[1]Область техники, к которой относится изобретение
[2]Изобретение относится к способам испытаний состояния изделий в рамках системы контроля качества, в том числе планово-предупредительных ремонтов, в частности для оценки показателей качества изделия по результатам неразрушающего контроля герметичности. Изобретение может применяться в атомной и традиционной энергетике, судостроении, нефтехимии, в других областях техники и машиностроения, где применяют теплообменники и/или теплообменные трубы.
[4]Из уровня техники известно большое число способов проведения контроля герметичности.
[5]Из уровня техники известен способ контроля герметичности, состоящий в использовании текучей среды для обнаружения места утечки (Лукасевич Б.И. и др. «Парогенераторы реакторных установок ВВЭР для атомных электростанций», М., 2004 г.).
[6]В качестве наиболее близкого аналога выбран способ проведения контроля герметичности, раскрытый в источнике информации ПРАВИЛА И НОРМЫ В АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ. «Контроль герметичности. Газовые методы», ПНАЭГ-7-019-89. Известный способ контроля герметичности основан на применении пробных веществ и регистрации их проникновения через дефекты в конструкции при помощи визуального наблюдения и/или различных приборов-течеискателей и других средств регистрации пробного вещества. Недостатком данного способа является ограниченная чувствительность и достоверность выявляемых дефектов.
[8]Задача, которую решает данное изобретение, состоит в повышении эксплуатационных качеств изделий на основе повышения достоверности выявления сквозных дефектов эксплуатационной природы типа трещин усталости, коррозионного растрескивания под напряжением, технологических дефектов с малым раскрытием типа закалочных, сварочных или других трещин или трещиноподобных дефектов.
[9]Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в том, что оно позволяет осуществлять контроль качества изделия на стадии выходного заводского контроля или во время эксплуатации изделия с более высоким качеством и надежностью, что позволит своевременно выявить опасные сквозные дефекты и выполнить ремонт изделия по результатам этого контроля.
[10]Указанная выше совокупность технических результатов достигается тем, что способ повышения достоверности контроля герметичности изделий состоит в том, что определяют действующее во время эксплуатации напряжение σэ в изделии, определяют максимально допустимое напряжение в изделии σдоп, нагружают изделие и создают в нем напряжение величиной от 1,25σэ до 0,97σдоп, сбрасывают нагрузку полностью и проводят контроль герметичности изделия.
[11]Отличительной чертой данного способа является то, что перед проведением контроля изделие нагружают нагрузкой, достаточной для раскрытия гипотетического дефекта типа трещины в месте контроля, до величины, которая обеспечила бы лучшее проникновение газа или жидкости через сквозной дефект и таким образом повысила выявляемость дефектов.
[12]Краткое описание чертежей
[13]На ФИГ.1 показан пневмогидравлический (аквариумный) метод контроля герметичности изделия.
[14]На ФИГ.2 показана схема напряжений у концов трещины при растяжении в пластине из упругопластического материала в ненагруженном (а) и нагруженном состоянии (б).
[15]На ФИГ.3 показано раскрытие δ в вершине и раскрытие ν в середине трещины длиной 2с под действием напряжений σ и давления р.
[16]На ФИГ.4 показана сквозная трещина в трубе, расположенная вдоль оси трубы.
[17]На ФИГ.5 приведена диаграмма, иллюстрирующая повышение достоверности пневмогидравлического метода контроля герметичности теплообменных трубок парогенераторов АЭС при контроле в соответствие с прототипом и в соответствие с настоящим способом.
[18]Осуществление изобретения
[19]Необходимость неразрушающего контроля трубопроводов и сосудов давления особенно очевидна во многих отраслях промышленности, например в тепловой и атомной энергетике при эксплуатации атомных и тепловых электростанций, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, а также в отраслях техники, где используют теплообменники. В указанных отраслях к деталям предъявляются особенно высокие требования по прочности, надежности и долговечности соответствующих соединений ввиду жестких условий эксплуатации. Контроль герметичности конструкций и их узлов проводится в целях выявления течей, обусловленных наличием сквозных трещин, непроваров, прожогов и т.п. в сварных соединениях и металлических материалах.
[20]Контроль герметичности основан на применении пробных веществ и регистрации их проникновения через дефекты в конструкции при помощи визуального наблюдения и/или различных приборов-течеискателей и других средств регистрации пробного вещества.
[21]В зависимости от свойств пробного вещества и принципа его регистрации контроль проводится газовыми или жидкостными методами, каждый из которых включает в себя ряд способов, различающихся технологией реализации данного принципа регистрации пробного вещества. При этом в зависимости от применяемого способа при контроле герметичности определяется место расположения течи или суммарное натекание (степень негерметичности).
[22]Величина течи или суммарного натекания оценивается потоком воздуха через дефект или все дефекты. Под системой контроля понимается сочетание определенных способа и режимов контроля и способа подготовки изделия к контролю.
[23]Пороговая чувствительность системы контроля характеризуется величиной минимальных выявляемых течей или суммарного натекания. Пороговая чувствительность определяет уровень достоверности контроля и вероятность выявления дефекта.
[24]Из механики разрушения известно, что при приложении нагрузки к упругопластическому телу с трещиной, величина которой такова, что в теле возникают напряжения ниже предела текучести, тем не менее, в вершине трещины возникают пластические (то есть необратимые) деформации. После снятия нагрузки тело восстанавливает свою форму, за исключением зон вершины трещины, что обеспечивает остаточное раскрытие трещины после снятия нагрузки на тело.
[25]Остаточное раскрытие трещины тем выше, чем выше напряжение, созданное в теле с трещиной, так как величина раскрытия δ в устье трещины (ФИГ.2) равна (см., например, Панасюк В.В. Предельные равновесия хрупких тел с трещинами, Киев, Наукова думка, 1968 г.):
[26]δ=(8RP0,2C)/πE ln [secπσ/(2RP0,2)],
[27]где RP0,2 - предел текучести, Е - модуль упругости, С - полудлина трещины, σ - действующее напряжение.
[28]Далее рассмотрено состояние и недостаток существующих методов контроля герметичности на примере пневмогидравлического (аквариумного) метода контроля трещин и трещиноподобных сквозных дефектов.
[29]Пневмогидравлический метод контроля применяют для обнаружения сквозных дефектов. Суть метода заключается в том, что с одной стороны трубы создают давление газа (или воздуха), а с другой находится прозрачная жидкость (например, вода) (ФИГ.1). Если в трубе или другом сосуде давления имеется сквозной дефект, то в жидкости возникают пузырьки газа, по которым и определяют местоположение сквозного дефекта.
[30]Достоверность (вероятность выявления) пневмогидравлического метода контроля зависит от размеров сквозного дефекта и от давления р воздуха, под которым находится воздух.
[31]Если дефектом является трещина, то величина ν ее раскрытия зависит от ее длины с и от рабочего давления в трубе рраб (давление во время эксплуатации), которое создает напряжение в районе трещины σэ.
[32]Под действием внешнего давления рвозд трещина уменьшает раскрытие и достоверность метода уменьшается. При проведении контроля герметичности известными способами отсутствуют действия, направленные на увеличение раскрытия трещины (дефекта) (см., в частности, ГОСТ 3242-79 «Соединения сварные. Методы контроля качества»).
[33]В реальных изделиях вероятность выявления сквозных дефектов пневмогидравлическим методом находится в пределах от 0 до 50-60%, что подтверждается случаями протечек через сквозные дефекты после выполнения вихретокового контроля и пневмогидравлического контроля и глушения всех трубок с размерами дефектов, превышающими 70% от толщины стенки. Однако после пуска парогенераторов в эксплуатацию наблюдаются протечки через сквозные дефекты.
[34]Таким образом, повышение выявляемости сквозных дефектов металлов деталей и изделий современных технических объектов является актуальной задачей.
[35]До начала эксплуатации и во время эксплуатации ответственных изделий, например, в области атомной энергетики, в соответствие с нормативными документами, проводят неразрушающий контроль состояния изделий. При этом в эксплуатации, как правило, при каждом контроле, выявляют дефекты или технологической природы, или эксплуатационной. Это происходит в основном из-за недостаточной достоверности неразрушающего контроля, в том числе и методов контроля герметичности.
[36]Способ повышения достоверности контроля герметичности состоит в том, что перед проведением контроля герметичности изделие нагружают нагрузкой, достаточной для раскрытия гипотетического дефекта типа трещины в месте контроля до величины, которая обеспечила бы более высокую выявляемость сквозного дефекта типа трещины.
[37]Способ повышения достоверности контроля герметичности изделий, состоящий в том, что определяют действующее во время эксплуатации напряжение σэ в изделии. Это напряжения можно определить из поверочного расчета прочности, который в обязательном порядке выполняется для ответственных изделий.
[38]Далее определяют максимально допустимое напряжение в изделии σдоп. Эти напряжения, как правило, также можно взять из поверочного расчета прочности изделия. В случае отсутствия поверочного расчета, предельно допустимое напряжение можно определить из нормативного документа по расчетам на прочность, где нормируются коэффициенты запаса прочности. Например, в атомной энергетике действуют Нормы расчета на прочности оборудования и трубопроводов атомных установок ПНАЭГ-7-002-86, в которых для мембранных напряжений установлено допускаемое напряжение σэ как меньшее из двух величин:
[39]RP0,2/nт или Rm/nm, где nт - запас по пределу текучести, nm - запас по пределу прочности Rm.
[40]После этого нагружают изделие и создают в нем напряжение величиной от 1,25σэ до 0,97σдоп. Выбор такого диапазона объясняется, с одной стороны, необходимостью увеличения раскрытия трещин, с другой стороны, рисками разрушения материала изделия.
[41]Экспериментальным путем установлено, что при напряжении, меньшем 1,25σэ, не все дефекты увеличиваются на достаточную для обнаружения величину. С другой стороны при напряжении, превышающем 0,97 σдоп, слишком высока вероятность разрушения материала изделия.
[42]После нагружения изделия сбрасывают нагрузку полностью и проводят контроль герметичности изделия.
[43]По результатам контроля выполняют ремонт выявленных дефектов.
[44]Изобретение иллюстрируется следующим примером.
[45]Имеются трубки из стали аустенитного класса, геометрические размеры которых показаны на ФИГ.4. Во время эксплуатации в трубках появились трещины, в том числе и сквозные (ФИГ.4). Рабочее напряжение в трубках создается внутренним давлением 8МПа и в соответствие с формулой Лапласа равно 8 МПа × 7,5 мм/1,5 мм = 40 МПА, предельно допустимое напряжение равно 120 МПА (определили из соотношения: Rp0,2/пт=180 МПа/1,5).
[46]При этом раскрытие сквозного дефекта длиной 10 мм составляет после снятия нагрузки примерно
[47]
[48]После того как провели нагружение трубок внутренним давлением 24 МПа (напряжение в трубках - 24 МПа × 7,5 мм/1,5 мм = 120 МПа), остаточное раскрытие трещины увеличилось и составило примерно
[49]δ=8∗180∗5/3,14∗2∗10Е5∗ln[1|cos(3,14∗120/2∗180)]=0,0067 мм,
[50]то есть увеличилось примерно в 10 раза.
[51]При приложении внешнего давления к трубкам, равного 2 МПа, раскрытие трещины уменьшилось на величину 0,0012 мм (2v=2σ×С/Е=2×0,0006 мм = 0,0012 мм), то есть при использовании прототипа предлагаемого метода трещины длиной 10 мм и менее закрылись и не могли быть обнаружены. При предварительном нагружении избыточным давлением остаточное раскрытие трещины длиной 10 мм составило 0,0067-0,0012=0,0055 мм, что обеспечило их полную выявляемость (ФИГ.5). То есть вероятность выявления сквозных дефектов существенно увеличилась и достигла практически 100%.
[52]После завершения контроля по результатам контроля выполнили ремонт дефектных трубок.
