CC BY
30
Металлургия и материаловедение
УДК 620.179.17
МОНИТОРИНГ СИЛОВЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ СКРЫТЫХ ДЕФЕКТОВ МАТЕРИАЛОВ Агафонов Кирилл Владимирович, к.т.н.,
заместитель начальника технологического отдела АО «Корпорация «СПУ-ЦКБ ТМ», г.Москва, Россия (e-mail:kiris2@mail.ru) Валяев Олег Алексеевич, ассистент ФГБОУ ВО «МАДИ», г.Москва, Россия (e-mail:valyaev.oleg@bk.ru)
В работе рассмотрены особенности мониторинга силовых металлоконструкций уникальных промышленных объектов, обосновано применение акустико-эмиссионного контроля при техническом диагностировании таких объектов и предложен способ более достоверного прогнозирова-нияих работоспособности с учетом скрытых дефектов материалов.
Ключевые слова: техническое диагностирование, мониторинг, дефектоскопия, неразрушающий контроль, акустическая эмиссия, металлоконструкция.
Мониторинг технического состояния, являясь составной частью технического обслуживания, позволяет путем наблюдения за объектом получать информации о его техническом состоянии и остаточном ресурсе [8]. Мониторинг может проводиться в процессе работы объекта непрерывно или через запланированные интервалы времени.
Появление современных крупномасштабных объектов, таких как атомные электростанции, морские буровые установки, терминалов со сжиженным газом, крупных химических комбинатов и других уникальных промышленных объектов, привело как к существенным экономическим выгодам, так и к серьезным потенциальным последствиям возможных катастрофических отказов [18].
Соответственно постоянно возрастает риск возникновения аварий и катастроф, что связано с усложнением современных крупномасштабных промышленных объектов, возрастанием количества объектов с существенными сроками эксплуатации, проблемами с вводом в эксплуатацию новых объектов по экономическим причинам и тенденцией снижения среднего уровня профессиональной подготовки обслуживающего персонала. Например, результаты деятельности Ростехнадзора в 2017 году свидетельствуют об увеличении числа аварий на некоторых группах подконтрольных объектах по сравнению с данными 2016 года: на опасных производственных объектах (рост на 7 аварий), на предприятиях химического комплекса (рост на 3 аварии), на предприятиях хранения и применения взрывчатых материалов промышленного назначения (рост на 2 аварии), на объектах, на
которых используется оборудование, работающее под давлением (рост на 5 аварий) и увеличение числа нарушений в работе объектов использования атомной энергии (на 1 нарушение больше, чем в 2016 году) [11].
Усложняющиеся задачи по повышению качества промышленной продукции и надежности промышленных объектов требуют совершенствования методов и средств контроля.В связи с этим, повышается значимость решения научных задачпо обоснованию, разработке и реализации комплекса организационно-технических мероприятий, направленных на исключение возможности возникновения нештатных ситуаций.
На большинстве рассматриваемых объектах используются высокона-груженные силовые металлоконструкции. При этом, особое значение с экономической точки зрения приобретают вопросы увеличения эксплуатационного ресурса силовых металлоконструкций на основе применения методов оценки их остаточного ресурса[14]. Работоспособность силовой металлоконструкций характеризуется свойствами используемых конструкционных материалов, которые во многом определяются дефектами их структуры [7, 13].
Для оценки технического состояния силовых металлоконструкций целесообразно проводить испытания с применением методов неразрушающего контроля (НК), позволяющих применять данные методы на этапе эксплуатации объекта, с целью: обнаружения несплошностей материала (дефектоскопия); исследование структуры материала (структуроскопия); измерения размеров объектов, толщины стенок и покрытия, в том числе при одностороннем доступе (толщинометрия); изучения внутреннего строения объекта (интроскопия)[16].
Большое разнообразие методов НК и отсутствие метода, который бы мог обнаружить самые разнообразные по характеру дефекты, требует их обоснованного выбора [15]. При выборе метода НК в качестве показателя технической эффективности могут быть использованы десятки различных характеристик. Опыт позволяет выделить из их числа три основные: применяемость (принципиальная возможность его эффективного использования в конкретных рассматриваемых условиях); чувствительность (наименьшие размеры выявляемых опасных дефектов); выявляемость(вероятность обнаружения дефекта минимального размера), последний показатель, зависящий от многих факторов, определяет надежность контроля и особенно важен в процессе эксплуатации.
Результаты анализа методов НК показали, что наиболее актуальным по вышеуказанным критериям является НК методом акустической эмиссии (АЭ). Образование, движение и аннигиляция дефектов решетки твердого тела по причине разрывов атомных связей или их восстановления, на микроструктурном уровне обуславливают образовании упругих акустических волн в процессе появления и развития трещин на макроструктурном уровне с образованием эмиссии акустических волн.
Метод АЭ позволяет получать в реальном времени информацию о со-
стоянии объекта контроля путем регистрации и анализа акустического излучения и является одним из наиболее мощных средств в системе обеспечения безаварийной эксплуатации производственных объектов, позволяя выявлять трещины, очаги пластической деформации и следить за их развитием.
Согласно современному пониманию процесса разрушения материала нагруженной конструкции повреждение происходит в несколько этапов, характеризующих зарождение микротрещины и ее докритический рост.При воздействии на конструкцию даже сравнительно небольшого упругого напряжении образуются локальные участки концентрации этих напряжений, соответствующие области стесненной пластической деформации - дефекты и концентраторы напряжения. Длительная эксплуатация силовых металлоконструкций обуславливает накопление повреждения в местах концентрации напряжений под действием квазистатических и циклических нагрузок. Данный процесс сопровождается излучением АЭ сигналов, отличающимися параметрами АЭ процессов.
С целью планового мониторинга технического состояния силовых металлоконструкций обычно предусматривают следующие мероприятия: внешний осмотр; выявление целостности покрытий и определение мест очагов коррозии; поиск микротрещин и вмятин основного металла и сварных соединений; уточнение прочностных характеристик материала.
Известные методы мониторинга технического состояния силовых металлоконструкций разработаны достаточно полно, но не учитывают влияние скрытых дефектов, что снижает достоверность оценки.
Разработан метод повышения безопасность эксплуатации подъемно-перегрузочного и транспортно-установочного оборудования и точности оценки их технического состояния с учетом скрытых дефектов материалов силовых металлоконструкций на базе средств АЭ контроля, включающий в себя [2, 3]:
- анализ эксплуатационной, проектно-конструкторской, ремонтной и другой документации и сертификатов на объект;
- определение методов и подготовка средств контроля основных технических и эксплуатационных характеристик объекта;
- проведение технического диагностирования силовых металлоконструкций объекта с использованием средств АЭ контроля, учитывая явные и скрытые дефекты материалов;
- проведение технического диагностирования остальных составных частей объекта;
- проведение расчетно-аналитических процедур по определению и последующей оценки значений основных технических и эксплуатационных характеристик объекта;
- обоснование и принятие решения по дальнейшей эксплуатации объекта.
Программу и методику технического диагностирования необходимо
разрабатыватьдля каждого конкретного объекта, с учетом его конструктивных и эксплуатационных особенностей.
Проведены исследования влияния скрытых дефектов материалов на техническое состояние силовых металлоконструкций, которые показали, что применение метода АЭ при оценке технического состояния и безопасности эксплуатации силовых металлоконструкций обеспечивает одновременную возможность сократить сроки технического диагностирования, снизить его стоимость при сокращении объема применения других методов НК и повысить достоверность результатов [1].
Вместе с тем, использование метода АЭ применительно к силовым металлоконструкциям сталкивается с рядом трудностей,главной из которых являются шумы, возникающие в процессе статических испытаний, вызванные трением деталей при воздействии рабочих нагрузок. На фоне этих шумов обнаружение сигналов АЭ, сопровождающие скрытый рост трещин, затруднено.
С целью минимизации негативных факторов, снижающих точность АЭ контроля, для крупномасштабных уникальных промышленных объектов целесообразно на этапе производства накапливать комплекс исходных данных, использование которых позволит повысить эффективность мониторинга силовых металлоконструкций.
На этапе входного контроля сырья необходимо проведение исследований особенностей механизмов трещиностойкостиматериалов с учетом скрытых дефектов в ходе нормативных статических испытаний пробными нагрузками, а также определение соответствующих им распределений сигналов АЭ по амплитудам и частотам, в том числе:
- обоснование выбора и выбор состава, количества, параметров заготовок и образцов из основного металла и из зон силовых сварных соединений с учетом наличия и степени распространенности в них скрытых дефектов с использованием стационарных установок радиационного НК, позволяющих обнаружить дефекты микроструктуры материала;
- проведение экспериментальных исследованийпроцессов развития трещин в отобранных образцах, в зависимости от степени распространенности в них скрытых дефектов, и установление связей с параметрами сигналов АЭгенерации упругих колебаний, с построением и фиксациейтиповых аку-стограмм с учетом наличия и степени распространенности скрытых дефектов;
- проведение экспериментальных исследований склонности конструкционных материалов силовых металлоконструкций к замедленному разрушению в условиях воздействия коррозионной среды и растягивающих напряжений с построением и фиксациейтиповых зависимостей с учетом наличия и степени распространенности скрытых дефектов;
- определение характеристик трещиностойкостиосновного металла и зон сварных соединений при циклическом разрушении с целью моделирования процессов разрушения, близких к эксплуатационным, и получения кинети-
ческих характеристик, необходимых для последующего прогнозирования работоспособности элементов силовых металлоконструкций;
- определение зависимостей распределения сигналов АЭ по амплитуде, частоте, плотности и другим параметрам при подрастании трещины, а также отношения нагрузки, при котором наблюдается значительное превышение сигналов АЭ, к нагрузке страгивания трещины;
- определение зависимости распределения сигналов АЭ по амплитуде, частоте, плотности и другим параметрам на первых ступенях роста трещины при наличии трещиновидного дефекта в основном материале или зоне сварного соединении;
- определение показателей и критериев предельного состояния силовых металлоконструкций, при которых начало процесса распространения трещины в заданных условиях фиксируется методом АЭ, которые позволяют своевременно определить начало процесса недопустимого развития трещины.
Полученные данные позволяют при проведении мониторинга технического состояния силовых металлоконструкций крупномасштабных уникальных объектовна этапе эксплуатациипроводить оценку их технического состояния с учетом скрытых дефектов материалов.
Выводы: таким образом, предлагаемый способ мониторингасиловых ме-таллоконструкций,проводимый по утвержденным программамдля каждого конкретного объекта с применениемНК методом АЭ, позволяет повысить полноту и достоверность оценки технического состояния силовых металлоконструкций объектов с учетом скрытых дефектов материалов.
Список литературы
1. Агафонов К.В., Гневко А.И., Полянский В.И., Челноков А.В. Исследование влияния скрытых дефектов материалов на техническое состояние и безопасность эксплуатации металлоконструкций подъемно-перегрузочного оборудования // Военно-инженерная корпорация. Российскаяинженернаяакадемия. Двойныетехнологии №4 (73) 2015. - С. 6066.
2. Агафонов К.В.,Егоров О.В., Сизанов А.В., Сова А.Н., Шевченко С.Н. Методы повышения безопасности эксплуатации подъемно-перегрузочного и транспортно-установочного оборудования // Военно-инженерная корпорация. Российская инженерная академия. Секция «Инженерные проблемы стабильности и конверсии». Двойные технологии №3 (80) 2017. С.66-71.
3. Агафонов К.В. Повышение точности оценки технического состояния металлоконструкций подъемно-транспортного оборудования ракетно-космических комплексов // Гагаринские чтения - 2017: ХЬШ Международная молодёжная научная конференция: Сборник тезисов докладов: М.; Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 2017. - С. 158-159.
4. Акустико-эмиссионная диагностика / Иванов В.И., Барат В. А. - М.: «Спектра», 2017. - 368 с.
5. Акустико-эмиссионная диагностика конструкций / А.Н. Серьезнов, Л.Н. Степанова, В.В. Муравьев. - М.: Радио и связь, 1999. - 280 с.
6. Акустическая эмиссия в экспериментальном материаловедении / Н.А. Семашко, В.И. Шпорт, Б.Н. Марьин [и др.]. - М.: Машиностроение, 2002. - 239 с.: ил.
7. Беленький Д.М. Теория надежности машин и металлоконструкций. - Ростов н/Д:
«Феникс», 2004. - 608 с.
8. ГОСТ 27.002-2015 Надежность в технике. Термины и определения.
9. ГОСТ Р 52727-2007 Техническая диагностика. Акустико-эмиссионная диагностика.
10. ГОСТ Р 55045-2012 Техническая диагностика. Акустико-эмиссионная диагностика. Термины, определения и обозначения.
11. Годовой отчет о деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору в 2017 году.
12. Диагностика технических устройств / Г.А. Бигус, Ю.Ф. Даниев, Н.А. Быстрова, Д.И. Галкин. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 - 615 с.
13. Механика разрушения и прочность материалов: Справ. пособие: В 4 т. / Под общей ред. В.В. Панасюка. Т. 1: Основы механики разрушения / В.В. Панасюк,
A.Е. Андрейкин, В.З. Партон. - Киев: Наук. Думка, 1988. - 488 с.
14. Надежность и эффективность в технике: Справочник: в 10 т.Т. 8: Эксплуатация и ремонт / Под ред. В.И. Кузнецова и Е.Ю. Барзиловича. - М.: Машиностроение, 1990. -320 с.
15. Неразрушающий контроль: В 5 кн. Кн. 1: Общие вопросы. Контроль проникающими веществами: Практ. пособие / А.К. Гурвич, И.Н. Ермолов, С.Г. Сажин / Под ред.
B.В. Сухорукова. - М.: Высшая школа, 1992. - 242 с.
16. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. / Под общ.ред. В.В. Клюева. Т. 3: Ультразвуковой контроль / И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге. - М.: Машиностроение, 2004. -864 с.: ил.
17. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. / Под общ.ред. В.В. Клюева. Т. 7: В 2 кн. Кн. 1: Метод акустической эмиссии / В.И. Иванов, И.Э. Власов / Кн. 2: Вибродиагностика / Ф.Я. Балицкий, А.В. Барков, Н.А. Баркова и др. - М.: Машиностроение, 2005. - 829 с.: ил.
18. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, А.В. Ковалев и др.; Под ред. В.В. Клюева. 2-е изд., испр. идоп. - М.: Машиностроение, 2003. 656 с., ил.
19. Труханов В.М., Клюев В.В. Надежность, испытания, прогнозирование ресурса на этапе создания сложной техники. - М.: ООО ИД «Спектр», 2014. - 313 с.
20. Труханов В.М. Новый подход к обеспечению надежности сложных систем. - М.: Издательский дом «Спектр», 2010. - 247 с.: ил.
21. РД 03-299-99 Требования к акустико-эмиссионной аппаратуре, используемой для контроля опасных производственных объектов.
AgafonovKirillVladimirovich, Cand.Tech.Sci. Valyaev Oleg Alexeevich,
MONITORING OF POWER METAL STRUCTURES TAKING INTO ACCOUNT OF HIDDEN MATERIAL DEFECTS
Abstract. The document discusses the features of monitoring ofpower metal structures of unique industrial facilities, justifies the use of acoustic emission monitoring in the technical diagnostics of such facilities, and proposes a method of more reliably prediction of their performance with regard to hidden defects of materials. Key words: technical diagnostics, monitoring, defectoscopy, non-destructive testing, acoustic emission, metal construction.
