Оценка технологических процессов сварки ответственных сварных конструкций с позиции надежности сложных технологических систем Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 621.791

А. Г. Лупачев, канд. техн. наук, доц., А. Н. Черный

ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ ОТВЕТСТВЕННЫХ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ПОЗИЦИИ НАДЕЖНОСТИ СЛОЖНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Рассмотрены вопросы оценки технологических процессов сварки ответственных сварных конструкций с позиции надежности сложных технологических систем. Использована теория надежности применительно к сварному соединению стали 16Г2АФ. Дается обоснование актуальности рассматриваемого вопроса и сферы применения разрабатываемого алгоритма оценки.

Теория надежности - сравнительно молодая научно-техническая дисциплина, формирование которой относится к 50-м гг. ХХ столетия. Первые шаги в области исследований надежности были связаны со сбором статистических данных, а все усилия специалистов были направлены на определение причин ненадежности [2].

Следующими шагами стали: развитие физической надежности (физики отказов) и развитие математических основ теории надежности, явившихся обязательным атрибутом разработки и проектирования сложных и ответственных технологических систем. В этом ракурсе под теорией надежности следует понимать научную дисциплину, которая изучает закономерности сохранения во времени технологическими системами свойства выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях [2].

Одним из вопросов, которые изучает теория надежности, является анализ технологических систем (критерии и количественные характеристики надежности).

Обеспечение надежности является серьезной задачей, т. к. отказ сложной технологической системы может привести к авариям и чрезвычайным происшествиям. Необходимо рассматривать последствия каждого отказа, а неучтенные отказы могут стать причиной невыполнения производственной программы. Частые отказы или длительные периоды неисправного состояния могут привести к полной потере работоспособности системы и ее непригодности к последующей эксплуатации.

Надежность непосредственно зависит от таких понятий, как опасность и риск. Собственно процесс развития опасности можно описать следующей логической последовательностью:

— нарушение технологического процесса, допустимых пределов эксплуатации, условий содержания и т. п.;

— накопление, образование, развитие поражающих факторов, приводящих к аварии технологической системы;

— разрушение конструкции;

— выброс, образование поражающих факторов;

— воздействие (взаимодействие) поражающих факторов с объектом;

— реакция на поражающее воздействие.

В зависимости от особенностей технологической системы отдельные элементы приведенной цепи могут отсутствовать. Каждому такому событию можно приписать частный показатель в виде вероятности события:

— вероятности отказа технической системы;

— вероятности аварийного исхода;

— вероятности образования поражающих факторов;

— вероятности поражения объектов воздействия;

— вероятности вторичных поражающих факторов;

— вероятности воздействия;

— вероятности поражения.

Можно сделать вывод, что наличие

потенциальном опасности в системе не всегда приводит к негативным воздействиям на объект. Любое нарушение в цепи ведет к нереализации опасности.

Таким образом, риск - это ожидаемая частота или вероятность возникновения опасностей определенного класса, или же размер возможного ущерба от нежелательного события, или же некоторая комбинация этих величин.

В итоге надежность следует понимать как вероятность невозникновения риска.

Технологический риск - комплексный показатель надежности. Он выражает веро-

ятность аварии или катастрофы при реализации технологических процессов [3]:

Я

АГ(0 Т (I)

(1)

где ЯТ - технологический риск; АТ -число аварий в единицу времени і на идентичных системах; Т - число идентичных технологических систем, подверженных общему фактору риска /.

Источники и факторы технологического риска приведены в табл. 1.

Табл. 1. Источники и факторы технологического риска

Источник технологического риска Наиболее распространенный фактор технологического риска

Низкий уровень научноисследовательских работ Ошибочный выбор направления развития техники и технологий по критериям безопасности

Низкий уровень опытноконструкторских работ Выбор потенциально опасных конструктивных схем и принципов действия технологических систем. Ошибки в определении эксплуатационных нагрузок. Неправильный выбор конструкционных материалов. Недостаточный запас прочности. Отсутствие в проектах технических средств безопасности

Серийный выпуск небезопасных изделий Отклонение от заданного химического состава конструкционных материалов. Нарушение режимов термической и химикотермических режимов обработки изделий

Исходя из вышеприведенных сведений можно сделать вывод, что наиболее «слабым местом» в сложных технологических системах является непосредственно технологический процесс. Применительно к тематике исследуемой проблемы - это технологические процессы при сварке ответственных конструкций.

Трудности в решении поставленной задачи сварки связаны с необходимостью учета многих факторов, влияющих на надежность системы. К тому же довольно часто основным критерием, влияющим на выбор тех или иных вариантов технологического процесса сварки, является стоимость, а не качество и надежность. И хотя уже давно известно, что для максимального экономического эффекта необ-

ходимо найти оптимальное сочетание «цена - надежность», сделать выбор проблематично.

Для облегчения и оптимизации выбора необходимо произвести расчет надежности сварного соединения (в частном случае сварного шва), что является довольно необычной постановкой задачи в отношении сложных технологических систем.

Расчет надежности - процедура определения значений показателей надежности (ПН) объекта с использованием методов, основанных на их вычислении по справочным данным о надежности элементов объекта, по данным о надежности объектов-аналогов, данным о свойствах материалов и другой инфор-

мации, имеющейся к моменту расчета.

В качестве объекта расчета принимаем выводимый на ремонт нефтеналивной резервуар РВСПК-50000.

Целью расчета надежности будет:

— определение уровня надежности и параметров распределения ее характеристик;

— сравнительный анализ вариантов применяемых технологических процессов ремонта резервуара и обоснование выбора рационального варианта;

— проверка соответствия ожидаемого уровня надежности отремонтированного резервуара в сравнении с новым.

Расчет надежности на любом этапе включает в себя:

— идентификацию объекта, подлежащего расчету;

— определение целей и задач расчета, номенклатуры и требуемых значений рассчитываемых показателей надежности;

— выбор методов расчета, адекватных особенностям системы, цели расчета, наличию необходимой информации;

— составление расчетных моделей для каждого показателя надежности;

— получение и обработку исходных данных для расчета.

Для идентификации резервуара примем следующую информацию: область применения, применяемые сварочные материалы, дефекты сварных соединений.

Резервуар РВСПК-50000 построен по проекту института «ЦНИИпро-ектстальконструкция» (г. Москва). Проектные размеры: внутренний диаметр резервуара - 60700 мм, высота стенки -17880 мм, количество поясов - 12, высота каждого пояса - 1490 мм, площадь резервуара - 2894 м , площадь плавающей крыши - 2856 м2, полезный объем резервуара - 47600 м3.

Тип резервуара - наземный вертикальный цилиндрический стальной номинальным объемом 50 тыс. м3 с плавающей крышей - РВСПК-50000.

Дата начала и окончания строительст-

ва резервуара: май 1978 г. - январь 1979 г.

Дата приемки резервуара и сдачи его в эксплуатацию - июль 1981 г. Технический паспорт резервуара составлен в июле 1981 г.

Вид хранимого продукта - нефть.

Анализ результатов метрических измерений, экспериментальных и расчетных данных по резервуару РВСПК-50000:

— металл стенок резервуара (сталь 16Г2АФ) поясов 1-7 сохранил проектную работоспособность. Ударная вязкость КСУ20 = 178 Дж/см2 при нормативном значении 50 Дж/см2;

— имеют место коррозионные повреждения в районе уторного шва в виде отдельных рассредоточенных язв глубиной до 6,3 мм;

— имеются коррозионные повреждения окраек днища глубиной до 3 мм;

— коррозионные повреждения остальных листов стенки резервуара находятся в пределах минусового допуска на толщину проката;

— выявлены многочисленные подрезы металла вертикальных швов глубиной до 2 мм;

— отклонения образующих стенки резервуара от вертикали удовлетворяют требованиям нормативных документов;

— общая устойчивость стенки резервуара обеспечивается с первого по двенадцатый пояс;

— горизонтальные и вертикальные стыковые соединения по геометрии соответствуют ГОСТ 8713;

— монтажные вертикальные сварные соединения по геометрии в основном соответствуют ГОСТ 5264.

Из опытных данных известно, что наибольшему негативному воздействию подвергаются пояса 1-3 резервуара. Это происходит из-за присутствия подтоварной воды.

Таким образом, необходимо произвести анализ надежности резервуара РВСПК-50000, основываясь на показа-

ниях его технического состояния. В частности, за показатели принимаем коррозию окраек днища, уторного шва, подрезы основного металла околошовной зоны, а также цепочки пор и шлаковых включений, которые могут приводить к образованию усталостных трещин.

Трещины, в зависимости от происхождения, расположения и марки стали корпуса (16Г2АФ), устраняются сваркой или заменой дефектного участка.

Участки корпуса резервуара ремонтируются наплавкой, если:

— площадь одного дефектного участка для углеродистых и кремнемарганцовистых сталей не более 500 см2 при общей площади дефектных участков, приходящихся на один лист металла корпуса, не более 10 % его площади, но не более 1000 см2;

— глубина дефекта для углеродистых сталей не более 30 % фактической толщины стенки;

— расстояние между подготовленными к наплавке участками не менее 100 мм.

Если эти условия невыполнимы, дефектный участок должен быть вырезан, а на его место вваривается вставка.

Подводя итоги, можно сделать следующие выводы:

- по результатам статистического обзора резервуарный парк идентифицирован как наиболее опасный объект нефтебазы (2,1-10'2 аварии в год);

Коррозионные повреждения участков первого пояса следует восстанавливать электродуговой наплавкой.

Критерий допустимости дефектов сварных соединений при ремонте резервуаров должен основываться на требованиях, предусмотренных ПБ 03-605-03 и СНиП 3.03.01-87.

Недопустимые дефекты, которые подлежат ремонту, должны быть удалены полностью с формированием кромок для сварки.

Величины выпуклости сварных швов должны быть восстановлены до размеров, установленных стандартами.

Подрезы сварных швов, считающиеся недопустимыми в соответствии с требованиями ПБ 03-605-03, должны быть отремонтированы дополнительной наплавкой с предварительной разделкой места наплавки или их зашлифовкой при глубине подреза менее 0,5 мм.

Отремонтированные стыковые швы стенки, а также все соединения ремонтных вставок должны быть проконтролированы по всей длине.

Таким образом, полученную информацию можно свести в табл. 2.

— установлен характер происхождения аварийных ситуаций (до 70 % аварийных ситуаций происходит из-за нарушения технологических процессов сварки);

— определены значимые характе-

Табл. 2. Распределение дефектов при различных способах ремонта

Состояние резервуара Вид дефекта

Коррозия окраек днища, % Коррозия уторного шва, % Цепочки пор и шлаковых включений, % Подрез основного металла, %

Новый резервуар 0 0 12 1

Выводимый на ремонт резервуар 21,4 37 15 11,86

Наварка дефектных участков 3,75 37 12 1

Вырезка дефектных участков и вставка новых 0 5,88 15 11,86

Ремонт с использованием наплавки и замены дефектных участков 1,78 5,88 9 1

ристики процесса ослабления металла и сварных швов (коррозия окраек днища и уторного шва, цепочки пор и шлаковых включений, подрез основного металла), позволяющие повысить достоверность прогнозирования аварийной ситуации. Изучена их зависимость от технологических процессов сварки и методики ремонта резервуара.

Таким образом, были выявлены основные причины и факторы, их вызывающие, которые непосредственно влияют на надежность исследуемой технологической системы.

Выбор номенклатуры показателей надежности (ПН) осуществляется в соответствии с ГОСТ 27.003-90, является основной и наиболее ответственной частью при расчете надежности любой системы и требует четкого представления об условиях функционирования как ее элементов, так и самой системы в целом. Определение ПН осуществляется на основе классификации изделий по признакам, характеризующим их назначение, последствия отказов и достижение предельного состояния, особенностям режимов применения и др. Определение классификационных признаков осуществляется путем инженерного анализа.

Основными возможными признаками при задании требований по надежности резервуара будут являться:

— определенность назначения: система конкретного назначения (СКН), имеющая один вариант использования;

— число возможных состояний по работоспособности в процессе эксплуатации: в нашем случае резервуар может быть либо работоспособным, либо неработоспособным, поэтому в соответствии с ГОСТ 27.002-90 относим наше соединение к виду 1;

— режим применения: нефтеналивной резервуар непрерывного длительного применения;

— последствия отказов или достижение предельного состояния: переход в предельное состояние может привести к последствиям катастрофического характера (угрозе жизни и здоровью людей, значи-

тельным экономическим потерям и т. д.);

— по возможности восстановления работоспособного состояния после отказа в процессе эксплуатации: невос-станавливаемый;

— по характеру основных процессов, определяющих переход в предельное состояние: стареющий и изнашиваемый одновременно;

— по возможности и способу восстановления ресурса: ремонтируемый;

— по возможности технического обслуживания в процессе эксплуатации: необслуживаемый;

— по необходимости проведения контроля перед применением изделия: контролируемый перед началом использования.

Таким образом: резервуар - СКН вида 1, непрерывного длительного применения, невосстанавливаемый, необслуживаемый, переход в предельное состояние ведет к катастрофическим последствиям, стареющий и изнашиваемый одновременно, ремонтируемый.

Исходя из полученной характеристики резервуара делаем вывод, что для расчета надежности необходимо использовать показатель безотказности (Р(И;) - вероятность отказа при наработке И;).

Для определения показателей безотказности воспользуемся зависимостью изменения толщины металла с течением времени под влиянием негативных факторов (коррозии). Скорость коррозии определяем исходя из состояния резервуара на момент обследования (21 год).

Тогда дефектность будет равна:

И; = Т0 - Укор • N1, (2)

где т0 - толщина металла (шва), мм; Укор - скорость коррозии, мм/г.; N - год эксплуатации.

Таким образом, зависимость дефектности металла (шва) с течением времени для выводимого на ремонт резервуара отражена на рис. 1.

Рис. 1. Расчетная дефектность выводимого на ремонт резервуара

Теперь есть все необходимые данные для перехода к расчету вероятности возникновения аварийной ситуации на резервуаре.

В данном случае вероятность отказов подчиняется экспоненциальному закону распределения:

Б(иО = ехр^ . (3)

Параметр показательного закона X находим по формуле

МИ;) = 1 / И;, (4)

где и; - уровень дефектности материала в зависимости от времени.

Полученные данные отражены на рис. 2.

ОЛ

сборий/гад

0,32 І 0,28 ОЛ

и

0,2

0,16

0,12

0,08

от

ґ*

>

к-

----------- Коррозш упорного шва

-----------Коррозия окртк дшща

____ ______ Цетч<и пер и шлпкоВых

вк/яочэшй

-----------Подрезы основного металла

О 5 Ю 15 20 25 30 35 М 45 50

Г-----------

Рис. 2. Расчет вероятностей возникновения аварийной ситуации на резервуаре, выводимом на ре-

монт

Для определения оптимального способа ремонта резервуара необходимо проанализировать возможные варианты ремонта и произвести расчет надежности после произведенных работ.

Для данной технологической систе-

мы предложим три варианта восстановительных работ:

— ремонт с использованием наварки дефектных участков металла и швов;

— ремонт с применением замены

дефектных участков металла;

- ремонт с использованием и наварки, и замены дефектных участков металла и шва в зависимости от их состояния.

Первоначально рассчитываем де-

фектности металла (шва) с течением времени для каждого из вариантов ремонтных работ. Полученные данные отражаются на рис. 3.. .5.

60

О 5 Ю 15 20 25 30 35 40 45 50

Г -----~

Рис. 3. Расчет дефектности резервуара, отремонтированного наваркой дефектных участков

Рис. 4. Расчет дефектности резервуара, отремонтированного заменой дефектных участков

60

%

40

і

I 30

и

20

Ю

У

/у У/ *

УУ /У У у/ УУ АУ

уУ / У/ у/

У/ у/ //

V/

1111 1111 і... 1111 1111 1 1 1 1 1111 1111 1 1

Каррозш //парного шва

Ксрразш окраек днища

Цепочки пор и шлаковых Зк/ж/чемл?

Пофезы основного металла

О 5 1(1 15 20 25 30 35 40 45 50

Г ------—

Рис. 5. Расчет дефектности резервуара, отремонтированного и наваркой, и заменой дефектных участков

Можно сделать вывод, что после проведения ремонта, особенно наваркой, происходит значительное снижение количества дефектов, хотя и не до уровня нового резервуара. Естественно, что и уровень надежности должен повыситься, но достаточен ли он будет для продолжения дальнейшей эксплуатации резервуара? Для ответа на этот вопрос произведем расчет вероятности возникновения аварийной ситуации на резервуаре после проведения ремонтных работ различными способами. Полученные данные отражаются на рис. 6.8.

Диагностика на основе оценки рисков обеспечивает существенное повышение надежности сложных технологических сис-

тем, в том числе и резервуаров, снижение количества отказов и сокращение времени, затрачиваемого на их регулярные обследования и обслуживание.

Уровень риска, связанный с различными резервуарами, не одинаков, поэтому контроль с учетом фактора риска концентрирует усилия по диагностированию и обслуживанию тех резервуаров, где риск и возможные последствия наиболее велики.

В соответствии с ГОСТ 27.310-95 отказ (аварийная ситуация) вполне вероятен при Р(и) от 0,01 до 0,1. А высокая вероятность аварийной ситуации наступает при Р(Ц) более 0,11.

0.2

пИпрш/гпй-I 0,12

и

0.08

ОМ

У

//

/У /

*

А //

1 1 1Т 1111 1111 мм 1 1 1 -гп= 1111 1111 1111 1 1 гг

----------- Коррозия цторнпго шда

-----------Коррозия окрсш дмща

____ ______ Цепоч<и пор и тсхадых

Иключтш

-----------Пофезы основного мвталло

О 5 Ю 15 20 25 30 35 40 45 50

Г ----------

Рис. 6. Расчет вероятностей возникновения аварийной ситуации на резервуаре, отремонтированном наваркой дефектных участков

Рис. 7. Расчет вероятностей возникновения аварийной ситуации на резервуаре, отремонтированном заменой дефектных участков

Рис. 8. Расчет вероятностей возникновения аварийной ситуации на резервуаре, отремонтированном и наваркой, и заменой дефектных участков

Таким образом, можно сделать выводы:

- на 10 год эксплуатации резервуара наступает вероятность отказа (Р(и) = 0,01 год-1). Такой уровень опасности считается допустимым и резервуар можно продолжать использовать;

- на 21 год эксплуатации вероятность возникновения аварийной ситуации крайне велика (Р(и) = 0,11 год-1). Необходимо проведение ремонтных работ, так как с каждым последующим годом риск возникновения аварийной ситуации очень сильно возрастает;

- в результате анализа различных технологий проведения ремонтных работ было выявлено, что наварка дефектных участков металла и швов позволяют значительно уменьшить вероятность аварии под влиянием всех рассмотренных видов дефектов и позволяют продлить срок службы резервуара на 8 лет;

- в свою очередь, ремонт с использованием только замены дефектных участков металла не является эффективным средством повышения надежности резервуара, так как не позволяет эффективно влиять на большинство дефектов. Данный способ ремонта применим только в ком-

плексе с другими технологиями;

- наибольшего уровня надежности удалось добиться, применяя ремонт с н ава р к ой и заменой дефектных участков одновременно. Такая технология ремонта позволяет продлить срок службы резервуара на 9,5 лет;

- ремонтные работы, проведенные вовремя, позволят значительно уменьшить вероятность возникновения аварийной ситуации и одновременно продлят срок безопасной эксплуатации резервуара, тем самым повышая его надежность.

Таким образом, накопилось достаточное количество данных для оценки надежности сварного соединения. Методика обоснования норм показателей надежности не зависит от вида показателя, поэтому ПН обозначается одним общим символом Я.

Уровень надежности исследуемого сварного соединения должен быть не ниже некоторого минимального Кт;п с учетом ограничивающих факторов. Ят;п в нашем случае будет областью допустимых значений исследуемых показателей надежности.

Удобно рассматривать один ограни-

чивающий фактор, в качестве которого тивности Е(Я) и стоимости С(Я) изде-

принят наиболее общий - стоимость С. лия от уровня его надежности имеет

В общем случае зависимость эффек- вид, представленный на рис. 9 [6].

В итоге, изменяя технологический процесс сварки исследуемого сварного соединения, будет изменяться распределение дефектов, а определенные в работе показатели и методики расчета будут оставаться постоянными. Следовательно, применив современные компьютерные средства, можно просчитать большое количество возможных технологических решений для обеспечения требуемых показателей стоимости, эффективности и надежности.

Полученные результаты можно отразить с помощью таблиц соответствия.

Таким образом, приведенная методика позволяет:

- рассчитать уровень надежности технологической системы;

- определить наиболее эффективный вариант сочетания факторов, влияющих на технологический процесс сборки-сварки;

- рассчитать наиболее выгодное сочетание затрат на технологический процесс сборки-сварки в зависимости от уровня надежности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бусленко, Н. П. Моделирование сложных систем / Н. П. Бусленко. - М. : Наука, 1987. -399 с. : ил.

2. Бондарь, В. А. Риск, надежность и безопасность. Система понятий и обозначений / В. А. Бондарь, Ю. П. Попов // Безопасность труда в промышленности. - 1997. - №10. - С.39-42.

3. Хубка, В. Теория механических систем / В. Хубка. - М. : Мир, 1987. - 208 с.

4. Горячие трещины при сварке жаропрочных сплавов / М. Х. Шоршов [и др.]. - М. : Машиностроение, 1973. - 224 с. : ил.

5. Занковец, П. В. Управление качеством сварки на основе причинно-следственных связей образования дефектов сварных соединений трубопроводов и металлоконструкций / П. В. Занковец // Сварщик. - 2005. - № 6. - С. 37.

6. ГОСТ 27.003-90. Состав и общие правила задания требований по надежности. - М. : ИПК Изд-во стандартов, 1990.

Белорусско-Российский университет Материал поступил 21.02.2008

A. G. Lypachev, А. N. Chernyi Estimation of technological welding processes of welded constructions from the position of reliability of complex technological systems

Questions of an estimation of technological processes of welding of responsible welded designs from a position of reliability of complex technological systems are considered in the article. The theory of reliability, with reference to welded connection of steel 16Г2АФ is used. The urgency of the problem and application field of the developed estimation algorithm are substantiated.