Техническое состояние авиационных баллонов (АБ) и сосудов высокого давления определяет безопасную и эффективную эксплуатацию воздушных судов (ВС). Авиационные баллоны и сосуды входят в состав систем кислородного оборудования, пожаротушения, воздушной, гидравлической и топливной систем, средств аварийного покидания и спасения.
Баллон — сосуд, имеющий одну или две горловины для установки вентилей, фланцев или штуцеров, предназначенный для транспортирования, хранения и использования сжатых, сжиженных или растворенных под давлением газов (ТР ТС 032/2013).
Сосуд — изделие (устройство), имеющее внутреннюю полость, предназначенное для ведения химических, тепловых и других технологических процессов, а также для хранения и транспортирования газообразных, жидких и других веществ (ТР ТС 032/2013).
На борту ВС государственной авиации установлено более 50 различных наименований сосудов (баллонов) в составе различных систем, отличающихся назначением, устройством, материалом изготовления, принципом действия и рабочей средой.
Контроль технического состояния (техническое диагностирование) — это проверка соответствия значений параметров баллонов требованиям технической документации и определение на этой основе одного из заданных видов технического состояния в данный момент времени.
Задачами технического диагностирования являются:
— контроль технического состояния;
— поиск места и определение причин отказа;
— прогнозирование технического состояния.
В эксплуатирующих организациях контроль технического состояния (ТС) баллонов включает следующие виды работ: дозаправка кислородом (азотом, воздухом, ксеноном, фреоном (хладоном 114В2), углекислотой) и проверка герметичности при подготовке к полетам, визуальный осмотр при проведении регламентных работ, периодическое освидетельствование органами Гостехнадзора.
В условиях постоянного базирования при оперативных и периодических формах обслуживания авиационной техники выполняются:
— внешний осмотр баллонов и проверка надежности их крепления;
— проверка герметичности баллонов (для стационарных баллонов – только проверка герметичности в составе бортовых систем).
На базе авиационных ремонтных заводов (АвРЗ) и специализированных организаций, с периодичностью 5 — 15 лет выполняется техническое освидетельствование определенных типов баллонов, которое включает:
— осмотр наружной и внутренней поверхности баллона на отсутствие механических и коррозионных повреждений, включая проверку состояния резьбы горловин;
— проверка герметичности при номинальном рабочем давлении;
— прочностные испытания внутренним 1,5-кратным рабочим давлением;
— промывка внутренней поверхности;
— восстановление лакокрасочного покрытия (ЛКП).
На АвРЗ дополнительно применяется рентгенографический контроль швов (для отдельных типов баллонов).
Внеочередное освидетельствование сосудов, находящихся в эксплуатации, проводится в следующих случаях:
если сосуд не эксплуатировался более 12 месяцев;
если сосуд был демонтирован и установлен на новом месте;
если произведено выправление выпучин или вмятин, а также реконструкция или ремонт сосуда с применением сварки или пайки элементов, работающих под давлением;
перед наложением защитного покрытия на стенки сосуда;
после аварии сосуда или элементов, работающих под давлением, если по объему восстановительных работ требуется такое освидетельствование;
по требованию инспектора Госгортехнадзора России или ответственного по надзору за осуществлением производственного контроля за соблюдением требований промышленной безопасности при эксплуатации сосудов, работающих под давлением.
Одной из основных задач технического диагностирования баллонов является назначение очередного срока технического диагностирования, если результаты проведенных исследований оказались положительными. Решение принимается после анализа величины остаточного ресурса.
Для АБ требуется систематическое или постоянное наблюдение за их техническим состоянием или мониторинг их безопасной эксплуатации.
Мониторинг – процесс систематического или непрерывного сбора информации о параметрах сложного объекта или деятельности для определения тенденций изменения параметров.
Мониторинг – непрерывный процесс наблюдения и регистрации параметров объекта, в сравнении с заданными критериями.
В технической диагностике под мониторингом понимают непрерывный процесс сбора и анализа информации о значении диагностических параметров состояния объекта.
Наиболее близкий русский эквивалент слова «мониторинг» — отслеживание.
В соответствии с ГОСТ Р 53564-2009 система мониторинга (состояния оборудования) — совокупность процедур, процессов и ресурсов, реализованных с использованием диагностической сети, позволяющая по результатам измерений заданных параметров в заданных точках и наблюдений за работой оборудования получить информацию о текущем техническом состоянии оборудования, опасностях и рисках, связанных с его применением, требуемых действиях обслуживающего персонала и другие сведения, необходимые для реализации установленных предупреждающих мер.
Система мониторинга требует решения ряда научных и технических задач:
— разработка математических моделей дефектов материала АБ на основе использования информации о видах и опасных дефектах, составе и структуре материала;
— разработка математических моделей развития отказов под влиянием производственных и эксплуатационных факторов;
— обоснование и выбор критериев предельного состояния АБ;
— разработка математической модели постепенного накопления повреждений (старение, коррозия и т.п.), позволяющей, определять время очередного диагностирования АБ;
— прогнозирование времени развития дефекта до наступления критического момента, связанного с отказом (разрушением) АБ;
— выбор методов и технических средств неразрушающего контроля АБ;
— обоснование структуры информационно–аналитической системы мониторинга безопасной эксплуатации авиационных баллонов (ИАС МБЭ АБ).
В случае технического диагностирования авиационных баллонов действующие методики должны быть адаптированы с учетом особенностей эксплуатации баллонов.
Для уменьшения риска принятия неправильного решения при определении очередного срока проведения технического диагностирования целесообразно учитывать его вероятностные оценки, например, значение математического ожидания наработки до отказа и другие.
Отказы баллонов, возникающие по модели постепенного накопления повреждений (старение, коррозия и т.п.), как правило, подчиняются нормальному закону. Параметрами функции распределения являются среднее время (математическое ожидание) работы до отказа и среднее квадратическое отклонение времени до отказа.
Материалы и структура стали АБ
Материалы оболочки АБ выбираются в соответствии с ГОСТ 5632-2014 и делятся на: нержавеющие стали; сплавы на железоникелевой основе; сплавы на никелевой основе; коррозионностойкие стали и сплавы и др.
Под структурой стали для АБ понимают ее зернистое строение. При температуре не выше 723 °С в углеродистых сталях могут быть зерна только трех типов: зерна феррита, зерна цементита и зерна перлита.
По структуре, получаемой при охлаждении, стали делят на следующие структурные классы: мартенситный, аустенитный, перлитный, карбидный и ферритный. Для материалов авиационных баллонов характерны первые два.
Отказы (дефекты)АБ
Отказы (дефекты) АБ можно классифицировать по следующим признакам:
а) По возможности обнаружения: явные; скрытые;
б) По месту положения:
— наружные (поверхностные и подповерхностные), которые выявляются визуально или с помощью инструмента и оптических приборов;
— внутренние, выявление которых возможно только с применением методов неразрушающего контроля (МНК);
в) По распределению:
— локальные (отдельные трещины, риски, неметаллические включения и т.д.);
— ограниченные зоны, расположенные на поверхности или внутри материала (зоны ликвации, неполной закалки, коррозионного поражения, местный наклеп и т.д.);
— распределенные во всем объеме изделия или по всей его поверхности (общее несоответствие химического состава, структуры, качества механической обработки и т.д.);
г) По происхождению:
— конструктивные, являющиеся следствием несовершенства конструкции;
— производственно-технологические, возникающие из-за несовершенства или нарушения технологии изготовления изделия при отливке и прокатке металлов, сварке, механической и термической обработке, склеивании и т. д.;
— эксплуатационные, проявляющиеся после определенной наработки изделия в результате усталости материала, коррозии, изнашивания, а также нарушений условий и требований эксплуатации;
д) По влиянию на безопасность эксплуатации:
— критические, при наличии которых использование изделия по назначению невозможно;
— значительные, которые существенно влияют на использование изделия по назначению и (или) на его долговечность, но не являются критическими;
— малозначительные, которые не оказывают существенного влияния на использование изделия по назначению и его долговечность.
Наибольшее влияние на безопасность эксплуатации АБ оказывают дефекты критические и значительные, происхождение которых обусловлено конструктивными, производственно-технологическими и эксплуатационными и эксплуатационными факторами.
Основные производственные дефекты АБ:
— дефекты плавки и литья;
— дефекты обработки давлением;
— дефекты термической, химической, и механической обработки металлов;
— дефекты соединения (сварки, склеивания и т. д.) материалов, из которых изготовлены АБ.
Дефекты, возникающие при хранении и эксплуатации
При хранении изделие может получить механические повреждения. Возможно растрескивание в результате действия внутренних напряжений. Нередкое явление – коррозия, которая может быть поверхностной, а может распространяться в глубь металла преимущественно по границам зерен (межкристаллитная коррозия).
При эксплуатации дефекты АБ могут возникать в результате изнашивания, коррозии, явления усталости и т. д., а также неправильного технического обслуживания и эксплуатации.
Дефекты, возникающие в результате изнашивания:
— износ – это результат изнашивания, проявляющегося в виде отделения или остаточной деформации материала. В процессе эксплуатации изделий изнашивание того или иного вида неизбежно.
Основными, наиболее часто встречающимися видами изнашивания АБ являются следующие:
— эрозионное – это изнашивание поверхности в результате воздействия потока жидкости или газа;
— усталостное – это изнашивание поверхности трения или отдельных ее участков в результате повторного деформирования микрообъемов материала, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц. Усталость – процесс постепенного накопления повреждений под действием повторно — переменных напряжений, приводящий к уменьшению долговечности, образованию трещин и разрушениям.
Отказы, вызванные неправильной эксплуатацией, связаны с небрежным техническим обслуживанием, нарушением правил эксплуатации АБ. Например, использование несоответствующего данной операции инструмента может привести в негодность отдельные детали. Несвоевременное или недоброкачественное выполнение регламентных работ, длительное хранение АБ в незаправленном состоянии, использование рабочих сред, не соответствующих требованиям ЭТД, невыполнение периодических освидетельствований, может вызвать отказы изделий.
Из всего рассмотренного выше разнообразия дефектов наибольшее влияние на безопасность эксплуатации АБ оказывают нарушения сплошности материала изделия.
В общем случае при определении опасности дефекта следует принимать во внимание следующие факторы: характер нагружения АБ; уровень действующих напряжений; возможность и характер перегрузок; рабочую среду и температуру; ресурс; чувствительность материала к концентраторам напряжений; местоположение и ориентировка дефекта; характер дефекта.
Выбор методов и средств неразрушающего контроля АБ
Для АБ наиболее пригодны методы и средства:
— визуального контроля (визуально – измерительного контроля (ВИК));
— ультразвукового контроля (УЗК);
— акустического контроля;
— радиационного контроля.
ВИК пригоден для АБ любой геометрической формы и любых размеров. Для осмотра внутренней поверхности АБ необходимо обеспечение доступа к ней и ее подсветка. Современные видеоэндоскопы с гибкими световодами обеспечивают выявление и измерение параметров дефектов на внутренней поверхности баллона. Исключение составляют газификаторы, гидроаккумуляторы и бачки, для которых без разборки изделия возможен только внешний осмотр.
Ультразвуковой контроль применим для оценки технического состояния практически всей номенклатуры стальных баллонов (сосудов) без оплетки. Позволяет выявлять внутренние дефекты в сварном шве и околошовной зоне, а также в основном материале, измерять толщину стенок баллона. Для автоматизации процесса контроля баллонов различной формы и размеров требует создания различных вращателей АБ и пьезоэлектрических преобразователей, и специального алгоритмического обеспечения, зависящего от толщины стенки баллона, используемого материала, формы и размеров баллонов. Вопрос применения УЗК для контроля многослойных баллонов остается открытым и слабо проработанным. Кроме того, для нормального выполнения УЗК требуется наличие контактной жидкости. Все это ограничивает или делает невозможным выполнение УЗК на борту ВС.
Метод акустической эмиссии (АЭК) универсален для выявления развивающихся дефектов в баллонах, сосудах. Применимость метода не зависит от геометрических размеров и форм АБ. Идеально применим для стальных АБ без оплетки, газификаторов. Ограничивает применение необходимость создания избыточного давления в контролируемом баллоне и соответственно принятие дополнительных мер безопасности, исключается выполнение работ на борту ВС. Не применим для контроля АБ в оплетке, так как создание избыточного давления приводит к появлению сигналов акустической эмиссии (АЭ) вследствие отслоения армирующей оплетки и нарушения целостности АБ.
Радиационный (рентгенографический, рентгеноскопический (РГК)) НК применим для всех типов баллонов и сосудов. Возможно его применение в полевых условиях. Вопрос применения РГК на борту ВС требует проработки. Недостатком является необходимость принятия дополнительных мер безопасности.
Только комплексное сочетание МНК позволит скомпенсировать отдельные недостатки конкретных методов и усилить их достоинства, обеспечить достоверный контроль АБ с высокой технико-экономической эффективностью.
Для проведения контроля по критерию «стоимость-эффективность» могут быть выбраны:
— инструмент слесаря-сварщика для выполнения ВИК внешних поверхностей;
— видеоэндоскоп типа «Olympus» для выполнения ВИК внутренних поверхностей.
— установка АЭК серии «Малахит». Даже в минимальной (двухканальной) версии она позволяет выявлять дефекты на ранних стадиях их развития и решать широкий круг исследовательских и практических задач диагностирования;
— многоканальная ультразвуковая измерительная установка серии «СКАНЕР», приборы УЗК серии УД2;
— рентгеновские аппараты серии РАП — портативные аппараты постоянного тока, предназначенные для проведения рентгенографических работ в стационарных и полевых условиях.
Так, например, испытания баллонов типа УБШ-25/150 (Рраб=150 кгс/см2), сопровождаемые АЭК показали, что активность акустической эмиссии проявляется при Рисп ≥ 220…250 кгс/см². Это свидетельствует о том, что при предыдущих (неоднократных) освидетельствованиях баллонов в них были спровоцированы развивающиеся трещины, явившиеся следствием дефектов сварки или некачественной термообработки.
Комплексное использование ВИК, АЭК, УЗК, РГК позволит исключить техническое освидетельствование баллонов 1,5-кратным давлением и тем самым сократить темп расходования запаса ресурса баллонов.
Внедрение новых процедур диагностики в практику эксплуатации ВС требует разработки нормативно-технической и научно-методической базы, проведения организационно-технических мероприятий по внедрению комплексного подхода к оценке технического состояния авиационных баллонов с целью обеспечения их безопасной эксплуатации. Возможно также включение в выбранный комплекс диагностирования средств измерения, использующих другие методы неразрушающего контроля, например, магнитопорошковый, вихретоковый метод и др.
Система мониторинга ТС АБ
Для АБ требуется систематическое или постоянное наблюдение за их техническим состоянием или мониторинг их безопасной эксплуатации.
Для систематического наблюдения возможно создание лабораторий НК в эксплуатирующих организациях в составе рабочих мест ВИК, УЗК, РГК. Возможны варианты контроля на борту с использованием методов ВИК и РГК или комплексное использование методов ВИК, УЗК и РГК на снятых с борта АБ. Это потребует корректировки объема и периодичности выполнения регламентных работ, разработки технологий выполнения работ. Информация о ТС АБ должна обобщаться региональными и центральным центром мониторинга ТС АБ.
Информационно – аналитическая система мониторинга безопасной эксплуатации авиационных баллонов, установленных на ВС, должна представлять собой централизованную автоматизированную систему управления технологическими и производственными процессами в организациях, выполняющих техническое обслуживание и ремонт АБ.
Как показала практика, наиболее эффективным для мониторинга опасных производственных объектов является метод акустической эмиссии. Для постоянного мониторинга ТС АБ целесообразно установить на АБ датчики АЭ и другую аппаратуру.
Поэтому перед принятием решения об установке системы АЭ мониторинга очень важно сделать оценку основных параметров системы и, в том числе, оценить требуемое число каналов.
Число каналов, необходимых для мониторинга, является одним из основных параметров системы. От количества каналов зависит чувствительность системы и надежность обнаружения дефектов. Чем больше АЭ преобразователей установлено на АБ, тем выше вероятность обнаружения дефектов.
Для выбора оптимального решения необходимо:
— иметь данные о характерных и наиболее опасных для АБ типах дефектов и о параметрах акустической эмиссии, излучаемой ими. Главным из них, с точки зрения вероятности обнаружения дефекта, является амплитуда волн напряжения;
— исследовать акустические свойства АБ, влияющие на распространение упругих волн напряжения и приводящие к их затуханию;
— измерить уровень рабочих акустических шумов, который определяет порог чувствительности системы и зависит от особенностей ВС.
Для выбора основных параметров системы необходимо знать:
— с какими амплитудами генерируются волны напряжений при возникновении и развитии дефектов в материале АБ;
— как амплитуда уменьшается при распространении от места расположения дефекта до места расположения регистратора;
— возможна ли регистрация волны напряжения с такой амплитудой системой, обладающей неким амплитудным порогом, который определяется уровнем акустических шумов.
Изучение характерных дефектов и параметров акустической эмиссии проводится при циклических гидравлических испытаниях АБ, а также, испытаниях АБ с доведением их до разрушения. Приблизительные оценки требуемых характеристик можно получить из опыта использования АЭ применительно к аналогичным материалам.
Важнейшим вопросом системы мониторинга является создание программных модулей для информационных центров (ИЦ) различного уровня.
В общем случае система мониторинга должна включать в себя средства технического диагностирования АБ и информационно – аналитическую составляющую (систему).
Программный модуль информационно – аналитической системы мониторинга должен (может) включать в себя программные комплексы (ПК): учет АБ; регламентирующие и нормативно – правовые документы; инжиниринг; логистика ((материально – техническое обеспечение) (МТО)); надёжность; аутентичность; анализ и экспертиза результатов мониторинга.
ПК «Учет АБ» предназначен для обеспечения учета номенклатуры АБ, ресурсного и технического состояния и выполнения функций по ведению электронной пономерной документации АБ.
ПК «Инжиниринг» предназначен для технолого-конструкторского обеспечения технического обслуживания и ремонта АБ, решения задач мониторинга, учета движения АБ, формирования адаптивного регламента технического обслуживания.
ПК «Регламентирующие и нормативно – правовые документы» предназначен для своевременной актуализации нормативных и технических документов (правовых актов, бюллетеней и указаний, методических указаний, изменений и дополнений к ЭД и т.д.).
ПК «Логистика (МТО)» предназначен для автоматизации задач, связанных с материально-техническим обеспечением, в том числе составление и учет заявок на поставку, размещение АБ на складах, контроль АБ при их хранении и т.п.
ПК «Надёжность» предназначен для обеспечения сбора, обработки и анализа информации об отказах АБ.
ПК «Аутентичность» обеспечивает доказательную документацию за счет автоматического формирования комплекта выходных документов по ТО и Р (техническое обслуживание и ремонт) АБ, предусматривающих подписи специалистов, исполнителей и контролеров, которые подтверждают актуальность и достоверность информации электронных формуляров (паспортов). Посредством ПК «Аутентичность» в базу данных вводится информация о фотодокументировании пономерной документации и заключениях экспертов и изготовителя по вопросам аутентичности АБ.
ПК «Анализ и экспертиза результатов мониторинга» предназначен для сбора и анализа обобщенной информации об (о);
— отказах парка АБ;
— результатах мониторинга технического состояния АБ,
— результатах лабораторных исследований АБ, НИР;
— показателях безотказности, долговечности и сохраняемости АБ.
ПК осуществляет также прогнозирование возможности эксплуатации АБ за пределами назначенных показателей ресурса и срока службы и выдает предложения и рекомендации по обеспечению безопасной эксплуатации АБ.
Интерфейс обмена данными необходим для осуществления автоматического обмена информацией между базами данных ИЦ и базой данных центрального информационного центра (ЦИЦ) в целях актуализации информации мониторинга АБ.
ПК ЦИЦ должен обеспечить:
— сбор и обработку информации мониторинга АБ;
— автоматизированный анализ результатов мониторинга;
— работу экспертной системы принятия решения.
Таким образом, организация систематического и непрерывного слежения (мониторинга) за техническим состоянием в процессе эксплуатации является радикальным способом обеспечения необходимого уровня безопасности и эксплуатационной надежности АБ.