Способ прогнозирования ресурса объектов повышенной опасности
Изобретение относится к области обеспечения надежности и безопасности объектов повышенной опасности. Сущность: осуществляют оценку полного ресурса от начала эксплуатации до перехода в предельное состояние, расчетного ресурса, в течение которого изготовитель или экспертная организация гарантирует надежность и безопасную эксплуатацию, и остаточного ресурса от момента диагностирования до перехода в предельное состояние при снижении запасов прочности по преобладающим факторам износа из отношения предельных нагрузок, деформаций, числа циклов нагружения, допустимых нагрузок и механических напряжений к эксплуатационным нагрузкам, деформациям, числу циклов нагружения и механическим напряжениям, действующим на объект повышенной опасности в процессе эксплуатации, с учетом имеющихся дефектов, количественного показателя полноты и объемов технического диагностирования, вероятностного параметра достоверности оценки запасов прочности, степени ответственности, характеризующей вероятную степень риска в случае отказа или разрушения, показателя коррозии и коррозионной стойкости материалов, и эксплуатационной скорости снижения запаса прочности объекта повышенной опасности. Технический результат: обеспечение надежности и безопасности объектов повышенной опасности при проектировании, изготовлении и эксплуатации. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области обеспечения надежности и безопасности объектов повышенной опасности, преимущественно тонкостенных конструкций, в частности сосудов давления (емкостей, теплообменников, скрубберов, реакторов), резервуаров и трубопроводов путем прогнозирования ресурса по результатам оценки технического состояния методами диагностирования средствами неразрушающего контроля. Оно может быть использовано для прогнозирования остаточного ресурса по комплексному показателю коррозионной стойкости материала вследствие износа, усталости, старения материалов с учетом объемов проведения неразрушающего контроля, эффективности диагностирования и вероятной степени риска, характеризующей ответственность объектов повышенной опасности при отказе.
Имеется ряд аналогов по способам прогнозирования ресурса объектов повышенной опасности. Например, известный способ определения остаточного ресурса металлоконструкций (см. описание изобретения к патенту Российской Федерации №2292028 «Способ определения остаточного ресурса металлоконструкций», МПК G01N 3/00. Опубликовано: 2007.01.20) заключается в определении количества циклов нагружения обследуемого элемента металлоконструкции и по количеству циклов нагружения за период эксплуатации между измерениями устанавливается зависимость коэрцитивной силы, на основе которой рассчитывается остаточный ресурс металлоконструкции. В известных способах учитывается только один показатель - количество циклов нагружения элемента металлоконструкции, отсутствует оценка остаточной толщины стенки вследствие коррозии и не учитываются предельные состояния вследствие совместного снижения толщины стенки и прочности, обеспечивая только поиск дефекта в стенке, что снижает точность и достоверность прогнозирования ресурса. При прогнозировании остаточного ресурса известными способами не предусматривается оценка точности, достоверности и полноты результатов диагностирования объектов повышенной опасности, что является существенным недостатком известных способов и средств прогнозирования ресурса объектов повышенной опасности.
Известны вероятностные способы оценки ресурса (см., например, Лейфер Л.А. Методы прогнозирования остаточного ресурса машин и их программное обеспечение. - М.: «Знание», 1988, - 60 с.), применимые при отсутствии фактических данных по объекту повышенной опасности. При наличии фактических данных по износу стенок, механическим напряжениям, выявленных дефектов, возникших при эксплуатации, выполненном объеме диагностирования применение известных вероятностных способов оценки ресурса не обеспечивает необходимую точность оценки ресурса.
По известному способу оценки остаточного ресурса металлических деталей (см. описание изобретения к патенту Российской Федерации №2215280 «Способ оценки остаточного ресурса деталей», МПК 7 G01N 3/00. Опубликовано: 2003.10.27) эксплуатационную скорость изменения остаточных напряжений для выбранных зон детали определяют как отношения разности остаточных напряжений на втором и первом контрольных этапах к наработке между этими контрольными этапами и по максимальной эксплуатационной скорости изменения остаточных напряжений остаточный ресурс определяют после наработки между двумя контрольными этапами не менее 0,05 от проектного ресурса детали. Поэтому известный способ имеет ограниченное применение для оценки ресурса объектов повышенной опасности, поскольку используется только один показатель - скорость изменения остаточных напряжений в исследуемом материале детали.
Известен способ определения запаса прочности нагруженного материала (см. описание изобретения к патенту Российской Федерации №2167421 «Способ определения запаса прочности нагруженного материала», МПК 7 G01N 29/14, G01N 19/04. Опубликовано: 2001.05.20) с нагружением исследуемого материала двумя различными по величине нагрузками и в исследуемом материале при этих нагрузках акустико-эмиссионным методом регистрируют импульсы акустической эмиссии, измеряют их количественные характеристики и по скорости счета акустической эмиссии определяют запас прочности исследуемого материала. Однако акустико-эмиссионный метод не дает прогноз задолго до разрушения; не позволяет определять ресурс новых изделий без явных дефектов, не позволяет определять ресурс разгруженных изделий без внешних воздействий, например днищ вертикальных цилиндрических резервуаров, снижает остаточный ресурс объекта в процессе испытания за счет развития трещин при необходимом превышении нагрузки [см., например, в кн. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник. М.: Машиностроение, 1995]. Недостатком известного способа является его ограниченное применение для оценки ресурса объектов повышенной опасности, поскольку используется только один показатель - запас прочности исследуемого материала с дефектами.
Известен способ определения достоверности неразрушающего контроля дефектов, определяющих качество изготовления, надежность и безопасность эксплуатации изделия (см. описание изобретения к патенту Российской Федерации №2243565 «Способ определения достоверности неразрушающего контроля (НК) дефектов, определяющих качество изготовления, надежность и безопасность эксплуатации изделия», МПК7 G01N 35/00, G01N 3/00. Опубликовано: 2004.12.27) по тест-образцу с дефектами, расположенными случайным образом, проводят контроль этого тест-образца выбранным методом неразрушающего контроля, характеристики дефектов, установленные неразрушающим контролем, сравнивают с характеристиками заложенных дефектов и судят о достоверности данного метода неразрушающего контроля. В то же время дефекты в реальных конструкциях могут существенно отличаться по форме, расположению относительно осей координат элементов объекта от дефектов в тест-образце, поэтому использование тест-образца с дефектами носит преимущественно исследовательский характер для оценки достоверности методов неразрушающего контроля и достоверности неразрушающего контроля дефектов, определяющих качество изготовления, надежность и безопасность эксплуатации изделия. Известный способ имеет ограниченное применение для прогнозирования ресурса, поскольку, имея показатель достоверности неразрушающего контроля дефектов в исследуемом материале детали, не дает возможность оценивать ресурс объектов повышенной опасности.
Известен способ определения остаточного ресурса тонкостенных оболочек оборудования из резервуарных и трубных сталей на потенциально опасных объектах (см., например, описание изобретения к патенту Российской Федерации №2234079 «Способ и устройство определения остаточного ресурса тонкостенных оболочек из резервуарных и трубных сталей», МПК G01N 27/72. Опубликовано: 2004.08.10) с определением остаточной толщины стенки объекта, изменяющейся вследствие коррозии, малоцикловой усталости и старения объекта исследования, выборочного контроля исследуемых тонкостенных оболочек, вычислением текущих значений коэффициента запаса ударной вязкости и коэффициента запаса толщины исследуемой тонкостенной оболочки, и сравнивают их с ранее ненагружавшимся образцом - представителем. По массиву остаточных средних сроков службы участков объекта исследования определяют 95% остаточный ресурс одного наиболее типичного узла исследуемой тонкостенной оболочки. В известном способе не учтены полнота и качество проведенного диагностирования, вероятностностный параметр достоверности оценки запасов прочности, степень ответственности (группы или класса опасности объекта повышенной опасности), характеризующей вероятную степень риска в случае отказа или разрушения, показатель коррозии и коррозионной стойкости материалов объекта повышенной опасности, и эксплуатационная скорость снижения запаса прочности. Поэтому известный способ имеет ограниченное применение, поскольку используются только показатели технического состояния, что не позволяет оценить полный расчетный и остаточный ресурс объекта повышенной опасности.
По известному способу определения срока службы и остаточного ресурса объектов повышенной опасности [Махутов Н.А. и Пимштейн П.Г. Определение срока службы и остаточного ресурса оборудования «Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. Вып.5.» М., 1995.] расчетный срок службы определяется по минимальной величине, включая вероятностный ресурс, допускаемое время работы при циклическом нагружении с допускаемым числом циклов и периодом нагружения, допускаемое время работы при коррозионном и эрозионном изнашивании в зависимости от избыточной толщины стенки и скорости ее коррозионного и эрозионного износа, допускаемое время работы в условиях ползучести в зависимости от допускаемой деформации и скорости ползучести, нормативный срок службы (который обычно принимается равным 20 годам для большинства объектов), допускаемый срок службы при замедленном хрупком разрушении. Максимальная величина допускаемого времени эксплуатации определяется из множества тех же значений сроков службы в зависимости от объема дополнительного контроля при диагностировании. Остаточный ресурс определяется разностью между расчетным сроком службы и временем эксплуатации. Недостатком известного способа является то, что при расчете ресурса используется отношение объема дефектоскопического контроля, выполняемого при диагностировании, к объему дефектоскопического контроля, выполненному при изготовлении, однако невозможно учесть идентичность методов контроля при изготовлении и диагностировании, так как некоторые методы в период изготовления еще не применялись. При расчете ресурса не учтено влияние запасов прочности на ресурс на моменты изготовления, диагностирования и достижения предельного состояния, не учтена степень ответственности (группы или класса опасности объекта повышенной опасности), характеризующей вероятную степень риска в случае отказа или разрушения. Не учтены эксплуатационная скорость снижения запаса прочности, показатели коррозии и коррозионной стойкости материалов и тот факт, что не обеспечивает достаточной точности оценки ресурса объекта повышенной опасности.
Известна методика определения остаточного ресурса объектов повышенной опасности с учетом резерва запаса прочности [например, в кн. «Сосуды и трубопроводы высокого давления: Справочник / A.M.Кузнецов, В.И.Лившиц и др.» Изд. 2-е, дополненное. Иркутск: Издание ГП "Иркутская областная типография №1", 1999. 600 с.], определяемого по минимальному значению из отношений допускаемых нагрузок (рассчитанных, например, по нормативным документам) к фактическим нагрузкам и из отношения фактических толщин стенок за вычетом прибавки к расчетной толщине стенки. Фактический запас прочности определяется произведением соответствующего нормативного запаса прочности на дополнительный запас прочности. Однако определение фактического запаса прочности путем умножения соответствующего нормативного запаса прочности на дополнительный запас прочности вносит погрешность в оценку ресурса, так как нормативный запас прочности в расчете принимается дважды: в первый раз при определении допускаемых напряжений материала, а второй раз -при оценке фактического запаса прочности. По данной методике для расчета ресурса также необходимо знание отношения объема дефектоскопического контроля, выполняемого при диагностировании, к объему дефектоскопического контроля, выполненному при изготовлении. Практика показала, что в технической документации на диагностируемое оборудование далеко не всегда представлена полная информация об истинном объеме контроля при изготовлении, кроме того, невозможно учесть идентичность методов контроля при изготовлении и диагностировании, так как некоторые методы в период изготовления еще не применялись. При расчете ресурса также не учтено влияние запасов прочности на ресурс на моменты изготовления, диагностирования и достижения предельного состояния, не учтена вероятная степень ответственности (группы или класса опасности объекта повышенной опасности), характеризующей вероятную степень риска в случае отказа или разрушения. Не учтены эксплуатационная скорость снижения запаса прочности, показатель коррозии и коррозионной стойкости материалов, что не обеспечивает достаточной точности оценки ресурса объекта повышенной опасности.
Известен способ прогнозирования ресурса [Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность. В 2 ч. / Н.А.Махутов. - Новосибирск: Наука, 2005. - Ч.2: Обоснование ресурса и безопасности. - 610 с.] путем определения запасов прочности для различных критериев предельного состояния из отношения предельных нагрузок, деформаций и числа циклов нагружения к эксплуатационным нагрузкам, деформациям, числу циклов нагружения. Однако в известном способе не учтены количественный показатель полноты и объемов технического диагностирования, вероятностный параметр достоверности оценки запасов прочности, степень ответственности (группы или класса опасности), характеризующей вероятную степень риска и ответственность объекта в случае отказа или разрушения, что не обеспечивает достаточной точности прогнозирования ресурса объектов повышенной опасности.
В методических указаниях по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы объектов повышенной опасности [см., например, РД 03-421-01. Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов. Серия 03. Выпуск 17 /Колл. авт.- М.: Государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2002. - 136 с.] рекомендации по объему контроля сварных соединений и элементов корпусов не учитывают отсутствие доступа к некоторым участкам и сварным швам при определении фактических объемов диагностирования, не учтено влияние запасов прочности на ресурс на моменты изготовления, диагностирования и достижения предельного состояния, не учтена степень ответственности (группы или класса опасности), характеризующей вероятную степень риска и ответственность объекта в случае отказа или разрушения, что не обеспечивает достаточной точности оценки ресурса, надежности и безопасности эксплуатации объектов повышенной опасности.
Известен способ оценки эффективности диагностирования сосудов, резервуаров и трубопроводов [см., например, Черепанов А.П., Порошин Ю.В. Оценка эффективности диагностирования сосудов, резервуаров и трубопроводов. //Безопасность труда в промышленности. 2004. №10. С.43-46], использующий количественный показатель эффективности диагностирования с учетом степени ответственности (группу или класс опасности объекта повышенной опасности), характеризующей вероятную степень риска в случае отказа или разрушения, показатель достоверности методов, полноты и объемов контроля, выполненных при диагностировании. Отсутствие учета влияния запасов прочности на ресурс на моменты изготовления, диагностирования и достижения предельного состояния, показателя коррозии и коррозионной стойкости материалов объекта повышенной опасности и эксплуатационной скорости снижения запаса прочности не позволяет оценивать ресурс объекта повышенной опасности.
В качестве прототипа принят наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату способ прогнозирования ресурса объекта повышенной опасности (см. описание изобретения к патенту Российской Федерации №2253096 «Способ оценки технического состояния оборудования», МПК G01M 15/00, F15B 19/00, Опубликовано 2005.05.27), включающий входной контроль до начала эксплуатации, анализ соответствия объекта нормативно-технической документации условиям эксплуатации, определение реального технического состояния и оценку величины остаточного ресурса. При входном контроле осуществляют измерение основных параметров диагностирования, по крайней мере одного наиболее типичного узла, определяющего прогнозируемый ресурс объекта, разрабатывают компенсирующие мероприятия по устранению выявленных несоответствий, проводят исследования, определяют закономерности деградационных процессов, в соответствии с которыми определяют величину остаточного ресурса и/или значение эксплуатационных параметров, при которых возможно продолжение безопасной эксплуатации объекта, разрабатывают экспертное заключение. Применение известного способа для прогнозирования полного, расчетного и остаточного ресурса ограничено, поскольку по техническому состоянию одного наиболее типичного узла без учета запасов прочности на моменты изготовления, диагностирования и достижения предельного состояния, полноты и качества проведенного диагностирования, степени ответственности (группы или класса опасности объекта повышенной опасности), характеризующей вероятную степень риска в случае отказа или разрушения, эксплуатационной скорости снижения запаса прочности, показателя коррозии и коррозионной стойкости материалов. Отсутствие учета влияния запасов прочности на ресурс на моменты изготовления, диагностирования и достижения предельного состояния, показателя коррозии и коррозионной стойкости материалов объекта повышенной опасности и эксплуатационной скорости снижения запаса прочности не позволяет оценивать ресурс объекта повышенной опасности. Поэтому известный способ также не обеспечивает прогнозирование полного, расчетного и остаточного ресурса объектов повышенной опасности.
В целом анализ известных способов прогнозирования ресурса объектов повышенной опасности показал, что в известных способах отсутствуют зависимости полного, остаточного и расчетного ресурса объектов повышенной опасности при снижении запасов прочности в процессе эксплуатации с учетом имеющихся дефектов, объемов технического диагностирования, ответственности и вероятностного параметра достоверности оценки ресурса. В известных способах прогнозирования ресурса не учтены обстоятельства, существенно влияющие на корректность оценки ресурса объектов повышенной опасности:
1. Степень опасности ситуации, возможной в случае разрушения объекта повышенной опасности, представлена, например, группой сосуда, классом резервуара или трубопровода согласно ПБ 03-576-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением. ПБ 03-381-00. Правила устройства вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов. ПБ 03-108-96. Правила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов. и др.
2. Вероятная степень риска при отказе, характеризующая ответственность объекта.
3. Количественные показатели полноты и качества проведенного диагностирования.
4. Количественные показатели коррозии и коррозионной стойкости материалов [ГОСТ 9.908-85. Единая система зашиты от коррозии и старения. Металлы и сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости. М.: Изд-во стандартов, 1986.].
5. Зависимости для прогнозирования полного, расчетного и остаточного ресурса при снижении запасов прочности на моменты изготовления, диагностирования и достижения предельного состояния.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют. Ни один из самых близких аналогов не обеспечивает оценку ресурса объекта повышенной опасности с учетом эффективности диагностирования, вероятной степени риска при отказе, характеризующей ответственность объекта группой или классом опасности. Это не обеспечивает достаточной точности оценки ресурса, совместного влияния динамики коррозии и старения объектов повышенной опасности и поэтому не может дать достоверный долгосрочный прогноз полного, расчетного и остаточного ресурса и обоснованно задать ресурс при проектировании, изготовлении и диагностировании. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям "новизны и полезности".
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники показали, что отличительные признаки заявленного способа и его реализации не следуют явным образом из уровня техники, представленных аналогов и прототипов. Из уровня техники также не выявлена известность существенных признаков предусматриваемых в заявленном изобретении и достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Техническим результатом изобретения является обеспечение надежности и безопасности объектов повышенной опасности при проектировании, изготовлении и эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что для прогнозирования полного, расчетного и остаточного ресурса и/или значений эксплуатационных параметров, при которых возможно продолжение безопасной эксплуатации объектов повышенной опасности в качестве показателей фактического технического состояния, используют проектные запасы прочности на моменты проектирования, фактические запасы прочности на моменты изготовления, диагностирования и достижения предельного состояния с учетом истинных размеров, износа, расчетных, исполнительных и фактических толщин стенок по допускаемым и фактическим нагрузкам, конфигурации и размеров имеющихся дефектов, механических характеристик материалов и зон с максимальными значениями механических напряжений, задают предельно допустимый запас прочности, обеспечивающий (гарантирующий) безопасную эксплуатацию объекта повышенной опасности, выполняют оценку полного ресурса от начала эксплуатации до перехода в предельное состояние, оценку расчетного ресурса, в течение которого изготовитель или экспертная организация гарантирует надежность и безопасную эксплуатацию и оценку остаточного ресурса от момента диагностирования до перехода в предельное состояние с учетом снижения запасов прочности по преобладающим факторам износа из отношения предельных нагрузок, деформаций, числа циклов нагружения, допустимых нагрузок и механических напряжений, к эксплуатационным нагрузкам, деформациям, числу циклов нагружения и механическим напряжениям, действующим на объект повышенной опасности в процессе эксплуатации, с учетом имеющихся дефектов, количественного показателя полноты и объемов технического диагностирования, вероятностного параметра достоверности оценки запасов прочности, степени ответственности (группы или класса опасности объекта повышенной опасности), характеризующей вероятную степень риска в случае отказа или разрушения, показателя коррозии, коррозионной стойкости материалов, эксплуатационной скорости снижения запасов прочности объектов повышенной опасности и предельно допустимого запаса прочности, обеспечивающего (гарантирующего) безопасную эксплуатацию объекта повышенной опасности, при изменении толщин стенок, площадей сечений узлов и деталей, подверженных одному или нескольким механизмам повреждения, например коррозии, износу, усталости, ползучести, изменению механических свойств и химического состава материала, на моменты проектирования, изготовления, диагностирования и достижения предельного состояния, полученные значения запасов прочности, полного и расчетного ресурса включают в экспертное заключение.
Кроме того, для прогнозирования полного, расчетного и остаточного ресурса и/или значений эксплуатационных параметров, при которых возможно продолжение безопасной эксплуатации объектов повышенной опасности, в качестве показателей фактического технического состояния на моменты проектирования и/или изготовления проектные запасы прочности принимают по проектным параметрам эксплуатации, а фактические запасы прочности на моменты диагностирования и достижения предельного состояния принимают по фактическим параметрам эксплуатации, если фактические и проектные параметры эксплуатации различны.
В качестве примера рассмотрена блок-схема оценки ресурса объекта повышенной опасности, показанная на чертеже. Прогнозирование ресурса любого объекта повышенной опасности в целом и технического устройства тонкостенной конструкции, в частности, осуществляется по параметрам его технического состояния и преобладающим факторам износа. Износ происходит при изменении толщин стенок или площади сечений узлов и деталей, подверженных одному или нескольким механизмам повреждения, например коррозии, механическому износу, усталости, ползучести, изменению механических свойств и химического состава материала. За основные показатели приняты проектные запасы прочности и фактические запасы прочности на период диагностирования. Снижение запаса прочности определяются с учетом вероятностного параметра достоверности оценки запасов прочности при износе объекта за период времени эксплуатации, а также в зависимости от проектных и фактических параметров эксплуатации. Степень риска при разрушении выражена группой или классом опасности объекта. Коэффициент дефектности учитывает количество и опасность имеющихся дефектов, количественный показатель полноты и объемов технического диагностирования учитывает степень ответственности (группы или класса опасности объекта повышенной опасности), характеризующей вероятную степень риска в случае отказа или разрушения. На запасы прочности влияют показатели коррозии и коррозионной стойкости материалов, предельные нагрузки и деформации, числа циклов нагружения и механических напряжений, отнесенные к эксплуатационным нагрузкам, деформациям, числу циклов нагружения и механическим напряжениям и погрешность их оценки (не показаны). Таким образом, зная время эксплуатации до текущего диагностирования и запасы прочности по исполнительным и фактическим толщинам стенок при диагностировании, появляется возможность определения полного, остаточного и расчетного ресурса объекта повышенной опасности.
Запас прочности тонкостенной конструкции, образующийся за счет прибавки к расчетной толщине, на момент изготовления объекта
где q - показатель коррозии и коррозионной стойкости материала;
S - проектная толщина стенки, мм;
C - допуск на толщину проката, мм;
Sp - расчетная толщина стенки, мм.
Запас прочности стенки, образующийся за счет прибавки к расчетной толщине, на момент диагностирования объекта
где q - показатель коррозии и коррозионной стойкости материала;
Sk - минимальная фактическая толщина стенки на момент текущего диагностирования, мм;
ΔSk.- износ стенки на заданный период времени k, мм;
Sp - расчетная толщина стенки, мм.
При износе от фактической до расчетной толщины стенки 
запас прочности n достигнет величины, равной или меньше 1.
Запасы прочности по напряжениям, по деформациям, по числу циклов, по времени, по температурам и др. могут определяться, например, с использованием многокритериальной оценки показателей прочности, жесткости, надежности, живучести и безопасности, изложенной в работе [Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность. В 2 ч. / Н.А.Махутов. - Новосибирск: Наука, 2005. - Ч. 1: Критерии прочности и ресурса. - 494 с.].
Имея данные по запасу прочности на моменты изготовления и диагностирования и ресурс до диагностирования, эксплуатационная скорость снижения запаса прочности определяется формулой
где n - запас прочности за счет прибавки к расчетной толщине стенки на момент изготовления (пуска в эксплуатацию);
nk - запас прочности на момент окончания ресурса, назначенного заводом-изготовителем или экспертной организацией;
Т - ресурс, назначенный заводом-изготовителем или экспертной организацией.
Из формулы (3) получим расчетный ресурс безопасной эксплуатации до текущего диагностирования
Достижение дополнительного запаса прочности n(k), равного 1, будет соответствовать предельно допустимому времени безопасной эксплуатации.
Подставив nk, равное единице, в формулу (4), получим остаточный ресурс от момента диагностирования до перехода в предельное состояние
nП - предельно допустимый минимальный запас прочности, обеспечивающий (гарантирующий) безопасную эксплуатацию объекта повышенной опасности.
Подставив в (5) вместо скорости износа выражение (3) и преобразовав его, получим полный ресурс
Полный ресурс от начала эксплуатации до перехода в предельное состояние можно также представить в виде суммы расчетного ресурса безопасной эксплуатации до диагностирования и остаточного ресурса до перехода в предельное состояние
где Tk - ресурс, назначенный заводом-изготовителем или экспертной организацией, в течение которого гарантируется безопасная эксплуатация объекта повышенной опасности.
ТO - остаточный ресурс объекта повышенной опасности от момента диагностирования до перехода в предельное состояние.
Подстановкой в (7) выражения (6) и преобразованием получены зависимости для прогнозирования ресурса с учетом имеющихся дефектов, количественного показателя полноты и объемов технического диагностирования, вероятностного параметра достоверности оценки запасов прочности, степени ответственности, характеризующей вероятную степень риска в случае отказа или разрушения и показателя коррозии и коррозионной стойкости материалов.
Зависимость для прогнозирования полного ресурса объекта повышенной опасности имеет вид
Зависимость для прогнозирования остаточного ресурса объекта повышенной опасности имеет вид
Зависимость для прогнозирования расчетного ресурса объекта повышенной опасности имеет вид
где Tk - ресурс, назначенный заводом-изготовителем или экспертной организацией, в течение которого гарантируется безопасная эксплуатация;
β - коэффициент дефектности;
W - объем диагностирования;
n - запас прочности за счет прибавки к расчетной толщине стенки на момент изготовления (пуска в эксплуатацию);
nk - запас прочности на момент окончания ресурса, назначенного заводом-изготовителем или экспертной организацией;
nП - предельно допустимый минимальный запас прочности, обеспечивающий (гарантирующий) безопасную эксплуатацию объекта повышенной опасности;
λ - вероятностный параметр достоверности оценки запаса прочности;
- степень ответственности (группа или класс опасности объекта повышенной опасности), характеризующей вероятную степень риска в случае отказа или разрушения.
По запасам прочности при изготовлении при текущем диагностировании и при достижении предельного состояния изобретение дает возможность определения полного, остаточного и расчетного ресурса с учетом имеющихся дефектов, количественного показателя полноты и объемов технического диагностирования, вероятностного параметра достоверности оценки запасов прочности, степени ответственности (группы или класса опасности объекта повышенной опасности), характеризующей вероятную степень риска в случае отказа или разрушения и показателя коррозии и коррозионной стойкости материалов и эксплуатационной скорости снижения запаса прочности объекта повышенной опасности.
Важно отметить, что с использованием изобретения прогнозирование ресурса с учетом названных показателей и оценку технического состояния средствами неразрушающего контроля в заданном объеме необходимо проводить перед началом его эксплуатации на заводе-изготовителе и периодически в процессе эксплуатации, поскольку постоянный мониторинг не всегда оправдан для объектов повышенной опасности, эксплуатирующихся преимущественно в статическом режиме работы.
При проектировании объектов повышенной опасности изобретение дает возможность определения номинальных толщин стенок на заданный ресурс, а также решать обратную задачу, то есть по заданному ресурсу эксплуатации определять номинальные толщины стенок тонкостенных конструкций, в частности сосудов давления (емкостей, теплообменников, скрубберов, реакторов), резервуаров и трубопроводов.
Прогнозирование полного, расчетного и остаточного ресурса по данному изобретению создает своего рода информационную среду, позволяющую сформировать базу данных и их обработку по мере поступления информации об объектах повышенной опасности, что в свою очередь позволяет планомерно контролировать их состояние и своевременно принимать необходимые меры по обеспечению надежности и безопасности объектов повышенной опасности.
Изобретение может быть использовано как при проектировании объектов повышенной опасности на заданный ресурс, так и при экспертизе промышленной безопасности объектов повышенной опасности, находящихся в эксплуатации с оценкой полного, расчетного и остаточного ресурса.
1. Способ прогнозирования ресурса объектов повышенной опасности, включающий анализ проектных и фактических параметров эксплуатации, техническое диагностирование с определением показателей фактического технического состояния до начала эксплуатации и в процессе эксплуатации, проведением контроля различными методами, включая, например, визуально-измерительный, дефектоскопический, акустико-эмиссионный и другие методы контроля с определением истинных размеров и их толщин стенок, конфигурации и размеров имеющихся дефектов, механических характеристик материалов и зон с максимальными значениями механических напряжений, определение расчетных, исполнительных и фактических толщин стенок по допускаемым и фактическим нагрузкам, определение запаса прочности материала и допускаемых механических напряжений, количества циклов нагружения, скорости изменения остаточных напряжений, показателя коррозии и коррозионной стойкости материала, допустимое время безопасной эксплуатации при циклическом нагружении, в условиях ползучести в зависимости от допускаемой деформации и скорости ползучести, при замедленном хрупком разрушении, при коррозионном и эрозионном изнашивании в зависимости от толщин стенок и площади сечений узлов и деталей, скорости коррозионного и эрозионного износа, определение качества, полноты и объемов контроля при диагностировании, степени ответственности, учитывающей группу или класс опасности объекта повышенной опасности, определяют полный, расчетный и остаточный ресурс, и/или значение эксплуатационных параметров, при которых возможно продолжение безопасной эксплуатации, и разрабатывают экспертное заключение с определением остаточного ресурса безопасной эксплуатации объекта повышенной опасности, отличающийся тем, что для прогнозирования полного, расчетного и остаточного ресурса и/или значений эксплуатационных параметров, при которых возможно продолжение безопасной эксплуатации объектов повышенной опасности в качестве показателей фактического технического состояния используют проектные запасы прочности на моменты проектирования, фактические запасы прочности на моменты изготовления, диагностирования и достижения предельного состояния с учетом истинных размеров, износа, расчетных, исполнительных и фактических толщин стенок по допускаемым и фактическим нагрузкам, конфигурации и размеров имеющихся дефектов, механических характеристик материалов и зон с максимальными значениями механических напряжений, задают предельно допустимый запас прочности, обеспечивающий (гарантирующий) безопасную эксплуатацию объекта повышенной опасности, выполняют оценку полного ресурса от начала эксплуатации до перехода в предельное состояние, оценку расчетного ресурса, в течение которого изготовитель или экспертная организация гарантирует надежность и безопасную эксплуатацию и оценку остаточного ресурса от момента диагностирования до перехода в предельное состояние с учетом снижения запасов прочности по преобладающим факторам износа из отношения предельных нагрузок, деформаций, числа циклов нагружения, допустимых нагрузок и механических напряжений, к эксплуатационным нагрузкам, деформациям, числу циклов нагружения и механическим напряжениям, действующим на объект повышенной опасности в процессе эксплуатации, с учетом имеющихся дефектов, количественного показателя полноты и объемов технического диагностирования, вероятностного параметра достоверности оценки запасов прочности, степени ответственности (группы или класса опасности объекта повышенной опасности), характеризующей вероятную степень риска в случае отказа или разрушения, показателя коррозии, коррозионной стойкости материалов, эксплуатационной скорости снижения запасов прочности объектов повышенной опасности, и предельно допустимого запаса прочности, обеспечивающего (гарантирующего) безопасную эксплуатацию объекта повышенной опасности, при изменении толщин стенок, площадей сечений узлов и деталей, подверженных одному или нескольким механизмам повреждения, например коррозии, износу, усталости, ползучести, изменению механических свойств и химического состава материала, на моменты проектирования, изготовления, диагностирования и достижения предельного состояния, полученные значения запасов прочности, полного и расчетного ресурса включают в экспертное заключение.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для прогнозирования полного, расчетного и остаточного ресурса и/или значений эксплуатационных параметров, при которых возможно продолжение безопасной эксплуатации объектов повышенной опасности, в качестве показателей фактического технического состояния на моменты проектирования и/или изготовления проектные запасы прочности принимают по проектным параметрам эксплуатации, а фактические запасы прочности на моменты диагностирования и достижения предельного состояния принимают по фактическим параметрам эксплуатации, если фактические и проектные параметры эксплуатации различны.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что полный ресурс объекта повышенной опасности от начала эксплуатации до перехода в предельное состояние определяется зависимостью
где ТП - полный ресурс объекта повышенной опасности от начала эксплуатации до перехода в предельное состояние;
Тk - ресурс, назначенный заводом-изготовителем или экспертной организацией, в течение которого гарантируется безопасная эксплуатация объекта повышенной опасности;
n - запас прочности за счет прибавки к расчетной толщине на момент изготовления (пуска в эксплуатацию);
nk - запас прочности на момент окончания ресурса, назначенного заводом-изготовителем или экспертной организацией;
ξ - степень ответственности, характеризующей вероятную степень риска в случае отказа или разрушения, учитывающая группу или класс опасности объекта повышенной опасности.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что остаточный ресурс объекта повышенной опасности от момента диагностирования до перехода в предельное состояние определяется зависимостью
где ТO - остаточный ресурс объекта повышенной опасности от момента диагностирования до перехода в предельное состояние;
Tk - ресурс, назначенный заводом-изготовителем или экспертной организацией, в течение которого гарантируется безопасная эксплуатация объекта повышенной опасности;
β - коэффициент дефектности;
W - объем диагностирования;
n - запас прочности за счет прибавки к расчетной толщине на момент изготовления (пуска в эксплуатацию);
nk - запас прочности на момент окончания ресурса, назначенного заводом-изготовителем или экспертной организацией;
λ - вероятностный параметр достоверности оценки запаса прочности;
ξ - степень ответственности, характеризующей вероятную степень риска в случае отказа или разрушения, учитывающая группу или класс опасности объекта повышенной опасности.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что расчетный ресурс объекта повышенной опасности, в течение которого изготовитель или экспертная организация гарантирует надежность и безопасную эксплуатацию, определяется зависимостью
где ТР - расчетный ресурс объекта повышенной опасности, в течение которого изготовитель или экспертная организация гарантирует надежность и безопасную эксплуатацию;
Тk - ресурс, назначенный заводом-изготовителем или экспертной организацией, в течение которого гарантируется безопасная эксплуатация объекта повышенной опасности;
β - коэффициент дефектности;
W - объем диагностирования;
n - запас прочности за счет прибавки к расчетной толщине на момент изготовления (пуска в эксплуатацию);
nk - запас прочности на момент окончания ресурса, назначенного заводом-изготовителем или экспертной организацией;
nП - предельно допустимый минимальный запас прочности, обеспечивающий (гарантирующий) безопасную эксплуатацию объекта повышенной опасности;
λ - вероятностный параметр достоверности оценки запаса прочности;
ξ - степень ответственности, характеризующей вероятную степень риска в случае отказа или разрушения, учитывающая группу или класс опасности объекта повышенной опасности.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что эксплуатационная скорость снижения запаса прочности определяется формулой
где Vn - скорость снижения запаса прочности;
n - запас прочности за счет прибавки к расчетной толщине на момент изготовления (пуска в эксплуатацию);
nk - запас прочности на момент окончания ресурса, назначенного заводом-изготовителем или экспертной организацией;
Тk - ресурс, назначенный заводом-изготовителем или экспертной организацией, в течение которого гарантируется безопасная эксплуатация объекта повышенной опасности.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что запас прочности, образующийся за счет прибавки к расчетной толщине, на момент изготовления объекта определяется по формуле
где q - показатель коррозии и коррозионной стойкости материала;
S - проектная толщина стенки элемента;
С - допуск на толщину проката;
SP - расчетная толщина стенки.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что запас прочности, образующийся за счет прибавки к расчетной толщине, на момент диагностирования объекта определяется по формуле
где q - показатель коррозии и коррозионной стойкости материала;
Sk - минимальная фактическая толщина стенки на момент текущего диагностирования;
ΔSk - износ стенки на момент текущего диагностирования;
SP - расчетная толщина стенки.
