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

Подождите немного. Документ загружается.

Качество стали – один из главных факторов, определяющих вероят-

ность хрупкого разрушения. Качество стали зависит от химического состава,

технологии изготовления. Наиболее вредными химическими компонентами

стали являются сера, фосфор, азот. Повышенное содержание углерода (свы-

ше 0,25 %) также увеличивает склонность стали к хрупкому разрушению.

При одинаковом качестве проката металла менее стойким против хрупкого

разрушения является прокат больших толщин. В толщинах проката до 6 мм

вероятность хрупкого разрушения очень незначительна. Наибольшей вероят-

ности разрушения подвержен металл толщиной более 10 мм. В процессе из-

готовления из-за ряда технологических операций могут возникнуть условия,

снижающие стойкость конструкции противостоять хрупкому разрушению.

К таким условиям относят: сварку, гибку, резку, правку. В результате сварки,

как правило, появляются концентраторы напряжений в виде подрезов, не-

проваров, трещин, увеличивается зерно металла и т. п. При резке металла на

гильотине появляются заусеницы, микротрещины, которые также приводят к

хрупкому разрушению. Вредное влияние гибки, правки связано с появлением

в металле пластических деформаций, что влечет за собой старение металла.

Пример 3. Во время статических испытаний вновь вводимого в экс-

плуатацию крана грузоподъемностью 100/20 т, пролетом 28 м при темпера-

туре окружающего воздуха –21,5 °С через 4 мин после поднятия груза массой

123,7 т на высоту 100–200 мм произошло полное разрушение одной из глав-

ных балок моста и падение всего крана. За 3 ч до испытаний температура бы-

ла –24,7 °С. Балка разрушилась по основному металлу вдали от сварного шва

на две части длиной 16,1 и 11,9 м. Характер излома – хрупкий, без наличия

пластических деформаций. В месте излома открытых трещин не обнаружено.

Главные балки размером 2410  1200 мм были изготовлены из стали ВСт3сп

толщиной 25 мм (верхний и нижний пояса) и 10 мм (вертикальные стенки).

Согласно сертификату металл поставлен с удовлетворением требований по

ударной вязкости при положительной и отрицательной температурах и после

механического старения. Проведенный химический анализ металла показал

полное его соответствие требованиям государственного стандарта: содержа-

ние углерода не превышало 0,18 %, фосфора и серы не более 0,033 %. Вблизи

места излома на нетравленых шлифах обнаружено большое количество не-

металлических включений, которые по внешнему виду классифицировались,

как оксиды строчечные. В отдельных шлифах были обнаружены местные

скопления неметаллических включений, вытянутых в цепочку, которые обра-

зовали несплошность в виде расслоения. Механические испытания образцов

металла толщиной 25 мм проводились при температурах 20 °С, –23 °С и

–40 °С. Разброс значений ударной вязкости составил при температуре

20 °С – от 3,44·10

до 11,2·10

Дж/м

; –23 °С – от 0,257·10

до 2,2·10

Дж/м

;

–40 °С – от 0,124·10

до 4,3·10

Дж/м

. Причем при температуре –23 °С из 12

испытанных образцов 5 имели ударную вязкость менее 1·10

Дж/м

и 5 об-

разцов – менее 2·10

Дж/м

. По данным испытаний, критическая температура

перехода металла в хрупкое состояние равнялась 0 °С. Таким образом, кран

можно было эксплуатировать только при положительной температуре.

Причиной аварии крана послужило расслоение металла, низкие показа-

тели ударной вязкости (менее 3·10

Дж/м

) при отрицательной температуре и,

как следствие, высокая температура перехода металла в хрупкое состояние.

Пример 4. Мостовой электрический грейферный кран грузоподъемно-

стью 15 т, пролетом 31,5 м эксплуатировался эпизодически в течение четы-

рех месяцев на открытой эстакаде. В январе при температуре –33–34 °С про-

изошло разрушение главной балки и падение крана. В момент аварии кран

находился в нерабочем состоянии у посадочной площадки: тележка установ-

лена в середине пролета, грейфер опущен на землю. Нормальные напряжения

в балке при указанном ее состоянии не превосходили 50 МПа. Поперечное

сечение балок – коробчатое размером 1800  710 м. Материал моста крана:

сталь ВСт3пс2, вертикальные стенки толщиной 8 мм и ВСт3сп5, нижний и

верхний пояса толщиной 10 мм. Оба пояса были изготовлены из универсаль-

ной полосы.

Разрыв поперечного сечения балки произошел по основному металлу в

середине пролета крана на расстоянии 1 м от стыков сварных швов нижнего

и верхнего поясов и на расстоянии 500–600 мм от стыкового шва вертикаль-

ной стенки. Место разрыва балок находилось между диафрагмами. Излом

поясов произошел хрупко. По характерному рисунку типа «елочка» было ус-

тановлено, что разрушение началось в зоне флангового шва соединения ниж-

него пояса со стенкой. В зоне излома установлено некачественное выполне-

ние фланговых швов. Это некачественное выполнение швов проявлялось, во-

первых, в недостаточном проплавлении флангового шва, при толщине стенки

8 мм проплавление составляло не более 3 мм. Непроплавленная часть кромки

стенки имела заусеницы, завалы, что свидетельствовало о разделке кромок на

гильотине без последующей механической обработки. Во-вторых, в наличии

в сварных швах пор, вытянутых цепочкой, сквозных свищей. Исследования

металла разрушенной балки показали, что сталь ВСт3пс2 полностью удовле-

творяла всем требованиям государственного стандарта. Ударная вязкость

стали при температуре –32 °С составила более 3–4·10

Дж/м

. После механи-

ческого старения ударная вязкость составляла не более 4,0·10

Дж/м

. Сталь

ВСт3сп5 (универсальная полоса), использованная для изготовления нижнего

и верхнего поясов, не удовлетворяла государственному стандарту по сле-

дующим параметрам: повышенное содержание азота 0,01 % вместо 0,008 %,

угол загиба 180° (при угле 100° в образцах появлялись трещины), ударная

вязкость после механического старения 2·10

Дж/м

вместо 3·10

Дж/м

Главной причиной разрушения моста крана следует считать неблаго-

приятное сочетание металлургических и технологических дефектов при низ-

кой температуре окружающего воздуха. Повышенное содержание азота при-

вело к понижению пластических свойств металла, следствием чего были не-

удовлетворительные испытания образцов на изгиб в холодном состоянии.

При указанных свойствах металла появляется большая вероятность зарожде-

ния микротрещин в процессе прокатки стали, ее хранения или при случайном

изгибе. Дефекты сварного шва в виде неполного провара предопределили

высокое значение коэффициента концентрации. Ориентировочно коэффици-

ент концентрации в сварных фланговых швах составлял не более 3–4. Таким

образом, указанные факторы обусловили ухудшение пластических свойств

металла.

Разрушение вновь вводимых крановых конструкций по результатам ис-

пытаний при пониженной температуре – закономерное явление. Установле-

но, что ухудшение пластических свойств металла зависит от последователь-

ности изменения температуры при нагружении. Если в начальной стадии на-

гружение происходит при положительной температуре, а последующее при

отрицательной, то пластические свойства металла выше, чем при изменении

температуры в обратной последовательности. Наибольшая вероятность хруп-

кого разрушения крановых сплошностенчатых конструкций связана с прояв-

лением конструктивных дефектов в сочетании с высокими остаточными на-

пряжениями. Предварительное нагружение конструкции при положительной

температуре способствует снятию пиковых напряжений у концентратора, ре-

лаксации напряжений. В примере 3 при испытании изготовленной конструк-

ции крана при отрицательной температуре было затруднено развитие пласти-

ческих деформаций в зоне дефекта металла, что привело к хрупкому его раз-

рушению. Поэтому испытания крана (после ремонта, усиления) желательно

проводить при положительной температуре. Опасность проведения испыта-

ний при отрицательной температуре повышается наличием в конструкции

трещин, возникающих при перевозке, хранении крана. Причинами таких

трещин являются в основном конструктивные недостатки, которые могут

привести к аварийному состоянию конструкции до ее монтажа.

Пример 5. При монтаже двухконсольного козлового крана КК50-45,

спустя два года после его изготовления, было обнаружено большое число

трещин. Грузоподъемность крана 50 т, пролет 45 м. Пролетное строение бы-

ло выполнено в виде одностенчатых балок, соединенных поперечными ра-

мами (рис. 11, а). До монтажа кран два раза перебазировался с места на место

и хранился при температуре, которая понижалась до –40 °С. Кран был изго-

товлен из стали ВСт3сп, удовлетворяющей требованиям краностроения.

Наибольшее число трещин (50 %) было замечено у коротких ребер в верхних

узлах рамы (рис. 11, а). Имелись трещины в местах пересечений продольных

и вертикальных ребер, а также в стыковых соединениях поясов рам

(см. рис. 11, а). Конструктивные недостатки, вызвавшие аварийное состояние

крана, следующие:

узлы крепления рам к продольным балкам, включая и сами рамы, пере-

насыщены сваркой; наличие накладок, всевозможных ребер жесткости,

большое число стыковых швов (восемь) пояса рамы, что вызвало появление

остаточных напряжений;

неправильное выполнение пересечений продольных и поперечных

элементов; продольные элементы прерывались у поперечных (см. рис. 11, б),

хотя они должны быть непрерывными (см. рис. 11, в);

отсутствие вырезов для припусков швов; наличие пересечения про-

дольных и поперечных швов;

установка элементов, не отвечающих условиям прочности и устойчи-

вости (см. рис. 11, а); элементы не участвовали в работе конструкции, но соз-

давали дополнительную концентрацию напряжений.

Пример 6. Во время поднятия груза массой 20 т мостовым краном гру-

зоподъемностью 50/10 т, пролетом 28 м при температуре окружающего воз-

духа –12 °С раздался резкий звук. Подъем был прекращен, груз опущен. На

одной из балок крана (коробчатого сечения) в середине пролета была замече-

на трещина, которая распространилась от нижнего пояса по вертикальной

стенке к верхнему поясу. Дойдя до пояса, трещина вызвала разрушение и па-

дение балки. Вторая балка осталась на подкрановых путях. В ней также поя-

вилась трещина по основному металлу стенок, которая начиналась от стыко-

вого шва нижнего пояса в зоне изменения высоты сечения балки.

Рис. 11. Места возникновения трещин в пролетном строении козлового кра-

на: а – верхние узлы рамы, пересечения продольных и вертикальных ребер,

стыковые соединения поясов рам; б – пересечения элементов в конструкции

крана; в – рекомендуемое выполнение пересечений

Кран находился и эксплуатации в легком режиме 12 лет. Осмотр обру-

шившейся балки показал, что разрушение началось с кромки нижнего пояса

по сварному шву. Наплавленный металл шва на данном участке – грубый,

крупночешуйчатый с резкими изменениями формы. С кромки пояса в сере-

дине по его толщине обнаружен дефект (несплавление), распространивший-

ся по ширине поясов на 58 мм. Излом металла хрупкий. Все стыковые швы

поясов на кромках имели непровары, глубокие щели, что свидетельствовало

о выполнении стыковых швов без выводных планок. Пояса балок толщиной

18 мм были изготовлены из стали ВСт3кп с недопустимым содержанием уг-

лерода (0,37 %) и серы (0,096 %). Вертикальные стенки толщиной 8 мм были

изготовлены из стали ВСт4кп с содержанием серы 0,094 %.

Ударная вязкость образцов при температуре –20 °С не превышала

1,2·10

Дж/м

В данном случае факторами развития трещины (несплавление) являлись

некачественный металл и дефекты сварки.

Резервуары, сосуды давления и трубопроводы являются потенци-

ально опасными объектами, разрушения которых также носят массовый ха-

рактер, принося значительный ущерб [59].

А в а р и я н а м а г и с т р а л ь н о м т р у б о п р о в о д е. Аварии на

магистральных трубопроводах для транспортировки нефтепродуктов и сжи-

женных газов представляют значительную опасность в связи с протяженными

участками между соседними задвижками, блокирующими поступление про-

дукта в магистраль. Трагическим примером служит авария на магистральном

продуктопроводе под Уфой в ночь с 3 на 4 июня 1989 г. на перегоне между

станциями Казаяк и Улу-Теляк на 1710 км Башкирского отделения Казан-

ской железной дороги.

Продуктопровод предназначался для перекачки под рабочим давлением

3,5–3,8 МПа сжиженной углеводородной смеси.

Длина трубопровода составляла 1852 км, диаметр труб 720 мм. Плот-

ность рабочего тела при 20 °С – 565 кг/м

. Глубина прохождения трубопрово-

да в грунте 2 м. Протяженность трубопровода между смежными насосными

станциями составляла 555 км. Отключающая арматура с электроприводом по

трассе была установлена через 10–13 км.

При разрушении участка трубопровода в 900 м от полотна железной до-

роги произошел крупный выброс сжиженного нефтяного газа (углеводород-

ной смеси) с испарением и образованием газовоздушного облака. От возгора-

ния и взрыва облака ударной волной были разрушены и сгорели вагоны

двух поездов. При катастрофе погибли и получили ранения 1224 человека, на

месте аварии найдено 258 трупов, из них 86 в степени обугливания. Разру-

шены: 350 м железнодорожного полотна; 3 км электроконтактной сети;

1,7 км воздушной линии связи и линии электропередачи, а также металли-

ческие опоры контактной сети и железнодорожные опоры линии элек-

тропередачи.

От ударной волны образовалась зона сплошного завала леса на площа-

ди 2,5 км

, причем повалены деревья диаметром 0,9 м. В радиусе до 15 км от

места взрыва в населенных пунктах выбиты стекла в домах, полностью или

частично разрушены рамы и шиферные фронтоны (покрытия).

Анализом последствий аварии установлено, что длина раскрытой полос-

ти вдоль трубы достигала 1989 мм, максимальная ширина полости 1060 мм.

Общая площадь раскрытия 0,77 м

превышала двойную площадь проходного

сечения.

Т и п и ч н ы е а в а р и и р е з е р в у а р о в с ж и д к и м и п р о д у-

к т а м и [59]. Опасности аварий с резервуарами связана с их большой ем-

костью, т. е. с большими массами хранимых продуктов. Наиболее массовые

вертикальные цилиндрические стальные резервуары монтируются из поясов,

соединенных сварными швами. Основной причиной аварий резервуаров явля-

ется возникновение трещин в сварных швах, как результат некачествен-

ной сварки (непровар), выплавки и режима эксплуатации.

При эксплуатации резервуаров, особенно при низких отрицательных

температурах, возможно возникновение вертикальных хрупких трещин, их

нестабильное распространение и остановка. Трещины возникают в стыках

поясов и стыке стенки оболочки резервуара с днищем.

Приведем краткие сведения о характерных авариях при эксплуа-

тации резервуаров емкостью 700–30000 м

Резервуар емкостью 700 м

в Якутии (высотой H = 9 м, диаметром

d = 10,4 м, 6 поясов, толщина стенки δ = 4 мм) при температуре

Т = –57 °С, полностью загруженный дизельным топливом, разрушен от не-

качественно выполненных сварных швов в узле стыка стенки с днищем.

Хрупкая трещина распространилась на всю высоту оболочки.

В резервуаре емкостью 2 тыс. м

на мазутохранилище льнокомбина-

та в г. Пучеж Ивановской области (9 поясов: 1-й – δ

= 6,5 мм, 2-й и 3-й –

2,3

= 6 мм, 4-й – δ

= 5 мм, остальные δ

5–9

= 4 мм) при Т = 0 °С возникла

трещина в сварном шве на стыке стенки с днищем. Причина – непровар

глубиной до 40 %.

Резервуар емкостью 5 тыс. м

диаметром d = 22 м (8 поясов: сталь

ВСтЗсп-5 по ГОСТ 380-71, δ

= 10 мм, δ

= 8 мм, δ

= 7 мм), находив-

шийся в эксплуатации 8 лет, загруженный полностью маслом, при темпе-

ратуре Т = –34°С разрушен. Стенка резервуара разорвана по всей высоте,

оторвана от днища и кровли и отброшена на обваловку. Трещина возникла

в сварном шве корпуса люк-лаза (патрубок d = 470 мм, l = 220, δ = 8 мм)

вследствие непровара 36 мм.

В Пермской области в резервуаре емкостью 5000 м

диаметром

d = 22 м (сталь ВСтЗсп-5, δ = 10 мм), загруженном мазутом на высоту

11 м, при температуре Т = –19 °С возникла хрупкая трещина в сварном

шве, закрепляющем воротник перепускного устройства.

В двух резервуарах емкостью 5000 м

, d = 22 м, Н = 12 м (8 поясов

шириной 1,5 м, сталь Ст3сп по ЧМТУ 5232-55, δ = 10 мм, окрайка 8 мм)

на нефтебазе Поволжья при температуре Т = –6 °С возникли хрупкие тре-

щины в уторном узле при наливе высотой 3,6 и 10,0 м.

Резервуар емкостью 10 тыс. м

для нефти, d = 28,5 м, H = 1 8 м (12

поясов: сталь 09Г2С-12 по ТУ 14-1-3023-80, δ

= 12 мм, δ

2-12

= 10 мм) в До-

нецкой области при температуре Т = –4 °С разрушен во время гидравличе-

ских испытаний через 14 часов после полной загрузки. Стенка резервуара

была оторвана от днища и крыши и отброшена. В начале аварии появилась

течь в сварном шве нижней части четвертого пояса.

Аналогичный резервуар емкостью 10 тыс. м

(1–5 поясов из стали

09Г2С-12 по ГОСТ 19282–73), для нефтепродуктов плотностью 900 кг/м

поселке Сай-Утес на острове Мангышлак при температуре Т = –18 °С

разрушен при заливе водой на высоту 14 м. Возникла хрупкая трещина

в листе второго пояса, и произошел разрыв стенки по образующей.

Изотермический двухсменный резервуар для жидкого аммиака ем-

костью 15 тыс. м

смонтирован в Литве на Ионавском производственном

объединении «Азот». Резервуар рассчитан на хранение жидкого аммиака

плотностью 680 кг/м

при температуре Т = –33 °С при внутреннем избы-

точном давлении 80 МПа и расчетном давлении 100 МПа.

Внутренние размеры резервуара: d

вн

= 30,3 м, Н

вн

= 19,9 м, наружные

размеры: d

нар

= 31,5 м, H

нар

= 21,51 м. Внутренний резервуар выполнен из тол-

столистовой стали марки 09Г2 по ГОСТ 5520–69 с гарантией ударной вязко-

сти при температуре Т = –40 °С и после механического старения (расчетное

сопротивление стали по СНиП II-23-81 принято 295 МПа). Смонтирован из

10 внутренних поясов с толщинами: δ

= 17 мм, δ

= 15 мм, δ

= 14 мм,

= 12 мм, δ

5–10

= 10 мм.

Наружный резервуар выполнен из стали ВСт3сп4 по ГОСТ 380–88.

Центральная часть днища 5 мм, окрайков 6 мм. Стенки внутреннего резервуа-

ра подкреплены пятью ребрами жесткости в виде сварного тавра высотой

250 мм толщиной 10 мм из стали 09Г2. Стенки наружного резервуара под-

креплены четырьмя уголками 160 x 160 x 10 мм. Крыши обоих резервуаров

купольные. Внутренняя крыша имеет торовую вставку толщиной 14 мм.

Толщина настила внутренней крыши 8 мм, наружной 5 мм. Стенка резер-

вуара прикреплена к железобетонному фундаменту 36 анкерными полосами

размером 12 x 140 мм.

Фундамент – плита, на которую установлено 36 колонн. На них уло-

жена вторая железобетонная плита толщиной 35 см. Резервуар огражден же-

лезобетонной стенкой на собственном фундаменте для воспринятия гидроста-

тического давления жидкого продукта на случай аварийного разлива.

Резервуар подвергали пневмо-гидравлическим испытаниям: заливом

воды на высоту 21,3 м и сжатым воздухом при давлении 125 МПа. При этом

стенка резервуара была перегружена в полтора раза, анкера в два раза. При

испытании на устойчивость в резервуаре создавали вакуум 2,5 МПа. Испыта-

ниями установлена достаточная прочность, устойчивость и герметичность

металлоконструкций.

Резервуар имел систему защиты от сверхнормативного давления в ре-

жиме медленного роста внутреннего давления, факельную установку произ-

водительностью 500 м

/час, клапаны с пропускной способностью 4200 м

/час

каждый, два аммиачных компрессора производительностью 323 м

/час каж-

дый.

20 марта 1989 г. произошла авария, вызвавшая разрушение резервуа-

ра при наличии в нем 7 тыс. тонн продукта.

Анкера были разорваны. Центральная часть плиты фундамента продав-

лена. Верхняя железобетонная плита продавлена, а ее края приподняты на

25–130 мм.

Металлоконструкции оболочек резервуара были оторваны от днища и

крыши и отброшены примерно на 25 м. Защитная стенка наполовину разруше-

на и отброшена резервуаром, уцелевшая часть стенки треснула и была сдви-

нута потоком продукта на 2,5 м.

При аварии перебит газопровод природного газа и возник пожар на

складе фосфорных удобрений. В пожаре часть выброшенного аммиака сгоре-

ла. Были человеческие жертвы, и стоял вопрос об эвакуации города (запах

аммиака ощущался на расстоянии нескольких десятков километров).

Предположительно причиной аварии послужило резкое возрастание

внутреннего давления в резервуаре, т. е. имел место режим, не предусмот-

ренный системой защиты, рассчитанной на медленный рост давления.

В резервуаре емкостью 20 тыс. м

(d = 45,6 м, Н = 12 м, 8 поясов

шириной 1,5 м, сталь 09Г2С-12 по ГОСТ 5058–65, δ

= 13 мм, δ

2–8

= 11 мм)

строящегося резервуарного парка товарно-сырьевой базы нефтеперерабаты-

вающего комбината в процессе монтажа методом рулонирования возникла

хрупкая трещина. Причиной оказалось наличие листов бракованной плавки

во всех рулонах.

Резервуар емкостью 20 тыс. м

мазутохранилища парка из трех ре-

зервуаров (d = 40 м, Н = 18 м, 12 поясов шириной 1,5 м, сталь 09Г2С по

ГОСТ 5058–65, δ

1–6

= 16–10 мм) в Ставропольском крае полностью раз-

рушен в результате появления трещины на всей высоте стенки из-за нару-

шения технологии при монтаже металлоконструкций. Разрушение про-

изошло через 7 часов после гидравлических испытаний с заливом воды на

высоту 16,5 м.

В результате аварии стенка резервуара была отброшена, а поток

воды разрушил железобетонное ограждение. Потоком и обломками ограж-

дения поврежден соседний резервуар парка с 2500 тоннами мазута, разлив

которого загрязнил окружающую территорию и р. Кубань. Это вызвало ос-

ложнение водоснабжения ряда городов, принесло вред рисовым полям и на-

несло ущерб рыбному хозяйству. Была снесена эстакада трубопроводов на

участке до 130 м, а ее части отброшены до 40 м.

Причиной аварии явилось вязкое разрушение вертикального сварного

шва четвертого пояса от смещения кромок листа (нарушение технологии из-

готовления рулона стенки).

В резервуаре емкостью 20 тыс. м

для сырой нефти (d = 47,4 м,

Н = 12 м, 12 поясов шириной 1,5 м, сталь 09Г2С-6 по ГОСТ 19282–73) на

нефтеперекачивающей станции в Красноярском крае при монтаже при

Т = –30 °С возникла трещина в третьем поясе у вертикального шва. Веро-

ятная причина – динамическое воздействие на кромку листа при замыкании

стенки резервуара.

В аналогичном резервуаре емкостью 20 тыс. м

(построен методом

рулонирования, сталь 09Г2С по ГОСТ 5058–65 на нефтеперекачивающей

станции Транссибирского трубопровода) в хлопуне стенки образовалась

горизонтальная трещина, пересекающая вертикальный сварной шов, и