Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ методов неразрушающего контроля сварных соединений резервуаров
1.1 Обзор методов неразрушающего контроля резервуаров 14
1.2 Анализ исправного состояния сварных соединений по результатам неразрушающего контроля
1.3 Анализ нормативной документации, регламентирующей проведение неразрушающего контроля резервуаров
1.4 Выводы к главе 1 34
ГЛАВА 2. Особенности обеспечения эксплуатационной безопасности резервуаров
2.1 Анализ конструктивно-технологических и эксплуатационных особенностей сварных соединений резервуаров
2.2 Влияние дефектов и режимов эксплуатации на работоспособность сварных соединений
2.3 Обоснование длины контролируемого участка сварного соединения
2.4 Выводы к главе 2 48
ГЛАВА 3. Определение норм допустимости дефектов сварных соединений резервуаров
3.1 Формирование модели обоснования норм допустимости дефектов на основе оценки нагруженности сварных соединений резервуаров
3.2 Методика категорйрования опасности сварочных дефектов с использованием риск-анализа
3.3 Разработка норм допустимости дефектов сварных соединений для РВС-2000 и РВС-20000
3.4 Выводы к главе 3 73
ГЛАВА 4. Исследование достоверности ультразвукового контроля с использованием дефектоскопов с антенными решетками
4.1 Способы оценки достоверности неразрушающего контроля 74
4.2 Определение фактической высоты непровара при контроле сварных соединений
4.3 Оценка достоверности ультразвукового контроля по двум параметрам
4.4 Выводы к главе 4 98
Заключение 99
Литература
- Анализ нормативной документации, регламентирующей проведение неразрушающего контроля резервуаров
- Влияние дефектов и режимов эксплуатации на работоспособность сварных соединений
- Методика категорйрования опасности сварочных дефектов с использованием риск-анализа
- Определение фактической высоты непровара при контроле сварных соединений
Анализ нормативной документации, регламентирующей проведение неразрушающего контроля резервуаров
Управлять качеством сварных соединений возможно объемом контроля и его достоверностью. С увеличением числа диагностирований вероятность выявления дефекта будет меняться по формуле: A=l-(1-Am)n, где Ат - вероятность выявления дефекта по результатам одного контроля, п - количество проверок. Или, иными словами, вероятность «пропустить» дефект: AH=(1-Am)n. Таким образом, увеличивая количество диагностирований элементов РВС, можно добиться повышения эффективности контроля. В то же время, стоит учесть что каждое диагностирование требует определенных материальных затрат, поэтому проведение слишком большого числа проверок не будет экономически оправдано. Увеличение затрат в зависимости от числа диагностик и снижение вероятности «пропуска» дефекта в зависимости от количества диагностик изображено на рис. 1.2.2. Дефект, чьи размеры лежат в определенных пределах, выявляется с определенной вероятностью. Она зависит, в том числе, от метода неразрушающего контроля, применяемого оборудования и от размеров несплошности. В общем случае, вероятность выявления дефекта растет с увеличением его геометрических размеров. Исключение при ультразвуковом контроле составляют крупные плоскостные дефекты, расположенные под углом к оси ПЭП. Также связь вероятности выявления дефектов с его размерами не наблюдается при использовании дифракционно-временного метода. 7 8 Количество диагностик
Использование дефектоскопов с АР позволяет производить разбраковку сварных соединений по амплитуде эхосигнала, что и выполняется при «классическом» контроле, и по измеренному размеру дефекта через измерения расстояния между фокусными пятнами, соответствующим краям дефекта. Таким образом, возможно повысить достоверность неразрушающего контроля и снизить вероятность пропуска дефекта без увеличения количества диагностик и, как следствие, материальных затрат. Для этого необходима разработка двухпараметровой модели оценки достоверности и алгоритма повышения достоверности ультразвукового контроля с использованием дефектоскопов с антенными решетками.
Для обоснования норм допустимости дефектов сварных соединений РВС необходимо проанализировать нормативные технические документы, которые регламентируют требования к качеству сварных конструкций РВС [30, 102, 124-130]. Большинство отечественных нормативных документов, регламентирующих требования к оценке качества конструкций по результатам неразрушающего контроля, сформировались относительно давно. Для формирования этих требований использовали разные основания, например: - сохранение среднего уровня брака при замене одного метода другим; - использование предельных возможностей различных методов контроля; - исследование возможностей технологии сварочных работ в части удовлетворения установленным нормативным требованиям и др. Документами, регламентирующими техническое диагностирование сварных конструкций РВС являются ВСН 311-89 [126], СНиП 3.03.01-87 [30] и СНиП 3-18-75 [127], ПБ 03-605-03 [102], РД 08-95-95 [129] и др. Нормы допустимости дефектов (поры, шлаковые включения, непровары, подрезы и др.), содержащиеся в этих документах, отличаются друг от друга в несколько раз. Различий не существует только по отношению к трещинам: их, как правило, не допускает не один документ.
СНиП 3.03.01-87 и СНиП 3-18-75 имеют ряд противоречий в части норм допустимости дефектов сварных швов. Так СНиП 3-18-75 допускают отдельные шлаковые включения или поры диаметром не более 10 % толщины свариваемого металла, но не более 3 мм. СНиП 3.03.01-87 устанавливают границу в 4 мм и 20 % от толщины элемента конструкции. Допустимые размеры включений и пор могут отличаться в два раза.
Помимо этого, для стальных конструкций, рассчитанных на выносливость, тоже есть различия. СНиП 3-18-75 устанавливают максимальный размер поры (включения) 1 мм для любой толщины стали вплоть до 25 мм. СНиП 3.03.01-87 наоборот для сталей от 4 до 20 мм предлагают пошаговое увеличение допустимых размеров дефектов, однако для толщин стали от 20 до 60 мм норма одна и та же - 2 мм (рисунок 1.3.1).
В ВСН 311-89 «Монтаж стальных вертикальных цилиндрических резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов объемом от 100 до 50000м3» в части оценки сварочных работ приводится ссылка на СНиП 3.03.01-87. ГОСТ Р 52910-2008 «Резервуары вертикальные цилиндрические стальные для нефти и нефтепродуктов. Общие технические условия» [128] предлагает иную оценочную шкалу. Различия норм допустимости радиографического контроля, применимых к РВС для стенок различной толщины приведены в таблице 1.3.1.
Влияние дефектов и режимов эксплуатации на работоспособность сварных соединений
Согласно статистике [1, 2, 97], стенка РВС является наиболее слабым звеном в конструкции РВС.
Расположение листов по высоте может быть встык (рис. 2.1.1, б), телескопическое (рис.2.1.1, в) и ступенчатое (рис.2.1.1, г). Наиболее рациональным для листов толщиной от 6 мм и более следует считать расположение встык [105-108].
Стенка представляет собой сварную или клёпанную (старые проекты до 50-х годов 20-го века) листовую конструкцию, имеющую форму тонкостенной, цилиндрической оболочки вращения. Стенка состоит из ряда поясов, высота каждого из которых равна ширине листа. Наименьшая толщина листов стенки принимается равной 4 мм [105].
Вертикальные соединения листов стенки выполняются двусторонними стыковыми швами с полным проваром. Вертикальные швы соединений на смежных поясах стенки должны быть смещены друг относительно друга на минимальную величину 8d (где d - наибольшая толщина листов стенки).
Горизонтальные соединения листов стенки выполняются двусторонними стыковыми швами с полным проваром. Для резервуаров полистовой сборки оси поясов стенки в вертикальном сечении должны совмещаться в одну вертикальную линию (см. рис. 2.1.2 а), если иное не определено условиями эксплуатации.
Для стенок резервуаров, изготовляемых методом рулонирования, общая вертикальная линия может совмещаться с внутренней или внешней поверхностью поясов (рис. 2.1.2 б).
При изготовлении конструкций в основном используют низколегированные и низгоуглеродистые стали (ВСтЗсп, 09Г2С, 08ГНБ, 10Г2ФБ, 12ГН2М). Диапазон толщин основных элементов конструкций, как правило, составляет 5...60 мм. Для вертикальных соединений стенок резервуара применяются стыковые швы. Для соединения полотнищ днища используются стыковые швы при заводском исполнении, нахлесточные соединения днища применяются для соединения между собой рулонируемых полотнищ. Для соединения днища со стенкой используют тавровые соединения [102, 112-114].
Сварные соединения, применяемые в резервуаростроении приведены в таблице 2.1.1. Стоит отметить, что наиболее часто используются двусторонние стыковые соединения типа С7.
В зависимости от режима эксплуатации, существующие РВС можно разделить на два вида: а) резервуары, эксплуатирующиеся при статических нагрузках, например, на базах хранения запаса горючего; б) резервуары, работающие при малой цикличности операций «слив налив» (до 350 циклов в год), например, на терминале отгрузки нефти или в технологических линиях переработки нефти на нефтеперерабатывающих заводах.
Резервуары, работающие при малой цикличности, более чувствительны к концентраторам напряжений, таким как несплошности и локальные геометрические отклонения, которые в результате длительных повторно-циклических нагрузок являются источниками усталостных повреждений. Для таких конструкций малоцикловая нагрузка является определяющим фактором, от которого зависит их надежность [97, 99].
В основном, ресурс резервуара определяется исчерпанием его несущей способности в результате циклического нагружения и появления и развития усталостных трещин. При малоцикловом нагружении в нагруженных элементах резервуара (стенке, окрайке днища) сначала возникают усталостные повреждения, которые постепенно развиваются до образования трещин. В связи с этим процесс развития дефектов можно разделить на две стадии: на стадию накопления усталостных повреждений и на стадию развития трещин до критического размера, при достижении которого происходит отказ конструкции [98].
Методика категорйрования опасности сварочных дефектов с использованием риск-анализа
Достоверность контроля является важнейшим показателем его эффективности. После проведения неразрушающего контроля в сварных соединениях не должно остаться дефектов с размерами, превышающими допустимые. В то же время перебраковка может приводить к повторной вырубке дефектных мест, их многократному исправлению. А это в свою очередь ведет к потере эксплуатационных свойств из-за ухудшения свойств металла. Таким образом, неразрушающий контроль должен быть максимально достоверен с учетом как возможной недобраковки, так и возможной перебраковки.
Достоверность контроля Д - это вероятность принятия безошибочных решений при оценке качества изделия [26, 27, 84, 85].
По результатам контроля возможны следующие ошибки. Ошибка 1-го рода: риск поставщика - а (перебраковка). Ошибка 2-го рода: риск потребителя - Р (недобраковка) [61]. Достоверность определяется по следующим формулам: Да = 1 - а; Др = 1-Р; (4.1.1) Д=1-(а + Р).
Показатель достоверности Да учитывает перебраковку, а Др -недобраковку. Показатель Д учитывает как перебраковку так и недобраковку [194, 195, 199, 200]. В то же время, с точки зрения обеспечения безопасной эксплуатации РВС, наиболее важным является показатель Др, так как недобраковка опаснее перебраковки. Учитывая это, целесообразно совместно с показателем Д использовать показатель Др, который учитывает только недобраковку [61, 87]. Наиболее часто применяется оценка достоверности по альтернативному признаку [26, 27, 84, 85]. При этом исследуемый метод контроля сравнивается с образцовым, в качестве которого рекомендуется вскрытие сварных швов. При этом применятеся матрица достоверности (Таблица 4.1.1) [26, 27].
Возможны четыре варианта сочетаний принятия решений: пг, пн, па и пр. Несовпадающим сочетаниям па и пр соответствует риск поставщика - а (перебраковка) и риск потребителя -13 (недобраковка). Таблица 4.1.1 - Матрица оценки сравнительной достоверности методов контроля по числу проверенных элементов (альтернативный признак) [103] Число проконтролированных Образцовый метод (вскрытие) элементов rij; = пг + пн + Пц + пз Годные Негодные Пробный метод Годные Дважды годные пг Недобраковка Негодные Перебраковка Дважды негодные пн Достоверность рекомендуется рассчитывать по формулам [66, 85]: Да = (ns - Па)/П2 = 1 - na/ns Др = (nz - np)/ns = 1 - np/ns (4.1.2) ДЕ = (n - Па - np)/n2 = 1 - (na + np)/ns Корреляционное поле содержит четыре области (рис. 4.1.1). Величина нормативно-допустимого дефекта hH и принятый браковочный уровень амплитуды ультразвукового сигнала АбР являются границами этих областей. Данные области соответствуют четырем клеткам матрицы достоверности: пг, n„, na, пр. Стоит отметить, что на корреляционном поле отсутствуют «точки», соответствующие элементам, в которых дефекты были пропущены при ультразвуковом контроле (дополняют соответственно группы Пг И Пр).
Графическая модель точечной оценки достоверности ультразвукового контроля эхо-методом (а) и зеркально-теневым методом (б) по альтернативному признаку (распределения экспериментальных точек) пг, п„ - соответственно дважды годные и дважды негодные элементы сварных соединений; па, пр - соответственно перебраковка и недобраковка [61] Количество проверенных элементов П равно: nz = пб + пд = пд/ q, (4.1.3) где пб - количество бездефектных элементов; пд - количество дефектных элементов; q = Пд/п - доля дефектности. В общем случае при контроле имеем: Пі = Пгб + Паб + Пгдо + Пгдп + Под + Прдо+ Прдп+ П„, ( 4.1.4 ) где пгб - количество бездефектных элементов, признанных годными при ультразвуковом контроле; паб - количество бездефектных элементов, признанных негодными при ультразвуковом контроле; гдо количество дефектных элементов, признанных годными при ультразвуковом контроле и вскрытии; пГдп - количество дефектных элементов, пропущенных при ультразвуковом контроле и признанных годными при вскрытии; Пцд - количество дефектных элементов, признанных негодными при ультразвуковом контроле и годными при вскрытии; П(здо- количество дефектных элементов, признанных годными при ультразвуковом контроле и негодными при вскрытии; прДп " количество дефектных элементов, пропущенных при ультразвуковом контроле и признанных негодными при вскрытии; пн - количество дефектных элементов, признанных негодными при ультразвуковом контроле и вскрытии. Элементы, забракованные по амплитудному критерию либо по фактическому размеру дефекта, определенному по его изображению, признаются негодными для эксплуатации. Результаты качественного анализа отнесения вероятности проконтролированных элементов к вышеуказанным группам пгб, паб, пгдо, пгдп, под5 Прдо, прдп, пн приведены в таблице 4.1.2. По результатом качественного анализа вероятностей отнесения проконтролированных элементов к различным группам (таблица 4.1.1) можно принять: паб = 0, пгдп = 0, прдп = 0.
Определение фактической высоты непровара при контроле сварных соединений
Получение двух фокусных пятен на экране дефектоскопа с АР (от нижнего и верхнего краев сегмента) возможно при глубине сегментного отражателя от 1,5 мм и более. Сигналы от сегментов глубиной менее 1,5 мм представляют собой одно фокусное пятно. На рис. 4.3.17 приведена зависимость амплитуды эхо-сигнала от реальной глубины сегментного отражателя.
Амплитуда эхо-сигнала растет с увеличением глубины сегмента. При этом, при равной глубине искусственных отражателей, сигнал будет больше от сегмента с большей площадью. 86 т 85 84 83 «81
Таким образом, для настройки уровня чувствительности ультразвукового дефектоскопа с АР рекомендуется использовать стандартный образец с вертикальным сегментным отражателем с параметрами h=l,5; R5=20; b=18. Амплитуда эхо-сигнала от такого сегмента будет меньше, чем от аналогичных сегментов с большими значениями R и Ь, что позволяет снизить вероятность недобраковки по результатам ультразвуковой дефектоскопии. В то же время, сигнал от такого сегментного отражателя представляет собой два фокусных пятна, что позволяет использовать двухпараметровую оценку достоверности ультразвукового контроля.
Наиболее важным, с точки зрения обеспечения безопасной эксплуатации РВС, является показатель Др, учитывающий недобраковку дефектных сварных соединений.
Разработана модель двухпараметровой оценки достоверности ультразвукового контроля, ориентированная на возможности дефектоскопов с АР оценивать величину выявленных несплошностей как по амплитуде сигнала, так и по двумерному изображению сечения сварного соединения.
Предложенная модель двухпараметровой оценки достоверности ультразвукового контроля позволила снизить вероятность недобраковки на 9,6 % и на 16 % по сравнению с использованием однопараметровой оценки при контроле с ПЭП и АР соответственно.
Предложенный алгоритм повышения достоверности ультразвукового контроля предусматривает разбраковку сварных соединений по амплитудному критерию и по измеренной величине дефекта. Сварные соединения, забракованные хотя бы по одному из данных параметров, признаются негодными.
Разработаны технологичные стандартные образцы для настройки уровня чувствительности ультразвуковых дефектоскопов, максимально точно имитирующие форму наиболее распространенных дефектов сварных соединений - непроваров. стандартный образец с вертикальным сегментным отражателем с параметрами h=l,5; Rs=20; b=18. Амплитуда эхо-сигнала от такого сегмента будет меньше, чем от аналогичных сегментов с большими значениями R и Ь, что позволяет снизить вероятность недобраковки по результатам ультразвуковой дефектоскопии. В то же время, сигнал от такого сегментного отражателя представляет собой два фокусных пятна, что позволяет использовать двухпараметровую оценку достоверности ультразвукового контроля.
Наиболее важным, с точки зрения обеспечения безопасной эксплуатации РВС, является показатель Др, учитывающий недобраковку дефектных сварных соединений.
Разработана модель двухпараметровой оценки достоверности ультразвукового контроля, ориентированная на возможности дефектоскопов с АР оценивать величину выявленных несплошностей как по амплитуде сигнала, так и по двумерному изображению сечения сварного соединения.
Предложенная модель двухпараметровой оценки достоверности ультразвукового контроля позволила снизить вероятность недобраковки на 9,6 % и на 16 % по сравнению с использованием однопараметровой оценки при контроле с ПЭП и АР соответственно.
Предложенный алгоритм повышения достоверности ультразвукового контроля предусматривает разбраковку сварных соединений по амплитудному критерию и по измеренной величине дефекта. Сварные соединения, забракованные хотя бы по одному из данных параметров, признаются негодными.
Разработаны технологичные стандартные образцы для настройки уровня чувствительности ультразвуковых дефектоскопов, максимально точно имитирующие форму наиболее
