационные воздействия в течение длительного срока службы 40-60 лет приводят к структурным изменениям конструкционных материалов оборудования и систем ЯЭУ. Указанные структурные изменения обуславливают деградацию начальных характеристик материала, определяющих их прочность. Темпы деградационных процессов зависят от индивидуальных условий эксплуатации оборудования и систем и не могут быть надежно предсказаны при проектировании и на начальной стадии эксплуатации.
2. Для обеспечения гарантированной безопасности ЯЭУ с точки зрения прочности в течении 40-60 лет и минимизации эксплуатационных экономических затрат необходимо контролирование темпов деградационных процессов в материале конструктивных узлов оборудования и систем ЯЭУ на всех жизненных стадиях объекта: изготовления, монтажа, эксплуатации, продления сроков службы, утилизации. Контролирование должно проводится с помощью нетрадиционных средств неразрушающего контроля деградационных процессов и на базе математического моделирования развития этих процессов в опасных зонах критических узлов по фактической истории их на-груженности, определяемой фактической моделью эксплуатации ЯЭУ.
3. Проблема контролирования в процессе эксплуатации деградационных процессов в материалах оборудования и систем ЯЭУ, оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса конструктивных элементов представляет собой сложную научно-техническую задачу, комплексное решение которой должно поэтапно осуществляться на базе эксплуатационного мониторинга оборудования и систем.
4. К настоящему времени имеются научно-технические и методологические основания для практического создания системы эксплуатационного мониторинга ресурса применительно к объектам атомной энергетики. Отдельные компоненты этой системы реализованы для продления назначенных ресурса и срока службы атомных ледоколов.
Список литературы
[1] Митенков Ф. М., Городов Г. Ф., Коротких Ю. Г., Пичков С. Н, Глава 4.1. Энциклопедия Машиностроение. Т-1У-3. Надежность машин. - М.: Машиностроение, 1998. - С. 368-468.
[2] Митенков Ф. М., Городов Г. Ф., Коротких Ю. Г., Пичков С. Н. Определение и обоснование остаточного ресурса машиностроительных объектов при долговременной эксплуатации. Проблемы машиностроения и надежности машин. № 1. — М.: РАН, 1995. - С. 5—13.
[3] Митенков Ф. М., Городов Г. Ф., Коротких Ю. Г., Панов В. А., Пичков С. Н. Проблемы обеспечения надежности, ресурса и безопасности ядерных энергетических установок. Проблемы машиностроения и надежности машин.№ 2. - М.: РАН, 2002. С. 106-112.
[4] Городов Г. Ф., Кирюшин А. И., Коротких Ю. Г. Математическая модель оценки ресурса материала инженерных объектов в процессе эксплуатации. Сборник докладов II научной конференции по механике и прочности конструкций, посвященной 80-летию академика Е. А. Не-гина. - Саров: ВНИИЭФ, 2002. - С. 27-32.
[5] Казаков Д. А., Капустин С. А., Коротких Ю. Г. Моделирование процессов деформирования и разрушения материалов и конструкций. - Н. Новгород: Из-во ННГУ, 1999. - 226 с.
TO A QUESTION ON MAKING OPERATIONAL MONITORING OF A SYSTEMS AND INVENTORY RESOURCE OF THE NED F. M. Mitenkov, G. F. Gorodov, Y. G. Korotkih, V. A. Panov, S. N. Pichkov
The methodology of monitoring for the produced and residual resource of composite engineering objects is stated on the basis of modern methods of a mechanics of defective medium.
