способ повышения гамма-процентного ресурса изделия
Классы МПК: | G01M17/00 Испытание транспортных средств |
Автор(ы): | Аркадов Геннадий Викторович (RU), Гетман Александр Федорович (RU), Михальчук Александр Васильевич (RU), Казанцев Александр Георгиевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский институт по эксплуатации атомных электростанций" (ОАО ВНИИАЭС) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2013-06-27 публикация патента:
27.09.2014 |
Изобретение относится к методам испытаний, в частности к методам неразрушающего контроля. Способ состоит в том, что выполняют контроль изделия (или группы однотипных изделий) имеющимися (штатными) средствами неразрушающего контроля. Определяют по выявленным несплошностям фактический гамма-процентный ресурс изделия на конец эксплуатации. Сравнивают фактический ресурс с требуемыми значениями гамма-процентного ресурса. Определяют требования к достоверности метода неразрушающего контроля для достижения требуемого значения гамма-процентного ресурса. Подбирают метод неразрушающего контроля с требуемыми характеристиками достоверности. Выполняют контроль изделия новыми подобранными средствами неразрушающего контроля. Выполняют ремонт всех выявленных дефектов (трещин, непроваров, неоднородностей и других дефектов) материала изделия по результатам двух контролей. Достигается гарантированное обеспечение требуемого уровня надежности. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Формула изобретения
1. Способ повышения гамма-процентного ресурса изделия до заданного уровня, состоящий в том, что определяют гамма-процентный ресурс t( кр) изделия по результатам штатного неразрушающего контроля, сравнивают полученное значение с заданным значением [ t( кр)], и в случае t( кр) [ t( кр)] проводят действия, направленные на повышение гамма-процентного ресурса:
- определяют подрост дефекта t за время tк эксплуатации изделия до выбранного критерия достижения гамма-процентного ресурса, например, критического размера кр;
- на конец срока эксплуатации t k определяют вероятность существования в изделии дефектов с размерами ( кр- t) для случая применения штатных методов неразрушающего контроля;
- определяют вероятность существования в изделии дефектов с размерами ( кр- t), которая обеспечивает на конец срока эксплуатации tk изделия требуемый гамма-процентный ресурс для случая применения подобранного метода неразрушающего контроля; при этом в исходном состоянии, т.е. в момент t=0, вероятность определяют по формуле
- на основе полученных значений определяют вероятность Рвод обнаружения дефектов для случая применения подобранного метода неразрушающего контроля, которая необходима для достижения требуемого значения гамма-процентного ресурса [ t( кр)] по формуле:
- подбирают метод неразрушающего контроля, удовлетворяющий полученному значению Рвод;
- выполняют контроль изделия подобранным методом неразрушающего контроля;
- выполняют ремонт всех дефектов материала изделия, выявленных по результатам двух контролей.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве характеристического размера дефекта выбирается линейный размер дефекта, или комбинация линейных размеров дефекта, или площадь дефекта, или объем дефекта.
Описание изобретения к патенту
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способам испытаний, в частности для оценки и повышения показателей долговечности изделия, точнее - гамма-процентного ресурса изделия. Изобретение может применяться в транспорте, атомной и традиционной энергетике, авиации, судостроении, нефтехимии, нефте-, газо- и продуктопроводах, сельскохозяйственных машинах и других областях техники и машиностроения.
Уровень техники
Из уровня техники известно большое число способов определения гамма-процентного ресурса. Гамма-процентный ресурс - это ресурс, в течение которого изделие не достигнет предельного состояния с вероятностью , выраженной в процентах (ГОСТ 53480-2009 Надежность в технике. Термины и определения).
Существующие методы оценки гамма-процентного ресурса изделия основаны на формально-математических подходах, в которых не учитываются реальные оставшиеся в изделии дефекты. Например, в рамках существующих теорий надежности фактический уровень гамма-процентного ресурса изделия определяют по результатам математической обработки так называемого потока отказов однотипных изделий, находящихся в эксплуатации (Острейковский В.А. «Эксплуатация атомных станций», Москва, Энергоатомиздат, 1999 г., раздел 3.5: «Методы анализа несплошностей оборудования АЭС»). Недостаток таких подходов состоит в том, что находящиеся в эксплуатации изделия должны повредиться или разрушиться, прежде чем можно будет оценить их фактический уровень надежности и безопасность. По результатам эксплуатации определяют слабые места (места разрушения) элемента конструкции и разрабатывают технологии повышения ресурсоспособности этих мест (что не всегда и не сразу дает желаемый результат).
В качестве прототипа выбран способ определения качестве изделий, раскрытый в патенте RU 2243586 C1 (опубликован 27.12.2004). Данный способ позволяет определять остаточную дефектность. Однако данный способ не позволяет определять параметры надежности изделия, в частности гамма-процентный ресурс, и их изменение в ходе эксплуатации изделия. В результате данный способ не позволяет обосновывать применение тех или иных методов доработки изделия и повышать тем самым показатели надежности изделия.
Раскрытие изобретения
Задача, которую решает данное изобретение, состоит в повышении эксплуатационных качеств изделий за счет обоснованного применения методов неразрушающего контроля.
Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в том, что оно позволяет подобрать технологию (методы и средства) неразрушающего контроля, которая гарантировано обеспечит требуемый уровень гамма-процентного ресурса изделия в ходе эксплуатации. Дополнительными техническими результатами являются упрощение испытаний и повышение достоверности.
Способ повышения гамма-процентного ресурса изделия до заданного уровня состоит в том, что:
- выполняют контроль имеющимися (штатными) средствами неразрушающего контроля изделия (или группы однотипных изделий);
- определяют по выявленным несплошностям его фактический гамма-процентный ресурс на конец эксплуатации,
- сравнивают фактический ресурс с требуемыми значениями гамма-процентного ресурса,
- определяют требования к достоверности неразрушающего контроля для достижения требуемого значения гамма-процентного ресурса,
- подбирают средства неразрушающего контроля с требуемыми характеристиками достоверности контроля,
- выполняют контроль изделия новыми средствами неразрушающего контроля,
- выполняют ремонт всех выявленных дефектов (трещин, непроваров, неоднородностей и других дефектов) материала изделия по результатам двух контролей.
Краткое описание чертежей
На ФИГ.1 представлены кривые остаточной дефектности в координатах (логарифм вероятности Р существования в изделии дефекта глубиной - размер дефекта а) до начала эксплуатации и в конце эксплуатации при разных технологиях (методы и средства) неразрушающего контроля.
На ФИГ.2 изображена схематизация дефекта в трубопроводе эллипсом с полуосями a и с.
На ФИГ.3 показана совокупность дефектов критических и допустимых размеров.
На ФИГ.4 показана гистограмма выявленных в изделии дефектов, кривые исходной и остаточной дефектности.
На ФИГ.5 показан график зависимости вероятности обнаружения дефектов Рвод от линейного размера дефекта a .
Осуществление изобретения
Предельные состояния изделий (механических изделий), как правило, связаны с дефектами металла (или другого конструкционного материала), из которого изготовлено изделие. В соответствии с существующими правилами и нормами в технике устанавливаются допустимые размеры несплошностей, превышение которых запрещено. Такие несплошности называются дефектами. Дефекты, в случае их обнаружения методами неразрушающего контроля, устраняются ремонтом. В процессе эксплуатации несплошности и дефекты материала изделия могут развиваться и увеличиваться в размере, приводя к окончательной поломке или разрушению изделия. Для своевременного выявления опасных несплошностей применяют неразрушающий контроль.
Считается, что после проведения неразрушающего контроля и ремонта по его результатам всех выявленных дефектов в изделии отсутствуют дефекты. При этом считается, что надежность и безопасность изделия в эксплуатации обеспечена (см., например, нормативные документы в области атомной энергетики: «Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок» ПНАЭГ-7-008-89, «Оборудование и трубопроводы атомных энергетических установок. Сварные соединения и наплавки. Правила контроля» ПНАЭГ-7-010-89, Госатомнадзор России, Энергоатомиздат, 1991 г.).
На самом деле в настоящее время в технике практически отсутствуют методы и средства неразрушающего контроля, гарантированно, со 100%-ной достоверностью выявляющие все дефекты. Поэтому всегда имеется определенная вероятность пропуска дефекта, в том числе и дефекта, представляющего опасность (то есть развитие которого во время эксплуатации приведет к повреждению изделия или его разрушению). Известно (например, Аркадов Г.В., Гетман А.Ф., Родионов А.Н. Надежность оборудования и трубопроводов АЭС и оптимизация их жизненного цикла, М., Энергоатомиздат, 2010.; Гурвич А.К. «Надежность дефектоскопического контроля как надежность комплекса «Дефектоскоп-оператор-среда», Дефектоскопия, 1992 г., № 3, с.5-13), что практически во всех случаях неразрушающего контроля имеется существенная вероятность пропуска дефекта больших размеров, существенно превышающих допустимые размеры. На практике оказывается, что практически всегда после неразрушающего контроля и устранения выявленных дефектов в изделии еще остаются дефекты. Именно эти оставшиеся дефекты в конечном итоге и определяют надежность и долговечность изделия.
Повышение гамма-процентного ресурса изделия настоящим изобретением предлагается осуществлять с использованием неразрушающего контроля (например, ультразвукового, вихретокового, радиографического и других методов) изделия или группы изделий (деталей, элементов конструкций и т.п.) и ремонта изделия по результатам контроля.
Схема осуществления способа выглядит следующим образом:
- выполняют контроль изделия (или группы однотипных изделий) имеющимися (штатными) средствами неразрушающего контроля;
- определяют по выявленным несплошностям фактический гамма-процентный ресурс изделия на конец эксплуатации;
- сравнивают фактический ресурс с требуемым значением гамма-процентного ресурса;
- определяют требования к достоверности метода неразрушающего контроля для достижения требуемого значения гамма-процентного ресурса;
- подбирают метод неразрушающего контроля с требуемыми характеристиками достоверности;
- выполняют контроль изделия новыми подобранными средствами неразрушающего контроля;
- выполняют ремонт всех выявленных дефектов (трещин, непроваров, неоднородностей и других дефектов) материала изделия по результатам двух контролей.
Определение гамма-процентного ресурса осуществляют следующим образом: определяют дефектность изделия путем неразрушающего контроля, определяют вероятность выявления дефектов путем неразрушающего контроля и определяют вероятностную кривую остаточной дефектности изделия.
Для конкретного изделия или группы m однотипных изделий определяют критические размеры кр дефектов в режиме эксплуатации и допустимые в эксплуатации размеры [ ]д.э. дефектов, результаты контроля представляют в виде гистограммы в координатах (Nобн, ), Nобн - число обнаруженных при контроле дефектов, - характеристический размер дефекта. При контроле m однотипных изделий результаты контроля суммируют и представляют в виде одной гистограммы.
Определяют вероятность обнаружения дефектов Рвод, определяют исходную дефектность N исх=f( ), определяют остаточную дефектность Nост= ( ) как разность Nисх и Nобн.
Остаточную дефектность разделяют на достоверную часть д и вероятностную часть > д, где - характеристический размер дефекта, д - размер дефектов на границе между достоверной и вероятностной частями. Полученную вероятностную часть остаточной дефектности принимают за начальную кривую остаточной дефектности, которая сдвигается вправо на графике в координатах (lgPa ; ), где Ра - вероятность существования в изделии дефекта размером , за счет развития дефектов в эксплуатации. Величину развития дефекта определяют расчетным путем в зависимости от механизма и условий эксплуатации.
Полученную новую кривую принимают за конечную кривую остаточной дефектности, и по ней определяют значения гамма-процентного ресурса по критериям либо появления недопустимого в эксплуатации дефекта, либо по критерию разрушения, при этом в первом случае используют уравнение:
t([ ]д.э.)=[1-Рр( д.э.)]×100%, а во втором случае уравнение
t( кр)=[1-Pp( кр)]×100%.
Способ построения вероятностной кривой остаточной дефектности описан, например, в патенте RU 2243586 C1 (опубликован 27.12.2004).
По кривой остаточной дефектности определяют фактический гамма-процентный ресурс на конец срока эксплуатации изделия (или на любой другой заданный срок эксплуатации tк), для чего определяют с использованием известных методов механики разрушения (например, см. монографию Аркадов Г.В., Гетман А.Ф., Родионов А.Н., 2010 г.) положение кривой остаточной дефектности на конец срока эксплуатации tк и по этой кривой определяют гамма-процентный ресурс по формуле:
t( кр)=[1-Pp( кр)]×100%,
где Pp ( кр) - вероятность существования в изделии дефекта критического размера кр на конец времени эксплуатации tk , a - обобщенная геометрическая характеристика дефекта, которой может быть его площадь, линейный размер a или с, объем дефекта и т.п.
Сравнивают фактический гамма-процентный ресурс t( кр) с требуемыми значениями гамма-процентного ресурса [ t( кр)]. В случае если t( кр) [ t( кр)], то выполняют действия для его повышения до требуемого уровня [ t( кр)] следующим образом.
Определяют требования к достоверности неразрушающего контроля Рвод (в области размеров дефектов, близких к критическим размерам), необходимые для достижения требуемого значения гамма-процентного ресурса [ t( кр)] по формуле:
Рвод ( кр- t)=1-{Pa норм{( кр- t), t]}/{Pa исх[( кр- t), t]}, в которой:
t - подрост дефекта за время эксплуатации t к до критического размера кр определяется методами механики разрушения в зависимости от условий эксплуатации изделия и механизмов роста дефекта;
Pa исх[( кр- t), t] - вероятность существования дефектов с размерами ( кр- t) на конец срока эксплуатации tk в случае контроля штатными методами неразрушающего контроля;
Pa норм[( кр- t), t] - вероятность существования дефектов с размерами ( кр- t), обеспечивающая на конец срока эксплуатации tk требуемый гамма-процентный ресурс в случае контроля специально подобранными методами неразрушающего контроля. В исходном состоянии (т.е. при t=0) Pa норм[( кр- t), t=0]=1-[ t( кр)]/100.
Далее подбирают средства неразрушающего контроля (оборудование и методы) с требуемыми характеристиками достоверности контроля, например, путем изготовления тест-образца со скрытыми дефектами и определения на нем вероятности выявления дефектов с применением различных существующих средств и методов неразрушающего контроля.
После этого выполняют контроль изделия новыми средствами неразрушающего контроля, по итогам повторного контроля выполняют ремонт всех выявленных дефектов (трещин, непроваров, неоднородностей и других дефектов) материала изделия по результатам двух контролей.
Выше описан способ повышения гамма-процентного ресурса по критерию разрушения изделия. Однако этот же способ применяется и для гамма-процентного ресурса по критериям появления недопустимого в эксплуатации дефекта [ ]д.э или появления течи. В этом случае вместо кр используют [ ]д.э или =s, соответственно (где s - толщина стенки сосуда или трубопровода давления).
ФИГ.1 иллюстрирует тот факт, что определенная описанным выше способом кривая остаточной дефектности принимается за исходную (то есть на момент оценки, например, до начала эксплуатации и до ремонта по результатам штатного неразрушающего контроля) остаточную дефектность (кривая 1 на фиг.1). Эта кривая в случае ремонта выявленных штатным методом неразрушающего контроля сместится в положение 2 (кривая 2 на ФИГ.1). Эта кривая за время эксплуатации tк (за счет того, что дефекты подрастут) сдвинется вправо (ФИГ.1, кривая 3). Новую кривую остаточной дефектности принимают за конечную кривую остаточной дефектности в случае ремонта дефектов, выявленных штатным неразрушающим контролем. По этой кривой можно определить вероятность достижения дефектом критического размера aкр, которая на ФИГ.1 равна 10-4. Цифрой 4 на ФИГ.1 обозначена кривая остаточной дефектности, которую надо обеспечить новыми средствами неразрушающего контроля, чтобы гамма-процентный ресурс достиг требуемого (нормативного) значения 99,999% (этому значению соответствует вероятность разрушения на конец срока эксплуатации Рр=Ра=0,00001 (точка f на ФИГ.1).
На ФИГ.2 показана схематизация плоских дефектов и их линейные размеры a и с.
Совокупность дефектов критических размеров (кривая 3), допустимых в эксплуатации размеров (кривая 2), а также допустимые размеры несплошностей при изготовлении (кривая 1) изображены на ФИГ.3.
Результаты неразрушающего контроля, представленные в виде гистограммы, и кривые остаточной дефектности и исходной (до неразрушающего контроля) дефектности представлены на ФИГ.4 (кривые 1, 2 и 3 соответственно).
На ФИГ.5 показаны характеристики штатного (кривая 1) и нового (кривая 2) методов неразрушающего контроля.
Изобретение иллюстрируется следующим примером.
Имеется трубопровод внутренним диаметром D=800 мм толщиной стенки S=34 мм из перлитной стали. Критические размеры дефектов в поперечных сварных швах представлены на ФИГ.3 (кривая 3). Допустимые в эксплуатации дефекты определили с использованием уравнений механики разрушения и коэффициентов запаса прочности (кривая 2 на ФИГ.3). Нормы дефектов при изготовлении представлены на ФИГ.3 кривой 1.
По результатам штатного неразрушающего контроля, который характеризуется вероятностью выявления дефектов Рвод в соответствии с кривой 1 на ФИГ.5, определили, что вероятность достижения критического дефекта на конец срока эксплуатации равна 0,0001 (точка d на ФИГ.1), что соответствует t( кр)=(1-0,0001)*100%=99,990% при требуемом (нормативном) значении [ t( кр)]=99,9990%.
Необходимо повысить гамма-процентный ресурс на конец проектного или заданного срока эксплуатации трубопровода до величины [ t( кр)].
В результате неразрушающего контроля штатным методом и средствами до начала эксплуатации (после изготовления и монтажа) были выявлены несплошности (дефекты), которые представлены в виде гистограммы на ФИГ.4.
При этом в качестве характеристического размера дефекта выбрана ширина дефекта в направлении толщины стенки, а точнее - малая полуось эллипса a, которыми схематизировали все выявленные дефекты.
При соотношении a/с 0,5 (соотношение, при котором дефекты имеют максимальную скорость и первыми могут достигнуть критических значений во время эксплуатации) критическому размеру дефекта соответствует a кр=28 мм, [a]д.э=11 мм, [a ]изг.=1,15 мм (фиг.2).
Несмотря на то что максимальный размер выявленного дефекта составил a макс.=13 мм, ось абсцисс содержит критический размер a=28 мм.
По результатам контроля вероятностные части остаточной дефектности до начала эксплуатации и ремонта выявленных дефектов (кривая 1 на ФИГ.1), после ремонта выявленных штатным методом неразрушающего контроля дефектов до начала эксплуатации (кривая 2 на ФИГ.1) и на конец срока эксплуатации (кривая 3 на ФИГ.1). Определяют соответствующие вероятности разрушения (точки этих кривых для aкр). Способ определения (построения) вероятностных частей остаточной дефектности описан в патенте RU 2243586 C1 (опубликован 27.12.2004).
Во время эксплуатации дефекты будут расти. Механизм роста может быть различным в зависимости от условий эксплуатации. В нашем случае превалирует рост дефектов под действием циклических нагрузок. В этом случае используем уравнение типа:
,
в котором:
С и m - постоянные, зависящие от материала и условий эксплуатации;
R - коэффициент асимметрии цикла, для цилиндра давления равен 0;
K1 - размах коэффициента интенсивности напряжений.
Коэффициент интенсивности напряжений при неоднородном распределении напряжений в районе трещины определяют по уравнению:
К1=Y* кр*(a/1000)0,5,
где
Y=(2-0,82(a/c))/[1-(0,89-0,57(a/c)0,5 )3(a/c)l,5]3,25,
A - напряжение в вершине трещины;
B - напряжение на поверхности детали в корне трещины.
Для частного случая .
Интегрируя приведенное выше выражение, его можно представить в виде:
Подставляя в выражение предыдущие выражения и решая его относительно конечного размера трещины a к, можно определить подрост трещины aN под воздействием N циклов нагружения.
Определяя указанным способом подрост дефектов для верхней, средней и нижней частей начальной кривой остаточной дефектности для числа циклов нагружения на конец проектного срока эксплуатации, получим конечную кривую остаточной дефектности (кривая 3 на ФИГ.1).
При этом начальный дефект размером 25,7 мм за срок эксплуатации дорастет до дефекта критического размера, то есть величина подроста составит aN=2,3 мм (точка с переместится в точку d).
По конечной кривой остаточной дефектности (кривая 3 на ФИГ.1) определяем гамма-процентный ресурс трубопровода по критерию разрушения (разрыва) - точка d на кривой 3 ФИГ.1 (гамма-процентный ресурс по критерию обнаружения недопустимого дефекта здесь не рассмотрен, однако действия в этом случае аналогичные)
t([ ]д.э.)=1-Рр(aд.э. ) и t( кр)=1-Рр(aкр),
или, для представления вероятностей в процентах, величины t необходимо умножить на 100%. Проводя указанные вычисления, окончательно получаем:
гамма-процентный ресурс на конец проектного срока эксплуатации по критерию разрушения трубопровода
t( кр)=1-Рр(aкр)×100%=1-(1*Е-4)×100%=99,990%,
что ниже требуемого (нормативного) значения [ t( кр)]=99,9990%.
Для обеспечения требуемого значения гамма-процентного ресурса необходимо снизить остаточную дефектность до положения кривой 4 на ФИГ.1, на которой точка е соответствует величине a=25,7 мм и вероятности Ра-10-5. За время эксплуатации tk точка е переместится в точку f за счет подроста во время эксплуатации до величины критического размера 28 мм. Это означает, что разрушение произойдет с вероятностью 10-5.
Снизить остаточную дефектность до положения кривой 4 на ФИГ.1 можно, если провести контроль изделия методами и средствами неразрушающего контроля, которые обеспечивают вероятность выявления дефектов в районе a=25,7 мм на уровне:
Рвод ( кр- t)=1-{Pa норм{( кр- t), t=0]}/[Pa исх[( кр- t), t=tk]}=
=1-(0,00001/0,0002)=(1-1/20)=1-0,05=0,95,
то есть вероятность Pa норм[( кр- t), t=0] соответствует точке е на ФИГ.1, а вероятность Pa исх[( кр- t), tк] - точке k; вероятность обнаружения дефектов должна соответствовать кривой 2 на ФИГ.5.
Для подбора средств неразрушающего контроля (методы и технические средства) с требуемыми характеристиками достоверности контроля используют (изготавливают) тест-образец со скрытыми дефектами и определяют на нем вероятности выявления дефектов с применением различных существующих средств и методов неразрушающего контроля.
После подбора необходимых средств неразрушающего контроля выполняют повторный контроль изделия новыми средствами неразрушающего контроля и производят ремонт изделия по результатам двух неразрушающих контролей.
Проконтролированное и отремонтированное описанным выше изделие (трубопровод) будет иметь гамма-процентный ресурс не ниже 99,9990%, а в действительности еще более высокое значение, так как в описанном варианте не учтено положительное влияние на надежность штатного метода неразрушающего контроля и ремонта по его результатам.
Для того чтобы учесть влияние штатного неразрушающего контроля, необходимо в качестве исходной кривой остаточной дефектности принять кривую 2 на ФИГ.1, то есть кривую до начала эксплуатации, но для отремонтированного трубопровода по результатам штатного контроля. В этом случае требования к достоверности контроля снизятся и составят для a=25,7 мм:
Рвод( кр- t)=1-{Pa норм[(aкр - at), t=0]}/{Pa исх после штатн НК [aкр- at), t=0]}=1-(0,00001/0,0001)=(1-1/10)=1-0,1=0,90.
После ремонта всех выявленных дефектов гамма-процентный ресурс трубопровода будет удовлетворять нормативным требованиям.
Класс G01M17/00 Испытание транспортных средств