Разрушения элементов

Использование корректирующего фактора Фолиаса и текущего напряжения для описания разрушений трубопроводов впервые нашло практическое применение благодаря работам сотрудников института Баттеля. Часть полученных и проверенных там соотношений используется в американских и канадских нормативно-технических документах, а также за пределами этих стран. В частности, руководящий документ США - ASME/ANSI B31G, разрабо-

Так, например, отсутствие надлежащей термообработки после сварки явилось причиной аварийных разрушений трубопроводов из стали 15Х5М на ряде нефтеперерабатывающих заводов с пропуском рабочей среды в печное пространство. Такие пропуски привели к взрыву печи с трагическими последствиями. На рис. 2.1 представлены результаты выполненных нами исследований разрушенного сварного стыка печного змеевика диаметром 325x9 мм из стали марки 12СгМо20,5 (отечественный аналог сталь 15Х5М) на Уфимском нефтеперерабатывающем заводе. Замер твердости вырезанного образца из разрушенного стыка показал (см. кривые I-I и II-II на рис. 2.1, б), что твердость в сварном шве (33-35 HRC) и в ЗТВ (37 HRC) значительно выше допустимой. В последующем исследуемый образец был подвергнут высокому отпуску нагревом до 700-720°С в течение 15 минут. Результаты измерения твердости соединения, подвергнутого такой термообработке (см. кривую Ill-Ill рис. 2.1, б) показали, что максимальная твердость в этих случаях находится в пределах допустимой. При рассмотрении микрошлифа в металле сварного шва была обнаружена магистральная трещина, расположенная во втором слое, и многочисленные разветвления микротрещины. На фотографии (рис. 2.1, в) показаны микротрещины, расположенные вблизи линии сплавления с основным металлом.

.Как показывает статьстика разрушений трубопроводов,наибольшая частота отказов приходится на период испытаний и первый год эксплуатации, где выявляются наиболее крупные деаектн. Дылее

Большое число случаев разрушений трубопроводов в процессе эксплуатации было зафиксировано в материалах, собранных Горь-

Общим для всех случаев разрушений трубопроводов в процессе эксплуатации, имеющих вид разрывов в продольном направлении по основному металлу или в околошовной зоне продольного сварного шва трубы, является отсутствие заметного уменьшения толщины стенки трубы у кромок разрыва, а также отсутствие остаточной деформации по периметру трубы. По внешнему виду поверхности излома в средней части по длине трещины можно отметить характерную начальную (очаговую) [зону разрушения. В этой зоне трещина имеет признаки разрушения без следов пластической деформации. Остальная часть трещины имеет следы пластической деформации в зоне дорыва. Механические свойства металла труб вблизи от линии разрыва и вдали от нее оказываются практически одинаковыми, находясь в пределах исходных нормативных характеристик.

Причинами разрушений трубопроводов или их соединений в основном являются пульсации давления жидкости, что объясняется кинетикой и особенностями режима работы насосов, а также забросы давлений. Последние возникают по многим причинам, наиболее вероятная из которых — гидравлические удары, появляющиеся при мгновенном срабатывании различных клапанов.. Поэтому необходимо строго следить за технологией изготовления трубопровода, не допуская нарушения цилиндрической формы их поперечного сечения, соблюдать правила выбора материала трубы в зависимости от условий ее работы, а также обращать особое внимание на способ и качество соединения трубопровода. Соединение труб и присоединение их к гидроагрегатам должны быть надежными по прочности и герметичности. Это относится, как правило, к сложным трубопроводам с одним или несколькими разветвлениями. Основным элементом различных соединений труб является прокладка. Уплотнительная прокладка из любого материала должна отвечать следующим требованиям:

Рассматриваемый наиболее простой способ оптимизации криволинейных каналов оказывается эффективным еще и потому, что при его использовании снижается уровень пульсаций, генерируемых вторичными течениями и отрывами в парокапельных потоках. Кроме того, в начальном диффузорном участке криволинейного канала уменьшается переохлаждение -и процесс приближается к равновесному. Установка разделительного ребра / на выпуклой стенке (рис. 7.16, а) или выполнение канавки // на вогнутой стенке позволяет уменьшить интенсивность вторичных течений, снизить потери и уровень пульсаций параметров. При этом, вероятно, уменьшается опасность вибрационных разрушений трубопроводов.

его изгиба. Наблюдения показывают, что значительное число случаев разрушений трубопроводов в особенности при пульсациях давления связано с нарушением цилиндричности их поперечного сечения (наличием овальности). В этом случае в отличие от деформации под давлением трубы круглого сечения, которая происходит лишь за счет удлинения периметра ее сечения, деформация овального сечения происходит в основном за счет изменения его формы. Овальное сечение под действием внутреннего давления жидкости приближается к круглому, хотя не все точки периметра строго следуют этому закону. Ввиду этого в точках наибольшей кривизны овального сечения развиваются высокие напряжения, величина которых зависит от величины сплющенности (овальности) и характеризуется отношением

Анализ неисправностей самолетных гидравлических систем показал, что в одних случаях нарушения в работе систем происходили из-за негерметичности соединений, а в других — из-за разрушений трубопроводов.

Наибольшее число разрушений трубопроводов приходится на напорные участки гидравлических систем. Это легко объясняется тем, что трубопроводы этих участков, более чем другие, подвержены воздействию динамических нагрузок.

Наиболее слабым местом соединений этого типа является основание конуса, где и появляется больше всего трещин, располагающихся по окружности трубопровода. При наличии вибраций трубопроводов трещины возникают почти всегда, если ниппель 3 установлен на трубе с некоторым зазором. В этом случае наиболее нагруженным сечением оказывается основание конуса, где резко изменяется жесткость трубы, а стенка имеет утонение вследствие перехода в расширяющуюся конусную часть. Большинство поперечных разрушений трубопроводов происходило по этому сечению.

В главе 3 более подробно осветим вопросы развития и разрушения элементов оборудования с трещинами.

Основными разновидностями неразъемных соединений являются сварные и заклепочные. Они не допускают никакого относительного движения между соединяемыми частями, их нельзя разобрать без разрушения элементов соединения.

еся причинами деформации и разрушения элементов формы. Рекомендованы следующие мероприятия: использовать специальные компенсаторы термических напряжений, снизить скорость нагрева форм при прокаливании, повысить температуру формы в печи подогрева при заливке, снизить температуру заливаемого металла до нижнего* предела.

Во избежание разрушения элементов сооружений или машин, возникающие в них рабочие (расчетные) напряжения (ст, т) не должны превышать допускаемых напряжении, которые обозначают в квадратных скобках: [а], [т . Допускаемые напряжения — это максимальные значения напряжений, обеспечивающие безопасную работу материала. Допускаемые напряжения назначаются как некоторая часть экспериментально найденных предельных напряжений:

цикл приложения нагрузки при анализе причин разрушения элементов конструкций в эксплуатации. И если идея пересчета числа усталостных бороздок для оценки длительности процесса распространения усталостной трещины в единичных циклах нагружения образца после его разрушения была тщательно изучена и не вызывала сомнений, то возможность проведения оценки нагруженно-сти элемента конструкции ставилась под сомнение. Как уже было отмечено выше, реализуемые в эксплуатации условия нагружения элемента конструкции совершенно не соответствуют условиям лабораторного опыта. Лишь в редких случаях напряженное состояние конструкции может быть идеализировано в качестве одноосного. Однако даже в таком приближении есть существенные издержки, поскольку не известно, в какой степени переход к одноосному напряженному состоянию повышает или занижает оценку напряженности элемента конструкции по сравнению с реализованной ситуацией в эксплуатации.

Из указанных выше узлов или элементов конструкции развитие усталостной трещины в полете до критических размеров в лонжероне лопасти приводит к полному разрушению вертолета. В этом случае предельное состояние определяется критической длиной трещины, которая не должна быть достигнута в процессе эксплуатации. Разрушение диска компрессора или турбины, как правило, приводит к предпосылке летного происшествия. Согласно требованиям к проектированию ВС и силовых установок, возникающие внутренние разрушения элементов конструкции двигателя и, в первую очередь, дисков компрессоров и турбин должны быть локализованными, т. е. отдельные части разрушенных дисков не должны выходить за пределы двигателя. Поврежденный двигатель прекращает свою работу, а недостаток мощности компенсируется другими двигателями и ВС может совершать аварийную посадку. Выход разрушенной лопатки за пределы двигателя может приводить к серьезным повреждениям ВС. Развитие трещин в различных элементах конструкции крыла до критических размеров может не приводить к предпосылке летного происшествия, если по мере роста трещины в конструкции предусмотрено резервирование мощности (дублирование системы) или перераспределение нагрузки с одного элемента конструкции на другой при развитии в одном из элементов конструкции трещины до критических размеров.

Условия реализованного внешнего воздействия при проведении экспертного исследования всегда неизвестны, однако оценка последствий такого воздействия в интегральном виде может быть дана с точки зрения определения эквивалентных характеристик по параметрам рельефа излома. В связи с этим необходимо указать на один из основных принципов неопределенности, существующий в экспертных исследованиях причин разрушения элементов конструкций авиационной техники:

В подавляющем большинстве случаев разрушения элементов авиационных конструкций реализуется нормальное раскрытие берегов трещины. В этом случае предельное состояние материала с трещиной может быть эффективно определено на основе (8г)^-модели, в которой момент перехода к нестабильности разрушения определяется достижением критического (8Г)^ раскрытия вершины трещины [48].

Уравнение (4.5) при всей своей привлекательности имеет общий недостаток — в него введена предельная величина КИН (вязкость разрушения), что для его практического использования при анализе процесса усталостного разрушения элементов авиационных конструкций вносит существенную неопределенность. Как было показано в главе 2, предельное состояние элемента конструкции с усталостной трещиной определяется широким спектром величин вязкости разрушения, поскольку она существенно зависит от условий нагружения. Не менее сложным является вопрос об определении величины показателя степени Pt в соотношении (4.4). Он не может быть рассмотрен как интегральная характеристика затупления трещины по некоторому отрезку ее фронта с переменной кривизной и ориентировкой направления локального подрастания трещины. Тем более что параметры зоны затупления (зоны вытягивания) — ее высота и ширина — тоже существенно зависят от условий нагружения, например от температуры (см. главы 2 и 3). Наконец, как было показано выше, пластическое затупление вершины трещины происходит в каждом мезотуннеле "индивидуально". Оно существенно зависит от того, каким образом сформированы перемычки между мезотунне-лями. Перемычки не только определяют условия раскрытия вершины мезотуннеля, но и влияют на величину скорости роста трещины, при которой

В этих двух томах рассмотрены одиннадцать основных вопросов: 1) основы теории упругости анизотропного тела; 2) критерии разрушения и анализ разрушения элементов из композиционных материалов; 3) расчет ферм, балок, рам и тонкостенных элементов; 4) расчет пластин; 5) расчет оболочек; 6) распространение волн и удар; 7) анализ конструкций из композиционных материа-лов'методом конечных элементов;; 8) вероятностный расчет и надежность;**^) экспериментальные характеристики композиционных материалов; 10) анализ'напряжений в окрестностях концентраторов напряжений,'кромок и узлов соединений; 11) проектирование элементов конструкций из композиционных материалов.

вается лишь на завершающем этапе расчета — после определения силовых факторов рассматриваются устойчивость и формы разрушения элементов из композиционных материалов. Соображения, позволяющие записать аналитически условие целостности элемента из композиционного материала, неоднократно приводились ранее (см. раздел II, В).