CC BY
36
Машиностроение и машиноведение
ционной деятельности по управлению 26.Анализ рисков проекта и организационный
качеством услуг // Вестник ИрГТУ. 2011. № 10 (57). С. 232-235.
25.Инвестиции и развитие арендных отношений / Г.Е. Дыкусов и др. // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : VI Меж-дунар. научн.-практ. конф. Иркутск, 2015. С. 105-111.
план / Г.Е. Дыкусов и др. // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : VI Междунар. научн.-практ. конф. Иркутск, 2015. С.256-262.
УДК 620.171:621. 039.548.58
Черепанов Анатолий Петрович,
д. т. н., профессор кафедры «Управление на автомобильном транспорте», Ангарский государственный технический университет, тел. +7 (3955) 53-30-36, e-mail: boning89@mail.ru
ПРИМЕНЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ КОРРОЗИОННОЙ СТОИКОСТИ МАТЕРИАЛА ПРИ ОЦЕНКЕ РЕСУРСА ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
A. P. Cherepanov
EVALUATION OF THE EFFECT OF THE CORROSION RESISTANCE OF THE MATERIAL ON THE RESOURCE OF TECHNICAL DEVICES OF HAZARDOUS PRODUCTION FACILITIES
Аннотация. Рассмотрено применение показателя коррозии и коррозионной стойкости на момент изготовления и первого, затем на момент второго и последующего диагностирования и его изменение при деградации свойств материала, которая появляется в металле под воздействием агрессивных сред, перепадов температуры и давления. Для их определения на любом отрезке жизненного цикла предложено условие, которое применено при оценке ресурса технических устройств. Показан метод оценки ресурса с учетом показателя коррозионной стойкости материала, объемов технического диагностирования и вероятной степени риска в случае отказа или разрушения вследствие снижения толщин стенок ниже допустимых величин или появления в стенках коррозионных дефектов в процессе эксплуатации технического устройства. Показатели коррозии и коррозионной стойкости металла определяют периодически в условиях эксплуатации, учитывая их зависимость от химического состава и структуры металла, состава среды, температуры, вида и величины механических напряжений. Коррозионную стойкость характеризуют количественными показателями, выбор которых определяется видом коррозии по стандартным методикам, и учитывая время достижения допустимой степени коррозионного поражения металла в условиях эксплуатации. По изменению показателей коррозионной стойкости и времени достижения допустимой глубины коррозионного поражения рассчитывают ресурс и определяют срок службы технического устройства.
Ключевые слова: износ, коррозия, коррозионная стойкость, ресурс, техническое устройство.
Abstract. The application of corrosion and corrosion resistance rate at the time of manufacture and first, then at the time of the second and subsequent diagnosis and its modification with degradation of the material properties that appears in the metal under the influence of aggressive media, temperatures and pressure are considered. For their determination at any stage of the lifecycle the condition is proposed, which is applied when assessing resource of technical devices. A method of resource assessment based on the measure of material corrosion resistance, the volume of technical diagnostics and the likely degree of risk in the event of failure or destruction due to the reduction of the wall thickness below an acceptable value or appearance of the corrosion defects in the walls in the operation of technical devices is shown. Indicators of corrosion and corrosion resistance of the metal are determined periodically under operating conditions, given their dependence on chemical composition and metal structure, the composition of the medium, temperature, the type and magnitude of mechanical stress. Corrosion resistance is characterized with quantitative indicators, the choice of which is determined by the type of corrosion by standard methods considering the time to reach acceptable degree of corrosion of metal under operating conditions. Change in the performance of corrosion resistance and the time to reach allowable depth of corrosion helps calculate resource and determine the lifetime of technical devices.
Keywords: wear and tear, corrosion, corrosion resistance, resource, technical device.
Введение
Экспертиза промышленной безопасности технических устройств (ТУ) нефтехимических производств показала, что не менее 91 % сосудов по окончании назначенного срока службы в пределах 20 лет не исчерпали проектных запасов прочности и работоспособны. Около 9 % из них требуют ремонта мест язвенных поражений, усиления или замены отдельных элементов, например патрубков, и только единицы достигли предельно-
го технического состояния (ТС). При среднем сроке эксплуатации 36,2 года, рабочем давлении до 10 МПа и температуре до 300 °С преобладает коррозионный износ, которому подвержены 95,13 % сосудов при взаимодействии с различными химически активными средами [1].
Правила проведения экспертизы промышленной безопасности [2] предусматривают экспертизу ТУ до начала их применения на опасном производственном объекте и далее в процессе их экс-
плуатации до достижения предельного ТС. Однако нормативы, например [3], не содержат требований к оценке ресурса ТУ в исходном состоянии, т. е. до ввода в эксплуатацию, что и определяет актуальность совершенствования методов оценки ресурса.
Многофакторная система оценки ресурса [4] и система оценки запасов прочности [5] открывают новые возможности для совершенствования методов прогнозирования ресурса. Метод, предложенный патентами [5, 7], предусматривает прогнозирование исходного ресурса при изготовлении, текущего и остаточного ресурса по коррозионному износу, степени опасности разрушения и объемам технического диагностирования ТУ. Предусматривает необходимость проведения ресурсно-прочностных исследований (РПИ) по результатам технического диагностирования (ТД), учет влияния на ресурс группы или класса их опасности для окружающей среды, разработку рекомендаций по усилению или замене изношенных элементов ТУ. При определении толщин и сечений основных элементов корпуса учитывается также изношенность сопряженных с ним элементов (патрубков, штуцеров, отводов и т. п.), которые при износе могут быть заменены или усилены обоснованием напряженно-деформированного состояния в зонах их сопряжения с основными элементами корпуса [13].
В работе [8] представлен метод оценки ресурса по коррозионному износу, объемам ТД и степени опасности при разрушении, основанный на фундаментальных научных исследованиях и практических результатах работ [4, 5], а также работ многих других авторов. В работе [3] коррозионный износ применен в качестве показателя, необходимого для прогнозирования ресурса сосудов при снижении толщин стенок элементов или появлении в них коррозионных дефектов. Назначаемый срок безопасной эксплуатации до очередного ТД определяют с учетом тяжести последствий возможного отказа по критериям [4], норм и методов расчета на прочность [10] и выбора расчетных параметров для оценки ресурса [12]. В описаниях изобретений [5, 7] предложено проводить оценку полного, расчетного и остаточного ресурса от момента ТД при изготовлении до достижения предельного ТС по преобладающим факторам износа. При этом предусмотрен учет дефектов, объемов ТД, степени ответственности, характеризующей вероятную степень риска в случае отказа или разрушения, показателя коррозии и коррозионной стойкости материалов и эксплуатационной скорости снижения запаса прочности.
Для представления коррозионного износа стенка сосуда разделена на отдельные составляющие, на рис. 1 показаны обозначения величин, входящих в расчет толщины стенки:
Smin - минимальная толщина стенки обечайки, которая сможет выдержать нагрузку от внутреннего давления;
Sp - расчетная толщина стенки;
SH - исходная толщина стенки;
Sk - фактическая толщина стенки на момент k-го ТД;
Sф max - максимальная фактическая толщина;
Sф min - минимальная фактическая толщина;
Sil+1=Sjli - фактическая толщина стенки на момент последующего ТД;
ASfr - коррозионный износ стенки на момент k-го ТД;
ASjl+1= ASki - коррозионный износ стенки на момент последующего ТД;
ds(+) - верхнее предельное отклонение на толщину листа;
ds(-) - нижнее предельное отклонение на толщину листа;
Dk+ и Dk - максимальная и минимальная ошибка измерения, учитывающая качество подготовки зон контроля, погрешности приборов и измерительных датчиков.
Рис. 1. Величины, входящие в расчет толщины стенки
Машиностроение и машиноведение
В качестве примера приведем определение расчетной толщины стенки цилиндрической обечайки согласно [10]:
_ Рф
ЬР~2^ср-Р • (1)
Минимальная толщина стенки, которая может выдержать нагрузку от внутреннего давления [1], определена формулой:
¿тт = 2.ат(р-Р ■ (2)
Например, при диаметре обечайки внутреннем давлении Р=0,92 МПа и температуре среды 170 °С расчетная толщина, определенная формулой (1), равна Бр=7,9 мм, минимальная толщина, которая может выдержать нагрузку от внутреннего давления, определенная формулой (2), составит $тт =5,26 мм. Прибавка к расчетной толщине для компенсации износа (коррозии) Сд/=Тэ^Ук. задается исходя из условия назначаемого ресурса Тэ=20 лет и скорости коррозии Ук=0,1 мм/год. Исходная (проектная) толщина стенки определена формулой:
(3)
где Ск - конструктивная прибавка, которая, по сути, является избыточностью исходной толщины стенки.
Отношение расчетной толщины (1) к минимальной толщине (2) принято в качестве нормативного запаса толщины стенки на момент наступления предельного ТС и определяется формулой:
п
5 _ % _ 7,9 _
5г,
= 1,5
5,26
(4)
аналогично нормативному запасу прочности, определяемому, как известно, отношением предела текучести материала стенки к допускаемому напряжению пн = = 1,5.
Изобретениями [5, 7] впервые предложено учитывать показатель коррозии и коррозионной стойкости материала [1] при оценке запасов толщины стенки на любом отрезке жизненного цикла ТУ. При эксплуатации запасы толщины стенки, как и запасы прочности, в процессе износа стенки снижаются, а их фиксированные значения за интервалы времени между первым (¿1), вторым (¿2), ..., /-м (£■) ТД при к = 1.. л определяют по результатам РПИ при ТД [8].
Рассмотрим порядок расчета запасов толщины стенки на различных отрезках жизненного цикла ТУ, как принято в работе [8].
Отношение исходной толщины (3) к расчетной толщине (1) принято в качестве запаса толщины стенки от момента изготовления до наступления ПТС:
< = ^7.
¿р
(5)
Отношение исходной толщины (3) к минимальной толщине (2) принято в качестве запаса толщины стенки от момента изготовления до момента разрушения:
п3р = Ч^. (6)
Принятием взамен исходной толщины 5И текущих значений толщины , определяемых через интервалы времени от первого (¿1) ТД до второго (¿2) ТД и далее до /-го (£■) ТД при к=1.../, предложены формулы для оценки фактического (текущего) запаса толщины стенки на любом отрезке жизненного цикла ТУ. При этом учтен показатель коррозии и коррозионной стойкости материала.
Рассмотрим расчет запаса толщины стенки на момент первого ТД при изготовлении (к=1). Отношением толщины стенки к расчетной толщине 5р до наступления предельного ТС запас толщины определен формулой:
(7)
5 ^к=1 пк=1 = Чк=1
Отношением толщины стенки Бк=1 к минимальной толщине Бт1П до вероятного разрушения запас толщины определен формулой:
5к=1
праз = Чк = 1'
(8)
где Ц]1=1 - показатель коррозии и коррозионной стойкости материала, определяемый на момент первого ТД согласно стандарту [1].
Аналогично формулам (6), (7) и (8) рассчитывают запасы толщины стенки на момент второго ТД (к=2) и последующего ТД (к=/). Как известно, на любом отрезке жизненного цикла ТУ его несущие элементы при статической нагрузке должны иметь запасы прочности выше нормативных пн > 1,5, и, соответственно, запасы толщины стенок должны быть не ниже запасов прочности, установленных для статических условий нагруже-ния [5], то есть не ниже пН > 1,5. Таким образом, формулы (6), (7) и (8), по мнению автора, могут быть применимы для оценки прочностного резервирования на любом отрезке жизненного цикла ТУ.
Рассмотрим показатель коррозии и коррозионной стойкости материала, определяемый согласно [1].
Коррозионная стойкость зависит от химического состава и структуры металла, состава среды, температуры, гидро- и аэродинамических условий, вида и величины механических напряжений, а также от типа коррозии (сплошная, язвенная, меж-кристаллитная, коррозионное растрескивание и усталость). Показатели коррозии и коррозионной стойкости металла определяют в заданных усло-
р
виях, учитывая их зависимость от химического состава и структуры металла, состава среды, температуры, гидро- и аэродинамических условий, вида и величины механических напряжений и назначения ТУ. Коррозионную стойкость характеризуют количественными показателями, выбор которых определяется видом коррозии. При этом учитывается время достижения заданной (допустимой) степени коррозионного поражения металла в условиях эксплуатации. С учетом изменения показателей коррозионной стойкости, в первую очередь времени до достижения допустимой глубины коррозионного поражения, во многих случаях определяются сроки службы и, как показано далее, рассчитывается ресурс ТУ.
При линейной зависимости коррозионного эффекта от времени соответствующий скоростной показатель также находят отношением изменения коррозионного эффекта за интервал времени между первым (¿1), вторым (¿2), ..., /-м (¿/) ТД при к = 1... / к величине этого интервала. При нелинейной зависимости коррозионного эффекта от времени скоростной показатель коррозии находят как первую производную по времени графическим или аналитическим способом. Показатели коррозионной стойкости для сплошной коррозии, коррозии пятнами, питтинговой и межкристаллитной коррозии определяют из временной зависимости соответствующего интегрального показателя коррозии графическим способом или аналитически из его эмпирической временной зависимости у = ДО, находя для допустимого (заданного) значения ^доп соответствующую величину ¿доп.
При наличии двух или более видов коррозии на одном образце или ТУ каждый вид коррозии характеризуют собственными показателями. Коррозионную стойкость в этом случае оценивают по показателю, определяющему работоспособность ТУ. Допустимые показатели коррозии и коррозионной стойкости установлены в нормативно-технической документации на материал или ТУ.
В настоящей работе показатели коррозии и коррозионной стойкости металла предложено определять на момент изготовления и первого ТД
величиной дк=1, второго - дк=2 и последующего
Чк=1. Такой подход учитывает изменение коррозии и коррозионной стойкости металла при деграда-ционных процессах, которые появляются в металле под воздействием агрессивных сред, перепадов температуры и давления. Для их определения на любом отрезке жизненного цикла с учетом коррозии и коррозионной стойкости металла [1] предлагается условие:
= /(Лтг; ЛБк; М; в; Ь; ттЛ; т{), (9)
где Ащ - потеря массы на единицу площади за ь
й интервал времени;
АЬ - изменение размеров по потере массы с учетом геометрии образца;
О - степень поражения поверхности металла коррозией пятнами;
Ь - суммарная длина торцов с трещинами для каждого образца;
Тт1 - время до уменьшения массы на единицу площади на допустимую величину за /-й интервал времени Ащ;
Т; - время проникновения на допустимую
(заданную) глубину (А^) за /-й интервал времени;
АЗк - коррозионный износ стенки на
момент к-го ТД.
Сплошная коррозия определяется потерей массы на единицу площади поверхности, которую вычисляют по формуле
щ - щ Ат = ■ 1
(10)
где щ0 - масса образца до испытаний;
т - масса образца после испытаний и удаления продуктов коррозии;
Е - площадь поверхности образца. Изменение размеров по потере массы с учетом геометрии образца, например изменение толщины плоского образца, вычисляют по формуле:
Ат
—, (11) Р
где р - плотность металла.
Степень поражения поверхности металла коррозией пятнами в процентах вычисляют по формуле:
А^ =■
Т" Ъ О = '=1 ' -100,
(12)
где Е/ - площадь /-го пятна;
п - количество пятен.
Допускается при коррозии пятнами определять степень поражения поверхности коррозией с помощью сетки квадратов. Максимальную глубину проникновения питтинговой коррозии определяют:
- измерением механическим индикатором, когда размеры питтинга позволяют осуществлять свободное проникновение игольчатого щупа к его дну;
- микроскопически, после удаления продуктов коррозии измерением расстояния между
Машиностроение и машиноведение
плоскостью устья и дном питтинга (метод двойной фокусировки);
- микроскопически на поперечном шлифе при соответствующем увеличении;
- последовательным механическим удалением слоев металла заданной толщины, например по 0,01 мм, до исчезновения последних питтингов.
Учитывают питтинги с поперечником устья не менее 10 мкм. Суммарная площадь рабочей поверхности должна быть не менее 0,005 м2. Шлиф для измерения максимальной глубины проникновения питтинговой коррозии вырезают из области расположения наиболее крупных питтингов на рабочей поверхности, или обрабатывают шлифованием эту область непосредственно на стенке ТУ. Линия разреза шлифа должна проходить через возможно большее число таких питтингов. Максимальную глубину проникновения питтинговой коррозии находят как среднее арифметическое измерений наиболее глубоких питтингов в зависимости от их количества (п) на поверхности: при п < 10 измеряют 1-2 питтинга, при п < 20 измеряют 3-4 питтинга, при п > 20 измеряют 5 питтингов. Максимальный размер поперечника питтинга определяют с помощью измерительных инструментов или оптических средств. Степень поражения поверхности металла питтингами выражают долей поверхности, занятой питтингами, в процентах. При наличии большого числа питтингов с поперечником более 1 мм рекомендуется степень поражения определять, например, изменением толщины плоского образца М.
Глубину межкристаллитной коррозии определяют металлографическим методом на травленом шлифе, изготовленном в поперечной плоскости образца, на расстоянии от кромок не менее чем 5 мм при увеличении 50 и более. Изменение механических свойств металла при межкристаллитной коррозии - временного сопротивления разрыву, относительного удлинения, ударной вязкости - определяют сравнением свойств образцов металла, подвергавшихся и не подвергавшихся коррозии. Механические свойства образцов металла, не подвергавшихся коррозии, принимают за 100 %.
При коррозионном растрескивании и коррозионной усталости трещины выявляют визуально, с применением оптических или других дефектоскопических средств контроля.
Степень поражения поверхности при расслаивающей коррозии выражают долей в процентах площади с отслаиваниями на каждой
поверхности образца. Суммарную длину торцов с трещинами для каждого образца (Ь) в процентах вычисляют по формуле:
Т" Ь
ь = 100,
П
(13)
где Ь/ - длина участка торца, пораженного трещинами;
П - периметр образца.
Основные количественные показатели коррозионной стойкости против сплошной коррозии при отсутствии специальных требований, например, в части загрязнения среды, определяют по таблице [1].
При сплошной коррозии, образующейся с постоянной скоростью, показатели коррозионной стойкости определяют по формулам:
Ат
(14)
Тт V '
т
Т =А^
Тг = V
(15)
где Уш - скорость убыли массы;
Тт - время до уменьшения массы на единицу площади на допустимую величину Ат;
V - линейная скорость коррозии за /-й интервал времени.
В качестве подобных показателей коррозии с учетом ее вида и механизма могут быть использованы:
- количество выделившегося и (или) поглощенного металлом водорода;
- количество восстановившегося (поглощенного) кислорода;
- увеличение массы образца (при сохранении на нем твердых продуктов коррозии), изменение концентрации продуктов коррозии в среде (при их полной или частичной растворимости);
- увеличение электрического сопротивления, уменьшение отражательной способности, коэффициента теплопередачи, изменение акустической эмиссии, внутреннего трения и др.
При щелевой и контактной коррозии показатели коррозии и коррозионной стойкости выбирают в соответствии с видом коррозии (сплошная или питтинговая) в зоне щели (зазора) или контакта. Для одного вида коррозии допускается характеризовать результаты коррозионных испытаний несколькими показателями коррозии [9].
Рассмотрим влияние показателя коррозии и коррозионной стойкости на запас толщины стенки. По формуле (7) определим запасы толщины
Толщина стенки, мм 5к7 16,0 14,0 10,0 7,9 5,26
Запас толщины при :=1 К 2,03 1,77 1,27 1,0 0,67
Запас толщины при ' =0,8 К 1,6 1,4 1,01 0,8 0,53
Запас толщины до разрушения К 3,04 2,66 1,90 1,5 1,0
стенки при ее снижении от 5и=16 мм до 5мги=5,26 мм. Показатель коррозионной стойкости, изменяющийся за 7-й интервал времени (£■), зададим условно равным = 1 и = 0,8. Данные сведем в табл. 1 и на рис. 2 покажем изменения запаса толщины стенки при ее уменьшении с учетом .
Т а б л и ц а 1
3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50
--""у Зона риска при эксплуатации
-полный запас толщины
Избыточный запас толщины стенки при 4=1,0
-Избыточный загас толщины
5 6 7
в 9 10 11 12 13 14 15 16
Толщина стенки, мм
Рис. 2. Изменения запаса толщины стенки при ее уменьшении
Как видно из табл. 1, запасы толщины стенки в процессе ее износа снижаются по мере уменьшения толщины. Нижняя граница запаса
толщины будет при qki < 1. Зависимости (рис. 2)
показывают, что по мере износа стенки запас толщины достигает ее нормативной величины
= 1,5. В этом случае эксплуатация ТУ должна
быть прекращена и принято решение об усилении или замене изношенных элементов и продолжении эксплуатации либо о замене всего ТУ.
Если в процессе эксплуатации произойдет снижение толщины стенки до 5^=5т7и=5,25 мм, ее
запас составит п^¡п = 1,0, при котором высока вероятность разрушения ТУ.
С принятием запаса толщины стенки отпадает необходимость использования скорости коррозии, как это было принято в [3] из-за отсутствия на них нормативов для различных конструкционных материалов в зависимости от рабочих сред. В том случае, если при эксплуатации развивались
деградационные процессы, связанные с появлением локальных дефектов [4, 5], необходимо проведение РПИ по запасам прочности и запасам толщин стенок с учетом предельных отклонений и ошибок измерения, в том числе по запасам устойчивости, например, для аппаратов колонного типа и резервуаров. В работе [8] запасы толщин стенок приняты в качестве основного показателя для прогнозирования ресурса. Для удобства представления основных параметров ресурса по всем этапам жизненного цикла ТУ в табл. 2 показана их разбивка.
Т а б л и ц а 2 Разбивка основных параметров ресурса на всех этапах жизненного цикла ТУ
Ресурс Толщина Запас толщины Запас прочности
Проектный Тп 5п "п Пп
Исходный Ти 5и "И Пи
Текущий Тк 5к Пк
ОстаточныйТо 9 пН Пн
Разбивкой получено условие снижения ресурса в зависимости от снижения запасов толщины при достижении соответствующего ТС [1] на интервалах времени эксплуатации в зависимости от снижения основных параметров, влияющих на ресурс ТУ:
— толщины стенки
Тп > ТИ > Т| > Т£ > ТПред = = /(5П > 5И > Як > > 5тгп), (16)
^и — ^к — °р запасов толщины стенки
тп > ТИ > Тк > ТО > Тдред
= /(пП > < > «к > < >
ппред)<
(17)
— запасов прочности
Тп > Ти > Тк > То > Тпред = = /(Пп > Пи > Пк > Пн > Ппред). (18)
При ЭПБ ресурс может назначаться ниже, чем это определено условиями (17) и (18), на величину:
Тн =т7п ((Тп, Ткь То)- Тсн), (19)
где Тсн - снижение ресурса, определяемое проектировщиком или экспертной организацией по результатам дополнительных исследований или по экспертной оценке параметров, которое не представляется возможным подтвердить расчетами прочности и ресурса заменяемых или усиливаемых элементов ТУ.
На рис. 3 показана схема модели прогнозирования ресурса ТУ на основе закономерности перехода от исходного и фактического к предельному ТС. Используя результаты первичного ТД,
Машиностроение и машиноведение
Рис. 3. Схема модели прогнозирования ресурса на основе закономерности перехода исходного технического
состояния к предельному техническому состоянию
проводят РПИ и определяют параметры исходного ТС, исходные запасы прочности или запасы толщины стенки на момент изготовления, по которым определяют, а затем назначают исходный ресурс. По окончании назначенного ресурса параметры фактического ТС устанавливают последующим ТД. При этом выявляются дефекты, путем проведения РПИ определяется фактический запас прочности или запас толщины стенки, определяется опасность дефектов и прогнозируемое время до разрушения. Переход к предельному ТС реализуется принятием на момент окончания остаточного ресурса минимально допустимых запасов прочности или запасов толщины, ориентируясь на нормативный запас прочности или запас толщины, выявляется необходимость ремонта или замены изношенных элементов ТУ.
Запас прочности и запас толщины стенки по мере износа определяются как фиксированные величины на конкретные моменты времени эксплуатации. Если за обобщенную характеристику для определения ресурса принять степень износа, которая характеризует изменение запасов прочности от различных видов нагружения, воздействующих на элементы, и запасов толщины при износе стенок в процессе эксплуатации ТУ, то степень износа будет показывать изменение запасов прочности и запасов толщины на заданном отрезке времени эксплуатации [7]. Полная степень износа будет
определять их снижение на весь период эксплуатации, а текущая - за периоды между ТД.
Например, разность между исходным и текущим запасом толщины стенки Лпк = п^- пк показывает его снижение за период времени от начала эксплуатации до текущего ТД, тогда отношение пк/Лпк показывает величину запаса на износ стенки при дальнейшей эксплуатации, которую можно рассчитать по формуле:
гэ _ пк _ пк
(20)
Величина Кк показывает, какой износ стенки до достижения предельно допустимого запаса ее толщины возможен при эксплуатации, и может быть принята в качестве коэффициента безопасности [4]. С использованием величины Кк в работе [1] предложена нелинейная квадратичная зависимость для прогнозирования ресурса.
Применив формулу (20) в качестве подкоренного выражения, получим нелинейную квадратичную зависимость в виде безразмерной величины ресурса от пуска ТУ в эксплуатацию до момента текущего ТД [8], представленную формулой:
=
(21)
При достижении нормативного запаса толщины стенки наступает предельное ТС и эксплуатация сосуда должна быть прекращена до принятия решения о проведении ремонта, усилении, замене изношенных элементов или выводе из эксплуатации.
п
Известно, что сочетание двух и более методов, применяемых при ТД, увеличивает достоверность результатов ТД. Рассмотрим эффективный объем ТД [12], определяемый формулой:
Шк = Ук^ шк, (22)
где Ук - объем контроля, выполненный при ТД;
Ок - параметр, зависящий от уровня технической оснащенности лаборатории неразрушающего контроля на момент проведения ТД, который можно принять в пределах 0,5^1,0.
Используя коэффициент дефектности, степень опасности ТУ в случае разрушения, эффективный объем ТД и подставив их в формулу (21) в качестве понижающих коэффициентов, получим зависимость для расчета текущего ресурса.
Текущий ресурс ТУ в безразмерных величинах при снижении от исходной до текущей толщины стенки [7] определен формулой:
=
М
^„•вкЛчк^
(23)
где Рк - коэффициент дефектности, определяемый в случае обнаружения дефектов.
Зависимостью (23) определяется закономерность перехода от ИТС и ФТС к ПТС по степени коррозионного износа, дефектности, степени опасности разрушения, объемам ТД и предусматривается возможность оценки ресурса замененных и усиленных элементов ТУ.
В качестве примера на рис. 4 показаны зависимости остаточного ресурса ТУ типа сосудов 1, 2, 3 и 4-й групп опасности от текущего запаса прочности в безразмерных величинах. Текущие значения запаса толщины варьировались в пределах 1<пк<2,1 ресурс безопасной эксплуатации ¿=20 лет; степень дефектности в = 0,8; эффективный объем ТД равен Шк =0,4; запас прочности за счет прибавки к расчетной толщине стенки на момент
изготовления (пуска в эксплуатацию) п= 2,0.
В заключение можно сказать, что ресурс необходимо оценивать по наибольшему количеству элементов, которые содержит ТУ, а также по наибольшему количеству факторов, вызывающих износ ТУ, как рекомендовано в работах [4, 5]. При оценке ресурса требуется обработка большого объема информации, которая возможна только при создании компьютерных комплексов обработки результатов ТД и проведения РПИ [14].
Показана возможность оценки ресурса по запасу толщины стенки, определяемому с учетом показателя коррозии и коррозионной стойкости, а не только по скорости коррозии, на которую отсутствуют нормативы для различных конструкционных материалов в зависимости от рабочих сред,
Показано, что по запасам толщин стенок возможно определение прочностного резерва элементов и по наиболее слабому из них - оценка ресурса ТУ.
В дальнейшем результаты работы могут быть направлены на обеспечение надежности и промышленной безопасности котлов, трубопроводов и резервуаров опасных производств и на решение задачи проектирования ТУ на заданный ресурс.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1.
Безопасность России, Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты, Остаточный ресурс безопасной эксплуатации инфраструктур / под общ. ред. Махутова Н. А. М. : Знание, 2013. 512 с.
2. Правила проведения экспертизы промышленной безопасности : федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности : утв. приказом Ростехнадзора от 14.11.2013 № 538.
Текущии запас прочности Рис. 4. Зависимость остаточного ресурса сосудов 1, 2, 3 и 4-й групп опасности от текущего запаса прочности в
безразмерных величинах
5
П
к
ПГ.—П
Машиностроение и машиноведение
3. РД 03-421-01, Методические указания по проведению технического диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов. М. : Промышленная безопасность, 2002. 136 с.
4. Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность: В 2 ч. Ч. 1: Критерии прочности и ресурса. Новосибирск: Наука, 2005. 494 с.
Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность: В 2 ч. Ч. 2: Обоснование ресурса и безопасности. Новосибирск : Наука, 2005. 610 с.
5. Москвичев В.В. Основы конструкционной прочности технических систем и инженерных сооружений: В 3 ч. / Отв. ред. Н.А. Махутов. Ч. 1: Постановка задач и анализ предельных состояний. Новосибирск : Наука, 2002. 106 с.
6. Пат. Рос. Федерации. 2436103. МПК G01N35/00. Способ прогнозирования ресурса объектов повышенной опасности / А.П. Черепанов ; заявитель А.П. Черепанов ; опубл.
10.12.2011. Бюл. № 34.
7. Пат. 2454648 Рос. Федерации, МПК G01M15/00. G01N3/00. Способ прогнозирования ресурса технических устройств / А.П. Черепанов ; заявитель А.П. Черепанов ; опубл.
27.06.2012. Бюл. № 18.
8. Черепанов А.П. Концепция методических рекомендаций оценки ресурса сосудов и аппаратов на основе ресурсно-прочностных исследо-
ваний // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2011. № 11. С. 45-48.
9. ГОСТ 9.908-85. Металлы и сплавы, Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости. М. : ИПК Изд-во стандартов, 1999.
10. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. ГОСТ Р 52857.1-2007 - ГОСТ Р 52857.12-2007 : сборник. М. : Стандартинформ, 2008. 308 с.
11.Cherepanov A.P. Selection of Indicators for Assessment of Overall, Computed, and Remaining Service Lives of Production Equipment // Chemical and Petroleum Engineering. 2011. Vol. 46. Nos. 9-10. PP. 624-630.
12.Cherepanov A.P., Poroshin Y.V. Estimating Service Life of Technical Devices with Due Regard for Efficiency of their Diagnosis // Chemical and Petroleum Engineering. 2010. Т. 46. № 1. Vol. 46. № 1-2. РР.103-108.
13.Черепанов А.П., Колмаков В.П. Современные методы прогнозирования ресурса сосудов и аппаратов и их сравнительный анализ // Безопасность труда в промышленности. 2011. № 7. С. 42-48.
14.Колмаков В.П., Черепанов А.П., Порошин Ю.В. Комплекс компьютерной обработки результатов технического диагностирования // Безопасность труда в промышленности. 2010. № 7. С. 59-63.
УДК 620.22:539.26
Николаева Елена Павловна,
к. т. н., доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов Института авиамашиностроения и транспорта, Иркутский национальный исследовательский технический университет,
тел. 8-914-8950293, e-mail: nicelen@mail.ru Никулин Дмитрий Сергеевич, начальник инструментального отдела Иркутского авиационного завода - филиала ПАО «Корпорация Иркут»,
e-mail: nikulin_ds@irkut.ru
ПРИМЕНЕНИЕ ИННОВАЦИОННЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ
E. P. Nikolaeva, D. S. Nikulin
THE APPLICATION OF INNOVATIVE MEANS FOR QUALITY CONTROL OF THE HIGH-SPEED STEEL TOOLS
Аннотация. В статье проведен анализ современного производства инструмента из порошковых быстрорежущих сталей для обработки титановых сплавов. Авторы заключают, что порошковая металлургическая технология является основным направлением совершенствования микроструктуры. Проанализировано влияние аппаратурного оформления термической обработки на качество материала. В работе дана оценка оборудования, которое применяется для закалки и отпуска быстрорежущих сталей. Отмечены достоинства и недостатки термической обработки в соляных ваннах. Даны рекомендации по выбору технологического оборудования для термической обработки быстрорежущих сталей. Обосновано применение альтернативного способа термической обработки - в вакууме.
Контроль качества термической обработки быстрорежущих сталей заключается в определении главных свойств -твердости и красностойкости. Более полную информацию о микроструктуре позволяет получить измерение остаточных напряжений в поверхностном слое и их распределение по глубине. В экспериментальной части приведены результаты исследования влияния режимов термообработки на структуру и напряженно-деформированное состояние поверхностного
