Основы диагностики технических устройств и сооружений

ОСНОВЫ 
ДИАГНОСТИКИ 
ТЕХНИЧЕСКИХ 
УСТРОЙСТВ 
И СООРУЖЕНИЙ

2-е издание

УДК 681.2+621.791
ББК 30.14+30.82
 
O-75

 
 
Основы диагностики технических устройств и сооружений / 

[Г. А. Бигус, Ю. Ф. Даниев, Н. А. Быстрова, Д. И. Галкин]. – 2-е изд. – 
Mосква : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018 – 445, [1] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-4804-3

В монографии приведены основные понятия технической диагно стики — 

обла сти знаний, охватывающей теорию, методы и средства определения технического состояния объектов. Значительное внимание уделено методам неразрушающего контроля, правильное применение которых позволяет получить исходные 
данные для анализа, проводимого при техническом диагностировании. Изложены 
элементы теории надежности и методы расчета показателей надежности в приложении к технической диагностике. Рассмотрены вопросы идентификации состояния объек та по измеренным диагностическим параметрам и оценки его ресурса.

Книга предназначена для специалистов в области диагностики технических 
устройств, экспертов в области промышленной безопасности, а также студентов, 
обучающихся по соответствующим специальностям.

УДК 681.2+621.791
ББК 30.14+30.82

Авторы:
Г.А. Бигус, Ю.Ф. Даниев, Н.А. Быстрова, Д.И. Галкин

Рецензенты:
академик РАН Н.П. Алешин; 
доктор технических наук В.С. Котельников

O-75

ISBN 978-5-7038-4804-3

© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

П р е д и с л о в и е. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7

Г л а в а 1. Основные понятия диагностики
технического состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.1. Цель и задачи технической диагностики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.2. Системы и программы технической диагностики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
1.3. Диагностические параметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23

Г л а в а 2. Методы и средства контроля состояния объектов. . . . . . . . . .
30
2.1. Неразрушающие методы и средства контроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
2.2. Методы, применяемые для поиска поверхностных несплошностей . . .
31
2.2.1. Визуальный и измерительный контроль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
2.2.2. Вихретоковый контроль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
2.2.3. Ультразвуковой контроль поверхностными волнами . . . . . . . . . . . .
35
2.2.4. Магнитные методы контроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
2.2.5. Контроль проникающими веществами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
2.2.6. Оптический контроль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
2.2.7. Электрический контроль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
2.3.Методы, применяемые для поиска внутренних несплошностей . . . . . . .
54
2.3.1. Ультразвуковой контроль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
2.3.2. Радиационный контроль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
2.3.3. Радиоволновой метод. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
2.4. Методы первичной диагностики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
2.4.1. Ультразвуковой длинноволновый метод («ведомых» волн) . . . . . .
80
2.4.2. Тепловой метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
2.4.3. Коэрцитиметрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
2.5. Методы полуразрушающего и разрушающего контроля . . . . . . . . . . . . . .
84
2.6. Дефекты и критерии оценки качества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
87
2.7. Аттестация специалистов неразрушающего контроля . . . . . . . . . . . . . . . .
90
2.8. Нормативные и технические документы, регламентирующие НК
технических устройств различного вида. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
92

Оглавление

Г л а в а 3. Акустическая эмиссия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.1. Физические аспекты акустической эмиссии в металлах и сварных
соединениях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.2. Обобщенная модель полного сигнала акустической эмиссии . . . . . . . . . 126
3.3. Аппаратура акустико-эмиссионного контроля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.3.1. Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.3.2. Акустико-эмиссионные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
3.3.3. Акустико-эмиссионные преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
3.3.4. Предварительные усилители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
3.4. Обработка акустико-эмиссионной информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
3.4.1. Способы отображения акустико-эмиссионной информации
акустической эмиссии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
3.4.2. Фильтрация акустико-эмиссионных данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
3.4.3. Способы локации источников акустической эмиссии . . . . . . . . . . . 176
3.5. Технология акустико-эмиссионного контроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
3.5.1. Предварительное изучение объекта контроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
3.5.2. Проведение акустико-эмиссионного контроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
3.6. Системы оценки степени опасности дефектов на основе акустикоэмиссионных данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
3.6.1. Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
3.6.2. Амплитудный критерий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
3.6.3. Интегральный критерий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
3.6.4. Критерий Иванова – Быкова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
3.6.5. Интегрально-динамический критерий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
3.6.6. Критерий кода ASME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
3.6.7. Критерий непрерывной акустической эмиссии. . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
3.6.8. Определение возможности дальнейшей эксплуатации объекта
на основе данных акустико-эмиссионного контроля. . . . . . . . . . . . . 206
3.6.9. Методология оценки технического состояния опасных
производственных объектов акустическими методами . . . . . . . . . . 207

Г л а в а 4. Вибродиагностика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
4.1. Основные задачи вибродиагностики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
4.2. Характеристики вибрации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
4.3. Единицы измерения параметров вибрации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
4.4. Классификация вибросигналов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
4.5. Периодические вибросигналы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
4.6. Почти периодические и переходные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

Оглавление
5

4.7. Случайные вибросигналы и анализ вибраций. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
4.8. Выбор диагностических признаков. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
4.9. Методы вибродиагностики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
4.10. Статистическая обработка данных вибрационных исследований . . . . 253
4.11. Шумодиагностика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
4.12. Вибродиагностика трубопроводов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
4.13. Аппаратура, применяемая при вибродиагностике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
4.14. Вибродатчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
4.15. Многоканальная виброизмерительная аппаратура. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
4.16. Методы и приборы виброиспытаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

Г л а в а 5. Внутритрубная диагностика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
5.1. Состояние проблемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
5.2. Дефекты магистральных газопроводов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
5.3. Физические основы внутритрубной диагностики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
5.4. Повышение информативности внутритрубной диагностики . . . . . . . . . . 303
5.5. Виды внутритрубных дефектоскопов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

Г л а в а 6. Элементы теории надежности в технической
диагностике. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
6.1. Основные понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
6.2. Обеспечение надежности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
6.3. Вероятностно-статистические методы в теории надежности. . . . . . . . . . 324
6.4. Показатели надежности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
6.4.1. Безотказность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
6.4.2. Долговечность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
6.4.3. Комплексные показатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
6.5. Оценка показателей надежности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
6.5.1. Байесовский подход в задачах надежности и диагностике . . . . . . . 359
6.6. Расчет надежности систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
6.7. Структурные схемы надежности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
6.8. Составление логической схемы для расчета надежности системы . . . . 373
6.9. Применение формулы полной вероятности при расчете надежности . . 375
6.10.Использование «лямбда-характеристик» при решении практических
задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
6.11.Расчет систем с неодновременно работающими элементами . . . . . . . . . 381
6.12.Логико-графические методы анализа надежности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
6.13.Методы повышения надежности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386

Оглавление

Г л а в а 7. Основные положения по оценке ресурса опасных
производственных объектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
7.1. Виды ресурса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
7.2. Оценка и прогнозирование ресурса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
7.3. Вероятностные модели ресурса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
7.4. Экспертные методы прогнозирования ресурса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
7.5. Остаточный ресурс трубопроводов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
7.6. Методология определения остаточного ресурса потенциально
опасных объектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
Л и т е р а т у р а . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современное производство, к сожалению, не может пока полностью избежать
крупных производственных аварий. Для борьбы с ними необходимо соблюдение ряда
специальных обязательных правил. В Российской федерации деятельность по защите жизненно важных интересов личности и общества от аварий на опасных производственных объектах и последствий указанных аварий называется "промышленной
безопасностью". Условия, запреты, ограничения и другие обязательные требования,
обязательные для исполнения на опасных производственных объектах, регулируются
Федеральным законом от 21 июля 1997 г. № 116-ФЗ «О промышленной безопасности
опасных производственных объектов».
К категории опасных производственных объектов относятся объекты, на которых:
1) получаются, используются, перерабатываются, образуются, хранятся, транспортируются, уничтожаются опасные вещества следующих видов:
а) воспламеняющиеся вещества газы, которые при нормальном давлении и в
смеси с воздухом становятся воспламеняющимися и температура кипения которых
при нормальном давлении составляет 20 градусов Цельсия или ниже;
б) окисляющие вещества — вещества, поддерживающие горение, вызывающие
воспламенение и (или) способствующие воспламенению других веществ в результате
окислительно-восстановительной экзотермической реакции;
в) горючие вещества — жидкости, газы, способные самовозгораться, а также возгораться от источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления;
г) взрывчатые вещества — вещества, которые при определенных видах внешнего
воздействия способны на очень быстрое самораспространяющееся химическое превращение с выделением тепла и образованием газов;
д) токсичные вещества — вещества, способные при воздействии на живые организмы приводить к их гибели и имеющие следующие характеристики:
— средняя смертельная доза при введении в желудок от 15 миллиграммов на килограмм до 200 миллиграммов на килограмм включительно;
— средняя смертельная доза при нанесении на кожу от 50 миллиграммов на килограмм до 400 миллиграммов на килограмм включительно;
— средняя смертельная концентрация в воздухе от 0,5 миллиграмма на литр до 2
миллиграммов на литр включительно;
е) высокотоксичные вещества — вещества, способные при воздействии на живые
организмы приводить к их гибели и имеющие следующие характеристики:
— средняя смертельная доза при введении в желудок не более 15 миллиграммов на
килограмм;
— средняя смертельная доза при нанесении на кожу не более 50 миллиграммов на
килограмм;
— средняя смертельная концентрация в воздухе не более 0,5 миллиграмма на литр;

Предисловие

ж) вещества, представляющие опасность для окружающей среды, — вещества,
характеризующиеся в водной среде следующими показателями острой токсичности:
— средняя смертельная доза при ингаляционном воздействии на рыбу в течение
96 часов не более 10 миллиграммов на литр;
— средняя концентрация яда, вызывающая определенный эффект при воздействии
на дафнии в течение 48 часов, не более 10 миллиграммов на литр;
— средняя ингибирующая концентрация при воздействии на водоросли в течение
72 часов не более 10 миллиграммов на литр;
2) используется оборудование, работающее под избыточным давлением более
0,07 мегапаскаля:
а) пара, газа (в газообразном, сжиженном состоянии);
б) воды при температуре нагрева более 115 градусов Цельсия;
в) иных жидкостей при температуре, превышающей температуру их кипения при
избыточном давлении 0,07 мегапаскаля;
3) используются стационарно установленные грузоподъемные механизмы (за исключением лифтов, подъемных платформ для инвалидов), эскалаторы в метрополитенах, канатные дороги, фуникулеры;
4) получаются, транспортируются, используются расплавы черных и цветных металлов, сплавы на основе этих расплавов с применением оборудования, рассчитанного
на максимальное количество расплава 500 килограммов и более;
5) ведутся горные работы (за исключением добычи общераспространенных полезных ископаемых и разработки россыпных месторождений полезных ископаемых,
осуществляемых открытым способом без применения взрывных работ), работы по
обогащению полезных ископаемых;
6) осуществляется хранение или переработка растительного сырья, в процессе которых образуются взрывоопасные пылевоздушные смеси, способные самовозгораться,
возгораться от источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления, а
также осуществляется хранение зерна, продуктов его переработки и комбикормового
сырья, склонных к самосогреванию и самовозгоранию.
На территории России в настоящее время насчитывается около 100 тыс. опасных
производственных объектов. В нефтяной и газовой промышленности эксплуатируется
150 тыс. км магистральных газопроводов и 50 тыс. км магистральных нефтепроводов.
Протяженность водопроводных и канализационных сетей составляет 270 тыс. км, в
стране эксплуатируется 40 тыс. различных резервуаров, 22 тыс. городских мостов и
путепроводов. Общей тенденцией является устаревание производственных фондов. В
сложившейся ситуации объективная информация о техническом состоянии технических устройств и сооружений на опасных производственных объектах является необходимым условием для принятия решения о возможности их дальнейшей эксплуатации. Настоящая книга посвящена описанию различных методов и подходов при
проведении технического диагностирования и может быть полезна при разработке как
программы диагностирования, так и обоснования безопасности опасного производственного объекта.

Г л а в а 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ДИАГНОСТИКИ
ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

1.1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Термин «диагностика» происходит от греческого слова «диагнозис», что
означает распознавание, определение. В процессе диагностики устанавливается диагноз, т. е. определяется состояние объекта (техническая диагностика).
ГОСТ 20911-89 предусматривает использование двух терминов: «техническое диагностирование» и «контроль технического состояния». Термин
«техническое диагностирование» применяют, когда решаемыми задачами технического диагностирования или основной задачей являются поиск места
и определение причин отказа. Термин «контроль технического состояния»
применяют, когда основной задачей технического диагностирования является
определение вида технического состояния.
Согласно ГОСТ 20911-89 техническая диагностика (ТД) — это область знаний, охватывающая теорию, методы и средства, определяющие техническое состояние объекта (ТС) [29, 31, 49, 58, 105, 137]. Под ТС принимается состояние,
которое характеризуется в определенный момент времени, при определенных
условиях внешней среды, значениями параметров, установленных технической
документацией на объект. Различают следующие виды ТС, характеризуемые
значением параметров объекта в заданный момент времени:
— исправное — объект соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации;
— неисправное — объект не соответствует хотя бы одному из требований
нормативно-технической и (или) конструкторской документации;
— работоспособное — значения всех параметров, характеризующих способность объекта выполнять заданные функции, соответствуют требованиям
нормативно-технической и (или) конструкторской документации;
— неработоспособное — значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность объекта выполнять заданные функции, не соответствует
требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации;
— предельное — дальнейшая эксплуатация объекта технически невозможна или нецелесообразна из-за несоответствия требованиям безопасности или
неустранимого снижения эффективности работы.
Понятие «исправное состояние» шире, чем понятие «работоспособное состояние». Если объект исправен, он обязательно работоспособен, но работоспособный объект может быть неисправным, так как некоторые неисправности

Глава 1. Основные понятия диагностики технического состояния

могут быть несущественными, не нарушающими нормальное функционирование объекта.
Для сложных объектов, в частности, для магистральных трубопроводов,
допускается более глубокая классификация работоспособных состояний с выделением частично работоспособного (частично неработоспособного) состояния, при котором объект способен частично выполнять заданные функции.
Примером частично работоспособного состояния служит такое состояние линейной части магистральных трубопроводов, при котором участок способен
выполнять требуемые функции по перекачке технологической среды с пониженными показателями, в частности, с пониженной производительностью при
снижении допускаемого давления (РД 51-4.2-003-97).
Техническое состояние объекта не постоянно. Оно может меняться за время эксплуатации под воздействием климатических условий, рабочей среды,
излучения, статических и динамических нагрузок, деградации свойств материалов со временем, в ходе операций изготовления, настройки и ремонтов
объекта ТД. Об изменении ТС объекта судят по изменению значений параметров, позволяющих определить ТС объекта без остановки его эксплуатации
либо без демонтажа и разборки объекта на элементарные узлы после вывода
его из эксплуатации. Техническую диагностику иногда называют безразборной диагностикой, т. е. диагностикой, осуществляемой без разборки изделия.
Анализ состояния проводится в условиях эксплуатации, при которых получение информации крайне затруднено. Часто не представляется возможным по
имеющейся информации сделать однозначное заключение и приходится использовать статистические методы. Основное назначение технической диагностики состоит в повышении надежности объектов на этапе их производства,
эксплуатации и хранения.
Целью технической диагностики изделий является поддержание установленного уровня надежности, обеспечение требований безопасности и эффективности использования изделий.
Основной задачей технической диагностики является распознавание состояния технической системы в условиях ограниченной информации. Теоретическим фундаментом для решения основной задачи технической диагностики
следует считать общую теорию распознавания образов, алгоритмы распознавания применительно к задачам диагностики, которые обычно рассматриваются
как задачи классификации. Алгоритмы распознавания в технической диагностике частично основываются на диагностических моделях, устанавливающих
связь между состояниями технической системы и их отображениями в пространстве диагностических сигналов. Важной частью проблемы распознавания являются правила принятия решений (решающие правила). Многие задачи, решаемые технической диагностикой, являются смежными с задачами
других научных дисциплин: классификация, принятие решений (техническая
кибернетика).
Кроме основной задачи можно выделить ряд других, которые решаются
при проведении ТД: