СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ И ДИАГНОСТИКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБЪЕКТА
METHOD OF CONTROL OVER INDUSTRIAL SAFETY AND DIAGNOSTICS OF OPERATING CONDITIONS OF INDUSTRIAL STRUCTURE

Опыт эксплуатации высоконагруженных промышленных и строительных объектов показывает, что разрушение конструкций происходит в большинстве случаев в результате образования и роста дефектов, либо потери устойчивости [1]. Причиной потери устойчивости конструкций, возникновением и ростом дефектов в них являются напряжения существующие в работающей конструкции.
Поскольку создание идеальных по форме равнонапряженных конструкций невозможно, возникают неравномерности распределения напряжений в стенке промышленных объектов. Рост напряженности конструкций и образования зон повышенных напряжений приводят к возникновению областей повышенных пластических деформаций и напряжений, которые могут привести к потере устойчивости конструкции. Концентрация напряжений приводит также к появлению новых дефектов и росту дефектов неизбежно возникающих в процессе изготовления и эксплуатации объектов, нарушения технологических режимов. Дефекты промышленных объектов являются одним из главных факторов, приводящим к промышленной аварии.
Промышленные объекты работают в условиях, когда их температура отличается от температуры окружающей среды. Имеет место также разность температур в различных зонах объекта. Изменение температуры по поверхности или объему материала объекта приводит к объемному расширению или сжатию материала. При неравномерном распределении температур и в условиях, когда ограничены возможности теплового расширения или сжатия со стороны охватывающих частей объекта возникают дополнительные внутренние напряжения и деформации [2].
Неравномерность распределения температурного поля в объекте неизбежно создают перенапряжения в соответствующих областях поверхности, что приводит к повреждаемости материала. Повреждаемостъ это процесс необратимых изменений в материале под действием напряжений и деформаций в условиях перепада температур. Изменяется структура материала в результате деформаций по границам зерен и сдвигов внутри зерен, их дробления, образования двойников, процессов разрыхления в результате образования вакансий и микроскопических разрывов. Особенно интенсивно процессы повреждения идут в поверхностных и подповерхностных слоях объекта, поскольку к ним присоединяется действие эксплуатационных факторов - большие перепады температур, действия внешней среды.
Отмеченные процессы приводят к снижению характеристик кратковременной и длительной прочности, инициируют ползучесть, мало и многоцикловую усталость. Микродефекты при воздействии эксплуатационных факторов превращаются в макродефекты в виде макроскопических нарушений сплошности материала (макротрещины), вид которых определяется характером действующей нагрузки: усталостной (мало либо многоцикловой), статической, длительной статической (приводящей к ползучести в результате действия повышенных температур). Дефектообразование в результате термической усталости может проявляться в виде изменения формы объекта и образования сетки трещин. При этом в ряде случаев определяющими факторами являются размах упругопластической деформации, максимальная температура и длительность цикла.
Высокие уровни температур, неравномерное распределение температурного поля в объекте, изменения температур в процессе производственных циклов, создают в материале объекта высокие термомеханические статические и циклические напряжения, которые могут превысить в определенных зонах объекта предел упругости, что приводит к возникновению пластической деформации. В зависимости от видов нагружения и рабочих циклов в наиболее напряженных областях могут возникать статические и циклические макротрещины.
Условия возникновения трещин или пластических деформаций предельного значения зависят от знака термонагрузки и уровня пластической деформации. Максимальная деформация сжатия или растяжения происходит при максимальном значении температуры цикла нагревания или охлаждения. Это происходит каждый раз при останове работы объекта или запуске (выходе на рабочие параметры. Наибольшие напряжения имеют место в поверхностных слоях конструкции объекта при термоциклическом воздействии.
Величины термических напряжений зависят от многих факторов, включая: условия теплового режима (нагрев, охлаждение, уровня температур цикла), конструкции объекта, физико-механических параметров материала, вида напряженного состояния.
Контроль и измерение параметров распределения температурного поля на поверхности объекта позволяет выявить опасные зоны объекта. Поэтому создание эффективного способа диагностики эксплуатационного состояния объекта, позволяющего оценить наиряженно-деформированнное состояние объекта, выявить области повышенных напряжений и деформаций, рассчитать величину напряжений и деформаций, оценить возможность образования и роста дефектов, является актуальной задачей, имеющей большое народнохозяйственное значение (см., например, [3, 4].
Известны способы и устройства позволяющие выявлять области объекта, в которых достигается заданное состояние материалов объектов, что позволяет обеспечить индикацию предразрушающего состояния объекта [5, 6, 7].
Известен способ определения механических напряжений растяжения [5], в котором на поверхность тонкостенного объект с заданной постоянной толщиной стенки устанавливают преобразователь, чувствительный к температуре, нагревают нагруженный участок дозированным высококачественным электрическим полем, а напряжения определяют по температуре, измеренной преобразователем. В качестве преобразователя используют жидкокристаллическую термочувствительную индикаторную пленку.
Недостатком способа измерения деформации с использованием указанных операций является то, что способ применим в ограниченных условиях, а именно: контролируются только напряжения растяжений; контролируются объекты только с постоянной толщиной стенки; поверхность объекта нагревается дополнительным внешним источником путем возбуждении высокочастотного электромагнитного поля вихревых токов, причем выделяемая мощность зависит от удельного сопротивления и поперечного сечения материала объекта, которые незначительно изменяются с ростом механических напряжений. В большинстве случаев при нагревании объекта в промышленных условиях и в ограниченном диапазоне температур электропроводность материала объекта и его толщина в диапазоне используемых температур измелется незначительно.
Измерение деформации твердого тела, вызванной приложенной к объекту механической нагрузкой (силой, моментом, напряжением, электромагнитным воздействием), производят также с использованием тензометрических измерительных преобразователей, которые преобразуют деформацию поверхности контролируемого объекта в электрический сигнал [8]. Для выполнения измерения деформации объекта на его поверхность устанавливают тензометрический измерительный преобразователь в виде конструкции, основным элементом которой является тензорезистор, выполненный из проволоки либо фольги. Тензорезистор закрепляется на объекте с помощью связующего материала (клея). При деформации тензорезистора изменяется его активное сопротивление пропорционально деформации. Измеренный ток, протекающий через тензорезистор, пропорционален деформации поверхности объекта в месте установки датчика.
Недостатком способа измерения деформации с использованием тензорезисторов является то, что измерение возможно только в тех точках объекта, в которых размещены тензорезисторы. Это приводит к тому, что для получения более полной информации о состоянии объекта необходимо размещение большого количества этих устройств.
В другом способе определения деформации в качестве чувствительного элемента используют наборы тензоиндикаторов в виде хрупких покрытий, которые позволяют выявить достижение предельного состояния материала объекта [6, 7]. При этом параметры хрупкого покрытия (толщину, предел прочности) выбирают, такими, чтобы уровень пороговой деформации, при котором покрытие разрушается, был меньшим или равным предельно допустимой деформации безопасной эксплуатации объекта. При достижении деформации поверхности объекта заданного уровня, связанного с предельным состоянием объекта, происходит разрушение тензоиндикатора, которое выявляется с использованием оптических, либо акустических средств.
Недостаток данного способа связан с тем, что тензоиндикаторы позволяют индицировать только тот уровень деформации, при котором происходит однократное разрушение применяемого индикатора. Для индикации других уровней деформации необходимо использовать дополнительные индикаторы, что существенно усложняет процесс контроля. Кроме того, индицируется деформация только того локального места, где нанесено хрупкое покрытие.
Предлагаемый способ измерения деформации материала объекта свободен от недостатков известных способов. Заявляемый способ позволяет предотвращать разрушение диагностируемых материалов и объектов в широком диапазоне деформаций путем дистанционного мониторинга физических полей (температур и деформаций), связанных с уровнем деформаций (напряжений) и позволяет определить уровень деформаций и определить степень приближения их к предельное значению, не превышая его в наиболее нагруженных зонах объекта.
С целью устранения недостатков известных решений в предлагаемом способе картину распределения температуры на поверхности контролируемого объекта получают по изменению цвета термочувствительного вещества, зарегистрированному с помощью цифровых оптических средств, и, используя предварительно полученные номограммы, регистрируют распределение температур на поверхности контролируемого объекта, на основании которого выполняют расчет напряженно-деформированного состояния, выделяют зоны повышенных напряжений и деформаций для дальнейшего мониторинга указанных зон.
Кроме того, для повышения достоверности измерений регистрацию температурного поля производят с использованием тепловизионных измерителей, а расчет напряженно-деформированного состояния объекта выполняют по зарегистрированной картине видеоизображения распределения температурного поля на поверхности контролируемого объекта с учетом данных оптической регистрации.
Для повышения надежности определения температур и расчета деформаций объекта регистрацию температурного поля производят как с использованием термочувствительного вещества, так и с применением тепловизионных измерителей, а по зарегистрированным картинам изображений распределения температурного поля на поверхности контролируемого объекта, оптических цифровых средств и тепловизионных измерений выполняют расчет напряженно-деформированного состояния объекта.
Использование предложенного способа определения напряженно-деформированного состояния объекта позволяет снизить риск аварии, увеличить надежность и достоверность диагностики технического состояния, обеспечить промышленную безопасность и прогнозировать ресурс работающего объекта.
Технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом изобретении, для определения деформации материала объекта, находящегося в рабочем состоянии, на поверхность контролируемого объекта наносят термочувствительное вещество, которое изменяет свой цвет при изменении температуры объекта, отличающийся тем, что по изменению цвета термочувствительного вещества, зарегистрированному с помощью цифровых оптических средств, и, используя предварительно полученные номограммы, регистрируют распределение температур на поверхности контролируемого объекта, на основании которого выполняют расчет напряженно-деформированного состояния, выделяют зоны повышенных напряжений и деформаций для дальнейшего мониторинга указанных зон.
Кроме того, для повышения точности определения деформации регистрацию распределения температур дополнительно производят с использованием тепловизионных измерителей, усредняют результаты полученные при оптической и тепловизионной регистрации распределения температур и выполняют расчет напряженно-деформированного состояния объекта (НДС).
Расчет НДС объекта осуществляют с применением метода конечных элементов к зарегистрированному распределению температур по поверхности объекта, для чего предварительно разбивают контролируемую поверхность на отдельные элементы и выбирают аппроксимирующую функцию в виде, например, равномерного распределения температуры на отдельном элементе.
Существо предлагаемого способа и возможность достижения положительного результата подтверждается следующими данными. Имеются вещества, которые изменяют свои цвето-яркостные свойства при изменении температуры и которые можно использовать в качестве термоиндикаторов [9]. Среди них можно выделить три основных типа термоиндикаторов: 1) вещества, которые расплавляются при определенной температуре; 2) вещества, изменяющие цвет при достижении определенной температуры, называемой критической температурой или температурой перехода; 3)люминесцирующие вещества, цвет свечения которых или яркость зависит от температуры.
2
4
2
В качестве термочувствительных веществ можно, например, использовать следующие [9]: AgHGI, критическая температура 50°C, цвет меняется от желтого к темнокоричневому; NH4VO3, критическая температура 240°C, цвет меняется от белого к черному; PbS+4BaO; критическая температура 340°C, цвет меняется от черного к белому. При использовании смеси термочувствительных веществ возможно многократное изменение цвета - свыше 10 изменений. Диапазон изменения температур, которые могут быть определены термоиндикаторами лежат в диапазоне +30°C…+1600°C. Паспортная точность термоиндикаторов составляет ±2°C…±5°C, что вполне достаточно для требуемой оценки температуры для последующих расчетов деформаций. Возможно использование как необратимых, так и обратимых термоиндикаторов, которые могут изменять цвет как в одну, так и в другую сторону изменения температуры.
Термоиндикаторы, которые можно использовать для определения температуры объекта представляют собой лаковые пленки. Сцепление между покрытием и объектом контроля происходит за счет сил адгезии. Термоиндикаторы должны изменять цвет по достижению температуры объекта заданной величины температурного перехода, которая должна быть достаточно стабильной; при этом необходимо иметь экспериментально установленную калибровочную зависимость, связывающую параметры цветового и температурного полей.
Контроль осуществляется следующим способом. Вещество термоиндикатора наносят на поверхность контролируемого объекта тонкими слоями, которые образуют лакокрасочные покрытия. При изменении температуры поверхности изменяется цвет термоиндикатора (фиг.1). Изменение цвета регистрируют с помощью оптических цифровых систем, в частности цифровых телевизионных метем [10]. По зарегистрированной цветовой картине с помощью предварительно полученных калибровочных графиков определяют температуру наблюдаемых областей контролируемого объекта.
Определение деформаций связанных о распределением температур отдельных частей объекта как на поверхности контролируемого объекта, так и во внутренних областях выполняется с использованием метода конечного элемента (МКЭ) [11].
Наблюдаемую поверхность разбивают на отдельные элементы, для каждого из которых выбирают вид аппроксимирующей функции, например, в виде равномерного распределения температуры на выделенном участке. Затем, используя известные МКЭ приемы для расчета температурных полей в трехмерных конструкциях (например, программу теплотехнического расчета «Temper-3D», подходы, позволяющие оценить теплопередачу [11], методы вычислительной механики разрушения [12] и универсальную программу ANSYS в системе МКЭ анализа [13], получаем искомое поле деформаций контролируемого объекта возможность образования трещин в объекте контроля [14].
Таким образом, предлагаемый способ диагностики позволяет уменьшить риск аварии промышленных объектов, поскольку позволяет выявить области, в которых материал объекта претерпел существенную деформацию и приблизился к предельному состоянию или превзошел его. Способ имеет следующие преимущества:
- позволяет оперативно, бесконтактно и дистанционно выявить опасные зоны объекта, которые потенциально являются очагами чрезмерных пластических деформаций и возникновения макротрещин;
- является высокооперативным методом, обладающим малыми погрешностями определения опасных зон;
- позволяет автоматизировать процессы измерения и обеспечивает возможность использования мониторинговых подходов в съемке и обработке информации;
- обладает высокой производительностью диагностики предельных состояний контролируемого объекта:
- имеет высокую информативность при выполнении диагностических операций и обработки полученной информации.
1. Способ диагностики эксплуатационного состояния промышленного объекта, включающий определение деформации материала объекта, находящегося в рабочем состоянии, заключающийся в том, что на поверхность контролируемого объекта наносят термочувствительное вещество, которое изменяет свой цвет при изменении температуры объекта, отличающийся тем, что по изменению цвета термочувствительного вещества, зарегистрированному с помощью цифровых оптических средств, и, используя предварительно полученные номограммы, регистрируют распределение температур на поверхности контролируемого объекта, на основании которого выполняют расчет напряженно-деформированного состояния, выделяют зоны повышенных напряжений и деформаций для дальнейшего мониторинга указанных зон.
2. Способ диагностики эксплуатационного состояния промышленного объекта по п.1, отличающийся тем, что регистрацию распределения температур дополнительно производят с использованием тепловизионных измерителей, усредняют результаты полученные при оптической и тепловизионной регистрации распределения температур и выполняют расчет напряженно-деформированного состояния объекта.
3. Способ диагностики эксплуатационного состояния промышленного объекта по п.п.1 или 2, отличающийся тем, что расчет напряженно-деформированного состояния объекта осуществляют с применением метода конечных элементов к зарегистрированному распределению температур по поверхности объекта, для чего презрительно разбивают контролируемую поверхность на отдельные элементы и выбирают аппроксимирующую функцию в виде, например, равномерного распределения температуры на отдельном элементе.
Литература
1. Партон В.З. Механика разрушения: От теории к практике. - М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. Лит., 1990. 240 с.
2. Коваленко А.Д. Основы термоупругости. - Киев: Наукова думка. 1970, - 308 с.
3. Гусенков А.П. Прочность при изотермическом и неизотермическом нагружении. - М.: Наука, 1979.295 с.
4. Махутов Н.А., Пермяков В.Н. Ресурс безопасной эксплуатации сосудов и трубопроводов. - Новосибирск: Наука, 2005. - 516 с.
5. Авторское свидетельство №1262267. Способ определения механических напряжений растяжения. В.П.Зубов, Е.С.Шаньгин. Бюллетень изобретений №37, 07.10.86.
6. Пригоровский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений. Справочник. М, Машиностроение, 1983, 248 с.
7. Васильев И.Е., Иванов В.И., Махутов Н.А, Ушаков Б.Н Патент на изобретение №2403564, Устройство для диагностики предельного состояния и раннего предупреждения об опасности разрушения материалов и изделий.
8. http://www.zetms.ru/support/articles/tenzo/tenzo_theory.php
9. Абрамович Б.Г. Термоиндикаторы и их применение. Химия и Химики, 2008, №5, с.19-64.
10. Соснин Ф.Р. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. Ред. В.В.Клюева. T.1, Кн.1: Визуальный и измерительный контроль. - М.: Машиностроение, 2003. 560 с.
11. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. - М.: Едиториал-УРСС, 2002.
12. Сиратори М., Миеси Т., Мацусита X. Вычислительная механика разрушения. - М.: Мир, 1986. - 334 с.
13. Басов К.A. ANSYS и LMS Virtual Lab. Геометрическое моделирование - М.: ДМК Пресс, 2006. - С.240.
14. Монастырский А.В., Смыков А.Ф.Особенности моделирования возникновения трещин в отливках на примере СКМ ЛП «ПолигонСофт». Литейное производство. - 2010, - №12. - С.12-14.