8.1. Диагностирование сосудов, работающих под давлением.

Основная цель диагностирования — установление соответствия технического состояния сосуда требованиям, установленным Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением (ПБ-115-96). Этими правилами также регламентирован перечень сосудов, работающих под давлением, на которые эти правила распространяются.

В зависимости от ведомственного назначения, вида обору­дования, технологической среды и особенностей эксплуатации разработаны специальные методики диагностирования техничес­кого состояния сосудов и аппаратов потенциально опасных производств. Однако все эти методики не должны вступать в противоречие с Методическими указаниями по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, поднадзор­ных Госгортехнадзору России (РД 09-102-95).

Для предприятий топливно-энергетического комплекса действует "Методика диагностирования технического состояния сосудов и аппаратов, отслуживших установленные сроки службы на предприятиях Минтопэнерго" (М.: ЦЕНТРХИММАШ, согл. ГГТН 21.12.02). Методика распространяется на сосуды и аппараты при рабочих давлениях до 10МПа (100 кгс/см²), выполненных в соответствии с ОСТ 26-291-87. Методика включает в себя:

• порядок диагностирования и подготовки сосудов и аппаратов к диагностированию,

• объем и порядок анализа технической документации,

• объем и порядок натурного обследования объекта,

• лабораторные исследования конструкционных материалов,

• проведение прочностных исследований,

• оценку и оформление результатов диагностирования. Перед диагностированием сосуды должны быть подготовлены для выполнения работ внутри них, для чего каждый сосуд (аппарат) должен быть:

• остановлен, охлажден, освобожден от заполняющей его рабочей среды, промыт и при необходимости пропарен острым паром, продут инертным газом, а затем воздухом; произведен конт­роль состава атмосферы на ПДК;

• отключен заглушками от всех трубопроводов, соединяющих его с источником давления,

• освобожден от конденсата,

• электрооборудование отключено от всех источников питания,

• оснащен освещением от источника питания с напряжением не более 12В,

• очищен с внутренней стороны от технологических отходов, загрязнений, продуктов коррозии.

Подготовку сосудов и аппаратов к диагностированию выполняет предприятие-заказчик.

Диагностирование должно носить комплексный характер и в общем случае включает в себя следующие виды работ.

Анализ технической документации, при котором наибольшее внимание уделяется:

• сварным швам и местам их пересечения,

• местам сочленения конструктивным элементам (приварки патрубков, люков, бобышек, переходов и т.д.);

• местам гибон металла,

• местам конструктивных утонений,

• наиболее нагруженным участкам (крепление опор),

• местам соединения и контакта различных материалов,

• застойным зонам,

• местам воздействия потоков и границ раздела агрегатных состояний рабочей среды,

• участкам с дефектами металла, обнаруженными в процессе эксплуатации.

Для потенциально опасных участков устанавливают:

• марку конструкционного материала,

• проектное значение эксплуатационных напряжений и коэффициентов запаса прочности,

• проектные значения рабочих температур,

• характеристики рабочей среды и условия ее взаимодействия с материалом конструкции,

• вероятный характер возможных повреждений.

В результате анализа условий эксплуатации устанавливают:

• соответствие оборудования его прямому назначению,

• соответствие рабочей среды, температуры и давления паспортным данным,

• возможность возникновения коррозионного растрескивания металла, его наводораживания, обезуглероживания, межкристал­лической коррозии и других повреждений,

• характер изменения режимов эксплуатации (температуры, давления, концентрации компонентов и др.),

• определяют время и количество циклов взаимодействия.

В результате анализа планово-профилактических и ремонтных мероприятий получают:

• информацию об объеме и характере проведенных ремонтных работ и их причинах,

• уточнение физико-механических характеристик металла, его химического состава и структуры на участках, подвергнутых ремонту,

• оценку интенсивности развития дефектов. При анализе аварий обращают внимание на:

• места локализации очагов аварий.

• причины аварий (нарушение технологического режима, брак при изготовлении, монтаже, старение материала и т.п.).

• характер разрушения, физико-механические свойства и структуру материала в очаге разрушения.

• изменение геометрических параметров,

• объем и характер ремонтно-восстановительных работ. На основании анализа технической документации:

• формулируются задачи обследования,

• составляется карта аппарата с указанием потенциально опасных участков,

• выбираются методы и аппаратура для обследования,

• выбираются методы обработки результатов обследования и порядок их представления,

• устанавливаются меры безопасности при диагностирования. Натурное обследование аппарата включает в себя:

• наружный и внутренний осмотр,

• неразрушающий контроль сварных соединений и потенци­ально опасных участков,

• толщинометрию несущих элементов конструкции,

• исследование фактической нагруженности основных несущих элементов,

• исследование физико-механических свойств, состава и структуры материалов,

• коррозионные свойства металла в конкретной рабочей среде,

• прочность и герметичность конструкции.

При визуальном выявлении дефектов путем наружного и внутреннего осмотра внутренние защитные покрытия и футеровка подлежат обязательному удалению в местах нарушения их целостности, а также определенных специалистом, производящим диагностику. При осмотре поверхностей используют лупы, индикаторы с иглами для измерения глубины дефектов и измерительный инструмент для определения протяженности и площади дефекта, шаблоны для контроля деформации трубных элементов. Внутренняя поверхность аппарата, недоступная для осмотра, исследуется с помощью эндоскопа зондом из стекло­волокна. При осмотре выявляют следующие дефекты:

• поверхностные трещины, расслоения, вмятины, гофры, раковины и другие дефекты в основном металле,

• поверхностные трещины, непровары, отслоения, свищи и другие несплошности в сварных швах,

• коррозионные повреждения,

• видимые деформации конструкционных элементов,

• видимые отслоения и отрывы плакирующего слоя, разруше­ние футеровки.

В случае обнаружения дефектов участки в зоне дефектов шириной 100-150 мм исследуют с помощью методов неразруша­ющего контроля. При этом используют:

• методы количественной металлографии непосредственно на объекте,

• метод полистирольных оттисков,

• косвенные методы, использующие зависимости физико-механических свойств материалов от уровня дефектности (твер­дость, магнитная восприимчивость и др.).

В отдельных случаях требуется вырезка образца из потенциально опасного участка для проведения исследований методами электрон­ной микроскопии, малоугловой рентгенографии и др.

Неразрушаюший контроль проводят:

• для обстоятельного исследования дефектов, обнаруженных визуально,

• для выявления дефектов в сварных соединениях и потенциально опасных участках,

• для обнаружения дефектов, не наблюдаемых визуально. Доля обследуемой поверхности и участки обследования зависят от категории опасности оборудования, определяются правилами безопасности, а при отсутствии рекомендаций назначаются лицом, проводящим диагностику.

Наибольшее применение для выявления дефектов нашли следующие методы неразрушающсго контроля:

• ультразвуковая дефектоскопия (УЗД),

• радиографический контроль сварных соединений,

• капиллярный (цветной) и магнитопорошковый методы,

• ультразвуковая толшинометрия (УЗТ),

• акустико-эмиссионный контроль.

Метод контроля (или сочетание методов) выбирают таким обра­зом, чтобы обеспечить максимальную степень выявления дефекта.

Типовые дефекты химического оборудования и способы их обнаружения

Дефекты	Наиболее применяемые способы обнаружения
Трещины усталости, термические, коррозионные и др.	Визуально-оптические, ультразвуковые, магнитопорошковые, капиллярные, вихретоковые, акустико-эмиссионные
Коррозионные повреждения	Визуально-оптические, толщинометрия, капиллярные, металлографические методы
Эрозионный, кавитационный износ
Деформация ползучести	Микрометрирование по реперам, геодезический контроль, тензометрирование

Оценка качества сварных соединений сосудов по результатам неразрушающего контроля производится в соответствии с требованиями Правил... (ПБ-115-96) и ОСТ 26-291-87.

Характеристика методов диагностирования оборудования

Методы контроля	Технические средства	Достоинства	Недостатки
Визуально-оптический	Лупы, смот­ровые трубы, эндоскопы	Простота, возможность осмот­ра больших поверхностей, определение вида разрушения, участков повышенного износа, коррозии	Невысокая точность
Взятие пробы материала путем высвер­ливания	Лабораторные средства иссле­дования механи­ческих свойств, металлография	Высокая достоверность измерения	Необходимость последующего заглушения отверстия
Микрометрический по ГОСТ 9.908-90	Механические индикаторы с игольчатым Щупом	Возможность измерения глубин отдельных каверн	Погрешность измерения при наличии сплош­ной коррозии
Ультразвуковая толшинометрия, ГОСТ 14782-86	Ультразвук. толщиномеры УТ-92П.УТ-93П и другие	Сочетание высокой точности измерения и высокой производительности	Коррозионные повреждения повышают пог­решность измерений
Магнитная толщинометрия	Магнитный фсрритомер МФ- 10 М	Возможность измерения толщины плакирующего слоя двухслойных сталей	Менее высокая Точность измерения (погреш­ность до 10%)
Капиллярный (цветной, люминисцентный), ГОСТ 18442-86	Пенетранты. сорбенты, люминофоры	Высокая чувствительность при появлении трещин и пор, простота, наглядность	Необходимость высокой чистоты поверхности, высокая трудоемкость и длительность контроля
Магнитно-порошковый, ГОСТ 21 105-90	Магнитно-порошковые дефектоскопы	Высокая чувствительность и достоверность при контроле трещин в ферромагнитных материалах	Необходимость удаления покрытий и загрязнений с поверхности
Металлографи­ческий, ГОСТ 1778-90, ГОСТ 6032-89	Металлогра-фнческие микроскопы	Возможность измерения поражении малой глубины	Необходимость вырезки образцов
Ультразвуковые	Ультразвуковые дефектоскопы	Высокая производительность и достоверность	Невозможность контроля нахлесточных швов и мест с кон­структивным непроваром
Радиогра­фические. ГОСТ 75! 2-88, ГОСТ 23055-89	Рентгеновские аппараты, гамма-дефектоскопы
Акустнко-эмиссионный	Комплект аппаратуры с датчиками	Возможность выявления развивающихся дефектов	Сложность и высокая стоимость аппаратуры

Метод акустико-эмиссионного контроля позволяет выявлять дефекты при нагружснии сосуда. Этот метод, как правил; применяют в качестве самостоятельного метода контроля, но может использоваться с другими, например УЗД методами. Вопрос целесообразности применения метода решается организацией, проводящей диагностирование. При невозможности гидроопрессовки сосуда применение метода обязательно.

Кроме рассмотренных методов при диагностировании могут применяться и другие методы, применение которых оговаривается с диагностической документации и согласовывается с органами Госгортехнадзора России.

Для диагностирования оборудования, подведомственного Госгортехнадзору, допускаются приборы, сертифицированные службами Госстандарта.

Выдача заключений по результатам неразрушающего контроля допускается специалистами квалификации не ниже 2-го уровня по международным квалификационным требованиям, аттестованным в соответствии с Положением об аттестации дефектоскопистов.

Исследование фактической нагруженности основных несущих элементов конструкции в потенциально опасных участках производят тензометрическими и другими методами при прове­дении гидро (пневмо) испытаниях. Этим исследования проводят для решения следующих задач:

• определения фактических напряжений в элементах сосуда,

• установления возможных отклонений напряженно-деформа­ционного состояния от проектного и принятия решения о необходимости проведения работ по укреплению элементов или изменения условии эксплуатации;

• получения реперных значений, необходимых при расчетах НДС в эксплуатационных условиях;

• определения НДС изношенного сосуда. Металлографические исследования, химанализ и определение механических характеристик материалов проводят в случаях, когда по условиям эксплуатации или выполнения ремонтно-восстановительных работ возможно изменение структуры, химсостава и свойств материала, а также в случае утраты технической документации на сосуд. Для проведения исследований могут быть использованы как разрушающие, так и неразрушающие методы (см. раздел 3).

Коррозионные исследования проводят в случаях обнаружения значительных коррозионных поражений элементов сосуда для определения причин коррозии и скорости ее развития. С этой целью:

• определяют тип и характеристики дефектов коррозионного поражения.

межкристаллитной коррозией.

• определяют химический и фазовый состав металла в области коррозионного поражения,

• вычисляют скорость коррозии металла на основании справочных данных, а также путем сравнения с уровнем коррозионного повреждения, выявленным в ходе предыдущих обследований, и на основании результатов испытаний образцов-свидетелей.

При проведении исследований учитывают особенности эксплуатации сосуда (химический состав рабочей среды, ее температуру, содержание примесей, стабильность технологических параметров, .марку металла, технологию его обработки и другие факторы). Наиболее часто применяемые в условиях эксплуатации методы коррозионных исследований показаны в таблице.

Исследования прочности сосудов и аппаратов проводят с целью:

• определения соответствия основных элементов сосуда условиям прочности по требованиям нормативно-технической документации (НТД),

• оценки влияния выявленных дефектов на безопасность эксплуатации сосуда,

• определения влияния длительной эксплуатации на напряженно-деформированное состояние основных элементов сосуда.

Расчеты на прочность выполняют для обечаек сосуда, днищ, патрубков. Расчеты выполняют в соответствии с нормативной документацией (см. раздел 5). При расчетах учитывают объем контроля, результаты толшинометрии и дефектоскопии сварных швов. Местные напряжения определяют методами численного анализа с помощью ЭВМ по специальным программам.

При получении в результате расчета коэффициентов запаса не ниже установленных в НТД, конструкция может быть допущена к последующей эксплуатации. На основании результатов расчета определяют допускаемый режим эксплуатации и остаточный ресурс.

В случае обнаружения дефектов сварных швов, которые не допускаются по действующим нормам, производится оценка их влияния на прочность сосуда. Эта работа выполняется в следующем порядке:

• определяются характеристики статической и циклической трещиностойкости материала сварных швов по ГОСТ 25506-85 (см. раздел 3);

• проводится расчетная оценка влияние дефекта на прочность сосуда.

Допускаемый размер дефекта, не вызывающий опасного хрупкого разрушения сосуда, определяется из соотношения

где Кl – коэффициент интенсивности напряжений (КИН) в сварном шве в зоне дефекта, [Kl]=Kl C/n-допускаемое значение КИН, n=2 -коэффициент запаса, -напряжение в стенке сосуда в зоне дефекта, fl K –коэффициент , учитывающий геометрию дефекта и толщину стенки корпуса аппарата, Kl C –критический КИН материала сварного шва, l –длина трещины.

В результате циклических испытаний определяется срок работы аппарата, в течение которого дефект сварного шва достигнет опасного размера. В случае, если условия прочности не обеспечиваются, должен быть произведен неразрушающий 100% контроль швов.

При неудовлетворительных результатах, полученных при прочностных исследованиях, или невозможности расчетной оценки влияние выявленных дефектов, дефектное место подлежит ремонту (в случае ремонтопригодности сосуда) с обязательным обследованием места ремонт.

Гидравлические испытания. В соответствии с ПБ-115-96 гидравлическому испытанию подлежат все сосуды после их изготовления и ремонта. Гидравлические испытания проводят пробным давлением

Рпр=КР

где Р- расчетное давление сосуда; []20, []t -допускаемые напряжения для материала сосуда при С и расчетной температуре; К –коэффициент избыточного давления; К=1,5 – для сосудов, изготовленных методом литья, К=1,25 –для других способов изготовления. В других случаях (для неметаллических, металл ополи мерных материалов) К принимают согласно ПБ-115-96

Контроль герметичности.

Течеисканием называют вид неразрушаюшего контроля, Обеспечивающий выявление сквозных дефектов в объекте, основанный на проникновении через такие дефекты пробных веществ. Эти методы применяют для контроля герметичности работающих под давлением сварных сосудов и аппаратов, резервуаров, трубопроводов, гидро-, топливо-, масляных систем, вакуумных систем и др.

По способу создания разности давления различают объекты с внутренним и внешним избыточным давлением. В качестве пробных веществ применяют гелии, фреоны, аммиак, керосин, воду с люминесцентными веществами. В качестве регистрирующих устройств применяют течеискатели галогенные, масс-спектро­метры. Для грубой оценки герметичности используют вакуумно-пузырьковый метод.

Масс-спектрометрический метод основан на выделении и регистрации проникающего через течи пробного вещества путем разделения попов разных газов по отношению их массы к заряду.

Галогенный метод основан на регистрации проникновения пробного вещества через течи по увеличению эмиссии положительных ионов с накаленной металлической поверхности при попадании на нее галогенов.

Манометрический метод регистрирует изменение полного давлении в системе в результате перетекания проникающего вещества через течи.

Вакуумный метод регистрирует изменение остаточного давления в системе в результате натекания.

На регистрации акустических волн, возбуждаемых при вытекании вещества через течи, химически активных или люминесцентных веществ основаны соответственно акустический, . химический и люминесцентный методы.

На принципе охлаждения газа при истечении его из отверстия основан тепловизионный метод. С помощью инфракрасных приборов регистрируют истечение окиси углерода, двуокиси, аммиака и других газов, поглощающих инфракрасные лучи. Наиболее простыми способами обнаружения течей является метод погружения объекта в жидкость (пузырьковый метод), регистрации пузырей путем обмыливания аистемы, обнаружение характерных следов на меловой обмазке таких веществ, как керосин и др.

Основными нормативными документами по применению методов испытаний на герметичность являются:

ГОСТ 24054-80. Изделия машиностроения и приборостроения. Методы испытания на герметичность. Общие требования.

ГОСТ 26182-90. Контроль неразрушающий. Люминесцентный метод течеискания.

РД 26-15-88. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность и герметичность фланцевых соединений.

ОСТ 26-11-14-88, Сосуды и аппараты, работающие под давлением. Газовые и жидкостные методы контроля герметичности.

По результатам обследования и анализа эксплуатационных нагрузок определяют причины, вызывающие ухудшение технического состояния сосуда и параметры технического состояния, изменение которых в процессе эксплуатации приводят к снижению запасов прочности конструкции. К таким параметрам относятся:

• геометрические размеры элементов конструкции, изменение которых может привести к повышению фактического уровня напряжений;

• локальные повреждения, которые могут привести к повышению местной концентрации напряжений, увеличению амплитуды циклических напряжений, возможности малоцикловой усталости;

• деградация физико-механических свойств материала, приводящая к уменьшению предельных напряжений и температур.

Расчеты остаточного ресурса проводят по специальным методикам (см. раздел 7).

На основании и полученных результатов диагностирования составляют карты обследования сосуда по всем видам контроля и заключение о возможной его безопасной эксплуатации.

Заключение включает в себя следующие данные:

• место расположения сосуда, его инвентарный номер, наименование организации-изготовители, дату изготовления и ввода в эксплуатацию;

• наименование организации, выполнившей диагностирова­ние, дату диагностировании, фамилии, должности исполнителей;

• краткую техническую характеристику с указанием полных данных применяемого при изготовлении сосуда материала, режим его работы и вид продукта;

• проектные и фактические толщины стенок обечаек, днищ, люков и штуцеров сосуда;

• виды аварий, число проведенных ремонтов и их краткое описание;

• результаты внешнего осмотра и измерений;

• результаты неразрушающих методов контроля сварных соединений;

• результаты механических испытаний, химического и металлографического анализа основного материала и сварных соединений;

• прочностные расчеты и расчеты остаточного ресурса;

• выводы по результатам обследования и комплексной дефектоскопии, которые должны содержать основные данные, характеризующие состояние отдельных элементов и сосуда в целом;

• заключение о состоянии сосуда и рекомендации по обеспечению его надежной работы.

Оформленное заключение подписывается исполнителями и утверждается руководителем организации, руководившей проведением диагностирования сосуда и имеющей разрешение органов Госгортехнадзора на проведение работ по техническому диагностированию оборудования, подведомственного Госгортехнадзору России.