А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

1. НАДЕЖНОСТЬ И БЕЗОПАСНАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ КЛИМАТИЧЕСКОГО ХОЛОДА И КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР

В приоритетах научно-технического развития России на ближайшие 25 лет определены десять основных направлений: информатизация, энергетика, природные ресурсы и их глубокая переработка, биотехнологии, новые материалы, транспорт, фундаментальные исследования, образование, национальная безопасность и обороноспособность.

При анализе поставленных задач видно, что в каждом из этих направлений важнейшую роль должно сыграть машиностроение, как материально-техническая основа развития отраслей. Развитие же самого машиностроения будет возможно только при опоре на все передовые научные достижения по указанным направлениям. Практически все они в той или иной степени опираются на специальности, получаемые выпускниками нашего вуза, на плечи которых ложится решение задач коренного обновления страны, перевода промышленности на высокоэффективные и наукоемкие рельсы.

1.1. Научные основы, задачи и проблемы техногенной безопасности

Современное развитие машиностроения в нашей стране уже позволило осуществить перевод промышленности на технологии и продукцию двойного назначения, обеспечить начало модернизации ВПК и гражданских отраслей промышленности, сократить соци- ально-экономические риски техногенных аварий и катастроф, обеспечить стране технологическую независимость, вернуть передовые позиции в научно-технической сфере.

К числу важнейших фундаментальных и прикладных разработок по проблемам машиностроения, по мнению Института машиноведения РАН, относятся:

– анализ и синтез машин и механизмов, роботов, робототехнических и автоматизированных комплексов новых поколений для машиностроения и транспорта; принципы и основы автоматизации, диагностики и контроля машиностроительных и транспортных систем;

11

–динамика, акустика, вибрации машин и транспортных

систем;

–основы проектирования, изготовления и эксплуатации человеко-машинных систем по новым группам критериев;

– прочность, износостойкость, надежность, ресурс машин

итранспортных аппаратов; исследования техногенной безопасности машины, человеко-машинных систем;

–материалы и технологии двойного назначения;

–живучесть и безопасность человеко-машинных систем; эргономика и экология систем «человек – машина – среда»;

–экономика и прогнозы развития и управления машиностроительным комплексом;

–решение проблемы машиностроения и транспорта в развитии военной техники перспективных направлений.

Машиноведение, как одно из важнейших направлений развития технических наук и как научная основа решения проблем машиностроения, взаимодействует с другими базовыми направлениями естественных наук: математикой, физикой, химией, механикой, материаловедением.

Результаты фундаментальных и прикладных исследований по теории машин и транспортных систем должны иметь непосредственную связь с научными, конструкторскими и технологическими разработками, с ведущими и перспективными отраслями промышленности и видами техники.

К перспективным отраслям, требующим ускоренного приоритетного развития, в соответствии с «Концепцией национальной безопасности Российской Федерации» были отнесены: станкостроение и приборостроение (станки, роботы, робототехнические

идиагностические комплексы); энергетическое машиностроение (традиционное, нетрадиционное, ядерное и термоядерное); судостроение (надводное и подводное); авиастроение, ракетно-косми- ческое и авиационно-космическое машиностроение; транспортное машиностроение (высокоскоростные автомобильные, железнодорожные, колесные, безколесные и другие системы); горно-, нефте-, газодобывающее и перерабатывающее оборудование для традиционных и принципиально новых технологий, учитывающих климатические и геологические особенности Сибири, Севера, шельфовых

иглубоководных разработок; химическое, электронное и механо-

12

тронное машиностроение; производство медицинской техники

итехники для биоинженерии и биотехнологий; машиностроение для легкой и пищевой промышленности; создание новой строительной и дорожно-строительной техники.

Развитие машиностроения, в свою очередь, ставит ряд задач перед металлургией и материаловедением. В первую очередь это задачи повышения надежности, работоспособности и ресурса применяемых в машиностроении металлических и неметаллических материалов. К их числу относятся:

–создание новых экономичных и высокоэффективных материалов для техники, эксплуатация которой происходит в экстремальных условиях: при низких, сверхнизких и высоких температурах, высоком давлении и в вакууме, в агрессивных кислотных

ищелочных средах, сверхвысоких электрических и магнитных полях и т. д.;

–разработка новых высокоэффективных технологических процессов сборки изделий: лазерной, плазменной, многодуговой

идругих видов сварки; специальных методов пайки и склеивания;

–разработка новых коррозионно-стойких сталей и цветных сплавов;

–разработка высокоэффективных расчетных и экспериментальных методик, которые позволяют:

а) контролировать фактическое состояние оборудования в ходе длительной эксплуатации и определять запасы его надежности, работоспособности и долговечности;

б) прогнозировать остаточный ресурс оборудования и заранее рекомендовать сроки текущего, среднего и капитального ремонтов или вывода его из эксплуатации и замещения новыми машинами и механизмами.

Основными задачами дальнейших разработок в области обеспечения надежности и безопасности продукции машиностроения являются:

–фундаментальные исследования по механике деформирования и катастроф, лежащие в основе создания критериев и методов решения межотраслевых проблем прочности, ресурса, живучести

ибезопасности сложных технических систем с повышенной потенциальной опасностью техногенных аварийных ситуаций;

13

– прикладные исследования и разработки на базе фундаментальных работ (инженерных методик, алгоритмов, программ, моделей, стендов, аппаратуры и т. д) для расчетно-экспериментального обоснования конструкторско-технологических решений при проектировании, создании и эксплуатации машин и конструкций.

Комплексные решения проблем прочности и безопасности потенциально опасных объектов охватывают все стадии их жизненного цикла: проектирование, изготовление, испытание и эксплуатацию. Проектирование включает в себя разработку и согласование технического задания (ТЗ) с введением базовых требований по прочности, ресурсу и безопасности. Сама разработка проекта также состоит из ряда стадий (принципиальные схемы, эскизные проработки, технический и рабочий проекты). Физические и математические модели разрабатываются с применением ЭВМ и систем автоматизированного проектирования (САПР). На стадии проектирования проводится анализ прочности на основании нормативных и дополнительных расчетов и обосновывается исходный ресурс.

Основными критериями и характеристиками расчетов являются: эксплуатационные нагрузки Р; температуры T(t); число циклов пуска–остановки оборудования N; частоты J; характеристики сопротивления материалов R (временное сопротивление, пределы текучести и длительной прочности, трещиностойкость, вязкость, хладостойкость и т. п.); деформации; размеры возможных дефектов, возникающих при изготовлении и монтаже изделий l. В качестве допустимых обосновываются [N], [Р] с заданными коэффициентами запаса n.

По комплексу экспериментальных, расчетных и эксплуатационных исследований составляется заключение о прочности, долговечности, ресурсе, живучести и безопасности.

На стадии изготовления решаются вопросы выбора, обоснования и развития технологий материалов и контроля. Для изготовленных элементов, систем и объектов в целом устанавливаются исходные состояния: фактические механические свойства и их отклонения от технических требований, уровень реальной дефектности несущих узлов, геометрические формы и их отклонения. Уточненные данные контроля заносятся в паспорта и память ЭВМ. Все эти данные являются исходной информацией о характеристиках прочности, таких как временное сопротивление, предел текучести

14

ипластичность – относительное удлинение и сужение, величине деформации при повышенных и низких температурах, скорости роста трещин и т. д. На их основе уточняются проектные параметры прочности, долговечности, ресурса, живучести и безопасности.

Стадия испытаний включает различные их виды и комбинации: автономное испытание (АИ) узлов; стендовые испытания узлов, агрегатов и изделий; огневые и имитационные испытания. Завершающими оказываются штатные испытания головных образцов с воспроизведением реальных эксплуатационных и экстремальных режимов. С использованием тех же критериев, что и для стадий проектирования и изготовления, проводится дополнительное уточнение допустимых предельных нагрузок [Р] и долговечности [N]. На этой основе составляется заключение о ресурсе, методах последующего контроля и назначаются уточненные режимы эксплуатации.

Для стадии ввода в эксплуатацию осуществляются предпусковые и пусковые испытания (холодная и горячая обкатка), физический пуск (с корректировкой всех систем поддержания эксплуатации) и ввод в эксплуатацию. При этом назначается и уточняется система штатной диагностики основных параметров: нагрузок Р, температур Т, циклов N, частот J, дефектов l [с использованием преимущественно штатных систем ультразвуковой диагностики (УЗД)].

Для объектов высокой потенциальной опасности разрабатываются, создаются и применяются методы и системы оперативной диагностики аварийных ситуаций – с использованием тензотермометрии, акустической эмиссии (АЭ), термовидения (ТВ), импульсной голографии (ИМГОЛ). Получаемые при этом данные могут давать исходную информацию для включения систем автоматической защиты (САЗ) и систем автоматической оперативной защиты (САОЗ).

На начальной стадии эксплуатации должна быть получена важнейшая информация о подтверждении или корректировке проектных решений по прочности, долговечности, ресурсу живучести

ибезопасности. По мере исчерпания уточненного проектного ресурса проводится оценка остаточного ресурса безопасной эксплуатации. В целях согласования всей информации для стадий жизненного цикла объекта должны использоваться унифицированные кри-

15

терии и компьютерные программы. При этом данные о ресурсе могут выводиться на блочные щиты управления (БЩУ) и бортовые счетчики ресурса (БСР) – nj /N.

Применительно к стадии эксплуатации важным научно-тех- ническим и экономическим вопросом становится вопрос о безопасном выводе объектов из эксплуатации, особенно в случаях накопленных остаточных радиоактивных излучений, химических, рабочих и аварийных воздействий на объекты, персонал и окружающую среду.

1.2. Проблемы безопасной эксплуатации сложных технических систем

Национальная безопасность Российской Федерации в соответствии с Конституцией РФ и основополагающими Федеральными законами (по общим проблемам безопасности, безопасности промышленной деятельности, защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, по радиационной безопасности, вопросам экологической безопасности, проблемам информационной и экономической безопасности) определяется и регулируется государством, его структурами, силами и средствами. Базовым документом, отражающим совокупность официально принятых взглядов на цели и государственную стратегию в области обеспечения безопасности личности, общества и государства от внешних и внутренних угроз (политического, экономического, социального, военного, техногенного, экологического, информационного и иного характера), с учетом имеющихся ресурсов и возможностей, является «Концепция национальной безопасности Российской Федерации».

Безопасность техногенной сферы в целом имеет два взаимодополняющих и взаимовлияющих аспекта:

–техногенная безопасность обусловливает степень защищенности человека, объектов и окружающей среды от угроз, исходящих от созданных и функционирующих сложных технических систем при возникновении и развитии аварийных и катастрофических ситуаций;

–технологическая безопасность определяет степень защищенности человека, общества, объектов и окружающей среды от угроз, связанных с необоснованным созданием или несозданием

16

технических систем, технологических процессов и материалов, обеспечивающих достижение основных национальных интересов государства.

На современном этапе развития страны технологическая безопасность становится доминантой обеспечения техногенной безопасности. Только развитие высоких производственных и интеллектуальных технологий способно обеспечить национальную безопасность в техногенной, информационной, оборонной, соци- ально-экономической, политической и других сферах.

Анализ и обобщение многочисленных данных позволили провести классификацию техногенных аварий и катастроф. По масштабам охваченных ими стран и территорий, числу жертв и пострадавших, экономическому и экологическому ущербу выделены глобальные, национальные, региональные, локальные и объектовые катастрофы.

По степени потенциальной опасности, приводящей к подобным катастрофам в техногенной сфере гражданского комплекса, были определены объекты, чья доля в возникновении и развитии аварийных остановок, аварий и катастроф оказывает наиболее существенное влияние в общей массе техногенных повреждений

иразрушений. К ним относятся: объекты ядерной, химической, металлургической, горно-добывающей промышленности; уникальные инженерные сооружения (плотины, эстакады, нефте- и газохранилища); транспортные системы (аэрокосмические, надводные и подводные, наземные), перевозящие опасные грузы и большие массы людей; магистральные газо- и нефтепродуктопроводы. Как видно из вышеперечисленного, практически все отрасли промышленности, отнесенные к наиболее опасным, либо напрямую задействуют низкотемпературные технологические процессы, например ядерная

ихимическая отрасли промышленности, либо их объекты расположены в регионах, где температура воздуха в зимний период может

достигать –60 С.

Аварии и катастрофы на указанных объектах могут инициироваться опасными природными явлениями: землетрясениями, ураганами, штормами. Сами техногенные аварии и катастрофы при этом могут сопровождаться радиационными и химическими повреждениями и заражениями, взрывами, пожарами, обрушениями.

17

до (0,5…1) 10–1 l/год, а ущерба – до 109 дол./катастрофа. При этом их риски изменяются в пределах от 104 до 1010 дол./год (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Вероятность крупных аварий (1/год)

Реальное состояние дел с обеспечением техногенной и природной безопасности промышленных объектов потребовало постановки новых фундаментальных и прикладных задач. Это относится к таким отраслям науки, как математическая теория катастроф и вероятностная теория рисков, физика, химия, металловедение и материаловедение, механика аварийных ситуаций и катастроф, теория жесткой, функциональной и комбинированной аварийной защиты объектов, операторов и персонала. В свою очередь, это повлекло возникновение следующих научных направлений: экспериментальные разработки мониторинга и прогнозирования (с применением космических, воздушных и наземных систем); разработки сценариев и последствий техногенных катастроф; создание научных методов, технологий и техники ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций техногенного характера.

При анализе безопасности сложных технических систем были сформированы три основных вида аварийных ситуаций: проектные, запроектные и гипотетические (табл. 1.2). В их основе лежат

18

следующие параметры: локальные напряжения и деформации; числа циклов нагружения и пусков–остановок оборудования; условия окружающей среды; температура и время эксплуатации. В зависимости от типа потенциально опасных объектов имеет место чрезвычайно широкая вариация этих параметро. Так, число циклов может изменяться от единиц – для ядерных реакторов до 1012, температура эксплуатации и рабочей среды – от 1 до 10 000 К, срок службы – от секунд до десятков лет. Такая вариативность приводит к тому, что проектные аварийные ситуации, как правило, охватывают области исследования накопления повреждений классическими теориями сопротивления материалов, теориями упругости, пластичности и ползучести. Расчетные и экспериментально определяемые напряжения и деформации остаются на уровне предела упругости.

Таблица 1.2

Типы аварийных ситуаций и степень защищенности

Развитие современной цивилизации: создание новых, более мощных машин и механизмов, применение новых, потенциально более опасных энергетических систем, новых систем вооружения

ихимических производств, освоение новых, ранее не используемых

иудаленных от технологически развитой инфраструктуры территорий Крайнего Севера – приводит к увеличению числа потенциально опасных технологических процессов, увеличивает риск и угрозы технологической безопасности.

Всоответствии с «Концепцией национальной безопасности Российской Федерации» к угрозам технологической безопасности России первую очередь следует отнести:

– сокращение объемов материального производства в гражданском и оборонном комплексах, достигшее в основных отраслях

19

к 2000 г. 40–50 %, а в фондообразующих отраслях 70–95 % и только к настоящему времени постепенно возвращающемуся к исходным значениям;

–недопустимо высокий уровень износа основных фондов

иисчерпания проектных ресурсов машин и оборудования (до 50–70 % оборудования в ведущих отраслях энергетики, нефте- и газоперерабатывающей промышленности; на транспорте – близки к полной выработке ресурса);

–невозможность обновления основных фондов в силу неприемлемо низкой инновационной и инвестиционной активности (степень обновления основных производственных фондов не превышает 1–5 %);

–рост доли низкоуровневой технологической переработки сырья и материалов по сравнению с высокотехнологическим выпуском готовой продукции (доля экспортной сырьевой продукции в 5–10 раз превышает долю продукции глубокой переработки);

–высокий перекос в оплате труда работников сферы материального производства и в сфере посреднической и непроизводительной деятельности (до 10–20 раз);

–падение (на 20–40 %) выпуска молодых специалистов общетехнического и специального научно-технического и производственного назначения с последующей 30–80 %-й их невостребованностью в реальной сфере производства;

– резкое старение интеллектуального потенциала страны в сфере научно-технических разработок, на 25–40 % превышающее ход естественного старения;

– внешняя утечка специалистов высокой профессиональной подготовленности (до 100 000 с экономическим ущербом стране до 40–60 млрд дол.) и внутренняя утечка и перераспределение объемов специалистов в сторону непроизводственной сферы;

– значительная потеря производственных возможностей и промышленного потенциала во многих отраслях электроники, вычислительной техники, робототехники, сельскохозяйственного машиностроения и машиностроения для легкой промышленности;

– нарушение сложившихся с учетом специфики России в пространствах и климатических условиях тарифов на энергоносители и транспорт с их 2–5-кратным ростом по сравнению с тарифами на продукцию материального производства;

20