Область техники

Изобретение относится к области неразрушающего контроля (далее HK) несплошностей, неоднородностей и других дефектов материала изделия или группы изделий (деталей, элементов конструкций и т.п.) в том числе ультразвукового, вихретокового, радиографического и других методов HK. Изобретение может применяться при оценке качества, надежности и безопасности изделия по результатам HK, оценке пригодности средств и методов HK, достаточности уровня квалификации операторов HK, организации контроля изделий во время эксплуатации и/или изготовления.

Уровень техники

В соответствии с существующей практикой в современной технике проводится HK ответственных изделий после изготовления, перед началом эксплуатации и во время эксплуатации. При этом предполагается, что в результате HK выявляются все дефекты, доступные для выявления данным методом контроля. Все несплошности, неоднородности и тому подобные аномалии металла, если они превышают допустимые размеры, классифицируются как дефекты и устраняются ремонтом. Считают, что после HK и ремонта выявленных дефектов других дефектов в изделии нет (см., например, «Oбopyдoвaниe и трубопроводы атомных энергетических установок. Сварные соединения и наплавки. Правила контроля)), ПHAЭГ-7-010-89, Госатомнадзор России, Энергоатомиздат, 1991г.). Такая же практика сложилась и в других странах. Таким образом, считается, что исходно (до HK) в изделии были те дефекты, которые выявились в процессе контроля, а после контроля и ремонта выявленных дефектов в изделии дефектов не осталось. Однако при оценке как исходной дефектности изделия, так и остаточной дефектности (т.е. дефектности, оставшейся в изделии после его

контроля и ремонта выявленных дефектов) не учитывают реальную выяв- ляемость дефектов, присущую использованным методам контроля и операторам HK с определенным уровнем классификации. Известно (например, Гурвич А.К. «Haдeжнocть дефектоскопического контроля как надежность комплекса «Дeфeктocкoп - оператор - cpeдa», Дефектоскопия, 1992 г., N°3, с. 5-13), что практически во всех случаях HK имеется существенная вероятность пропуска дефекта больших размеров, превышающих допустимые размеры. На практике оказывается, что практически всегда после HK и ремонта выявленных дефектов в изделии еще остаются дефекты. Именно эти дефекты в конечном итоге и определяют надежность и работоспособность изделия.

Известны способы определения дефектности изделия, при котором определяют исходную дефектность изделия, однако доказательств того, что выявленные дефекты и есть находящиеся в изделии дефекты, отсутствуют. Как правило, в изделии остаются еще и не выявленные дефекты.

Таким образом, известные способы не обеспечивают полное выявление дефектов и не позволяет производить оценку пропущенных при контроле дефектов, что отрицательно влияет на надежность и работоспособность изделия.

Известен способ определения дефектности изделия, при котором определяют исходную дефектность изделия, причем измеряемые при контроле параметры выбраны из условия обеспечения максимально возможной достоверности контроля путем уменьшения вероятности принятия ошибочного решения (Авторское свидетельство СССР N° 1406888, 1995г.)

Однако указанный способ не обеспечивает полное устранение остаточной дефектности и не позволяет производить ее оценку, что отрицательно влияет на надежность и работоспособность изделия.

Известен также способ определения дефектности изделия (ГOCT14782-86), по которому изготавливают стандартный образец с де-

фектом малого размера, полученным сверлением или фрезерованием, по которому настраивается чувствительность, определяющая достоверность данного метода контроля (и средств контроля). Считается, что чем выше чувствительность, тем выше достоверность HK, но количественных характеристик этой взаимосвязи в указанном способе не установлено, т.е. способ не позволяет произвести оценку реальной дефектности как до, так и после ремонта выявленных дефектов. Недостатком является также то, что стандартные образцы не привязывают к реальным конструкциям, к размерам и типам дефектов, влияющих на качество, надежность и безопасность эксплуатации изделия, при этом способ не дает представления о действительной достоверности HK.

Сущность изобретения

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в том, что оно позволяет произвести оценку реальной дефектности изделия как до контроля, так и после контроля и ремонта выявленных дефектов, и установить границу между размерами дефектов, которые достоверно существуют в изделии (вероятность их существования равна 1), и размерами дефектов, которые могут быть, а могут и не быть в изделии (вероятность их существования меньше 1).

Технический результат заключается также в том, что за счет знания исходной (до контроля) и остаточной (после контроля и ремонта выявленных дефектов) дефектности изделия повышается точность оценки реального состояния изделия, появляется возможность надежной и безопасной его эксплуатации, можно более точно судить о приемлемости тех или иных методов HK, качества технологии изготовления изделия. Кроме того, появляется возможность оценить достоверность HK, проведенного на одном или группе однотипных изделий, с учетом всех реальных особенностей конструкции изделия, технологии его изготовления, условий проведения контроля, квалификации и добросовестности операторов HK, прово-

дивших контроль, а также других факторов, оказывающих влияние на результаты контроля.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения дефектности изделия, включающий изготовление тест-образца, предназначенного для определения характеристик неразрушающего контроля не- сплошностей в материале изделия, контроль этого тест-образца методом неразрушающего контроля, по результатом которого судят о достоверности контроля, и контроль изделия, который производится тем же методом, что и контроль тест-образца, тест-образец изготавливают в форме изделия или его наиболее ответственной части из того же материала и по той же технологии, что и изделие, с расположенными случайным образом дефектами с различными характеристическими размерами χ, достоверность контроля определяют как вероятность обнаружения дефектов P _вoд (χ):

* вод (%) liобн mo\ %)' ™ зал mo\ к)i где N _{oбн m0} — число обнаруженных при контроле тест-образца дефектов,

N _{зал то} - число заложенных при изготовлении образца дефектов, при контроле изделия результаты контроля представляют в виде гистограммы в координатах (χ, N _o в _{н U30} ), где N _o в _{н uзo} — число обнаруженных при контроле изделия дефектов данного размера, определяют кривую исходной дефектности N _ucx :

N _ucx (χ) = N _{oбн шд} (χ) IP _вoд (χ), проводят ремонт выявленных дефектов и определяют остаточную дефектность N _ocm как разность N _ucx и N _{oбн uзд} , причем тест-образец содержит три группы дефектов: дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров дефектов, допустимых при эксплуатации, до размеров, критических для изделия в режиме эксплуатации; дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров допустимых при изготовлении изделия до размеров дефектов, допустимых при эксплуатации; дефекты, размеры ко-

торых лежат в интервале от размеров минимально доступных для выявления дефектов, до размеров дефектов, допустимых при изготовлении, при этом первые два типа дефектов имитируют дефекты эксплуатационной природы, а третьего типа - технологической, остаточную дефектность

^N Ъ, _f i _cЖп ^в области дефектов, важных для безопасности, определяют в виде числа дефектов в изделии, размеры которых равны или больше критических размеров χ^ в режиме эксплуатации изделия:

у / L _ fуu ( γЛИγ '

^{J V} остfiезоп J ост \Л J ^U Л »

Хкр остаточную дефектность N£ _mЛэ в области дефектов, важных для надежности, определяют в виде числа дефектов, размеры которых превышают размеры дефектов [χЬ _.э. , предельно допустимых в эксплуатации изделия:

;

остаточную дефектность N^ _{m mг} в области дефектов, определяющих качество изготовления, в виде числа дефектов, размеры которых превышают размеры [y} _uзг допустимых при изготовлении несплош- ностей:

где χ _пpeд. - предельно возможный характеристический размер дефекта,

Как правило, в качестве характеристического размера χ дефекта выбирается линейный размер дефекта, или комбинация линейных размеров дефекта, или площадь дефекта, или объем дефекта.

Как правило, полученную кривую исходной дефектности апроксими- руют уравнением типа N _ucx = А exp(-пχ), шιиN _ucx = A _χ χ ^'п " , или N _ucx = A _a a ^' "" ,

или N _UCI = 4 _, Д«Vc) ^"v , или N _ucx = A _F F- ^Я ' , где а, с - линейные размеры дефекта, F - площадь дефекта, п, A - коэффициенты, выбираемые из условия максимального приближения аналитической кривой к экспериментальным данным.

Поставленная задача решается также тем, что в способе определения дефектности изделия, включающем контроль изделия методом неразру- шающего контроля и ремонт выявленных дефектов,, для конкретного изделия или группы m однотипных изделий определяют критические размеры Х _кр дефектов в режиме эксплуатации, допустимые в эксплуатации размеры [χ]д _э дефектов и допустимые в изготовлении размеры [χ] _uзг дефектов, результаты контроля представляют в виде гистограммы в координатах (N _oбн , χ), где N _oбн - число обнаруженных при контроле дефектов, χ - характеристический размер дефекта, апроксимируют гистограмму уравнением N ₀₆₁₁ (Z) = Лχ ^~ " {1 - (1 - ή) exp[-α(^ - Z ₀ )] - η) , или ^N oб» (Z) = А exp(-иj) {1 - (1 - η) exp[-lQr - χ _o )] - η} _> где А, п, а, η — постоянные, которые определяют из условия максимального приближения уравнения N _oбн (χ) к результатам контроля, представленным в виде гистограммы,

Xo - минимально доступный для выявления размер дефекта, определяют исходную дефектность N _ucx по формуле:

N _ucx = Aχ ^~ " , или N _ucx = Aexp(-пχ) , а вероятность обнаружения дефекта P _вoд по формуле: ^p e«> = ^{ι ~} С ¹ - V) exp[-«ClГ - Zo)] - V , определяют остаточную дефектность N _ocm как разность N _ucx и N _oбн , при этом N _ocm определяют в трех диапазонах: остаточную дефектность

^N Ъ _пf i _eзпП ^в области дефектов, важных для безопасности, определяют в виде числа дефектов в изделии, размеры которых равны или больше критических размеров χ^ в режиме эксплуатации изделия:

5 остаточную дефектность N ₀ ^ ₁₀₀ в области дефектов, важных для надежности, определяют в виде числа дефектов, размеры которых превышают размеры дефектов [χ] _ό.э , предельно допустимых в эксплуатации изделия:

остаточную дефектность N^ _{11 113} , в области дефектов, определяющих качество изготовления, в виде числа дефектов, размеры которых превышают размеры [χ\ _uзг допустимых при изготовлении несплош- ностей:

где χ _пpeд - предельно возможный характеристический размер дефекта, т - число однотипных изделий.

Как правило, в качестве характеристического размера χ дефекта выбирается линейный размер дефекта, или комбинация линейных размеров дефекта, или площадь дефекта, или объем дефекта.

В частности, минимально доступный для выявления размер дефекта Xo определяют при настройке дефектоскопа, применяемого при контроле изделия, или как минимальный размер дефекта, который был выявлен при контроле.

В частности, постоянную η принимают равной 0.

Поставленная задача решается также тем, что в способе определения качества изделия, включающий определение дефектности изделия методом неразрушающего контроля, определяют критические размеры χ^ дефектов в режиме эксплуатации, допустимые в эксплуатации размеры [χЬ _.э. дефектов и допустимые в изготовлении размеры [χ]^ дефектов, результаты контроля представляют в виде гистограммы в координатах (N _Oбн , X), где N _об н - число обнаруженных при контроле дефектов, χ - характеристический размер дефекта, определяют вероятность обнаружения дефекта P _вoд , определяют исходную дефектность N _ucx =Дχ), определяют остаточную дефектность N _ocm = φ(χ) как разность N _ucx и N _oбн , причем N _ocm оп- ределяют в трех диапазонах: остаточную дефектность N^ _1161130n в области дефектов, важных для безопасности, определяют в виде числа дефектов в изделии, размеры которых равны или больше критических размеров χ^ в режиме эксплуатации изделия:

п -сLт.безоп 5 остаточную дефектность N∑ _{m д :)} в области дефектов, важных для надежности, определяют в виде числа дефектов, размеры которых превышают размеры дефектов [χ] _< ь _. , предельно допустимых в эксплуатации изделия:

остаточную дефектность N^ _{m uзг} в области дефектов, определяющих качество изготовления, в виде числа дефектов, размеры которых превышают размеры [χ] _uзг допустимых при изготовлении несплош- ностей:

Ni эг = — \ ^N ocЛz)dχ

где χпред. - предельно возможный характеристический размер дефекта, т — число однотипных изделий, остаточную дефектность разделяют на достоверную часть χ < χ^, и вероятностную часть χ > fø, где χ - характеристический размер дефекта, fø - размер дефектов на границе между достоверной и вероятностной частями, определяемый из: χмакс

где i _макс - максимально возможные размеры дефектов в данном изделии; значение fø сравнивают с [χ]д. _э . и [y]uзг _> и по результатам сравнения делают заключение о качестве изделия и возможности его эксплуатации.

Как правило, в качестве характеристического размера χ дефекта выбирается линейный размер дефекта, или комбинация линейных размеров дефекта, или площадь дефекта, или объем дефекта.

В одном из вариантов гистограмму (N _Oбн , χ) апроксимируют уравнением

KM) = Aχ-" {\ - (l - η) _e χp[-a(χ - χ _o )] - η} , где А, п, а, η - постоянные, которые определяют из условия максимального приближения уравнения N _oбн (χ) к результатам контроля, представленным в виде гистограммы,

Xo - минимально доступный для выявления размер дефекта, исходную дефектность N _ucx определяют по формуле: T ¹ V ' исх = A "-Лy ^' " а вероятность обнаружения дефекта -P _βOό Пo формуле: Ко, = 1 " 0 " П) exp[-or(^ - Z ₀ )] ^~ η .

В частном случае в качестве характеристического размера принимают малую полуось а эллипса, которым схематизируют дефект, при этом соотношение а/с принимают постоянным для всех а, определяемым из условия максимальной скорости развития дефекта в эксплуатационных услоfljяк.этом tø _изг определяют для конкретного изделия или группы m однотипных изделий, причем при контроле m однотипных изделий все результаты контроля суммируют и представляют в виде одной гистограммы.

При этом минимально доступный для выявления размер дефекта χ ₀ определяют при настройке дефектоскопа, применяемого при контроле изделия, или как минимальный размер дефекта, который был выявлен при контроле.

Для упрощения вычислений постоянную η принимают равной 0.

В другом варианте изготавливают тест-образец, предназначенный для определения характеристик неразрушающего контроля несплошностей в материале изделия, осуществляют контроль этого тест-образца методом неразрушающего контроля, и контроль изделия, который производится тем же методом, что и контроль тест-образца, при этом тест-образец изготавливают в форме изделия или его наиболее ответственной части из того же материала и по той же технологии, что и изделие, с расположенными случайным образом дефектами с различными характеристическими размерами χ, определяют вероятность обнаружения дефектов P _вoд (γ):

* вод (50 •* ' обн тоСХJ' * * зал mo\ fjt где N _{oбн m0} - число обнаруженных при контроле тест-образца дефектов,

N _{зcuι mo} - число заложенных при изготовлении образца дефектов, исходную дефектность определяют как:

N _ucx = N _{0бн uзд} /P _в0д (χ)

гистограмму (N _ucx ,χ) апроксимируют уравнением N _ucx =f(χ) или

N _ucx =f(a,c), где a,c - линейные размеры дефектов, а при определении остаточной дефектности N _ocm используют выражение

N _ocm =N _UCX -[1- P _вoд (%)] или N _ocm =N _UCX - N _oбн ; а граничное значение & разделяющее достоверную и вероятностную части остаточной дефектности определяют из уравнения χмакс

≠

При этом тест-образец содержит три группы дефектов: дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров дефектов, допустимых при эксплуатации, до размеров, критических для изделия в режиме эксплуатации; дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров допустимых при изготовлении изделия до размеров дефектов, допустимых при эксплуатации; дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров минимально доступных для выявления дефектов, до размеров дефектов, допустимых при изготовлении при этом первые два типа дефектов имитируют дефекты эксплуатационной природы, а третьего типа - технологической, остаточную дефектность N^ _{m бeзпп} в области дефектов, важных для безопасности, определяют в виде числа дефектов в изделии, размеры которых равны или больше критических размеров %, _p в режиме эксплуатации изделия:

остаточную дефектность N∑ _{кд з} в области дефектов, важных для надежности, определяют в виде числа дефектов, размеры которых превышают размеры дефектов [χЬ _.э ., предельно допустимых в эксплуатации изделия:

N т £∑п* _{д 3э} == frосЛzW,

Xo J остаточную дефектность N^ _{m uзг} в области дефектов, определяющих качество изготовления, в виде числа дефектов, размеры которых превышают размеры X ₁₁₃₂ допустимых при изготовлении несплош- ностей:

N ГlLL,u,г -=r- JN _ocm (χ)dχ ,

Xw где χ _пред. - предельно возможный характеристический размер дефекта

В частном случае гистограмму (N _ucx ,χ) апроксимируют уравнением типа N _ucx = A _χ exp(-п _z χ) , или N _UCJC = A _n exp(-и _β α) , или N _ucx = A _{a c} exp[-и _{Й C} (α7c)], или N _ucx = A _F eχp(-иF) , или

N UC _* = АХ ^' "" > ^{ИЛИ N} ∞ = А _* " ^' "' ' ^{ИЛИ N} « _* = ^A aЛ ^a2 l ^C У" ^" - ^' » ^{ИЛИ N} ua = ^^ , где а, с - линейные размеры дефекта, F - площадь дефекта, п, А - коэффициенты, выбираемые из условия максимального приближения аналитической кривой к экспериментальным данным

Краткое описание чертежей

На фиг.l схематически изображен дефект в трубопроводе, на фиг.2 изображено распределение дефектов критических размеров, допустимых в эксплуатации размеров и допустимых размеров несплошностей при изготовлении (соответствующие нормы на изготовление приведены в таблице НТД ПHAЭГ-7 010-89), на фиг. 3 - характеристика достоверности HK в виде зависимости вероятности обнаружения дефектов .P ₀₀ ^ от его размера (в данном случае - ширины а), на фиг. 4 - гистограмма выявленных в изделии дефектов, на фиг. 5 - исходная дефектность изделия, на фиг. 6 - остаточная дефектность изделия, на фиг. 7 показаны результаты

контроля изделия в примере 2, на фиг. 8 - функции исходной дефектности

N _ucx (%), остаточной дефектности N _ocm (χ), и вероятности обнаружения дефектов P _вoд (χ), определенные по результатам HK изделия. На фиг. 9 показана вероятностная часть остаточной дефектности.

Варианты выполнения способа

Способ применяется для конкретного изделия или группы однотипных изделий, качество изготовления, надежность и безопасность которого необходимо обеспечить с применением известного метода HK при проведении контроля оператором известной квалификации. При реализации способа определения исходной и остаточной дефектности изделия и вероятности обнаружения, а также определения качества изделия по достоверной и вероятностной частям остаточной дефектности дефектов методами механики разрушения определяют критические размеры дефектов в режиме эксплуатации для данного изделия χ^ , предельно допустимые в эксплуатации дефекты [χ\ _{д э} , допустимые в изготовлении размеры дефектов [χ]^ (нормы дефектов изделия), определяемые по действующим нормативным документам и/или ТУ на изготовление ( _χ характеристический размер дефекта, например, выбирается линейный размер дефекта, или комбинация линейных размеров дефекта, или площадь дефекта, или объем дефекта). Надо отметить, что дефекты, определяющие качество - это дефекты, размеры которых находятся в интервале от размеров минимальных доступных для выявления дефектов (поискового) до размеров дефектов, допустимых при изготовлении и выше; дефекты определяющие надежность - это дефекты, размеры которых находятся в интервале от браковочного при изготовлении до допустимого при эксплуатации и выше; дефекты, определяющие безопасность - от допустимых при эксплуатации до критических размеров и выше. В некоторых вариантах способ предполагает использование тест-образца, в этом случае определение размеров дефектов производят перед изготовлением тест-образца.

С учетом реальных эксплуатационных нагрузок и условий определяют для изделия (например, трубопровода, рис.l) методами механики разрушения (с учетом коэффициентов безопасности) дефекты (несплошности):

Распределение дефектов критических размеров (кривая 3), допустимых в эксплуатации размеров (кривая 2), а также допустимые размеры не- сплошностей при изготовлении (кривая 1) изображены на фиг.2

При реализации способ определения исходной и остаточной дефектности изделия с использованием тест— образца он изготавливается по форме изделия и в масштабе примерно 1 : 1 к изделию или его наиболее ответственной части. Наиболее ответственная часть изделия — это та часть изделия, в которой наиболее вероятно возникновение дефектов (сварные швы, места максимальных эксплуатационных воздействий и т.п.) или разрушение которых представляет опасность. Тест-образец выполняют из того же материала и по той же технологии, что и изделие. В тест-образцы закладывают искусственные дефекты трех типов:

-дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров дефектов допустимых при эксплуатации до размеров критических для изделия в режиме эксплуатации дефектов,

-дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров допустимых при изготовлении дефектов до размеров дефектов, допустимых при эксплуатации,

-дефекты, размеры которых лежат в интервале от размеров минимальных доступных для выявления дефектов до размеров дефектов, допустимых при изготовлении (при этом допустимо, чтобы верхняя граница интервала превышала размеры дефектов допустимых при изготовлении).

При этом первые два типа дефектов (несплошностей) должны имитировать дефекты эксплуатационной природы, а третьего типа - технологической Эксплуатационные дефекты - дефекты, которые могут развиться от

технологических дефектов или зародиться и развиться под действием эксплуатационных нагрузок (трещины усталости, трещины коррозионного растрескивания под напряжением и т.п.), технологические дефекты - это дефекты, возникновение которых связано с особенностями технологии изготовления или монтажа (непровары, несплавления, поры и т.п. При этом возможна закладка различного сочетания типов дефектов (одного, любых двух, трех), при необходимости, возможно также изготовление различного числа образцов, в каждом из которых будет заложен один тип дефектов или их различное сочетание.

Все заложенные дефекты должны быть скрытыми от операторов HK, т.е. быть внутренними (подповерхностными) или, если дефект поверхностный, располагаться в месте, недоступном для визуального обнаружения (или иметь размеры, которые невозможно зафиксировать визуально).

Также следует отметить, что дефекты располагают в образце случайным образом, например, с использованием таблиц случайных чисел.

Минимальное допустимое расстояние между дефектами определяют исходя из условия существования одиночных дефектов (если закладываются одиночные дефекты) или меньше - для групповых трещин (условия взаимного влияния известны, например, Методические рекомендации MP 108.7-86, M., ЦНИИТМАШ, 1986).

Число дефектов каждого типа должно быть достаточным для статистической обработки результатов, например, не менее 9шт. (При меньшем количестве результаты менее достоверны).

Любой дефект консервативно можно смоделировать трещиной, а любую трещину можно описать эллипсом с полуосями: короткой а и длинной с.

Возможны различные варианты закладки дефектов в тест-образец:

В тест-образец закладывают дефекты в виде эллипсов, а соотношение осей эллипса принимают исходя из условия максимальной скорости роста дефекта в эксплуатационном поле напряжений;

В тест-образец закладывают дефекты в виде эллипсов, при этом соотношение осей эллипса принимают произвольное, а в качестве характеризующей размер дефекта величины принимают площадь плоскостного дефекта или площадь проекции объемного дефекта на плоскость вероятного развития дефекта;

В тест-образец закладывают дефекты в виде эллипсов, при этом количество дефектов и соотношение осей эллипса выбирают с использованием математических методов планирования эксперимента, исходя из условия минимизации числа закладываемых дефектов (К.Дэниел, Применение статистики в промышленном эксперименте, из-во «Mиp», M. 1979);

В случае, если закладываемые в тест-образец дефекты не имеют форму эллипса, то их схематизируют эллипсами.

После изготовления тест-образца производят его контроль с использованием тех же средств и методов контроля и операторами той же квалификации, которые затем будут применяться при контроле изделия, результаты контроля сравниваются с реальными дефектами, заложенными в тест- образец.

Для каждого характеристического размера дефекта определяется достоверность в виде функции вероятности обнаружения дефектов P _вoд (χ):

P вод (%) = N _oбн тоbύlNзал mo(%), где N _{oбн m0} - число обнаруженных при контроле тест-образца дефектов, N _{зал то} - число заложенных при изготовлении образца дефектов,

По результатам контроля строят кривую вероятности выявления дефектов для данной детали данным методом HK в зависимости от характеристического размера дефектов. Кривую вероятности выявления дефектов

от размеров дефектов "α" и "с" (любой дефект в материале консервативно можно описать эллипсом с полуосями а и с) можно аппроксимировать наиболее близко описывающим экспериментальные результаты контроля уравнением, например ^p _ш - c ₀ )]-ε , или

P _mд = l - (l - ε)oxp - a _нк (а - a ₀ )^ - ε , или P _mx) = 1 - (l - *)exp[- « _ж (* - χ _й )]- f

Где QL _НК - коэффициент достоверности HK, характеризует увеличение выявляемости дефектов в зависимости от его размера; ε - постоянная, характеризующая предельную выявляемость контроля данным методом при сколь угодно большом размере дефекта; если размеры детали небольшие, то данной величиной можно пренебречь, введя соответствующую корректировку величины аш χ -характеристический размер дефекта, например , его площадь; χ ₀ - минимальный характеристический размер дефекта; ao _> c _o - минимальные размеры дефектов, доступные для выявления HK.

Далее проводят контроль изделия, а результаты контроля представляют в виде гистограммы в координатах «xapaктepиcтичecкий размер дефекта χ - количество выявленных дефектов данного размера TV ₀ ^ _uзд ».

Исходную дефектность N _ucx определяют как отношение N _o в _{н изс} / P _во д

полученную гистограмму апроксимируют уравнением типа N _ucx = А exp(- пχ), или N _ucx = A _χ χ ^~ " ^z , или N _ucx = A _a a ^'п - , или их аналогами ти¬

па N _ucx = A _{a c} {a ² lcГ- , или N _ucx = A _F F-τ , где а, с - линейные размеры дефекта, F - площадь дефекта,

п, А - коэффициенты, выбираемые из условия максимального приближения аналитической кривой к экспериментальным данным.

Остаточную дефектность получают как разность между N _ucx и N _{oбн из} д- При этом N _{oбн из} д можно брать как непосредственно из результатов контроля, так и из аналитического выражения N _ucx ^• P _вo д (χ); в последнем случае остаточную дефектность N _ocm можно представить в виде уравнения N _ocm =N _ucx (\- P _вoд ).

Остаточную N^ _mfieзпп в области дефектов, важных для безопасности, определяют в виде числа дефектов в изделии, размеры которых равны или больше критических размеров χ _*p в режиме эксплуатации изделия:

Хпред

" остβезоп ~ J ^ оспХХWХ

остаточную дефектность N∑ _{m д з} в области дефектов, важных для надежности, определяют в виде числа дефектов, размеры которых превышают размеры дефектов [χ] _< ь ₅ предельно допустимых в эксплуатации изделия:

остаточную дефектность N£ _mtUЗ! , в области дефектов, определяющих качество изготовления, в виде числа дефектов, размеры которых превышают размеры [χ\ _uзг допустимых при изготовлении несплош- ностей:

где χ _пред - предельно возможный характеристический размер дефекта.

В других вариантах реализации способа определения вероятности обнаружения дефектов, исходной и остаточной дефектности изделия с ис-

пользованием результатов неразрушающего контроля, а также определения качества изделия по достоверной и вероятностной частям остаточной дефектности проводят неразрушающий контроль изделия (HK) выбранным методом (ультразвуковым, вихретоковым, радиографическим и другими методами HK) и техническими средствами контроля операторами определенной квалификации.

Результаты контроля представляют в виде гистограммы в координатах «xapaктepиcтичecкий размер дефекта χ - количество выявленных дефектов данного размера N _{oбн UJ()} ». Горизонтальная ось χ должна включать критический размер дефекта, даже если в результате контроля все выявленные дефекты не достигали критических размеров.

В случае контроля нескольких однотипных изделий все результаты контроля суммируют и представляют в виде одной гистограммы. Чем большее количество изделий было проконтролировано, тем достовернее получаемый окончательный результат.

Структура аналитического выражения, которое может описать результаты HK, представленные на гистограмме, следующая:

N _oбн (χ)= N _ucx (χ) P _вoд (χ) где N _Oбн — число обнаруженных при контроле дефектов на единицу характеристического размера. Если в качестве характеристического размера выбрана малая полуось эллипса, которым схематизируют дефект, то размерность N ₀₀ -,, - мм ^"1 ;

N _ucx - функция исходной (до HK) дефектности с той же размерностью, что и N _o6н ;

P _вoд - вероятность обнаружения дефекта данного размера χ.

Вид функций N _ucx и P _вoд определяется, исходя из условия наибольшей простоты выражения, минимального числа констант и соответствия физически обусловленной зависимости N _ucx и P _вoд от χ. В первом приближении могут быть использованы следующие уравнения:

N _ucx = Aχ- ,

^p вoo = 1 - 0 - 7) ^GX P[ ^~ a(Z - Xo)] ^~ 1 ,

N ₀₆₁₁ (Z) = Аχ- ¹ {1 - (1 - η) exp[-a(χ - χ _o )] - η] , где А, п, а, η, χ ₀ - постоянные.

Определяют численные значения постоянных, где А, п, а, η из условия максимального приближения уравнения N _oбн (χ) к результатам HK, представленным в виде гистограммы.

При этом χ ₀ - минимально доступный для выявления размер дефекта - определяют при настройке дефектоскопа, применяемого при контроле изделия, или как минимальный размер дефекта, который был выявлен при контроле; η в первом приближении можно принять равной 0. В результате остается три неизвестных, что существенно облегчает задачу их определения.

Определить постоянные А, п, а можно либо решая систему трех уравнений относительно А, п и а, которые получают, если взять три точки на гистограмме, либо их определяют с использованием метода наименьших квадратов.

Остаточную дефектность N _ocm определяют как разность N _ucx и N _oбн : N _0C m(X) = N _ucx (χ)- N _oбн (χ).

При этом число оставшихся дефектов в изделии определяют, также, как и в способе с использованием тест-образцов, в трех диапазонах: остаточную дефектность N^ _{1n hp} в области дефектов, важных для безопасности, определяют в виде числа дефектов в изделии, размеры которых равны или больше критических размеров χ^ в режиме эксплуатации изделия:

; остаточную дефектность N^ _{m д э} в области дефектов, важных для надежности, определяют в виде числа дефектов, размеры которых превыша-

ют размеры дефектов , предельно допустимых в эксплуатации изделия:

_I Хпреύ T^ - _ т Xd остаточную дефектность N^ _{m uз} , в области дефектов, определяющих качество изготовления, в виде числа дефектов, размеры которых превышают размеры [χ] _ызг допустимых при изготовлении не- сплошностей:

где χ _пред - предельно возможный характеристический размер дефекта в данной конструкции с данной геометрией (например, в направлении толщины стенки сосуда давления предельный размер дефекта равен толщине стенки), т - число однотипных изделий.

По полученным результатам делают оценки и принимают решения:

- по величине N^ _{m кp} - о возможности полного или частичного разрушения изделия в эксплуатации,

- по величине N£ _{m d} . - о надежности и объемах ремонта изделия во время эксплуатации,

- по величине N^ _m<uзr - о качестве контроля,

- по функции P _вoд (χ) - о достоверности HK изделия и уровне квалификации операторов HK, по функции N _ucx (χ) - о качестве изделия до HK и ремонта (а следовательно, о качестве изготовления, если HK проводили на заводе- изготовителе, или о степени повреждения изделия, если причиной образования дефектов были эксплуатационные воздействия).

При определении качества изделия по достоверной и вероятностной частям остаточной дефектности после построения гистограммы в координатах ((характеристический размер дефекта χ - количество выявленных дефектов данного размера N _{oбн шд} y> определяют вероятность обнаружения дефекта P _вoд , исходную дефектность N _ucx =flχ) и остаточную дефектность φ(χ) как разность N _ucx и N _oбн

Указанные зависимости можно определять различными методами.

Согласно одному из вариантов результаты HK представляют в виде аналитических выражений.

Структура уравнения, которое может описать результаты HK, представленные на гистограмме, следующая:

K _бн (χ)= N _ucx (χ) P _вoд (χ) где N _oбн - число обнаруженных при контроле дефектов на единицу характеристического размера. Если в качестве характеристического размера выбрана малая полуось эллипса, которым схематизируют дефект, то размерность N _OбH - мм ^"1 ;

N _ucx - функция исходной (до HK) дефектности с той же размерностью, что и N _oбн ;

P _вoд - вероятность обнаружения дефекта данного размера χ.

Вид функций N _ucx и P _вoд определяется, исходя из условия наибольшей простоты выражения, минимального числа констант и соответствия физически обусловленной зависимости N _ucx и P _вoд от χ. В первом приближении могут быть использованы следующие уравнения: ^p ш, _ύ = 1 - (1 - 7) exp[-α(^ - X ₀ )] - η , N ₀₆₁₁ (Z) = Aχ ^~ " {1 - (1 - η) cxp[-a(χ - χ ₀ )] - η) , где А, п, а, η, χо - постоянные.

Определяют численные значения постоянных А, п, а, η из условия максимального приближения уравнения N _oбн (χ) к результатам HK, представленным в виде гистограммы.

При этом χ ₀ - минимально доступный для выявления размер дефекта - определяют при настройке дефектоскопа, применяемого при контроле изделия, или как минимальный размер дефекта, который был выявлен при контроле; η в первом приближении можно принять равной 0. В результате остается три неизвестных, что существенно облегчает задачу их определения.

Определить постоянные А, п, а можно либо решая систему трех уравнений относительно А, п и α, которые получают, если взять три точки на гистограмме, либо их определяют с использованием метода наименьших квадратов.

Остаточную дефектность N _ocm определяют как разность N _ucx и JV ₀ ^/. N _ocm (χ) = N _ucx (χ)- N _oбн (χ). (17)

При этом число оставшихся дефектов в изделии определяют в трех диапазонах так, как описано выше: остаточную дефектность N^ _{1n кp} в об- v ласти дефектов, важных для безопасности, остаточную дефектность N ₁ ^ ₁₀₃ в области дефектов, важных для надежности, остаточную дефектность N∑ _{m uзr} в области дефектов, определяющих качество изготовления.

При построении гистограммы горизонтальная ось χ должна включать критический размер дефекта, даже если в результате контроля все выявленные дефекты не достигали критических размеров.

В случае контроля нескольких однотипных изделий все результаты контроля суммируют и представляют в виде одной гистограммы. Чем большее количество изделий было проконтролировано, тем достовернее получаемый окончательный результат.

Согласно другому варианту для определения зависимостей P _вoд (вероятность обнаружения дефекта), N _ucx =Дχ) (исходная дефектность) и N _ocm = φ(χ) (остаточнаю дефектность) изготавливают тест-образец описанным выше методом.

После изготовления тест-образца производят его контроль с использованием тех же средств и методов контроля и операторами той же квалификации, которые затем будут применяться при контроле изделия, результаты контроля сравниваются с реальными дефектами, заложенными в тест- образец.

Для каждого характеристического размера дефекта определяется достоверность в виде функции вероятности обнаружения дефектов P _вoд (χ):

* вод (%) -* * обн mo'%)' -* * зал mo(%)>

где N _{0бH mo} - число обнаруженных при контроле тест-образца дефектов,

N ₃ ( _U i _то - число заложенных при изготовлении образца дефектов, По результатам контроля строят кривую вероятности выявляемое™ дефектов для данной детали данным методом HK в зависимости от характеристического размера дефектов. Кривую вероятности выявления дефектов от размеров дефектов "а" и "с" (любой дефект в материале консервативно можно описать эллипсом с полуосями а и с) можно аппроксимировать наиболее близко описывающим экспериментальные результаты контроля уравнением, например

P _<« , _o = 1 ~ О - *)exp[- a _нк {а - a ₀ - c ₀ )] - ε , или

P _« * = 1 - О - ^)exp - a _m (а - α ₀ )^ - ε , или

^p _sПд = 1 - (l - e)exp[- a _нк (χ - χ _o )]- ε

Где a _нк - коэффициент достоверности HK, характеризует увеличение

выявляемое™ дефектов в зависимости от его размера;

ε - постоянная, характеризующая предельную выявляемость контроля

данным методом при сколь угодно большом размере дефекта; если разме¬

ры детали небольшие, то данной величиной можно пренебречь, введя со¬

ответствующую корректировку величины a _H к _.

χ -характеристический размер дефекта, например , его площадь;

χ ₀ - минимальный характеристический размер дефекта;

a ₀ , C ₀ - минимальные размеры дефектов, доступные для выявления

HK.

Далее проводят контроль изделия, а результаты контроля представляют в

виде гистограммы в координатах «xapaктepиcтичecкий размер дефекта χ -

количество выявленных дефектов данного размера N _{oбн JЫ} ».

Исходную дефектность N _ucx определяют как отношение N _{oбн ш} ^ P _вoд

(X); полученную гистограмму апроксимируют уравнением типа

N _^x = A _x &φ(-п _χ χ), или N _ucx = A _χ χ ^~п * , или N _ucx = A ₀ U" ¹ " , или

N _ю = KXa ¹ Ic) ^ , илиN _ucr = A _F F- ^* ' ,

2 или N _ucx = A _a a-"-p(c) ,или N _ucx = A ₀ ^" -т^ехр (C - C)

'2D\c)

где а, с - линейные размеры дефекта,

P _c - функция распределения величины с, например, нормальный за¬

кон распределения,

F- площадь дефекта,

п, A, D, с- коэффициенты, выбираемые из условия максимального

приближения аналитической кривой к экспериментальным данным, при

этом с- среднее значение с, а D - дисперсия.

В качестве характеристического размера можно принять малую полу¬

ось а эллипса, которым схематизируют дефект, при этом соотношение а/с

принимают постоянным для всех а, исходя из условия максимальной ско¬

рости роста дефекта в условиях эксплуатации; при этом

N _исх ⁼ = /(д) , например, в случае однородного поля напря-

жений а/с -2 и нормального закона для распределения с со средним зна¬

чением c=2a и дисперсией D=a/2 получаем

N _ucx

= Aa ^~ " ~ 2af /0,5a ² ]dc = Aa ^~ " _о алjπ

Остаточную дефектность получают как разность между N _ucx и N _{oбн U30} .

При этом N _{oбн юд} определяют из аналитического выражения N _ucx ^• P _вoд (χ),

т.е. остаточную дефектность N _ocm можно представить в виде уравнения

Л ост ^исх V ^ * вод)-

Остаточную N∑ _mβeзoп в области дефектов, важных для безопасности,

определяют в виде числа дефектов в изделии, размеры которых равны или

больше критических размеров χ^ в режиме эксплуатации изделия:

Хпреό

-* * остjбезоп ⁼ J ™ ост \Z )"Z 5

остаточную дефектность iV∑, ,, _od в области дефектов, важных для на¬

дежности, определяют в виде числа дефектов, размеры которых превыша¬

ют размеры дефектов fø _.э. , предельно допустимых в эксплуатации изделия:

>

Xd э

остаточную дефектность N^ _{m uзг} в области дефектов, опреде¬

ляющих качество изготовления, в виде числа дефектов, размеры кото¬

рых превышают размеры J _j132 допустимых при изготовлении несплош-

ностей:

Хил

где χ _пре д _. - предельно возможный характеристический размер де¬

фекта.

Далее остаточную дефектность разделяют на достоверную часть χ <

X _a , в которой дефекты с размерами χ < χ _д существуют достоверно, и веро¬

ятностную часть χ > χд, в которой дефекты с размерами χ > χ, могут быть,

а могут и не быть.

Границу между достоверной и вероятностной частями остаточной де¬

фектности определяют из условия:

где Х _м акс ~ максимально возможные размеры дефектов в данном из¬

делии.

Значение fø сравнивают с χ^, [χ] _{d э.} и [χ] _шг , и по результатам сравнения делают выводы о качестве, надежности и безопасности изделия.

Варианты реализации способов иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Изделие: главный циркуляционный трубопровод энергетической реакторной установки.

Характеристики изделия: сталь типа 22K с пределом текучести =320MПa, плакированная с внутренней стороны трубопровода нержавеющей сталью аустенитного класса; сварные швы расположены как поперек оси трубопровода, так и вдоль оси; толщина стенки по основному металлу трубопровода - S=34мм; внутренний диаметр трубопровода - D=800мм.

Условия эксплуатации изделия: температура рабочая - 280 ⁰ C ; давление рабочее -80кr/cм ² ; назначенный срок службы - 30 лет.

_^ Допустимые на стадии изготовления (нормы качества) скрытые несплошности, допустимые в эксплуатации дефекты и критические дефекты представлены на фиг.2 соответственно кривыми 1,2, 3.

Изготавливают тест— образец, содержащий плоские дефекты технологической природы типа несплавлений и горячих сварочных трещин i ^' J _t -.

Определяют достоверность HK с использованием метода (ультразвукового, вихретокового, радиографического и других методов HK), технического средства и оператора HK определенной квалификации, которые будут применяться также при контроле изделия. Результаты определения P _вoд от а представлены на фиг.З.

Проводят HK изделия теми же средствами и методом, и операторами той же квалификации, что и при контроле тест-образца (при определении достоверности HK. Результаты контроля представлены в виде гистограммы на фиг.4.

Используя численные значения N _{oбн Ш} д из гистограммы (фиг.4) и P _вoд из графика (фиг. 3) определяют исходную дефектность N _ucx . Результаты определения N _ucx представлены в виде графика на фиг.5 в координатах N _ucx - характеристический размер дефекта (в данном случае ширина дефекта а, схематически дефект показан на фиг.l).

График остаточной дефектности N _ocm представлен в тех же координатах, что и для N _ucx , на фиг. 6. Для получения N _ocm произвели для каждого фиксированного значения а вычитание из величины N _ucx числа обнаруженных дефектов.

Определили число оставшихся в изделии дефектов после HK и ремонта выявленных дефектов, при этом было получено, что: суммарное число дефектов, размеры которых равны или превышают критические размеры дефектов в режиме эксплуатации составило:

^L, = 0,l «l; суммарное число дефектов, размеры которых равны или превышают допустимые размеры дефектов в режиме эксплуатации составило:

суммарное число дефектов, недопустимых в процессе изготовления по нормам несплошностей для изготовления составило:

.

По полученным результатам можно сделать следующий вывод: технология изготовления изделия и/или технология HK нуждаются в улучшении, т.к. в случае передачи в эксплуатацию изделия в нем будут в результате эксплуатационного HK выявлены до 23 дефектов недопустимых в эксплуатации размеров, что приведет к дополнительному ремонту изделия в эксплуатационных условиях ( что является более дорогим мероприятием, чем ремонт в заводских условиях), а в случае пропуска дефектов по результатам эксплуатационного контроля, возможно возникновение аварии с частичным или полным разрушением изделия (в данном случае трубопровода давления).

Таким образом, если руководствоваться нормативными документами ПHAЭГ-7-010-89, изделие после изготовления, HK и ремонта выявленных дефектов может быть допущено к эксплуатации. Однако определение характеристик исходной (до HK) и остаточной (после HK и ремонта выявленных дефектов) дефектности указывает на низкий уровень надежности изделия и необходимость его доработки.

Пример 2

Необходимо обеспечить качество двух трубопроводов внутренним диаметром D=800мм толщиной стенки S=34мм из перлитной стали. Критические размеры дефектов в поперечных сварных швах представлены на фиг.2 (кривая 1). Допустимые в эксплуатации дефекты определили с использованием уравнений механики разрушения и коэффициентов запаса прочности (кривая 2 на фиг.2). Нормы дефектов в эксплуатации представлены на фиг. 2 кривой 3.

В результате HK штатным методом и средствами до начала эксплуатации (после монтажа) было обнаружено 47 несплошностей.

Все выявленные несплошности (дефекты) представлены в виде гистограммы на фиг.7.

При этом в качестве характеристического размера дефекта выбрана ширина дефекта в направлении толщины стенки, а точнее - малая полуось эллипса, которыми схематизировали все выявленные дефекты.

При соотношении я/c~0,5 критическому размеру дефекта соответствует 1,15мм (фиг.2).

Несмотря на то, что максимальный размер выявленного дефекта составил a _мaкc = 13мм, ось абсцисс содержит критический размер α=15 мм.

Уравнение, описывающее число выявленных дефектов N _oбн в зависимости от размеров а:

N _oбн = Aa ^~п [l-exp[-a(a-a ₀ )].

По результатам контроля минимальный выявленный дефект имел αø=0,6мм.

Для определения постоянных А, п, а решают систему из трех уравнений относительно этих постоянных:

1-ое уравнение получают для точки с координатами (α=lмм, N _oбн -20) по фиг. 7:

20= А- Г"[l-exp[-a(l-0,6)]];

2-ое уравнение получают для точки с координатами (α=5мм, N _oбн -4) по фиг. 7:

4= A-5-"[l-exp[-a(5-0,6Ш

3-е уравнение получают для точки с координатами (α=13мм, N _oбн =0,66) по фиг.7:

0,66=^13 ^" "[l-ejψ[-α(13-0,6)]].

Для 3-eгo уравнения N _oбн =0,66 получено как осреднение числа выявленных дефектов в интервале от 1 1 до 13 мм, что составило 2/3, где 2 - число выявленных дефектов, 3 - число интервалов.

Окончательно система уравнений имеет вид:

20= Ail-exp(- 0,4 a)]

Л= A-5- ^п [l-exp(-4,4a)]

0,66= AЛУ ^п [\-exp(-l2M)}

Решение системы уравнений относительно А, п, а дало следующие результаты:

A= 1000мм, п=2,56, α=0,05 мм ^"1

Подставляя постоянные А, п, а в соответствующие уравнения, получают: уравнение исходной дефектности:

N _ucx =l000cГ ² ' ⁵⁶ ; уравнение вероятностей обнаружения дефекта:

P _вoд =l-exp[-0,05(a-0,6)]; уравнение остаточной дефектности

N _ocm (χ)= N _ucx (χ)- N _oбн (χ).

Указанные уравнения представлены графически на фиг. 8.

Далее решают уравнение

\ Aa ^~ " exp[-α(α - a _o )]da = 1

относительно а^. При этом a _мaкc =S, где S- толщина стенки трубопровода. Результаты решения представлены на фиг.6 в виде кривой 2. Определенная таким образом величина a _# = 14 мм. Для заданных условий эксплуатации наиболее быстрый рост площади дефекта будет обеспечен при а/с _^ =0,5. Критический размер дефекта при

этом будет иметь значение a _кp = 15,5 мм, что близко к значению a _д = 14 мм. Учитывая, что в эксплуатации дефект с a _д = 14 мм может быстро дорасти до критического значения 15,4 мм, эксплуатацию изделия следует запретить, несмотря на то, что все выявленные дефекты отремонтированы и после ремонта изделие соответствует по качеству требованиям действующего HT Д, например, ПHAЭГ-7-010-89.

Промышленная применимость

Знание размеров дефектов, достоверно существующих в изделии (после контроля и ремонта выявленных дефектов) позволит более точно оценить реальное состояние изделия, возможность надежной и безопасной его эксплуатации, приемлемость тех или иных методов HK, качество технологии изготовление изделия, а также при необходимости принять обоснованные меры для повышения качества и надежности изделия до приемлемого уровня. Возможность оценки достоверности HK, проведенного на одном или группе однотипных изделий, с учетом всех реальных особенностей конструкции изделия, технологии его изготовления, условий проведения контроля, квалификации и добросовестности операторов HK, проводивших контроль, а также других факторов, оказывающих влияние на результаты контроля, способствует надежной и безопасной эксплуатации изделия.