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