Способ оценки остаточного ресурса конструкций теплообменного аппарата
METHOD OF ESTIMATING RESIDUAL LIFE OF HEAT EXCHANGER STRUCTURES

Заявленное изобретение относится к области неразрушающего контроля и технической диагностики конструкций теплообменных аппаратов (ТА) с использованием акустической эмиссии (АЭ), преимущественно кожу-хотрубных ТА, периодически эксплуатирующихся в условиях пониженных температур в связи с возможными отклонениями от нормальных условий эксплуатации, т.е. преимущественно ТА в составе холодильных установок или систем.
Анализ существующего уровня техники в указанной области показал, что известны методики продления остаточного ресурса сосудов, аппаратов, трубопроводов, резервуаров (РД 03-421-01 «Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов»; РД 09-244-98 «Инструкция по проведению диагностирования технического состояния сосудов, трубопроводов и компрессоров промышленных аммиачных холодильных установок»; РД 26.260.12-99 «Продление срока службы резервуаров для жидкой двуокиси углерода. Методические указания»; РД. 260.004-91 «Прогнозирование остаточного ресурса оборудования по изменению параметров его технического состояния при эксплуатации»), включающие оценку информации о нагруженности и поврежденности конструкций оборудования. Указанные методики позволяют оценить ресурс конструкций оборудования с учетом коррозии, эрозии, воздействия циклических нагрузок, изменения механических характеристик, ползучести материала, возможности растрескивания и хрупкого разрушения.
Недостатком указанных методик является невозможность оценки влияния на ресурс оборудования дефектов в виде локальной деформации конструкций. В свою очередь, наличие таких дефектов в трубках ТА в составе холодильных установок описывается в исследовании (Спирягин, В.В. Анализ технического состояния металлоконструкций систем охлаждения ракетной техники, способов оценки и продления сроков их службы / В.В. Спирягин // Деформация и разрушение материалов и наноматериалов: сборник материалов VII Международной конференции / ИМЕТ РАН. - М., 2017. - с. 742-744). В исследовании (Спирягин, В.В. Исследование напряженно-деформированного состояния медных труб при их развальцовке в отверстия трубных решеток теплообменных аппаратов и воздействии эксплуатационных нагрузок /В.В. Спирягин, И.А. Меделяев, И.В. Кобзев, Н.И. Кончаков // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2019. - Т. 20. - №3. - С. 134-141.) выявлено, что локальная деформация трубок ТА в месте сопряжения с трубной решеткой является следствием совокупности нарушения технологии производства (некачественная вальцовка) с отклонением режимов эксплуатации от нормативных (аномальное падение давления кипения хладагента), приводящей к попаданию в несплошности между трубкой и трубной решеткой (участки трубки с отклонением от первоначально заданной геометрической формы) и циклическому замораживанию и размораживанию рабочего продукта. Одним из проявлений отклонения режимов эксплуатации от нормативных является образование снежной шубы на крышке ТА со стороны всасывающей магистрали фреона, а также обледенение терморегулирующих вентилей (Котза-огланиан, П. Пособие для ремонтника. Справочное руководство по монтажу, эксплуатации, обслуживанию и ремонту современного оборудования холодильных установок и систем кондиционирования / П. Котзаогланиан. - М.: Остров, 2007. - 826 с).
Выявление представленных дефектов и оценка влияния их наличия на работоспособность и ресурс оборудования возможно в условии применения высокоточных методов неразрушающего контроля, в частности метода АЭ.
Известен способ неразрушающего контроля качества деталей (RU №2293304, 2007 г.), заключающийся в том, что несколько эталонных деталей, в наиболее напряженной зоне которых имеются дефекты с предельно допускаемыми размерами, нагружают ступенчато, сначала в упругой, а затем в упругопластической областях деформирования с проведением акустико-эмиссионного контроля и измерением плотностей энергии шумов в зоне расположения дефектов и вычислением их средних значений на каждой ступени нагружения. Определяют среднее значение нагрузки, достигнутой при наибольшем прогибе, затем испытывают на выносливость и определяют число циклов до разрушения с доверительной вероятностью а при нагрузке, превышающей предел выносливости базовых деталей. Статическое нагружение контролируемых деталей осуществляют аналогично эталонным деталям с определением плотностей энергии шумов в упругой и упругопластической областях деформирования, а также статической прочности, и при заданных условиях вычисляют усталостный параметр годности деталей.
Недостатком указанного способа является то, что он не позволяет оценить влияние на ресурс ТА дефектов в виде локальной деформации конструкций, а направлен на регистрацию трещиновидных дефектов, влияющих на усталостную долговечность деталей. Также для его реализации необходимы длительные и трудоемкие предварительные испытания образцов: на первом этапе статическое ступенчатое нагружение с контролем методом АЭ, на втором - испытания на выносливость.
Наиболее близким по своей сущности к предлагаемому способу является способ определения остаточного ресурса изделия (RU №2348917, 2009 г.), заключающийся в том, что для изделия и образцов из его материала неразрушающим методом оценивают предельные напряжения, образцы разрушают при длительном нагружении с разными уровнями напряженного состояния, выясняют зависимость времени до разрушения от отношения действующего напряжения к предельному и по этим результатам судят о времени до разрушения изделия при заданном режиме его нагружения, отличающийся тем, что образцы и изделие периодически плавно разгружают, фиксируют время или число наработанных циклов, регистрируют АЭ перед окончанием разгрузки, при наличии такой эмиссии определяют для изделия значение максимальной неразрушающей нагрузки, а при отсутствии АЭ остаточный ресурс изделия оценивают по суммарной наработке изделия. Преимуществом способа является то, что он позволяет определять время до разрушения изделий из пластичных материалов после наработки гарантированного ресурса.
Недостатком указанного способа является то, что он не позволяет оценить влияние на ресурс ТА дефектов в виде локальной деформации конструкций, а направлен преимущественно на регистрацию образования трещин и оценку способности их развития в магистральную трещину. Кроме того, для его реализации необходимы длительные и трудоемкие предварительные испытания образцов с разными уровнями напряженного состояния, сопровождающиеся периодическими разгрузками и фиксацией АЭ.
Задачей заявленного изобретения является создание способа, позволяющего оценить ресурс конструкций ТА с учетом дефектов в виде локальной деформации, не увеличивая трудоемкости и объема предварительных испытаний образцов.
Требуемый технический результат заявленного изобретения достигается сочетанием экспериментальных исследований влияния локальных деформаций конструкций ТА на значение критических нагрузок, расчета влияния указанных локальных деформаций на количество циклов замораживания и размораживания рабочего продукта, приводящих к дальнейшему увеличению деформации конструкции, принятого в качестве показателя остаточного ресурса, натурных испытаний изделий с применением акустико-эмиссионного контроля.
Сущность способа заключается в следующем. Образцы бездефектных трубок ТА и трубок ТА с предварительно нанесенными дефектами, моделирующими характерные локальные деформации, образующиеся при циклическом замораживании и размораживании рабочего продукта, испытывают внешним нагружением, контролируя пластическое деформирование методами неразрушающего контроля, позволяющими достоверно фиксировать его начало (дальнейшего развития дефекта в виде локальной деформации), преимущественно методом АЭ и тензометрии. Фиксируют характерные для начала пластического деформирования сигналы АЭ и нагрузку, при которой оно начинается, - критическую нагрузку. Критическая нагрузка для образцов с дефектами в виде локальной деформации будет меньше, чем для бездефектных образцов, что подтверждается результатами численного моделирования и экспериментов (Спирягин, В.В. Численное моделирование процесса деформации теплообменных труб под действием внешней распределенной нагрузки /В.В. Спирягин, И.А. Меделяев, И.В. Кобзев, Н.И. Кончаков // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2019. - Т. 20. - №5). Испытывают образцы трубок для исследуемого ТА, выявляют зависимость критической нагрузки от геометрических параметров дефектов и определяют критерии акустико-эмиссионного контроля пластического деформирования трубок. Рассчитывают количество циклов замораживания и размораживания рабочего продукта, приводящего к отказу, преимущественно разгерметизации, ТА в зависимости от геометрических параметров дефектов, при наличии которых проводились вышеупомянутые экспериментальные исследования. Отказ, преимущественно разгерметизация, ТА возможна вследствие развития начального дефекта при увеличении объема рабочего продукта, попадающего в участки трубок с отклонением от первоначально заданной геометрической формы в ходе циклического замораживания и размораживания в стесненных условиях сопряжения трубок и трубной решетки ТА. На этапе натурных испытаний с контролем методом АЭ проводят нагружение ТА в соответствии с требованиями нормативно-технических документов. Если по результатам акустико-эмиссионного контроля выявляют пластическое деформирование трубок, то фиксируют критическую нагрузку, по значению которой делают вывод о наличии и геометрических параметрах дефекта. Если по результатам испытаний не произошло отказа ТА вследствие разгерметизации или иного недопустимого дефекта, а выявлено только пластическое деформирование трубок ТА, то определяют остаточный ресурс - количество циклов замораживания и размораживания рабочего продукта, которое в ходе дальнейшей эксплуатации в соответствии с ранее проведенным расчетом приведет к отказу ТА. Если в ходе испытаний не выявлены дефекты в виде локальной деформации, то остаточный ресурс определяется по другим известным методикам в соответствии с требованиями нормативно-технических документов на ТА.
Сравнительный анализ показал, что изобретение отличается от наиболее близкого по технической сущности способа определения остаточного ресурса изделия (RU №2348917, 2009 г.), в первую очередь, тем, что критическую нагрузку в ходе предварительных экспериментальных исследований оценивают с учетом геометрических параметров дефектов в виде локальной деформации конструкций ТА, а остаточный ресурс в случае выявления пластического деформирования конструкций ТА при заданном режиме его нагружения в ходе натурных испытаний определяют по расчету количества циклов замораживания и размораживания рабочего продукта, приводящего к отказу ТА при развитии дефектов в виде локальной деформации конструкций.
Проведенные патентные исследования не выявили способов, ставших общедоступными в мире до даты приоритета изобретения и характеризующихся заявляемой совокупностью признаков, следовательно, можно предположить, что изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Требуемый технический результат достигается всей вновь введенной совокупностью существенных признаков, в частности, учетом влияния дефектов в виде локальной деформации конструкций на критическую нагрузку при экспериментальном испытании образцов и на остаточный ресурс при расчете, а также выражении показателя остаточного ресурса в виде количества циклов замораживания и размораживания рабочего продукта ТА, приводящих к развитию дефекта конструкций и последующему отказу ТА. Приведенная совокупность существенных признаков не была обнаружена в известной патентной и научно-технической литературе, не следует явным образом для специалиста из уровня техники, что свидетельствует о соответствии заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень».
Сущность способа поясняется чертежами, на которых показаны:
на фиг. 1 - участок сопряжения трубной решетки 1 ТА с трубкой 2, имеющей дефект 3 в виде локальной деформации, развитие которого вследствие циклического замораживания и размораживания рабочего продукта ТА в объеме дефекта приводит к отказу ТА, преимущественно разгерметизации (например, выходу дефекта на внешнюю сторону трубной решетки 1 или предельному смятию трубки 2);
кр
ост
на фиг. 2 - пример сводного графика для оценки остаточного ресурса конструкций ТА: кривая А - зависимость критической нагрузки Р от геометрического параметра и дефекта трубки ТА; кривая Б - зависимость остаточного ресурса (циклов замораживания и размораживания рабочего продукта N) от геометрического параметра и дефекта трубки ТА; линии 1, 2, 3 - последовательность действий для оценки остаточного ресурса с учетом перехода между упомянутыми зависимостями.
Способ может быть осуществлен следующим образом.
а
1. На первом этапе подготавливают справочные данные для конструкций исследуемого ТА: трубок определенного диаметра, толщины, из определенного материала. Определяют характерное соотношение геометрических параметров (длина , ширина b, прогиб u) дефекта в виде локальной деформации (фиг. 1), образующегося при циклическом замораживании и размораживании рабочего продукта, преимущественно расчетным методом (наиболее опасный дефект для данной конструкции) или используя статистические сведения (наиболее часто выявляемый дефект для данной конструкции). Проводят лабораторные испытания образцов бездефектных трубок ТА и трубок ТА с предварительно нанесенными дефектами, моделирующими характерные локальные деформации, контролируя развитие дефекта методами неразрушающего контроля, позволяющими достоверно фиксировать начало пластического деформирования трубки, преимущественно методом АЭ и тензометрии. Трубки ТА подвергают внешнему гидравлическому или пневматическому нагружению, используя, например, акустико-диагностическую установку (RU №178291, 2018 г.) и бронекамеру с целью обеспечения безопасности испытаний, до получения сигналов от тензодатчиков о начале деформирования трубки, фиксирую при этом характерные сигналы АЭ и нагрузку, при которой деформирование начинается, - критическую нагрузку. Испытывают образцы всех видов и типоразмеров трубок для исследуемого ТА, создают базу данных зависимости критической нагрузки от наличия дефектов и определяют критерии акустико-эмиссионного контроля пластического деформирования трубок. Строят график зависимости критической нагрузки от геометрического параметра дефекта трубки ТА, например, кривая А на фиг. 2. Критерии акустико-эмиссионного контроля выбираются в соответствии с требованиями нормативно-технических документов, например (ПБ 03-593-03 «Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов»).
а
2. На втором этапе рассчитывают количество циклов замораживания и размораживания рабочего продукта, приводящего к отказу ТА, преимущественно разгерметизации (например, выходу дефекта на внешнюю сторону трубной решетки 1 на фиг. 1, или предельному смятию трубки 2 на фиг. 1), в зависимости от наличия и геометрических параметров начальных дефектов. Расчет проводится, например, с использованием программного продукта (Программа моделирования потери работоспособности испарителя. Заявка на регистрацию программы для ЭВМ №2019614147 от 16.04.2019 г.), исходными данными являются соотношение геометрических параметров дефектов (, b, u, фиг. 1), физическая характеристика рабочего продукта, подвергающегося замораживанию и размораживанию (соотношение изменения объема продукта при изменении его агрегатного состояния из жидкого в твердое). Так, например, известно, что вода при замораживании изменяется в объеме в 1,1 раза. По результатам расчета строят график зависимости остаточного ресурса (в циклах замораживания и размораживания рабочего продукта) от геометрического параметра дефекта трубки ТА, например, кривая Б на фиг. 2.
3. На третьем этапе проводят натурные испытания ТА с контролем методом АЭ, в ходе которых ТА нагружают испытательной нагрузкой в соответствии с требованиями нормативно-технических документов. Если по результатам акустико-эмиссионного контроля выявляют пластическое деформирование трубок, то фиксируют критическую нагрузку, по значению которой делают вывод о геометрических параметрах дефекта. Например, в ходе испытаний выявлены акустико-эмиссионные сигналы, позволяющие идентифицировать пластическое деформирование трубок ТА, фиксируется значение критической нагрузки, при котором упомянутые сигналы выявлены - 5 МПа, определяется соответствующее значение дефекта в виде локальной деформации трубки - дефект с прогибом 6 мм для наиболее опасного сочетания его геометрических параметров (линия 1 на фиг. 2). Линия 2 на фиг. 2 является связующим этапом, позволяющим осуществить переход от зависимости А к зависимости Б. Если по результатам испытаний не произошло отказа ТА вследствие разгерметизации или иного недопустимого дефекта, а выявлено только пластическое деформирование конструкций в зоне локальной деформации, то определяют остаточный ресурс - количество циклов замораживания и размораживания рабочего продукта, которое в ходе дальнейшей эксплуатации в соответствии с ранее проведенным расчетом приведет к отказу ТА. Так, например, локальная деформация трубки с прогибом 6 мм для наиболее опасного сочетания геометрических параметров дефекта принимается за исходный дефект, если эксплуатация ТА и в дальнейшем осуществляется при циклическом замораживании и размораживании рабочего продукта в зоне локальной деформации, то отказ ТА, предположительно разгерметизация (например, выход дефекта на внешнюю сторону трубной решетки или предельное смятие трубки), произойдет после 22 циклов замораживания и размораживания рабочего продукта (линия 3 на фиг. 2). Если в ходе испытаний не выявлены дефекты в виде локальной деформации, то остаточный ресурс определяется по другим известным методикам в соответствии с требованиями нормативно-технических документов для ТА.
Возможность осуществления заявляемого способа подтверждается использованием для его реализации средств, известных до даты приоритета, в том числе на уровне их функционального обобщения, и проведенными экспериментальными исследованиями его применимости на примере медных трубок ТА. Таким образом, изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».
Проведенная оценка остаточного ресурса конструкций ТА может быть учтена при организации дальнейшей эксплуатации. Так, ТА с выявленными дефектами трубок (в условиях отсутствия дефектов за пределами норм браковки) может еще эксплуатироваться по назначению с учетом устранения причин циклического замораживания и размораживания рабочего продукта ТА либо осуществления строгого контроля количества указанных циклов (например, установкой температурных датчиков) для максимального использования ресурса конструкций с учетом соблюдения требований безопасности.
Заявленный способ позволяет решить задачу оценки ресурса конструкций ТА с учетом дефектов в виде локальной деформации, не увеличивая трудоемкости и объема предварительных испытаний образцов по сравнению с прототипом и аналогами.