МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПЕРИОДИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И МОНИТОРИНГА ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Бигус Г.А.,  Галкин Д.И.

Данная статья посвящена вопросам экспертизы промышленной безопасности на потенциально опасных объектах, подведомственных Ростехнадзору. С 1997 года в России действует Закон «О промышленной безопасности» [1], в котором отражена роль неразрушающего контроля (НК) в системе экспертизы промышленной безопасности.
Экспертиза промышленной безопасности содержит три основных блока работ. Первый подразумевает применение инструментальных методов контроля: неразрушающих, полуразрушающих и разрушающих. Второй блок базируется на проведении расчетов по возможности дальнейшей эксплуатации конструкций (в первую очередь сварных); третий представляет собой расчет остаточного ресурса объектов повышенной опасности. В большинстве случаев экспертиза проводится на объектах, отработавших назначенный срок службы. На сегодняшний день к ним можно отнести порядка 50% эксплуатирующихся опасных производственных объектов и с каждым годом их доля увеличивается. Экспертиза проводится также на объектах претерпевших аварию, стихийное бедствие и т.п. В этом случае блок НК занимает еще более значительную часть и по времени и по финансовым затратам.
Отдел экспертизы промышленной безопасности НУЦ «Сварка и контроль» при МГТУ им. Н.Э.Баумана участвовал в проведении экспертизы промышленной безопасности с использованием методов НК на целом ряде объектов. На объекте ОАО «Газпром» - магистральном газопроводе Уренгой - Челябинск диаметром 1420 мм в 1997 году произошла крупная авария с разрушением трубопровода и возгоранием газа. Основными дефектами были стресс-коррозионные трещины вдоль продольного сварного шва трубы. В другом случае участок трубы на нефтепроводе в районе Саратова быль весь поврежден коррозионными язвами (см. рис. 1).

Рис. 1. Коррозионные повреждения участка трубопровода

Зачастую в процессе эксплуатации емкости для хранения агрессивных, пожароопасных жидкостей подвергаются пластическим деформациям (см. рис. 2).

Рис. 2. Пластическая деформация емкости

Разрушения опасных производственных объектов сопровождаются тяжелыми экологическими последствиями: отравлением почвы на многие сотни метров, попаданием нефтепродуктов в воду, пожарами и т.п.
Основным средством, позволяющим определить техническое состояние объекта и, тем самым, получить необходимую информацию для определения возможности дальнейшей эксплуатации объекта и расчета его остаточного ресурса, является техническое диагностирование [3]. Следует подробно рассмотреть методы НК, позволяющие получить фактические данные по техническому состоянию опасных производственных объектов. Общими мероприятиями при проведении технического диагностирования объектов являются:
1. анализ эксплуатационной и технической документации для каждого объекта контроля с установлением величины и типа рабочих и внешних нагрузок, наиболее напряженных и потенциально опасных участков, назначенного срока их эксплуатации;
2. проведение визуального и измерительного контроля с применением оптических приборов;
3. измерение дефектов, обнаруженных при наружном и внутреннем осмотре (коррозионных язв, зон коррозионного утонения, забоин, зон пластического деформирования, отклонений от геометрических размеров и т.д.);
4. определение твердости основного металла и сварных соединений с помощью переносных твердомеров;
5. ультразвуковая толщинометрия стенок объекта контроля. Определение уменьшения толщин стенок в районах коррозионных повреждений;
6. определение поверхностных дефектов и расслоений металла, выходящих на поверхность, с помощью капиллярной и магнитопорошковой дефектоскопии;
7. ультразвуковая дефектоскопия сварных соединений и околошовной зоны. Определение конфигурации и условных разменов дефектов с использованием ультразвуковых дефектоскопов и томографов.
Эти основные методы применяются на большинстве технических устройств потенциально опасных объектов. В случае необходимости также используются:
- проведение испытаний объекта нагрузками, превышающими рабочие, с контролем методом акустической эмиссии.
- проведение расширенной ультразвуковой диагностики в акустически активных зонах;
- металлографические исследования структуры металла неразрушающими методами и с помощью реплик (лабораторные исследования);
- коррозионные исследования состояния основного металла и сварных соединений. Установление характера возможных коррозионных процессов (как натурные, так и лабораторные исследования):
- определение наличия межкристаллитной коррозии и степени водородного охрупчивания (лабораторные исследования).
Однако при традиционном подходе к техническому диагностированию используется периодический контроль, что позволяет зафиксировать техническое состояние объекта лишь в определенный момент времени - в момент проведения диагностирования. В этом случае остаточных ресурс может быть корректно рассчитан лишь при условии сохранения напряженно-деформированного состояния элементов конструкции. Это условие является трудновыполнимым, т.к. в процессе эксплуатации происходит повреждение конструкции, деградация механических свойств материалов, развитие дефектов, что наряду с рабочими и внешними нагрузками, определяет напряженно-деформированное состояние.
С целью поддержания безопасности эксплуатации объектов, в настоящее время наблюдается переход от периодического контроля к постоянному, т.е. к мониторингу, что позволяет производить непрерывную регистрацию и анализ требуемых диагностических параметров, обнаруживать дефекты на разных стадиях развития, отслеживать параметры, характеризующие условия эксплуатации объекта. Это позволяет ввести обратную связь фактического технического состояния объекта с параметрами эксплуатации. Например, реакцией на увеличение степени повреждения конструкции будет уменьшение рабочих нагрузок. Постоянный контроль за соблюдением условий работы, анализ технического состояния элементов, расчет из ресурса позволит удлинить межремонтные сроки службы и, в случае необходимости, перейти от регламентных ремонтных работ к назначению срока эксплуатации по фактическому техническому состоянию конструкции [2], [3].
Кроме того, в настоящее время наблюдается переход с одного масштабного уровня исследования на другой: от изменения параметров при взаимодействии физических полей с макроструктурами к процессам, возникающим в материале при изменении его микроструктуры. Весьма перспективными в этом отношении являются акустические методы в силу их высокой чувствительности к любым изменениям микроструктуры. Например, метод акустической эмиссии (АЭ) позволяет перейти от методов неразрушающего контроля к элементам технической диагностики и первичным методам прогнозирования. Он лежит в основе многих современных систем мониторинга. При определенной нагрузке изделие само излучает ультразвуковые волны и датчик, расположенный неподвижно может фиксировать излучение от источников. Это дает возможность, расставив на конструкции датчики, определить местоположение источника, в том числе для трубных и объемных конструкций (см. рис. 3).

Рис. 3. Принцип локации источника АЭ

Рис. 3. Принцип локации источника АЭ
V - скорость распространения УЗ колебаний в материале объекта контроля;
∆t - разность времен прихода колебаний ко 2-ому и 1-ому датчику соответственно.

После выявления акустически опасных зон - источников импульсов АЭ необходимо провести дополнительный контроль другими методами НК. В этом случае удается существенно уменьшить объемы НК стандартными методами и снизить время на проведение ремонтно-регламентных работ.
Еще одним преимуществом метода АЭ является то, что на основе анализа информации, получаемой в процессе проведения контроля, можно оценить степень опасности источника АЭ и характер повреждения. Одним из основных факторов, ограничивающих применение метода АЭ, является наличие разного рода помех, которые приводят к появлению ложных сигналов, не связанных с изменением структуры материала. Наибольшие трудности представляют акустические шумы, возникающие в захватах, опорах и силовых элементах испытательных машин. Причем, механические шумы могут обладать широким частотным спектром и высокими значениями амплитуд [4], что затрудняет определение полезного сигнала.
С целью выявления полезных сигналов на фоне непрерывных шумовых процессов в НУЦ «Сварка и контроль» при МГТУ им. Н.Э.Баумана был разработан метод корреляционной обработки АЭ процессов. Первоначально на известной, работающей, бездефектной конструкции записываются все акустические сигналы и определяются их акустические параметры, в первую очередь, частотные и амплитудные. Далее происходит сравнение (т.е. корреляция) АЭ процессов, зарегистрированных при рабочем давлении Pраб и АЭ процессов, зарегистрированных при выдержках давления выше рабочего Рисп. Чем ближе эти состояния друг к другу, тем менее вероятно наличие дефектов в лоцированной зоне. С целью установления корреляции между АЭ процессами определяют выборки случайных импульсов АЭ путем измерения амплитуд A(t) и частот F(t) на площадках выдержки давления Pраб, PI ,.PII ...Pисп.
По полученным выборкам определяется плотность вероятностей и случайных процессов. Из большого количества распределений выбирается теоретическое распределение удовлетворяющее экспериментальному с учетом одного из критериев согласия: , критерий Колмогорова, энтропийный критерий и т.п. После установления законов распределения и вычисляются автокорреляционные функции ( и ) и спектральные плотности ( и ) на любом интервале измерений стационарных случайных функций и .
Аналогичным образом находятся автокорреляционные функции ( и) и спектральные плотности ( и ) случайных АЭ процессов, зафиксированных на ступенях выдержки давления выше рабочего.
Для оценки «близости» АЭ процессов при выдержке объектов на давлении и определяются критерии и устанавливающие стохастическую связь между спектральными плотностями пар и , и .

где , .
,
где ,
Критерии и изменяются от 0 до 1. Вычисляется iзначений критерия и на ступеньках поднятия давления (iступенек) и строится график в координатах -. Если в обозначенной АЭ системой опасных источников нет, то значения и будут близки к единице и описывающий геометрическое место iточек эллипс булет располагаться в верхней части координатного квадрата , . При наличии опасных источников АЭ в лоцированной зоне значения пары ( ;) будут существенно меньше значений (1;1).
Второй предлагаемый критерий сравнения АЭ процессов, зафиксированных при рабочем давлении и на выдержках давления выше рабочего, основан на вычислении относительных энтропий плотностей вероятностей и или спектральных плотностей процессов и .
При давлении вычисляется и (или и ). Затем вычисляются энтропии АЭ процессов при выдержке давления в объекте контроля при . Критерий по амплитуде вычисляется по формуле:

где
- максимально возможное значение энтропии модуля разности плотностей вероятностей амплитудного распределения АЭ процесса на выдержках давлений .
Аналогичным образом вычисляется и критерий по частоте:

Коэффициенты и изменяются от 0 до 1.
Если в лоцированной АЭ системой зоне контроля объекта значения параметров и будут составлять пару значений близких к (1;1), то отличие АЭ процессов, зафиксированных при , будут незначительными. Аналогично сравнение значений пары и с величиной (1;1) характеризует близость АЭ процессов, зарегистрированных при и . Чем ниже значения критериев и как по амплитуде, так и по частоте, тем сильнее отличаются АЭ процессы зарегистрированные при давлениях и давлениях больших, чем .
Используя критерии и можно также определить тип развивающихся дефектов, что в настоящий момент не предусматривается нормативно-технической документацией (ПБ 03-593-03 [5]).
Разбивая координатные оси и на прямоугольники с шагом 0.05, можно получить границы возможных значений критериев и для различных видов дефектов (рис. 4).

 
Информация об источнике
Автор: Бигус Г.А., Галкин Д.И.