Основы диагностики

Содержание лекций № 1 - 3 (Основы диагностики) 1. НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ И ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ..................................................................................................... 5 1.1. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ НК И ТД ........................................................................... 7 1.2. ВЗАИМОСВЯЗЬ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО И ТЕХНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ С ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКОЙ ................................................................... 21 1.3. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К МЕТОДАМ НК И ТД ................................................. 22 1.4. КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ НК И ТД .......................................................... 25 1.5. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ДЕФЕКТОВ....................................................................... 25 1.6. ВИДЫ ОБЪЕКТОВ И ИХ ДЕФЕКТОВ ................................................................ 26 2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ............. 32 2.1. ВИДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ........................ 34 2.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ........................... 37 3. ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ........ 48 3.1. МЕТОДЫ И МОДЕЛИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ..................................... 48 3.2. ПАРАМЕТРЫ ТЕХНИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ..................................................... 50 3.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ. ............................................ 53 3.4. ВЫБОР ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ...................................................... 54 3.5. ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ .................................. 58 3.6. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ.............. 60 4. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОБЪЕКТОВ ..................................... 62 4.1. АНАЛИТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ. ......................................................................... 62 4.2. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ. ................................................ 63 4.3. ЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ. ................................................................................ 64 4.4. ГРАФЫ ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННЫХ СВЯЗЕЙ................................................ 65 4.5. ВЫБОР ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ. .................................................. 65 5. ОЦЕНКА СВОЙСТВ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ ............... 66 5.1. ПОНЯТИЕ ЭНТРОПИИ ................................................................................... 66 5.2. ИНФОРМАТИВНОСТЬ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ ................................ 67 5.3. ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ ................ 71 5.4. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ ................................ 72 5.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛНОТЫ КОНТРОЛЯ И ГЛУБИНЫ ПОИСКА ОТКАЗОВ ............ 73 6. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ....................................................... 81 6.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ..................................... 81 6.2. ВИБРОАКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ..................... 94 6.3. МЕТОД АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ .............................................................. 99 7. ВЫБОР МЕТОДОВ НК И ТД ................................................................ 118 7.1. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ НК И ТД ........ 121 7.2. ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОМПЛЕКСНОГО ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ НК И ТД ....... 121 8. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ СИСТЕМЫ КВАЛИФИКАЦИИ СПЕЦИАЛИСТОВ НК И ТД ............................................ 123 8.1. ТРЕБОВАНИЯ К СПЕЦИАЛИСТУ I УРОВНЯ ПО НК И ТД. .............................. 123 8.2. ТРЕБОВАНИЯ К СПЕЦИАЛИСТУ П УРОВНЯ ПО НК И ТД ............................. 123 8.3. ТРЕБОВАНИЯ К СПЕЦИАЛИСТУ III УРОВНЯ ПО НК И ТД ............................ 124 8.4. ВИДЫ ЭКЗАМЕНОВ СПЕЦИАЛИСТОВ I - III УРОВНЕЙ ПО НК И ТД .............. 124 3 9. ЛИТЕРАТУРА ........................................................................................ 125 1. Неразрушающий контроль и техническая диагностика. Основные виды НК И ТД. Взаимосвязь неразрушающего и технического контроля с технической диагностикой. Общие требования к методам НК И ТД. Классификация средств НК И ТД. Основные виды дефектов. Виды объектов и их дефектов. 2. Основные понятия технической диагностики. Виды технического состояния технических систем. Характеристики надежности технических систем. 3. Основы методологии технической диагностики. Методы и модели технической диагностики. Параметры технических состояний. Характеристики параметров состояния. Выбор диагностических признаков. Общая постановка задачи диагностирования. Функциональная схема технического диагностирования. Диагностические модели объектов. Аналитические модели. Структурнофункциональные модели. Логические модели. Графы причинно-следственных связей. Выбор диагностических параметров. 4. Методы диагностирования. Классификация методов диагностирования. Виброакустический метод технической диагностики. Метод акустической эмиссии. 8. Выбор методов НК И ТД. Основные факторы экономической эффективности НК И ТД. Эффективность комплексного применения методов НК И ТД. 6. Диагностические модели объектов. Аналитические модели. Структурнофункциональные модели. Логические модели. Графы причинно-следственных связей. Выбор диагностических параметров. 5. Оценка свойств диагностических признаков. Понятие энтропии. Информативность диагностических признаков. Диагностическая ценность диагностических признаков. Чувствительность диагностических признаков. Определение полноты контроля и глубины поиска отказов. 9. Основные понятия и термины системы квалификации специалистов НК И ТД. Требования к специалисту I уровня по НК И ТД. Требования к специалисту П уровня по НК И ТД. Требования к специалисту III уровня по НК И ТД. Виды экзаменов специалистов I - III уровней по НК И ТД. 4 Лекция № 1 (Основы диагностики) 1. Неразрушающий контроль и техническая диагностика Объект контроля (ОК) – это техническое устройство, здание или сооружение подвергаемое НК. Технический контроль (ТК) – это проверка соответствия объекта установленным техническим требованиям. Как правило, он состоит из двух этапов: получения первичной информации о состоянии ОК и сопоставления ее с установленными нормами. Неразрушающий контроль (НК) – это контроль, при котором не должна быть нарушена пригодность технических устройств, зданий, сооружений в применении их к эксплуатации и является составной частью технического контроля. Дефектоскопический контроль и дефектоскопия – это одно из направлений НК, при котором осуществляется контроль качества материалов, деталей, узлов и покрытий, а так же контроль состояния скрытых элементов, механизмов, агрегатов и конструкций с помощью проникающих физических полей и химических веществ. Интроскопия - направление НК и ТД, связанное с визуализацией физических полей, прошедших или отраженных от ОК, для определения дефектов материала и состояния конструкций. В условиях эксплуатации ОК наиболее часто появляются дефекты усталости, коррозии и др. Результатом НК является установленная оценка соответствия ОК (объект контроля) предъявляемым техническим требованиям, применяемая как результат сопоставления окончательной информации об ОК с требованиями НТД. В задачу НК входит выявление возможных отклонений от установленных технических характеристик ОК. Такими отклонениями могут быть дефекты типа нарушений сплошности, изменение структуры и физикомеханических свойств материала, размеров, покрытий, соединений и т.п. Конечным результатом НК является регистрация всех обнаруженных отклонений и, по возможности, количественная оценка их параметров (координат, размеров и формы дефектов, величин, зависящих от физико-механических характеристик материала и т.п.). Отбраковка негодных изделий проводится на основе заранее установленных норм. Техническая диагностика - это область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов. Измерение — нахождение физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Испытание - экспериментальное определение количественных и качественных характеристик продукции в результате воздействия на нее при ее функционировании. В производстве и, особенно, при эксплуатации сложных ОК (самолетов, турбин, ракетных комплексов, атомных станций и других крупных сооружений и т.п.) требуется оценка их технического состояния и остаточного ресурса. Для этого необходим постоянный мониторинг и наличие методик и стан5 дартов по определению остаточного ресурса и риска эксплуатации изделий на основе экспериментальных и теоретических статистических данных. Подобный же подход используется в медицинской практике. Распознавание болезней и постановку диагноза для лечения осуществляют по известным методикам и проверенным рекомендациям посредством анализа диагностических данных врачебного осмотра, а также лабораторных, аппаратурных, химических исследований. ТД является высшим уровнем ТК и дает ответ на главнейшие вопросы: когда должна быть прекращена эксплуатация изделия и что необходимо сделать для ее продления? При проведении ТД в качестве основного средства получения информации о состоянии ОК служит ТК, основанный на результатах измерений и испытаний. Разница между ТД и ТК состоит в следующем: Технический контроль Техническая диагностика 1. Применяется в основном Объектами являются более сложные для измерения параметров агрегаты и механизмы, для которых материалов, деталей и уз- необходимо определять техническое лов конструкций состояние, остаточный ресурс и риск эксплуатации 2. Характер и размеры до- Результаты анализируются с учетом пустимых дефектов регла- влияния дефектов на работоспособментированы заранее ус- ность ОК в соответствии с конкретными методиками, программами и тановленными нормами стандартами по расчету остаточного ресурса и риска эксплуатации на основании данных ТК Метод НК – это метод контроля, при котором не должна быть нарушена пригодность объекта в применении, основанная на том или ином физическом явлении. Вид НК – условная группировка методов НК, объединенная общностью физических характеристик. Виды НК классифицируются по следующим классификационным признакам: a. по характеру полей или излучений, взаимодействующим с ОК; b. по характеру взаимодействия физических полей или веществ с ОК; c. по первичным информативным признакам; d. по способам индикации первичной информации; e. по способам представления окончательной информации. Контролепригодность – это свойство объекта, обеспечивающее возможность, удобства и надежность его контроля (диагностирования) на всех стадиях жизненного цикла. Технологическая инструкция по НК – это документ, ориентированный на решение задач НК объекта с указанием операций контроля и их параметров. Технологическая карта НК – это документ в виде карты, таблицы содер6 жащий основные данные технической документации. Заключение по результатам НК – это документ, составленный по результатам НК, содержащий информацию о выполненном контроле и его результате. Достоверность НК – это показатель НК (количественный и качественный) связанный с вероятностями принятия безошибочных решений при наличии или отсутствии дефекта. Основные параметры НК – это совокупность параметров НК, обеспечивающая выполнение установленных НТД требований по обнаружению дефекта, измерению параметров дефекта и оценки влияния дефектов на объект. Специалист в области НК – это сотрудник, допущенный к выполнению НК зданий, технических устройств, сооружений (на опасных производственных объектах). 1.1. Основные виды НК и ТД По ГОСТ Р 56542-2015 "Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов" [52] неразрушающий контроль, в зависимости от физических явлений, положенных в его основу, подразделяется на: 3.1 Виды неразрушающего контроля 3.1.1 вид неразрушающего контроля: Группа методов неразрушающего контроля, объединенных общностью физических явлений, положенных в его основу. 3.1.2 акустический неразрушающий контроль: Вид неразрушающего контроля, основанный на анализе параметров упругих волн, возбуждаемых и (или) возникающих в контролируемом объекте. Примечание - При использовании возбуждаемых упругих волн ультразвукового диапазона частот (выше 20 кГц) допустимо применение термина "ультразвуковой" вместо термина "акустический". 3.1.3 виброакустический неразрушающий контроль: Вид неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров виброакустического сигнала, возникающего при работе контролируемого объекта. 3.1.4 вихретоковый неразрушающий контроль: Вид неразрушающего контроля, основанный на анализе взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в контролируемом объекте. 3.1.5 магнитный неразрушающий контроль: Вид неразрушающего контроля, основанный на анализе взаимодействия магнитного поля с контролируемым объектом. 3.1.6 неразрушающий контроль проникающими веществами: Вид неразрушающего контроля, основанный на проникновении веществ в полости дефектов контролируемого объекта. Примечание - При визуальном осмотре поверхностных дефектов термин "проникающими веществами" может быть изменен на "капиллярный", а при выявлении сквозных дефектов - на "течеискание". 7 3.1.7 оптический неразрушающий контроль: Вид неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров оптического излучения после взаимодействия с контролируемым объектом или собственного оптического излучения исследуемого объекта. 3.1.8 радиационный неразрушающий контроль: Вид неразрушающего контроля, основанный на анализе параметров проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия с контролируемым объектом. Примечание - В наименовании видов контроля слово "радиационный" может быть заменено словом, обозначающим конкретный метод ионизирующего излучения (например, рентгеновский, нейтронный и т.д.). 3.1.9 радиоволновой неразрушающий контроль: Вид неразрушающего контроля, основанный на регистрации изменений параметров электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующих с контролируемым объектом. 3.1.10 тепловой неразрушающий контроль: Вид неразрушающего контроля, основанный на анализе параметров тепловых полей контролируемых объектов, вызванных дефектами. 3.1.11 электрический неразрушающий контроль: Вид неразрушающего контроля, основанный на анализе параметров электрического поля или электрического тока, взаимодействующих с контролируемым объектом или возникающими в контролируемом объекте в результате внешнего воздействия. 1. Контроль неразрушающий акустический. Методы [3, 8]: a. ультразвуковой (УК); b. акустико-эмиссионный (АЭ); c. вибрационно-диагностический (вибродиагностический) (ВД)[19, 29]; d. другие (всего 50 видов (методов); 2. Виброакустический; 3. Контроль неразрушающий вихретоковый (ВК) [10]; 4. Контроль неразрушающий магнитный (МК) [4]: a. Метод магнитной памяти металла; b. Магнитоферрозондовый метод; 5. Контроль неразрушающий оптический. Методы оптического вида [12]. 6. Контроль неразрушающий проникающими веществами. Методы [13]: a. капиллярный (ПВК), b. течеискание (ПВТ); 7. Контроль неразрушающий радиационный (РК) [9]; 8. Контроль неразрушающий радиоволновой. Методы радиоволнового вида [6, 14]. 9. Контроль неразрушающий тепловой (ТК). Методы теплового вида [15]; 10. Контроль неразрушающий электрический (ЭК) [16]. Среди методов НК можно выделить комплекс методов объединенных общим названием «Визуальный и измерительный контроль» (ВИК). 8 Классификация методов неразрушающего контроля Таблица 1.1 Методы контроля по характеру взаимодействия физических полей или проникающих веществ с ОК по первичному информативному параметру Магнитный [11] Магнитный Коэрцитивной силы Намагниченности Остаточной индукции Магнитной проницаемости Эффекта Баркгаузена Электрический [16] Электрический Трибоэлектрический Термоэлектрический Электропотенциальный Электроемкостный Прошедшего поля Отраженного поля Амплитудный Фазовый Частотный Спектральный Многочастотный Трансформаторный Параметрический Амплитудный Фазовый Частотный Временной Поляризационный Геометрический Детекторный (диодный) Болометрический Термисторный Интерференционный Голографический Жидких кристаллов Термобумаг Термолюминофоров Фотоуправляемых полупроводниковых пластин. Калориметрический Вид контроля Вихретоковый [10] Радиоволновой [6, 14] 9 Прошедшего излучения Отраженного излучения Рассеянного излучения Резонансный по способу получения первичной информации Магнитопорошковый Индукционный Феррозондовый Эффекта Холла Магнитографический Пондеромоторный Магниторезисторный Электростатический порошковый Электро параметрический Электроискровой Рекомбинационного излучения. Экзоэлектронной эмиссии Шумовой Контактной разности потенциалов Методы контроля Вид контроля Тепловой [15] Оптический [12] по характеру взаимодействия физических полей или проникающих веществ с ОК Тепловой контактный Конвективный Собственного излучения Прошедшего излучения Отраженного излучения Рассеянного излучения Индуцированного излучения Радиационный Прошедшего излучения [9] Рассеянного излучения Активационного анализа Характеристического излучения Автоэмиссионный по первичному информативному параметру Термометрический Теплометрический Амплитудный Фазовый Временной Частотный Поляризационный Геометрический Спектральный Плотности потока энергии Спектральный по способу получения первичной информации Пирометрический Жидких кристаллов Термокрасок Термобумаг Термолюминофоров Термозависимых параметров Оптический интерференционный Калориметрический Интерференционный Голографический Рефрактометрический Визуально-оптический Сцинтилляционный Ионизационный Вторичных электронов Радиографический Радиоскопический Акустический [8, 19] Прошедшего Амплитудный излучения Фазовый Отраженного Временной излучения Частотный Резонансный Спектральный Импедансный Спектральный Собственных колебаний Параметры импульсов Акустико-эмиссионный Амплитудный Фазовый Временной Частотный Спектральный Пьезоэлектрический Электромагнитноакустический Микрофонный Пьезоэлектрический Пьезоэлектрический (Электромагнитноакустический) Виброакустический [19, 29, 36] Механические колеба- Статистические парания- движение точки метры колебательного или механической сис- процесса (механичетемы, при котором проских колебаний) исходят колебания характеризующих его скалярных величин Пьезоэлектрический. Электромагнитноакустический 10 Классификация методов контроля проникающими веществами (капиллярных и течеискания) По характеру взаимодейст- По первичному По способу получения первичной информавия веществ с информативноции контролируе- му параметру мым объектом Яркостный (ахроматический). Цветной (хроматический). Люминесцентный. Люминесцентно-цветной. Фильтрующихся часМолекулярЖидкостный. тиц. Масс-спектрометрический. Пузырьконый Газовый вый. Манометрический. Галогенный. Радиоактивный. Катарометрический. Высокочастотного разряда. Химический. Остаточных устойчивых деформаций. Акустический ) Каждый из видов контроля подразделяют на методы по следующим трем признакам. 1. Характер взаимодействия поля или вещества с объектом. Взаимодействие должно быть таким, чтобы контролируемый признак объекта вызывал определенные изменения поля или состояния вещества. Например, наличие несплошности (трещины, пористости, инородного включения в объекте) вызывает изменение прошедшего через нее излучения или проникновение в нее пробного вещества. В некоторых случаях используемое для контроля физическое поле возникает под действием других физических эффектов, связанных с контролируемым признаком. Например, электродвижущая сила, возникающая при нагреве разнородных материалов, позволяет контролировать химический состав материалов (термоэлектрический эффект). 2. Первичный информативный параметр – конкретный параметр поля или вещества (амплитуда поля, время его распространения, количество вещества и т. д.), изменение которого используют для характеристики контролируемого объекта. Например, наличие несплошности увеличивает или уменьшает амплитуду прошедшего через нее излучения. 3. Способ получения первичной информации – конкретный тип датчика или вещества, которые используют для измерения и фиксации выбранного информационного параметра. Дефектоскопия – наука о принципах, методах и средствах обнаружения дефектов. Под дефектоскопией понимают также комплекс физических методов и средств выявления дефектов в материале заготовок, полуфабрика11 тов и деталей (в том числе и деталей в сборе), а также в сварных швах, клепаных и паяных соединениях и др. 1. Магнитный вид НК Магнитный вид НК основан на анализе взаимодействия магнитного поля с контролируемым объектом. Использует свойство металла быстро намагничиваться и размагничиваться или создавать разную магнитную индукцию в местах дефекта. Как правило, применяется для контроля объектов из ферромагнитных материалов (обнаружение поверхностных и скрытых дефектов). Процесс намагничивания и перемагничивания ферромагнитного материала сопровождается гистерезисными явлениями. Свойства, которые требуется контролировать (химический состав, структура, наличие несплошностей и др.), обычно связаны с параметрами процесса намагничивания и петлей гистерезиса. Характер взаимодействия физического поля с объектом. Используется намагничивание объекта и измеряются параметры, используемые при контроле магнитными методами. Информативные параметры: 1) магнитная проницаемость, намагниченность, остаточная намагниченность – используются для характеристики материала ферромагнетика (например, для контроля степени закалки стали, ее прочностных характеристик и других свойств); 2) намагниченность насыщения – используется для определения наличия и количества ферритной составляющей в неферромагнитном материале (величина намагниченности насыщения тем больше, чем больше содержание феррита); 3) сила, которую необходимо приложить, чтобы оторвать пробный магнит от объекта контроля – используется для оценки потока магнитного поля (например, чтобы измерить толщину неферромагнитного покрытия на ферромагнитном основании); 4) напряженность магнитного поля – используется для измерения (другим способом) толщины неферромагнитного покрытия на ферромагнитном основании; 5) градиент напряженности магнитного поля – используется для выявления дефектов несплошности. Методы магнитного контроля основаны на использовании магнитных полей, создаваемых путем намагничивания контролируемых изделий. К ним относятся: 1. Индукционный – информацию о магнитной проницаемости и ее изменении в зависимости от напряженности магнитного поля получают с помощью катушки индуктивности. Применяется преимущественно для обнаружения раковин, непроваров и других скрытых дефектов. Существенным недостатком индукционного метода контроля является его малая чувствительность к поверхностным дефектам типа волосовин, шлаковых включений и т.д. 12 2. Магнитопорошковый – основан на использовании местного изменения магнитной проницаемости, обусловленного дефектом. Информацию о наличии дефекта в поверхностном и подповерхностном слоях ферромагнитного материала получают с помощью магнитного порошка. Этим способом можно выявить как поверхностные, так и внутренние дефекты (резко выраженная структурная неоднородность, дефекты сварочного шва, крупные раковины и включения). Глубина залегания дефекта – не более 2–3 мм от поверхности, размер дефекта – от 0,5 -2,5 мм. Частицы магнитного порошка располагаются вдоль линий магнитной индукции поля рассеяния. Вблизи дефекта обнаруживается градиент магнитного поля. Для надежного выявления дефект должен пересекать линии магнитной индукции поля. Чувствительность метода зависит от способа намагничивания, вида и силы тока, глубины залегания дефектов, размера ферромагнитных частиц порошка и т. д. 3. Магнитографический – вместо магнитного порошка для регистрации рассеянного магнитного поля применяют магнитную ленту (типа применяемой в магнитофонах, но более широкую). Считывание сигналов о дефектах прибором, датчиком которого служит магнитная головка. Метод позволяет обнаруживать дефекты в более толстом поверхностном слое, но при этом теряется наглядность, присущая магнитопорошковому методу. 4. Феррозондовый – датчики типа феррозондов используют для обнаружения полей рассеивания на дефектах и измерения магнитных характеристик материалов. 5. Метод магнитной памяти (МПМ) [20, 21, 22] – метод неразрушающего контроля, основанный на регистрации и анализе распределения собственных магнитных полей рассеяния (СМПР) на поверхности изделий с целью определения зон концентрации напряжений, дефектов, неоднородности структуры металла и сварных соединений. Основная задача метода МПМ – определение на объекте контроля наиболее опасных участков и узлов, характеризующихся зонами КН. Затем, с использованием, например, УЗД в зонах КН определяется наличие конкретного дефекта. На основе поверочного расчёта на прочность наиболее напряжённых узлов, выявленных методом МПМ, выполняется оценка реального ресурса оборудования. Магнитная память металла – последействие, которое проявляется в виде остаточной намагниченности металла изделий и сварных соединений, сформировавшейся в процессе их изготовления и охлаждения в слабом магнитном поле или в виде необратимого изменения намагниченности изделий в зонах концентрации напряжений и повреждений от рабочих нагрузок. Развитие магнитного вида НК – по следующим направлениям: 1) изыскание способов отстройки от мешающих факторов; 2) изучение особенностей магнитных полей изделий сложной формы, содержащих дефекты; 3) разработка новых высокочувствительных преобразователей; 4) использование потенциальных возможностей эффекта Баркгаузена (эффект Баркгаузена: высокоточное измерение кривой намагничивания В(Н) 13 показало, что она имеет скачкообразный характер в области крутого подъема), а также таких магнитных эффектов, как ядерный, электронный, магнитный резонансы. 2. Электрический вид НК Электрический вид НК основан на регистрации параметров электрического поля, взаимодействующего с контролируемым объектом (это – электрический метод), или поля, возникающего в контролируемом объекте в результате внешнего воздействия (термоэлектрический и трибоэлектрический методы). Первичные информативные параметры – электрические емкость или потенциал. Методы 1. Емкостной – применяется для контроля диэлектрических или полупроводниковых материалов. По изменению диэлектрической проницаемости, в том числе ее реактивной части (диэлектрическим потерям), контролируют химический состав пластмасс, полупроводников, наличие в них несплошностей, влажность сыпучих материалов и другие свойства. 2. Электрического потенциала – применяется для контроля проводников. Измеряя падение потенциала на некотором участке, контролируют толщину проводящего слоя, наличие несплошностей вблизи поверхности проводника. Электрический ток огибает поверхностный дефект, по увеличению падения потенциала на участке с дефектом определяют глубину несплошности; 3. Термоэлектрический – применяют для контроля химического состава материалов. Например, нагретый до заданной температуры медный электрод прижимают к поверхности изделия и по возникающей контактной разности потенциалов определяют марку стали, титана, алюминия или другого материала, из которого сделано изделие. 4. Экзоэлектронной эмиссии — с использованием эмиссии ионов с поверхности изделия под влиянием внутренних напряжений. 5. Электроискровой – по параметрам электрического пробоя измеряются характеристики исследуемой среды. 6. Электростатического порошка – с помощью наэлектризованного порошка определяются дефекты в диэлектриках. Развитие метода – интенсивное изучение мало используемых методов: 1) экзоэлектронной эмиссии; 2) электроискрового; 3) электростатического порошка. 3. Вихретоковый вид НК Вихретоковый вид НК основан на анализе взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в контролируемом объекте. Практически в дефектоскопии используются вихревые токи с частотой до 1 МГц. 14 Применяется только для контроля изделий из электропроводящих материалов, в том числе цветных, немагнитных металлов (меди, латуни, алюминия и т. д.). Контролируются геометрические размеры изделий, определяются химический состав и структура материала изделия, внутренние напряжения, изменения электропроводности металлов и их магнитные свойства, обнаруживаются мельчайшие поверхностные и подповерхностные (на глубине несколько мм) дефекты. Принцип контроля. Вихревые токи возбуждают в объекте с помощью преобразователя в виде катушки индуктивности, питаемой переменным или импульсным током. Приемным преобразователем (измерителем) служит та же или другая катушка. Интенсивность и распределение вихревых токов в объекте зависят: – от геометрических размеров объекта, – от электрических и магнитных свойств материала объекта, – от наличия в материале несплошностей, – от взаимного расположения преобразователя и объекта. Это определяет большие возможности метода как средства контроля различных свойств объекта, но в то же время затрудняет его применение, так как при контроле одного параметра другие являются мешающими. Эти параметры нужно разделить. Первичные информативные параметры – раздельно или совместно измеренные фаза, частота и амплитуда сигнала измерительного преобразователя, контроль сигнала одновременно на нескольких частотах, амплитудночастотный спектр. Методы 1. Отраженного излучения. 2. Прохождения – возбуждающая и приемная катушки располагаются или с одной стороны, или по разные стороны от контролируемого объекта. Развитие метода – по следующим направлениям: 1) изыскание путей контроля изделий сложной конфигурации и многослойных объектов; 2) усовершенствование способов отстройки от мешающих параметров; 3) разработка многодатчиковых и многочастотных систем для комплексного контроля свойств объекта. 4. Радиоволновой вид НК Радиоволновой вид НК основан на регистрации изменений параметров электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующих с контролируемым объектом. Обычно применяют волны сверхвысокочастотного диапазона (СВЧ) длиной 1–100 мм. Применяется для контроля изделий из материалов, где радиоволны не очень сильно затухают: диэлектрики (пластмассы, керамика, стекловолокно), магнитодиэлектрики (ферриты), полупроводники, тонкостенные металлические объекты. 15 Первичные информативные параметры – амплитуда, фаза, поляризация, частота, геометрия распространения вторичных волн, время их прохождения и др. Методы. По характеру взаимодействия с объектом контроля различают методы: прошедшего, отраженного, рассеянного излучения и резонансный. 5. Тепловой вид НК Тепловой вид НК основан на регистрации изменений тепловых или температурных полей контролируемых объектов. Применяется для объектов из любых материалов. Первичные информативные параметры – температура или тепловой поток. Они измеряются контактными или бесконтактными способами. При бесконтактном способе передача теплоты происходит в основном за счет радиации, т.е. излучения электромагнитных волн в инфракрасной или видимой части спектра в зависимости от температуры объекта. Наиболее эффективное средство бесконтактного наблюдения, регистрации температурных полей и тепловых потоков – сканирующий термовизор. Методы. По характеру взаимодействия поля с контролируемым объектом различают методы: 1. Пассивный или собственного излучения – на объект не воздействуют внешним источником энергии. Измеряют тепловые потоки или температурные поля работающих объектов. Неисправности проявляются в местах повышенного нагрева. Так выявляют места утечки теплоты в зданиях, участки электрических цепей и радиосхем с повышенным нагревом, находят трещины в двигателях и т.д.; 2. Активный – объект нагревают или охлаждают от внешнего источника контактным или бесконтактным способом, стационарным или импульсным источником теплоты и измеряют температуру или тепловой поток с той же или с другой стороны объекта. Это позволяет обнаруживать несплошности (трещины, пористость, инородные включения) в объектах, изменения в структуре и физико_химических свойствах материалов по изменению теплопроводности, теплоемкости, коэффициенту теплоотдачи. Таким способом выявляют участки с плохой теплопроводностью в многослойных панелях. Неплотное прилегание слоев и дефекты обнаруживают как участки повышенного или пониженного нагрева поверхности панели. 6. Оптический вид НК Оптический вид НК основан на наблюдении или регистрации параметров оптического излучения, взаимодействующего с контролируемым объектом. Применяется очень широко благодаря большому разнообразию способов получения первичной информации. 1. Наружный контроль. Возможность его применения не зависит от материала объекта. 16 2. Контроль прозрачных объектов. Обнаружение макро- и микродефектов, структурных неоднородностей, внутренних напряжений (по вращению плоскости поляризации). 3. Использование интерференции позволяет с точностью до 0,1 длины волны контролировать сферичность, плоскостность, шероховатость, толщину изделий. 4. Дифракцию применяют для контроля диаметров тонких волокон, толщины лент, форм острых кромок. Первичные информативные параметры – амплитуда, фаза, степень поляризации, частота или частотный спектр, время прохождения света через объект, геометрия преломления или отражения лучей. Методы 1) По характеру взаимодействия с контролируемым объектом различают методы: прошедшего, отраженного, рассеянного и индуцированного излучения (индуцированное излучение – оптическое излучение объекта под действием внешнего воздействия, например, люминесценция). 2) По способу получения первичной информации различают: – органолептический визуальный контроль, с помощью которого находят видимые дефекты, отклонения от заданных формы, цвета и т. д.; – визуально-оптический контроль – проводится с применением инструментов: – лупы, микроскопы, эндоскопы – для осмотра внутренних полостей; – проекционные устройства – для контроля формы изделий, спроецированных в увеличенном виде на экран. 7. Радиационный вид НК Радиационный вид НК основан на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия его с контролируемым объектом. Объект «просвечивается» рентгеновским или гамма-излучением, потоками нейтронов, электронов или протонов. Теневое изображение объекта регистрируется на фотопленке (рентгенография, нейтронография и пр.) либо на специальном флюоресцирующем или телевизионном экране (рентгеноскопия) с увеличением изображения в необходимых случаях или с применением других способов улучшения наблюдаемости дефектов. Применение. Наиболее широко используются для контроля рентгеновское и гамма-излучение (их можно использовать для контроля изделий из самых различных материалов, подбирая соответствующий частотный диапазон). Чем больше толщина изделия, тем более высокочастотное (более жесткое) излучение применяют для контроля: рентгеновское, гамма (от распада ядер атомов), жесткое тормозное (от ускорителя электронов – бетатрона, микротрона, линейного ускорителя). Предельное значение толщины стали, контролируемое с помощью жесткого тормозного излучения, – около 600 мм. Первичный информативный параметр – плотность потока излучения: в местах утонений и дефектов плотность прошедшего потока возрастает. 17 Методы 1. По характеру взаимодействия с контролируемым объектом основным способом радиационного (рентгеновского и гамма) контроля является метод прохождения. Он основан на разном поглощении ионизирующего излучения материалом изделия и дефектом. 2. В зависимости от природы ионизирующего излучения выделяют: рентгеновский, гамма, бета (поток электронов), нейтронный методы контроля. Находят применение потоки позитронов: по степени их поглощения определяют участки объекта, обедненные или обогащенные электронами. 3. По используемому приемнику излучения выделяют: – радиографический метод (приемник излучения – рентгеновская пленка), – радиометрический метод (приемник излучения – сканирующий сцинтилляционный счетчик частиц и фотонов), – радиоскопический метод (приемник излучения – флюоресцирующий экран с последующим преобразованием изображения в телевизионное). Примечание. Все рассмотренные виды контроля (магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный) основаны на применении электромагнитного излучения. Частота колебаний повышалась от метода к методу. При контроле магнитными и электрическими методами использовались постоянные или медленно меняющиеся поля. В вихретоковом контроле частоты достигали мегагерцевого диапазона. В радиоволновом – частота увеличилась до СВЧ диапазона (104-1010 Гц). В тепловом – частота увеличилась до частоты инфракрасного излучения 11 (10 -4•1014 Гц). В оптическом контроле – частота увеличилась до частоты оптического излучения (частота видимого излучения 4•1014-7,5•1014 Гц). Рентгеновское и гамма-излучения являются наиболее коротковолновыми из всех, рассмотренных ранее: частота рентгеновского излучения 3•1017-3•1020 Гц; гамма-излучение имеет частоту 3•1018-3•1021 Гц (длина волны 10–10-10–13 м). 8. Акустический вид НК Акустический вид НК основан на регистрации параметров упругих волн, возникающих или возбуждаемых в объекте. В отличие от всех ранее рассмотренных методов здесь применяют и регистрируют не электромагнитные, а упругие волны, параметры которых тесно связаны с такими свойствами материалов, как упругость, плотность, анизотропия (неравномерность свойств по различным направлениям) и др. Акустические свойства твердых материалов и воздуха настолько сильно отличаются, что акустические волны отражаются от тончайших зазоров (трещин, непроваров) шириной 10–6-10–4 мм. Применяется ко всем материалам, достаточно хорошо проводящим акустические волны: металлам, пластмассам, керамике, бетону и т.д. 18 Первичные информативные параметры – например, количество сигналов в единицу времени, амплитудно-частотный спектр сигнала, локация места возникновения упругих волн, время задержки прихода отраженного импульса. Методы 1. По используемой частоте различают: – Ультразвуковые методы – используют упругие волны ультразвукового диапазона (с частотой колебаний выше 20 кГц). Эти волны возбуждаются и принимаются, как правило, пьезопреобразователями. Учитывая сильное отражение ультразвука от тончайших воздушных зазоров, для передачи волн от пьезопреобразователя к изделию используют жидкостный контакт. – Методы, использующие звуковые частоты. Для возбуждения волн звукового диапазона кроме пьезопреобразователей применяют ударное воздействие, а для приема – микрофоны. 2. По характеру взаимодействия с объектом различают: 1) пассивные методы – регистрируются упругие волны, возникающие в самом объекте: – Шумовибрационный – основан на том, что шумы работающего механизма позволяют судить о его исправности и неисправности и даже о характере неисправности. – Вибрационный – регистрируется вибрация определенных узлов механизма и оценивается работоспособность этих узлов. - Виброакустическая диагностика: Раздел технической диагностики, изучающий и устанавливающий признаки дефектов и неисправностей технических объектов, а также методы и средства обнаружения и поиска (указания местоположения) дефектов и неисправностей на основе анализе параметров виброакустического сигнала. – Акустической эмиссии – использует упругие волны ультразвукового (реже – звукового) диапазона, появляющиеся в результате перестройки структуры материала, вызываемой движением групп дислокаций, возникновением и развитием трещин, аллотропическими превращениями в кристаллической решетке. 2) активные методы: – Ультразвуковой – основан на использовании результатов измерения интенсивности пропускаемого контролируемым образцом или отраженного им ультразвукового сигнала. Для контроля используют стоячие волны (вынужденные или свободные колебания объекта контроля или его части) и бегущие волны по схемам прохождения или отражения. Метод используется для обнаружения трещин, раковин и других нарушений сплошности, а также для выявления неоднородностей структуры, плотности и т. д. внутри или на поверхности металлических, пластмассовых и др. деталей. Наилучшие результаты – при обнаружении больших резко очерченных изменений плотности или структуры в исследуемом образце, например, при обнаружении значительных по размерам трещин или пустот, определении границ раздела материалов, существенно различающихся по плотности. 19 – Методы колебаний – для измерения толщин (при одностороннем доступе) и контроля свойств материалов (модуля упругости, коэффициента затухания). – Импедансный метод – основан на измерении режима колебаний преобразователя, соприкасающегося с объектом. Определяют: твердость материала изделия, податливость его поверхности (податливость улучшается под влиянием дефектов, близких к поверхности изделия). – Эхо-метод, или метод отражения. Посланный ультразвуковой импульс отражается от нижней поверхности объекта или от дефекта, и по амплитуде и времени прихода отраженных импульсов судят о дефекте. Метод очень широко применяется для дефектоскопии металлических заготовок и сварных соединений, контроля структуры металлов, измерения толщины труб и сосудов; – Метод прохождения – им дефектоскопируют изделия простой формы (листы), оценивают прочность бетона, дерева и др. материалов, в которых прочность коррелирует со скоростью звука. Развитие акустического метода – по следующим направлениям: 1) разработка новых способов обработки информации: очень перспективна вычислительная ультразвуковая голография; 2) разработка бесконтактных преобразователей – лазерных возбудителей и приемников, электромагнитно-акустических преобразователей, основанных на возбуждении колебаний поверхности объекта внешним электромагнитным полем; 3) отстройка от шумов, главным образом связанных с отражением упругих волн от структурных неоднородностей, например, границ кристаллов в поликристаллическом материале; 4) применение специфических типов упругих волн в твердом теле: поверхностных волн, волн в пластинах и стержнях; 5) разработка средств высокоточного измерения скорости ультразвуковых волн. 9. НК проникающими веществами Неразрушающий контроль проникающими веществами основан на проникновении пробных веществ в полость дефектов контролируемого объекта. Применение: для обнаружения слабо видимых невооруженным глазом поверхностных дефектов (капиллярные методы) и для выявления сквозных дефектов в перегородках (методы течеискания). Методы: 1. Капиллярные – основаны на капиллярном проникновении в полость дефекта индикаторной жидкости (керосина, скипидара, пенетрантов), хорошо смачивающей материал изделия; 2. Течеискания – в полость дефекта пробное вещество проникает либо под действием разности давлений, либо под действием капиллярных сил. К НК проникающими веществами относится люминесцентный метод. В его основе лежит возможность видеть свет от люминесцирующих веществ, находящихся в полости дефектов. Метод обладает высокой чувствительностью и 20 во многих случаях является единственно возможным для дефектоскопии немагнитных материалов. При помощи люминесцирующих веществ можно выявить поверхностные трещины шириной около 0,01 мм и глубиной до 0,02–0,03 мм. Если же наносить люминофор на изделие, помещенное в вакуум, то можно обнаружить и более мелкие дефекты, так как в вакууме из полости дефектов удаляется воздух, препятствующий заполнению их люминофором. Люминесцентный метод находит применение во многих отраслях производства, но особенно успешно его используют для контроля качества поверхностей закаленных и шлифованных изделий, например, режущего инструмента. 1.2. Взаимосвязь неразрушающего и технического контроля с технической диагностикой Техническая диагностика – установление и изучение признаков, характеризующих наличие дефектов в машинах, устройствах, их узлах, элементах и т. д., для предсказания возможных отклонений в режимах их работы (или состояниях), а также разработка методов и средств обнаружения и локализации дефектов и неисправностей. На рисунке 1.1 [33] представлена обобщенная структурная схема взаимосвязей ТД с ТК, измерениями и испытаниями, в которой перечислены основные задачи в области обеспечения медицинской, техногенной, экологической и террористической безопасности с учетом объектов контроля каждого направления: - медицинская диагностика - для человека; - экодиагностика – для окружающей среды: земли, атмосферы и гидросферы; - технодиагностика – для разработки, производства, эксплуатации и хранения продукции; - терродиагностика – для предупреждения и раскрытия преступлений, терактов, обнаружения оружия, взрывчатых веществ, наркотиков, фальшивых банкнот. При глобализации ТД и НК главным остается дальнейшая интеллектуализация диагностических операций, переход на обязательное определение остаточного ресурса и рисков эксплуатации технически и экологически опасных объектов, составление банков и баз данных дефектов, аварий, наблюдаемых объектов и их особенностей и связанных с ними статистических измерений физических полей и химического состава вещества. Глобализация ТД и НК связана с развитием систем космического, авиационного, морского и автомобильного мониторинга, минимизацией влияния обслуживающего персонала на принятие конечного решения, а также с применением полного спектра методов и средств электрометрии, интроскопии, виброметрии, измерения размеров, температуры, давления, массы, времени и других характеристик для интегрированных систем ТД и НК и диагностирования безопасности в широком диапазоне их использования. В таблице 1.1 [33] приведены основные физические методы, которые применяют для медицинской, эко-, техно- и терродиагностики с ори21 ентировочными объемами продаж в России применительно к объектам и выполняемым задачам. Глобализация потребует применения универсальных систем диагностирования физико-химических параметров для обеспечения эко-, техно- и терробезопасности [33]. Глобальная система ТД и НК – это система повышенной надежности методов и средств, для которой характерны: - единство измерений в международной системе единиц СИ; - объективность (верность) в рамках допустимой неопределенности ТД и НК; - соблюдение международно признанных и действующих систем качества; - соблюдение прозрачных процедур проверки компетентности персонала. 1.3. Общие требования к методам НК и ТД К методам НК и ТД предъявляются следующие основные общие требования • не должно происходить разрушение изделия или снижение его качества; • возможность осуществления эффективного контроля на различных стадиях изготовления, в эксплуатации и при ремонте изделий; • возможность контроля качества продукции по большинству заданных параметров; • согласованность времени, затрачиваемого на контроль, с временем другого технологического этапа; • высокая достоверность результатов НК и ТД; • возможность механизации и автоматизации контроля технологических процессов, а так же управления ими с использованием сигналов, выдаваемых средствами НК и ТД; • высокая надежность аппаратуры НК и ТД в различных производственных условиях; • простота методики НК и ТД, техническая доступность средств НК и ТД в условиях производства, ремонта и эксплуатации. • Нормативные документы НК и ТД. К нормативным документам относятся: ГОСТ; ОСТ; ТУ; РД и ПБ Ростехнадзора РФ; СТО; методики контроля и инструкции. 22 Рисунок 1.1 23 Таблица 1.2 Чувствительность методов НК и ТД определяется наименьшими размерами выявляемых дефектов: а) у поверхностных – шириной раскрытия у выхода на поверхность, протяженностью в глубь металла и по поверхности детали; б) у глубинных – размерами дефекта с указанием глубины залегания; в) степенью износа и коррозии отдельных узлов и деталей. Чувствительность зависит в основном от особенностей метода НК и ТД, технических данных применяемой аппаратуры и дефектоскопических материалов, чистоты обработки поверхности контролируемой детали, ее материала, условий контроля и других факторов. 24 Достоверность методов и результатов НК и ТД определяется вероятностью пропуска дефекта, неисправности, деталей с явными дефектами или необоснованной браковкой годных деталей. Этот фактор зависит от качества (уровня) аппаратуры, квалификации оператора, правильности выбора метода НК и ТД, контролепригодности (дефектоскопичности) изделия. 1.4. Классификация средств НК и ТД Средство контроля – техническое устройство, вещество и (или) материал для проведения контроля. В классификаторе все средства НК и ТД разделены на семь основных групп, причем оптические и тепловые приборы отнесены к одной группе. Первые четыре знака классификатора определяют общие отраслевые признаки средств НК и ТД, пятый знак обозначает основной физический метод, на основе которого создан прибор. Шестой знак определяет класс аппаратуры по основным приборным признакам. По техническому исполнению средства контроля можно подразделить на три класса: - автономные приборы для контроля одной или нескольких взаимосвязанных качественных характеристик; - комплексные системы, автоматические линии и роботы-контролеры, автоматизированные приборы и системы, предназначенные для определения ряда основных параметров, характеризующих качество объекта; - системы НК и ТД для автоматического управления технологическими процессами по качественным признакам и мониторинга ТС. По видам контролируемых параметров средств НК и ТД разделяют на приборы: • дефектоскопы (приборы или установки), предназначенные: o для обнаружения дефектов типа нарушений сплошности (трещин, раковин, расслоений и т.д.); o для контроля геометрических характеристик (наружные и внутренние диаметры, толщина стенки, покрытий, слоев, степень износа, ширина и длина изделий и т.д.); o для измерения физико-механических и физико-химических характеристик (электрических, магнитных и структурных параметров, отклонений от заданного химического состава, измерения твердости, пластичности, коэрцитивной силы, контроля качества упрочненных слоев, содержания и распределения ферритной фазы и т.д.); • технической диагностики для предсказания возникновения различного рода дефектов, в том числе, нарушений сплошности, изменения размеров и физико-механических свойств изделий на период эксплуатации изделий. 1.5. Основные виды дефектов Одним из путей предотвращения нежелательных последствий от эксплуатации изделий с дефектами является систематичное использование методов НК и ТД. Дефектом, согласно нормативно-технической документации 25 (НТД) (ГОСТ 15467-79)[25], называется каждое отдельное несоответствие продукции требованиям. Однако в практике применения средств НК и ТД нет полного соответствия понятия "дефект" определению по ГОСТ. Обычно под дефектом понимают отклонение параметра от требований проектноконструкторской документации, выявленное средствами НК и ТД. Связь такого понятия с определением по ГОСТ устанавливается путем разделения дефектов на допустимые требованиям НТД и недопустимые. Обобщая, здесь и далее под дефектом будем понимать физическое проявление изменения характеристик объекта контроля с параметрами, превышающими нормативные требования. По происхождению дефекты подразделяют на - производственно-технологические, возникающие в процессе проектирования и изготовления изделия и его ремонте (сварке, пайке, склеивании, клепке, механической, термической и других видах обработки, нанесении гальванических покрытий и др.), его монтажа и установки; - эксплуатационные, возникающие после некоторой наработки изделия в результате процессов деградации, усталости металла деталей, коррозии, изнашивания и т.д., а также в результате неправильного технического обслуживания и эксплуатации. В дальнейшем, говоря о дефектах, выявляемых средствами и методами НК и ТД, будем иметь в виду эксплуатационные и производственнотехнологические дефекты, не выявленные при изготовлении и сдаче систем в эксплуатацию. Поскольку дефектом называется каждое отдельное несоответствие продукции требованиям, установленным нормативной документацией (ГОСТ 15467-79), то дефекты подразделяют на явные, скрытые, критические, значительные и малозначительные, исправимые и неисправимые. Явные поверхностные дефекты выявляют глазом, а внутренние, скрытые и поверхностные, не различимые глазом, специальными средствами. Выявленные дефекты в зависимости от возможного влияния их на служебные свойства детали могут быть критическими, значительными и малозначительными. При классификации учитывают характер, размеры, место расположения дефекта на детали, особенности деталей и изделий, их назначение, условия использования (эксплуатации). Критическим называется дефект, при наличии которого использование продукции по назначению невозможно или исключается из-за несоответствия требованиям безопасности или надежности; значительным - дефект, который существенно влияет на использование продукции по назначению и (или) на ее долговечность, но не является критическим; малозначительным - дефект, который не оказывает такого влияния. 1.6. Виды объектов и их дефектов В зависимости от объекта вся совокупность объектов и систем может быть разбита на группы, для которых характерны однотипные дефекты: 26 − силовые металлоконструкции (стрелы грузоподъемных машин, установщиков, несущие форменные конструкции, силовые элементы агрегатов обслуживания); − сосуды, теплообменные аппараты, трубопроводы (сосуды и емкости, влагомасло-отделители и холодильники компрессорных установок, теплообменные аппараты, камеры нейтрализации, магистрали газов и жидкостей и др.); − механизмы и машинное оборудование (гидроприводы, редукторы, насосы, компрессоры, вентиляторы и приводные электродвигатели, дизельные электростанции); − трубопроводы, корпуса систем под давлением, парогенераторы, системы газогидроснабжения; − контрольно-измерительные приборы (КИП) и автоматика, оборудование систем управления; − кабельное оборудование (силовые кабели, измерительные кабели, кабели систем управления, кабели связи); − электронное оборудование; − оборудование электроснабжения (трансформаторы, коммутационная аппаратура); − объекты, содержащие радиоактивные вещества, активность которых определяется без разрушения исходных матриц; − конструкции строительных сооружений. Рассмотрим некоторые наиболее характерные дефекты приведенных систем. Для силовых металлоконструкций характерны: - литейные дефекты (рыхлота, пористость, ликвационные зоны, дендритная ликвация, зональная ликвация, подусадочная ликвация, газовые пузыри или раковины, песчаные и шлаковые раковины), металлические и неметаллические включения, утяжины, плены, спаи, горячие, холодные и термические трещины); - дефекты прокатанного и кованого металла (трещины, флокены, волосовины, расслоения, внутренние разрывы, рванины, закаты и заковы, плены); - дефекты сварных соединений (трещины в наплавленном металле, холодные трещины, микротрещины в шве, надрывы, трещины, образующиеся при термообработке, рихтовочные трещины, непровары, поры и раковины, шлаковые включения); - дефекты, возникающие при обработке деталей (закалочные и шлифовочные трещины, надрывы); - дефекты, возникающие при эксплуатации изделий (усталостные трещины, коррозионные повреждения, трещины, образующиеся в результате однократно приложенных высоких механических напряжений, механические повреждения поверхности). ФЛОКЕНЫ (нем. Flocken - букв. - хлопья), дефекты внутреннего строения стали в виде серебристо-белых пятен (в изломе) или волосовин (на протравленных шлифах). Встречаются главным образом в катаных или кованых изделиях; обусловлены повышенным содержанием 27 водорода. Ликвационные зоны - неравномерность химического состава металла в теле отливки. Для сосудов, теплообменных аппаратов, трубопроводов характерны производственно-технологические и эксплуатационные дефекты, аналогично силовым металлоконструкциям. Помимо этого для данной группы оборудования характерны негерметичности соединений, приводящие к утечкам рабочих сред, уменьшение проходных сечений в результате отложений на стенках продуктов коррозии и накипи. Важнейшим параметром, определяющим долговечность и надежность эксплуатации нефтегазовых труб различных диаметров, является толщина антикоррозийного трехслойного полиэтиленового покрытия. Для механизмов и машинного оборудования характерны износ и поломка деталей, повреждение уплотнений, сопровождающиеся утечкой рабочих жидкостей, местным аномальным нагревом частей оборудования, посторонним шумом, повышенной вибрацией. Для КИП и автоматики, оборудования систем управления характерны выход из строя отдельных блоков и приборов, нарушение электрического контакта, уменьшение сопротивления и пробой изоляции. Для кабельного оборудования характерны уменьшение сопротивления изоляции, старение изоляции, обрыв жил кабеля, возгорание изоляции и др. Для электронного оборудования характерны выход из строя блоков и отдельных элементов. Для оборудования электроснабжения характерны залипания контактов, выход из строя концевых выключателей и приводов межсекционных выключателей. Для конструкций строительных сооружений характерны такие дефекты, как трещины, раковины, несплошности бетона, дефекты армирования бетона, разрушение фундаментов и оснований и т.д. Для объектов с радиоактивными веществами под дефектами можно понимать уровни активности, превышающие допустимые нормы. Таким образом, для каждой из групп оборудования можно составить перечень методов НК и перечень приборов и технологий их применения для реализации этих методов. Влияние дефектов на прочность объектов. Дефекты типа нарушений сплошности металла являются следствием несовершенства его структуры и возникают на разных стадиях технологического процесса. К дефектам тонкой структуры относят дислокации - особые зоны искажений атомной решетки. Прочность деталей резко падает при определенном числе дислокаций в единице объема кристалла. Субмикроскопические трещины (размером порядка нескольких микрометров) образуются в процессе обработки детали (например, шлифования) и резко снижают ее прочность, особенно при работе в условиях сложного напряженного состояния или воздействия поверхностноактивных сред. Если поврежденный поверхностный слой удалить, например, путем электролитического растворения, то прочность детали существенно повышается. Наиболее грубыми дефектами являются макроскопические, в ряде 28 случаев видимые невооруженным глазом дефекты, представляющие собой нарушения сплошности или однородности металла, особенно резко снижающие прочности детали. Эти дефекты образуются в металле вследствие несовершенства технологического процесса и низкой технологичности многокомпонентных сплавов, при обработке которых требуется особенно точно соблюдать режимы технологического процесса на каждом этапе. Дефекты, возникающие при изготовлении объектов. Встречающиеся в металлических изделиях и полуфабрикатах дефекты различают по размерам и расположению, а также по природе их происхождения. Они могут образоваться в процессе плавки и литья (раковины, поры, зоны рыхлоты, включения, ликвационные зоны, горячие трещины, неслитины и т.д.); обработки давлением (внутренние и поверхностные трещины, расслоения, пресс утяжины, рванины, заковы, закаты, плены, флокены и т.д.); термической и химикотермической обработки (зоны грубозернистой структуры, перегрева и пережога, термические трещины, несоответствующие заданному значению толщины закаленного, цементованного, азотированного и других слоев, а также толщины слоя гальванического покрытия и т.д.); механической обработки (шлифовочные трещины, прижоги); сварки, пайки, склеивания (непровар, трещины, непропай, непроклей); хранение и эксплуатации (коррозионные поражения, усталостные трещины, трещины термической усталости, ползучести) и т.д. Для указанных дефектов характерен один общий признак: они вызывают изменение физических характеристик материала, таких, как удельная электрическая проводимость, магнитная проницаемость, коэффициент затухания упругих колебаний, плотность, коэффициент ослабления излучений и т.д. Дефекты, возникающие при эксплуатации объектов. Дефекты, возникающие при эксплуатации объектов, относятся к эксплуатационным и предполагают возможность их постоянного развития под действием рабочих нагрузок (температуры, давления, агрессивности среды, динамических особенностей и т.п.). Эксплуатационные дефекты имеют большое разнообразие при зарождении (например, коррозионные или связанные с дислокационными процессами и потерей пластичности металла). Однако, они всегда приводят к зарождению и развитию трещин с последующим разрушением объекта. Эксплуатационные дефекты относятся к наиболее опасным. Контрольные вопросы 1. Технический контроль (ТК) – это … ? 2. Неразрушающий контроль (НК) – это … ? 3. Дефектоскопический контроль и дефектоскопия – это … ? 4. Техническая диагностика – это .. ? 5. Укажите различие между техническим контролем и технической диагностикой? 6. Метод НК – это … ? 7. Вид НК – это … ? 29 8. По каким признакам подразделяют вид контроля на методы? 9. На какие методы подразделяют неразрушающий контроль в зависимости от физических явлений? 10. Дефектоскопия – это … ? 11. Приведите основные характеристики магнитного вида НК. 12. Приведите основные характеристики электрического вида НК. 13. Приведите основные характеристики вихретокового вида НК. 14. Приведите основные характеристики радиоволнового вида НК. 15. Приведите основные характеристики теплового вида НК. 16. Приведите основные характеристики оптического вида НК. 17. Приведите основные характеристики радиационного вида НК. 18. Приведите основные характеристики акустического вида НК. 19. Приведите основные характеристики НК проникающими веществами. 20. Понятие технической диагностики как науки. Связь ТД и контроля. 21. Общие требования к НК и ТД. 22. Каким образом классифицируются средства НК и ТД? 23. Виды дефектов по происхождению. 24. Виды дефектов по характеру проявления и обнаружения. 25. Какие виды дефектов характерны для силовых металлоконструкций? 26. Какие виды дефектов характерны для сосудов, теплообменных аппаратов, трубопроводов и т.д.? 27. Какие виды дефектов характерны для механизмов и машинного оборудования? 28. Каким образом дефекты влияют на прочность объектов? 29. Какие дефекты, возникают при изготовлении объектов? 30. Какие дефекты, возникают при эксплуатации объектов? 30 31 2. Основные понятия технической диагностики Основные понятия технической диагностики определены в ГОСТ 20911-89 [26] и ГОСТ 27.002-89 [27]. Термин «диагностика» происходит от греческого слова «диагнозис», что означает распознавание, определение. В процессе диагностики устанавливается диагноз, т.е. определяется состояние, например, больного – медицинская диагностика, или состояние технической системы – техническая диагностика. Технический диагноз - это результат диагностирования (по ГОСТ 20911), привязанный к определенному моменту времени. Технической диагностикой (ТД) называется наука о распознавании состояния технической системы. Техническая диагностика – это научно-техническая дисциплина, изучающая и устанавливающая признаки дефектов технических объектов, а также методы и средства обнаружения и поиска (указания местоположения) дефектов. Техническая диагностика изучает методы получения и оценки диагностической информации, диагностические модели и алгоритмы принятия решений. Основной предмет ТД – организация эффективной проверки исправности, работоспособности, правильности функционирования технических объектов (деталей, элементов, узлов, блоков, заготовок, устройств, изделий, агрегатов, систем, а также процессов передачи, обработки и хранения материи, энергии и информации), то есть организация процессов диагностирования технического состояния объектов при их изготовлении и эксплуатации, в том числе во время, до и после применения по назначению, при профилактике, ремонте и хранении. Цели технической диагностики. ТД изучает методы получения и оценки диагностической информации, диагностические модели и алгоритмы принятия решений. Целью технической диагностики является повышение надежности и ресурса технических систем. В общем виде задачу диагностирования допустимо рассматривать как двойственную задачу: задачу построения характеристики класса состояний, которому принадлежит совокупный диагностический образ, и задачу принятия решения о принадлежности к одному из классов состояний испытуемого диагностического образа. При этом следует учитывать, что увеличение числа зависимых диагностических признаков не способствует более полному описанию объекта диагностирования и надежному распознаванию. Диагностика как наука о распознавании состояния технической системы определяет следующие основные задачи в области диагностирования состояния машинного оборудования: − определение технического состояния, в котором находилось оборудование в прошлом (генезис), находится в настоящем (диагноз) и будет находиться в будущем (прогноз); − поиск места и определение причин неисправности; 32 − контроль технического состояния, т.е. определение вида технического состояния. Видами технического состояния являются исправное и неисправное, работоспособное и неработоспособное и т.д. Решение этих задач необходимо для организации технического обслуживания оборудования по фактическому техническому состоянию, вместо обслуживания по назначенному ресурсу. Кроме того, это позволяет реализовать безопасную ресурсосберегающую эксплуатацию оборудования всех отраслей промышленности. Диагностирование - одна из важных мер обеспечения и поддержания надёжности технических объектов. Техническое состояние объекта (ТСО) – это совокупность его свойств, которые характеризуются в определенный момент времени при определенных условиях внешней среды, значениями структурных параметров, установленных технической документацией на объект диагностирования. Техническое состояние — это совокупность свойств, подверженных изменению в процессе производства или эксплуатации машины. Характеризуется признаками, установленными технической документацией. Объект диагностирования — изделие (машина) и его составные части, подвергаемые диагностированию. Процесс определения ТСО называется техническим диагностированием. Результатом технического диагностирования является оценка ТСО в определенный момент времени, оформленная надлежащим образом. Совокупность таких оценок на определенном интервале времени жизни объекта есть наблюдение за его техническим состоянием, т.е. мониторинг ТСО на этом интервале. Мониторинг технического состояния агрегата (мониторинг агрегата) - это наблюдение за техническим состоянием агрегата (конструкции, машины, узла, механизма) для определения и предсказания момента перехода его в предельное состояние. Результат мониторинга агрегата представляет собой совокупность диагнозов составляющих его субъектов (конструкций, машин, узлов, механизмов), получаемых на неразрывно примыкающих друг к другу интервалах времени, в течение которых состояние агрегата существенно не изменяется. Принципиальным отличием мониторинга состояния от мониторинга параметров является наличие интерпретатора измеренных параметров в терминах технического состояния (экспертной системы поддержки принятия решения о состоянии объекта и дальнейшем управлении) [31]. Мониторинг состояния требует наличия интерпретирующей модели (экспертная система) связывающей диагностические признаки, измеряемые системой мониторинга, со структурными параметрами, определяющими ТСО мониторинга. Поэтому система мониторинга ТСО отображает не только значения измеряемых диагностических признаков, но и значения, оцениваемые по результатам косвенных измерений структурных параметров. В отличие от мониторинга состояния мониторинг параметров - это наблюдение за измерением каких-либо параметров (вибрации, температуры и т.д.). Результат мониторинга параметров представляет собой совокупность из33 меренных значений параметров, получаемых на неразрывно примыкающих друг к другу интервалах времени, в течение которых значения параметров существенно не изменяются. Контроль ТСО – проверка соответствия значений параметров объекта требованиям технической документации и определение на этой основе одного из заданных видов ТСО в данный момент времени. Прогнозирование ТСО – определение ТСО с заданной вероятностью на предстоящий интервал времени. Целью прогнозирования ТСО может быть определение с заданной вероятностью интервала времени ресурса, в течение которого сохраняется работоспособное исправное состояние объекта; определение вероятности сохранения работоспособного исправного состояния объекта на заданный интервал времени. 2.1. Виды технического состояния технических систем В соответствии с ГОСТ 20911–89 видами ТСО являются: • исправное/неисправное; • работоспособное/неработоспособное; • предельное, в зависимости от значений параметров в данный момент времени. В соответствии с ГОСТ Р 27.002–2009 «Надежность в технике. Термины и определения» видами ТСО являются: • неисправность; • работоспособное/неработоспособное; • функционирования; • предельное, • критическое. Исправное состояние объекта – это состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической документации (НТД) или конструкторской (проектной) документации (КД) (по ГОСТ 27.002-89). Применительно к системам агрегата, например, объектов, исправное состояние системы будет обеспечиваться, когда ее элементы (гидроагрегаты, трубопроводы и др.) будут полностью соответствовать техническим требованиям или техническим условиям (ТУ). Если машина не соответствует хотя бы одному из таких требований, она считается неисправной. Свойства изделия, характеризующие возможность нормально выполнять возложенные на него функции в определенных условиях эксплуатации, называются основными. Неисправное состояние объекта – это состояние объекта при котором он не соответствует хотя бы одному из требований НТД или КД (по ГОСТ 27.002-89). Неисправность: Состояние изделия, характеризующееся неспособностью выполнить требуемую функцию, исключая такую неспособность во время профилактического технического обслуживания или других запланированных действий или из-за нехватки внешних ресурсов. Возможные неисправности в агрегатах (источник энергии – привод, и по34 требитель энергии – функциональное устройство) разделяют на неисправности составляющих узлов и механизмов, которые определяются как недопустимые количественные изменения какого-либо параметра (характеристики) узла вследствие необратимых физико-химических изменений или разрушений, и неисправностей узлов и механизмов (их отдельных функциональных участков), которые трактуются как недопустимые количественные изменения функциональных параметров (либо характеристик системы) или изменения структурных связей между ее функциональными участками. Проверка исправности агрегатов производится при их изготовлении и последующих испытаниях, а также при капитальных ремонтах. Работоспособное состояние объекта – это состояние объекта, при котором значения всех параметров характеризующих способность выполнять заданные функции соответствует требованиям НТ и КД, т.е. выходные параметры и характеристики которого для всех возможных режимов его эксплуатации полностью соответствуют ТУ. Несоответствие хотя бы одного такого параметра указанным требованиям переводит объект в неработоспособное состояние. При этом в отдельных элементах агрегата могут быть неисправности, не влияющие на ее выходные параметры (по ГОСТ 27.002-89). Работоспособное состояние: Состояние изделия, при котором оно способно выполнить требуемую функцию при условии, что предоставлены необходимые внешние ресурсы. Примечание: изделие в одно и то же время может находиться в работоспособном состоянии для некоторых функций и в неработоспособном состоянии для других функций. Неработоспособное состояние объекта – это состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра характеризующего способность выполнять заданные функции не соответствует НТ и КД. Для сложных объектов возможно деление на частичнонеработоспособное СО (по ГОСТ 27.002-89). Неработоспособное состояние: Состояние изделия, при котором оно неспособно выполнить требуемую функцию по любой причине. Из приведенных определений видно, что к работоспособному состоянию машины предъявляются только основные требования, характеризующие нормальную ее работу в данных условиях, а для исправного состояния – как основные, так и неосновные. Если машина исправна, то она будет работоспособной. Например, если на тракторе повреждено лакокрасочное покрытие или помята облицовка, то используют его по назначению в соответствии с требованиями ТУ на такое применение (обеспечение управляемости, проходимости, тягового усилия при нормальном расходе топлива и др.), т. е. машину считают работоспособной. В то же время трактор считается неисправным, так как не соответствует требованию нормативно-технической документации (НТД), хотя и не по основному, а только по внешнему виду. Такое нарушение неисправности называют повреждением. Проверка работоспособности агрегата и его отдельных функциональных участков обычно осуществляется при периодическом техническом обслуживании машин. При изготовлении и эксплуатации агрегатов проверяется их исправность, работоспособность и правильность функционирования. 35 Оценка правильности функционирования агрегата, как правило, производится оператором в процессе выполнения производственного задания, а также техническим персоналом, выполняющим техническое обслуживание машины. Таким образом, проверка правильности функционирования по сравнению с проверкой работоспособности позволяет убедиться только в том, что агрегат правильно функционирует в данном режиме работы в данный момент времени. Состояние функционирования: Состояние выполнения изделием требуемой функции. Предельное состояние объекта – это состояние объекта при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или не целесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния не возможно или не целесообразно (по ГОСТ 27.002-89). Предельное состояние: Состояние изделия, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна по причинам опасности, экономическим или экологическим. Критическое состояние: Состояние изделия, которое может привести к тяжелым последствиям: травмированию людей, значительному материальному ущербу или неприемлемым экологическим последствиям. Применение (использование) объекта по назначению прекращается в следующих случаях: • при неустранимом нарушении безопасности; • при неустранимом отклонении величин заданных параметров; • при недопустимом увеличении эксплуатационных расходов. Для некоторых объектов предельное состояние является последним в его функционировании, т.е. объект снимается с эксплуатации, для других – определенной фазой в эксплуатационном графике, требующей проведения ремонтно-восстановительных работ. В связи с этим, объекты могут быть: • невосстанавливаемые, для которых работоспособность в случае возникновения отказа, не подлежит восстановлению; • восстанавливаемые, работоспособность которых может быть восстановлена, в том числе и путем замены. К числу невосстанавливаемых объектов можно отнести, например: подшипники качения, полупроводниковые изделия, зубчатые колеса и т.п. Объекты, состоящие из многих элементов, например, станок, автомобиль, электронная аппаратура, являются восстанавливаемыми, поскольку их отказы связаны с повреждениями одного или немногих элементов, которые могут быть заменены. В ряде случаев один и тот же объект в зависимости от особенностей, этапов эксплуатации или назначения может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым. 36 ния: Согласно [19, 29, 30] применяются четыре оценки технического состоя- − оценка «ХОРОШО» (Х). Допустимо при приемочных испытаниях после монтажа или капитального (среднего) ремонта. Соответствует исправному состоянию объекта и характеризует высокое качество ремонтных, монтажных работ и обкатки под нагрузкой; − оценка «ДОПУСТИМО» (Д). Допустимо при длительной эксплуатации. Характеризует полностью работоспособное состояние объекта при малой вероятности отказа. При достижении уровня «Д», контролируют скорость изменения измеряемых параметров; − оценка «ТРЕБУЕТ ПРИНЯТИЯ МЕР» (ТПМ) – ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. Допустимо при непродолжительной эксплуатации. Техническое состояние объекта соответствует «ТПМ», если величина измеряемого параметра превышает уровень «ТПМ» или скорость роста параметра превышает уровень «ТПМ» при абсолютном значении параметра, превышающем уровень «Д». Предупреждает о приближении технического состояния к предельному, наличии развивающихся дефектов, устойчивой постепенной утрате работоспособности и росте вероятности отказа. Служит основанием для проведения более частого текущего обслуживания и/или планомерного вывода объекта в ремонт; − оценка «НЕДОПУСТИМО» (НДП) – ОСТАНОВ. Недопустимо при эксплуатации. Техническое состояние объекта соответствует «НДП», если величина измеряемого параметра превышает уровень «НДП» или скорость роста параметра превышает уровень «НДП» при абсолютном значении параметра, превышающем уровень «Д». Характеризует наличие развитых дефектов, либо высокую скорость их развития и достижение объектом предельного, либо опасного состояния с высокой вероятностью отказа. Служит для немедленного останова объекта и вывода его в ремонт. Продолжительность работы объекта в состоянии НДП должна быть минимальна и определяется регламентом по выводу его из этого состояния. Для оценки качества монтажа оборудования новых производств целесообразно устанавливать уровень технического состояния «ОТЛИЧНО», которому соответствуют границы измеряемых параметров (диагностических признаков) на 30% ниже уровней, установленных для оценки «ХОРОШО». Каждая оценка технического состояния объекта определяет соответствующую совокупность действий персонала по управлению этим состоянием, т.е. каждой оценке должен соответствовать определенный набор операций для поддержания объекта в состояние, как минимум, ТПМ. 2.2. Характеристики надежности технических систем Отказ – это событие, заключающееся в нарушении работоспособного СО. Отказ приводит к полной или частичной утрате работоспособности объекта в процессе его эксплуатации, т. е. нарушаются основные параметры, характери37 зующие его нормальную работу. Сборочные единицы или детали, вызывающие отказ или неисправность объекта, называют дефектными. Критерий отказа – отличительный признак или совокупность признаков, согласно которым устанавливается факт возникновения отказа. • • • • • • • • • • • По типу отказы подразделяются на: отказы функционирования (выполнение основных функций объектом прекращается, например, поломка зубьев шестерни); отказы параметрические (некоторые параметры объекта изменяются в недопустимых пределах, например, потеря точности станка). По своей природе отказы могут быть [42]: случайные, обусловленные непредусмотренными перегрузками, дефектами материала, ошибками персонала или сбоями системы управления и т. п.; систематические, обусловленные закономерными и неизбежными явлениями, вызывающими постепенное накопление повреждений: усталость, износ, старение, коррозия и т. п. Основные признаки классификации отказов: характер возникновения; причина возникновения; характер устранения; последствия отказов; дальнейшее использование объекта; легкость обнаружения; время возникновения. Рассмотрим подробнее каждый из классификационных признаков: • внезапный отказ – отказ, проявляющийся в резком характер (мгновенном) изменении характеристик объекта; возникновения: • постепенный отказ – отказ, происходящий в результате медленного, постепенного ухудшения качества объекта. Различают следующие виды отказов: частичные, полные, ресурсные, нересурсные, приработочные, износные. При внезапном отказе машину подвергают контролю, диагностируют в целях выявления места отказа и его устранения. К такому виду отказов относятся трещины блока, головки блока цилиндров двигателя, поломка пружины клапанного механизма, выход из строя редукционного или предохранительного клапана смазочной системы, появление подсоса воздуха во впускном воздушном тракте, нарушение прокладок, поломка бичей молотильного аппарата или вала зерноуборочного аппарата и др. Внезапные отказы обычно проявляются в виде механических повреждений элементов (трещины – хрупкое разрушение, пробои изоляции, обрывы 38 и т. п.) и не сопровождаются предварительными видимыми признаками их приближения. Внезапный отказ характеризуется независимостью момента наступления от времени предыдущей работы. В процессе технического обслуживания машин обычно измеряют параметры состояния, обусловливающие постепенные отказы. Это относится к таким параметрам, как расход газов, прорывающихся в картер, эффективная мощность двигателя и расход топлива, тепловой зазор механизма газораспределения, подача масляного насоса, износ подшипников качения, шестерен, звездочек, гусеничной и втулочно-роликовой цепей и т. д. лов. Постепенные отказы – связаны с износом деталей и старением материа- причина возникновения: • • • характер устранения: последствия отказа: • устойчивый отказ; • перемежающийся отказ (возникающий / исчезающий). • • легкий отказ (легкоустранимый); средний отказ (не вызывающий отказы смежных узлов – вторичные отказы); тяжелый отказ (вызывающий вторичные отказы или приводящий к угрозе жизни и здоровью человека). • дальнейшее использование объекта: легкость обнаружения: время возникновения: конструкционный отказ, вызванный недостатками и неудачной конструкцией объекта; производственный отказ, связанный с ошибками при изготовлении объекта по причине несовершенства или нарушения технологии; эксплуатационный отказ, вызванный нарушением правил эксплуатации. • полные отказы, исключающие возможность работы объекта до их устранения; • частичные отказы, при которых объект может частично использоваться. • очевидные (явные) отказы; • скрытые (неявные) отказы. приработочные отказы, возникающие в начальный период эксплуатации; отказы при нормальной эксплуатации; износовые отказы, вызванные необратимыми процессами износа деталей, старения материалов и пр. • • • Достижение параметрами состояния совокупности одноименных объектов предельного значения, обусловливающего исчерпание их технического ресурса, можно графически представить в виде плотности распределения ресурса. В случае реализации параметра (изменения параметра конкретного объекта) в виде ломаной кривой пучок будет со стоять из переплетающихся в большей или 39 меньшей степени линий. По абсолютному значению параметры состояния в процессе эксплуатации могут увеличиваться или уменьшаться. В этой связи различают параметры с верхним, нижним и двухсторонними пределами изменения (Рисунок 2.1). Рисунок 2.1 – Параметры состояния с верхним (а), нижним (б) и двухсторонним (в) пределами отклонения. Для оценки технического состояния машины важное значение имеет такой показатель, как эксплуатационная надежность. Надежность – одно из важнейших свойств, характеризующих качество изделия (объекта). В соответствии с ГОСТ 27.002-89 под надежностью понимают свойства объекта выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в установленных пределах в течение рассматриваемого промежутка времени или требуемой наработки при определенных условиях использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования. Надежность изделия характеризуется его безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью. Сохраняемость – свойство объекта непрерывно сохранять исправное и (или) работоспособное состояние в течение и после хранения и (или) транспортирования. При оценке продолжительности обнаружения причин отказов, повреждения и устранения их последствий путем проведения ремонта и технического обслуживания можно определить ремонтопригодность объекта. 40 Ремонтопригодность – свойство изделия, заключающееся в его приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонта. В техническом диагностировании применяют термин «контролепригодность». Понятие отказа и представление плотности распределения ресурса являются основополагающими для характеристик безотказности и долговечности объекта. Безотказность – свойство объекта (изделия, машины и т.д.) сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки без вынужденных перерывов на устранение отказов. Характеризуется частотой появления отказов. Долговечность – свойство объекта (изделия, машины и т.д.) сохранять работоспособность до наступления предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта. Основные показатели долговечности – срок службы и ресурс. Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации объекта (изделия, машины и т.д.) до момента возникновения предельного состояния, оговоренного в технической документации, или до списания. Ресурс – наработка от начала эксплуатации нового или капитально отремонтированного объекта (изделия, машины и т.д.) (или его составной части) до наступления предельного состояния, оговоренного в технической документации. На рисунке 3.2. приведена графическая интерпретация перечисленных показателей, при этом: t0 = 0 – начало эксплуатации; t1, t5 – моменты отключения по технологическим причинам; t2, t4, t6, t8 – моменты включения объекта; t3, t7 – моменты вывода объекта в ремонт, соответственно, средний и капитальный; t9 – момент прекращения эксплуатации; t10 – момент отказа объекта. Рисунок 2.2 Технический ресурс (наработка до отказа) ТР = t1+ (t3 – t2 ) + (t5 – t4) + (t7 – t6) + (t10 – t8). Назначенный ресурс ТН = t1 + (t3 –t2 ) + (t5 – t4 ) + (t7 –t6 ) + (t9 –t8 ). Срок службы объекта ТС = t10 . Для парка объектов определяют γ -процентный ресурс, т. е. ресурс, который имеет или будет иметь обусловленное число (γ процентов) объектов данного типа. Обусловленный процент объектов γ является регламентированной вероятностью числа объектов с указанным техническим ресурсом. Если, на41 пример, γ = 90% , то соответствующий ресурс (наработку до предельного состояния) называют «девяностопроцентным ресурсом». Различают ресурсы объекта: до первого капитального ремонта; между капитальными ремонтами; полный технический ресурс и остаточный. Остаточный ресурс - наработка объекта (или его составной части) от последней проверки его технического состояния до предельного. Кроме фактических и нормативных значений срока службы и технического ресурса применяют также понятия гарантийных сроков службы и ресурса, т.е. в течение которых завод-изготовитель гарантирует исправность объекта и несет материальную ответственность за возникшие неисправности при условии соблюдения правил эксплуатации и технического обслуживания. Статистические показатели безотказности. Вероятность безотказной работы P(t) есть вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникает. Статистически вероятность безотказной работы можно определить отношением числа объектов, безотказно проработавших до момента времени t, к числу объектов, работоспособных в начальный момент времени. N (t ) P (t ) = , (1.1) N где N(t) – число объектов, безотказно проработавших до момента времени t; N – число объектов, взятых под наблюдение. В начальный момент времени (перед испытаниями) все объекты являются исправными, т. е. выполняется равенство N(t) = N, P(t) = 1. Если испытания проводятся до отказа всех N объектов, то в конце испытаний N(t)=0; P(t)=0. Следовательно, вероятность безотказной работы в течение конечных интервалов времени может иметь значения 0 ≤ P (t ) ≤ 1 . Из теории вероятностей следует, что вероятность суммы двух несовместимых противоположных событий равна единице. P (t ) + Q(t ) = 1 , (1.2) где Q(t) – вероятность отказа. Отсюда: N (t ) N − N (t ) Q(t ) = 1 − P (t ) = 1 − = , (1.3) N N где N - N(t) – число отказавших объектов к моменту времени t. С увеличением наработки вероятность безотказной работы уменьшается, а вероятность отказа возрастает. На рис. 2.3 оба графика характеризуют распределение случайного времени безотказной работы. Однако кривая Q(t) показывает вероятность того, что в течение времени t отказ наступит, а кривая P(t) позволяет найти вероятность того, что отказа за время t не произойдет. 42 Рисунок 2.3. – Изменение вероятности безотказной работы P(t) и вероятности появления отказов Q(t) от наработки t. Надежность, являясь комплексным свойством объекта выполнять определенные задачи в определенных условиях эксплуатации, характеризуется рядом таких свойств, как безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность; безаварийность – свойство объекта не достигать в ходе длительной эксплуатации предельных состояний при преднамеренных или непреднамеренных внешних воздействиях; безопасность – свойство объекта не допускать аварий и ситуаций, опасных для людей и окружающей среды. Количественными оценками этих показателей являются соответствующие вероятности безотказной (безаварийной, безопасной) работы на интервале времени (0, t) при условии, что отказ (авария, опасная ситуация) не произойдут Рi(t). Вероятность Рi(t) как функция времени называется функцией надежности (безотказности, безопасности и т.д.). Дополнение функции Рi(t) до 1 описывает вероятность возникновения противоположного события, состоящего в том, что отказ (авария, опасная ситуация или производственная неполадка) все же произойдут: Qi(t) = 1- Рi(t). (1.4) Функция Qi(t) называется функцией риска возникновения отказа (аварии, опасной ситуации или производственной неполадки). Функции надежности и риска обладают соответствующими плотностями: f i (t ) = dPi (t ) dQ (t ) dP (t ) ; qi (t ) = i = − i = λi (t ) Pi (t ) , dt dt dt (1.5) где λi(t) – интенсивность соответствующих (1.4) отказов объекта – плотность вероятности отказа объекта к моменту времени t, при условии, что до этого отказ не произошел; i – индекс соответствующего показателя надежности объекта: i=1 – безотказность; i=2 – безаварийность; i=3 – безопасность и т.д. Важным свойством объекта является также ремонтопригодность, заключающаяся в его приспособленности к обслуживанию и ремонту. Безотказность и ремонтопригодность характеризуются коэффициентом готовности объекта К(t), отражающим относительную величину времени нахождения объекта (совокупности объектов) в работоспособном состоянии, и коэффициентом простоя k(t) – вероятностью того, что в момент времени t объект (совокупность объектов) находится в состоянии простоя (в т.ч. ремонта): k(t) = 1- К(t). (1.6) Средняя наработка до отказа есть математическое ожидание наработки объекта до первого отказа. 43 Статистически средняя наработка до отказа определяется отношением суммы наработки испытуемых объектов до отказа к числу наблюдаемых объектов, если они все отказали за время испытаний. Ni T1 = ∑ i =1 ti N1 , (1.7) где ti — наработка i-го объекта до первого отказа; N1 — число отказавших объектов. Оценка средней наработки до отказа зависит от плана испытаний и закона распределения наработки до отказа. Интенсивность отказов – есть условная плотность вероятности возникновения отказа невосстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени, при условии, что до этого момента отказ не возник. Плотность вероятности отказа в момент t – предел отношения вероятности отказа в интервале времени от t до (t + ∆t ) к величине интервала ∆t при ∆t → 0 . Физический смысл плотности вероятности отказа – это вероятность отказа в достаточно малую единицу времени. Из определения интенсивности отказов λ (t ) : P (t )λ (t )∆t = f (t )∆t , (1.8) где f(t) – плотность распределения наработки до отказа. Из этого соотношения: f (t ) (1.9) λ (t ) = P (t ) Статистически интенсивность отказов определяется отношением разности между числом отказов r (t + ∆t ) на момент времени (t + ∆t ) и числом отказов r(t) на момент времени t к длительности интервала времени ∆t : r (t + ∆t ) − r (t ) N (t ) − N (t + ∆t ) . (1.10) λ (t ) = = N (t )∆t N (t )∆t Параметр потоков отказов ω (t ) есть плотность вероятности возникновения отказов восстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени. Рассмотрим эксплуатацию восстанавливаемых объектов. В начальный момент времени изделие начинает работу и работает до отказа. При отказе происходит восстановление объекта, и он вновь работает до отказа и т. д. Моменты отказов формируют поток отказов. В качестве характеристики потока отказов используют математическое ожидание числа отказов Ω(t ) за время t: Ω(t ) = M {r (t )} (1.11) Математическое ожидание числа отказов за интервал времени (t1, t2 ) определяют по формуле: M {r (t1, t2 )} = Ω(t2 ) − Ω(t1 ) , 44 (1.12) где r (t1, t2 ) — число отказов за интервал времени (t1, t2 ) . Функция: M {r (t1, t2 + ∆t )} ω (t ) = lim = Ω(t ) ∆t →0 ∆t (1.13) называется интенсивностью потока отказов восстанавливаемого объекта. При экспоненциальном законе распределения наработки между отказами: ω (t ) = λ . (1.14) Наработка на отказ есть отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки. Статистически наработка на отказ определяется отношением суммарной наработки восстанавливаемых объектов к суммарному числу отказов этих объектов: N T= ∑ ti i =1 N ∑ ri , (1.15) i =1 где ti - наработка i-го объекта за период наблюдений; ri - число отказов i-го объекта за период наблюдений. Средний ресурс Tcp - математическое ожидание ресурса. Отличительная особенность показателей средней наработки до отказа от среднего ресурса заключается в том, что первый показатель относится к объекту, восстанавливаемому после отказа без капитального ремонта. Например, отказ форсунок дизеля не ведет к его капитальному ремонту. Средний же ресурс относится к объекту, отказ которого обусловливает предельное состояние, т.е. проведение капитального ремонта. Техническое состояние машины изменяется в зависимости от наработки или времени работы. Наработка t – продолжительность или объем работы объекта. Отклонение параметра состояния объекта от номинального значения, в частности износ детали, под действием первой группы факторов в постоянных эксплуатационных условиях характеризуется гладкой возрастающей (выпуклой или вогнутой) кривой. Если взять не один объект, а несколько, то получим совокупность возрастающих кривых, отличающихся одна от другой скоростью изменения параметра. Такую совокупность кривых обычно получают в результате заводских или лабораторных испытаний объектов, работающих при постоянном режиме. Если рассматриваемые параметры состояния применяют для оценки хранения и транспортирования, то формулы (3.2) и (3.3) пригодны для характеристики сохраняемости объекта, определения, например, вероятности безотказного хранения и транспортирования. Долговечность машин закладывается при их проектировании и конструировании, обеспечивается в процессе производства и поддерживается в процессе эксплуатации. Таким образом, на долговечность влияют конструкционные, технологические и эксплуатационные факторы, которые по степени своего 45 воздействия позволяют классифицировать долговечность на три вида: требуемую, достигнутую и действительную. Требуемая долговечность задается техническим заданием на проектирование, определяется достигнутым уровнем развития техники в данной отрасли. Достигнутая долговечность обуславливается совершенством конструкторских расчетов и технологических процессов изготовления. Действительная долговечность характеризует фактическую сторону использования машины потребителем. В большинстве случаев требуемая долговечность больше достигнутой, а последняя больше действительной. В то же время не редки случаи, когда действительная долговечность машин превышает достигнутую. Например, при норме пробега до капитального ремонта (КР), равной 120 тыс. км, некоторые водители при умелой эксплуатации автомобиля достигли пробега без капитального ремонта 400 тыс. км и более. Действительная долговечность подразделяется на физическую, моральную и технико-экономическую. Физическая долговечность определяется физическим износом детали, узла, машины до их предельного состояния. Для агрегатов определяющим является физический износ базовых деталей (у двигателя - блок цилиндров, у коробки передач - картер и др.). Моральная долговечность характеризует срок службы, за пределами которого использование данной машины становится экономически нецелесообразным ввиду появления более производительных новых машин. Технико-экономическая долговечность определяет срок службы, за пределами которого проведение ремонтов данной машины становится экономически нецелесообразным. Основными показателями долговечности машин являются технический ресурс и срок службы. Технический ресурс есть наработка объекта от начала эксплуатации или ее возобновления после среднего или капитального ремонтов до наступления предельного состояния. Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации объекта от ее начала или возобновления после среднего или капитального ремонтов до наступления предельного состояния. Эти показатели для конкретных видов машин могут быть выражены в виде средних значений ресурсов и сроков службы отдельно до капитального ремонта, между капитальными ремонтами и до списания машины. При наличии данных о ресурсе (сроке службы) N объектов статистическая оценка среднего ресурса Тр (среднего срока службы) определяется по формуле 1 N T p = ∑ t рi N i =1 где tрi – ресурс i-го объекта. 46 Кроме средних ресурсов и сроков службы для оценки долговечности часто применяется Гамма-процентный ресурс Tpγ , который представляет собой наработку, в течение которой объект не достигает предельного состояния с заданной вероятностью процентов. Заданный процент объектов является регламентированной вероятностью. Если γ = 90% , то соответствующий ресурс следует называть девяностопроцентным. Гамма-процентный ресурс определяется из уравнения: 1 − FP (t ) = γ 100 (1.16) где γ – заданный процент объектов; FP (t ) – функция распределения ресурса. Контрольные вопросы 1. Техническая диагностика – это … ? 2. Основной предмет ТД – это … ? 3. Поясните цели и задачи технической диагностики. 4. Техническое состояние объекта – это … ? 5. Мониторинг технического состояния объекта – это … ? 6. Мониторинг параметров – это … ? 7. Контроль технического состояния объекта – это … ? 8. Прогнозирование технического состояния объекта – это … ? 9. Виды технического состояния объекта и их характеристики. 10. Оценки технического состояния объектов. 11. Основные характеристики надежности объектов. 12. Отказ – это … ? 13. Критерии отказов по типу. 14. Критерии отказов по природе. 15. Основные признаки классификации отказов. 16. Что понимают под надежностью? 17. Сохраняемость объекта – это … ? 18. Ремонтопригодность – это … ? 19. Безотказность – это … ? 20. Долговечность – это … ? 21. Основные показатели долговечности. 22. Основные статистические показатели безотказности. 23. Поясните показатель «Вероятность безотказной работы». 24. Поясните показатель «Средняя наработка до отказа». 25. Поясните показатель «Интенсивность отказов». 26. Поясните показатель «Средний ресурс». 27. Поясните показатель «Наработка». 28. Поясните показатель «Долговечность». 29. Поясните показатели «Технический ресурс», «Срок службы», «Средний ресурс». 30. Поясните показатель «Срок службы». 31. Поясните показатель «Гамма-процентный ресурс». 47