40 лет эксплуатации стеклопластика: от неразрушающего контроля к расчётному обоснованию. Часть первая.

40 лет назад в мире начались исследования полимерных композитных материалов и причины его разрушения. В предыдущих публикациях мы поделились разнообразной технической информацией и примерами из практики, демонстрирующими прогресс в получении данных инспекций, которые могут быть использованы для оценки пригодности к эксплуатации (Fitness-for-Service, FFS).

Оценка FFS применяется к оборудованию, которое по своим прочностным характеристикам способно выполнять назначенную функцию при продолжении безопасной эксплуатации. Под «назначенной функцией» понимаются параметры, для которых оборудование было первоначально спроектировано и в рамках которых оно эксплуатируется в настоящее время. Во многих случаях фактические условия эксплуатации FRP-оборудования отличаются от проектных. Кроме того, нормы и стандарты проектирования и изготовления стеклопластика (FRP), применяемые при производстве, не распространяются на оборудование, находящееся в эксплуатации, что прямо указано практически во всех соответствующих кодах и стандартах. Следовательно, оценки FFS должны включать методы инспекции и инженерного анализа, выходящие за рамки строительных (производственных) норм.

В настоящей статье рассматривается, какие выводы сделали инженеры и ученые за 40 лет, каким образом инженерные расчёты FFS могут использовать данные инспекции для оценки состояния FRP-стеклопластика в настоящее время, а также как сделать оценку пригодности, используя расчетные программные комплексы.

Инспекция и FFS 

Чтобы оценить конструкционную целостность оборудования, в ходе инспекции необходимо получить измеряемые параметры, характеризующие повреждения, дефекты или состояние отдельных элементов конструкции. Полученные данные инспекторы и инженеры могут использовать в рамках унифицированных и воспроизводимых процедур оценки. Большинству специалистов хорошо знакомо применение методов неразрушающего контроля (НК) для измерения толщины стенки, размеров трещин и других видов повреждений.

Современные стандарты на изготовление FRP-оборудования начали широко применяться примерно с 1969 года. С тех пор было накоплено значительное количество знаний и реализовано множество улучшений.

Неметаллические материалы, такие как FRP, существенно отличаются от металлических сплавов. Одним из ключевых отличий является то, что условия эксплуатации — химическое воздействие и напряжённое состояние — приводят к снижению механических свойств как полимерной матрицы (смолы), так и армирующего наполнителя. В целом полимер деградирует быстрее и в большей степени, чем армирование, поэтому разрушение полимерной матрицы, как правило, предшествует потере несущей способности конструкции.

Хотя армирующие волокна (стеклянные или углеродные) обеспечивают основную прочность конструкции, на сегодняшний день не существует метода НК, позволяющего надёжно выявлять их деградацию или рассчитывать остаточный ресурс этого критически важного элемента. Поскольку полимерная матрица разрушается значительно быстрее, чем армирование, консервативный подход заключается в том, чтобы именно состояние полимера определяло оценку пригодности к эксплуатации.

Трещины в полимере, как правило, возникают вследствие снижения его прочности под воздействием эксплуатационных факторов − напряжения, деформации, температуры и химической среды. Полимер растрескивается при уровнях напряжений и деформаций, соответствующих проектным, зачастую без каких-либо аварийных или нештатных режимов. По своей природе это форма ползучести. Данное явление является неизбежным. Изменения внешнего вида и поверхностной твёрдости полимера могут служить косвенными индикаторами этого процесса, что и обусловило важность визуальной инспекции коррозионных барьеров FRP.

Со временем трещины обеспечивают доступ химических веществ к армированию, что может ускорить ползуче-разрушение волокон и привести к потере конструкционной прочности. Задача инспекции — выявить риск образования трещин в полимере и оценить их развитие, чтобы минимизировать повреждение армирования. Начало растрескивания служит сигналом к необходимости пересмотра условий эксплуатации, ремонта или замены оборудования.

На рисунке 1 показаны два вида вырезки из FRP, где рабочая поверхность имеет трещины и более тёмный цвет по сравнению с новой поверхностью.

Для выявления риска растрескивания и прогнозирования будущего состояния требуются данные, выходящие за рамки визуального осмотра и оценки поверхности. Необходим объёмный неразрушающий контроль, обеспечивающий получение информации по всей толщине контролируемого FRP.

Неразрушающий контроль состояния FRP

Начиная с 1960-х годов общепризнано, что затухание звуковых и ультразвуковых волн в полимерах изменяется при повреждении материала. Этот принцип соответствует базовым положениям учебников по ультразвуковому контролю, где коэффициент затухания связывается с модулем Юнга материала.

Используемые типы контроля

· Акустико-эмиссионный контроль (AET)

Данный вид контроля хорошо развит для FRP-резервуаров и сосудов давления. Он включён в нормы. Для некоторых сосудов его применение является обязательным при квалификации. При проведении AET-контроля необходимо минимизировать и идентифицировать все источники фонового шума.

Акустические сигналы, регистрируемые при AET, свидетельствуют о зарождении или распространении хрупких трещин в FRP, начиная с очень низких уровней повреждения.

Однако результаты AET не содержат данных, которые могли бы быть непосредственно использованы в инженерных расчётах FFS или в расчётах остаточного ресурса трубопровода.

· Акустико-ультразвуковой контроль (AU)

Акустико-ультразвуковое оборудование распространено ограниченно. Обычные ультразвуковые дефектоскопы могут быть настроены для сбора данных, но результаты не выдаются приборами напрямую и требуют последующей обработки.

Результаты AU-контроля представляются в виде фактора напряжённой волны (Stress Wave Factor, SWF) и имеют числовое выражение. Они могут использоваться исходные амплитуды отражений от задней поверхности. Данные AU могут применяться в инженерных расчётах FFS и остаточного ресурса. Но критерии оценки отсутствуют.

· Ультразвуковой контроль на основе затухания (UAX)

Данный метод на данный момент является одним из основных. Ультразвуковые дефектоскопы могут использоваться для сбора данных, однако результаты не формируются напрямую и требуют последующей обработки и расчётов на основе нескольких измерений.

Для калибровки необходимо иметь два или более образца FRP, полностью идентичных материалу контролируемого элемента, но с различной степенью повреждения.

Результатом UAX-контроля является коэффициент затухания, рассчитываемый по исходным данным, которые получены от импульсного приёмопередатчика. Этот коэффициент может использоваться в инженерных расчётах FFS и остаточного ресурса.

Общая схема процесса Fitness-For-Service

Нормативы требуют поэтапный процесс оценки, включающий три уровня — от наиболее консервативного (как правило, его выполняет инспектор или инженер на месте) до более детального и точного анализа с привлечением специалистов. На первом уровне инспекционные данные часто могут быть напрямую использованы для определения пригодности к эксплуатации, например при измерении толщины стенки.

Одним из ключевых параметров является коэффициент остаточной прочности (Remaining Strength Factor, RSF), определяемый как отношение давлений разрушения поврежденного элемента к неповрежденному. Коэффициент RSF широко применяется для оценки дефектов, а также трещиноподобных дефектов. Для FRP-компонентов растрескивание полимерной матрицы напрямую связано со снижением RSF, что позволяет выполнять консервативную оценку FFS на основе состояния полимера.

Важным результатом оценки FFS также является прогноз остаточного ресурса — времени до достижения RSF минимально допустимого значения. Это позволяет эксплуатирующим организациям планировать ремонт или замену оборудования.

Уровни оценки пригодности к эксплуатации (FFS)

Полная оценка Уровня 1 может быть выполнена с использованием методов контроля по AET, AU или UAX, как мы описали выше. AET-контроль напрямую даёт заключение о пригодности к эксплуатации и широко признан как консервативный метод Уровня 1. Для оценки остаточного ресурса необходимы результаты AU- или UAX-контроля, которые с использованием стандартизированных графиков позволяют определить RSF полимера по значениям SWF или коэффициента затухания. 

Если по результатам Уровня 1 оборудование не пригодно к дальнейшей эксплуатации, возможны следующие варианты:

• изменение условий эксплуатации (перерасчёт);
• проведение оценки Уровня 2;
• ремонт;
• вывод из эксплуатации.

Уровень 2 включает более детальный инженерный анализ с учётом ориентации армирования, уточнённых условий эксплуатации и распределения повреждений по толщине FRP. В этом случае используются данные AU- или UAX-контроля.

Если оборудование не пригодно к эксплуатации на Уровне 2, возможны:

• перерасчёт условий эксплуатации;
• оценка Уровня 3;
• ремонт;
• вывод из эксплуатации.

Уровень 3 применяется при наличии дополнительных экспериментальных или эксплуатационных данных. Если и на этом уровне оборудование признаётся непригодным, остаются варианты перерасчёта, ремонта или вывода из эксплуатации

Продолжение следует!

Материал подготовила

Наталья Гаврилина

Руководитель направления по системам инженерного анализаАО «Бюро САПР».