автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Совершенствование технологии ремонта и надзора за судовыми котлами и сосудами, работающими под давлением

На правах рукописи

Шурпяк Владимир Кириллович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА И НАДЗОРА ЗА СУДОВЫМИ КОТЛАМИ И СОСУДАМИ, РАБОТАЮЩИМИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Специальность 05.08.04 - Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Морском Техническом университете (ГОУВПО СПбГМТУ).

Научный руководитель : доктор технических наук, профессор

Горелик Борис Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Лысенков Павел Михайлович

кандидат технических наук, доцент Проценко Геннадий Васильевич

Ведущая организация: ЗАО "Центральный научно-исследовательский

и проектно-конструкторский институт морского флота" (ЗАО "ЦНИИМФ")

Защита состоится 2006 г. в 14 часов на заседании

диссертационного совета Б.212.228.05 при Санкт-Петербургском Государственном Морском Техническом университете (ГМТУ) по адресу: 190008, г.Санкт-Петербург, ул.Лоцманская, д.З.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГМТУ. Автореферат разослан ^ 2006 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Проблема использования судовых котлов и сосудов под давлением (СПД), срок эксплуатации которых 20 лет и более, становится всё более актуальной в связи с увеличением возраста судов морского флота, находящихся в эксплуатации. На каждом судне эксплуатируются несколько сосудов под давлением и на большинстве один или более паровых котлов, которые представляют потенциальную опасность и требуют пристального внимания судового персонала как в период эксплуатации, так и при проведении предремонтных дефектаций.

Безопасная работа эксплуатирующихся котлов и сосудов под давлением зависит от двух основных факторов:

1) обеспечения правильного обслуживания в соответствии с инструкцией по эксплуатации;

2) своевременного определения предельного состояния объекта.

В сложившейся практике эксплуатации судовых котлов и СПД для оценки их технического состояния используются периодические наружные и внутренние осмотры (освидетельствования) и гидравлические испытания. К недостаткам этих методов следует отнести в первую очередь недостаточное количество информации для оценки фактического технического состояния и возможный вред, который наносится конструкции при опрессовке котла и сосуда под давлением. Основной целью гидравлических испытаний является проверка прочности изделий и сборочных единиц (узлов). При этом предполагается, что имеющиеся в материалах изделия дефекты, являющиеся источником возникновения трещин при механическом нагружении должны проявиться при повышении давления в виде сквозных трещин. В работе исследованы факторы, влияющие на эффективность проведения гидравлических испытаний. Интенсивность основных деградационных процессов, протекающих в котлах и СПД, зависит от величины механических напряжений в металле. Это делает актуальной задачу для повышения эффективности предремонтной дефектации более точного определения мест наибольшей концентрации напряжений.

Для решения вышеуказанных задач в данной работе выполнены расчёты типовых узлов и конструкций методом конечных элементов, позволяющие определять поля напряжений, места и величины наибольших концентраций напряжений. Определение мест наибольшей концентрации напряжений позволяет сосредоточить внимание при освидетельствовании и дефектации на наиболее

напряжённых местах этих конструкций, уменьшить объём

дефектации и повысить её результативность.

Цель и задачи исследования. Целью работы является увеличение ресурса и повышение безопасности судовых котлов и сосудов под давлением за счёт применения технологий, повышающих эффективность технического обслуживания и предремонтной дефектации, более экономично расходующих их ресурс.

Цель работы состоит в исследовании и научном обосновании применения более совершенных технологий ведения технического наблюдения и надзорной деятельности для повышения безопасности судовых котлов и сосудов под давлением в эксплуатации и продления их срока службы. Кроме того, в результате совершенствования технических требований Регистра, произошло уменьшение затрат судовладельцев на поддержание судовых котлов и сосудов под давлением в безопасном состоянии. Для этого решены следующие задачи:

проведён анализ требований по надзору за судовыми котлами и сосудами под давлением отечественных и зарубежных классификационных обществ;

собран и проанализирован технический материал по аварийности котлов и сосудов под давлением на судах с классом Регистра;

проведён анализ влияния гидравлических испытаний на ресурс котлов и сосудов под давлением на основе законов механики разрушения;

сформулированы и описаны математически условия, при которых во время гидравлических испытаний происходит начало роста трещин (условие старта трещин) и условия, при которых происходит прекращение роста трещин до их выявления (условие остановки трещин);

выполнены расчёты с использованием метода конечных элементов (МКЭ) и исследовано напряжённо-деформированное состояние в типовых узлах котлов и сосудов под давлением для определения наиболее слабых мест конструкций;

проведена сравнительная оценка результатов расчётов напряжённо-деформированного состояния в типовых узлах котлов и сосудов под давлением и данных тензометрирования подобных конструкций и результатов аварий аналогичных конструкций для оценки адекватности. Метод исследования — в работе использован расчётно-теоретический метод с привлечением для апробации данных тензометрирования и аналитического исследования причин аварий котлов и сосудов под

давлением. Для решения поставленных задач применялись:

теоретический анализ проблемы, исследование данных по авариям, численное моделирование на ЭВМ с помощью (МКЭ). Научная новизна работы:

- впервые произведен анализ данных по аварийности котлов на судах с классом Регистра за период 1980 - 2003 гг.;

- впервые разработана методика предварительного определения участков наиболее вероятного появления усталостных и коррозионных дефектов на основе расчёта типовых конструкций котлов и сосудов под давлением методом конечных элементов;

- впервые разработаны и сформулированы условия старта и остановки роста трещиноподобных дефектов в процессе проведения гидравлических испытаний, которые являются условием обнаружения дефекта при гидравлических испытаниях.

Практическая ценность работы. На основе выполненных исследований разработаны нормативные технические требования, направленные на продления срока службы судовых котлов и сосудов под давлением. В частности снижено давление гидравлических испытаний и исключены требования об обязательном периодическом проведении гидравлических испытаний, что включено в Правила

классификационных освидетельствований судов Регистра и в Руководство по техническому наблюдению за судами в эксплуатации.

По результатам исследования разработан и рекомендован к применению при предремонтной дефектации и освидетельствованиях котлов и сосудов под давлением "Альбом напряжённо-деформированного состояния типовых узлов судовых котлов и сосудов под давлением ".

Основные положения выносимые на защиту:

комплекс научно обоснованных рекомендаций по повышению эффективности процесса технического наблюдения за эксплуатацией судовых котлов и сосудов под давлением;

научное обоснование технических предложений по изменению требований Регистра по проведению гидравлических испытаний судовых котлов и сосудов под давлением;

условия обнаружения дефектов во время гидравлических испытаний: условия начала роста и отсутствия остановки трещиноподобных дефектов в зависимости от величины концентрации напряжений и пробного давления, сформулированные на основе положений механики разрушения.

Апробация работы. Основные положения и результаты проведенных исследований отражены в 10 публикациях, обсуждались на конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти академика Ю.А.Шиманского (ФГУП ЦНИИ имени академика А.Н.Крылова, ВНТО имени академика А.Н.Крылова, Санкт-Петербург, 2003); на конференции посвященной 300-летию Адмиралтейских верфей (Санкт-Петербург, 2004); на заседании секции "Судовые котлы, системы, холодильные установки" Научно-Технического совета Регистра; на семинарах главных инженеров-инспекторов по механической специальности в Главном управлении Регистра (Санкт-Петербург, 2000 и 2003). Примером применения результатов работы на практике может служить освидетельствование с использованием Альбома напряжённо-деформированного состояния типовых узлов судовых котлов и сосудов под давлением, проведённое в рамках рассмотрения проекта болгарской фирмы «Булхелинг ООД», в котором планировалось использование железнодорожных цистерн в качестве грузовых ёмкостей танкера-газовоза для перевозки пропан-бутана.

Реализация результатов исследования. Результаты, полученные в диссертационной работе, использованы :

- в Правилах технического наблюдения за судами в эксплуатации Российского морского регистра судоходства 2004 года издания;

- в Альбоме напряжённо-деформированного состояния типовых узлов судовых котлов и сосудов под давлением, включённом в Сборник нормативно-методических материалов Российского Морского Регистра Судоходства. Кн. 14, изданном в 2004 году;

в материалах технической учёбы в рамках семинара главных инженеров-инспекторов по механической специальности в 2003 году. Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, включает 146 страниц машинописного текста, в том числе 51 рисунков, 9 таблиц, библиографии из 83 наименований. Структурно-логическая схема исследования приведена на рис. 1.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы нашли отражение в 10 публикациях (см. перечень в конце автореферата) и положены в основу нормативно-методических документов Регистра.

Рис.1 Схема исследования

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается сложившаяся практика ведения надзора и технологии дефектации и освидетельствования судовых котлов и сосудов под давлением, обосновывается актуальность диссертационной работы и даётся её краткая характеристика.

В первой главе представлен обзор требований международных классификационных обществ в части требований к периодических освидетельствований котлов и сосудов под давлением. Анализируется и систематизируется практика назначения и проведения гидравлических испытаний, наружных и внутренних осмотров, их периодичности, величине пробного давления.

Проводится сравнение требований, принятых основными классификационными обществами мира: Российским Морском Регистром Судоходства (PC), Английским Регистром Ллойда (LR), Бюро Веритас Франции (BV), Германским Ллойдом (GL), Дет Норске Веритас Норвегии (DNV), Итальянским Регистром (RINA), Американским Бюро Судоходства (ABS).

Анализ рассмотренных требований классификационных обществ к периодичности и объёму освидетельствования судовых паровых котлов и сосудов под давлением позволяет сделать следующие основные выводы:

1. Требования ведущих классификационных обществ в части периодичности и объёма освидетельствований во многом совпадают. В требованиях чётко просматривается стремление увязать периодичность очередного освидетельствования котлов и сосудов под давлением с условиями эксплуатации судов путём проведения его во время очередного освидетельствования судна, которое предусматривается через пять лет.

2. В требованиях ряда зарубежных обществ (DNV, BV, ABS, PC) выделяются котлы, которые в зависимости от типа (газотрубные или водотрубные) и назначения (главные или вспомогательные), количества главных котлов в составе установки, а также типа судна (пассажирские или транспортные суда) и его возраста имеют иную, более частую периодичность освидетельствования.

3. Требование о проведении гидравлических испытаний связывается с ремонтом узлов котла, работающих под давлением, наличием коррозионных повреждений, а также невозможностью осмотра частей котла, состояние которых вызывает сомнение. Для определения состояния котла до принятия решения о гидравлическом испытании могут использоваться методы неразрушающего контроля. В отличие от

PC, ни одно из зарубежных классификационных обществ, требования которых рассмотрены в настоящей работе, не выдвигает временного регламента на проведение гидравлических испытаний котлов.

4. Сопоставление величин пробного давления при гидравлических испытаниях и действующих коэффициентов запаса прочности, устанавливаемых различными классификационными обществами и оценка величины напряжений, возникающих при испытаниях, позволяет утверждать, что при проведении гидравлических испытаний в конструкциях котлов и СПД возникают пластические деформации, в результате чего происходит значительный расход остаточного ресурса. Во второй главе проводится анализ аварийности котлов и сосудов под давлением на судах с классом Регистра за период 1980-2003г.

В настоящее время в связи со старением флота у большого количества судовых котлов срок эксплуатации превысил ресурс, регламентированный проектантом. В связи с этим возникла необходимость обобщить опыт надзора за различными марками судовых котлов, собрав и проанализировав технические материалы по авариям котлов различных типов и выявленным в процессе надзора дефектам.

Для определения наименее надёжных элементов котлов и последствий их отказов был проведен анализ обобщённого опыта технического надзора Регистра за вспомогательными котлами на основе данных инспекций. При этом рассматривались вспомогательные котлы достаточно продолжительное время находились под надзором Регистра, срок эксплуатации которых превышает 20 лет и более. В Приложении I к диссертации приводятся данные по авариям основных типов вспомогательных котлов, установленные на судах:

- водотрубные котлы типа КВВА (1/5; 1,5/5; 2,5/5; 4/5; 6/5; 6/5; 6/15), КВС (30-П-А; 68/1), КВ-15-3, КАВ (1,6/7; 2,5/7; 4/7), КВГ-34/42-1К, типа Вагнер (Германия), типа ФЛЕМИНГ (Япония) ;

- огнетрубные котлы - типа КОВ, типа КВА (0,5/5Д; 63/5), типа VX (Польша), типа РА-12, типа «Линдхольмен» (Швеция), типа UNEX (Финляндия), типа TUBOX TD-170 (Швеция), ДЦ-2,5 (Югославия), типа Ubigau RSV/R-4,0/210, Я8У/К-5,0(Германия).

В таблице Приложения I даны типы вспомогательных котлов, их дефекты и конструктивные недостатки, причины возникновения дефектов, средняя наработка до их появления, частота появления дефектов в котлах определённого типа (в % от общего количества котлов данного типа), конструктивные и технологические мероприятия,

принимаемые судовладельцем при ремонте, направленные на предотвращение появления дефектов.

Далее в главе 2 проводится разработанная автором классификация отказов в судовых котлах :

Классификация отказов судовых котлов_Таблица 1

Классификационный признак Описание отказа

По виду физического процесса, вызвавшего отказ того или иного элемента. 1. Усталостное разрушение материалов, обусловленное наличием циклических колебаний напряжений в деталях при одновременном воздействии рабочих сред 2. Разрушение материалов в результате малоцикловой усталости 3. Коррозионное разрушение материалов 4. Потеря прочности материала при давлении выше рабочего давления из-за отказа предохранительных клапанов 5. Потеря прочности материала при рабочем давлении из-за наличия различных дефектов, появившихся в процессе изготовления и монтажа 6. Разупрочнение материала вследствие перегрева

По характеру повреждений в результате отказа. 1. Взрыв по причине высокого давления или разрушение отдельных элементов 2. Взрыв в топке в результате образования взрывоопасной смеси 3. Оплавление поверхностей нагрева 4. Нарушение герметичности отдельных элементов и соединений

По последствиям аварии 1. Вред от возможной временной потери хода и, как следствие возможность потери судна. 2. Вред от невозможности обогреть груз и, как следствие произвести разгрузку (для танкеров). 3. Пожар в машинном отделении и, как следствие возможность травм членов экипажа. 4. Травмы и смертельные случаи в результате взрыва котла и разрушений в машинном отделении.

По характеру разрушения 1. образование неглубоких трещин 2. образование трещин, приводящих к потере герметичности 3. хрупкое или квазихрупкое разрушение, связанное с быстрым распространением трещин

Наибольший научный интерес вызывает классификация отказов по виду физического процесса, который привёл к отказу. Рассмотрев шесть групп отказов, согласно предложенной классификации, следует отнести к основным деградационным процессам только первые три. Отказы пятой и шестой группы связаны с неверными действиями экипажа,

носят случайный характер и поэтому их нельзя отнести к основным деградационным процессам. Отказы четвёртой группы так же связаны с человеческим фактором. Кроме того, после достаточно длительной эксплуатации котлов и СПД можно считать, что технологические дефекты, появившиеся в процессе изготовления уже проявили себя, что чаще всего случается в первые 2 года эксплуатации.

Таким образом по данным аварийности котлов и сосудов под давлением можно выделить три основных деградационных процесса, протекающие в котлах и сосудах под давлением: малоцикловая термическая усталость; усталость от колебания внутреннего давления; коррозия.

Проведя анализ выявленных в процессе надзора дефектов судовых котлов, можно сделать следующие выводы:

В зависимости от деградационного процесса дефекты автор разделил на 3 группы. По всем трём группам рассмотрены основные факторы, влияющие на скорость протекания деградационных процессов.

К первой группе следует отнести дефекты, появляющиеся в результате колебаний температурных напряжений в местах их концентрации представляют большую опасность. Это обусловлено тем, что частота изменения колебаний температур в металле поверхностей нагрева значительно больше, так как зависит от частоты включения-выключения топочного устройства, как следствие, скорость распространения трещин значительно больше. Кроме того, в некоторых конструктивных узлах амплитуда колебаний температурных напряжений и деформаций значительно больше, чем амплитуда колебаний напряжений от внутреннего давления. Наблюдаются деформации не только в упругой области, но и в пластической и как следствие малоцикловая усталость и быстрое развитие трещин. Для безопасной эксплуатации необходимо исключить применение узлов, в которых возможно возникновение колебаний температурных напряжений с амплитудой более двух пределов текучести материала. Для этого предлагается ввести в часть X Правил Регистра специальное требование.

Вторая группа - дефекты, появляющиеся в результате колебаний внутреннего давления. Такие дефекты появляются в виде небольших трещин в районе совместного действия концентраторов напряжений и технологических сварочных непроваров. Рост таких трещин значительно замедляется или прекращается после выхода из зоны максимальной концентрации напряжений. Наиболее эффективный метод дефектации -осмотр поверхностей нагрева в районе наибольшей концентрации,

дефектоскопия сварных швов, при выявлении дефектов - разделка, заварка.

Третья группа - дефекты, обусловленные коррозионным износом. Как показывает практика, скорость коррозионных процессов наиболее интенсивно протекает в местах концентрации механических напряжений.

В третьей главе проведена оценка влияния гидравлических испытаний на ресурс котлов и сосудов под давлением, для чего:

- проведён анализ кинетики разрушения элементов котлов и сосудов под давлением;

- рассмотрено напряженно-деформированное состояние материалов при гидравлических испытаниях с позиций механики разрушения на основе чего сформулированы условия старта и остановки трещины при гидравлических испытаниях.

Как известно, в ненагруженных твердых телах происходят процессы непрерывного разрыва и восстановления межатомных связей, причем, эти процессы равновероятны. Если к твердому телу приложить нагрузку, то вероятность разрыва связей начинает превышать вероятность их восстановления. Превышение вероятности разрыва над вероятностью восстановления тем больше, чем выше приложенная нагрузка. Следовательно, долговечность целостности твердого тела (время до его разрушения) тем меньше, чем больше приложенная к нему нагрузка. Эти рассуждения опираются на кинетическую теорию прочности, согласно которой долговечность твердого тела, находящегося под воздействием постоянной внешней нагрузки и температуры, представляет собой с математической точки зрения процесс разрыва и восстановления межатомных связей, который можно считать эквивалентным марковскому случайному процессу гибели и рождения, непрерывному во времени и дискретному в пространстве.

Процесс накоплением повреждений является первой стадией разрушения и после ее окончания как результат слияния микроповреждений образуется макроскопическая трещина. Вторая стадия разрушения представляет кинетику трещины и оканчивается разделением тела на части.

Условия старта трещины при гидравлических испытаниях

Условие начала разрушения (старта трещины) при испытаниях повышенным давлением, превышающим расчётное, можно сформулировать на основе критерия Ирвина: разрушение происходит, если коэффициент интенсивности напряжений К\ становится больше величины К ¡с (вязкости разрушения материала), т.е. К\ >К,с -

Согласно известной формуле Гриффитса для дефекта глубиной I/ коэффициент интенсивности напряжений /Г| до повышения нагрузки будет равен:

к, - о-,л/^Г/(А) (3.1)

где /,- глубина дефекта;

ар напряжения в районе дефекта;

/(Ь)- поправочная функция, зависящая от соотношения размеров дефекта размеров тела.

После увеличения давления в а раз, а также учитывая, что ст,=а1ст„, где стн - номинальные напряжения, а - коэффициент концентрации напряжений в точке 1, выражение (3.1) примет вид :

К', = скт нахфгЦ/Ц{) (3.2)

Условия страгивания трещины :

К[>Кк (3.3)

ааHa^7clxf(lx)> Kjc к ,„

а >

а ла , Л я-/, /(/, )

(3.4)

(3.5)

Учитывая, что = СУ¡cpfjk \ ^кр

и отношение временного сопротивления к номинальному напряжению сгв/оц равно коэффициенту запаса п, который согласно нормам прочности Регистра для изделий из проката равен 2.7, получаем, что степень увеличения давления, при которой происходит страгивание трещин

ас = а> ас> (,п/а,) • (сгк/а,, (3.6)

где соотношение сг^/ст« может быть вычислено согласно методики, предложенной академиком C.B. Серенсеном (что было проделано в диссертации для различных коэффициентов концентрации напряжений) или взято из опубликованной ранее работы профессора Денисенко Н.И. для коэффициента концентрации напряжений равному единице. Выражение (3.6) можно считать условием старта трещины при испытаниях повышенным давлением.

Условия остановки трещины при гидравлических испытаниях Если величина а больше ас то начинается рост трещины до некоторой длины ¡¿> // при которой коэффициент интенсивности напряжений будет равен

К2 = аа2<ун ^7г12/(12)г где (3.8)

а2 - коэффициент концентрации напряжений в точке 2. Если материал достаточно пластичен, то коэффициент концентрации напряжений на конце трещины будет меньше коэффициента концентрации напряжений, обусловленного геометрической формой детали и приложенной нагрузкой. В этом случае может произойти остановка трещины, т.к. согласно результатов исследования Партона В.З. и Борисовского В.Г. было получено, что трещина всегда останавливалась при одинаковом коэффициенте интенсивности, на 10 % меньшем К1С.

Исходя из этого можно сформулировать условие остановки трещины К2 < 0,9К/с (3.9)

или с учётом (3,4)

а<тна2 фс1г /(/2) < 0,9 К 1с (зло) С учётом (3.2) и правой части неравенства (3.3)

асгна2ф^/(12) < 0,9*; = 0,9сгнссх^Гх/(1х) а< 0 9а' /'"¡"/(Л)

Отсюда ^ - °'Уа2 \/2 /(/,) (3.11)

и/ _ П о а1

Приняв ^ "0,9«2 /(/2) ' <ЗЛ2>

получим формулу определения критерия остановки трещины после старта:

* * * V/ • (3.13)

В работе сформулированы два необходимых условия обнаружения дефекта при гидравлических испытаниях :

1. В результате повышения давления должно произойти инициирование дефекта, т.е. должно выполниться условие страгивания трещины

ас> (n/a,)-(eKi/<J<) (3.14).

2. В процессе роста трещины не должно произойти её остановки, т.е.

должно выполняться неравенство а ост — У ~\J~J~ . (3.15) ц/ _ О 9*1. Ш1

На рисунке 3.2 показаны кривые астр и аост, построеные для различных коэффициентов концентрации напряжений с учётом следующих допущений:

1. Функция f(l) учитывает ограниченные размеры изделий с дефектами. В различных источниках предлагается принимать для цилиндрических сосудов под давлением тарировочную функцию в пластине неограниченной длины и равной 1,12 для краевой трещины и 0,7 для внутренней, т.e.f(l)-const .

2. Местные напряжения в точке остановки трещины примем равными номинальным, а коэффициент концентрации напряжений а.2 в этом случае будет равен единице. В действительности остановка трещины может произойти и при более высоких напряжениях, но если это не произойдёт при а„ , то остановки трещины не будет вообще. Таким образом принимая а2=1 мы описываем краевые условия остановки.

На рис. 3.2 сплошными линиями показана зависимость степени повышения давления при гидравлических испытаниях при которой происходит страгивание трещины ас от относительного размера дефекта l/t для различных коэффициентов концентрации напряжений. Пунктирными линиями на рис. 3.2 показана зависимость зависимость степени повышения давления при гидравлических испытаниях при которой происходит остановка трещины ажп, от тех же параметров. Проанализировав кривые рисунка 3.2 можно сделать следующие выводы: область построения графиков можно разбить на три области, схематично показанные на рис, 3.3.

2.5

2.2 Ч 3 х с с о

§

с 1,5 т со СС

8

I 1

0.5

О 0.1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Относительная величина дефекта Ш

Рис. 3-2 Кривые страгивания и остановки трещин при гидравлических

испытаниях

Степень

повышения

давления

II • условие остановки трещины

Относительная

величина дефекта -

Рис. 3.3. Анализ условия роста-остановки трещины

Подтверждением реальности возникновения и увеличения количества дефектов в результате проведения гидравлических испытаний могут служить данные по контролю корпуса реактора элекростанции "Ловиза". Так в наплавке корпуса реактора при первоначальном контроле было обнаружено 194 дефекта, а после проведения гидравлических испытаний ещё 313 дефектов.

Кроме того, на практике не однократно фиксировались случаи обнаружения негерметичности в котлах при подъёме пара сразу после проведения гидравлических испытаний.

На основе указанного критерия старта трещины и её остановки предлагается следующую модель поведения материалов при проведении гидравлических испытаний и после них:

1.1. В местах наибольшей концентрации напряжений при увеличении статической нагрузки выше критерия страгивания возникают трещины.

1.2. Образовавшаяся трещина является концентратором напряжений и величина напряжений на её конце зависит от пластических свойств материала. Если материал является хрупким, то определяющим является концентратор на конце трещины и велика вероятность дальнейшего роста трещины в процессе испытаний и, как следствие её обнаружения. Для пластичных материалов, как правило используемых при изготовлении судовых котлов и сосудов под давлением происходит перераспределение напряжений и поэтому определяющими концентраторами напряжений остаются концентраторы, обусловленные конструкцией и формой детали, подверженной нагрузке. При этом во время гидравлических испытаний трещина движется до области, в которой коэффициент интенсивности напряжении меньше К]^ на 10%, т.е. выполняется условие остановки трещины. При высоком градиенте поля напряжений по толщине стенки, что наблюдается в реальных конструкциях, велика вероятность того, что трещина остановится в своем развитии "вглубь" до появления сквозной трещины, которая могла бы быть обнаружена после испытаний. В месте с тем трещина может развиваться в окружном направлении если в этом направлении градиент поля напряжений отсутствует. В результате трещиноподобный дефект приобретает опасную длину из-за чего возникает опасность потери общей прочности и взрыва.

1.3. После проведения испытаний при дальнейшей эксплуатации котла или сосуда под давлением начинается усталостный этап

развития трещины, который обусловлен переменными

напряжениями в связи с колебаниями внутреннего давления.

В четвёртой главе приведено описание исследование напряжённо-деформированного состояния типовых конструкций судовых котлов и сосудов под давлением с использованием метода конечных элементов и сравнительная оценка результатов расчётов и данных тензометрирования подобных конструкций и результатов аварий аналогичных конструкций. Расчеты напряженно-деформированного состояния конструкций и постпроцессорная обработка результатов расчета выполнялись при помощи универсального конечноэлементного вычислительного комплекса "ИСПА".

В первом разделе четвёртой главы приводится описание расчёта. Напряженно-деформированное состояние цилиндрических, конических, Б-образных и сферических элементов сосудов, работающих под давлением, определено как осесимметричное напряженно-деформированное состояние тел вращения. При осесимметричной деформации тело вращения разбивается на совокупность колец с треугольным или четырехугольным поперечным сечением (рис.4.1). Пример расчета осесимметричного узла покажем на примере расчёта соединения плоской крышки с цилиндрической обечайкой, который регламентируется п. 1.1. Приложения к части X Правил Регистра и показан на рисунке 4.2. На рис. 4.4. показана конечно-элементная модель (КЭМ), полученная с помощью процедуры "Бетка", взятой из книги Л.Сегенлинда. Результатом применения указанной процедуры становятся исходные данные для расчёта на программе ИСПА.

Рис.4.2 Рисунок соединения Рис.4.1 Осесимметричный конечный цилиндрической оболочки с плоским элемент, использованный в расчёте днищем

(п. 1.1. Приложения к части X Правил Регистра).

4-

ш +

141 1

Щ

яхитшхжиа

Рис. 4.4. Конечно-элементная модель Рис. 4.5. Изозначения с указанием наложенных внешних эквивалентных напряжений сте

СВ^р~даРвИле01еяНИЯ (мпа), полученные при расчете ' КЭМ, показанной на рис. 4.2 .

Напряженно-деформированное состояние в элементах подкрепления вырезов в цилиндрических, конических и сферических элементах не является осесимметричным. Поэтому в данном случае не удается свести решение данной задачи к решению задачи осесимметричного напряженно-деформированного состояния тел вращения, и ввиду большого разнообразия конструкций подкрепленных вырезов.

Рис. 4.8. Распределение эквивалентных напряжений в оболочке с подкрепленным вырезом Для создания конечно-элементной модели рассматриваемых объектов использованы возможности графического конечно-элементного редактора "Сеорго:Р \ входящего в состав системы ИСПА.

Для своевременного определения усталостных повреждений в процессе эксплуатации котлов и сосудов под давлением при проведении наружных и внутренних осмотров разработан альбом напряжённо-деформированного состояния типовых узлов судовых котлов и сосудов под давлением, в котором показаны зоны наибольшей концентрации напряжений, требующие наибольшего внимания. При разработке альбома произведён расчёт методом конечных элементов типовых

узлов, конструкция которых регламентируется Правилами Российского Морского Регистра Судоходства. В альбоме в виде таблицы даются рисунки типовых узлов судовых котлов и сосудов под давлением, взятые из приложения к части X Правил классификации и постройки морских судов и картины распределение эквивалентных напряжений (см. фрагмент альбома в таблице 2).

Таблица 2

Напряжённо-деформированное состояние типовых конструкций в котлах и сосудах под давлением, выполненных согласно части X Правил РС

(фрагмент альбома)

Приложение к части X 1 Плоские днища и крышки

Картина напряжений, полученная расчётом методом конечных элементов (стрелками показаны зоны наибольшей _концентрации)_

1.1

1.2

1.4

1.5

Во втором разделе четвёртой главы производится проверка адекватности результатов, полученных расчётом МКЭ.

Проверка правильности полученных картин распределения напряжений проводилась путём сравнения с данными тензометрирования, опубликованными в справочнике Петерсон Р. Коэффициенты концентрации напряжений. Для проведения сравнения была выполнена серия из 6 расчетов торосферических днищ, параметры которых приведены в таблице 3 (Ь -характерный размер конечного элемента). Параметры выбирались из условия наличия данных по тензометрированию таких днищ в справочнике. Расчеты проводились с помощью программ АЫБУБ и ИСПА по идентичным расчетным схемам. Примеры результатов расчета показаны на рис. 4.9 - 4.10. В таблице 3 приведены максимальные значения полученных эквивалентных напряжений.

Таблица 3

Параметры

торосс >ерических днищ

Ып.п. О, Иь г 5 Р Ъ О« о. Д

(мм) (мм) (мм) (мм) (МПа) (мм) (МПа) (МПа) %

А^У 5 ИСПА

1 555 500 50 27.77 10 6 229 214 6.5

2 555 500 100 27.77 10 6 153 146 4.5

3 555 500 150 27.77 10 б 134 130 2.9

4 555 375 50 27.77 10 6 179 162 9.4

5 555 375 100 27.77 10 6 125 120 4.0

6 555 375 150 27.77 10 б 93.4 92.9 0.1

Рис.4.9. Поля изозначений

эквивалентных напряжений <те (МПа) для крышки №3 определенные с помощью программы ИСПА

Рис.4.10. Поля изозначений эквивалентных напряжений а, (МПа) для крышки №3 определенные с помощью программы АМЭУЭ

Сравнение полученных экспериментальных данных показало достаточно хорошее совпадение результатов расчёта с данными тензометрирования элементов котлов и сосудов под давлением. Коэффициенты концентрации напряжений, полученные на основе данных тензометрирования торосферических днищ отличаются от коэффициентов концентрации напряжений, полученные в результате расчета не более чем на 5 - 10% (см. рис. 4.11).

0.05 0.1 0,15 0.2 0.35 0,3 0.35 0,4

Отношение радиуса закруглении кромки к внутреннему диаметру r/D

6)

***Даиныв тензометрирования при - - - Данные тензометрирования при Р?/0»0,75 I

■ Данные расчета при ♦ Данные расчёта при (4/0*0,75 j

Рис. 4.11 Сравнение результатов расчёта с данными тензометрирования торосферических днищ сосудов под давлением

а) Коэффициент коцентрации напряжений в центре днища

б) Коэффициент концентрации напряжений на периферии днища

Кроме того, проводилось сравнение полученных данных с данными по авариям судовых котлов. Проиллюстрировать возможность применения разработанного альбома можно на примере аварии с котлом AQ7 фирмы AALBORG (Дания), который имел место 07.12.97 на борту судна Island Princess (класс LR).

Взрыв утилизационного котла произошёл в результате нарушения правил эксплуатации и отказа предохранительных клапанов. После взрыва производилось тщательное обследование повреждённого котла и котлов на однотипных судах. В результате на всех котлах в районе приварки трубных досок к корпусу были обнаружены усталостные трещины глубиной до половины толщины корпуса котла (6.3 мм).

Рис.4.12. Картина напряжённо-деформированного состояния узла приварки трубной доски к корпусу

Рис.4.13. Усталостная трещина в узле приварки трубной доски к корпусу котла АА1-В<ЖС А07

Сопоставление картины распределения напряжений, полученных методом конечных элементов (см. Рис.4.12., взятый из альбома типовых узлов) и геометрии трещин (рис.4.13) показало, что место зарождения трещин совпадает с точкой максимальной концентрации напряжений.

Практическое применение разработанного альбома при проведении технологического процесса дефектации позволит за более короткий срок и более результативно проводить дефектоскопию судовых котлов и сосудов под давлением, увеличить вероятность выявления дефектов в их наиболее нагруженных элементах при проведении внутренних и наружных освидетельствований.

Заключение. Выполненный комплекс исследований содержит разработку теоретических основ и практических путей повышения эффективности проведения предремонтных дефектаций и, как следствие, эксплуатации судовых котлов и сосудов под давлением. При этом решены следующие задачи:

1. Произведён анализ требований по надзору за судовыми котлами и сосудами под давлением отечественных и зарубежных классификационных обществ. В результате сравнения требований классификационных обществ обнаружено, что только правила Регистра содержат требования об обязательном периодическом проведении гидравлических испытаний судовых котлов и сосудов под давлением.

2. Проанализированы технические материалы по аварийности котлов и сосудов под давлением на судах с классом Регистра за период 1980 -2003 гг. На основе анализа аварийности:

2.1. Сформулированы требования к конструкциям судовых котлов, в том числе подверженных действию лучистого тепла в топке, которые включены в Правила Регистра.

2.2. Определены основные деградационные процессы, протекающие в котлах и сосудах под давлением во время эксплуатации.

2.3. Определён основной параметр, влияющий на скорость деградационных процессов - местные напряжения, т.е. скорость протекания деградационных процессов будет наибольшей в местах концентрации напряжений.

3. Проведён анализ влияния гидравлических испытаний на ресурс котлов и сосудов под давлением на основе законов механики разрушения. На основе анализа:

3.1. Сформулированы и математически описаны условия, при которых во время гидравлических испытаний происходит начало роста трещин (условие старта трещин) и условия, при которых происходит прекращение роста трещин до их выявления (условие остановки трещин).

3.2. Показана и научно обоснована зависимость эффективности проведения гидравлических испытаний в значительной степени от величины концентрации напряжений в конструкциях, подверженных давлению. При этом доказано, что с ростом величины концентрации напряжений вероятность обнаружения дефекта уменьшается из-за возможности остановки трещины при выходе её из зоны концентрации напряжений.

4. Проведен численный эксперимент по определению зон наибольшей концентрации напряжений в типовых узлах судовых котлов и сосудов под давлением. На его основе :

4.1. Установлено, что при изменении соотношений геометрических размеров конструкций судовых котлов и сосудов под давлением зоны максимальной концентрации напряжений не меняют своё местоположение, изменяется только величина концентрации напряжений. Это позволило использовать проведённые расчёты в альбоме напряжённо-деформированного состояния типовых конструкций.

4.2 Сравнительная оценка результатов расчётов напряжённо-деформированного состояния в типовых узлах котлов и сосудов под давлением и данных тензометрирования подобных конструкций, показала совпадение данных расчёта в пределах 5-10%. 4.3. Сравнительная оценка картины напряжений, полученных в результате расчётов напряжённо-деформированного состояния в типовых узлах котлов и сосудов под давлением и результатов аварий аналогичных конструкций подтвердила совпадение мест наиболее вероятного появления дефектов с точками наибольшей концентрации напряжений.

5. Подготовлены и научно обоснованы нормативные предложения по изменению требований Российского Морского Регистра Судоходства по надзору за котлами и сосудами под давлением. В частности снижено давление гидравлических испытаний и исключены требования об обязательном периодическом проведении гидравлических испытаний, что внедрено в Правила классификационных освидетельствований судов Регистра и в Руководство по техническому наблюдению за судами в эксплуатации.

6. Разработан и рекомендован к применению при предремонтной дефектации и освидетельствованиях котлов и сосудов под давлением "Альбом напряжённо-деформированного состояния типовых узлов судовых котлов и сосудов под давлением ".

Публикации. Основное содержание диссертационной работы нашли отражение в следующих публикациях:

1.Смольник А.Ю., Шурпяк В.К. Анализ требований классификационных обществ к периодичности освидетельствования и проведения испытаний судовых котлов // Научно-Технический сборник Российский Морской Регистр Судоходства. Вып. 20, ч.2., Санкт-Петербург, 1998,с.35-49.

2. Шурпяк В.К. Изменение требований Регистра к испытаниям паровых котлов в эксплуатации на основе обобщения опыта надзора //Технология судоремонта, №2/2002, с.19-25.

3. Шурпяк В.К. О расчётах напряжённо-деформированного состояния типовых узлов судовых котлов и сосудов под давлением // Сборник тезисов докладов на конференции по строительной механике корабля памяти академика Ю.А. Шиманского. ФГУГТ ЦНИИ имени академика А.Н. Крылова, НТО имени академика А.Н. Крылова, 2003, с.80-81.

4. Шурпяк В.К. О периодических испытаниях судовых сосудов под давлением // Материалы научной конференции по строительной механике корабля памяти академика Ю.А. Шиманского. ФГУП ЦНИИ имени академика А.Н. Крылова, НТО имени А.Н. Крылова, 2003, с.82-83.

5. Шурпяк В.К. Обобщение опыта технического наблюдения за вспомогательными котлами // Научно-Технический сборник Российского Морского Регистра Судоходства. Вып. 26, Санкт-Петербург, 2003, с. 170-205.

6. Жильцов И.Б., Шурпяк В.К. Методика оценки риска при эксплуатации судовых холодильных установок // Научно-Технический сборник Российского Морского Регистра Судоходства. Вып. 26, Санкт-Петербург, 2003, с.206-236.

7. Шурпяк В.К. Использование при дефектации судовых котлов и сосудов под давлением результатов расчётов напряжённо-деформационного состояния типовых узлов методом конечных элементов и Технология судоремонта, № 1/2004, с. 41 - 43.

8. Шурпяк В.К. Оценка влияния гидравлических испытаний на ресурс котлов и сосудов под давлением // Научно-Технический сборник Российского Морского Регистра Судоходства. Вып. 27, Санкт-Петербург, 2004, с. 182-206.

9. Шурпяк В.К. О расчётах напряжённо-деформированного состояния типовых узлов судовых котлов и сосудов под давлением. Материалы научно-технической конференции посвящённой 300-летию ФГУП "Адмиралтейские верфи"// Морской вестник, Специальный выпуск № 1(2), Том 2, 2004, с. 120-123.

10. Шурпяк В.К. Альбом напряжённо-деформированного состояния типовых узлов судовых котлов и сосудов под давлением // Сборник нормативно-методических материалов Российского Морского Регистра Судоходства. Книга четырнадцатая, Санкт-Петербург, 2004, с. 165-173.

ИЦ СПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 17.07.2006. Зак. 3241. Тир.80. 1,3 псч. л.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ НОРМ И ТРЕБОВАНИЙ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ОСВИДЕТЕЛЬСТВОВАНИЙ КОТЛОВ И СОСУДОВ ПОД ДАВЛЕНИЕМ В ЭКСПЛУАТАЦИИ.

1.1 Анализ требований классификационных обществ по проведению освидетельствований котлов и сосудов под давлением в эксплуатации.

1.2 Анализ требований надзорных организаций к выбору величины пробного давления.

1.3 Оценка величины средних напряжений, возникающих в конструкциях котлов и сосудов под давлением при гидравлических испытаниях.

ГЛАВА 2.АНАЛИЗ АВАРИЙНОСТИ КОТЛОВ И СОСУДОВ ПОД ДАВЛЕНИЕМ С КЛАССОМ РЕГИСТРА В 1980-2003г.

2.1 Дефекты и конструктивные недостатки котлов и их элементов, выявленные в процессе эксплуатации.

2.2. Классификация отказов. Идентификация основных деградационных процессов в судовых котлах.

2.2.1 Коррозия.

2.2.2 Усталость.

2.2.3 Малоцикловая термическая усталость.

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ НА РЕСУРС КОТЛОВ И СОСУДОВ ПОД ДАВЛЕНИЕМ.

3.1 Кинетика разрушения элементов котлов и сосудов под давлением.

3.2 Напряженное состояние материалов при гидравлических испытаниях с позиций механики разрушения.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЁННОГО СОСТОЯНИЯ

ТИПОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

4.1 Описание метода расчёта. Альбом напряжённо-деформированного состояния типовых конструкций.

4.2 Проверка адекватности полученных результатов.

Проблема использования судовых котлов и сосудов под давлением, срок эксплуатации которых 20 лет и более становится всё более актуальной в настоящее время в связи с увеличением возраста флота, находящегося в эксплуатации.

Изменение возраста судов поднадзорных Регистру приведены на диаграммах 1-1 и 1-2.

1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004

Рис. 1 -1 Изменение среднего возраст а судов с классом Регист ра

100% х о >1 а ш ш

§§ а 2 С 2 т я г I И

О 1

80%

60%

40% . 20% о а. С

Рис. 1-2 Изменение возраст а судов с классом Регист ра

В до 5 лет В 5-9 лет □ 10-14 лет а15-19лет в 20-24 лет п 25-29 лет ВболееЗО

Вопрос о допустимости дальнейшей эксплуатации котлов и сосудов под давлением за пределами нормативных сроков эксплуатации приобретает всё большую актуальность. На диаграмме 1-3 приводится частота аварий на судах с классом Регистра.

Рис 1-З.Изменение частоты аварий на судах с классом Регистра. ♦ Частота аварий на 10000 судов в год

Идентификация фактического состояния сложных технических систем, обнаружение предотказного состояния, прогнозирование динамики изменения состояния в процессе эксплуатации, определение остаточного ресурса - все эти задачи составляют части единой проблемы - обеспечение безотказной эксплуатации морской техники.

Эффективность обслуживания по фактическому состоянию в первую очередь зависит от точности идентификации деградационных процессов, протекающих при эксплуатации изделия.

Надежность судовых котлов зависит от качества надзора за их изготовлением, ремонтом и техническим состоянием, осуществляемого классификационным обществами в процессе эксплуатации. Являясь главным свойством, определяющим качество судового оборудования, надежность закладывается при проектировании, обеспечивается при изготовлении и реализуется при эксплуатации. На каждой из этих стадий необходимо решать свои конкретные задачи. До недавнего времени при решении задач по повышению надежности и безопасности судового оборудования особое внимание уделялось обеспечению надежности на первых двух стадиях: на стадии проектирования - так называемой "конструктивной" надежности и на стадии производства - так называемой "технологической" надежности. Однако, в настоящее время, учитывая тенденции развития судового котлостроения и старения флота, все более актуальным становится обеспечение надежности на стадии эксплуатации, так называемой "эксплуатационной" надежности.

На стадии эксплуатации стремятся реализовать достигнутый при постройке уровень технологической надежности. Однако, достигнуть этого на практике не удается, и уровень надежности любого объекта непрерывно снижается в процессе его эксплуатации из-за:

1) ошибок обслуживающего персонала;

2) влияния внешних факторов;

3) износа и коррозии отдельных элементов, при чем скорость износа зависит как от внешних факторов, так и от конструктивных особенностей;

4) проявления конструктивных и технологических дефектов. Употребляя термин "эксплуатационная надежность", стремятся подчеркнуть, что речь идет о надежности эксплуатирующегося объекта.

Надежность эксплуатирующегося объекта зависит прежде всего от двух основных факторов:

1) обеспечение правильной эксплуатации, что связано в первую очередь с человеческим фактором и выходит за рамки рассматриваемой темы;

2) обеспечение своевременного определения предельного состояния объекта по результатам надзорной деятельности.

В настоящее время в нормативных документах Регистра и других классификационных обществ при оценке надёжности котлов и сосудов под давлением реализуется принцип «прочность-нагрузка», согласно которому отказ изделия возникает, когда нагрузка превышает её прочность. При надлежащем контроле за изготовлением при производстве (т.е. когда прочные размеры и свойства материалов контролируются и находятся в пределах допуска технической документации) и соблюдением правил эксплуатации, (т.е. когда нагрузка на изделие находится в пределах допустимой), отказ перестаёт быть случайным событием. При этом надзор за изделием в эксплуатации сводится к контролю изменения размеров, влияющих на прочность в связи с износом или коррозией. Однако остаются неучтёнными такие факторы как старение и усталость. При длительной эксплуатации изделий в них в результате определённой деградации свойств развиваются процессы старения, приводящие к снижению прочности.

Существующие правила классификационных обществ предлагают низкие значения допустимых напряжений, никак не регламентируя величину концентрации напряжений.

Как показывает практика, надёжность и ресурс оборудования определяется в основном зонами концентраций напряжений, в которых фактические напряжения могут достигать предела текучести и даже превышать его.

В сложившейся практике эксплуатации судовых котлов для оценки технического состояния их отдельных элементов используют периодические осмотры (освидетельствования), гидравлические испытания и осмотр наиболее напряженных элементов и сочленений, теплотехнические испытания и контроль входных и выходных параметров котлов. К существенным недостаткам этих методов следует отнести в первую очередь их субъективность и недостаточное количество информации для оценки действительного технического состояния в каждый данный момент времени.

Действительно, осмотры внутренних поверхностей производятся только в доступных местах. Гидравлические испытания выявляют уже сформировавшиеся повреждения и не дают никакой информации о начальных этапах возникновения дефектов. Для подтверждения остаточной прочности периодически осуществляются испытания избыточным давлением.

Как известно - технология это научное описания производственных процессов, целью которого является обеспечение высокой производительности и необходимого качества при наименьших материальных затратах. Так, например, научная дисциплина "Технология машиностроения" изучает основы и методы производства машин, являющиеся общими для различных отраслей машиностроения, "Технология ремонта" - учение о дефектах, о признаках дефектов, о методах выявления дефектов и способах устранения дефектов в деталях, узлах и частях судовых механических агрегатов, устройств, систем и корпуса судна. Таким образом совокупность методов и приёмов изготовления продукции, выработанных в течение длительного времени и используемых в определённой области производства, составляет технологию этой области. В связи с этим возникли понятия: технология литья, технология сварки, технология сборки и т.д. Все эти области производства относятся к технологии машиностроения, охватывающей все этапы процесса изготовления машиностроительной продукции.

Если взглянуть на техническое наблюдение как на производственный процесс, то очевидным становится, что в настоящее время отсутствует понятие "технология технического наблюдения" или технология надзора. Закономерной можно считать мысль описать процесс технического наблюдения как производственный технологический процесс.

В [50] даётся следующее определение : "Техническое наблюдение" -проверка соответствия объектов наблюдения требованиям нормативных документов при рассмотрении и одобрении (согласовании) технической документации, а также освидетельствование объектов наблюдения на этапах изготовления, постройки, эксплуатации, в том числе переоборудования, модернизации и ремонта.

В теории и практике надежности различают три интервала использования технического объекта (рис. 1-4): Л

VI I н

111

Рис. 1-4. Схема изменения интенсивности отказов во времени. I- период приработки; II- период нормальной эксплуатации; III- период интенсивного

- период приработки (0 - т^ с достаточно высокой интенсивностью отказов, длительностью, редко превышающей 3.5% от срока службы объекта;

- период нормальной эксплуатации объекта с постоянной средней интенсивностью отказов (т! - т2), длительностью более 80% от срока службы;

- период постоянного возрастания интенсивности отказов (т2 - тпред), длительностью 10. 15% от срока службы. Здесь отметим, что назначенный ресурс Я,, (или срок службы) объекта выбирается равным И.,, т2.

Таким образом, на втором участке эксплуатации объекта с постоянной средней интенсивностью отказов.

Техническое состояние объекта определяется совокупностью его структурных параметров:

- размеров деталей и узлов сочленения (диаметры труб, толщины стенок, зазоры и т.п.);

- размеров эксплуатационных повреждений (глубины и площади коррозионных язв, размеры трещин, свищей, прогибов, выпучин и т.п.);

- механических характеристик прочности и пластичности материалов изделий (пределы текучести и прочности, относительные удлинение и сужение образца, ударная вязкость, твердость). Уровень технического стояния характеризует изменение состояния изделия, проявляющееся в изменении структурных параметров. износа.

В 1997 году ИМО одобрило временное руководство по применению Формальной Оценки Безопасности (FSA - Formal Safety Assessment), направленное на повышение безопасности морского судоходства. FSA - это инструмент (предписание) для разработки Правил ИМО на основе оценки риска, связанного с судоходством.

Согласно временного руководства ИМО по применению Формализованной Оценки Безопасности (FSA - Formal Safety Assessment) степень риска оценивается индексом риска R, который является произведением индекса значимости <т и вероятности наступления события s :

R=cr*e (1)

Индекс значимости с учитывает степень последствий от возможного наступления неблагоприятного события (отказа). Вероятность наступления события е отражает частоту возможности появления такого события. Из зависимости (1) следует, что меры по повышению надёжности какой-либо системы будут эффективны в том случае, если они направлены на снижение обоих членов произведения. Поэтому все меры по повышению надёжности можно разделить на две группы:

1. Мероприятия, направленные на понижение вероятности наступления отказа.

2. Мероприятия, направленные на понижение индекса значимости.

Формализованная Оценка Безопасности (ФОБ) - системный подход к оценке риска, который возникает в морской практике, а также к оценке связанных затрат и выгод от альтернативных решений, которые могут рассматриваться, чтобы понизить уровень риска. Согласно [80] ФОБ предполагает следующие этапы: идентификация опасностей; анализ риска; способы управления риском; оценка стоимости и экономии при принятии способов управления риском; рекомендации по принятию решений.

Примером применения ФОБ к сосудам под давлением может служить оценка безопасности аммиачных холодильных установок, методика которой была разработана с участием автора [23]. По результатам применения ФОБ к аммиачным установкам были определены сильные и слабые стороны методологии ФОБ. Одной из слабых сторон ФОБ является привязка к конкретному (настоящему) моменту при оценке безопасности. В месте с тем, опасные объекты эксплуатируются определённый промежуток времени с неизбежным протеканием процессов старения и различных видов износа, что не может не сказаться отрицательно на надежности того или иного элемента установки и, как следствие, безопасности механического оборудования и судна в целом. Для мониторинга безопасности объектов необходимо периодически оценивать ФОБ, что, безусловно, невозможно в эксплуатации. По мнению автора, возможно произвести синтез методики ФОБ и положений теории деградационных процессов и использовать оба подхода при проведении технического наблюдения.

Главной целью технического наблюдения и надзора является обеспечение безопасной эксплуатации опасного производственного объекта. При этом конечным продуктом на каждой стадии является информация, на основании которой производится прогноз изменения безопасности объекта на определённый промежуток времени. Можно выделить следующие этапы технического наблюдения за объектом в эксплуатации:

1. Формализованная Оценка Безопасности.

2. Определение деградационных процессов, ведущих к реализации опасностей.

3. Определение параметров, влияющих на интенсивность деградационных процессов, ведущих к реализации опасностей.

4. Определения глубины деградации путём дефектации и исследования состояния объекта.

5. Определение скорости деградации и прогнозирование времени до достижения критических величии (Определение остаточного ресурса).

Целью работы является увеличение ресурса и повышение безопасности судовых котлов и сосудов под давлением за счёт применения технологий, повышающих эффективность технического обслуживания и предремонтной дефектации, более экономично расходующих их ресурс. Цель работы состоит в исследовании и научном обосновании применения более совершенных технологий ведения технического наблюдения и надзорной деятельности для повышения безопасности судовых котлов и сосудов под давлением в эксплуатации и продления их срока службы. Кроме того, в результате совершенствования технических требований Регистра, произошло уменьшение затрат судовладельцев на поддержание судовых котлов и сосудов под давлением в безопасном состоянии. Для этого в работе решены следующие задачи:

- проведён анализ требований по надзору за судовыми котлами и сосудами под давлением отечественных и зарубежных классификационных обществ;

- собран и проанализирован материал по аварийности котлов и сосудов под давлением на судах с классом Регистра;

- проведён анализ влияния гидравлических испытаний на ресурс котлов и сосудов под давлением на основе законов механики разрушения;

- сформулированы и описаны математически условия при которых во время гидравлических испытаний происходит начало роста трещин (условие старта трещин) и условия при которых происходит прекращение роста трещин до их выявления (условие остановки трещин);

- выполнены расчёты с использованием метода конечных элементов и исследовано напряжённо-деформированное состояние в типовых узлах котлов и сосудов под давлением для определения наиболее слабых мест конструкций;

- проведена сравнительная оценка результатов расчётов напряжённо-деформированного состояния в типовых узлах котлов и сосудов под давлением и данных тензометрирования подобных конструкций и результатов аварий аналогичных конструкций для оценки адекватности.

Структурно-логическая блок-схема работы приведена на рис. 1-5.

В первой главе даётся обзор требований международных классификационных обществ в части требований к периодических освидетельствованиям котлов и сосудов под давлением. Проведено сравнение требований, принятых основными классификационными обществами мира: Российским Морском Регистром Судоходства (РС), Английским Регистром Ллойда (LR), Бюро Веритас Франции (BV), Германским Ллойдом (GL), Дет Норске Веритас Норвегии (DNV), Итальянским Регистром (RINA), Американским Бюро Судоходства (ABS). Проанализирована и систематизирована практика назначения и проведения гидравлических испытаний, наружных и внутренних осмотров, их периодичности, величине пробного давления.

Во второй главе выполнен анализ аварийности котлов и сосудов под давлением на судах с классом Регистра за период 1980-2003г. В таблице Приложения I диссертации приводятся данные по авариям основных типов вспомогательных котлов, установленных на судах с классом Регистра. В таблице Приложения I даны типы вспомогательных котлов, их дефекты и конструктивные недостатки, причины возникновения дефектов, средняя наработка до его появления, частота появления (в процентах от общего количества котлов) и меры, принимаемые судовладельцем, направленные на предотвращение появления дефектов. Проведя анализ данных по авариям с судовыми котлами, выделены два основных деградационных процесса, которые в эксплуатации ведут к появлению опасных дефектов: коррозия и усталость металла. Проанализировав факторы, влияющие на скорость протекания основных деградационных процессов и интенсивность появления дефектов, определён основной параметр, влияющий на скорость протекания деградации - величина механических напряжений в местах их концентрации, а следовательно участки, на которых происходит наибольшее расходование ресурса - это участки максимальной концентрации напряжений, которые требуют наибольшего внимания при проведении освидетельствований. Далее рекомендуется в качестве основного принципа обеспечения долговечности конструкции при проведении внутренних освидетельствований обращать особое внимание на зоны концентрации напряжений, как на наиболее вероятные зоны возникновения опасных дефектов, а для их чёткого определения провести численное исследование напряжённо-деформированного состояния в типовых узлах судовых котлов и сосудов под давлением.

В третьей главе дана оценка влияния гидравлических испытаний на ресурс котлов и сосудов под давлением, для чего рассмотрено поведение материалов при гидравлических испытаниях с позиций механики разрушения, на основе чего сформулированы граничные условия старта и остановки трещины при гидравлических испытаниях.

В четвёртой главе приведено исследование напряжённого-деформированного состояния типовых конструкций судовых котлов и сосудов под давлением при помощи расчётов методом конечных элементов (МКЭ). Расчеты напряженно-деформированного состояния конструкций выполнены при помощи универсального конечноэлементного вычислительного комплекса "ИСПА". В первом разделе четвёртой главы приведено описание расчёта. Во втором разделе четвёртой главы произведена проверка адекватности результатов, полученных расчётом МКЭ путём сравнения результатов расчётов с данными тензометрирования подобных конструкций, а так же сравнения результатов расчётов с результатами расследования аварий аналогичных конструкций.

В заключении содержатся выводы на основе выполненного исследования и рекомендации направленные на продление срока эксплуатации существующих котлов и сосудов под давлением, уменьшения затрат судовладельцев без ущерба для безопасности. Приложение содержит таблицу, в которой приводятся данные по авариям на судах с классом Регистра основных типов вспомогательных котлов, за период 1980-2003г.

Рис. 1-5, Общая схема исследования

Выводы по четвертой главе:

Проведен численный эксперимент по определению зон наибольшей концентрации напряжений в типовых узлах судовых котлов и сосудов под давлением, который показал:

1. При варьировании соотношений геометрических размеров зоцы максимальной концентрации напряжений не меняют своё местоположение, изменяется только величина концентрации напряжений.

2. Некоторые элементы котлов и сосудов под давлением имеют две зоны концентрации напряжений. При варьировании соотношения геометрических размеров положение зон концентрации напряжений в таких элементах не меняется, но максимум концентрации напряжений может переходить из одной зоны в другую.

3. Постоянство положения зон концентрации даёт возможность использовать проведённые расчёты в альбоме напряжённо-деформированного состояния типовых конструкций.

4. Сопоставление величины коэффициентов концентрации напряжений, полученных в результате расчёта с помощью программ ИСПА и АИБУБ, с данными тензометрирования показали хорошее совпадение результатов.

5. Сопоставление полученных данных с данными по авариям котлов и сосудов под давлением показал совпадение мест разрушения с зонами наибольшей концентрации напряжений, полученных расчётом.

6. Распределение напряжений, показывает, что наиболее опасный сценарий разрушения материала, описанный в главе 3, при котором скорость роста трещины в окружном направлении значительно больше, чем в радиальном направлении, что приводит к потере общей прочности и последующему взрыву и может быть реализован в большинстве исследуемых конструкций. 1

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненный комплекс исследований содержит разработку теоретических основ и практических путей повышения эффективности проведения предремонтных дефектаций и, как следствие, повышения безопасности и эффективности эксплуатации судовых котлов и сосудов под давлением. При этом решены следующие задачи:

1. Произведён анализ требований по надзору за судовыми котлами и сосудами под давлением отечественных и зарубежных классификационных обществ. В результате сравнения требований классификационных обществ обнаружено, что только правила Регистра содержат требования об обязательном периодическом проведении гидравлических испытаний судовых котлов и сосудов под давлением.

2. Проанализированы технические материалы по аварийности котлов и сосудов под давлением на судах с классом Регистра за период 1980 -2003 гг. На основе анализа аварийности:

2.1. Сформулированы новые требования к конструкциям судовых котлов, в том числе подверженных действию лучистого тепла в топке, которые включены в Правила Регистра.

2.2. Определены основные деградационные процессы, протекающие в котлах и сосудах под давлением во время эксплуатации.

2.3. Определён основной параметр, влияющий на скорость деградационных процессов - местные напряжения, т.е. скорость протекания деградационных процессов будет наибольшей в местах концентрации напряжений.

3. Анализ влияния гидравлических испытаний на ресурс котлов и сосудов под давлением на основе законов механики разрушения позволил:

3.1. Впервые сформулировать и описать математически граничные условия, при которых во время гидравлических испытаний происходит начало роста трещин (условие старта трещин) и условия при которых происходит прекращение роста трещин до их выявления (условие остановки трещин).

3.2. Доказать, что эффективность проведения гидравлических испытаний в значительной степени зависит от величины концентрации напряжений в конструкциях, подверженных давлению, при этом с ростом величины концентрации напряжений вероятность обнаружения дефекта уменьшается из-за возможности остановки трещины при выходе её из зоны концентрации напряжений.

3.3 Обнаружить, что при определенной конфигурации поля напряжений в виде кольцевого концентратора может быть реализован наиболее опасный сценарий развития разрушения - взрыв в результате потери общей прочности. 3.4. На основе описанной модели возникновения дефектов при гидравлических испытаниях сделать научно-обоснованные технические предложения, направленные на увеличения срока службы котлов и сосудов под давлением, включённые в Правила Регистра.

4. Проведен численный эксперимент по определению зон наибольшей концентрации напряжений в типовых узлах судовых котлов и сосудов под давлением. На его основе :

4.1. Установлено, что при изменении соотношений геометрических размеров конструкций судовых котлов и сосудов под давлением зоны максимальной концентрации напряжений не меняют своё местоположение, изменяется только величина концентрации напряжений. Это позволило использовать проведённые расчёты в альбоме напряжённо-деформированного состояния типовых конструкций.

4.2 Сравнительная оценка результатов расчётов напряжённо-деформированного состояния в типовых узлах котлов и сосудов под давлением и данных тензометрирования подобных конструкций, показала совпадение данных расчёта в пределах 5-10%.

4.3. Сравнительная оценка картины напряжений, полученных в результате расчётов напряжённо-деформированного состояния в типовых узлах котлов и сосудов под давлением и результатов аварий аналогичных конструкций подтвердила совпадение мест наиболее вероятного появления дефектов с точками наибольшей концентрации напряжений.

5. Подготовлены и научно обоснованы нормативные предложения по изменению требований Российского Морского Регистра Судоходства по надзору за котлами и сосудами под давлением. В частности снижено давление гидравлических испытаний и исключены требования об обязательном периодическом проведении гидравлических испытаний, что внедрено в Правила классификационных освидетельствований судов Регистра и в Руководство по техническому наблюдению за судами в эксплуатации.

6. Разработан ряд конечно-элементных моделей для расчёта напряжений и деформаций в типовых узлах судовых котлов и сосудов под давлением, которые могут быть использованы для определения параметров поля напряжений и как инструмент для определения мест наибольшего износа в конструкциях. Разработан и рекомендован к применению при предремонтной дефектации и освидетельствованиях котлов и сосудов под давлением "Альбом напряжённо-деформированного состояния типовых узлов судовых котлов и сосудов под давлением ".

1. Акользин ПА. Предупреждение коррозии металла паровых котлов. М.: "Энергия", 1975. 294с.

2. Ажогин Ф.Ф. Коррозионное растрескивание и защита высокопрочных сталей. -М.: "Металлургия", 1974. 256с.

3. Александровская Л.Н., Аронов И.З., Елизаров А.И. и др. Статистические методы анализа сложных технических систем. М.: "Логос", 2001. 232с.

4. Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов М.: "Энергия", 1980.424 с.

5. Антикайн П.А. Зыков А.К. Эксплуатационная надёжность объектов котлонадзора -М.: "Металлургия", 1985. 328 е.

6. Баландин Ю.Ф. Термическая усталость металлов в судовом энергомашиностроении.-Л.: Судостроение, 1967. 272с.

7. Беляев Н.М., Синицкий А.К. Напряжения и деформация в толстостенных цилиндрах при упруго-пластическом состоянии материала. «Известия отделения технических наук АН СССР, 1938.21 с.

8. Беренов Д.И. Расчёты деталей на прочность. М.: "Машгиз", 1959. 216 с.

9. Броек Д. Основы механики разрушения. М.: "Высшая школа", 1980. 368 с.

10. Ю Быков В.А. Пластичность, прочность и разрушение металлических судостроительных материалов. Л, "Судостроение", 1974. 216 с.

11. Винокуров В.А., Куркин С.А., Николаев Г.А. Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности. М.: "Машиностроение", 1996, 575 с.

12. Волошин A.A., Харченко В.Г. К определению коэффициентов концентрации напряжений в цилиндрических элементах, работающих под давлением. Научно-технический сборник Регистра № 3, Регистр СССР, 1975, с. 413 -430.

13. Гольденблат И.И., Бажанов В.Л., Копнов В.А. Длительная прочность в машиностроении. М.: "Машиностроение", 1977. 248 с.

14. ГОСТ 22161-76. Машины, механизмы, паровые котлы, сосуды и аппараты судовые. Нормы и правила гидравлических и воздушных испытаний.

15. ГОСТ 25859-83. Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчёта на прочность при малоцикловых нагрузках.

16. Денисенко Н.И. Выбор пробного давления при гидравлических испытаниях18