Техническое диагностирование и неразрушающий контроль. Новые подходы

Модераторы:

Махутов Николай Андреевич, д.т.н., профессор, Член-корреспондент РАН, ГНС ИМАШ РАН;

Иванов Валерий Иванович, д.т.н., профессор, ГНС ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр»



Заседание круглого стола «Техническое диагностирование и неразрушающий контроль. Новые подходы» состоялось 05.03.2019 в деловой части программы Форума Территория NDT-2019. Модераторами круглого стола были чл.-корр. РАН, проф., д.т.н. Н.А. Махутов (ИМАШ РАН) и проф., д.т.н. В.И. Иванов (НИИИН МНПО «Спектр»). Форма проведения круглого стола была рекомендована руководством РОНКТД и организаторами Форума. Вначале модераторы в своих выступлениях cформулировали основные проблемы в области применения технического диагностирования для оценки техногенной безопасности промышленных объектов. Затем участники круглого стола выступили с своими докладами и сообщениями по рассматриваемым вопросам.

В заседании круглого стола приняло участие более 40 специалистов в области неразрушающего контроля и технической диагностики из различных организаций и отраслей промышленности.

В выступлениях модераторов Н.А. Махутова и В.И. Иванова был проведен анализ проблем, связанных с обеспечением техногенной безопасности и использованием технического диагностирования для оценки безопасности промышленных объектов. Обеспечение техногенной безопасности объектов повышенной опасности требуют использования новых более информативных методов, методик и средств неразрушающего контроля (НК) и технической диагностики (ТД). Принятые в последнее время государственные документы обеспечивают базу для оценки техногенной безопасности с использованием результатов ТД. Законом от 04.03.2013 г. № 22-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» введено понятие количественной оценки промышленной безопасности посредством определения «риска аварии». Аналогичные требования представлены также в документе «Указ Президента РФ от 6 мая 2018 года № 198 Об Основах государственной политики Российской Федерации в области промышленной безопасности на период до 2025 года и дальнейшую перспективу» и в ряде других документах.

Модераторы привели примеры аварий и катастроф, которые вызвали существенные потери, включая человеческие жертвы и материальные убытки. Отмечено, что в настоящее время разработаны схемы оценки безопасности с использованием информация, получаемой при выполнении технического диагностирования. Эти схемы включают основные этапы: анализ надежности опасных объектов, использование результатов неразрушающего контроля, расчеты прочности с учетом свойств материалов, деградации этих свойств, условий эксплуатационных силовых и температурных нагрузок.

В докладе Н.А. Махутова были представлены интегральный подход к промышленной безопасности и развитие методов оценки безопасности от простого расчета прочности объекта, определения ресурса и надежности к оценке живучести объекта, содержащего дефект, расчета риска аварии и определения уровня защищенности объекта. Были приведены конкретные примеры реализации указанных подходов и роль неразрушающего контроля и технической диагностики в обеспечении промышленной безопасности. Показана роль новых походов в мониторинге рисков и защите от катастроф.

В докладе В.И. Иванова были представлены новые подходы, позволяющие использовать комплексную информацию, получаемую в результате использования методов технического диагностирования. Показано, что при оценке вероятности разрушения необходимо применять комплекс методов ТД включающего прочностные расчеты вероятности разрушения с использованием информации о состоянии материала объекта и коррозионных процессов, а также параметров выявленных дефектов с учетом ошибок измерения и достоверности НК.

Отмечено, что введение в практику экспертизы техногенной безопасности производственных объектов требований оценки риска аварии означает наступление новой эры в НК и ТД. Высказано мнение, что обеспечение промышленной безопасности определяется в первую очередь культурой безопасности и качеством применяемых технологий, знаниями оборудования и процессов, дисциплиной исполнения документов, квалификацией персонала. При этом необходимо использовать новые методики оценки безопасности, основанные на вероятностных подходах. Такие подходы обеспечивают возможность получения количественных оценок рисков в условиях больших неопределенностей исходных данных.

При оценке промышленной безопасности с использованием анализа риска аварии для объектов Ростехнадзора (создано более 20 документов) включает следующие процедуры обеспечения промышленной безопасности ОПО: обоснование безопасности; декларирование промышленной безопасности ОПО; анализ опасностей технологических процессов; количественную оценку риска аварии на ОПО; использование методов вычислительной гидродинамики; оценку риска взрыва и разрушения зданий, сооружений при авариях на ОПО; расчет пожарного риска опасных производственных объектов; разработку специальных технических условий (СТУ) для ОПО.

Однако в подавляющем большинстве случаев в действующих документах оценка риска основана на использовании статистики аварий, что показано в правой части схемы на рис.1. Основной недостаток этой схемы связан с тем, что статистика аварий дает информацию о надежности класса объектов, тогда как при экспертизе промышленной безопасности необходимо знать состояние безопасности конкретного объекта и оценивать риск его аварии. Поэтому направлением развития риск-ориентированного подхода является использование информации, получаемой при ТД и расчете вероятности разрушения (технического риска) конкретного диагностируемого объекта (рис.1).

 novye-podkhody.png

Рис.1. Схема оценки риска аварии с использованием результатов технического диагностирования для определения вероятности разрушения объекта Р.

Отмечено, что в документе Ростехнадзора НП 084-15 уже в определенной мере используются подходы, которые предусматривают оценку риска, а также назначение срока дальнейшей эксплуатации технического устройства на основе измеренных параметров дефектов и расчетов прочности объекта с дефектами определенных размеров [1]. Это возможно в случае совместного использования всех методов, входящих в состав ТД. В подобных случаях ТД формулируется как технология, позволяющая определить техническое состояние объекта с целью оценки безопасности (посредством оценки риска аварии) и прогнозирования ресурса (с оценкой вероятности разрушения объекта). А для этого необходимы следующие действия: выявить дефект; определить природу дефекта (вид повреждения); измерить расчетные параметры дефекта; оценить безопасность (прочность) объекта; прогнозировать рост дефекта; произвести оценку деградации надежности объекта; определить период безопасной эксплуатации; произвести оценку риска аварии на всем оставшемся времени жизни объекта.

Для обеспечения указанных задач необходим переход от понятия дефектоскопия к понятию дефектометрия. Дефектометрия представляет собой комплексный многоэтапный процесс, включающий: обнаружение дефектов с использованием показателя вероятности обнаружения дефекта, представляемого ВОД (POD) диаграммой; разрешение (различение) дефектов; идентификацию (типизацию) дефектов; измерение параметров дефектов; введение показателей достоверности, погрешности измерения. При этом требуется определить размеры, координаты, форму и ориентацию дефекта.

Размеры дефекта и погрешности измерений затем используют для оценки риска аварии [2], употребляя предварительно полученные зависимости вероятности разрушения объекта от величины дефекта [3]. Кроме параметров дефекта необходимо также использовать другие показатели НК, такие как PoD диаграмм (вероятность обнаружения дефекта) и Диаграмму Достоверности (ROC-диаграмму) [2]. Новые подходы, описанные в докладе, до сих пор почти не были использованы в должной мере, поскольку отсутствовали конкретные методики, а также из-за необходимости дополнительных затрат на их разработку и применение.

В докладе констатировано, что НК по причине участия в процедуре оценки риска аварии вступил в новую стадию своего развития – дефектометрию. Это позволяет сформулировать первоочередные проблемы и задачи риск-ориентированного ТД:

  • Создать программу разработки и освоения современных подходов в НК.
  • Начать создание критериев и иерархического перечня объектов (по классам опасности объектов), для которых необходимо, целесообразно и экономически обосновано проводить анализ и расчет риска аварии.
  • Приступить к созданию методик оценки вероятности аварии. Необходима разработка методик риск-ориентированного технического диагностирования для каждого класса объектов.
  • Создать доступный банк образцов с дефектами (для выполнения сравнительных испытаний, оценки квалификации систем НК).
  • Разработать комплекс НТД и стандартов, по оценке риска с использованием методов технического диагностирования.
  • Создать систему подготовки и аттестации специалистов в области ТД и системы соответствующих документов.
  • Обратить внимание промышленности и государства к необходимости финансирования инновационных разработок новых средств и методов НК и ТД, участвующих в процедуре оценки риска аварии.

В сообщении Гетмана А.Ф. (ВНИИАЭС) «Техническое диагностирование и исключение рисков аварий на основе системной концепции прочности: методология, методы, технологии и некоторые примеры практического применения» показаны основные недостатки системы обеспечения прочности технических объектов, основанной на сопромате. В результате, уровень прочностной надежности современных технических объектов по критерию сопротивления разрушению находится на уровне 10-3 (событий в год). Тогда как фоновая безопасность для человека, то есть вероятность погибнуть для человека по причине, не связанной с производством, составляет 10-6 - 10-7 (событий в год).

Показана невозможность во многих случаях правильно диагностировать причины повреждений элементов технических объектов, выявленных во время эксплуатации, что приводит к неэффективным и затратным мероприятиям по предупреждению подобных повреждений, к большим убыткам из-за перепростоев технических объектов во внеплановых ремонтах. Решение таких задач нередко растягивается на многие годы, и даже десятилетия (например, проблема целостности теплообменных трубок парогенераторов АЭС в ряде стран решается без особого успеха уже около трех десятилетий). До сих пор отсутствует единая научная методология обеспечения прочности, ресурса, надежности и безопасности, имеет место существенное негативное влияние человеческого фактора и отсутствие единой обоснованной программы повышения квалификации, неполная информационная обеспеченность работ.

Для преодоления указанных недостатков А.Ф. Гетманом предложена новая парадигма, методология, методы, технические средства и технологии, которая названа Системной Концепцией Обеспечения Прочности, Ресурса, Надежности, Безопасности и Живучести (СКП).

В рамках этого подхода прочность технических объектов, её элементов и материалов обеспечивается системой, которая формируется на основе целевой функции и включает в себя все факторы, оказывающие влияние на прочность. Целевой функцией системы определяется уровень прочностной надежности, который должен быть обеспечен данной системой. Для достижения уровня прочностной надежности, заданного целевой функцией системы, необходимо применение как системных методов (применяются к системе или её подсистемам), так и традиционных методов исследования и обеспечения прочности. В рамках системной концепции прочности автором разработано около 80 новых методов, технологий, технических средств; оформлено около 40 изобретений.

В рамках СКП возможно существенное повышение прочностной надежности до уровня вероятности разрушения 10-7 (событий в год); корректное определение причин повреждений металла и разработка оптимальных мер по их предупреждению. В докладе показано, что технология на основе СКП существенно повысила надежность трубопроводов по критерию дефектности ряда АЭС.

Докладчик сделал следующие выводы:

1.Практическое применение показало, что в рамках СКП возможно повышение прочностной надежности по критерию сопротивления разрушению с уровня 10-3 (событий в год по сопромату) до уровня 10-7 (событий в год по СКП).

2.Одновременно с повышением надежности существенно (в ряде случаев до 2 и более раз) снижаются эксплуатационные затраты на контроль, техническое обслуживание и ремонт.

Сообщение Бадаляна В.Г. (НПЦ «ЭХО+») было посвящено возможности применения новых методических и приборных разработок, позволяющих реализовать новые подходы при оценке технического риска аварии (вероятности разрушения объекта). Представлены результаты измерения размеров плоскостных дефектов в сварных соединениях трубопроводов Ø325x15 мм и Ø1100x70 мм с использованием методики фазированных антенных решеток и с применением прибора модели Авгур. Погрешности измерения высоты дефектов не превышала +/- 2 мм. Была проведена работа по слежению за развитием дефекта в корне аустенитного сварного соединения 325х15 за период 2000-2004 г.г., которая показала возможность эксплуатация опасных объектов в режиме мониторинга выявленных дефектов с целью предотвращения внезапного разрушения.

Разработана методика теоретического расчета зависимости вероятности обнаружения дефектов (кривая POD), которая отражает возможности используемого метода и аппаратуры контроля на выбранной чувствительности прибора контроля и позволяет прогнозировать выявляемость дефектов различных размеров в объекте за счет известной функциональной зависимости вероятности обнаружения дефектов от их размеров. Эта работа может служить примером получения экономных методик получения POD-диаграмм с использованием вычислительных методик. Вид полученных кривых можно аппроксимировать зависимостью:

formula.png,

где h – размер дефекта, mсреднее значение, σ – стандартное отклонение

Сопоставление расчетов с результатами экспериментов при построении кривых POD и нижней границе 95% доверительного интервала, полученная с использованием программы ПС CIVA, показали хорошее совпадение с экспериментальными данными.

В заключение были высказаны следующие предложения:

  • Использование риск-ориентированного подхода к проблеме безопасности объектов приводит к более широкому применению методов и аппаратуры УЗ дефектометрии.
  • Их использование позволяет уточнить оценки значений риска для конкретного объекта; количественно описать достоверность и надежность контроля.
  • В нормативном документе атомной энергетики ФНП–084–15 имеется требование измерять реальные параметры дефектов только для 4 объектов контроля. Тогда как, только в НПЦ «ЭХО+» разработано и утверждено к применению на АЭС около 30 методик контроля с применением фазированных антенных решеток и методов синтезированной апертуры. Это представляет возможность определения реальных параметров дефектов и может быть полезно использовано в промышленности.
  • Целесообразно иметь аттестационный центр, в котором будут аттестоваться методики и приборы, необходимо создать банк данных образцов с реалистичными дефектами.

При обсуждении проблем использования риск-ориентированных подходов при оценке промышленной безопасности выступили Лисанов М.В. (ЗАО НТЦ «Промышленная безопасность»), Мусатов В.В. (ЗАО «ГИАП-ДИСТцентр»), Сазонов А.А. (ЗАО «ГИАП-ДИСТцентр») и другие участники круглого стола. В их выступлениях были отмечены различные аспекты развития риск-ориентированных методов, необходимость сравнения результативности и эффективности различных методик оценки рисков аварии, сложности и проблемы внедрения обсуждаемых подходов в промышленность. Обращено внимание на то, что наиболее продвинуты обсуждаемые подходы в атомной энергетике, Перспективным является применение в химической, нефтехимической и нефтегазовой промышленности и ряде других отраслей. Следует отметить, что рассматривались только объекты в упомянутых отраслях промышленности. В дальнейшем следует предпринять серьёзные усилия для использования этих подходов и в других отраслях.

Обсуждение на круглом столе показало, что риск-ориентированное техническое диагностирование может найти эффективное применение в первую очередь в обеспечении безопасности объектов иклассов опасности, а также критически (КВО) и стратегически важных объектов (СВО). Однако при дальнейшем развитии методов и средств риск-ориентированного технического диагностирования и при доказательстве экономической эффективности использование его результатов может быть также успешно осуществлено в оценке безопасности опасных производственных объектов более низкого класса опасности таких, как ОПО Ⅲи Ⅳклассов опасности, а также объектов технического регулирования.


Ссылки:

1. Правила контроля основного металла, сварных соединений и наплавленных поверхностей при эксплуатации оборудования, трубопроводов и других элементов атомных станций. (НП-084-15). УТВЕРЖДЕНЫ приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 07 декабря 2015 г. № 502.

2. Махутов Н.А., Иванов В.И., Мусатов В.В. Применение технической диагностики для расчета вероятности разрушения технических устройств и оценки риска аварии. Безопасность Труда в Промышленности. 2018, № 9, с. 53-64.

3. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Анализ Риска и проблем безопасности. В 4-х частях. // Ч.3 Прикладные вопросы анализа рисков критически важных объектов: Научн. рук. К.В. Фролов, Н.А. Махутов. – М.: МГФ «Знание», 2007. -816 с.



Отчет предоставил:

Иванов Валерий Иванович, Член правления РОНКТД, д.т.н., профессор, ГНС ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр»