Описывается опыт использования методов НК при проведении обследова­ния технологического оборудования одного из стартовых комплексов на космодроме "Байконур". Приведены конкретные примеры результатов ульт­развуковой дефектоскопии, эндоскопии, тепловизионного контроля. Показан значительный экономический эффект в практике эксплуатации космических средств от внедрения МНК, позволяю­щих на основе выявления реального технического состояния принимать обоснованные решения о дальнейшей эксплуатации оборудования.

Об авторах

 

 

Петров Геннадий Дмитриевич

Докторант Военного инженерно- космического университета (ВИКУ) им. А. Ф. Можайского, кандидат тех­нических наук.

Научные интересы - разработка систем научно-технического сопро­вождения эксплуатации сложных тех­нических комплексов.

 

 

 

Прохорович Владимир Евгеньевич 

Научный сотрудник Военного инженерно-космического универси­тета (ВИКУ) им. А. Ф. Можайского.

Научные интересы - методы неразрушающего контроля техни­ческого состояния технологического оборудования космической отрасли.

 

 

В космической отрасли одной из актуальных задач являет­ся разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий в практику эксплуатации наземной инфраструктуры космодромов. Технологическое оборудование включает в себя десятки агрега­тов и систем, являющихся сложными техническими объектами с высокой ценой отказа (рис. I).

До настоящего времени эксплуатация оборудования осуще­ствлялась по назначенным показателям ресурса и срока службы. В соответствии с этими показателями функционирование косми­ческих комплексов через 10-15 лет их эксплуатации прекра­щалось для проведения капитального ремонта - длительного и ресурсоемкого процесса.

Как показали исследования демонтированного оборудования, на практике имеет место существенное недоиспользование технического ресурса. Это связано с тем, что при проектировании ответствен­ного оборудования стартовых комплексов ранее закладывались значительные запасы прочности и надеж­ности. В связи с этим оказывалось, что к моменту начала ка­питального ремонта некоторая, достаточно большая часть обо­рудования имела су­щественный запас тех­нического ресурса. Однако по формаль­ным признакам осуществлялись демон­таж и замена всех систем, что приводило к необоснованным фи­нансовым затратам бюджетных средств.

Указанные обстоятельства обусловили не­обходимость решения задачи как можно более полного использования фактического техничес­кого ресурса, заложенного при проектировании и изготовлении оборудования стартовых комп­лексов космического назначения. Проблемой было отсутствие информации, позволившей бы организовать эксплуатацию комплексов таким образом, чтобы с одной стороны было обеспе­чено максимально возможное израсходование технического ресурса базовых элементов, а с другой - требуемые показатели надежности функционирования стартовых комплексов.

В связи с этим потребовалось обеспечить как можно более объективное определение ос­таточного ресурса отдельных элементов стартовых комплексов. При некоторых дополнительных условиях это позволяет отказаться от стратегии капитальных ремонтов после выработки назна­ченного ресурса и перейти к стратегии последо­вательного проведения ремонтно-профилактических работ только на тех элементах комплексов, которые имеют остаточный ресурс, не обеспечи­вающий требуемую надежность фунционирования стартовых комплексов на заданном интер­вале времени. Такую стратегию эксплуатации комплексов за пределами назначенного ресурса можно назвать ресурсосберегающей. Она обес­печивает наиболее полное расходование ресурса базовых элементов и существенное снижение единовременных расходов на поддержание работоспособности стартовых комплексов.

Рис. 1. Агрегат обслуживания - один из наиболее ответственных агрегатов стартового комплекса 

В основу реализации указанной стратегии была положена идея комплексного использова­ния методов неразрушающего контроля (МНК) в качестве инструментария для получения объек­тивной информации о техническом состоянии отдельных элементов стартовых комплексов. Кроме того, учитывалась статистическая и экс­пертная информация. Необходимость использо­вания МНК потребовала решения следующих задач:

-        подготовка квалифицированного персонала исследователей;

-        выбор методов НК, приемлемых для работы в условиях космодрома;

-        комплектование специализированного под­разделения приборами НК.

Для их решения был проведен анализ предприятий и организаций, находящихся, главным образом, в Санкт- Петербурге и работающих в области НК. Он позволил выявить широкий круг специалистов, занимающихся разработкой МНК, проектированием и изготовлением соответствующих приборов, а также аттестацией персо­нала, продажей аппаратуры для НК.

Подготовка специалистов по ультразвуко­вой дефектоскопии, толщинометрии и визуаль­ному контролю была проведена на базе ЦНИИ КМ «Прометей».

  

Рис. 2. Пирометр «Кельвин», толщи­номер «Булат 1», твердомер 54-З59 

Рис. 3. Оптико-волоконные эндоскопы ТЭУ 01, ART 2-6-150 

Выбор методов НК базировался на комп­лексном изучении объекта исследования. Это позволило выделить наиболее критичные эле­менты технологического оборудования и построить соответствующие модели процессов расходования ресурса элементов. На этой основе был определен перечень параметров технического состояния и возможных методов их контроля.

Следующим шагом на пути подготовки к обследова­нию стало формирование при­борного комплекса, который обеспечивал бы максимально возможную достоверность контроля с учетом объема выде­ленных средств. Для этого была разработана методика построения оптимального комплекта приборов НК, основанная на алгоритме двухуровневого анализа и отсеивания вариантов с применением систем допусков по достоверности контроля и объему ресурсов различных ти­пов. Кроме того, к приборам предъявлялись и дополнительные требования, в частности, возможность использования в полевых условиях с жесткими климатическими параметрами резко континентального клима­та Республики Казахстан.

В состав комплекта приборов вошло следую­щее оборудование:

-        технические эндоскопы типа ТЭУ, ART (рис. 3,АОЗТ «Интек»);

-        тепловизионная камера «Талисман», пиро­метр «Кельвин» (рис. 2, ЦНИИ «Электрон»);

-        ультразвуковой дефектоскоп УД2-12 (АО «Интроскоп»);

-        толщиномер «Булат-1», твердомер 54-359 (рис. 2, АОЗТ «Константа»);

-        жидкие пенетранты.

Методики обследования технологического оборудова­ния базировались на имеющейся нормативно-технической документации с учетом требований технических условий на агрегаты и системы.

Программа обследования техно­логического оборудования включала сле­дующие основные операции:

-        ультразвуковая дефектоскопия, толщи- нометрия и твердометрия металлоконст­рукций опор, рам, стрел, емкостей, тру­бопроводов;

-        эндоскопия гидроаппаратуры, трубопро­водов, емкостей;

-        тепловизионный контроль электрообо­рудования.

  Рис. 4. Участок сварного шва с дефектом 

Приведем ряд конкретных примеров использования МНК. Одним из основных агрегатов технологического обору­дования является подъемно-установочное устройство. Рама и стрела этого агрегата - базовые элементы комплекса, по­скольку их отказ приводит к необходимости проведения капитального ремонта. В связи с этим для оценки несущей способности был проведен ультразвуковой контроль свар­ных швов металлоконструкций, измерение твердости и тол­щины конструкционного материала. В результате контроля был выявлен недопустимый дефект (трещина) на участке сварного шва в наиболее нагруженном сечении стрелы агрегата (рис. 4). При этом по расчетам остаточный ресурс составлял 12 циклов штатных работ. Дефектный участок был подвергнут ремонту специализированной организацией, после чего расчетный ресурс стрелы агрегата увеличился до 91 цикла.

На аналогичном агрегате возникла задача оценки технического состояния гидродомкрата весом 45 т с внутренним диаметром 1 м. Дом­крат находился на длительном хранении в собранном виде при частичном отсутствии масла. Необходимо было принять решение о возможности его эксплуатации. Было предло­жено демонтировать агрегат и выполнить ука­занные работы в заводских условиях с полной разборкой оборудования. В качестве одного из основных доводов для такого решения выдви­галось предположение о том, что на поверх­ностях нехромированного корпуса и хромиро­ванного штока могли появиться очаги коррозии.

Для проверки этого предположения была предложе­на и реализована программа работ по оцениванию техни­ческого состояния поверхностей корпуса, поршня и штока гидродомкрата. Внутренние поверхности были осмотрены оптико-волоконными эндоскопами в полугибком и гибком исполнении. Основные технические характеристики указан­ных приборов следующие: поле обзора 90є х 90є, максимальный диаметр гибкой части 6 мм, оптическая сила 6 диопт­рий при угловом разрешении 10 угловых минут. Оптическая система прибора позволяла наблюдать поверхности практи­чески без искажения цвета.

Качество хромового покрытия оценивалось двумя методами. Первый служит для оценки пористости покрытия и основан на использовании реактива, приготовленного из медного купороса. Второй метод позволяет, используя шлифовальное оборудование, оценить качество сцепления покрытия с основным материалом. На наш взгляд, целе­сообразно в процессе эксплуатации использовать совре­менные приборы для измерения толщины и адгезионных свойств хромовых покрытий гидроцилиндров.

Обследование проводилось при участии специалистов от предприятий разработчиков и изготовителей агрегата. По итогам работы ре­сурс эксплуатации оборудования был продлен на 8 лет, что позволило сэкономить 12 млн. руб.

 Рис. 5. Работа с тепловизионной камерой

  Рис. 6. Нагрев элемента в стойке управления, близкий к предельно допустимому 

 

Хорошо зарекомендовал себя тепловизионный ме­тод контроля технического состояния электрооборудования. С этой целью была использована тепловизионная камера «Талисман» (рис. 5) в комплекте с пирометром «Кельвин». Для документирования результатов контроля осуществля­лась запись изображения на видеокамеру с последующей обработкой изображений на ПЭВМ. Таким образом была сформирована библиотека термограмм объектов исследо­вания. Использование тепловизора позволило оперативно контролировать значительные объемы электрооборудования на этапе проверок агрегатов и систем на функционирова­ние. Выявление неисправностей на ранних этапах развития (рис. 6) позволяет предотвращать возникновение отказов при проведении работ на стартовых комплексах по подго­товке к запуску космических аппаратов.

Успешное использование МНК послужило основанием для внедрения в практику нового организационного элемента - системы научно- технического сопровождения эксплуатации стартовых комплексов. При этом оказалось возмож­ным обеспечить величину продленного ресурса, сопоставимую с величиной ресурса, назначае­мой после капитального ремонта, а финансовые затраты существенно уменьшить (рис. 7).

  

Рис. 7. Экономический эффект от внедрения мониторинга технического состояния элементов оборудования стартового комплекса ракеты-носителя «Протон»: 

1, 2 - ресурс и срок службы соответственно после капитального ремонта и при выполнении ремонта по результатам обследования 

Ключевым звеном научно-технического сопровождения эксплуатации является монито­ринг технического состояния с использованием МНК. По существу, создается база данных, описывающая динамику процесса изменения технического состояния оборудования. Это чрезвычайно важно, поскольку исследуемые агрегаты и системы уникальны и выпущены в единичных образцах, что предопределяет отсут­ствие достаточного объема статистической информации, позволяющей достоверно прогнози­ровать ресурс оборудования. В такой ситуации необходимо использовать индивидуальный под­ход для оценки состояния элементов на основе углубленного обследования методами НК.

Двухлетний опыт научно-практической ра­боты на космодроме «Байконур» показал не только действенность мониторинга технического состояния, но и необходимость дальнейшего развития методической и приборной базы. В настоящее время прорабатывается вопрос подготовки специалистов и закупки приборов для проведения вибрационного и радиацион­ного контроля, а также для работы методом акустической эмиссии. В связи с возможным расширением объема исследований планирует­ся оснастить имеющуюся специализированную лабораторию более совершенными ультразвуко­выми дефектоскопами и другими приборами НК. В связи с этим, авторы будут чрезвычайно признательны за полезные советы и рекомендации по сути изложенных в статье направлений ис­пользования средств неразрушающего контроля.