Испытания или расчеты

     Уважаемые коллеги ! 
     Хотелось бы обсудить с Вами тему, интерес к которой есть у каждого, кто хоть как-то связан с постановкой на производство новых образцов трубопроводной арматуры. 
     Разговор пойдет о методах подтверждения соответствия вышеуказанной продукции исходным техническим требованиям на разработку (далее по тексту – ИТТ). Сразу приношу свои извинения за некоторую сухость изложения материала, которая обусловлена необходимостью (для раскрытия темы) ссылками на действующие в области арматуростроения нормативные документы. 
    Итак, на настоящее время любое изделие до начала серийного производства требует от его разработчика проведения целого комплекса действий по обеспечению его дальнейшей надежной и безопасной эксплуатации. Показатели, которые при этом необходимо достичь, изначально указываются в ИТТ и могут быть подтверждены одним из 3-х методов:
- расчетным;
- экспериментальным;
- расчетно-экспериментальным.
    Выбор того или иного метода определяется целым рядом факторов, в числе которых (например, см. ГОСТ27.410-87 «Надежность в технике. Методы контро-ля показателей надежности и планы контрольных испытаний на надежность») указываются:
- заданная номенклатура показателей и требования к достоверности их контроля;
- особенности конструкции и функционирования изделия;
- возможность выделения необходимого числа образцов для испытаний;
- технические возможности и оснащенность испытательной базы;
- продолжительность и стоимость испытаний.
    В большинстве случае, в силу ли того, что так требует ГОСТ Р15.201-2000 «Система разработки и постановки продукции на производство. Продукция производственно-технического назначения. Порядок разработки и постановки продукции на производство», или в силу сложившихся традиций выбор остается за экспериментальными методами, в ходе выполнения которых обязательным условием является изготовление опытных образцов продукции и их всесторонние испытания. Данные методы очень наглядны и эффективны в части отработки конструкции, но влекут за собой большое количество как материальных, так и временным затрат.
     В связи с этим, а также учитывая то, что сейчас большая часть разработок осуществляется за счет собственных средств и в условиях конкурентной борьбы, где критерием успеха являются минимальные сроки освоения производства новой продукции, и зачастую просто отсутствует необходимая испытательная база, все большую привлекательность для разработчика трубопроводной арматуры приобретает расчетный метод.
    Основным достоинством расчетного метода является то, что он, в отличие от экспериментальных, позволяет оперативно производить проверку большого числа вариантов конструкции изделия, исключая при этом необходимость каждый раз дорабатывать, а то и заново изготавливать, опытные образцы и решать вопросы по организации их испытаний. При этом область применения расчета практически неограниченна и, задавая при его выполнении условия, максимально приближенные к реальным, можно получить результаты с достаточной степенью точности и достоверности.
    Применение расчетного метода допускается не только рядом отечественных стандартов, распространяющихся как на арматуру общепромышленного назначения, так и на арматуру для атомной энергетики (например, см. ГОСТ30546.1-98 «Общие требования к машинам, приборам и другим техническим изделиям и методы расчета их сложных конструкций в части сейсмостойкости», НП-068-05 «Трубопроводная арматура для атомных станций. Общие техни-ческие требования»), но также является и общепринятой мировой практикой (например, см. «Директиву Европейского Парламента и Совета 97/23/ЕС, касающуюся оборудования, работающего под давлением»).
     Признанием расчетного метода также является наличие на него ссылки во вновь разработанных и создаваемых нормативных документах (например, см. ОТТ-75.180.00-КТН-272-06 «Общие технические требования. Задвижки клиновые для магистральных нефтепроводов», СТО ГАЗПРОМ 2-4.1-212-2008 «Общие технические требования к трубопроводной арматуре, поставляемой на объекты ОАО «ГАЗПРОМ»» и проект Технического регламента «О безопасности трубопроводной арматуры»).
Имевшиеся ранее трудности, связанные с большой трудоемкостью выполнения расчетов, в настоящее время легко решаются путем использования специальных аттестованных программных средств (далее по тексту – ПС). Так, соглас-но РД-03-17-2001 «Положение об аттестации программных средств, применяемых при обосновании безопасности объектов использования атомной энергии», ПС в обязательном порядке, помимо проверки на работоспособность, подвергаются верификации – процедуре обоснования возможности их использования в за-явленной области применения и погрешности расчета параметров путем сравнения получаемых с помощью ПС результатов с экспериментальными и другими расчетными данными, результатами аналитических тестов и теоретического анализа.
    Чтобы не быть голословным и дать возможность оценить возможности современных программных средств, приведу ряд примеров их использования при проектировании трубопроводной арматуры на ОАО «Пензтяжпромарматура»:
- MSC.Nastran for Windows: выполнение расчетов напряженно-деформированного состояния в статических и динамических условиях методом конечных элементов (см. Рисунки 1 и 2);
- STAR CD: выполнение гидро-, газодинамических и тепловых расчетов методом конечных элементов (см. Рисунок 3).
    Точность и достоверность выполненных расчетов подтверждены положительными результатами испытаний опытных образцов (см. Рисунок 4) и надежной эксплуатацией серийновыпускаемых предприятием изделий.
    Продолжать говорить про положительные стороны расчетного метода можно еще и еще, но того, что уже сказано, достаточно чтобы задуматься над во-просом: «Какой же метод подтверждения соответствия трубопроводной арматуры исходным техническим требованиям на разработку лучше: испытания или расчеты?».
    На мой взгляд, развитие науки и компьютерных технологии в конечном итоге вычеркнет из нормативных документов обязательные требования о необходимости проведения испытаний для подтверждения показателей продукции (работоспособности и времени срабатывания, величины протечек в затворе и расхода среды, коэффициентов сопротивления и условной пропускной способности, уровня шума, и показателей надежности), опытные образцы станут не нужны для проверки принятых конструкторско-технологических решений и оценки удобства обслуживания и ремонта изделий и такое понятие как «испытания опытного об-разца» станет достоянием истории.

 

Рисунок 1 - Результаты расчета распределения напряжений от действия внешних нагрузок (оценка статической прочности)
 

Рисунок 2 - Результаты расчета собственных частот (оценка сейсмостойкости)
 

Рисунок 3 - Результаты расчета поля скорости в проточной части (оценка гидравлических характеристик)
 

Рисунок 4 – Сравнение расчетных и экспериментальных результатов

 

Бондарев В.И., зам. главного конструктора ОАО "ПТПА".