Требования к неразрушающему контролю с точки зрения прочности

[В мире НК]

Требования к неразрушающему контролю с точки зрения прочности

Об авторах

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

Необходимо войти для просмотра

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

Карзов Георгий Павлович
Заместитель Генерального директора, действительный член Инженерной АН России,
профессор, д. т. н.

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

Введение

С точки зрения дефектоскописта задачей НК является обнаружение дефекта и его описание. Для прочниста задачей является выполнение расчета прочности и безопасности эксплуатации конструкции при наличии в ней дефектов. Сведения, которые ему передает дефек-тоскопист, являются исходной информацией для прочностного расчета. На основе его результата принимается решение, что делать с конструкцией в ее текущем состоянии: допустить в эксплуатацию хотя бы до следующей проверки, ремонтировать, заменять и т. д.

Таким образом, само решение и уверенность в его правильности в значительной степени определяется тем, насколько полна и надежна полученная прочнистом информация о дефектах. Чем она хуже, тем большие запасы ему приходится закладывать в расчет прочности и безопасности во избежание ошибки в опасную сторону и тем более тяжелым становится то решение, которое приходится принимать по результатам расчета, хотя фактическое состояние металла, возможно, этого не требует.

Уровень развития имеющихся сегодня средств и методов анализа прочности позволяет разобраться с любым дефектом, но для этого надо знать о дефекте очень много, гораздо больше, чем можно узнать с помощью самых современных методов и средств НК. Эта ситуация сформировала сложные взаимоотношения прочнистов и дефектоскопистов. Первых не устраивает объем и качество данных о дефектах, которые предоставляют дефектоскописты, а вторых не устраивает предъявление прочнистами таких требований, которые невозможно выполнить. С другой стороны, у прочнистов нет никакого желания превращать оценку текущего состояния конструкции в бесконечную череду достаточно трудоемких расчетов, а у дефекто-скопистов - с немалыми трудами искать и описывать те дефекты, которыми никто потом не будет заниматься. Очевидно, что разрешение этих противоречий состоит во взаимном движении навстречу. Общий подход к оптимизации контроля и оценки состояния металла по критерию сплошности, а также пример результативности объединения усилий прочнистов и дефектоскопистов описаны в статье [1].

В данной статье изложено, что именно и зачем прочнисты хотели бы получить от дефектоскопистов, чтобы решить задачи обоснования прочности и безопасности эксплуатации конструкции. Для решения задачи проверки прочности надо знать геометрию и расположение в интересующем элементе конструкции наиболее опасного дефекта и выполнить расчет в детерминистической постановке. Для оценки безопасности эксплуатации расчет прочности должен быть выполнен в вероятностной постановке, а для этого необходимо располагать информацией о вероятности существования дефектов в интересующем диапазоне типоразмеров. Вот два набора сведений, которые нужны прочнистам.

НК при изготовлении

По-видимому, в данной статье нецелесообразно объяснять, зачем НК нужен вообще, и почему он нужен и при изготовлении, и при эксплуатации. Достаточно сказать, что при проектировании, за редким исключением, расчет прочности выполняется без учета дефектов, а практика изготовления и эксплуатации показывает, что появления дефектов избежать не удается и что в большинстве случаев эксплуатационные повреждения инициируются на дефектах технологического происхождения. В то же время типы и виды технологических и эксплуатационных дефектов, а также возможности по выполнению контроля и ремонта дефектных участков и основные задачи НК при изготовлении и при эксплуатации различаются настолько существенно, что эти этапы контроля правильней рассматривать отдельно. Это касается и информации, которая должна быть получена на этих этапах контроля сплошности металла конструкции.

Перечень видов, размеров и других характеристик дефектов, которые могут образовываться при изготовлении, полностью определяется особенностями используемых при изготовлении конструкции материалов и технологических процессов и отклонениями от тех оптимальных параметров технологических режимов, которые были определены в процессе отработки технологии. Технолог лучше других знает, какие дефекты неизбежны и каких дефектов можно избежать при строгом соблюдении технологии. Соответственно, именно он должен определить требования к максимально допустимым дефектам и установить такие браковочные критерии, чтобы, с одной стороны, изготовление не превратилось в непрерывный ремонт для устранения образующихся дефектов, а с другой стороны, чтобы обеспечить максимально возможное качество металла. В этом смысле появление большого количества дефектов, превышающих браковочный уровень, будет свидетельствовать о том, что в процессе изготовления могли иметь место отклонения от заданной технологии, а в этом случае можно ожидать и других негативных последствий.

Таким образом, НК при изготовлении решает следующие основные задачи: проверка того, что соблюдены оптимальные параметры технологии и что обеспечено максимально достижимое качество металла по критериям сплошности. Роль прочнистов на этом этапе - принять к сведению реалии жизни и выбрать ту технологию, которая в наибольшей степени отвечает требованиям к прочности, долговечности и безопасности эксплуатации проектируемой конструкции.

В число дефектов технологического происхождения входят как объемные дефекты (поры, шлаковые и другие включения), так и плоскостные, точнее -дефекты малой толщины (трещины различной конфигурации, несплавления, непровары, дефекты литья, расплющенные при ковке, и др.). Те и другие могут залегать полностью внутри элемента или выходить на поверхность. На этапе изготовления все эти дефекты представляют интерес. Наибольшую опасность для прочности создают плоскостные дефекты, но на этой стадии жизни конструкции выявлению и оценке в равной степени подлежат и объемные дефекты. В то же время плоскостные дефекты независимо от размеров и расположения следует считать недопустимыми, а для объемных допустимо установить некоторый браковочный уровень по максимальным размерам и количеству, ниже которого дефекты целесообразнее оставить без исправления, чем устранять ремонтом. Отметим также, что технолог может согласиться использовать в качестве браковочных критериев некоторые условные размеры, такие как эквивалентная площадь и условная протяженность несплошности, используемые при ультразвуковом контроле.

Понятно, что достижимое качество определяется свойствами материала и технологии изготовления конструктивного элемента. Поэтому для однотипных элементов браковочные критерии должны быть одинаковыми. Более того, одинаковые требования можно распространить на группу материалов и диапазон типоразмеров элементов. Вместе с тем вполне допустимо установить определенную градацию уровня браковочных критериев с учетом того, в какой конструкции этот элемент будет работать, допустив менее жесткие требования для тех элементов, которые будут работать в менее тяжелых условиях и отказ которых приведет к менее тяжелым последствиям, или для которых контроль и ремонт в условиях эксплуатации сопряжен с меньшими трудностями.

Изложенный подход к НК на стадии изготовления используется давно, вполне себя оправдывает и закреплен в нормативной документации. Например, в атомной энергетике он реализован в [2 - 5]. С точки зрения использования результатов производственного НК для оценки состояния материала и конструкции на стадии эксплуатации такой информации недостаточно, но об этом будет сказано ниже.

Подводя промежуточный итог, получаем следующее. Тип и браковочные критерии для дефектов и этапы цикла изготовления, на которых следует проводить НК, определяет технолог. Исходя из этой информации, дефектоскопист выбирает схемы, методы, оборудование и параметры контроля, которые обеспечат выявление и оценку дефектов по установленным браковочным критериям. Взаимосогласованность этих действий и качество их выполнения полностью определяют полноту решения задач производственного НК.

 

[В мире НК]

НК при эксплуатации

На стадии эксплуатации главным становится не то, какие дефекты в конструкции есть, а обеспечение гарантий того, что имеющиеся в конструкции дефекты (образовавшиеся или развившиеся из исходных технологических) не приведут к нарушению работоспособности конструкции, т. е. выполнению ею всех заданных проектом функций на всех проектных режимах хотя бы в период до очередной проверки ее технического состояния. Следовательно, на стадии эксплуатации необходимо и достаточно найти и проанализировать только те дефекты, которые могут привести к отказу. Типы, расположение, скорость роста тех дефектов, которые представляют интерес на стадии эксплуатации, определяются теми механизмами повреждения конструкционных материалов, которые могут реализоваться в них в условиях нагружения в составе данной конструкции. Как упоминалось, на стадии изготовления для однотипных элементов конструкций вполне оправданно применение одинаковых браковочных критериев. На стадии эксплуатации такой подход неприемлем. На этом этапе принципиально важным становится то, где, т. е. в какой конструкции и в какой ее части этот элемент, например, сварной шов, работает, т. к. это определяет механические, тепловые, коррозионные, радиационные и другие нагрузки, которые воздействуют на материал вблизи дефекта и определяют темп деградации свойств материала. Поэтому при эксплуатации браковочные критерии необходимо назначать зависящими и от конкретных условий работы элемента, и от времени эксплуатации. Этими вопросами владеет прочнист, соответственно, он должен определить, какие дефекты могут образоваться на стадии эксплуатации и при каких параметрах эти дефекты будут лимитировать работоспособность конструкции и безопасность ее эксплуатации в интересующий период времени.

Возможность возникновения в материале повреждения и скорость его накопления для большинства механизмов разрушения тем больше, чем выше уровень действующих в материале напряжений. Любой дефект сплошности металла является концентратором напряжений, т. е. вблизи дефекта напряжения выше, чем они были бы в этом месте при отсутствии дефекта. При этом локальные напряжения тем выше, чем меньше радиус кривизны поверхности сопряжения дефект-матрица.

По этой причине при одинаковых размерах плоскостной дефект представляет большую опасность, чем объемный, а из плоскостных наибольшую опасность представляют те, плоскость которых перпендикулярна максимальным растягивающим напряжениям, возникающим в рассматриваемом месте конструкции в отсутствии дефекта. Поэтому на этапе эксплуатации первоочередное значение имеет своевременное обнаружение трещин, а не каких-либо других дефектов, причем таких трещин, которые, с одной стороны, наиболее вероятны, а с другой, наиболее значимы для целостности конструкции.

Понятно, что дефект должен быть выявлен задолго до того, как он проявит себя, приведя к отказу конструкции. В большинстве случаев при любых механизмах повреждения материала проходит определенный, иногда достаточно длительный инкубационный период, в течение которого происходит образование магистральной трещины, и затем ее стабильный рост, прежде чем происходит потеря несущей способности конструкции и ее спонтанное разрушение. Иногда размер трещины, способной привести к такому разрушению, превышает толщину стенки конструкции, так что она теряет работоспособность от потери герметичности, хотя все еще сохраняет несущую способность. Размер трещины, инициирующей нестабильное разрушение, и скорость стабильного роста трещины во многих случаях поддаются расчету. Эти вопросы целиком лежат в сфере компетенции прочниста, и именно он должен сформулировать, когда и какие дефекты должны быть выявлены, чтобы ситуация оставалась под контролем.

Как было упомянуто, наибольшую опасность представляют трещины, плоскость которых перпендикулярна наибольшим растягивающим напряжениям. В большинстве случаев это трещины, плоскость которых совпадает с нормалью к поверхности конструктивного элемента, а для элементов простой геометрии (листы, оболочки и т. п.) - с направлением по толщине.

Мерой нагруженности материала в телах с трещиной является не напряжение, а коэффициент интенсивности напряжений К [6]. В первом приближении К ~ Y δ I1/2, где δ - номинальное (без трещины) напряжение в данном месте конструкции, l - длина трещины, Y - коэффициент, зависящий от формы трещины.

Строго говоря, величина К по контуру трещины непостоянна и зависит, в том числе, от пространственного распределения напряжений и формы трещины. Следовательно, для оценки прочности надо знать геометрию контура трещины. Однако вполне приемлемая погрешность расчета будет обеспечена, если знать только наибольший и наименьший размеры трещины в двух взаимно-перпендикулярных направлениях. Минимально достаточно знать площадь трещины, а форму принять такой, которая при данном поле напряжений будет наиболее опасной. Но в любом из этих случаев расчет прочности будет достоверным только при условии использования реальных размеров трещины. Традиционные методики НК для этого не годятся, так что первое, что следует из изложенного, это необходимость разработки и применения на стадии эксплуатации специальных методов НК, ориентированных на измерение реальных размеров дефектов.

Методы определения размеров дефектов достаточно трудоемки, и, кроме того, прежде чем их применять, целесообразно отыскать дефекты и, по возможности, отобрать те, которые следует рассмотреть более тщательно. Следовательно, было бы правильно организовать двухэтапный контроль: на первом этапе найти дефекты и, опираясь на браковочные критерии, отсеять те дефекты, которые далее можно не рассматривать и оставлять без исправления, а на втором этапе для оставшихся дефектов найти реальные размеры и положение в объекте контроля.

Задачи эксплуатационного контроля на этапе поиска дефектов

На первом этапе ключевое значение имеют две проблемы. Первая состоит в том, что на стадии эксплуатации нужны специальные браковочные критерии допустимости дефектов. Использовать для этого те, которые используются при производственном контроле, неправильно по ряду причин. Во-первых, те технологические дефекты, которые были обнаружены, оставлены без исправления и так и остались в исходном состоянии, не представляют интереса. Во-вторых, как показывают расчеты и практика эксплуатации конструкций с различными дефектами, без ущерба для безопасности можно допустить существование в конструкции трещин, размеры которых гораздо больше, чем максимально допустимые размеры объемных технологических дефектов. В отечественных нормативных документах, регламентирующих эксплуатационный контроль оборудования и трубопроводов АЭС [7, 8] этого до сих пор нет, но в зарубежных уже есть [9 - 11]. Наконец, методики производственного и эксплуатационного контроля различаются, так что в общем случае применение одних и тех же браковочных критериев некорректно.

Вторая проблема состоит в обеспечении гарантий того, что первый этап контроля выявит все те дефекты, которые подлежат более внимательному анализу. Браковочные критерии придется устанавливать по тем параметрам, которые могут быть определены при поисковом контроле. При этом максимально допустимые значения этих параметров необходимо устанавливать с запасом. Этот запас должен покрыть неопределенность оценки размеров дефектов при поисковом контроле и гарантировать, что все дефекты, удовлетворяющие браковочным критериям, не представляют угрозы для целостности конструкции хотя бы в период до следующего контроля. Определение запасов и значений браковочных критериев должны выполнить прочнисты.

Сегодня вопрос гарантий выявления заданных дефектов решается путем выполнения аттестации методик НК. По результатам работ в итоговом документе указывается, для каких дефектов гарантируется выявление с вероятностью, близкой к 100 %, какие характеристики дефекта определяются и с какой погрешностью. В том случае, если методика аттестована для тех дефектов, которые интересуют прочниста при расчетном обосновании возможности продолжения эксплуатации, и позволяет определить нужные характеристики (размеры, положение по глубине и т. д.), результаты контроля по данной методике вполне обеспечат расчет на прочность с оценкой текущего состояния конструкции.

Чтобы выполнить вероятностный анализ безопасности, этого мало. Те дефекты, которые найдены и измерены, можно оценить, выполнив расчет на прочность в простой детерминистической постановке. Вопрос в том, что дают те дефекты, которые не выявлены? Оценим эту ситуацию.

Вероятность разрушения зависит от нагрузки, приложенной к материалу в вершине трещины, и она тем больше, чем больше размер трещины. В то же время вероятность невыявления трещины тем меньше, чем больше ее размер. Так что ответ на вопрос, пропуск мелкого или крупного дефекта даст большее значение вероятности разрушения, неочевиден.

Прочнисты готовы определить вероятность прохождения расчетных режимов, описать разброс значений характеристик сопротивления материалов разрушению, но им не хватает сведений о дефектах.

 

[В мире НК]

Для расчета прочности в вероятностной постановке надо знать зависимость вероятности существования возможных дефектов от их размера. С точки зрения проблем дефектоскопии это означает, что надо знать зависимость вероятности выявления дефекта от его размера, которую называют функцией выявляемости. Понятно, что вероятность невыявления дефекта не тождественна вероятности его существования. Достаточно реалистичные сведения о тех дефектах, которые могут существовать у конструкции, можно получить на базе результатов статистического анализа технологических дефектов. Применительно к оборудованию атомной энергетики такой анализ был выполнен, и его результаты приведены, например, в работе [12]. Эти сведения в сочетании с функциями выявляемости дефектов дадут оценку того, что дефект может существовать, но окажется невыявленным, и по этой причине должен быть учтен в вероятностном анализе прочности рассматриваемой конструкции.

В расчете прочности оборудования АЭС используется так называемый постулируемый дефект [13], при наличии которого прочность должна быть обеспечена при самом неблагоприятном сочетании положения дефекта и режима нагружения. Соответственно, вероятностный анализ безопасности без ошибки в опасную сторону можно выполнить не для всех возможных дефектов, а только для тех, которые превышают постулируемый. Но это уже частности.

Как было отмечено, принятая сегодня идеология системы аттестации методик НК не требует получения функции выявляемости. Таким образом, как при отсутствии аттестации, так и при наличии такой системы, но ориентированной по описанному принципу, вероятностный анализ безопасности остается без исходной информации.

Получение функций выявляемости при наличии большого объема информации о типоразмерах реальных дефектов и результатах их оценки средствами НК позволяет построить функцию выявляемости экспериментально. Получение такого объема данных для эксплуатационных дефектов не только трудоемко, но зачастую и невозможно, т. к. попросту таких дефектов нет или их слишком мало для статистического анализа. Такая ситуация имеет место, например, для корпусов атомных реакторов.

Альтернативой является построение та ких функций на специально изготовленных образцах с искусственными дефектами. Однако изготовление такого количества тест-образцов, чтобы на них можно было набрать представительную статистику, тоже трудоемкая задача. Тест-образцы такого типа целесообразнее использовать как средство экспериментальной проверки методик контроля, проводимой в объеме работ по их аттестации.

Таким образом, существует необходимость разработки методик расчетного построения функций выявляемости. В первую очередь это касается ультразвукового контроля, во-первых, потому, что этот метод зачастую является единственным, который можно применить для выявления дефектов при эксплуатации, а, во-вторых, потому, что именно он больше других нуждается в таком анализе. Технология расчета функций выявляемости для методов ультразвукового контроля принципиально разработана и базируется на решении уравнения акустического тракта с учетом возможной вариации параметров, входящих в это уравнение и описывающих прохождение колебаний от пьезопластины излучающего преобразователя к дефекту и далее до пьезопластины приемного преобразователя [14].

Разработка методики вероятностного анализа выявляемости дефектов, в особенности расчетного построения функций выявляемости, безусловно является прерогативой дефектоскопистов. Однако как аналитически, так и экспериментально рассмотреть все ситуации невозможно, т. е. нужна разумная схематизация реальных дефектов, а здесь необходимо подключиться прочнистам. В работе [1] показано, что данная задача вполне может быть решена на основе совместного анализа влияния параметров дефектов на прочность и на выявляемость.

Задачи эксплуатационного контроля на этапе определения размеров дефектов

Второй этап эксплуатационного контроля - определение реальных размеров дефекта. На этом этапе главными проблемами является погрешность определения размеров дефекта в ключевых направлениях и положение дефекта относительно ближайшей свободной поверхности конструктивного элемента.

Второй вопрос (определение положения дефекта) важен по следующей причине. Пусть поверхностный дефект описывается полуэллипсом, а подповерхностный - эллипсом с малой полуосью a (размер в направлении толщины) и большой полуосью с. При одинаковой абсолютной протяженности трещины в направлении толщины (a для поверхностной, и 2a для подповерхностной) величина коэффициента интенсивности напряжений K для поверхностной трещины будет в 1,12-√2 ≈ 1,6 раз больше, чем для подповерхностной [6]. Кроме того, расстояние от края трещины до свободной поверхности влияет не только на величину K, т. е. величину нагрузки, но и на сопротивление материала разрушению [13]. Изложенное показывает, что положение дефекта относительно поверхности конструктивного элемента является весьма существенным фактором и, наряду с размерами самого дефекта, должно быть установлено при измерительном НК.

Заключение

Можно считать, что сложившаяся в атомной энергетике система НК на стадии изготовления вполне приемлема, и ее развитие может идти в основном по пути количественного повышения показателей качества контроля. В области НК на стадии эксплуатации ситуация совершенно иная. Тут необходимы серьезные изменения системы не только в аппаратной, но и в методической части. Ключевыми проблемами, которые настоятельно требуют решения, являются обеспечение и количественная оценка гарантий того, что будут выявлены все дефекты, которые могут привести к отказу в период до следующего контроля, и определение для этих дефектов реальных значений тех параметров, которые необходимы для проведения прочностных расчетов.

Первое, в чем остро нуждаются прочнисты, - это реальные размеры обнаруженных дефектов, причем не любые, а размеры в конкретных направлениях, главным из которых является протяженность дефекта в направлении по нормали к поверхности конструктивного элемента.

Второе - это определение для подповерхностного дефекта расстояния от края дефекта до поверхности элемента.

Третье - это количественная оценка вероятности выявления дефектов.

Первые два необходимы для расчета прочности конструкции в ее текущем состоянии и для прогнозирования развития дефекта последующий период эксплуатации.

Последнее необходимо для оценки достоверности заключения о состоянии конструкции, которое формируется по результатам выполненного контроля сплошности металла, и для выполнения обоснования безопасности эксплуатации, т. е. расчета на прочность в вероятностной постановке.

Изложенные соображения сформированы на основе опыта, накопленного в атомной энергетике. Однако они могут быть распространены и на другие конструкции, для которых ремонт дефектов при эксплуатации достаточно сложен, но при этом работоспособность и безопасность эксплуатации должны быть обеспечены в течение весьма длительного срока службы.

Литература

1. Варовин А. Я., Карзов Г. П., Марголин Б. З. Проблемы прогнозирования работоспособности конструкций по данным неразрушающего контроля. - В мире НК. 2006. № 4(34). С. 6-11.

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

3. ASME Boiler and Pressure Vessel Code. An American National Standard. Sect. V, Nondestructive Examination. - New York: American Society of Mechanical Engineers, 1993.

4. Правила проектирования и изготовления механических компонентов атомных электростанций с реакторами с водой под давлением. РСС-М/Пер. с франц. - Издано ЕДФ-КЛИ, 1995.

5. KTA 3201.3. Components of the Primary Circuit of Light Water Reactors. Pt 3, 1984.

6. Броек Д. Основы механики разрушения. Москва, Высшая школа, 1980.

7. Типовая программа контроля за состоянием основного металла и сварных соединений оборудования и трубопроводов атомных электростанций с реакторной установкой ВВЭР-440 при эксплуатации, АТПЭ-2-2005.

8. Типовая программа эксплуатационного контроля за состоянием основного металла и сварных соединений оборудования и трубопроводов атомных электростанций с ВВЭР-1000. АТПЭ-9-03.

9. ASME Boiler and Pressure Vessel Code. An American National Standard, Sect. XI, Rules for Inspection of Nuclear Power Plant Components, American Society of Mechanical Engineers, New York, 1993.

10. Правила эксплуатационной инспекции механических компонентов ядерных установок атомных электростанций с реакторами с водой под давлением RСС-M/Пер. с франц. - Издано EДФ-КЛИ, 1995.

11. KTA 3201.4, Components of the Primary Circuit of Light Water Reactors. Pt 4, 1984.

12. Тимофеев Б. Т., Жеребенков А. С., Чернаенко Т. А. Статистический подход к оценке качества и механических свойств сварных соединений. - Л.: ЛДНТП, 1982. - 28 с.

13. РД ЭО 0606-2005. Методика расчета на сопротивление хрупкому разрушению корпусов реакторов АЭС с ВВЭР при эксплуатации (МРКР-СХР-2004). - СПб., М.: 2004.

14. Круглов Б. А. Применение метода Монте-Карло для исследования функций выявляемости дефектов при ультразвуковой дефектоскопии. -В кн.: XYI Российской научно-техн. конф. «Неразрушающий контроль и диагностика» / Программа и тез. докл. - С.-Пб.: 2002.

 

[admin]

Варовин А.Я., Карзов Г.П., Марголин Б.З. Требования к неразрушающему контролю с точки зрения прочности. − В мире НК. – Декабрь 2010 г. − № 4 (50). − С. 5–8. Статья любезно предоставлена редакцией журнала «В мире НК» (http://www.ndtworld.com). Наиболее точная и достоверная версия – в прикрепленном файле.