Разрушений конструкций

Подобные ощущения достаточно точно отражают именно тот факт, что в исследовании разрушений элементов конструкций на основе анализа рельефа излома ученый получает огромное коли-

Все указанные выше причины делают весьма затруднительным проведение анализа эксплуатационных разрушений элементов конструкций. Задача установления причины разрушения элемента конструкции усугубляется еще и тем, что

Подавляющее большинство разрушений элементов конструкций в эксплуатации, в том числе и авиационных, происходит в условиях макроскопической ориентации плоскости трещины нормально к поверхности детали. Одновременно с этим доминирует нормальное раскрытие берегов трещины при разнообразном многопараметрическом внешнем воздействии, о чем свидетельствуют параметры рельефа излома, формируемые в направлении роста трещины. Следует подчеркнуть, что речь идет не только о подобии ориентировки трещины, но и о подобии между последовательностью реализуемых механизмов разрушения при распространении трещины в эксплуатации в случае многоосного нагружения и в лабораторном опыте, когда осуществлено одноосное циклическое растяжение образца с различной асимметрией. Указанное геометрическое и физическое подобие позволяет ввести универсальное описание процесса роста усталостных трещин по стадиям при многопараметрическом внешнем воздействии.

Отмечено, что вычисленная прочность увеличивается с увеличением расстояния между частицами хрупкой фазы. Как упомянуто ранее, полностью связанный агрегат разрушается при разрушении наиболее слабого объемного элемента. В случае пучка волокон перед его разрывом должно разрушиться некоторое количество волокон. Колеман показал, что прочность пучка волокон меньше средней прочности волокон, но имеет тот же самый порядок. Отмечено, что отдельное волокно в пучке может разорваться только один раз и что разорванное моноволокно не несет никакой нагрузки по всей его длине. В случае заключенных в матрицу частиц или волокон композитное тело разрушается путем статистического накопления разрушений элементов. Причем условие разрушения представляет собой критическое число разрушенных элементов в одном поперечном слое. В случае заключенных в матрицу волокон отдельное волокно может разрушиться больше одного раза, так как напряжение перераспределяется по его неразрушенной части при помощи матрицы. Фактически прочность моделей увеличивается в некоторой зависимости от количества элементов объема, разрыв которых происходит перед разрушением тела.

Рассмотрим двумерный слоистый композит, состоящий из параллельно уложенных армирующих листов и растяжимой матрицы, "под действием растягивающегося напряжения в плоскости. Поскольку по своей природе разрушение армирующих элементов контролируется в основном величиной напряжения, то мы предположим, что процесс разрушения композита будет состоять из последовательности разрушений элементов, как показано на рис. 4. Ясно, что, как только появится трещина, возникнет концентрация деформаций в точках А т А'. Если матрица является упругой с низким модулем или пластичной с заданным пределом текучести, то в двух элементах непосредственно перед кончиком трещины возникнет концентрация напряжений и наиболее вероятно, что разрушение этих элементов произойдет в точках А и А', а не в каком-либо другом месте. Элементы, соседние к этим двум, также находятся в условиях перенапряжения, но в меньшей степени. Нас

Анализ эксплуатационных разрушений элементов конструкций, в том числе таких, как рабочие лопатки и диски газотурбинных установок (ГТУ), свидетельствует о том, что большинство из них происходит по причине усталости материалов [1—4 и др.], что обусловлено сложностью предсказания уровня эксплуатационных циклических нагрузок и высокой чувствительностью материалов к разного рода поверхностным концентраторам и дефектам. В связи с этим необходимы дальнейшие исследования в области усталости с целью выявления ее природы, разработки и совершенствования методов оценки и прогнозирования сопротивления усталости с использованием физических подходов.

Рис. 4.3. Примеры разрушений элементов газового тракта от термоциклических нагрузок

В подавляющем большинстве случаев хрупких разрушений элементов энергооборудования их нельзя объяснить исчерпанием резервов материала только по сопротивлению ползучести или по сопротивлению усталости. Основные применяемые в расчетах на прочность и долговечность степенные зависимости длительной прочности и термической усталости, имеющие однотипный монотонный характер, устанавливают однозначную связь времени до разрушения или долговечности по числу циклов с силовыми или деформационными параметрами при длительном статическом или термоциклическом нагружении. Эти зависимости не отражают в полной мере влияния всех факторов, действующих на металл в процессе эксплуатации.

Вследствие того, что на заводе не принимались меры по предупреждению хрупких разрушений элементов котлов (снижение агрессивности котловой воды, наблюдение за расширением барабанов и трубнчх систем и др.), при очередной проверке заклепочных соединений ультразвуковым методом в них были обнаружены тре-шнны (рис. 1). Все котлы были сняты с эксплуатации.

— оценка прочности, поврежденности и масштабов возможных разрушений элементов конструкций технических систем;

— оценка прочности, поврежденное™ и масштабов возможных разрушений элементов конструкций технических систем;

Прогнозирование коррозионных разрушений элементов машин и аппаратов с помощью статистической обработки данных о развитии коррозии проведено в работе [104]. С помощью ЭВМ обработаны данные о развитии питтингов, коррозионного растрескивания, процессов общей коррозии. Предпринята попытка прогнозирования вероятности и сроков разрушения металла и оценки влияния коррозии на надежность оборудования. Методика расчета была успешно опробована применительно к прогнозированию развития коррозии труб системы водоснабжения, изготовленных из углеродистых сталей, теплообменников из сплавов на основе Си и Ni, контактирующих с пресной водой.

Рассмотренные выше виды МО не исчерпывают всего многообразия разрушений конструкций, они лишь иллюстрируют некоторые из них, наиболее типичные, реализуемые в лабораторной и производственной практике.

Были также проанализированы данные ВНИКТИнефте-химоборудование по обследованию за 10 лет эксплуатации 118.560 сварных стыков трубных элементов печных змеевиков из сталей типа 15Х5М, сваренных аустенитным электродами, по ряду нефтехимических предприятий (табл. 2.9). Анализ этих статистических данных показывает, что стимулирующую, а в отдельных случаях самостоятельную роль в обеспечении их работоспособности может играть ярко выраженная структурно-механическая неоднородность. Усиливается эффект перенапряжения металла в локальных областях с неравновесными закалочными структурами, имеющими максимальные скопления несовершенств кристаллического строения, особенно работающими в условиях сложного напряженного состояния, присущего эксплуатации нефтехимического оборудования. Анализ разрушений показывает, что повреждения, как правило, инициируются в перенапряженных областях конструктивных элементов. Одной из основных причин преждевременных хрупких разрушений конструкций из сталей типа 15Х5М является наличие развитых закаленных участков (твердых прослоек) сварных соединений.

В США подсчитано, что 80 % всех разрушений конструкций происходит за счет усталости металла. Потери от нее лишь в 1982 г. превысили сумму 119 млрд. долларов — 4 % национального дохода одной из самых богатых стран капиталистического мира. По данным Европейского общества по контролю качества, промыш-ленно развитые страны Европы теряют за счет брака в целом до 10 % национального дохода. В США такие потери достигают 300 млрд. долларов в год.

Усталостные трещины размером, до 4 мм не влияют на понижение разрушающей нагрузки при статическом нагру-жении некоторых сварных соединений из сталей М16С и Ст.З (стыковое, нахлесточное, прикрепление фасонок) при температурах до •—65°С [105]. Между тем, статистические обобщения фактических случаев разрушений конструкций, испытывающих усталостные нагрузки, показывают, что с увеличением срока службы в ряде случаев при понижении температуры резко возрастает относительная частота поломок сварных деталей машин и элементов металлоконструкций. Примером могут служить данные по разрушениям сваи драги (рис. 30). Существенное влияние усталостных нагрузок на хладостойкость сварного соединения подтверждается результатами экспериментов (рис. 31).

П. к.зависит не только от свойств материала. В неменьшей мере она определяется степенью совершенства конструкции, уровнем технологии, условиями эксплуатации. По данным Лондонской международной конференции по усталости металлов (1956), лишь в,двух случаях (из неск. сотен) усталостных разрушений конструкций причиной разрушения явились дефекты материала. В большинстве же случаев усталостные разрушения в эксплуатации происходили вследствие недостатков конструкции, обусловливающих высокую концентрацию напряжений, из-за дефектов механической обработки, неточностей сборки, Повышение П. к. обеспечивается совокупностью металлургических, конструкторских и технологических мероприятий. Конструкторские мероприятия должны сводиться гл. обр. к проектированию деталей, не имеющих значительного перепада жесткостей, к расположению сварных швов на достаточном расстоянии от мест наибольшей концентрации напряжений, к уменьшению податливости всей конструкции (уменьшению запаса упругой энергии), к применению разгружающих надрезов, округлению острых кромок и др.

Как показали замеры микротвердости по сечению сварных соединений, образцы первого варианта не имели явно выраженного разупрочненного участка, в то время как в образцах второго варианта была явно выраженная разупрочненная зона в участке высокого отпуска при сварке на расстоянии 2—3 мм от линии сплавления. Длительная прочность сварных соединений второго варианта в период, охваченный испытаниями, несколько выше, чем первого, однако больший угол наклона кривой в этом случае указывает на сближение указанных характеристик при большой длительности испытаний. Таким образом, исходная высокая прочность заготовок перед сваркой не обеспечивает высокого уровня жаропрочности сварных соединений при длительности службы порядка Ю5 час. В то же время пониженная пластичность сварных соединений второго варианта свидетельствует об опасности хрупких разрушений конструкций, термически обработанных перед сваркой на повышенную прочность.

Расчет строительных конструкций осуществляется в соответствии со строительными нормами и правилами [1]. Получаемый при этом уровень номинальной нагруженное™ сварных элементов и уровень концентрации напряжений свидетельствуют о возникновении в зонах концентрации локальных пластических деформаций, которые при повторном характере внешней нагрузки приводят к образованию трещины малоцикловой усталости. Так, при обследовании воздухонагревателей доменных печей появление трещин в кожухе было зафиксировано после 2—3 лет эксплуатации, что соответствовало 5 — 6 тыс. циклов. В подкрановых балках тяжелого режима работы повреждения в виде поверхностных трещин вдоль угловых швов приварки верхнего пояса к стенке наблюдались при числах циклов до 2 х 105, или после 4 лет эксплуатации, в газгольдерах аэродинамических станций — после 4 х Ю4 циклов нагружения. Опасность появления трещин малоцикловой усталости в сварных конструкциях связана с тем, что трещина данной длины может при определенном соотношении уровня нагрузки, климатической температуры эксплуатации, скорости нагружения и других факторов оказаться критической, что приводит к катастрофическому хрупкому разрушению. Раз-рушение^может наступить в разный период эксплуатации в зависимости от наступления критического сочетания инициирующих факторов. В этом заключается определенное отличие в разрушении циклически нагруженных конструкций по сравнению со статически нагруженными, основная масса аварий которых приходится на период эксплуатации с первыми похолоданиями; при дальнейшей эксплуатации таких конструкций число хрупких разрушений резко сокращается (рис. 9.1). Для циклически нагруженных конструкций в первую зиму и во время испытаний разрушается только 34% конструкций от общего числа зарегистрированных разрушений. При последующей эксплуатации в течение примерно трех лет разрушения отсутствуют, и затем число разрушений начинает увеличиваться с 4 до 10% в год. Такой характер распределения разрушений конструкций под воздействием повторных нагрузок связан с необходимым периодом подрастания дефектов до критических размеров, и поэтому в течение определенного периода разрушения не наблюдаются. При дальнейшей эксплуатации идет накопление повреждений и развитие трещин усталости до образования полного разрушения.

Большое внимание должно быть обращено на устранение хрупких разрушений конструкций из материалов ближайшего будущего: алюминиевых, особенно повышенных свойств, титановых сплавов, ситалов и др. В настоящее время за рубежом разработаны специальные методы проектирования сварных конструкций из алюминиевых сплавов. Главными задачами являются: создание сварных конструкций при наименьших значениях концентраторов напряжений и возможность создания деформа-тивных конструкций. Чтобы избежать образования концентраторов напряжений, рекомендуется применять элементы из прессованных и штампованных профилей, соединения, свариваемые встык, вместо нахлесточ-ных, создавать плавные сопряжения элементов между собой и т. д. при их работе не только при переменных, но и при статических нагрузках.

Рассмотрены выше виды отказов не исчерпывают всего многообразия разрушений конструкций, они лишь иллюстрируют некоторые из них, наиболее типичные, реализуемые в лабораторной и производственной практике.

Много разрушений конструкций произошло в результате нарушения правил монтажа: использование элементов с недопустимыми дефектами, строповка за элементы конструкции вне узлов, несвоевременная постановка связей. Лавинообразные разрушения большой протяженности имели1 место б" газопроводах.

Все виды разрушений конструкций — по хрупкому, квазихруп-