Дергачев Артем Николаевич, Младший научный сотрудник ОАО НТЦ Промышленная Безопасность

Неразрушающий контроль и техническое диагностирование являются важными факторами обеспечения промышленной безопасности. Точное нахождение и идентификация дефектов лежит в основе безопасной и безаварийной работы узлов всех агрегатов, в том числе и эксплуатируемых на опасных производственных объектах.

Большинство технологических процессов предполагают определенные отклонения от требований технических норм. Требования к различным изделиям могут довольно сильно отличаться. Сварные соединения являются ответственными участками любой конструкции. Особое влияние на эксплуатационную надежность сварных соединений оказывают дефекты, возникающие на этапе изготовления. Главная их опасность - в снижении прочностных характеристик металла из которого изготовлена конструкция.

Испытания показывают, что поры создают наименьшую концентрацию напряжений по сравнению с другими дефектами. В то же время имеются случаи, когда именно поры становятся очагами усталостных разрушений. Механические свойства швов, содержащих поры, снижаются, в основном, за счет того, что последние уменьшают площадь поперечного сечения конструкции. Исключения составляют цепочки пор, а также поры в соединениях с протяженными швами. Здесь может произойти непредвиденное разрушение. Примерно одинаковое воздействие оказывают поры на стыковые и угловые сварные швы [16,18]. В нахлесточных соединениях поры практически не влияют на выносливость. Также важно отметить, что в сварных конструкциях места расположения пор играют большую роль, чем их размеры.

Опасность подрезов и непроваров следует рассматривать в рамках механики разрушения. С возрастанием глубины подреза выносливость соединения падает. На снижение циклической долговечности оказывают влияние также длина подреза и его острота.

Вершина непровара часто имеет достаточно острый надрыв, выявление которого методами неразрушающего контроля весьма затруднительно. Поэтому даже небольшие непровары могут вызывать резкое снижение выносливости стыковых соединений. На долговечности соединения изменение глубины непровара сказывается в большей степени, чем изменение его длины [17].

Степень влияния смещения кромок на прочность сварных соединений зависит, главным образом, от характера нагрузок, а также чувствительности металла шва к концентраторам напряжений.

Основой любого из методов контроля является нормативно-техническая база. Она непосредственным образом влияет на результаты контроля качества конструкций. Существует множество нормативных документов, регламентирующих выбор аппаратуры, подготовку и проведение контроля, но при этом имеется значительный пробел в отношении оценки результатов контроля. После определения размеров дефекта встает новая задача: определение степени его опасности и вероятности развития. Чтобы спрогнозировать это, необходимо сделать поверочный расчет конструкции на прочность с учетом обнаруженного дефекта. Доходя до этого пункта, стандарты зачастую отсылают дефектоскописта, проводящего измерения, к нормативно-технической документации на контролируемое изделие.

Помимо этого, специалисты неразрушающего контроля в своей работе используют нормы допустимости дефектов. Нормы должны обеспечивать решение двух задач: гарантировать необходимые прочностные свойства сварных соединений и оказывать дисциплинирующее воздействие на технологию сварки [15].

Таблица 1. Различия норм допустимости пор

Документы, содержащие нормы допустимости, регламентируют нормы оценки качества сварных соединений технических устройств и сооружений, применяемых и эксплуатируемых на определенных опасных производственных объектах (ОПО). И зачастую для определенного типа конструкций существует по два и более стандартов. Например: для магистральных трубопроводов – ВСН-012-88 [1] и СНиП 3-42-80 [2]; для грузоподъемных машин – РД РОСЭК-001-96 [3], РД 24.090.97- 98 [4], РД 36-62-00 [5]; для резервуаров вертикальных стальных - ВСН 311-89 [6], СНиП 3.03.01-87 [7] и СНиП 3-18-75 [8], для объектов котлонадзора – ПБ-03-584-03 [9], РД-34.15.027-93 [10], ПБ-10-574- 03 [11] и ПБ-03-576-03 [12], для трубопроводов пара и горячей воды - СНиП 3.05.03-85 [13] и ПБ 10- 573-03 [14]. Порой содержащиеся в этих документах нормы допустимости дефектов (включения, поры, шлаковые включения, непровары, подрезы и др.), отличаются друг от друга в несколько раз. Различий не существует только по отношению к трещинам: их, как правило, не допускает ни один документ.

Рассмотрим документы, регламентирующие качество сварных соединений грузоподъемных машин. РД 24.090.97-98 в части проведения ультразвукового контроля ссылается на РД РОСЭК-001-96, однако отличия все же есть. Так, РД РОСЭК допускает эквивалентную площадь плоскодонного отверстия 7 мм, а РД 24.090.97-98 – 5 мм. Помимо этого, документ «Оборудование подъемно-транспортное. Требования к изготовлению, ремонту и реконструкции металлоконструкций грузоподъемных кранов» не разделяет сварные соединения на категории, как это сделано в РД РОСЭК. РД 36-62-00 также регламентирует качество изготовления грузоподъемных машин и значительно отличается от двух вышеназванных стандартов. Так, согласно РД 36-62-00, в сварных швах не допускаются непровары определенной глубины, тогда как РД 24.090.97-98 признает нерповары любого размера недопустимым дефектом. Помимо этого, только в РД- 36-62-00 подрезы и наплывы считаются недопустимыми дефектами.

Схожая ситуация и с нормативами на качество сварных соединений магистральных трубопроводов. Остановимся на двух документах: СНиП 3-42-80 и ВСН-012-88. Различия норм допустимости представлены в таблицах 1, 2 и 3.

Иными словами, на участке шириной S и длиной 50 мм максимально допустимая площадь проекций пор согласно ВСН-012-88 будет составлять:

0,05×0,05×S=0,0025S

Исходя из норм СНиП 3-42-80, получим следующее:

0,2×0,2×S=0,04S. Это максимально возможная площадь одной поры. На участке длиной 30 мм таких пор может быть несколько. Получается, что нормы СНиПа в 16 раз «мягче» норм ВСН-012-88.

При максимальном размере поры, равном 10% от S, допустимая площадь одной поры равна 0,01S. То есть допускают дефект в 64 раза больший, нежели ВСН-012-88.

С другой стороны, в СНиПе оговорено, что максимальный допустимый размер поры 2,7 мм. Соответственно, площадь такой поры может составлять 7,29 мм2. В то время как другой документ допускает суммарную площадь пор от 0,11 до 0,45 мм2.

Кроме того, подрезы оговариваются только в ВСН, а СНиП никаких требований к данному виду дефектов не предъявляет.

Теперь обратимся к нормам на промысловые трубопроводы. Это все тот же ВСН-012-88 и РД 39-132-94. В отношении шлаковых включений тут нет одинаковой трактовки. Так, РД допускает длину шлаковых включений не более 1/6 от периметра стыка, а ВСН от 0,5 до 2 толщин стенки.

Рис. 1. Сравнение норм СНиП 3.05.03-85 и ПБ 10-573-03

Рис. 2. Различия норм дефектности СНиП 3.03.01-87 и СНиП 3-18-75

Сравним теперь требования к трубопроводам пара и горячей воды. Для этого рассмотрим два документа: СНиП 3.05.03-85 и ПБ 10-573-03. Согласно нормам радиографического контроля первого документа, при толщине трубы 2 мм длина отдельного включения может составлять до 2 мм. Согласно ПБ, при той же трубе длина включения может достигать лишь 0,8 мм. При толщине 14 мм СНиП допускает одиночные поры (включения) размером до 5 мм. ПБ - лишь размером в 2,6 мм. При толщине 20 мм размеры допустимого дефекта составят 6 и 3 мм соответственно. Таким образом, разница в размерах до двух раз. Для наглядности приведем график зависимости максимально допустимых размеров включений от толщины стенки трубопровода.

Из графика видно, что нормы СНиП 3.05.03-85 изменяются ступенчато в зависимости от толщины трубы, в то время как ПБ 10-573-03 имеет более плавную, дифференциальную зависимость. Стоит отметить, что низкая эластичность норм от геометрических характеристик объекта контроля характерна для многих стандартов. К примеру, РД 24.090.97-98 подразделяет номинальные толщины на 4 подгруппы, поэтому оценка пор и шлаковых включений для сварных соединений подъемно-транспортного оборудования номинальной толщиной 8 и 30 мм одинакова. К тому же, в действующей документации не всегда учитывается тот факт, что скопления и цепочки малых включений в большинстве случаев более опасны, чем одиночный дефект той же площади. Например, СНиП 3-42-80 не оговаривает особые условия для скоплений и цепочек пор. Также подобный случай не оговорен в РД 03-576-03.

Рассмотрим документы по котлонадзору. ПБ 03-576-03 в части оценки качества сварных соединений сказано: «Качество сварных соединений считается неудовлетворительным, если в них при любом виде контроля обнаружены внутренние или наружные дефекты, выходящие за пределы норм, установленных правилами и техническими условиями». В целом же, документация по котлонадзору в части нормирования размеров дефектов друг другу не противоречит.

СНиП 3.03.01-87 и СНиП 3-18-75 регламентируют, в том числе, и сварку стальных конструкций. Имеют ряд противоречий в части норм допустимости дефектов сварных швов. Так, СНиП 3-18-75 допускает отдельные шлаковые включения или поры диаметром не более 10% толщины свариваемого металла, но не более 3 мм. СНиП 3.03.01-87 устанавливает границу в 4 мм и 20 % от толщины элемента конструкции.

Допустимые размеры включений и пор отличаются в два раза. Помимо этого, для стальных конструкций, рассчитанных на выносливость, тоже есть различия. СНиП 3-18-75 устанавливает максимальный размер поры (включения) 1 мм для любой толщины стали вплоть до 25 мм. СНиП 3.03.01-87, наоборот, для сталей от 4 до 20 мм предлагает пошаговое увеличение допустимых размеров дефектов, однако для толщин стали от 20 до 60 мм норма одна и та же – 2 мм (рис. 2).

Таблица 2. Допустимые размеры дефектов согласно СНиП 3.03.01-87,СНиП 3-18-75 и ГОСТ 52920-2008

ВСН 311-89 «Монтаж стальных вертикальных цилиндрических резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов объемом от 100 до 50 000 м3 в части оценки сварочных работ приводит ссылку на СНиП 3.03.01-87. ГОСТ Р 52910-2008 «Резервуары вертикальные цилиндрические стальные для нефти и нефтепродуктов. Общие технические условия» (со ссылкой на ГОСТ 23055-78) предлагает иную оценочную шкалу. Приведем сравнительную таблицу различных норм допустимости радиографического контроля, применимых к РВ С для стенок различной толщины.

Из таблицы видно, что СНиП 3.03.01-87 предъявляет наименее жесткие требования к сварным соединениям. Нормы ГОСТ Р 52920-2008 мягче СНиП 3-18-75 до толщины свариваемых элементов 14 мм. Для больших толщин требования национального стандарта жестче.

Еще более запутывает имеющуюся картину ситуация с подрезами. Все эти три документа имеют свою трактовку допустимой величины этого типа дефекта. Причем ГОСТ в отличии от СНиПов приводит различные значения норм в зависимости от класса опасности резервуара, но не оговаривает отдельно случай эксплуатации резервуара в холодных районах (с температурой ниже минус 40° С и до минус 65° С). В целом же отличия выглядят так:

Опять же, СНиП 3.03.01-87 приводит и здесь самые мягкие из всех, но в то же время и самые простые для восприятия нормы.

Очевидно, что при таком количестве документации и столь отличающихся требованиях, в ней приведенных, трудно говорить о сколько-нибудь систематизированной оценке качества сварных швов. Владельцы диагностируемого оборудования зачастую вынуждены сами выбирать, на соответствие каким именно документам проводить контроль, что в корне неверно.

Многолетняя отечественная и зарубежная практика показывает, что менее жесткие нормы допустимости дефектов не всегда опасны для эксплуатации [15]. В то же время излишне жесткий порядок отбраковки может приводить к повторной вырубке дефектных мест, их многократному исправлению. А это в свою очередь ведет к потере эксплуатационных свойств из-за ухудшения структуры металла. Отсюда следует вывод, что целесообразно ввести несколько категорий качества сварных швов. При этом форма задания норм должна обеспечивать прямую зависимость дефектов от толщины свариваемых элементов, материала и напряжений в конкретном сварном соединении.

Таблица 3. Максимально допустимая величина подрезов в сварных соединениях (без учета северных районов)

Литература

1. ВСН-012-88. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Контроль качествам и приемка работ (часть 1). – М.: Всесоюзный научно-исследовательский институт по строительству магистральных трубопроводов, 1988.

2. 2. СНиП 3-42-80. Магистральные трубопроводы. – М.: ВНИИСТ Миннефтегазстроя, 1980.

3. РД РОСЭК-001-96. Машины грузоподъемные. Конструкции металлические. Контроль ультразвуковой. Основные положения. – М.: ВНИИПТмаш, 1996.

4. РД 24.090.07-98. Оборудование подъемно-транспортное. Требования к изготовлению, ремонту и реконструкции металлоконструкций грузоподъемных кранов. – М: ВНИИПТМАШ, 1998.

5. РД 36-62-00. Оборудование грузоподъемное. Общие технические требования. – М.: ВКТИмонтажстроймеханизация, 2000.

6. ВСН 311-89 Монтаж стальных вертикальных цилиндрических резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов объемом от 100 до 50 000 м3. - М: Гипрохиммонтаж, 1989.

7. СНиП 3.03.01-87. Несущие и ограждающие конструкции. – М.: ЦНИИОМТП Госстроя СССР, 1987.

8. СНиП 3-18-75. Металлические конструкции – М.: Промстальконструкция Минмонтажспецстроя СССР, 1975.

9. ПБ-03-584-03. Правила проектирования, изготовления и приемки сосудов и аппаратов стальных сварных, 2003.

10. Р Д-34.15.027-93. Сварка, термообработка и контроль трубных систем котлов и трубопроводов при монтаже и ремонте оборудования электростанций. – М.: Оргэнергострой, 1993.

11. ПБ-10-574-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов, 2003.

12. ПБ-03-576-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением, 2003.

13. СНиП 3.05.03-85. Тепловые сети. – М.: Оргэнергострой Минэнерго СССР, 1985.

14. ПБ 10-573-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды, 2003.

15. Разработка методологии обеспечения промышленной безопасности металлических конструкций карьерных экскаваторов / Коновалов Н.Н.//Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. – Москва, 2005

16. Выносливость сварных соединений низколегированных сталей / В.И. Труфяков, Ю.А. Стеренбоген, П.П. Михеев, А.В. Бабаев//Автомат. Сварка. – 1966. - № 11. - С.1-6.

17. Труфяков В.И. Прочность сварных соединений при переменных нагрузках. - Киев: Наук. думка, 1990. - 238 с.

18. Труфяков В.И. Усталость сварных соединений. – Киев: Наук. думка, 1973. – 216 с.