Доронин С.В., Бабушкин А.В. Механика разрушения. Разрушения и дефектность технических систем

Подождите немного. Документ загружается.

ВВЕДЕНИЕ

История проектирования и эксплуатации технических систем различ-

ного назначения неразрывно связана с многочисленными случаями разруше-

ния их несущих конструкций. С современных позиций рассмотрение разру-

шения как случайного явления, которое вполне можно не допустить, оказы-

вается методологически несостоятельным. Это связано с тем, что само по се-

бе разрушение – сложнейшее явление природы, присущее практически всем

процессам, происходящим на земле. Способность разрушаться – одно из

фундаментальных свойств материи.

Многочисленные исследования причин и условий разрушения несущих

конструкций технических систем позволяют сделать вывод о наличии не-

большого числа основных факторов, которые самостоятельно или взаимо-

действуя друг с другом влияют на формирование в каждом конкретном слу-

чае предпосылок к возникновению аварийной ситуации. Таким образом, роль

дефектности – главенствующая в развитии предельных состояний при экс-

плуатации. Это обусловлено следующими свойствами дефектов. Они явля-

ются концентраторами напряжений, причем в отличие от проектных конст-

руктивных концентраторов их коэффициент концентрации неопределен и,

следовательно, не может быть учтен в расчетах. В области дефектов возника-

ет сложное напряженное состояние, стеснение деформаций и масштабный

эффект даже в тонкостенных элементах конструкций, аналогичный масштаб-

ному эффекту в толстолистовых конструкциях. Практически всегда в области

дефектности присутствуют остаточные напряжения и деформации, а также

пониженные механические свойства металла.

Характеристики дефектности элементов конструкций оказывают ре-

шающее влияние на их прочность, несущую способность и показатели на-

дежности. Свойства современных конструкционных материалов, технологии

их производства, изготовления деталей и узлов, сборки и монтажа машин и

сооружений таковы, что принципиально невозможно добиться создания объ-

ектов, не содержащих дефектов и несовершенств той или иной природы.

В процессе работы конструкций обычно наблюдается как развитие началь-

ных технологических, так и возникновение эксплуатационных повреждений.

Учет влияния этих дефектов и повреждений в некоторых случаях удается

осуществить с использованием классических моделей дефектности, разрабо-

танных в механике разрушения, в других – применяют современные подхо-

ды, основанные на вычислительном моделировании состояния поврежденно-

го элемента конструкции. На инженерном уровне основой для решения задач

прочности поврежденных элементов конструкций является статистика де-

фектов и повреждений, позволяющая обоснованно выбирать расчетные па-

раметры дефектности.

Необходимо отметить, что между дефектностью как начальной пред-

посылкой к формированию аварийной ситуации и окончательным разруше-

нием проходит длительный период времени, характеризующийся различной

степенью поврежденности несущих элементов. Характер поврежденности и

ее изменения существенно зависят от конструктивных особенностей техни-

ческой системы и в некоторых случаях оказываются уникальными.

В связи с этим в рамках механики разрушения и теории безопасности

технических систем разрабатываются подходы, направленные на учет неиз-

бежности разрушения, выявления количественных взаимосвязей между ха-

рактером и временем разрушения, проектными параметрами и условиями

эксплуатации конструкций. При этом необходимо понимание как со стороны

конструкторов, так и со стороны специалистов по эксплуатации того факта,

что подавляющую часть своего жизненного цикла конструкция является час-

тично поврежденной, и собственно сам жизненный цикл определяется разви-

тием начальных несовершенств и дефектности до предельных состояний.

Таким образом, решение задач конструкционной прочности и обеспе-

чения безопасности эксплуатации технических систем необходимо осущест-

влять с учетом наличия повреждений того или иного характера.

1. ПОВРЕЖДЕНИЯ, РАЗРУШЕНИЯ

И ДЕФЕКТНОСТЬ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Выявление определяющей роли дефектов и повреждений в формирова-

нии аварийных ситуаций связано с рассмотрением фактических случаев раз-

рушений, аварий и катастроф технических систем. Это дает возможность ус-

тановить характер типичных повреждений, физические закономерности их

возникновения и развития и в конечном счете определить те свойства дефек-

тов и повреждений, которые не могут быть в настоящее время устранены

технологическими и конструктивными мерами и должны вследствие этого

рассматриваться как неизбежные проектные факторы.

1.1. Тяжелые аварии и разрушения

технических систем

На протяжении всей истории создания и использования конструкций и

сооружений различного назначения на первое место по значимости в фор-

мировании аварий и катастроф выходили дефекты и повреждения различной

природы. На протяжении многих столетий, в течение которых использова-

лись преимущественно конструкции из дерева и камня, основными причина-

ми разрушений являлись ошибки при проектных расчетах, дефектность ос-

нования и некачественный монтаж, приводящие к потере устойчивости [1].

В значительной степени картина изменилась при широком использовании

металлов для изготовления несущих конструкций. Чрезвычайно интенсивное

использование металлов в XIX в. по сравнению с предыдущими периодами

привело к тому, что число аварий и несчастных случаев достигло необычай-

ных размеров. В течение десятилетия, с 1860 по 1870 г., число людей, по-

гибших в Великобритании во время железнодорожных катастроф, было по-

рядка двух сотен в год. Большинство несчастных случаев происходило из-за

трещин в колесах, осях или рельсах. Из отчетов о несчастных случаях за по-

следние 200 лет составлена интересная сводка. Приведем несколько выдер-

жек:

«19 марта 1830 г. около 700 человек собралось на Монтросском вися-

чем мосту, чтобы наблюдать за лодочными гонками. В это время одна из ос-

новных цепей разошлась..., что привело к определенным людским жертвам»;

«22 января 1866 г. провалилась часть крыши на железнодорожной

станции в Манчестере, что повлекло за собой смерть двух людей. Это про-

исшествие было вызвано разрушением отлитых из железа подпорок...»;

«13 декабря 1898 г. произошло разрушение газового танка в Нью-

Йорке; при этом было убито и ранено несколько человек и нанесен значи-

тельный материальный ущерб»;

«Водопровод высокого давления взорвался в Бостоне 3 января 1913 г. и

затопил все вокруг...»;

«Инжиниринг», февраль 1866 г. От пятидесяти до шестидесяти взрывов

паровых котлов происходит ежегодно в Объединенном Королевстве, что свя-

зано с потерей многих жизней и значительным материальным ущербом.

Не пришло ли время правительству создать комиссию для расследования?»;

«Наиболее значительное железнодорожное происшествие недели про-

изошло 20 апреля (1887); оно было вызвано поломкой сцепного бруса. Трое

человек было убито и двое смертельно ранены»;

«Наиболее значительное железнодорожное происшествие недели про-

изошло 27 мая (1887). Разрушение колеса привело к гибели шести человек»;

«Наиболее значительное железнодорожное происшествие недели про-

изошло 2 июля (1887); оно было вызвано поломкой оси».

Аналогичная ситуация была характерна и для технических систем дру-

гих типов, в том числе и в XX в.

Рассмотрим некоторые характерные аварии и катастрофы технических

систем различного назначения, произошедшие в течение XX в.

Большие материальные потери были связаны с разрушением магист-

ральных газопроводов, где зачастую разрушающая трещина пробегала не-

сколько километров со скоростью 1–2 км/с. Но особенно невосполнимые по-

тери, связанные с человеческими жертвами, имели место при разрушении

самолетов и судов. Полет первого в мире реактивного самолета (серии «Ко-

мета», Англия), взорвавшегося в воздухе, привел к гибели экипажа, причем

после авиакатастрофы было собрано 250 тыс. обломков. Практически одно-

временно развилось большое число разориентированных трещин, что и при-

вело к катастрофе. Дальнейшие аварии коммерческих реактивных самолетов

этого класса заставили инженеров соорудить огромный кессон, внутренняя

камера которого подвергалась нагрузкам, моделирующим условия полета,

приземления, взлета и действие реактивного двигателя. Испытания дали воз-

можность обнаружить так называемые усталостные трещины, зарождающие-

ся на поверхности иллюминатора и вырастающие до критических размеров.

С появлением сварных конструкций несчастные случаи опять участи-

лись. В конце 1942 г. поступили первые сигналы о серьезных внезапных раз-

рушениях нескольких американских судов типа «Либерти», которые при-

шлось отбуксировать в порт для ремонта. Поначалу эти аварии отнесли к

случайностям военного времени и не заметили возникших здесь научных и

инженерных проблем. Убедиться в ошибочности такого мнения заставила

авария танкера «Скенектади», который (после успешно проведенных мор-

ских испытании) 16 января 1943 г. по возвращении в порт внезапно разло-

мился на две части. Трещина зародилась в остром углу люка на палубе, прак-

тически мгновенно прошла через палубу и по обоим бортам корпуса до под-

водной части у самого киля. Все это случилось в безветренную погоду при

температуре воздуха –3 °С и температуре воды –4,5 °С. Примерно в таких же

условиях 29 марта 1943 г. в канале Амбросо вблизи Нью-Йорка разломился

пополам другой корабль такого же класса – «Манхеттен», построенный на

семь месяцев раньше и имевший аналогичную конструкцию, за исключением

установки взлетной палубы. Вообще до конца 1958 г. в Америке было заре-

гистрировано 319 аварий и крупных разрушений кораблей. В Вели-

кобритании, Дании, ФРГ, Швеции и других странах также были зарегистри-

рованы хрупкие разрушения судов (например, из 28 изготовленных с 1942 по

1965 г. и разломившихся на две части кораблей 6 были построены в Европе).

Из 2500 кораблей типа «Либерти», построенных во время второй мировой

войны, 145 разломилось пополам и почти 700 претерпело серьезные разру-

шения. Подобная участь постигла множество мостов и других конструкций.

Разрушения часто происходили при непрерывном действии малых на-

пряжений (несколько кораблей разрушилось неожиданно, когда находились в

гавани), что делало эти разрушения, казалось бы, необъяснимыми. В резуль-

тате во многих странах, особенно в США, были проведены развернутые ис-

следования, которые позволили установить, что в этих случаях ответствен-

ными за разрушение явились раковины и концентрации напряжений (и до

некоторой степени внутренние напряжения).

Разрушение происходило так, будто материал конструкции был хруп-

ким; оно сопровождалось очень малыми пластическими деформациями. Как

оказалось, хрупкое разрушение стали вызывалось низкими температурами и

условиями, в которых возникают пространственные напряжения, имеющие

место в острой выемке или раковине. При этих условиях строительная сталь

может растрескиваться без заметных пластических деформаций.

Компетентные и представительные комиссии, расследовавшие причи-

ны аварий, отметили, что разрушения произошли из-за плохого качества ста-

ли и ошибок, связанных с недостаточными знаниями законов хрупкого раз-

рушения.

Рассмотрим примеры аварий и катастроф последних десятилетий.

27 марта 1980 г. плавучая платформа «Александр Л. Кьелэнд» потерпе-

ла аварию во время шторма в Северном море, приведшую к гибели 123 чело-

век.

Платформа с буровой вышкой (рис. 1) – одна из 11 полупогружен-

ных пятиугольных конструкции, разработанных во Франции в 1960 г. и

построенных в период с 1960 по 1977 г., имела размеры 103  99 м в плане

и высоту 40,5 м от вершины палубы до основания понтона. Пять понтонов

22-метрового диаметра и опор в виде колонн 8,5-метрового диаметра были

связаны системой горизонтальных и диагональных трубных креплений. По-

годные условия в момент катастрофы были отнюдь не критические для Се-

верного моря: волнение моря 9–11 баллов (скорость ветра 16–20 м/с), высота

волн – от 6 до 10 м и температура воздуха от 4 °С до –6 °С. При выявлении

причин аварии было установлено, что на ранней стадии произошло усталост-

ное растрескивание двойного сварного шва установки гидрофона, что яви-

лось причиной недостаточной прочности и разрушения крепления D6, свя-

занного с платформой пятью другими креплениями. Платформа отклонилась

на 30–35° от горизонтального положения, и буровая вышка начала медленно

погружаться в воду. В последующие 20 минут погружение сопровождалось

дополнительным креном, который медленно увеличивался по мере того, как

вода затопляла палубу и колонны С и Е через открытые отверстия (двери,

вентиляторы и т. д.). Затем буровая вышка полностью опрокинулась и про-

должала плавать в перевернутом положении с четырьмя видимыми понтона-

ми.

Кроме того, за последнее время произошли разрушения в сосудах дав-

ления, изготовленных из толсто- и тонколистовой стали, в том числе из низ-

коуглеродистых и высокопрочных сталей.

Исследование причин аварий и катастроф привело к развитию и широ-

кому внедрению в инженерную практику расчетов на выносливость. В на-

стоящее время механика разрушения также становится в значительной сте-

пени инженерной дисциплиной. Ретроспективный анализ проектных расче-

тов конструкций технических систем позволяет выявить временные рамки

возникновения новых методов и алгоритмов расчетов и характерные типы

конструкций (табл. 1) [57]. Однако применение полученных в этой области

результатов в значительной степени затруднено усложнением конструкций

технических систем, ростом их габаритных, температурных, мощностных и

скоростных параметров, использованием их за пределами проектного ресур-

са. В результате количество и тяжесть аварий и катастроф в настоящее время

продолжают увеличиваться.

Рис. 1. Платформа Александр Л. Кьелэнд

Рассмотрим наиболее тяжелые аварии и разрушения технических сис-

тем в различных отраслях техники.

Крановые конструкции в настоящее время являются одним из наибо-

лее распространенных типов промышленного оборудования. Их целесооб-

разно классифицировать по принадлежности к основному несущему элемен-