Проблемы прогнозирования работоспособности конструкций по данным НК - Неразрушающий контроль | Форум Дефектоскопист
Неразрушающий контроль | Форум Дефектоскопист Territoriya_NDT
Вернуться   Неразрушающий контроль | Форум Дефектоскопист > Форум Дефектоскопист > Статьи о дефектоскопии


Старый 11.10.2015, 21:13   #1
В мире НК
Бывалый
 
Аватар для В мире НК
 
Регистрация: 10.06.2013
Сообщений: 268
Благодарил(а): 0 раз(а)
Поблагодарили: 11 раз(а)
Записей в дневнике: 1
Репутация: 15
По умолчанию Проблемы прогнозирования работоспособности конструкций по данным НК

Проблемы прогнозирования работоспособности конструкций по данным НК

Об авторах

Коллектив сотрудников ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», Санкт-Петербург:



Варовин Андрей Яковлевич
Начальник сектора, к. т. н.

Карзов Юрий Яковлевич
Заместитель Генерального директора, действительный член Инженерной АН России, д. т. н.

Марголин Борис Захарович
Начальник лаборатории, д. т. н.

Введение

На стадии проектирования любой конструкции выполняется расчетное обоснование ее прочности и ресурса. Проектирование, изготовление и эксплуатация оборудования базируются на ранее накопленном опыте и знаниях, и в большинстве случаев это позволяет избежать существенных просчетов, но и они вполне возможны. Во-первых, не все факторы учитываются в расчетах. В частности, это относится к дефектам технологического происхождения, без которых, как известно, изготовить конструкцию невозможно. Любой такой дефект является концентратором напряжений, а, значит, приводит к повышению нагрузки на материал и к снижению прочности и долговечности конструкции. Во-вторых, не все факторы можно учесть, т. к. наши знания ограничены. Наиболее существенные просчеты такого рода возникают в тех случаях, когда в новой конструкции используются новые решения, и следствием этого является смена доминирующего механизма повреждения материала, для которого, в отсутствие прецедентов, расчетный анализ прочности и долговечности при проектировании не был предусмотрен.

Так или иначе, но следует учитывать, что в конструкции могут появиться дефекты, которые не рассматривались при проектном обосновании прочности и долговечности. Их развитие может привести к преждевременному и неожиданному отказу из-за потери жесткости конструкции, ее герметичности, прочности и т. д. Именно поэтому для ответственных конструкций предусматривается контроль сплошности металла как при изготовлении, так и в процессе эксплуатации.

Обеспечение работоспособности и безопасности эксплуатации конструкций является главной целью всех проверок, в том числе и НК. Последний требует времени, трудозатрат, а в ряде случаев — разработки и создания специального оборудования, так что его проведение должно быть оправдано. Всегда ли он необходим настолько, чтобы идти на расходы, связанные с выполнением контроля, с удлинением производственного цикла при изготовлении и с простоем оборудования на период контроля при эксплуатации? Каким требованиям должен удовлетворять контроль сплошности металла? Принципиальные ответы на эти вопросы диктуются задачей, которая должна быть решена при эксплуатационном контроле сплошности металла.

При проектировании конструктор рассчитывает на то, что свойства реального материала и уровень технологической дефектности будут максимально близки к тем, которые можно обеспечить при достигнутом уровне производства и которые заложены в обоснование срока службы. Соответственно, при изготовлении оборудования главной задачей контроля является проверка соблюдения технологии изготовления полуфабрикатов и элементов конструкции. Поэтому на этой стадии нужно стараться найти по возможности все дефекты, которых принципиально можно избежать при строгом соблюдении технологии, т. к. появление таких дефектов свидетельствует об отклонениях технологических режимов от заданных. И нормы допускаемых дефектов следует принимать достаточно жесткими, хотя при этом неизбежно придется поступиться гарантиями выявления и точностью оценки дефектов малого размера. При этом нормы допустимых дефектов целесообразно принимать одинаковыми для всех однотипных и близких по размерам узлов независимо от того, где такой узел, например, сварной шов, будет расположен в конструкции.

На стадии эксплуатации возможности контроля и ремонта, как правило, значительно меньше, чем при изготовлении. В то же время, эксплуатационный контроль периодически повторяется, так что гарантии работоспособности и безопасности могут быть ограничены не полным проектным сроком службы, а межконтрольным периодом. Поэтому при эксплуатационном контроле целесообразно пойти на увеличение размеров допускаемых дефектов до пределов, при которых еще можно гарантировать работоспособность оборудования хотя бы до следующего контроля. Но при этом необходимо обеспечить достаточно высокие гарантии того, что недопустимые дефекты будут своевременно выявлены.

Размер критической трещины при хрупком разрушении в первом приближении пропорционален квадрату отношения вязкости разрушения к приложенным напряжениям [1]. Следовательно, даже для однотипных по конструкции и размерам узлов нормы допустимых дефектов должны быть разными в зависимости от того, где этот узел находится в конструкции, т. к. от этого может очень сильно зависеть уровень рабочих нагрузок. Например, максимальные рабочие напряжения в сварных швах корпуса реактора ВВЭР-1000 различаются более чем в 3 раза. Соответственно, размеры критических трещин в них отличаются в 10 раз и более. Кроме того, со временем под действием эксплуатационных нагрузок может происходить деградация свойств материала, значит, размер допускаемого дефекта должен зависеть от времени эксплуатации. Этот фактор может быть очень существенным. Например, радиационное охрупчивание материала корпуса реактора ВВЭР-1000 приводит к уменьшению вязкости разрушения в 2 раза. Соответственно, размер критического дефекта к концу проектного срока службы уменьшается более чем в 4 раза. Для других реакторов типа ВВЭР, имеющих более высокий флюенс нейтронов, уменьшение размера критической трещины может достигать 10 раз и более. Очевидно, что указанные факторы весьма существенны и должны учитываться при эксплуатационном контроле.

Таким образом, производственный и эксплуатационный НК существенно различаются. В данной работе рассмотрены проблемы контроля на стадии эксплуатации.

Анализ системы оценки текущего состояния конструкции

Контроль сплошности металла оборудования включает в себя собственно поиск дефектов и принятие решения по результатам поиска. Принципиально и при изготовлении, и при эксплуатации можно рассматривать каждый конкретный случай и оценивать допустимость каждого обнаруженного дефекта по результатам отдельного расчета прочности для обнаруженного дефекта. Однако при таком подходе решение вопроса превращается в исследовательскую работу. Поэтому общепринята практика, когда решение принимается путем сравнения параметров обнаруженных дефектов с нормами допускаемых дефектов. Строго говоря, дефекты, превышающие нормы, должны быть устранены, а остальные - пропущены без исправления. При отсутствии недопустимых дефектов конструкция считается годной к эксплуатации.

Рассмотрим, какие основные ошибки и проблемы возникают при такой процедуре принятия решения о состоянии конструкции.

1. Фактически принимается, что, если дефект не обнаружен, то его нет. Этот вывод далеко не всегда справедлив. Даже при автоматическом контроле, когда исключен «человеческий фактор», далеко не все параметры детерминированы, и обнаружение дефекта имеет вероятностный характер.

2. Для всех обнаруженных дефектов определяются размеры и другие параметры для сравнения с нормами допускаемых дефектов. Ошибка в оценке размеров обнаруженного дефекта ведет к ошибке в квалификации дефекта как допустимого или недопустимого.

Эти две ошибки обусловлены в основном недостатками методик и средств контроля и размерами дефекта. При прочих равных условиях вероятность ошибки тем больше, чем меньше дефект.

3. Ошибка в назначении размеров допустимых дефектов ведет к ошибке решения, принимаемого по результатам контроля. Завышенные требования ведут к неоправданному ремонту, а заниженные - к отказу оборудования в процессе эксплуатации. Кроме того, как уже отмечено, уменьшение размера допустимых дефектов ведет к снижению надежности их обнаружения, что снижает достоверность принятого решения. Устранение этой ошибки относится в основном к сфере анализа прочности.

4. Для проведения расчета прочности конструкции с дефектом зачастую надо знать те параметры дефекта, которые нельзя получить средствами и методами НК. Получается, что контроль выполнен, а построить по его результатам прогноз прочности нельзя. Решение этой проблемы требует совершенствования как методик контроля, так и подходов к прочностному анализу.

Основным средством оценки и прогноза работоспособности является расчет прочности, так что НК должен быть подчинен решению задачи информационного обеспечения такого расчета. В свою очередь прочностной анализ должен дать указания, где, когда и какие дефекты надо найти. Анализ прочности при наличии дефектов является достаточно обширной областью знаний. В данной статье рассмотрены только те аспекты проблем расчета на прочность, которые непосредственно связаны с проблемами выявления и оценки дефектов.

Рассмотрим, когда и зачем следует прибегать к НК в процессе эксплуатации.

Само отсутствие отказа свидетельствует о том, что в конструкции нет дефектов, которые сказываются на ее работоспособности. А дефекты, которые не мешают нормальному функционированию оборудования, вообще говоря, могут быть оставлены без исправления. Поэтому простейшим способом решения вопроса о дефектах является эксплуатация до тех пор, пока появившийся дефект не проявится. В большинстве случаев так и поступают с элементами и узлами, отказ которых из-за появления дефекта не приводит к тяжелым последствиям, восстановительный ремонт можно выполнить достаточно легко и быстро, и затраты на него меньше, чем на НК.

В ряде случаев размеры дефектов, являющихся критическими по критерию целостности оборудования, во много раз превышают размеры тех дефектов, которые реально могут появиться. Например, по правилам изготовления оборудования атомных энергетических установок (АЭУ) технологические дефекты ограничены нормами [2] и не превышают 3 ÷ 5 % от толщины стенки элемента. При этом для трубопроводов практически реализуется концепция «течь перед разрушением», т. е. глобальное разрушение невозможно даже при появлении сквозной трещины в стенке трубопровода [3]. Понятно, что нельзя гарантировать, что при изготовлении не только не возникнут, но и по каким-то причинам будут пропущены дефекты, превышающие допустимые. Однако даже с учетом развития таких дефектов под действием эксплуатационных нагрузок трудно объяснить, как могут появиться трещины, близкие по размерам к толщине стенки элемента. В тех случаях, когда исключен механизм коррозионного растрескивания, с достаточными основаниями можно считать, что появление таких дефектов маловероятно, т. к. для этого просто нет реальных механизмов.

В объем периодического контроля состояния ответственных конструкций включается проверка пробной нагрузкой, которая превышает эксплуатационные нагрузки. Так все оборудование I контура АЭУ подвергается периодическим гидравлическим испытаниям на прочность [4]. Давление в этом режиме больше, а температура, как правило, ниже, чем в режимах эксплуатации. В том случае, если во всех режимах в районе дефекта напряжения выше, а температура ниже, чем при гидроиспытаниях, условия для хрупкого разрушения сосуда давления или течи трубопровода при испытаниях наиболее благоприятны. Следовательно, если разрушение и течь не возникли при гидроиспытаниях, то они невозможны и в любом эксплуатационном режиме. Тогда на основании положительного результата испытаний можно утверждать, что в элементе нет дефектов, которые являются критическими для эксплуатационных режимов.

Таким образом, зачастую заключение о возможности продолжения безопасной эксплуатации конструкции можно получить и без НК. Однако при этом надо иметь в виду, что, во-первых, это возможно не всегда. Например, в некоторых частях корпусов атомных реакторов типа ВВЭР по температурно-силовым условиям нагружения наиболее опасным является режим аварийного охлаждения активной зоны. Так что отсутствие разрушения при гидравлических испытаниях реактора не гарантирует прочность в аварийной ситуации. Во-вторых, в отсутствие контроля невозможно прогнозировать развитие ситуации. Пусть даже заключение об отсутствии опасных дефектов вполне обоснованно, но ведь больше о дефектах ничего не известно. Дефект может быть сколь угодно близок к опасному, но ни где он расположен, никогда он станет опасным, остается неизвестным. Поэтому невозможно ни рассчитать оставшийся запас времени, ни устранить дефект до того, как он приведет к отказу или вырастет до размеров, которые существенно осложнят ремонт.

Учитывая проблематику данного журнала, в статье рассмотрен тот случай, когда по тем или иным причинам оценка состояния конструкции выполняется на базе результатов НК. При этом основное внимание уделено проблемам, обусловленным некоторой разобщенностью дефектоскопии и механики разрушения, и путям решения этих проблем.

Общая схема решения задачи

Концепция системы эксплуатационного НК может быть сформулирована следующим образом: в процессе эксплуатации необходимо и достаточно с вероятностью не ниже заданной обнаружить те дефекты, которые могут привести к нарушению нормальной работы оборудования.

Ключевыми вопросами оптимизации системы эксплуатационного контроля являются следующие:

- какие дефекты принять допустимыми на стадии эксплуатации?

- как обеспечить гарантию выявления недопустимых дефектов?


Рассмотрим общий подход к решению этих вопросов. Отправной точкой является определение ситуаций, которые следует рассматривать как критические с точки зрения работоспособности конструкций и механизмов, Зная эти механизмы, можно рассчитать, какой наименьший дефект в данном месте конструкции может создать критическую ситуацию при наиболее опасном режиме эксплуатации. В том случае, если свойства материала со временем ухудшаются, размер такого критического дефекта будет постепенно уменьшаться (рис. 1б). Далее, зная механизм развития дефекта, можно рассчитать кинетику роста дефекта от некоторого исходного размера до критического. Теперь мы знаем, когда и какой дефект надо найти, чтобы исключить критическую ситуацию на данном интервале времени эксплуатации. Этот дефект и является искомым. Зная характеристики данного дефекта и метода контроля, можно определить вероятность Р обнаружения дефекта выбранным методом (рис. 1а). Если она недостаточна, можно учесть, что эксплуатационный контроль выполняется с определенной периодичностью Δ t, и рассчитать вероятность обнаружения искомого дефекта с учетом кратности контроля, т. е. числа обследований К, проведенных от начала эксплуатации объекта до данного момента времени (рис. 2). Задача контроля будет решена, если для всего заданного срока службы будет обеспечена требуемая вероятность выявления искомого дефекта.


Основным параметром дефекта является его размер. Однако и при анализе прочности, и при анализе выявляемости дефектов важное значение имеют также тип, форма, ориентация и расположение дефекта в конструктивном элементе.

Количество вариантов сочетания этих факторов огромно. Рассмотреть и регламентировать все варианты невозможно и бесполезно. Даже если это сделать, то получатся нормы дефектов, пользоваться которыми будет нельзя. Следовательно, необходимо прибегнуть к разумной схематизации возможных ситуаций, которая сократит количество вариантов до минимума, но позволит учесть наиболее значимые факторы, оказывающие влияние и на прочность, и на выявляемость дефектов. Разработка и обоснование такой схематизации является первой проблемой.

Второй проблемой является недостаточная информативность контроля. Например, УЗК дает только оценку эквивалентной площади и место залегания дефекта, а для расчета прочности нужны реальные размеры и некоторые другие параметры. Таким образом, возникает проблема, как оценить влияние дефекта на прочность по таким ограниченным данным и как регламентировать допустимый дефект в терминах, доступных для контроля.

Третья проблема - определение вероятности обнаружения дефекта. Оценка этой величины может быть получена с использованием функций выявляемости. Их можно получить обработкой результатов УЗК и вскрытия дефектов. Но такой путь требует большого статистического материала. Для таких изделий, как корпуса реакторов, он практически невозможен, и единственной альтернативой является получение таких зависимостей расчетным путем.

Решение этих проблем невозможно без учета конкретных особенностей конструкции. Для того, чтобы проиллюстрировать способ решения этих проблем, в качестве объекта выбран сварной шов корпуса атомного реактора типа ВВЭР-1000, расположенный в районе его активной зоны. При этом рассмотрен дефект, находящийся в шве непосредственно под антикоррозионной наплавкой. Для рассматриваемого случая критической ситуацией является инициирование хрупкого разрушения в режиме аварийного охлаждения активной зоны. При анализе прочности должно быть учтено, что в данном месте происходит постепенное охрупчивание материала под действием нейтронного облучения. Механизмом роста дефекта является усталость под действием циклических нагрузок, возникающих на переходных режимах. Основным способом оценки сплошности металла является УЗК автоматизированной системой СК-187. Контроль корпуса в районе активной зоны выполняется по схеме «тандем» эхо-методом с трансформаций волн.
Изображения
Тип файла: jpg 0.jpg (9.8 Кб, 84 просмотров)
Тип файла: jpg 1.jpg (84.0 Кб, 87 просмотров)
Тип файла: jpg 2.jpg (54.6 Кб, 84 просмотров)
В мире НК вне форума   Ответить с цитированием
Старый 11.10.2015, 21:15   #2
В мире НК
Бывалый
 
Аватар для В мире НК
 
Регистрация: 10.06.2013
Сообщений: 268
Благодарил(а): 0 раз(а)
Поблагодарили: 11 раз(а)
Записей в дневнике: 1
Репутация: 15
По умолчанию

Схематизация расчетного дефекта и его параметров

Рассмотрим, как можно выбрать тип, форму, ориентацию и контрольные размеры расчетного дефекта, анализируя влияние этих факторов на прочность конструкции и выявляемость дефектов при УЗК.

Сначала рассмотрим плоскостной дефект. Типичным и наиболее опасным с позиций прочности примером такого дефекта является усталостная трещина. Для анализа прочности используем коэффициент интенсивности напряжений Кj, который характеризует нагруженность материала в вершине трещины, а для анализа выявляемости - амплитуду А эхо-сигнала. Сравним усталостную трещину и ее модель - щелевой зазор. С точки зрения выявляемости наибольшее значение имеют расстояние между поверхностями трещины и шероховатость поверхности. Примем, что высота неровностей Δ = δt/2, где δt - пластическое раскрытие в вершине трещины под нагрузкой. Расстояние между поверхностями трещины в момент контроля определим по величине полного остаточного раскрытия δ трещины после снятия нагрузки. Оценки, выполненные для трещин, представляющих опасность для прочности корпуса реактора, показали, что δ >> ʎ10-5 и 4πΔ/ʎ << 1, где ʎ -длина волны ультразвука. Следовательно, такая трещина будет отражать ультразвук практически так же, как полуплоскость. В то же время δ и δt много меньше длины трещины, так что при расчете КI без существенной погрешности можно использовать реальный размер трещины.

Следовательно, реальный, эквивалентные по УЗК и по прочности размеры такого дефекта можно принять одинаковыми.

Теперь рассмотрим другой крайний случай - объемный дефект типа поры или шлакового включения сферической формы радиусом rv. Пренебрежем стадией зарождения трещины и примем, что такая трещина длиной I, примерно равной размеру двух зерен корпусной стали, уже образовалась по всему контуру дефекта. Подберем две плоские трещины, одна из которых будет эквивалентна данному дефекту по амплитуде А эхо-сигнала, а другая - по влиянию на прочность, т. е. по КI. Соотношения реального и эквивалентного размеров дефекта можно вывести, используя зависимости, известные в дефектоскопии и механике разрушения:



где индексы с и v относятся соответственно к трещине и объемному дефекту; E, p - модуль упругости и плотность материала включения; ʎ - длина волны; ξ - угол падения зондирующего пучка.


Сравнение размеров этих трещин показывает, что эквивалентный по УЗК размер такого дефекта много меньше реального, но больше, чем размер трещины, эквивалентной по прочности (рис. 3). Отметим, что аналогичный результат был получен и для цилиндрического дефекта. Значит, объемный дефект, эквивалентный (по УЗК) размер которого не превышает размера безопасной трещины, будет безопасен. Суммируя два результата, получаем, что в качестве расчетного дефекта можно использовать трещину, а размер безопасной трещины можно принять в качестве допустимой величины эквивалентного размера как объемных, так и плоскостных дефектов.


Теперь рассмотрим фактор формы трещины. В механике разрушения рассматривают эллиптические трещины и при расчете КI обычно используют размер малой полуоси а и соотношение полуосей а/с. Очевидно, что так же однозначно можно описать эллипс его площадью S и соотношением полуосей а/с. Сравним два способа описания трещины при оценке Кl и скорости роста усталостной трещины. Схема нагружения и расположения расчетных трещин разной формы показаны на рис. 4. Расчетные зависимости для Кl и скорости роста трещины имеют вид:

Изображения
Тип файла: jpg 3.jpg (77.0 Кб, 84 просмотров)
Тип файла: jpg 4.jpg (59.7 Кб, 83 просмотров)
Тип файла: jpg f1.jpg (22.4 Кб, 84 просмотров)
Тип файла: jpg f2.jpg (57.3 Кб, 82 просмотров)
В мире НК вне форума   Ответить с цитированием
Старый 11.10.2015, 21:18   #3
В мире НК
Бывалый
 
Аватар для В мире НК
 
Регистрация: 10.06.2013
Сообщений: 268
Благодарил(а): 0 раз(а)
Поблагодарили: 11 раз(а)
Записей в дневнике: 1
Репутация: 15
По умолчанию


Результаты расчетов показаны на рис. 5. Для того чтобы исключить из рассмотрения абсолютную величину приложенной нагрузки, значения К, и скорости роста эллиптических трещин отнесены к соответствующим значениям, полученным для круговой трещины (а/с = 1).

Как видно из рис. 5 а,б, при любой заданной величине а получаем монотонно убывающую зависимость Кl(а/с), а при использовании S получаем зависимость Кl(а/с) с экстремумом в районе а/с = 0,5. Наличие экстремума дает критерий для выбора трещины наиболее опасной формы.

Аналогичным образом рассмотрим скорость роста усталостной трещины.

Как видно из рис. 5в,г, при использовании а получаем монотонно убывающую зависимость скорости роста трещины от а/с. При использовании S получаем зависимость без экстремума. Скорость изменения площади почти не зависит от формы трещины, по крайней мере, в области нагружения корпуса реактора.

Таким образом, можно принять для расчетного дефекта а/с = 0,5. Для других трещин погрешность оценки прочности будет небольшой. Площадь допустимой трещины такой формы можно принять в качестве допустимой эквивалентной площади для всех дефектов.




Далее рассмотрим фактор ориентации трещины. С позиций прочности выбор ориентации расчетной трещины прост и очевиден. Она должна быть ориентирована перпендикулярно наибольшим растягивающим напряжениям. Другие ориентации менее опасны. К тому же отклонение трещины от этого направления на 20° изменяет критический размер меньше чем на 4 %. Рост трещин по механизму усталости происходит тоже в направлении по нормали к наибольшим растягивающим напряжениям. Главные напряжения в стенке корпуса реактора действуют в плоскости стенки. Так что в данном случае при анализе прочности вполне обоснованно можно рассматривать только трещину, перпендикулярную поверхности. А с точки зрения выявляемости этот фактор требует более внимательного рассмотрения. Данные, приведенные на рис. 6, показывают, что небольшие отклонения ориентации трещины от оптимальной резко уменьшают эквивалентную площадь. Причем, чем больше трещина, тем сильней этот эффект. Кроме того, он зависит не только от величины, но и от направления отклонения. Результаты расчета функций выявляемости, выполненного для трещин, расположенных под наплавкой в районе активной зона корпуса реактора ВВЭР-1000, при УЗК с использованием штатной системы СК-187 показывают (рис. 7), что отклонение трещины от вертикали на угол α=5° в сторону от преобразователя делает ее практически невидимой. Аналогичный эффект возникает при отклонении трещины в другую сторону на 10°. Таким образом, при оценке выявляемости дефектов уложить решение в упрощенную схему не удалось, и для получения более надежной оценки выявляемости пришлось выполнять расчеты для возможных отклонений трещины от нормали к поверхности.

В связи с этим необходимо подчеркнуть, что в неоднородных полях напряжений траектория роста усталостной трещины может быть более сложной [5]. В этих случаях проблема оценки размеров трещины существенно осложнится, и без ее решения будет трудно оценить состояние таких конструкций.

В заключение рассмотрим фактор расположения дефекта по элементам конструкции и по толщине стенки.

Анализ результатов прочностных расчетов, выполненных для корпуса реактора, показал, что размер дефекта, важного с позиций прочности, может различаться в несколько раз в зависимости от того, где он расположен. В первую очередь, это связано с различием формы и размеров отдельных узлов, а, значит, с уровнем номинальных напряжений при данном давлении. В сварных соединениях кроме напряжений, обусловленных рабочими термосиловыми нагрузками, действуют остаточные напряжения. Они существенно неоднородны (вплоть до изменения знака [5]), а их максимальные величины могут быть соизмеримы с рабочими напряжениями. Кроме того, в состав конструктивного элемента могут входить материалы с разными свойствами, в том числе теплофизическими, сопротивлением деформированию и разрушению и т. д. Поэтому даже при фиксированной термосиловой нагрузке размер критического дефекта может существенно зависеть и от его положения. Однако все это относится к сфере проблем прочности и выходит за рамки темы данной статьи. Здесь можно отметить лишь то, что размеры дефектов, допустимых с позиций прочности, правильней определять с учетом положения дефекта, и нормы допускаемых дефектов назначать разными для разных элементов и положений дефекта по толщине стенки.

При рассмотрении трещин, ориентированных по нормали к поверхности сканирования, с различным положением по толщине принципиально важным является способ контроля. При контроле эхо-методом наклонным ПЭП можно выявить только те трещины, которые расположены в непосредственной близости от донной поверхности благодаря «уголковому эффекту» или у поверхности под ПЭП при использовании поверхностной волны. При использовании схемы «тандем» такие дефекты могут быть выявлены по всей толщине за исключением зоны непосредственно под ПЭП. Между тем в тех случаях, когда поле напряжений по толщине элемента достаточно однородно, возникает необходимость найти все трещины данного размера, независимо от того, на какой глубине они расположены, т. к. они одинаково опасны. Таким образом, выбор способа контроля должен делаться по результатам прочностного анализа и определения того, какие дефекты лимитируют прочность данного элемента. В противном случае выполненный контроль не решает поставленную задачу. Такая ситуация имеет место и в некоторых частях корпуса реактора, например, в днище.

В многопроходных сварных швах в средней части по высоте шва возникают сжимающие остаточные напряжения. Они отрицательно влияют на выявляемость дефектов, в особенности таких, как трещины. Однако сжимающие остаточные напряжения снижают и уровень номинальной нагрузки. Поэтому размер критического дефекта в этой части шва оказывается значительно больше, а скорость роста трещины - значительно меньше. Это заметно снижает остроту вопроса, т. к. не эти дефекты лимитируют прочность.

Важное значение имеет форма элемента. Сложный профиль и большая кривизна поверхности могут исключить возможность отыскания дефекта с помощью традиционных методов УЗК. Для элементов, работающих под давлением, такими проблемными узлами являются патрубки и штуцера. Этот факт тем более важен, что в таких узлах возникает концентрация напряжений, и при прочих равных условиях допустимые в них дефекты будут меньше, чем, например, в гладких частях элементов (цилиндрическая часть и днища сосудов, участки трубопроводов вне врезок и т. п.), где условия для контроля более благоприятны. К сожалению, очень часто в таких местах контроль вообще не предусматривается, хотя там он гораздо более актуален.

Оценка выявляемости дефектов при УЗК



Рис. 8. Верификация метода расчета функции выявляемости дефектов при ручном УЗК: О - экспериментальные данные; + - результаты расчета

Как упоминалось, для корпусов реакторов единственным реальным способом получения функций выявляемости является расчет. Методика расчета этих функций для УЗК была предложена Б. А. Кругловым и базируется на использовании уравнения акустического тракта, параметры которого варьируются случайным образом в определенных пределах. Пределы вариации определяются техническими характеристиками системы, разбросом свойств материалов и допусками размеров элементов. Моделирование случайного процесса выполняется методом Монте-Карло. Именно так были рассчитаны функции выявляемости, приведенные на рис. 7. Проверка корректности процедуры была подтверждена сопоставлением результата расчета с экспериментом [6], в котором поиск дефектов выполнялся ручным способом. Результаты такого сравнения показывают (рис. 8), что процедура расчета дает достаточно верную оценку выявляемости дефектов: 80 % экспериментальных точек лежат в расчетной полосе, причем реалистичный прогноз, выполненный с учетом возможного при ручном контроле нарушения акустического контакта преобразователя с металлом, корректно описывает верхнюю огибающую данных о пропуске дефектов.
Изображения
Тип файла: jpg 5.jpg (122.9 Кб, 82 просмотров)
Тип файла: jpg 6.jpg (70.5 Кб, 81 просмотров)
Тип файла: jpg 7.jpg (97.3 Кб, 82 просмотров)
Тип файла: jpg 8.jpg (19.3 Кб, 82 просмотров)
В мире НК вне форума   Ответить с цитированием
Старый 11.10.2015, 21:20   #4
В мире НК
Бывалый
 
Аватар для В мире НК
 
Регистрация: 10.06.2013
Сообщений: 268
Благодарил(а): 0 раз(а)
Поблагодарили: 11 раз(а)
Записей в дневнике: 1
Репутация: 15
По умолчанию


Тот же эксперимент был использован для проверки схемы учета кратности контроля. Данные расчета вероятности обнаружения дефекта с использованием произведения вероятностей, приведенные на рис. 9, подтверждают корректность этой схемы для 2-, 3- и 4-кратного контроля.

Определение размеров допустимых дефектов


На рис. 10 показана схема назначения размера допустимого дефекта для интересующего срока эксплуатации. Сначала рассчитывается площадь критического дефекта, а затем - изменение площади такого дефекта, который за данное время становится критическим. В запас по выявляемости можно пренебречь ростом дефекта и принять, что потенциально опасный дефект имеет площадь равную So. Тогда допустимая величина эквивалентной площади принимается равной So, деленной на коэффициент запаса. Задача контроля решена, если вероятность выявления такого дефекта будет не ниже заданной для всего проектного срока службы реактора.


Пример результатов расчета размеров потенциально опасного дефекта приведен на рис. 11. С учетом этих результатов и результатов расчета функций выявляемости (рис. 7) при коэффициенте запаса по площади, равным 4, был выполнен расчет вероятности обнаружения допустимых дефектов с учетом кратности контроля (рис. 2) при различной периодичности контроля. Результаты такого расчета, как видно из рис. 12, показывают, что приемлемый уровень гарантий выявления допустимых дефектов, в частности. под наплавкой в районе активной зоны корпуса реактора ВВЭР-1000 может быть обеспечен при контроле с интервалом 8 лет. Размеры допустимых дефектов для различных этапов эксплуатации приведены на рис. 13. Отметим, что по действующей документации период контроля составляет 4 года [4], а допустимая эквивалентная площадь составляет 40 мм2 [7].
Изображения
Тип файла: jpg 9.jpg (83.7 Кб, 82 просмотров)
Тип файла: jpg 10.jpg (102.1 Кб, 81 просмотров)
Тип файла: jpg 11.jpg (82.7 Кб, 81 просмотров)
В мире НК вне форума   Ответить с цитированием
Старый 11.10.2015, 21:22   #5
В мире НК
Бывалый
 
Аватар для В мире НК
 
Регистрация: 10.06.2013
Сообщений: 268
Благодарил(а): 0 раз(а)
Поблагодарили: 11 раз(а)
Записей в дневнике: 1
Репутация: 15
По умолчанию


Еще одним примером реализации предложенной концепции может служить определение размеров допустимых дефектов в антикоррозионной наплавке. Она является двухслойной, причем материал внутреннего слоя имеет склонность к коррозионному растрескиванию. Кинетика роста трещины по такому механизму на существующем уровне знаний не поддается достаточно надежному прогнозу. Значит после того, как трещина пройдет сквозь внешний слой наплавки, становится трудно прогнозировать развитие дефекта во времени. Поэтому в качестве критической целесообразно принять поверхностную трещину, глубина которой равна толщине внешнего слоя наплавки. Можно рассчитать кинетику роста трещины во внешнем слое, определить допустимую глубину при текущем контроле, но измерить глубину обнаруженной трещины нельзя. Для решения проблемы была разработана процедура расчета глубины трещины по ее протяженности и раскрытию на поверхности, которые могут быть с достаточной точностью измерены с помощью системы телевизионного контроля СТС К-78П, которая применяется на АЭС. Процедура (рис. 14) базируется на зависимости полного δн (упругого V и пластического δt) раскрытия трещины от величины приложенных напряжений σocт и глубины а трещины:



где v - коэффициент Пуассона; Y - поправочная функция на форму трещины; σ0,2 - предел текучести металла наплавки.





Рис. 16. Раскрытие δН осевой (сплошная линия) и окружной (пунктир) трещин на поверхности наплавки в различных частях корпуса ВВЭР-1000 (глубина трещины 5 мм)

В отсутствие рабочих нагрузок при контроле напряжениями, раскрывающими трещину, являются остаточные напряжения, обусловленные выполнением наплавки и отпуска [8]. Распределение этих напряжений показано на рис. 15. Можно видеть, что они являются растягивающими и близки к пределу текучести. После наплавки и отпуска они практически одинаковы во всех частях корпуса реактора. При первых гидравлических испытаниях на прочность возникают дополнительные растягивающие напряжения, происходит пластическое деформирование металла наплавки, и после снятия давления остаточные напряжения снижаются (рис. 15). Номинальные напряжения от давления в разных частях корпуса реактора различаются весьма существенно, значит, и остаточные напряжения в наплавке и раскрытие трещин одинаковой глубины после проведения первых гидравлических испытаний в разных частях корпуса будут различаться. Важно отметить, что в дальнейшем при нагружении в процессе эксплуатации материал наплавки работает в пределах упругости, так что остаточные напряжения не изменяются и одинаковы при каждом обследовании. С учетом этих эффектов для всех частей корпуса была рассчитана допустимая величина раскрытия поверхностных трещин. Результаты расчета приведены на рис. 16. Отметим, что согласно действующей документации никакие трещины на поверхности наплавки не допускаются [2, 7].

Заключение

Приведенные результаты показывают, что в ряде случаев можно получить достаточно надежное заключение о текущем состоянии конструкции даже при весьма ограниченных данных НК. Более того, иногда можно подтвердить работоспособность конструкции и без НК. Тем не менее, следует сказать, что это далеко не всегда возможно. Примером может служить ситуация, когда обнаруженный дефект превышает установленные нормы. Понятно, что эти нормы приняты с определенными запасами, так что этот дефект может быть безопасен. Но доказать это можно, только располагая гораздо более полными данными о дефекте, о его форме, реальных размерах, ориентации и т. д. Такую информацию нельзя получить теми методами и средствами, которые обычно применяют при поисковом контроле.

Трудно предположить, что могут быть разработаны такие способы контроля, которые полностью удовлетворят тех, кто занимается расчетами на прочность, но к этому надо стремиться. С другой стороны, те, кто занимается прочностными проблемами, должны достаточно строго ставить задачу и ориентировать на поиск тех дефектов, которые действительно важны с точки зрения обеспечения работоспособности оборудования и безопасности его эксплуатации.

Литература

1. Броек Д. Основы механики разрушения. -М.: Высшая школа, 1980.

2. ПНАЭ Г-7-010-89. Оборудование и трубопроводы атомных энергетических установок. Сварные соединения и наплавки. Правила контроля. - М.: Энергоатомиздат, 1991.

3. РД95 10547 99. Руководство по применению концепции безопасности «течь прежде разрушения» к трубопроводам АЭУ. - М.: ИЦП МАЭ, НИКИЭТ; 1999.

4. ПНАЭ Г-7-008-89. Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

5. Карзов Г. П., Марголин Б. З., Швецова В. А. Физико-механическое моделирование процессов разрушения. - СПб.: Политехника, 1993.

6. Гетман А. Ф., Козин Ю. Н. Неразрушающий контроль и безопасность эксплуатации сосудов и трубопроводов давления. - М.: Энергоиздат, 1997.

7. АТПЭ-9-03. Типовая программа эксплуатационного контроля за состоянием основного металла и сварных соединений оборудования и трубопроводов атомных электростанций с ВВЭР-1000. - М.: ВНИИАЭС, 2003.

8. РД ЭО 0606-2005. Методика расчета на сопротивление хрупкому разрушению корпусов реакторов АЭС с ВВЭР при эксплуатации (МРКР-СХР-2004). - СПб-М.: ЦНИИ КМ «Прометей», 2005.
Изображения
Тип файла: jpg 12_14.jpg (149.2 Кб, 79 просмотров)
Тип файла: jpg 15.jpg (65.0 Кб, 80 просмотров)
Тип файла: jpg 16.jpg (31.6 Кб, 80 просмотров)
Тип файла: jpg f3.jpg (10.9 Кб, 78 просмотров)
В мире НК вне форума   Ответить с цитированием
Старый 12.10.2015, 04:56   #6
admin
Администратор
 
Аватар для admin
 
Регистрация: 16.04.2012
Сообщений: 1,964
Благодарил(а): 53 раз(а)
Поблагодарили: 195 раз(а)
Записей в дневнике: 3
Репутация: 152
По умолчанию

Варовин А.Я., Карзов Ю.Я., Марголин Б.З. Проблемы прогнозирования работоспособности конструкций по данным НК. − В мире НК. – Декабрь 2006 г. − № 4 (34). − С. 6–11. Статья любезно предоставлена редакцией журнала «В мире НК» (http://www.ndtworld.com). Наиболее точная и достоверная версия – в прикрепленном файле.
Вложения
Тип файла: pdf 34_06_11.pdf (838.4 Кб, 47 просмотров)
admin вне форума   Ответить с цитированием
Ответ
Похожие темы
Тема Автор Раздел Ответов Последнее сообщение
Обсуждение нового стандарта "Специалист по НК" admin Документация. ГОСТы 80 28.06.2016 07:09
ФНиП по НК kivin Документация. ГОСТы 75 29.09.2015 20:15
Неразрушающий контроль интегральных конструкций из полимерных композиционных материал В мире НК Статьи о дефектоскопии 5 11.09.2015 04:45
Оценка соответствия в области неразрушающего контроля на опасных производственных объ В мире НК Статьи о дефектоскопии 3 01.06.2015 07:12
НК как компонент стратегии минимизации рисков и затрат admin Статьи о дефектоскопии 3 28.01.2014 20:45


Опции темы
Опции просмотра

Ваши права в разделе
Вы не можете создавать новые темы
Вы не можете отвечать в темах
Вы не можете прикреплять вложения
Вы не можете редактировать свои сообщения

BB коды Вкл.
Смайлы Вкл.
[IMG] код Вкл.
HTML код Выкл.

Быстрый переход



Текущее время: 19:03. Часовой пояс GMT +3. Copyright ©2000 - 2017. Перевод: zCarot.