obr

Koncepce typu „bezpečný život“ prokazuje bezpečný provoz s konzervativními výsledky. Aplikace přístupu „přípustné poškození“ přináší výhody při návrhu nové konstrukce i při provozu stárnoucí. Vyžadována je analýza konstrukce a identifikována jsou kritická místa.

 

Po popsání lokálních podmínek a vlastností je navržen systém pe­riodických defektoskopických prohlídek. Pro prohlídky jsou pou­žívány prostředky nedestruktivního zkoušení. Ilustrována je přípa­dová studie návrhu nápravných opatření pro znovunabytí spolehlivosti pístového kompresoru.

MOTIVACE

Strojní zařízení v průmyslových technologiích bývají dimenzována pro provoz v řádu několika let až desetiletí. Provozní zatížení vedou k degra­daci integrity konstrukčních materiálů, v naprosté většině kovových. Po nějaké době vzniká v kritickém průřezu namáhaného dílu únavová trhli­na. Při pokračujícím provozu se trhlina šírí tělem dílu a vede k lomu. Po­kud je zatížení přenášeno více cestami, může být zatížení dále přenáše­no paralelními prvky, které jsou však po porušení prvního již přetěžované a i jejich životnost je brzy vyčerpána. Následuje havárie zařízení.

tab1

Tradičním opatřením bezpečného provozu je vyjmout konstrukci z pro­vozu dříve, než začne narůstat riziko havárie v důsledku stárnutí kon­strukce. Takový systém vede ke značně konzervativním výsledkům a značná část kapacity konstrukce zůstává nevyužita. S rozvojem techno­logií kontroly a měření je moderní hodnotit konstrukci podle skutečné­ho stavu a provozovat ji až do okamžiku výskytu varovacího stavu, který těsně předchází havárii.

obr1
obr2

METODIKA

Na dané konstrukci je třeba vytipovat kritická místa, která budou spadat pod hodnocení přípustného poškození. Typicky se jedná o oblasti kon­centrace mechanického napětí, jako jsou např. vruby nebo náhlé změ­ny nosného průřezu. V těchto vybraných místech je předpokládán výskyt poruchy, typicky se jedná o únavovou trhlinu, a stanovena je rychlost je­jího šírení během provozu. Mnoho případů lze s dostatečnou přesností a s přiměřenými náklady řešit analyticky modelem o náhradním průřezu, pro obecné případy je rozpracována metodou konečných prvků. Uvažo­vány jsou různé módy lokálního zatížení, obr. 3. Rychlost šírení trhliny je odvozena od lokální hodnoty faktoru intenzity napětí

rov1

kde σ je mechanické napětí v kritickém místě, a je délka trhliny a Y je ko­rekční funkce zohledňující konečné geometrické rozměry tělesa. Pokud nejsou hodnoty korekční funkce Y známy z publikovaných příkladů a ty­pických úloh, je pro určení hodnoty faktoru intenzity napětí metodu ko­nečných prvků vhodnější alternativa hodnocení tzv. J-integrálu, který je s K-faktorem svázán vztahem

rov2

kde E a σ jsou materiálové konstanty a indexy I III odkazují příslušný mód zatěžování trhliny.

obr3

Problematice modelování únavových trhlin se věnuje např. [1], [2], [3].

Konstrukční materiál je reprezentován růstovou křivkou, která popisu­je závislost rychlosti šírení trhliny na hodnotě rozkmitu faktoru intenzi­ty napětí. Materiálová data je nejlepší naměřit přímo na zkušebních těle­sech z daného typu materiálu, nebo lze použít již publikované knihovny. Křivka se často zjednodušuje do podoby tzv. Parisova vztahu

rov3

kde da je přírůstek délky trhliny po dN aplikovaných cyklech zatížení, které v místě trhliny vytvářely hodnotu faktoru intenzity napětí K, C a n jsou materiálové konstanty. Popis oblasti tzv. krátkých trhlin je nejistý, avšak v praxi je často mimo oblast inženýrských délek trhliny a není třeba blíže řešit. Naopak, zrychlování růstu trhliny v oblasti vysokých hodnot K-faktoru, lze zjednodušit do prostého omezení kritickou hodnotou fak­toru intenzity napětí KC, neboť tato fáze růstu trhliny je z pohledu doby života poměrně krátká a její vliv je malý. Principy lomové mechaniky ná­zorně popisuje např. [4].

Interval defektoskopických prohlídek se určuje jako část z vypočítané­ho období, kdy je trhlina již detekovatelná, ale ještě nedosáhla kritického stavu. Velikost detekovatelné trhliny závisí na použité metodě nedestruk­tivního zkoušení, běžně se pohybuje v řádech desetin až jednotek mm.

obr4

Systém periodických prohlídek se u nových konstrukcí spouští překro­čením určitého prahu, většinou vztaženého k plánované době provozu a předpokládanému dosažení detekovatelné velikosti defektu v daném kritickém místě. Pokud je práh vyhodnocen příliš vysoko, jsou konstruk­ce prohlíženy již dříve, obr. 5.

obr5

DEFEKTOSKOPICKÉ PROHLÍDKY

Defektoskopických metod vhodných k detekci únavové trhliny je k dis­pozici celá řada. Z tradičních například:

• ultrazvuk (objemová metoda),

• vířivé proudy,

• kapilární,

• magnetická prášková,

• vizuální,

• z pokrokových například:

• termokamera, nebo

• akustická emise.

Výběr defektoskopické metody je dán rozborem nákladů a přínosů. Ná­klady jsou tvořeny zejména jednorázovou položkou při zavedení:

• přístrojové vybavení,

• kvalifikace personálu,

• vyvinutí specifické procedury/instrukce.

• a následně při každé z opakovaných prohlídek

• odstavení zařízení z provozu,

• příprava pro prohlídku,

• vlastní inspekce,

• znovuuvedení zařízení do provozu.

Přínosy lze vyjádřit pravděpodobností detekce trhliny určité velikosti. Levnější a jednodušší NDT metody zpravidla vedou na nižší spolehli­vost detekce a potřebu častého opakování prohlídek. Někdy je účelná aplikace prohlídek v několika úrovních s kombinací více metod. Kro­mě velikosti existující trhliny a metody samotné je pravděpodobnost detekce významně ovlivněna i pracovními podmínkami v místě pro­vozu. Zde je třeba zohlednit výkon personálu v mnohdy stísněných podmínkách, stav povrchu zkoušeného objektu již dlouhodobě pro­vozovaného apod. Vykazování příliš vysoké pravděpodobnosti detek­ce přináší i nežádoucí výskyt chyby tzv. druhého druhu, tedy možnost falešného alarmu.

APLIKACE

Výhody přechodu na koncepci přípustného poškození lze ilustrovat na příkladu prodloužení života pístového kompresoru. Analýzou havárie stroje, který byl provozován daleko za svým návrhovým životem, se kri­tickým místem ukázalo malé oko ojnice. Protože provozovatel měl zájem v co nejkratší době prokázat bezpečnost provozu dalších zařízení stejné­ho typu a pokračovat ve své produkci, provedlo se nejdříve rychlé hodno­cení situace empirickými vztahy a analytickými nástroji. Určená perioda prohlídek byla následně upřesněna podrobnějším rozborem s využitím numerických metod.

obr67
obr8

Zavedením hodnocení podle skutečného stavu se podařilo prokázat bezpečnost pokračujícího provozu zařízení za přijatelných nákladů na periodické defektoskopické prohlídky kritického místa. Zbývající stro­je byly opět uvedeny do provozu v řádech týdnů od havárie prvního ku­su. Simulace šírení trhliny je popsána v [4] Kunz, J.: Základy lomové mechaniky, ČVUT 2000], aplikace přístupu přípustného poškození by­la prezentována na [6].

ZÁVĚR

Aplikací moderních postupů průkazu spolehlivosti lze provozovat strojní zařízení podstatně déle, než bylo stanoveno dřívějšími konzervativními přístupy. Atraktivní je i prodlužování života stárnoucích konstrukcí, kdy lze dočasně nebo i trvale řešit lhůtu pro výrobu a dodání nového zařízení.

Program údržby podle stavu je plánován s uvážením faktorů:

• kritické místo,

• mechanizmus poškozování,

• rychlost rozvoje poškození (růst trhliny),

• detekovatelnost poškození.

Pro dané zařízení je třeba určit:

• prohlížené oblasti,

• výběr defektoskopické metody,

• počátek periodických prohlídek,

• interval prohlídek.

Praktická aplikace je charakteristická následujícími kroky:

• určení kritické oblasti konstrukce,

• stanovení provozních namáhání,

• výpočet pevnostních charakteristik,

• doba do iniciace,

• rychlost šírení defektu,

• kritická velikost,

• výběr vhodné defektoskopické metody,

• detekovatelná velikost defektu,

• náklady na prohlídku,

• plánování systému provozních prohlídek.

Prezentovaný postup představuje snadnou cestu ke zvýšení užitné hodnoty mnoha zařízení tím, že budou provozována podstatně del­ší dobu, než bylo prokázáno původním konzervativním návrhem. Při aplikaci je, samozřejmě, potřeba jisté opatrnosti, zejména při sesta­vování modelů a interpretaci dat. Značný rozdíl může být mezi mo­dely vycházejícími z konstrukčních podkladů a reálným stavem za­řízení provozovaného několik desítek let. Rovněž použití výpočetní techniky by mělo být jen pro úsporu času a zvýšení kapacity, im­plementovaným fyzikálním i matematickým vztahům musí inženýr dobře rozumět a být schopen kteroukoliv část zautomatizovaného řešení kontrolovat. Spolehnutí se na výsledky asistovaných analýz může snadno vést ke zcela nereálným výsledkům a ve svém důsled­ku i ke škodám.

ODKAZY

[1] Bist, S., Kannusamy, R.: Predicting 3-D Fatigue Cracks without a Crystal Ball. ANSYS Advantage Vol.III, Iss.1, 2009

[2] Brooks, C., Honeycutt, K., Domasky, S.P.: Implementing Models and Libraries. Report No.AFRL-VA-WP-TR-2006-3043, AP/ES Inc., 2006

[3] Fatigue Crack Propagation Analysis in ANSYS. CAE Associates 2011

[4] Kunz, J.: Základy lomové mechaniky, ČVUT 2000

[5] Běhal, J.: Crack Growth Simulation in the course of Industrial Equipment Life Extension, 20th SVSFEM ANSYS Users‘ Group Meeting and Conference 2012, ISBN 978-80-260-2722-5

[6] Běhal J.: Prodlužování života strojních zařízení aplikací periodických defektoskopických prohlídek, Prevádzková spoľahlivosť výrobných zariadení v chemickom priemysle a energetike, ISBN 978-80-227-3806-4

 

TEXT/FOTO BĚHAL JIŘÍ, ČKD KOMPRESORY