58

Введение 2

1. Роль и место методов неразрушающего контроля для обеспечения надёжности и долговечности сложных систем с высокой ценой отказа 4

1.1 Проблемы выявления дефектов и характеристики методов НК 4

1.2 Эффективность комплексного применения методов НК 11

1.3 Индустриализация применения методов НК. 12

2. Методологические аспекты обеспечения безопасности сложных технических объектов в условиях ограниченных ресурсов 16

2.1 Основы обеспечения безопасности сложных объектов и управления ограниченными ресурсами 19

2.1.1. Критичность систем 19

2.1.2 Анализ данных по критичным элементам 24

2.1.3 Механизмы выявления различных дефектов 25

2.1.4 Планирование восстановления критичных элементов 26

2.2 Обеспечение безопасной эксплуатации АЭС в условиях ограниченных ресурсов 28

2.2.1 Аварии и инциденты, связанные с повреждением металла основного оборудования на АЭС 29

2.2.2 Причины аварий с разрушением трубопроводов и меры по их предотвращению 30

2.2.3 Методология эксплуатационного контроля на основе концепции риска. Основные положения 32

2.2.4 Ранжирование сегментов трубопроводов 37

2.2.5 Оценка частот повреждения трубопроводов 38

2.2.6 Анализ структурной надежности 39

2.2.7 Анализ эксплуатационных данных для трубопроводов 40

2.2.8 Основные механизмы деградации трубопроводов 42

2.2.9 Опыт применения RI-ISI 44

3. Моделирование централизованной системы обеспечения безопасности сложных технологических объектов 46

3.1. Описание программного комплекса Eclipse TG2 48

Заключение 52

Литература 54

Введение

Экономическая эффективность сложных технических систем (комплексов), таких как:

• космические системы (космические аппараты, стартовые и ракетные комплексы);

• летательные аппараты (самолеты различных типов и назначения);

• энергетические системы (ядерные энергетические установки АЭС и системы их энергообеспечения, ТЭС);

• предприятия нефтегазовой промышленности (системы магистральных трубопроводов, перекачки нефти и газа);

• крупные военные объекты

и т.д., за весь период их эксплуатации, напрямую зависит от значений их текущей надежности и показателей долговечности (технического ресурса, срока службы).

Проблема обеспечения максимально возможного срока службы, "замедления" старения таких систем, продления их сроков эксплуатации, в условиях жестко ограниченных средств (финансовых возможностей, технических, человеческих ресурсов и др.), является одной из актуальнейших проблем для ученых, экономистов и технических специалистов различных стран. Последствия возникновения отказов, неисправностей или дефектов в таких системах могут приводить к последствиям вплоть до трагических: глобальным катастрофам, поражению окружающей среды, человеческим жертвам, большим финансовым и материальным потерям. Так, затраты на проведение мероприятий по неразрушающему контролю (НК) и связанных с ним работ во время эксплуатации АЭС составляют не менее 50% всех затрат, связанных с эксплуатацией станции [1], при потерях около 675000 долларов США в случае простоя одного блока 1000 Мвт (эл) в течение эффективных суток. Категоричность требований общественности о необходимости исключения техногенных катастроф, которые происходят с частотой 600-700 в год с ущербом для окружающей среды, делает проблему безопасности систем еще более актуальной.

Исследования в данном направлении невозможны без использования системного подхода, учета различных мероприятий и решения задач, которые могут привести к улучшению состояния систем, гарантировать приемлемую надежность и продление их периода эксплуатации с учетом экономических критериев и ограничений.

Для систем с высокой ценой отказа очень важным является и человеческий фактор, который часто играет определяющую роль при проведении НК. Повышение уровня образования персонала позволяет повысить как достоверность контроля, так и существенно влиять на надежность системы в целом.

1. Роль и место методов неразрушающего контроля для обеспечения надёжности и долговечности сложных систем с высокой ценой отказа

1.1 Проблемы выявления дефектов и характеристики методов НК

При проведении мониторинга технического состояния (ТС) сложных систем и агрегатов одной из наиболее актуальных является задача объективного своевременного обнаружения дефектов различной природы и организация контроля за развитием дефектов из-за старения элементов при эксплуатации.

Одним из путей предотвращения нежелательных последствий от эксплуатации изделий с дефектами является систематичное использование методов НК [1-4]. Дефектом, согласно нормативно-технической документации (НДТ) (ГОСТ 17-102), называется каждое отдельное несоответствие продукции требованиям. Однако в практике применения средств неразрушающего контроля нет полного соответствия понятия "дефект" определению по ГОСТ. Обычно под дефектом понимают отклонение параметра от требований проектно-конструкторской документации, выявленное средствами неразрушающего контроля. Связь такого понятия с определением по ГОСТ устанавливается путем разделения дефектов на допустимые требованиям НТД и недопустимые.

Обобщая, здесь и далее под дефектом будем понимать физическое проявление изменения характеристик объекта контроля с параметрами, превышающими нормативные требования. По происхождению дефекты подразделяют на производственно-технологические, возникающие в процессе проектирования и изготовления изделия, его монтажа и установки, и эксплуатационные, возникающие после некоторой наработки изделия в результате процессов деградации, а также в результате неправильной эксплуатации и ремонтов.

В дальнейшем, говоря о дефектах, выявляемых средствами и методами НК, будем иметь в виду эксплуатационные и производственно-технологические дефекты, не выявленные при изготовлении и сдаче систем в эксплуатацию.

Так, например, (в зависимости от объекта) вся совокупность объектов и систем может быть разбита на группы, для которых характерны однотипные дефекты:

- силовые металлоконструкции (стрелы грузоподъемных машин, установщиков, несущие форменные конструкции, силовые элементы агрегатов обслуживания);

- сосуды, теплообменные аппараты, трубопроводы (сосуды и емкости, влагомасло-отделители и холодильники компрессорных установок, теплообменные аппараты, камеры нейтрализации, магистрали газов и жидкостей и др.);

- механизмы и машинное оборудование (гидроприводы, редукторы, насосы, компрессоры, вентиляторы и приводные электродвигатели, дизельные электро станции);

- трубопроводы, корпуса систем под давлением, парогенераторы, системы жидко-снабжения;

- контрольно-измерительные приборы (КИП) и автоматика, оборудование систем управления;

- кабельное оборудование (силовые кабели, измерительные кабели, кабели систем управления, кабели связи);

- электронное оборудование;

- оборудование электроснабжения (трансформаторы, коммутационная аппаратура);

- объекты, содержащие радиоактивные вещества, активность которых определяется без разрушения исходных матриц;

- конструкции строительных сооружений.

Рассмотрим некоторые наиболее характерные дефекты приведенных систем.

Для силовых металлоконструкций характерны литейные дефекты (рыхлота, пористость, ликвационные зоны, дендритная ликвация, зональная ликвация, подусадочная ликвация, газовые пузыри или раковины, песчаные и шлаковые раковины), металлические и неметаллические включения, утяжины, плены, спаи, горячие, холодные и термические трещины); дефекты прокатанного и кованого металла (трещины, флокены, волосовины, расслоения, внутренние разрывы, рванины, закаты и заковы, плены); дефекты сварных соединений (трещины в наплавленном металле, холодные трещины, микротрещины в шве, надрывы, трещины, образующиеся при термообработке, рихтовочные трещины, непровары, поры и раковины, шлаковые включения), дефекты, возникающие при обработке деталей (закалочные и шлифовочные трещины, надрывы); дефекты, возникающие при эксплуатации изделий (усталостные трещины, коррозионные повреждения, трещины, образующиеся в результате однократно приложенных высоких механических напряжений, механические повреждения поверхности).

Для сосудов, теплообменных аппаратов, трубопроводов характерны производственно-технологические и эксплуатационные дефекты, аналогично силовым металлоконструкциям. Помимо этого для данной группы оборудования характерны негерметичности соединений, приводящие к утечкам рабочих сред, уменьшение проходных сечений в результате отложений на стенках продуктов коррозии и накипи. Важнейшим параметром, определяющим долговечность и надежность эксплуатации нефтегазовых труб различных диаметров, является толщина антикоррозийного трехслойного полиэтиленового покрытия.

Для механизмов и машинного оборудования характерны износ и поломка деталей, повреждение уплотнений, сопровождающиеся утечкой рабочих жидкостей, местным аномальным нагревом частей оборудования, посторонним шумом, повышенной вибрацией.

Для КИП и автоматики, оборудования систем управления характерны выход из строя отдельных блоков и приборов, нарушение электрического контакта, уменьшение сопротивления и пробой изоляции.

Для кабельного оборудования характерны уменьшение сопротивления изоляции, старение изоляции, обрыв жил кабеля, возгорание изоляции и др.

Для электронного оборудования характерны выход из строя блоков и отдельных элементов.

Для оборудования электроснабжения характерны залипания контактов, выход из строя концевых выключателей и приводов межсекционных выключателей.

Для конструкций строительных сооружений характерны такие дефекты, как трещины, раковины, несплошности бетона, дефекты армирования бетона, разрушение фундаментов и оснований и т.д.

Для объектов с радиоактивными веществами под дефектами можно понимать уровни активности, превышающие допустимые нормы. Таким образом, для каждой из групп оборудования можно составить перечень методов НК и перечень приборов и технологий их применения для реализации этих методов.

Выбор метода НК должен быть основан помимо априорного знания о характере дефекта на таких факторах, как:

• условия работы изделия;

• форма и размеры изделия;

• физические свойства материала деталей изделия;

• условия контроля и наличие подходов к проверяемому объекту;

• технические условия на изделия, содержащие количественные критерии недопустимости дефектов и зачастую нормирующие применение методов контроля на конкретном изделии;

- чувствительность методов.

Достоверность результатов определяется чувствительностью методов НК, выявляемостью и повторяемостью результатов и основана на тщательной калибровке.

Чувствительность метода контроля является важной его характеристикой. В табл. 1 приведена чувствительность для различных методов определения несплошностей в материале изделий. Аналитический вид кривой выявляемости дефектов приведен в [1]:

(1)

где Х₀ - граничный наименьший размер выявляемого дефекта, который зависит от чувствительности метода контроля; X - константа. Вероятность пропуска дефекта с учетом ошибок оператора определяется как:

(2)
где е и у - постоянные, f = 0.005 экспериментально полученная величина.

Таблица 1.

Чувствительность методов неразрушающего контроля при определении несплошностей в металле

Применение каждого из методов в каждом конкретном случае характеризуется вероятностью выявления дефектов. На вероятность выявления дефектов влияют чувствительность метода, а также условия проведения процедуры контроля. Определение вероятности выявления дефектов является достаточно сложной задачей, которая еще более усложняется, если для повышения достоверности определения дефектов приходится комбинировать методы контроля. Комбинирование методов подразумевает не только использование нескольких методов, но и чередование их в определенной последовательности (технологии). Вместе с тем, стоимость применения метода контроля или их совокупности должна быть по возможности ниже. Таким образом, выбор стратегии применения методов контроля основывается на стремлении, с одной стороны, повысить вероятность выявления дефектов и, с другой стороны, снизить различные технико-экономические затраты на проведение контроля.

К примеру, вероятность обнаружения дефектов в сварных соединениях приведена в табл.2 [5]. Частота выявления дефектов различного типа приведена детально в работе [1]. Как отмечается в [1] на АЭС в России используют нормы дефектов для изготовления. Поэтому объемы ремонта на АЭС в 10 раз и более превышают необходимый уровень для обеспечения безопасной эксплуатации. Введение на действующих АЭС экономически обоснованных и оптимальных норм дефектов позволит сократить в 10 и более раз трудозатраты и рационально перераспределить средства для повышения безопасности и продления остаточного ресурса.

Таблица 2

Относительная выявляемость дефектов сварки различными методами дефектоскопии в % от общего числа дефектов

Однако, несмотря на значительные успехи в развитии методов НК и применяемые меры по контролю ТС различных систем, отдельные дефекты остаются не выявленными и становятся причинами и результатами аварийных ситуаций и больших катастроф. Так, методы и средства НК, применяемые на стадиях производства и предэксплуатационного контроля на АЭС, далеки от совершенства и в результате их применения не выявляется значительное число дефектов технологической природы [1].