Введение к работе
Одной из важнейших народнохозяйственных задач является повышение надежности и эффективности эксплуатации объектов различных отраслей промышленности в течение всего необходимого срока службы. Она решается только при комплексной диагностике объектов, несущих в себе потенциальную возможность создания аварийной ситуации с финансовыми и даже человеческими потерями. К проблеме технической надежности вплотную примыкают задачи обеспечения энергетической и экологической безопасности 1].
В настоящее время в нашей стране сложилась чрезвычайно опасная ситуация, вызванная тем, что значительная часть основных фондов в стране превысила допустимый ресурс эксплуатации. Данное обстоятельство подтверждает все возрастающее количество аварий и техногенных катастроф, ухудшение экологической ситуации, снижение производительности, эффективности, высокая энергоемкость оборудования и нерациональное использование энергетических ресурсов.
В электроэнергетике износ основных фондов самый высокий и приближается к 60 %, поэтому своевременная диагностика оборудования - жизненно необходимый фактор;
При этом, нарушение правил эксплуатации электрооборудования в 2009 г. стало причиной каждого пятого пожара (19,4%), а ущерб от них составил 33,3% от общего материального ущерба по стране. Наиболее пожароопасными элементами электроустановок зданий являются электропроводки, на долю которых приходится примерно 40% всех пожаров и возгораний, связанных с электрооборудованием и электроустройствами, что говорит об актуальности их своевременной диагностики [2].
Аварии или разрушения металлоконструкций связаны с множеством факторов, но всегда обусловлены образованием дефектов в элементах конструкции и критическими величинами местных напряжений или деформаций, определяющих предельное состояние. В полной мере это относится, в том числе и к сварным металлоконструкциям мостовых кранов, которые составляют более 38% всех грузоподъемных механизмов на территории Российской федерации. Проведение своевременного мониторинга снижает степень риска наступления нештатных и аварийных ситуаций.
Усложнение технических систем требует применения новых современных материалов. Использование полимерных композиционных материалов (ПКМ) позволяет решать вопросы оптимизации параметров объектов за счет снижении веса и улучшения прочностных характеристик, например, сосудов высокого давления. В то же время они требуют применения безопасных и эффективных методов неразрушающего контроля (НК).
Одна из важнейших стратегических задач страны, поставленная президентом — сокращение энергоемкости отечественной экономики на 40% к 2020 году. Для ее реализации необходимо создание совершенной системы управления энергосбережением. Экономический эффект (в текущих ценах) составит в 2010-2020 гг. - 9691 млрд. руб [3].
Это подтверждается законодательными актами, в т.ч. положениями «Энергетической стратегии России на период до 2020 года» [4], Федеральным законом Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ».
Принятие закона регламентирует проведение мероприятий по определению параметров энергоэффективности энергопотребляющих объектов: производственного оборудования, промышленных сооружений, оборудования электроэнергетики, жилищного сектора и т.п.
Одним из основных методов диагностики безопасности эксплуатации и оценки параметров энергоэффективности указанных объектов является тепловой контроль (ТК). Он позволяет выбрать оптимальные температурные нагрузки их функционирования, выявить и определить степень опасности дефектных узлов по признакам их перегрева по отношению к качественным зонам, определить утечки тепла через ограждающие конструкции зданий, оценить потери объектов и т.п.
Несмотря па перспективность и наличие современного парка программно-аппаратных средств, разнообразного как по техническим характеристикам, так и по стоимости, применение ТК сдерживается по причинам: - в настоящее время акцент в исследованиях делается на аппаратуру контроля и методы первичной обработки информации, и практически отсутствует анализ структуры материалов и изделий на основе данных неразру-шающего контроля; - отсутствует комплексный подход к внедрению ТК В различных отраслях народного хозяйства; - практически отсутствуют надежные, аттестованные технологии ТК для большинства объектов; - проводит контроль персонал, не прошедший специального обучения и сертификации. Таким образом, назрела необходимость разработки комплексной) подхода к созданию и оптимизации диагностических систем ТК в соответствии с задачами для решения которых они применяются. Целью настоящей работы является: Разработка основ комплексного подхода к созданию и оптимизации диагностических систем ТК, который включает в себя современные программно-аппаратные средства, методическое обеспечение контроля; прогностику и определение остаточного ресурса эксплуатации, а также требования к оценке квалификации работы персонала ТК. Для достижения цели в работе решаются следующие задачи: 1. Оптимизация требований к структуре и составным частям диагностических систем теплового контроля. 2. Разработка универсальной оптимальной физико-математической модели процесса теплового контроля объектов различного вида: по составу материалов, размерам, формам и условиям функционирования. 3. Разработка методов тепловой дефектомстрии на основе современных математических методов искусственных нейронных сетей и др. 4. Разработка и оптимизация технологий теплового контроля для диагностики безопасности эксплуатации и оценки энергоэффективности объектов различных отраслей промышленности и ЖКХ. 5. Исследование погрешностей результатов дефектомстрии в зависимости от достоверности входных данных при наличии и отсутствии эталона. 6. Оптимизация диагностических систем теплового контроля, включающая в комплексе технологию контроля, аппаратуру диагностики, обучение специалистов, проведение работ обслуживающим персоналом (дефектоско-пнетами) и методики диагностики. Теоретическая значимость полученных результатов: 1. Разработана обобщенная физико-математическая модель тепловой дефектомстрии включающая: - решение обратной задачи нестационарной теплопроводности в многослойной одномерной области на основе обратного дискретного преобразования Фурье и методом нейронных сетей на основе разложения по собственным функциям задачи Штурма-Лиувилля, метод решения краевой задачи не стационарной теплопроводности конечными разностями с использованием критериев Фурье и Био; - модель тепло- и влагопереноса во время фазовых переходов жидкость твердое тело в многослойных объектах на основе решения нелинейной задачи Стефана. 2.
Предложен метод оптимизации выбора экспертов ТК. 3. Проведены теоретические исследования и определены параметры оптимальных технологий определения характеристик дефектов и материалов для различных объектов: - ограждающих конструкций зданий и сооружений с определением их теплотехнических характеристик и плоскости промерзания; - электрических кабелей; - фурменных зон пирометаллургических агрегатов; - изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) с оценкой остаточного ресурса; - концентраторов напряжений в металлических и полимерных конструкциях. 4. Разработаны методические принципы построения проіраммно-аппаратных средств ТК, включающие: - метод безэталонного обнаружения и идентификации дефектов; - метод определения оптимального интервала последовательных измерений с целью повышения производительности контроля и экономии вычислительных ресурсов ЭВМ; - метод корректного измерения плотности теплового потока; - метод определения сопротивления теплопередаче с использованием эталонного слоя; - метод измерения эффективной температуропроводности; - метод регистрации и обработки теплового изображения движущихся объектов; - метод оптимизации аттестации методик ТК; - метод оценки остаточного ресурса контролируемого объекта. Практическая значимость работы. 1. Разработаны и внедрены оптимальные диагностические системы ТК строительных конструкций, оборудования электроэнергетики и металлургии, изделий из полимерных композиционных и металлических материалов. 2. Реализованы на практике инженерные решения основных этапов процесса диагностики - от выбора аппаратуры контроля, разработки технологии дефектоскопии или дефектометрии до оценки остаточного ресурса диагностируемого объекта, квалификации операторов и создания сертификационных центров. 3. Предложена методология аттестации комплексных диагностических систем теплового контроля, включающая: - расчетные модели определения погрешности результатов дефектомет-рии в зависимости от достоверности входных данных при наличии и отсутствии эталона; - процедуры оценки эффективности функционирования экспертов НК, - протокол балльной оценки методических документов по НК при их аттестации. 4 Разработан теоретико- экспериментальный метод исследования типов и характеристик дефектов, в том числе минимального дефекта по температурному перепаду и размерам в различных материалах. 5. Разработаны учебное и методические пособия, нормативный доку мент Ростехиадзора РД 13-04-2006 и методики ТК зданий и сооружений, электрооборудования. Методики аттестованы Росстандартом. С использова нием методик проверено более 1,5 тысяч объектов. 6. Оптимизирована подготовка специалистов ТК: - разработан курс преподавания технологии, теории и практических занятий ТК в центрах по подготовке и сертификации персонала НУЦ «Качество» и НУЦ «Сварка и контроль» при МГТУ им. Баумана, - предложена оценка качества специалистов теплового контроля на основе теории оптимального управления и математической статистики, - организованы центры подготовки специалистов ТК на базе Государственного технологического университета Московский институт стали и сплавов и предприятия ООО «ТТМ» (г. С.-Петербург); - аттестованы более 20 Лабораторий неразрушающего контроля, специализирующихся на проведении ТК в строительстве, электроэнергетике, промышленности. Научная новизна работы: 1. Разработана методология оптимизации диагностических систем ТК объектов различных отраслей промышленности. 2. Разработана физико - математическая модель процесса ТК, включающая: п - модель тепловой дефектометрии многослойных объектов на основе обратной задачи нестационарной теплопроводности, решенной с использованием метода дискретного преобразования Фурье и метода нейронных сетей на основе разложения по собственным функциям задачи Штурма-Лиувилля; модель прямой задачи нестационарной теплопроводности с использованием критериев Фурье и Био; - модель тепло- и влагопереноса во время фазовых переходов жидкость -твердое тело в многослойных объектах па основе решения нелинейной задачи Стефана. 3. Предложены критерии выбора лучших экспертов (дефсктоскопистов) ТК и оптимизации процесса их функционирования на основе алгоритмов оптимального интеллектуального управления и методов математической статистики. 4. Получены основные закономерности процессов теплопередачи для оптимизации диагностических систем ТК зданий и сооружений, изделий из полимерных материалов и металлоконструкций, определена погрешность результатов. 5. Разработан метод, обнаружения дефектов (внутренних нарушений сплошности) при ТК на основе разделения совокупностей информационных сигналов, присущих дефектным и качественным участкам контролируемых объектов. 6. Разработаны научно-методические основы оптимизации технологии, программно-аппаратных средств и навыков персонала (экспертов) с точки зрения, обеспечения необходимой достоверности результатов и- производительности. 7. Разработана методология анализа технологий ТК при проведении аттестации методических документов по НК. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на более, чем 30-ти Международных и Российских конференциях, выставках и семинарах в последние годы: 10th European Conference on Nondestructive Testing (г. Москава, 2010 г.), 4 - 7 Международных конференциях «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (г. Москва, 2005-2008 г.г.) 16 -18 Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» (С.-Петербург, 2002, Нкатеринбург, 2005 г.. Нижний Новгород, 2008 г.), 14, 15, 17, 18 Международных конференциях «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики» (Ялта, 2006, 2007, 2009, 2010 г.г.), 3-rd Workshop «NDT in progress». International Meeting of NDT Experts (Prague, 2005 г.); 6 специализированной конференции «Изделия и технологии двойного назначения. Конверсия ОПК» (Москва, 2005г.); Всероссийской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика при производстве и эксплуатации авиационной и космической техники» (С.-Петербург, 2005г.); 1611 World Conference on Nondestructive Testing (Montreal, Canada, 2004). Глави 1 Диагностика объектов тепловым методом. Состояние вопроса и постановка задачи Обеспечение соответствующего уровня безопасной эксплуатации, энергетической и экологической эффективности технических устройств, зданий и сооружений в современных условиях требует развития нормативно-правовой, технической, методической базы перазрушающего контроля и в первую очередь наличия подготовленного квалифицированного персонала. Современные технологии контроля качества, надежности и энергоэффективности оборудования и строительных конструкций - это, прежде всего, экспресс-обследование с определением точных геометрических, теплотехнических и др. харакгеристик в натурных условиях неразрупшющими методами. Без них построить эффективную систему мониторинга энергетической, промышленной и экологической безопасности невозможно. Для получения достоверной информации о параметрах внутренней структуры материалов необходимо применять много параметрический нераз-рушающиЙ контроль, основанный на анализе взаимодействия различных физических полей с материалами. Как показывает мировой опыт, в ближайшем будущем основой технологий экспресс - диагностики технического состояния различных объектов станут методы нераэрушающего контроля и совместной обработки результатов многопараметрических спектральных и энергетических измерений.
Комплексный подход к диагносгике включает следующие направления работ, связанные между собой конечной задачей, общей стратегией и удовлетворяющие принципу концептуального единства: - глобальные задачи обеспечения безопасности (технической, энергетической, экологической) функционирования различных объектов, используемых людьми в процессе своей жизнедеятельности, - изучение объекта контроля и определение требований к нему, - анализ возможных дефектов и определение степени их критичности, - определение информационных параметров критичных дефектов по отношению к физическому полю, - обоснование задач контроля, выбор метода или группы методов нераз-ру тающего контроля и диагностики, - оптимизация параметров аппаратуры для обнаружения и идентификации дефекгов, - разработка методов обнаружения дефектов, определения их характеристик и оценки параметров качества контролируемого изделия, - разработка технологий неразрушающего контроля и диагностики: создание методик контроля, их отработка на образцах и реальных объектах и последующая аттестация с определением метрологических характеристик получаемых результатов на предмет установления соответствия заявленным в ней показателям их фактическим значениям, - обучение персонала для проведения диагностики, определение уровня его квалификации и сертификация, - предоставление полномочий для проведения неразрушающего контроля и диагностики организациям (или их структурным подразделениям) путем их аккредитации в выбранной Системе оценки соответствия, - проведение работ по НК и диагностике контролируемого обьекга в соответствии с разработанной методикой, - оценка качества работы персонала НК с точки зрения обеспечения корректности измерений, достоверности результатов, обоснованности и полноты заключений по определению степени дефектности контролируемого объекта и оценке его технического состояния, выбор наиболее квалифицированного персонала для проведения диагностики, - корректировка технологии контроля и диагностики по результатам работ лучшего специалиста. - выдача заключения по техническому состоянию контролируемого объекта с прогностикой его ресурса.
