ВВЕДЕНИЕ
Среди наиболее острых современных проблем, поставленных отечественной промышленностью перед наукой, находится проблема исчерпания расчетного срока службы основного производственного и вспомогательного оборудования. Отсутствие в восьмидесятые-девяностые годы XX века планового последовательного перевооружения отечественной промышленности привело к моральному и физическому старению не только гражданских, но и оборонных производственных мощностей. Однако, даже ускоренная замена отдельных агрегатов и целых производств не может привести к быстрому обновлению промышленности в целом. Поэтому в ближайшие годы положение с заменой оборудования если и не будет усугубляться, то и существенно не изменится в лучшую сторону.
К числу отраслей, где проблема исчерпания ресурса стоит наиболее остро, относятся такие, которые в технологических процессах широко используют низкие температуры. Это системы получения, хранения и транспортировки сжиженных газов, стартовые позиции ракетных комплексов, криоэнергетика, прецизионная техника и многое другое. Острота проблемы связана с относительной молодостью техники низких температур, отсутствием достаточного опыта эксплуатации такого оборудования за пределами расчетного срока службы и достаточно объективных приемов оценки их фактического состояния.
В 1997 году был принят Федеральный закон № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», на базе которого была начата разработка единых подходов к проблеме остаточного ресурса оборудования, в частности, оборудования, эксплуатируемого в области низких температур. Одним из наиболее прогрессивных подходов к вопросам продления срока службы является переход от усредненного, так называемого «паркового» ресурса к ресурсу индивидуальному, определяемому для каждого конкретного сосуда, емкости, трубопровода на основании контроля их фактического состояния. Однако такой подход требует не только переосмысления всего существующего комплекса расчетных и исследовательских приемов оценки ресурса оборудования, но и создания принципиально новых методик исследования фактических свойств материалов, разработки новых подходов, описывающих изменения свойств в зависимости от условий их эксплуатации.
Проблема исчерпания ресурса низкотемпературного оборудования и продления срока его службы за пределы расчетных параметров поставила ряд дополнительных задач, решение которых до сих пор не найдено. До настоящего времени отсутствуют достоверные данные об изменении структуры и свойств материалов под воздействием длительной низкотемпературной и термоциклической эксплуатации. Не набрана репрезентативная статистика разрушений низкотемпературного оборудования, вызванных исчерпанием его срока службы. Не существует единой концепции, обобщающей влияние внешних факторов (условий эксплуатации, технологических процессов регенерации и консервации и т.п.) на фазовый состав, структуру и свойства сталей, опираясь на кото-
рую, можно было бы прогнозировать безопасные пределы эксплуатации того или иного оборудования.
Это, в свою очередь, требует дальнейшего совершенствования существующих и разработки новых инженерных методов анализа состояния материалов оборудования, отработавшего расчетный срок службы, уточнения действующих и введение дополнительных критериев оценки ресурса и долговечности конструкций, ужесточения технических требований к применяемым материалам. Однако контроль материала криосистем наталкивается на ряд объективных трудностей. Во-первых, это сложная и дорогостоящая система теплоизоляции криосистем, препятствующая прямому доступу к материалу оборудования. Во-вторых, крайне сложный температурный цикл его эксплуатации. Интервал температур эксплуатации и межэксплуатационных разогревов криосистем может достигать примерно тысячи градусов - от температур жидкого гелия в эксплуатационный период до 1000 К в ходе регенерационных разогревов систем очистки и катализа в установках сжижения газов.
Кроме сложного термоциклического режима работы оборудования в ходе эксплуатации, межэксплуатационных остановов и простоев на материалы криосистем воздействуют магнитные и электрические поля, агрессивные коррозионные среды, вызывающие в сталях межкристаллитную коррозию и коррозию под напряжением, в них могут возникать сложнонапряженные состояния, приводящие к пластическому формоизменению.
Все эти факторы не могут не приводить к изменениям фазового состава, магнитной структуры и физико-механических свойств низкотемпературных материалов в ходе длительного срока службы. Однако оценить их роль в изменении эксплуатационных свойств сталей и сплавов, интенсивность раздельного и совместного воздействия на структуру и свойства сталей представляет серьезные трудности.
Известно, что наиболее резкое падение запасов надежности и долговечности оборудования криосистем отмечается при одновременном воздействии нескольких факторов риска, из которых существенную роль играют термоциклическое, деформационное, коррозионное.
В результате таких воздействий в материале оборудования возможны фазовые и структурные превращения; коррозионные и сегрегацинные процессы.
Фазовые и структурные превращения, протекающие в материале основного низкотемпературного оборудования, а это в основном аустенитные Cr-Ni стали, изучены достаточно хорошо. Поскольку большая часть элементов низкотемпературного оборудования изготовлена из аустенитных сталей 12Х18Н10Т и 12Х18Н12Т, фазовые превращения не имеют существенного развития. Более существенную роль должны играть процессы коррозионных разрушений и образования зернограничных сегрегации. Поэтому они требуют всестороннего изучения.
Проблема продления ресурса криогенного оборудования на протяжении многих лет является основной сферой деятельности кафедры металловедения СПбГУНиПТ (ранее Ленинградского технологического института холодильной промышленности).
8
В качестве объекта исследования в данной работе рассматривались материалы низкотемпературного оборудования, в частности, группа материалов криогенной гелиевой установки Оренбургского гелиевого завода. Выбор этой установки обусловлен особо сложными условиями ее работы, что позволило считать ее наиболее представительной и характерной для низкотемпературного оборудования разного назначения. Работа этой установки учитывает весь температурный диапазон эксплуатации, начиная от климатических температур и заканчивая температурой кипения жидкого гелия — 4,2 К. Соответственно, все оборудование, входящее в ее состав можно разделить на три группы: первая — работающее в зоне климатического холода; вторая — в зоне криогенных температур без технологических разогревов; третья - эксплуатируемое при низких температурах до 4,2 К с технологическими разогревами до 1000 К.
Отдельные участки оборудования находятся под действием локальных пластических деформаций, вызванных либо монтажными работами, либо изменениями трассировки трубопроводов
Кроме того, большая часть оборудования подвергается воздействию агрессивных внешних сред. В результате на участках, находящихся в зоне пластической деформации, возможно образование дефектов от коррозии под напряжением (КР), а в зонах, подвергающихся технологическим разогревам — возможно появление трещин межкристаллитной коррозии (МКК).
Под действием технологических разогревов, достигающих 1000 К, возможно протекание процессов образования и развития зернограничных сегрегации (ЗС), приводящих к охрупчиванию материалов.
В настоящее время существует несколько методов неразрушающего контроля, позволяющих выявить дефекты в материале оборудования. Однако практически не разработаны методики, выявляющие зоны, потенциально опасные к появлению таких дефектов. В ходе исследований были выявлены изменения уровня магнитных характеристик материала в процессе эксплуатации криогенных установок. Проведенные кафедрой работы позволили предложить магнитометрию - определение магнитной проницаемости - для оценки состояния стали 12Х18Н12Т, являющейся материалом основного оборудования. Преимуществом этой методики является возможность исследования материала внутри установки с помощью гибких эндоскопов.
Таким образом, проведенные исследования позволили разработать новый подход к оценке фактического состояния материала оборудования криогенных установок. Исследование фактического ресурса гелиевой установки, работающей в наиболее сложных условиях, анализ условий эксплуатации всего комплекса оборудования и обработка документации позволяют выявить участки оборудования, которые должны быть обследованы более внимательно. С помощью метода магнитометрии могут быть определены зоны, потенциально склонные к возникновению дефектов коррозионного растрескивания, межкристаллитной коррозии, зернограничных сегрегации, приводящие к охрупчиванию материала оборудования. При необходимости может быть рекомендовано локальное вскрытие изоляции и дополнительные исследования, позволяющие выявить изменения в структуре и необходимость проведения ремонтных работ.
Цель работы - оценка влияния длительной эксплуатации на превращения, физико-механические свойства, коррозионную стойкость сталей низкотемпературного оборудования и использование полученных результатов исследований при уточнении остаточного ресурса оборудования, отработавшего расчетный срок службы.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Исследование фактического состояния металла вырезок из различных групп низкотемпературного оборудования (сосудов, колонн, трубопроводов, фильтров) и определение свойств хладостойких сталей после длительной низкотемпературной и термоциклической эксплуатации, установление причин, приводящих к снижению запасов пластичности и вязкости материала.
2. Выявление эксплуатационных факторов, влияющих на снижение надежности и срока службы оборудования низкотемпературной техники.
3. Определение температурно-временных областей возникновения и развития зернограничных сегрегации примесных элементов в границах зерен сталей низкотемпературного оборудования, оценка влияния зернограничных сегрегации примесных элементов на механические свойства, переходную температуру хрупкости, малоцикловую усталость и коррозионную стойкость хладостойких сталей.
4. Использование результатов исследования опытных образцов и образцов из вырезок для разработки рекомендаций по повышению надежности и безопасности работы оборудования с учетом всех изменений, произошедших в оборудовании за время службы, и переходу от среднестатистической (средне-парковой) оценки запасов оборудования к созданию индивидуальных методов диагностики ресурса материалов низкотемпературной техники, выполнению на индивидуальной базе данных прочностных расчетов и выдаче рекомендаций по эксплуатации.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- определены основные факторы риска, ответственные за снижение надежности и долговечности оборудования низкотемпературной техники;
- установлено, что кратковременные технологические разогревы (достигающие в сумме за период эксплуатации от 100 до 1000 ч) могут приводить к развитию зернограничных сегрегации примесных атомов в материалах низкотемпературного оборудования, приводя к охрупчиванию материала при эксплуатации в области низких температур;
- уточнены температурно-временные области максимального развития зернограничных сегрегации атомов фосфора, азота, серы, марганца, кремния и цветных металлов на границах зерен углеродистых и ряда легированных сталей;
- показано, что эксплуатация основного низкотемпературного оборудования в диапазоне температур 1000—4,2 К может приводить к возникновению коррозионных трещин по механизму межкристаллитной коррозии (МКК), а при температурах от 293 до 4,2 К - по механизму коррозионного растрескивания
(КР);
10
— определены температурно-временные параметры технологических ра-зогревов оборудования, не приводящие к возникновению склонности к МКК и развитию зернограничных сегрегации примесных атомов в материалах низкотемпературного оборудования;
— уточнена взаимосвязь структуры, параметров эксплуатации, химического и фазового состава материала основного низкотемпературного оборудования с ее магнитной проницаемостью;
— определена возможность применения полученных результатов при разработке рекомендаций по оценке фактического состояния и продления срока службы вспомогательного оборудования изготовленного из углеродистых сталей и отработавшего расчетный срок службы в 100 тыс. ч;
Практическая значимость работы:
— выявлены основные факторы риска, снижающие надежность и долговечность низкотемпературного оборудования, отработавшего расчетный ресурс в 100 тыс. ч. Это позволит более обосновано назначать режимы термической обработки сталей и рассчитывать температурные режимы эксплуатации и технологических разогревов низкотемпературного оборудования;
— рекомендованы мероприятия, позволяющие повысить ресурс безопасной эксплуатации низкотемпературного оборудования, в зависимости от температурных условий эксплуатации.
Предложено для вспомогательного оборудования, эксплуатируемого при температурах климатического холода, применять низкоуглеродистые стали, микролегированные ванадием, ниобием или титаном и модифицированные РЗМ и силикокальцием.
Разработана и предложена метастабильная аустенитная сталь 06Х15Н9Г8АФ (патент № 2173351) для основного низкотемпературного оборудования, эксплуатируемого по режиму 293-77 К;
— уточнена и дополнена методика для проведения неразрушающего контроля металла оборудования основных технологических линий получения и очистки жидких криопродуктов на предмет обнаружения зон потенциально склонных или поврежденных коррозией;
— разработан способ диагностики и контроля качества материала трубопроводов (патент № 2193771).
11
ГЛАВА 1. УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ КРИОСИСТЕМ
1.1. Проблема исчерпания ресурса низкотемпературных объектов
Проблема продления ресурса криосистем является одной из наиболее острых задач криогенного металловедения и к настоящему времени охватывает целый ряд отраслей оборонной и гражданской направленности. Это и ракетные космические стартовые системы, криоэнергетика, прецизионная техника и техника физики высоких энергий, системы по очистке и сжижению газов. В гражданских отраслях именно системы очистки и сжижения газов являются наиболее крупными и дорогостоящими технологическими объектами, замена которых потребовала бы многомиллионных капиталовложений [1—3]. Проблема промышленной безопасности, охрана труда и снижение аварийности и травмо-опасности производства особо остро встала в последнее десятилетие [1, 4]. Это связано с резким старением парка оборудования, отсутствием его плановых реноваций, повторным введением отдельных агрегатов и производств в целом в эксплуатацию после длительных - иногда многолетних простоев [5, 6]. Такая ситуация не могла не сказаться на безопасности оборудования и, действительно, на предприятиях опасных производств Северо-западного округа, по данным главной государственной инспекции по охране труда, за период с 1999 по 2003 год число аварий превысило 9000, при этом погибли 340 человек и еще 963 получили инвалидность или профессиональные заболевания. В целом по стране число аварий в промышленности в 2001 году выросло по сравнению с 1999 годом более чем в полтора раза, причем около 70 процентов всех аварий совершаются по вине изношенного оборудования, снижения надежности и работоспособности материалов, применяемых при его изготовлении. Это потребовало разработки принципиально новых подходов к вопросам контроля металла оборудования, переосмысления широко известных классических работ по вопросам металловедения углеродистых и легированных сталей с учетом особенностей их эксплуатации в 90-е годы 20- века и в настоящее время [7-14 и др], позволяющих повысить надежность низкотемпературного оборудования.
ГОСТ Р 27.002 расшифровывает термин «надежность» и дает основные направления развития системы экспертизы промышленной безопасности и технического диагностирования опасного оборудования. Согласно ГОСТ Р 27.002 термин «надежность» включает в себя такие понятия как «долговечность» — срок службы оборудования до списания или капитального ремонта. Долговечность определяется как время (число лет) от изготовления оборудования до его списания. «Ресурс» или средний ресурс до списания оборудования или его капитального ремонта - часть долговечности, которая определяется как время нахождения оборудования под эксплуатационной нагрузкой. Ресурс может определяться в часах, циклах работы или пуско-остановах оборудования. Следующей составляющей долговечности является «безотказность» или вероятность безотказности работы оборудования, которая согласно требований ГОСТ Р 27.002 должна находиться в пределах Р = 0,95 — 0,99. Для получения
12
точного значения безотказности величину Р следует умножить на коэффициент оперативной готовности, который, например, для арматуры различного оборудования опасных производств составляет 0,99999-0,999999. В понятие «надежность» входит также ремонтируемость или ремонтопригодность оборудования - то есть время или стоимость ремонтных работ, необходимых для поддержания его безотказности в период всего срока эксплуатации (ресурса) и «сохраняемость» — неизменность формы, размеров и эксплуатационных параметров оборудования вплоть до исчерпания его ресурса.
События 80-90-х годов XX века практически полностью разрушили существующую в стране систему планово-очередных замен отработавшей свой срок службы техники, а потеря финансовой стабильности большинства предприятий делает практически нереальной единовременную замену основных и вспомогательных производственных фондов. В том же случае, когда такие средства изысканы, они направляются на модернизацию и ремонт оборудования основного технологического потока, а вспомогательные системы продолжают эксплуатироваться до полного выхода из строя, что может привести к непредсказуемым последствиям. Таким же образом ведется и финансирование научно-практических работ — появляющиеся средства предприятия предпочитают вкладывать в экспертизу и расчет фактического состояния основных средств производства, практически не выделяя их на оценку состояния вспомогательных производств.
Несмотря на различное назначение и условия эксплуатации большая часть вспомогательного оборудования криогенных установок изготавливалась из низкоуглеродистых сталей, а основного — из крайне ограниченного спектра материалов, основную долю которых составляли стабильные аустенитные стали (САС) на базе Cr-Ni и Cr-Ni-Mn композиций [5, 15-17 и др.]. Применение САС было обусловлено рядом причин. С одной стороны, - это хорошо изученное поведение этих материалов в области температур 293-77 К, высокая стабильность их структуры и эксплуатационная надежность в этом температурном диапазоне. Это позволило, при минимизации объема дополнительных исследований, рекомендовать их в качестве материалов для техники жидкого водорода и гелия с минимальной температурой 20 и 4,2 К, соответственно. С другой стороны, отсутствие опыта эксплуатации такого оборудования не позволило четко сформулировать необходимые требования к сталям и сплавам криогеннного назначения, что значительно тормозило разработку специальных материалов. Научно-технический прогресс низкотемпературного машиностроения в XXI веке невозможен без решения проблемы разработки новых, более совершенных материалов криогенного назначения для вновь создаваемого оборудования и увеличения ресурса, эксплуатационной надежности и безопасности эксплуатации материалов существующих машин и механизмов низкотемпературного назначения. В настоящее время необходима разработка научно-обоснованной методики контроля фактического состояния криогенного оборудования, оценка возможности его эксплуатации за пределами расчетного срока службы.
В криогенной технике решение этой проблемы усложняется как относительной молодостью отрасли - отсутствием практического опыта эксплуатации
13
агрегатов, отработавших расчетный ресурс, так и крайне различающимися условиями эксплуатации и назначением оборудования. До настоящего времени не удалось создать достоверную базу данных об изменениях, протекающих в материалах криогенной техники в ходе длительной эксплуатации при 20,4—4,2 К, определить влияние различных эксплуатационных технологических факторов на эти процессы. Существующие методы прогнозирования основываются, в основном, на базе прочностных расчетов, исходные данные для которых выбираются методом экстраполяции изменений исходных свойств материалов в зависимости от срока их службы [3, 18]. При этом в ходе экстраполяции вводится допущение о неизменности фазового состава материала в течение всего срока службы и плавного, монотонного изменения его механических свойств при понижении температуры. Такие допущения совершенно справедливы для температурного диапазона 293-77 К, однако при более низких температурах правомерность таких допущений достаточно спорна. В области ниже 77 К в структуре даже хорошо известных хромоникелевых сталей возможны превращения, приводящие к резкому — аномальному изменению их механических свойств. Изменение механических свойств и магнитной проницаемости стали 12Х18Н12Т в диапазоне температур 293-4,2 К связано со структурными превращениями, протекающими в сталях. Это так называемые фазовые превращения II рода - фазовые магнитные превращения [19, 20 и др.]. Однако в случае хромоникелевых сталей изменение свойств при фазовых магнитных превращениях относительно невелико и при усредненных расчетах запасов прочности, пластичности и вязкости материалов оборудования может быть учтено путем повышения коэффициентов запаса. В тех случаях, когда с целью экономии никель в САС частично или полностью заменен марганцем, такие допущения могут привести к катастрофическим последствиям. Введение в криогенные САС марганца способствует созданию более сложных магнитных структур, к появлению магнитных превращений, в результате которых при температурах порядка 50 К возникает структура типа «у-мартенсит» - ГЦК решетка с тетрагональными искажениями и, как следствие, скачкообразному снижению пластичности и вязкости материала. Такое снижение настолько значительно, что учесть его влияние за счет увеличения коэффициентов запаса, вводимых при прочностных расчетах, уже не представляется возможным [21, 22 и др.].
Кроме того, подобные расчетные схемы, зачастую, игнорируют роль эксплуатационных технологических особенностей эксплуатации той или иной установки криогенного назначения, проведение на ней различных ремонтных работ и модернизаций, которые могут резко изменить весь комплекс структурных состояний и физико-механических свойств применяемых материалов [18, 23— 25, и др.].
Разработка и внедрение дополнительных критериев в последнее время стали возможны благодаря значительным успехам в развитии физики металлов, новейшим достижениям механики разрушения и расчетно-экспериментальных методов оценки ресурса в смежных отраслях, в частности, энергетическом машиностроении, созданию новых методов и оборудования неразрушающего контроля [22].
14
По температурным условиям эксплуатации все оборудование криогенной гелиевой установки было разбито нами на три группы: работающее при температурах климатического холода, до 77 К, в интервале от 77 до 4,2 К.
Задача индивидуальной диагностики криогенной техники требует решения двух основных проблем:
- разработки метода длительного прогнозирования характеристик материалов на основе исходной (паспортной) информации и оценки фактического состояния материалов оборудования, отработавшего расчетный ресурс;
- создания принципиально новых методик контроля фактического состояния металла оборудования, основанных, в основном, на неразрушающих методах анализа.
Для проведения подобных работ необходимо уточнить основные и разработать дополнительные критерии ресурса криогенного оборудования. К числу основных следует относить критерии несущей способности оборудования, принятые в поверочных расчетах на прочность, к числу дополнительных — определяющие повышенное сопротивление малоцикловой и термической усталости, деформационной и коррозионной стойкости, сопротивление хрупким разрушениям и трещиностойкость. В зависимости от того, к какой группе эксплуатационных факторов риска относится оборудование, к нему необходим различный подход и объем исследований.
1.2. Причины отказов и появления дефектов в крупногабаритных конструкциях
Металлические конструкции в зависимости от своего функционального назначения в процессе эксплуатации подвергаются различным силовым воздействиям, различающимся по причинам их возникновения, длительности воздействия, характеру изменения во времени, уровню нагружения, температурным условиям эксплуатации. Характеристика силовых воздействий частично дается в соответствующих нормативных документах [27, 39], регламентирующих проведение расчетов конструкций на стадии их проектирования. Различают три основные группы причин возникновении силовых воздействий: природно-климатические (снеговая, ветровая, сейсмическая и температурные нагрузки); конструкционные (внутренние силовые усилия, весовые и монтажные нагрузки, технологические остаточные напряжения); технологические - нагрузки, обусловленные технологическими операциями.
Природно-климатические природные воздействия вызывают перераспределение напряженно-деформированных состояний, особенно в зонах концентрации напряжений. Из-за резких колебаний температур эксплуатации возможно возникновение дополнительных внутренних напряжений, особенно в массивных элементах конструкций [28]. Значения коэффициента концентрации напряжений в упругопластической области при снижении температур от 293 до 200 К увеличиваются на 12-50 % для различных конструкционных сплавов [4]. Для большинства типовых металлоконструкций характерно циклическое на-гружение с различными режимами (табл. 1.1.), что приводит к интенсивному
15
накоплению повреждений и возникновению магистральных трещин до выработки установленных сроков эксплуатации [29, 30].
Таблица 1.1. Режимы и условия циклического нагружения некоторых металлоконструкций
Тип конструкции Период Число циклов Коэффициент асим-
эксплуата- изменения на- метрии цикла по на-
ции грузок грузкам
Т, лет N R
Резервуары и сосуды, в т.ч. для 20 2-102-1,5-104 0-0,6
хранения и транспортирования
сжатых и сжиженных газов
Высотные сооружения (мачты, 20 2-106 0,51-1,0
башни)
Трубопроводы 20 (1,5-6>104 0
Нагрузки от собственного веса крупногабаритных конструкций приводят к повышенной деформации элементов и появлению дополнительных монтажных нагрузок. Важным фактором неопределенности являются монтажные отклонения от проектных решений — смещение и отклонение трассировок, отступление от размеров, образование зазоров в соединениях, наличие геометрических несовершенств и др. Все это приводит к появлению дополнительных внутренних усилий в элементах конструкций [31].
Значительное количество сварных соединений различного типа формируют в процессе эксплуатации в крупногабаритных металлоконструкциях сложные поля остаточных напряжений и зон с повышенной структурно-механической неоднородностью. Кроме того, на конструкцию действует широкий спектр внешних нагрузок статического, циклического и динамического характера.
Время, условия и тяжесть каждого отказа конструкций обусловлены целым рядом событий различного характера, воздействующих на объект. Многофакторность причин, результатом действия которых является переход системы в новое качественное состояние, связанное с наступлением отказа, позволяет говорить о причинно-следственном комплексе событий, формирующем отказ [4]. Анализу условий и причин отказов инженерных сооружений и конструкций посвящено большое количество работ [30-34 и др.]. Основными причинами отказов, по мнению авторов, являются дефекты заводского изготовления конструкций, несоответствие марки стали характеру и температурным условиям нагружения (стадия производства), ошибки, допущенные в проектах (стадия проектирования), нарушение расчетных схем конструкций, превышение допустимых нагрузок (стадия эксплуатации). Как видно, не учитываются процессы, которые могут протекать в материале оборудования в ходе его длительной эксплуатации.
Данные анализа работоспособности низкотемпературных металлоконструкций показывают, что отказы резервуаров, сосудов и газгольдеров составля-
16
ют 20 %, кожухов и воздухонагревателей 22 %, опор 14 %, эстакад и галерей 7 %. При этом на стадию монтажа приходится ~ 27 %, на период испытаний около 10 % и на эксплуатацию ~ 63 %. Наиболее неблагоприятными факторами, оказывающими влияние на характер разрушения конструкций, являются режимы и уровень нагружения элементов, температура эксплуатации, качество металла, концентрация напряжений, масштабный фактор, технологическая и эксплуатационная дефектность, деформационное и естественное старение и ряд других. При этом отказ является, как правило, следствием воздействия совокупности ряда факторов. Для большинства отказов стальных строительных конструкций характерно сочетание таких факторов, как концентрация напряжений, динамическое старение при сварке, остаточные сварочные напряжения, пониженные температуры [3].
Анализ причин хрупких разрушений сварных конструкции, проведенный Международным институтом сварки [35] позволил выявить распределение отдельных факторов по частоте их проявления при авариях: чувствительность металла к надрезу (19,7 %), конструктивные надрезы (13,6 %), остаточные напряжения (12,9 %), старение и наклеп (10,6 %), усталостные трещины (6,8 %), внешняя нагрузка (6,1 %), термические напряжения (4,5 %), трещины в зоне термического влияния (2,5 %), термообработка (2,3 %), трещины в металле шва (1,6 %). Общий процент проявления факторов, связанных с влиянием концентрации напряжений и наличием трещин, достигает 50 %. Большая часть конструкций климатического холода разрушается при температурах от —50 до -5 °С. Разрушение резервуаров и сосудов давления происходит при более высоких (в среднем на 10 °С) температурах, что связано с влиянием больших размеров [4].
Очевидно, что реализация того или иного вида отказа является следствием наличия различных силовых воздействий, рассмотренных ранее, и комбинаций указанных неблагоприятных факторов. Эти обстоятельства осложняются конструктивными ошибками проектирования, технологическими нарушениями при монтаже и отклонениями от правил эксплуатации. Признаками отказов и предельных состояний объектов являются неустранимое нарушение требований безопасности; прекращение (полное или частичное) выполнения объектом заданных функций; отклонение заданных показателей качества продукции за пределы установленных норм; возникновение процессов, препятствующих функционированию объекта; достижение объектом назначенных показателей, например, ресурса, срока службы и т.д.); технико-экономические факторы. Проявлениями признаков предельного состояния могут служить трещины, поломки, деформации, изменение геометрии рабочих поверхностей вследствие износа, пластических деформаций, изменения физико-механических свойств материала.
На стадии разработки и проектирования объекта целесообразно проведение классификации отказов предельных состояний, возникновение которых возможно при производстве и эксплуатации объекта. Важнейшими критериями при классификации являются достоверность и качество используемой информации. В данной ситуации целесообразно использовать результаты научных
17
исследований и разработок, испытаний и эксплуатации, данные анализа причин отказов объекта, объектов-аналогов, их составных частей, элементов конструкций, деталей. Общие классификационные признаки критериев предельных состояний приведены в табл. 1.2 [4].
Таблица 1.2. Классификация отказов и предельных состояний технических систем и объектов
№ п/п Классификационный признак предельного состояния Разновидность предельного состояния Примеры предельных состояний
1 Вид оценки предельного состояния Качественные Количественные Наличие изломов, трещин, сколов, взаимное проворачивание деталей, изменение цвета поверхностей Количество и размеры трещин, размеры поверхностей зоны, изменение размеров деталей и параметров узлов
2 Способ оценки предельного состояния Прямые Косвенные Изменение размеров, наличие изломов, трещин, поврежденных зон Изменение параметров (КПД, температура, давление, уровень вибрации, звука), образование течи, изменение цвета поверхности
3 Механизмы возникновения предельного состояния Физические Механические Химические Комбинированные Нагрев, охлаждение, облучение, текучесть материала (температурная, деформационная), усталость материала (циклическая, термическая) Изломы, трещины, износ. Погнутости Коррозия Термическое, деформационное старение
4 Причины возникновения отказа и предельного состояния Конструкционные Производственные Эксплуатационные Ремонтные Неидентифициро-ванные Ошибки проекта, неправильный выбор материала и т.д. Нарушение технологической дисциплины Нарушение условий эксплуатации Нарушение правил ремонта Невыясненные причины |
