102

Методы оценки ресурса сварных конструкций

1. Введение. Виды разрушения

Проблемы, связанные с разрушением сварных конструкций:

• большие материальные потери,

• человеческие жертвы,

• вред для окружающей среды.

Средства предотвращения разрушений:

- исключение ошибок при проектировании,

- повышение качества технологии,

- своевременный ремонт и замена.

Всеми этими вопросами мы занимаемся в рамках нашей специальности.

Количество отказов в течение срока службы распределено неравномерно (рис. 1).

Рис.1. Распределение отказов по сроку службы конструкции

Можно выделить 3 этапа эксплуатации конструкции:

1) в начале работы много повреждений и разрушений сварных соединений, связанных с технологическими дефектами (вскрывается пропущенный брак);

2) длительный период устойчивой работы, разрушения возникают в случае аварийных перегрузок от ошибок персонала, стихийных бедствий и т. д.;

3) рост повреждаемости в связи с износом, накоплением микроповреждений, ростом дефектов.

Возможные пути обеспечения надежности:

1. замена или ремонт после окончания срока службы (проектного ресурса);

2. работа «по техническому состоянию» (индивидуальный ресурс).

Достоинством первого, традиционного пути является обновление устаревших конструкций, даже если они не изношены. Недостаток в больших расходах и сохранении риска отказа.

Проектный ресурс (срок службы) определяется расчетным путем с учетом назначенных размеров, марок сталей и рабочих нагрузок.

Как правило, срок назначают с запасом, он не достигает начала третьего этапа, при котором резко возрастает число отказов. Для конструкций с большим сроком службы приходится прогнозировать его на много лет вперед. При этом легко ошибиться в расчетах, так как невозможно учесть все случайные факторы, связанные с качеством материалов и технологии, а также с условиями работы.

В нашей стране система плановой замены была нарушена в годы недостатка средств и смены власти. Реальной является только работа «по техническому состоянию».

Этот путь требует периодического диагностического обследования для оценки технического состояния и остаточного ресурса.

Индивидуальным ресурсом называется максимальное при­ближение во времени к моменту отказа конструкции, при котором обеспечиваются требования к ее надежной эксплуатации. Сроки индивидуального ресур­са устанавливаются из результатов углубленного диагностирования (с оценкой структуры, свойств и накопленной поврежденности металла), анализа условий эксплуатации, фактических размеров и особенностей конструкции, а также расчетной оценки на­пряженного состояния и анализа повреждения сварных соединений.

Остаточный ресурс определяется как разность между индивидуальным ресурсом и ранее отработанным сроком службы, т.е. как возможный дополнительный срок службы.

Если после завершения проектного ресурса проведенное диагностическое обследование конструкции показывает, что ее техническое состояние является удовлетворительным (повреждения невелики и неопасны), то срок ее эксплуатации может быть продлен на некоторый период, который зависит от выявленного технического состояния и, как правило, меньше проектного ресурса. По истечении этого периода снова проводится диагностическое обследование для оценки техническое состояния конструкции, и срок ее эксплуатации снова может быть продлен. Это и называется работой по техническому состоянию.

Для снижения риска отказов надо правильно назначать сроки диагностических обследований конструкции и начинать их до истечения проектного ресурса. Это позволит снизить риск, связанный с ошибками в назначении проектного ресурса и с влиянием неучтенных случайных факторов.

Прочность конструкции принято оценивать уровнем среднего напряжения в расчетном сечении, при котором происходит разрушение. Наличие трещины малого размера практически не снижает изделия, однако, по мере увеличения размера, ее влияние проявляется все сильнее (рис.2). В этих условиях для сохранения работоспособности изделия необходимо, чтобы размер трещины не превышал критического значения , вызывающего снижение прочности до уровня напряжения, который считается допустимым [ ], т. е. имеет соответствующий коэффициент запаса >1 по сравнению с или .

Растущую трещину необходимо выявить и устранить ее до того, как она приведет к отказу в работе, то есть в период эксплуатации между точкой A, когда размер трещины становится доступным для обнаружения, и точкой B, соответствующей достижению размера (рис.2).

Рис.2. Снижение прочности по мере роста трещины в процессе эксплуатации

Индивидуальное прогнозирование ресурса позволяет не только предупреждать воз­можные отказы, но и более правильно планировать режимы эксплуатации и профи­лактические мероприятия. В ряде случаев рентабельная эксплуатация может быть продолжена в условиях сниженных нагрузок. Поэтому можно рассматривать прогно­зирование индивидуального остаточного ресурса как своего рода систему управления процессом эксплуатации, технического обслуживания и капитального ремонта.

Ремонт назначается, если повреждения существенны, но могут быть устранены в короткий срок и без больших расходов. После ремонта снова наблюдаются те же 3 этапа работы конструкции: с отказами вследствие недостаточного качества ремонта, затем этап устойчивой работы и этап нарастания отказов из-за износа (как правило, цикл после ремонта короче, чем у новой конструкции).

Правильная оценка технического состояния и ресурса при этом играет центральную роль. Недостаточно выявить дефекты, нужно провести расчет прочности с учетом нагрузок, свойств материала, формы и размеров конструкции, размеров и расположения дефектов. Сравнения размеров дефектов с нормативами, как правило, недостаточно.

Рабочее и предельные состояния

Важный этап проектирования конструкции – обеспечение ее работоспособности, надежности и экономичности за счет рационального выбора размеров и материалов для нагруженных элементов. Оптимально спроектированной можно считать такую конструкцию, которая при минимальных затратах (металла, труда и т.д.) обеспечивает необходимые эксплуатационные показатели.

Одним из важнейших показателей качества является отсутствие разрушений в течение срока эксплуатации при всех вероятных нормальных и экстремальных нагрузках. Для этого при проектировании нужно обеспечить, чтобы рабочее состояние конструкции, характеризуемое напряжениями и деформациями в ее сечениях, не достигало ни одного из предельных состояний. В то же время рабочее состояние должно быть максимально приближено к предельным, так как только в этом случае возможно получение конструкции с минимальной массой и стоимостью.

Наиболее опасным предельным состоянием конструкции является ее внезапное разрушение в процессе эксплуатации. Возможность полного использования прочности и пластичности материала с гарантией отсутствия разрушений обусловлена степенью приближения расчетной прочности к конструкционной. Под расчетной прочностью понимают способность конструкции сопротивляться наступлению предельных состояний, установленную на основе аппарата теории, характеристик материала и условий нагружения; под конструкционной (фактической) - ту же способность, но установленную при испытании или эксплуатации для конкретной конструкции. Возможность оптимизации конструкции и технологии ее изготовления с позиций прочности во многом зависит от близости расчетной прочности к конструкционной, поэтому их сближение - одна из важных задач производственников и проектировщиков. Расхождение между ними связано как с несовершенством методики расчета, так и с рассеянием значений конструкционной прочности.

Конструкционная прочность по своей природе имеет рассеяние, поскольку случайные колебания характерны для свойств сварного соединения, размеров элементов конструкций, степени засоренности дефектами, их размеров и расположения. Чтобы учесть многообразие причин снижения конструкционной прочности по сравнению с расчетной, необходимо в качестве критерия принять наступление разрушения и сопоставлять локальное напряженно-деформированное состояние (НДС) металла с локальными свойствами сварного соединения в предполагаемой зоне разрушения. При этом расчеты должны строиться на вероятностной основе (рис. 3).

Рис. 3. Изменение вероятности разрушения конструкции под влиянием технологии изготовления. (1;4-идеальная, 2;3-реальная технология; 1;2 - локальная напряженность, 3;4 - локальные свойства).

Взаимное расположение кривых 1 и 4 характеризует запас расчетной прочности. В результате искажения проектной формы и размеров сварной конструкции, появления остаточных напряжений и дефектов в сварных швах, изменения механических свойств и возникновения механической неоднородности увеличивается рассеяние напряжений и свойств в неблагоприятном направлении. Кривая 1 превращается в кривую 2, а кривая 4 в 3. Взаимное расположение кривых 2 и 3 характеризует запас конструкционной прочности. Очевидно, что он всегда меньше запаса расчетной прочности и существенно зависит от технологии изготовления.

В отраслях промышленности, на основе статистических данных, выработаны нормы качества, регламентирующие допустимые виды и размеры дефектов. Контроля качества раздвигает границу между кривыми 2 и 3 и увеличивает запас прочности. Но ни один метод контроля не исключает наличия в сварных швах пропущенных недопустимых дефектов. Поэтому современные методы расчета прочности должны исходить из наличия в сварной конструкции дефектов, в том числе трещиноподобных. Следовательно, в основе расчетов должно лежать моделирование разрушения сварного соединения.

Часто в нормах проектирования проблема безопасности часто решается введением больших коэффициентов запаса. В простых случаях эти коэффициенты компенсируют неполноту расчета и обеспечивают разработку рациональной и безопасной конструкции на основе упрощенной расчетной схемы, не учитывающей важных факторов, влияющих на прочность. Для более сложных конструкций и условий их работы влияние отдельных факторов иногда не находится в корреляционной связи. Тогда неучет одного из таких факторов не может быть скомпенсирован никаким запасом по другому из них.

Наиболее сложными объектами являются сварные конструкции. При их расчете возникает ряд проблем, связанных с неоднородностью свойств материала, сложностью формы, наличием конструктивных и технологических концентраторов напряжений, остаточных напряжений и т.д. Особую сложность задачам анализа и обеспечения работоспособности конструкции придает не какой-нибудь один из перечисленных факторов, а возможность сочетания и взаимодействия сразу нескольких из них в небольшом объеме, практически в одной точке.

Принципы построения проектных и контрольных расчетов

Проектный расчет сварной конструкции производится на стадии подготовки к ее изготовлению и служит для выбора размеров и материалов, обеспечивающих ее безотказную эксплуатацию.

Контрольный расчет производится по результатам диагностического обследования для принятия решения о продлении срока службы, ремонте или утилизации. Иногда контрольный расчет производится для определения причин разрушения конструкции при расследовании обстоятельств аварии.

При проектировании конструктор должен исходить из бездефектности сварных соединений, иначе он с самого начала санкционирует снижение культуры производства и увеличение массы проектируемого изделия за счет понижения эксплуатационных напряжений. Но поскольку влияние дефектов на работоспособность все же возможно, появляется необходимость в оценке достаточности действующих на предприятии или в отрасли технологических требований по допускаемому размеру дефекта.

Нагружение с этой целью готовой конструкции до разрушения слишком трудоемко и дорого, его используют редко, например, при проверке новых конструктивных или технологических решений или для выборочного контроля выпускаемой продукции.

Расчетный подход отличается большей оперативностью, подробностью получаемой информации, простотой обобщения результатов. При многовариантном проектировании данные расчетов могут служить критерием оценки и оптимизации конструктивно-технологического решения.

Схема постановки расчета сварного соединения представлена на рис.4. В ней моделирование процесса деформирования и разрушения конструкции является центральным, но не единственным звеном. Важную роль играет также система получения исходных данных.

Рис.4. Схема постановки расчетов прочности и ресурса сварной конструкции

Набор данных для первого этапа расчета - общего анализа НДС – состоит из 3 основных групп: геометрии конструкции, свойств материалов и нагрузок.

1) Для сварной конструкции геометрическая информация включает не только данные о форме и размерах деталей, но также расположение и конструктивное оформление сварных соединений. Поскольку целью расчета является оценка опасности разрушения, особого внимания требуют элементы формы деталей и швов, способные вызвать концентрацию напряжений. Такими элементами геометрии являются, в частности, дефекты, выделенные в отдельную группу данных на схеме в связи с их вероятностью и опасностью для сварных конструкций.

Подготовка данных для учета дефектов при проектировании существенно сложнее, чем в случае постановки контрольного расчета конкретного изделия, для которого все необходимые данные можно получить, используя методы неразрушающего контроля. При проектировании возможные размеры и расположение дефектов, а также вероятные отклонения геометрических форм сварных соединений приходится задавать, исходя из тех предельных значений, которые считаются допустимыми в изделиях данного типа согласно действующим техническим нормам, или в виде случайных величин, параметры рассеяния которых определяют на основе собранных статистических данных. Внезапное разрушение возможно как при монотонном нагружении, так и на очередном цикле переменной нагрузки. В последнем случае очертания выросшей усталостной трещины, также необходимые для расчета, могут быть получены по результатам моделирования процесса ее роста.

2) Основными компонентами свойств материала являются деформационные характеристики металла различных зон сварного соединения при температурах эксплуатации. Для установление момента образования трещины необходим критерий наступления предельного состояния разрушения.

3) Очень важным и непростым элементом исходных данных являются действующие на конструкцию нагрузки. В их состав для сварной конструкции входят и остаточные напряжения после сварки. Уровень и распределение остаточных напряжений целесообразно определять расчетным путем, исходя из параметров проектируемой технологии сварки, геометрии сварного узла, механических свойств металла и послесварочной обработки, если она предусматривается проектом.

Эти исходные данные позволяют осуществить моделирование НДС проектируемого узла в процессе увеличения нагрузки. По результатам расчета можно выявить наиболее нагруженные места, требующих более подробного расчета с моделированием возможного разрушения. Кроме того, эта информация может быть использована для оптимизации конструкции. Критерий разрушения позволяет также установить уровень нагрузки, при котором в зоне концентрации напряжений и деформаций достигается предельное состояние разрушения, о чем свидетельствует образование макротрещины. Считая расширение, по мере возрастания нагрузки, зоны, где достигнуто предельное состояние разрушения, признаком роста трещины, можно установить различия в условиях наступления предельного состояния в зависимости от выбора варианта конструктивно-технологического решения.

Наиболее разумный подход к обеспечению прочности сварных конструкций - итерационный, включающий анализ конструкции с выявлением слабых мест, выработку конструктивно-технологических решений по устранению этих недостатков и повторную оценку конструкции с учетом ожидаемых изменений для возможной коррекции принимаемых решений в рамках САПР.

Проектные расчеты должны обеспечить сопоставление конструктивно-технологических решений с позиций выбора наиболее работоспособного варианта. Оперативное выполнение подобных расчетов возможно только на основе широкого использования вычислительной техники и метода конечных элементов (МКЭ), а также моделирования процесса деформирования с анализом изменений НДС вплоть до наступления характерных предельных состояний разрушения. Результаты моделирования позволяют оценить работоспособность конструкции с позиций сопротивляемости разрушению. При проектировании конструкции эти результаты являются основанием для внесения изменений в проект с последующим повторным расчетом для оценки эффективности внесенных изменений. Таким образом, рассмотренная схема на рис. 4 может являться основой прочностной подсистемы САПР. Для оперативности расчетов необходимо, чтобы информация о геометрии конструкции генерировалась на предыдущих этапах проектирования, а свойства материала содержались в базе данных.

Решение этой сложной задачи требует, во-первых, наличия методики и программного обеспечения моделирования НДС в процессе деформирования, а во-вторых, достаточно обоснованной критериальной основы установления момента образования макротрещины. Переход к моделированию процесса разрушения позволяет установить направление и темп роста развивающейся трещины по мере возрастания нагрузки или при повторных нагружениях. Преимуществом МКЭ перед рядом других численных методов расчета НДС в сварных соединениях - возможность задания различных свойств материала как в соседних элементах, так и в пределах одного элемента.

Современный уровень понимания происходящих в материале под нагрузкой процессов и воспроизведения их в расчетных методах не гарантирует полного соответствия результатов расчетов реальным физическим процессам в материале. Степень этого соответствия может быть установлена только из сопоставления каждого звена расчетного метода с экспериментом. Целесообразно использовать расчеты для определения параметров НДС, а эксперименты - для определения критических значений этих параметров, соответствующих наступлению предельных состояний. Основа системы оценки работоспособности конструкций - расчетный подход, а функции экспериментов включают:

1) Определение свойств материала (механических и теплофизических характеристик), необходимых в качестве исходных данных для расчета МКЭ.

2) Определение условий нагружения для анализируемой части конструкций.

3) Проверку соответствия результатов расчета тем параметром состояния образцов в процессе эксперимента, которые могут быть замерены непосредственно с помощью датчиков.

4) Регистрацию момента разрушения образца для совмещения его с результатами расчета НДС и установления критерия разрушения сварного соединения.

В отличие от проектных, контрольные расчеты безусловно требуют учета влияния всех дефектов, обнаруженных в конструкции. Целью таких расчетов является проверка работоспособности изготовленной или уже эксплуатируемой конструкции при обнаружении отклонений от нормативных требований.

Вопросы приемки такой конструкции или исправления дефектов обычно решают путем сопоставления данных контроля с нормативными документами отрасли. Ограниченность такого подхода заключается в отсутствии связи между данными нормативно-технологических документов и процессами разрушения при наличии тех или иных дефектов. Поэтому работоспособность приходится обеспечивать косвенно, на основе регламентации уровня качества технологического процесса, а не уровня работоспособности конструкции в условиях эксплуатации.

Если предельно допустимые размеры дефектов не зависят от параметров нагрузки (числа циклов N и уровня напряжений σ), то их основное назначение – поддержание технологической дисциплины (рис.5). Как правило, такие технологические нормы ориентируются на минимально достижимые на производстве размеры дефектов ( ). Если производство справляется с их выполнением, а разрушения происходят редко, то эти нормы устраивают всех. В случае учащения аварий нормы ужесточают, а если производитель не может их выполнить, то начинается борьба за их ослабление.

Рис. 5. Технологические и эксплуатационные ограничения размеров дефектов

Эксплуатационное ограничение размеров дефектов ( ) существенно зависит от N и σ. В большинстве случаев , то есть технологические нормы обеспечивают безопасность эксплуатации с запасом. В этом случае технологические нормы удобнее, так как процедура оценки допустимости дефектов по ним проще. Необходимость в более сложных эксплуатационных нормах появляется в 2 случаях:

1. для высоконагруженных конструкций и зон концентрации напряжений, где технологические нормы не обеспечивают безопасности;

2. для дорогостоящих слабо нагруженных конструкций с выявленными дефектами, где переход на эксплуатационные нормы позволят обосновать их годность и безопасность.