CC BY
29УДК 669-151.8
МЕТАЛЛОВЕДЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА РАЗРУШЕНИЙ КОНСТРУКЦИЙ ПО ПРИЧИНЕ ХЛАДНОЛОМКОСТИ: ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР
Лариса Георгиевна Петрова, д-р техн. наук, проф., [email protected],
МАДИ, Россия, 125319, Москва, Ленинградский пр., 64
Аннотация. В статье рассмотрена проблема хладноломкости сталей как причина хрупкого разрушения конструкций. Приводятся теоретические сведения о феномене хладноломкости и методы определения пороговой температуры вязко-хрупкого разрушения. Проведен анализ металлургических и структурных факторов, влияющих на переход стали в хрупкое состояние при понижении температуры: размер зерна, содержание кислорода, углерода и вредных примесей, наличие неблагоприятной формы неметаллических включений. Представлен исторический обзора аварий конструкций (мостов, судов, резервуаров хранения), произошедших в ХХ веке, в качестве причин которых установлено наличие одного или нескольких факторов, приведших к хрупкому разрушению стали под действием отрицательных температур.
Ключевые слова: хладноломкость, конструкционные стали, крупнозернистая структура,ударная вязкость, хрупкое разрушение
METALLURGICAL EXAMINATION OF STRUCTURAL FAILURES DUE TO COLD BRITTLENESS: A HISTORICAL OVERVIEW
Larisa G. Petrova, Dr.Sc., professor, [email protected]., MADI, 64, Leningradsky Prosp., Moscow, 125319, Russia
Abstract. The paper considers the problem of cold-brittle fracture of steels as a cause of brittle fracture of structures. The theoretical information about the phenomenon of cold brittleness and methods for determining the transition temperature of ductile-brittle fracture are given. The analysis is carried out of metallurgical and structural factors influencing the transition of steel to the brittle state with temperature decrease: grain size, oxygen, carbon and harmful impurities content, the presence of nonmetallic inclusions of unfavorable form. A historical review of accidents of structures (bridges, ships, storage tanks) that occurred in the twentieth century is presented, as the causes of which are established the presence of one or more factors that led to the brittle failure of steel under the action of negative temperatures.
Keywords: cold brittleness, structural steels, coarse-grained structure, impact toughness, brittle fracture
Введение
Конкурентная борьба различных государств мира за обладание арктическими ресурсами делает актуальным разработку новых материалов для Арктики, т.е. хладостойких материалов, пригодных для работы в условиях отрицательных температур. Главное требование к таким материалам - это жесткая необходимость противостоять хрупкому разрушению, что требует постановки однозначного диагноза металлу о температурных ограничениях его работы. Причем это должно быть сделано до того, как металл будет использован в конструкции или изделии, чтобы исключить риск катастрофы.
Впервые внимание мировой общественности было обращено на явление хладноломкости во второй половине XIX в связи с бурным строительством желез-
ных дорог. Было замечено, что рельсы, изготовленные из бессемеровской или мартеновской стали, внезапно разрушались при понижении температуры. Первая половина XX в. ознаменовалась большим числом аварий мостов, морских судов, резервуаров для хранения нефти, магистральных газопроводов во всем мире. Большинство аварий происходило в зимнее время года, иногда при совместном действии низкой температуры, ветра, штормовой погоды, т.е. во многих случаях были вызваны хладноломкостью.
Особую актуальность решение проблемы хладноломкости имеет для России, поскольку более половины территории нашей страны расположено севернее изотермы января с температурой -20 0С. Многие районы Сибири, Заполярья, Якутии, Дальнего Востока, а также шельф Северного Ледовитого океана, богаты запасами полезных ископаемых и перспективны для более интенсивного освоения. Давно было замечено, что эффективность работы оборудования и транспорта в зимнее время в этих районах резко снижается. В книге Н.А. Мезенина [1] описано: «В Якутии -65 °С не редкость. Здесь сталь проходит испытание холодом... Число поломок оборудования зимой в условиях Крайнего Севера обычно втрое, автосцепок иногда в десять раз больше, чем летом».
Ю.П. Солнцев указывает [2], что срок службы автомобилей в зоне с суровым климатом по сравнению с европейской частью России сокращается в 2 раза; аварии и поломки, связанные с климатическими условиями, выводят из строя до 25 % парка машин. Количество отказов деталей технологических машин кратно увеличивается в зимнее время по сравнению с летним периодом: тракторов и бульдозеров в 2...6 раз, деталей экскаваторов — в 5...7 раз. Хрупким разрушениям в зимнее время особенно подвержены сварные детали строительной техники (ковши экскаваторов, рукоять, стрелы), а также элементы ходового механизма (нижняя рама, натяжная ось, гусеничные рамы).
По статистике МЧС России [3] из всех аварий вертикальных цилиндрических резервуаров (РВС) для хранения нефтепродуктов в период с 1951 по 1990 гг. примерно треть составляли отказы по причине хрупкого разрушения металла. Похожие данные имеются по отказам сварных конструкций экскаваторов в условиях сурового климата. На основании обследования, проведенного Институтом физико-технических проблем Севера (г. Якутск), показано, что наиболее часто причинами разрушений этих элементов является несоответствие основного конструкционного материала по хладостойкости (около 29 %).
Хладноломкость металлов означает потерю ими вязкости ниже определенной пороговой температуры, которая индивидуальна для различных сталей и сплавов. Это вызывает необходимость внимательного выбора материала для работы в сложных климатических условиях. Золотое правило современных конструкторов и технологов гласит: «Эксплуатация металлического изделия ни при каких обстоятельствах не должна осуществляться ниже порога хладноломкости!».
К чему приводит несоблюдение этого правила, показывают многочисленные случаи катастрофического разрушения объектов и конструкций, которые приводили к огромным экономическим потерям, а зачастую, и к человеческим жертвам. Целью данной работы является анализ исторических примеров экспертного расследования аварий различных конструкций (мостов, судов, резервуаров хранения) и выявление причин разрушения, связанных с металлургическими и структурными факторами хладноломкости.
Хладноломкость стали и способы ее определения
Хладноломкость конструкционных сталей проявляется в резком снижении их стойкости к удару при охлаждении ниже температуры вязко-хрупкого перехода. Физический механизм явления хладноломкости впервые сформулирован в 1924 г. советским физиком А.Ф. Иоффе. Он связал это явление с резким ростом предела текучести материала при глубоком охлаждении, который при определенной температуре становится выше специфичного для каждого материала напряжения отрыва.
Мерой хладноломкости металла можно считать поглощенную энергию удара, измеренную при динамических испытаниях стандартного образца. Проведение испытаний при различных температурах позволяет построить сериальную кривую температурной зависимости ударной вязкости, по которой определяют порог хладноломкости (рис. 1). За пороговое значение tхр чаще всего принимается средняя температура интервала между верхней и нижней «полками».
Рис. 1. Определение порога хладноломкости по сериальной кривой зависимости ударной вязкости
от температуры
Впервые определение ударной стойкости стали при помощи маятника на образцах с V-образным надрезом (концентратором напряжений) были разработаны Жоржем Шарпи в 1901 г. (тест Шарпи). В современной металловедческой науке этот тест известен, как испытания на ударный изгиб. Ударную вязкость металла KC определяют, как отношение энергии удара к площади сечения стандартного образца, который может иметь как с V-образный надрез (KCV - образцы Шарпи), так и U-образный надрез (KCU - образцы Менаже).
Развитие испытаний стали на хладноломкость исторически связано с именем женщины-ученого Констанс Типпер, которая обнаружила корреляцию поглощенной энергию удара при разрушении стали с ее микроструктурой, а именно с видом изломов. Это прорывное открытие было сделано Типпер во время расследования массового выхода из строя британских грузовых кораблей серии Liberty, которые пострадали от катастрофических повреждений по причине хрупкого разрушения в суровых водах Северной Атлантики во время второй мировой войны. Из более чем 2700 построенных кораблей за период 1943-46 гг. серьезные поломки получили не менее 1250 кораблей, причем 12 из них разломились надвое [4] (рис. 2).
Рис. 2. Поврежденные корабли Liberty: SSSchenectady и Esso Manhattan, 1943 г.
Констанс Типпер, будучи заведующей лабораторией термообработки Кембриджского университета, изучила образцы стали с кораблей Liberty после тестов Шарпи и выявила связь потери ими ударной вязкости при понижении температуры с переходом излома от вязкого к хрупкому [5]. Она впервые предложила в качестве критерия порога хладноломкости показатель «50 % кристалличности», т. е. температуру, при которой излом образца наполовину хрупкий. Сегодня этот показатель трансформировался в критерий tso, при которой в изломе наблюдается «50% волокна». Площадь, занимаемую вязкой составляющей излома, можно определить по нормируемой шкале (рис. 3).
Поведение различных металлов при отрицательных температурах зависит от типа кристаллической решетки. На рис. 4 схематически показано изменение энергии удара после испытаний на ударный изгиб для металлов различного типа. Как видно, именно металлы с ОЦК-решеткой демонстрируют резкий переход в хрупкое состояние в критическом интервале температур, а ниже некоего порогового значения они полностью утрачивают способность к пластической деформации.
Рис. 3. Шкала по стандарту ASTM E23-09 для определения t50 по виду излома (% «волокна» - вязкой
составляющей)
Для углеродистых и низколегированных сталей, в основе строения которых находится а-железо с ОЦК-решеткой, регламентируются предельные температуры эксплуатации в жестких климатических условиях (табл. 1). Характерно, что изделия из таких сталей могут длительное время безаварийно эксплуатироваться до тех пор, пока не получат импульс к распространению трещины, которая могла воз-
никнуть при наличии концентраторов напряжений, например, в виде дефектов сварки. Именно в силу последнего обстоятельства сварка довольно долго признавалась экспертами самым «слабым местом» для инициации хрупкого разрушения.
Рис. 4. Схема влияния температуры на поглощенную энергию удара для разного типа металлов
Для металлов и сплавов с ГЦК-решеткой характерно плавное и очень незначительное снижение ударной вязкости при охлаждении в область отрицательных температур (рис. 4). Они считаются не склонными к хладноломкости, и многие из сталей на основ е у-железа сохраняют удовлетворительную вязкость вплоть до температур жидкого азота (-196 0С) и даже жидкого гелия (-269 0С) (табл. 1).
Таблица 1
Предельные температуры работы некоторых групп сталей [2]_
Группы сталей £тт, °С
Углеродистые стали обыкновенного качества (СтЗГсп) -20
Углеродистые стали качественные (08, 10, 15, 20) -30
Низколегированная сталь (09Г2С) -40...-60*
«Безуглеродистые» никелевые стали (0Н6) -100...-150*
Аустенитные хромомарганцевые стали с азотом (03Х13АГ19) -130.-196*
Аустенитные хромоникелевые стали (08Х18Н10Т) -253.-269*
Примечание. * в зависимости от металлургических и структурных факторов.
Металлургические и структурные факторы риска, способствующие хладноломкости металлов
К металлургическим и структурным факторам, определяющим склонность стали к хрупкому разрушению, относятся:
- размер зерна стали и состояние границ зерен,
- примеси и легирующие элементы (их тип и концентрация),
- размер и форма возможных неметаллических включений.
Размер зерна является важнейшим структурным параметром стали: мелкозернистая структура металла благоприятна как для упрочнения, так и для увеличения вязкости и снижения порога хладноломкости. В низкоуглеродистых сталях температура перехода в хрупкое состояние линейно снижается в зависимости от условного диаметра зерна ^-1/2 (рис. 5). По такой же зависимости, согласно закону Холла-Петча, увеличивается предел текучести [6].
Размер зерна с1\ мыт12
Рис. 5. Влияние размера зерна феррита на предел текучести (1) и температуру перехода в хрупкое
состояние (2) стали с 0,1%С и 0,5%Мп [6].
Хрупкое разрушение происходит катастрофически быстро под действием относительно невысоких напряжений. Возникшая в хрупком материале трещина может распространяться как по внутризеренному, так и по межзеренному механизму, вызывая интеркристаллитное разрушение (рис. 6). Крупнозернистая структура способствует такому типу разрушения; при разрушении по границам зерен поверхность излома после испытаний по Шарпи выглядит блестящей, кристаллической. Межзеренному разрушению также способствуют ослабленные границы зерен, содержащие частицы хрупких фаз или примесных атомов, таких как сера или фосфор.
В целом, считается, что укрупнение зерна на 1 балл повышает порог хладноломкости на 15 0С. В табл. 1 наименьшие значения предельных рабочих температур сталей, помеченные звездочкой, относятся к тем случаям, когда применены дополнительные меры по измельчению зерна и формированию однородной структуры (микролегирование, управление скоростью кристаллизации, модифицирование расплава, оптимизация режимов термообработки и т.п. [7]).
а б
Рис. 6. Схемы зрупкого разрушения по внутризернному (а) и межзеренному (б) механизмам
Влияние углерода на хладостойкость стали негативно: с увеличением его содержания происходит повышение температуры перехода в хрупкое состояние.
Повышение содержания углерода в стали является наиболее очевидным и экономичным способом повышения ее прочности и твердости. Но с увеличением прочности падает вязкость. По актуальным данным [8], каждые 0,1%С, добавленные в сталь, увеличивают на 140 температуру, соответствующую пороговой энер-
гии удара 20 Дж. Так, в стали 40 (0,4%С) температура вязко-хрупкого перехода на 42° выше, чем в стали 10 (0,1%С). На рис. 7 видно, что сталь обыкновенного качества с содержанием углерода 0,11%С работоспособна до температур -50 °С, тогда как сталь с 0,22%С - условно только до 0 °С, а более высокоуглеродистые стали сохраняют приемлемую энергию удара только при положительных температурах.
С середины прошлого века было известно, что негативное влияние углерода в сталях можно снизить путем добавления марганца, что реализовывалось путем контроля соотношения Мп:С [9]. Оптимальные соотношения Мп:С для обеспечения минимальных температур вязко-хрупкого перехода в сталях с разным содержанием углерода различны. Для ферритных сталей с 0,01...0,11%С для достижения tхр = -80 °С соотношение Мп:С должно быть не менее 15:1 [8]. Данное правило в полной мере реализуется, например, для стали 09Г2С (№3 в табл. 1), в которой содержится около 0,1%С и 1,5% Мп. Для сталей с более высоким содержанием углерода (0,17...0,3%>С) снижение tхр до -40 °С достигается при соотношении Мп:С=5:1. Т.е. сталь с 0,3%С для работы в таких температурных условиях должна также содержать не менее 1,5%Мп.
А
По 250
гл
-100 -50 0 50 100 150 200 250 Температура, °С
Рис. 7. Влияние углерода на температурную зависимость энергии удара нормализованных
углеродистых сталей
Из данных работы [8] следует, что сталям с содержанием углерода более 0,3%С опустить tхр ниже нуля не помогает даже большее количество марганца. Так что, средне- и высокоуглеродистым сталям сегодня поставлен диагноз абсолютной непригодности к эксплуатации при отрицательных температурах.
Остаточный кислород, который присутствует в стали в результате неполного раскисления, наносит серьезный вред хладостойкости, Растворимость кислорода в железе крайне мала: она оценена в 0,0008%О при температуре полиморфного превращения 910 °С и стремится к нулю при понижении температуры до комнатной, поэтому кислород может находиться в стали в газообразном состоянии. Газовые пузыри в нераскисленном металле являются источниками трещин (концентраторами напряжений). Сталь, полностью раскисленная, с минимальными остатками кислорода, кристаллизуется в слиток без выделения газов и потому называется «спокойной». В противоположность, сталь, раскисленная в минимальной степени, называют «кипящей», что характеризует процесс ее застывания.
Таким образом, степень раскисления стали является ключевым фактором, определяющим ее работоспособность при отрицательных температурах. Так, сталь, раскисленная до концентрации кислорода 0,001 %, может выдерживать температуру до -60 0С [8]. Добавление каждой тысячной процента кислорода существенно повышает температуру ББТТ, очень быстро переводя это температуру в область положительных значений (рис. 8). Увеличение содержания кислорода с 0,001%0 до 0,057%0 повышает ББТТ с -15 °С до 340 °С.
240
160
По гл ощ ен на я
эн
ер" 80 гия
УД
ар О а, -100
0.001% О
0.0037% О
Увеличение содержания кислорода с 0,001%0 до 0,057%0 повышает t с -15 °C до 340 °C!
0.011% О
0.007% О
-3»
О 100
Температура, °С
Рис. 8. Влияние кислорода на температурную зависимость энергии удара низкоуглеродистых
сталей [8]
Сегодня к сталям для низкотемпературного применения предъявляется требование ограничения по кислороду не более 0,003 %.
Фосфор считается главным виновником хладноломкости сталей, так как этот элемент скапливается на границах зерен, что ухудшает сопротивление хрупкому разрушению структуры в целом. Растворимость фосфора в a-Fe относительно высокая (1,26%P при 800 °С и 0,015%P при комнатной температуре), вследствие чего фосфор активно упрочняет железо по твердорастворному механизму [6]. К тому же фосфор способствует увеличению размера зерна стали. Комбинация этих эффектов делает фосфор чрезвычайно опасным охрупчивающим элементом, вызывающим транскристаллитное разрушение.
Сопоставить охрупчивающее действие различных растворенных элементов в железе можно на основе условной формулы tхр = к-Сэ, где Сэ - концентрация элемента, а к - коэффициент охрупчивания. Наиболее значителен негативный эффект фосфора, для которого к = 400, тогда как для марганца к = 0, для кремния к = 44, для алюминия к = 75.
Особенно резко хладостойкость стали понижается при увеличении концентрации фосфора свыше 0,02%P. Добавление каждой сотой процента фосфора поднимает температуру вязко-хрупкого перехода на 20 °С; при достижении концентрации 0,12%P tхр увеличивается более чем на 80 °С (рис. 9). В современных хладостойких сталях рекомендуемый лимит содержания фосфора составляет 0,01%P.
Сера, в отличие от фосфора, имеет тенденцию охрупчивать сталь во всех температурных условиях. Поэтому, в современных сталях для низкотемпературного применения считается целесообразным (безопасным) ограничивать количество серы до 0,005%S.
Охрупчивающее действие серы проявляется при образовании сульфидов, причем на степень потери вязкости влияют форма, размеры и распределение этих неметаллических включений. Сульфидные включения удлиненной формы, являясь концентраторами напряжений, резко понижают работу распространения трещины. Так называемые строчные сульфиды, «раскатанные» вдоль стального листа (рис. 10, а), приводят к различной степени охрупчивания в продольном и поперечном направлении прокатки. При испытаниях на удар удлиненные включения будут намного сильнее способствовать образованию трещин в поперечных образцах, которые они перерезают в нескольких точках (рис. 10, б). Различие в величине энергии удара в различных направлениях может составлять до трех раз.
каждая 0,01%Р повышает t на 20°С
150-
100-
0,05% Р
0,12% Р
0,21% Р
50-
50 100
Температура,°С
Рис. 9. Влияние фосфора на температурную зависимость энергии удара стали с 0,2%С и 1,0%Ыи [2]
а б
Рис. 10. Строчки сульфидов в стали в направлении прокатки (а) и ориентация продольных и поперечных образцов в листе с сульфидными включениями (б)
Таким образом, наиболее опасными внутренними факторами самой стали, которые создают существенные риски для катастрофического разрушения изделий и конструкций являются:
- превышение содержания углерода, фосфора, серы;
- недостаточное количество марганца для компенсации негативного воздействия серы и углерода;
недостаточная раскисленность стали и превышение концентрации остаточного кислорода;
- грубозернистая структура;
- неметаллические включения неблагоприятной формы.
Данные факторы перечислены не в порядке их значимости по степени негативного влияния, более того, в каждом конкретном случае необходимо учитывать их взаимовлияние и возможный комплексный эффект.
Далее обсуждаются исторические примеры катастрофических разрушений конструкций, причинами которых явились один или несколько перечисленных факторов охрупчивания стали.
Исторические примеры исследования катастрофических разрушений конструкций по причине хладноломкости
Авария Бостонского резервуара (1919 г., США) является одним из первых зафиксированных трагических примеров разрушения по причине хладноломкости. Гигантский резервуар с мелассой (сахарной патокой) размером около 30 м в высоту и 15 м в диаметре был построен из стальных листов, соединённых внахлест тремя рядами заклепок. Обрушение резервуара случилось холодным январским днем, всего через 4 года после постройки, и сопровождалась мощным взрывом и разливом патоки. Происшествие стало настоящей катастрофой с человеческими жертвами и серьезными повреждениями инфраструктуры: дома были разрушены, а часть конструкции Бостонской надземной железной дороги была опрокинута (рис. 11) [10].
Рис. 11. Последствия аварии Бостонского резервуара, 1919 г. и вид шевронного излома поверхности
разрушения
Расследование аварии длилось несколько лет; рассматривались различные версии происшедшего - от несоблюдения требований безопасности до взрыва бомбы, заложенной рабочими-агитаторами. Единственным непреложным результатом экспертизы оказалось обнаружение обломков с так называемым шевронным изломом (рис. 11), который сегодня считается характерным признаком хрупкого разрушения. Окончательное заключение свелось к констатации факта об отсутствии у практикующих инженеров необходимых знаний о хладноломкости.
Металловедческие исследования элементного состава сталей в сопоставлении с результатами теста Шарпи начинают применяться для анализа причин раз-
рушений конструкций в начале 30-х годов. Такие исследования были выполнены, в частности, при анализе разрушений емкостей для хранения нефти на Юге и Среднем западе США [11]. Суровой зимой 1932-1933 года восемь резервуаров клепаной конструкции пострадали в разной степени, причем два из них были разрушены полностью: один при внезапном понижении температуры до -28 0С, а второй - при -34 ос. Исследования состава сталей показали приемлемые содержания вредных примесей, но повышенное содержание углерода: до 0,29%С при невысоком содержании марганца (0,42...0,51%Mn), что объясняло крайне низкую энергию удара при отрицательных температурах.
Сварные мосты конструкции Vierendeel (1936-1940 гг, Бельгия). В период с 1930 г. до 1938 г. в Бельгии в период было построено более 50 сварных мостов рамной конструкции, изобретенной Виренделем (Vierendeel truss) [12]. Обрушение моста через канал Альберта в Хассельте стало первым прецедентом хрупкого разрушения подобного сооружения. Утром 14 марта 1938 года при температуре воздуха -2°С, после громкого хлопка появилась трещина в нижней хорде фермы, и шесть минут спустя мост разломился на три части и рухнул в канал (рис. 12). При расследовании эксперты обнаружили явные признаки хрупкого разрушения стали без каких-либо следов пластической деформации.
Рис. 12. Разрушенный мост Hasselt Bridge, 1938 г.
Зимой 1940 года проблемы с растрескиванием были зафиксированы на еще, как минимум, восьми больших сварных мостах той же конструкции. Наиболее громкими случаями являются повреждения мостов в г. Херенталь, и в г. Каул-лиль. Эти мосты не были полностью разрушены, но, также, как и в случае с мостом Хассельт, получили трещины в нижней ферме: в обоих случаях температура воздуха составляла около -14°С.
Обобщенный анализ имеющихся источников по результатам расследования этих случаев показал, что для всех этих мостов была применена нераскислен-ная «томасовская» сталь марки St-42, которая содержит повышенное количество фосфора по сравнению с мартеновской сталью (до 0,079%P). Независимые эксперты из Германии [13] заключили, что, чувствительность стали к трещинам, вызванным, в том числе, дефектами сварки, могла стать одной из причин, спровоцировавших или усугубивших разрушение. Они призвали исключить использование нераскисленной стали для сварных конструкций толщиной более 1,5 дюйма.
Разрушения вертикальных цилиндрических резервуаров (ВЦР) для хранения нефтепродуктов (рис. 13) (30-40-е годы ХХ века, СССР).
Рис. 13. Разрушение резервуара для хранения нефтепродуктов
В работе [14] указан один из первых зафиксированных случаев катастрофического разрушения сварного резервуара в СССР, который произошел 17 декабря 1938 г. на Чагинской нефтебазе. ВЦР диаметром более 23 м и высотой более 11 м был сварен из листов стали популярной марки Ст3. Морозным днем (t = -24 0C) стенка резервуара емкостью около 5000 м3, доверху наполненного мазутом, лопнула. Мгновенное распространение трещины по всей высоте стенки от дефектного места сварного соединения привело к полному разрушению резервуара. Повышенный риск разрушения при воздействии сложившихся температурных условий создавался использованием стали обыкновенного качества с высоким порогом хладноломкости вследствие повышенного содержания серы и фосфора. Температура вязко-хрупкого перехода для стали Ст3 составляет от +20 ос до -20 ос в зависимости от размера зерна. Трудно предположить, что в описываемое время была использована технология формирования ультрамелкозернистой структуры в стали, предназначенной для сварной конструкции. Поэтому, с высокой долей вероятности, минимальная температура безопасной эксплуатации стали с 6...7 баллом зерна составляла не ниже 0 ос.
В работе [15] по горячим следам рассмотрены массовые аварии нескольких ВЦР, сваренных, как и в предыдущем случае, из стали Ст3, происшедшие в декабре 1947 г. После относительно теплой погоды температура опустилась до -43.44 ос, и в течение трех суток на пяти резервуарах нефтехранилища появились многочисленные трещины в нижнем ярусе стенки. Большинство трещин начинались в зоне сварных соединений, что позволило сделать заключение о причинах аварий, связанных с дефектами сварки (кратеры, непровары, наросты, скрытые трещины). Однако, нельзя сбрасывать со счетов тот факт, что использование стали обыкновенного качества с невысокими требованиями по сере и фосфору, могло сыграть роковую роль в развитии хрупкого разрушения при столь низких температурах.
Обрушение моста Дюплесси (Duplessis Bridge, 1951 г., Канада^ является характерным примером действия металлургических факторов, а именно, повышенного содержания в разрушенной стали углерода, кислорода и серы. Мост через реку Сен-Морис в Квебеке цельносварной конструкции обрушился спустя три года после постройки. Морозной ночью 31 января 1951 года (при температуре воз-
духа -340С) четыре пролета моста длиной рухнули в реку (рис. 14); 4 человека погибли в своих автомобилях, которые провалились под лед [11].
Poor Quality Steel Blamed For Bridge Crash
THREE RIVERS. <M --C" Infective and poor quality steel was blamed for The collapse of the S3 -¡00.000 Uuplessls bridle f-.cre last January.
A representative of the Dominion Bridge Company Limited ol Montreal said hli company made a de-tilled report to the provlnyal department or public works In Dc-eember. :H0. «tauni that some o! the steel used In construction 01 the mllelon» lick over the St. Maurice Rim ni "poor quality rtm steel"
He »as appearing before a two-usan Inquiry enmmlsslcn appointed by the provinri«: covernment to devermine Ihe cause of the collapse.
Yvan Vallee, dep-.ity minister of public works, acknowledged that the bridge company report was received by his deportment after several oionUu were spent In stlUenlisfi the Joints.
H( said stlflenera were rivalled to the iolnU and tension points after fissures aspired In twn main elrders In February and March. 1950.
Рис. 14. Разрушенный мост Duplessis Bridge и фрагмент статьи о происшествии
в газете The Lethbridge Herald
Местная газета The Lethbridge Herald от 29 августа 1951 г. пишет (рис. 14): «дефектная и низкокачественная сталь обвинена в обрушении моста Дюплесси стоимостью 3 500 000 долларов». Представитель строительной компании заявил газете, что была использована кипящая сталь низкого качества.
Эти претензии были предъявлены к стальным пластинам, при помощи которых за год до аварии было произведено укрепление треснувших балок моста. Скрепляющие поврежденные места пластины были заказаны из кипящей стали ASTM A7, которая по техническому регламенту подходила только для тонкого листа. Толстые пластины (2,5 дюйма) должны были быть изготовлены из спокойной раскисленной стали класса С.
Именно хладноломкость укрепляющих ферму пластин привела к обрушению моста. Анализ разрушенных пластин показал высокие локальные концентрации углерода (до 0,4%С) и серы (до 0,116%S), и обнаружил множество строчечных шлаковых включений. В своей книге «Разрушение и жизнь» [16, c.205-206] Брайан Коттрелл заключает: «Очевидно, что кипящая сталь слишком хрупкая и почти гарантировала, что мост рухнет». Он поясняет: «Расплавленная сталь содержит растворенный кислород и другие газы, которые необходимо контролировать во время затвердевания. В кипящей стали реакция растворенного кислорода с углеродом сопровождается образованием газообразного оксида углерода, что приводит к образованию слитка с газовыми пузырями.... Кипящие стали самые дешевые, но имеют высокую температуру перехода в хрупкое состояние - перевод авт.». Таким образом, напряжения были слишком велики для материала, чувствительного к надрезам: в столь хрупком материале любой незначительный дефект в сочетании с постоянными напряжениями может привести к катастрофическому разрушению при низких температурах.
Ниже кратко описаны примеры разрушений, причинами которых явились те или иные металлургические или структурные факторы при использовании ненадлежащей стали.
Использование стали обыкновенного качества
Танкер World Concord, Ирландский пролив, 27 ноября 1954 г. (рис. 15, а). Однопалубный цельносварной танкер разломился надвое вследствие сильного
удара волны при температуре окружающего воздуха +12 0С. Причина: хрупкое разрушение стали обшивки с недопустимо низкой энергией удара при температуре происшествия [17].
Использование высокоуглеродистой стали
Мост Silver Bridge, 15 декабря 1967, Западная Вирджиния, США (рис. 15, б). Подвесной мост, загруженный транспортным потоком, рухнул в воды реки Огайо при температуре воздуха -3 ос. Авария с человеческими жертвами. Хрупкое разрушение произошло в проушине, соединяющей стальные стержни. Официальная версия: коррозионное растрескивание под напряжением, благодаря которой строительной компании удалось избежать обязательств по выплатам компенсаций пострадавшим, так как данное явление не было известно на момент постройки моста [17]. Версию хладноломкости подкрепляет химический состав стали (0,6%С) и крайне низкие значения энергии удара при 00с.
Использование крупнозернистой стали
Сосуд под давлением Robert Jenkins, ноябрь 1970 г., Ротерхэм, Англия (рис. 15, в). Двухсекционный резервуар, скрепленный болтовыми соединениями, получил трещину 4,3 м во время гидравлического теста +12 ос [17]. Причина: использование стали с крупнозернистой структурой, подверженной ликвационному и водородному растрескиванию, усугубленное упрочнением зоны термического влияния при сварке.
Рис. 15. Разрушения по причине хладноломкости металла:а - танкер World Concord, Ирландский пролив, 1954 г.; б - мост Silver Bridge, США, 1967 г.; в - сосуд под давлением Robert Jenkins, Англия, 1970 г.; г - топливный резервуар Ashland Petroleum, США, 1988 г.
б
а
г
в
Использование кипящей стали
Резервуар сварной, февраль 1970 г., Якутск, СССР. При температуре -57 0С произошло полное разрушение резервуара с дизельным топливом, сопровождавшееся разливом нефтепродуктов. Причина: хрупкое разрушение малоуглеродистой кипящей стали, использованной вместо требуемой для данных условий марганцевой стали 09Г2С, усугубленное плохим качеством сварки [18].
Вертикальный цилиндрический резервуар, декабрь 1970 г., г. Пучеж, Ивановской обл., СССР. Сварной ВЦР с мазутом через несколько суток после ввода в строй частично разрушился при температуре окружающего воздуха 00С. Причина: хрупко-вязкое разрушение кипящей стали ВСтЗкп, использованной вместо спокойной стали ВСт3сп-5 плюс дополнительный комплекс факторов: непровар (дефект сварки) и конструктивный дефект (листы разного размера) [18].
Топливный резервуар Ashland Petroleum Vessel, январь 1988 г., Пенсильвания, США (рис. 15, г). Резервуар сварной постройки 30-х годов частично разрушился при заполнении дизельным топливом с температурой +8 ос при температуре воздуха -3 ос. Авария с разливом топлива имела экологические последствия. Причина: хрупкое разрушение металла под действием гидростатического давления и остаточных напряжений (сварка старой стали). Использованная кипящая/полуспокойная сталь ASTM A10 имела переход к нулевой пластичности при температурах выше +3 ос [17].
Танкер MVKurdistan, 15 марта 1979 г., акватория Новой Шотландии, Канада (рис. 16, а). Танкер, загруженный подогретой нефтью (+60 ос), оказавшись в ледяном поле при температуре воздуха -20 ос, в условиях волнения на море получил трещину при ударе об лед и затонул через 8 часов. Причина: хрупкое разрушение стали класса А (кипящей) с характерным шевронным изломом (рис. 16, б) при наличии концентратора напряжений в виде дефекта сварки (непровара) и усугубленное термическими напряжениями при попадании холодной воды в нефтяные отсеки [19].
Наличие в стали грубых неметаллических включений
Буровая платформа Alexander L Kielland, март 1980 г., Северное море, Норвегия (рис. 17, а). Полупогружная буровая мобильная установка затонула во время сильного шторма (t = +4...+6 ос), имелись человеческие жертвы. Причина: усталостное разрушение опоры в месте сварки ребра жесткости с последующим хрупким разрушением (рис. 17, б). Пластичность металла в поперечном направлении оказалась гораздо ниже, чем в плоскости листа из-за вытянутых сульфидных включений [20].
Рис. 16. Разрушенный танкер «Курдистан», 1979 г. (а) и шевронный излом металла сварного
соединения (б)
а
б
а б
Рис. 17. Разрушение буровой платформы Alexander L Kielland, Северное море, 1980 г. (а) и фрагмент разрушенной опоры в Норвежском музее нефти (б)
Заключение
Как показывает выполненный обзор, катастрофические разрушения чаще всего происходят под действием нескольких факторов, а также при сочетании внешних неблагоприятных воздействий и внутренней «неготовности» конструкции к ним. Приведенные примеры свидетельствуют о том, что нерациональный выбор стали может являться как самостоятельной причиной, вызывающей хрупкое разрушение конструкций, так и усугубляющим фактором при наличии конструктивных нарушений, термических напряжений и дефектов сварки.
Статистический анализ исследованных в данной работе случаев катастрофического разрушения при низких температурах показывает, что изготовление конструкций из сталей, не предназначенных для работы в подобных условиях, явилось причиной отказа в 13 из 16 случаев. Аварии происходят при использовании сталей, как не соответствующих актуальным нормативным документам, так и удовлетворявших устаревшим стандартам для такого рода конструкций. Так, В.М. Горицкий в своей книге «Диагностика металлов» [21] пишет, что в нашей стране «вплоть до 1970-х годов большинство металлоконструкций в металлургической, горнодобывающей, нефтехимической, химической, машиностроительных и других отраслях промышленности изготавливались из низкоуглеродистой кипящей стали».
Сегодня никто из таких сталей не строит ни кораблей, ни мостов, ни резервуаров, прочих ответственных объектов и конструкций. С большой долей уверенности можно утверждать, что крупные катастрофы по причине хладноломкости металлов остались в прошлом. В это внесли свой вклад рассмотренные в данной работе драматичные, а иногда и трагические случаи катастрофического разрушения прошлого века. Расследования этих происшествий на разных исторических отрезках способствовали расширению знаний о материалах, разработке новых современных хладостойких сталей и развитию такого востребованного направления как металловедческая экспертиза.
Материал подготовлен в рамках научных исследований по проекту № FSFM-2020-0011 (2019-1342), экспериментальные исследования проведены с использованием оборудования центра коллективного пользования МАДИ.
Список литературы
1. Мезенин, Н. А. Занимательно о железе / Н. А. Мезенин. - М, Металлургия, 1977. - 152 с.
2. Солнцев, Ю. П. Хладостойкие стали и сплавы: учебник / Ю. П. Солнцев. - 3-е изд. - СПб.: Химиздат, 2020. - 476 с.
3. Швырков, С. А. Пожарный риск при квазимгновенном разрушении нефтяного резервуара: монография / С. А. Швырков. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2015. - 289 с.
4. Zhang, W. Technical Problem Identification for the Failures of the Liberty Ships / W. Zhang // Challenges. - 2016. - Vol. 7. - Art. No. 20.
5. Zappas, K. Constance Tipper Cracks the Case of the Liberty Ships / K. Zappas // JOM. - 2015. - Vol. 67(12). - P. 2774-2776.
6. Приходько, В. М. Металлофизические основы разработки упрочняющих технологий / В. М. Приходько, Л. Г. Петрова, О. В. Чудина. - М. : Машиностроение, 2003 (ППП Тип. Наука). - 380 с.
7. Коленько, Н. В. Влияние структурных факторов на характеристики, определяющие стойкость материалов в условиях отрицательных температур / Н. В. Коленько, Л. Г. Петрова, А. С. Сергеева // Наука и техника в дорожной отрасли : материалы конференции, Москва, 18 марта 2021 года. - М. : МАДИ, 2021. - С. 74-76. - EDN EFJFHX.
8. Kah, P. Influence of alloying elements on the low-temperature properties of steel / P. Kah, P. Layus, J. Martikainen // Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference. - 2015. -Vol. 2015-January. -P. 360-367.
9. Barr, W. Effect of the Manganese/Carbon Ratio on the Brittle Fracture of Mild Steel / W. Barr, A. J. Honeyman // Journal of the Iron and Steel Institute. - 1947. - Vol. 157. - P. 239-242
10. Benac, D. J. Managing Cold Temperature and Brittle Fracture Hazards in Pressure Vessels / D. J.Benac, N. Cherolis, D. Wood // Journal of Failure Analysis and Prevention. - 2016. - Vol. 16(1). - P. 55-66.
11. Shank, M.E. A critical survey of brittle failure in carbon plate steel structures other than ships / M.E. Shank // Welding Research Council Bulletin. - 1954. - No.17.
12. Espion, B. The Vierendeel bridges over the Albert Canal, Belgium - their significance in the story of brittle failures / B. Espion // Steel Construction. - 2012. - Vol. 5(4). - P. 238-243.
13. Busch, H. Investigation of failure in a welded bridge / H. Busch, W. Reuleke // Welding Journal. - 1946. - Vol. 25(8). - P. 463-465.
14. Купреишвили, С. М. Разрушения в процессе эксплуатации вертикальных цилиндрических резервуаров со стационарной крышей / С. М. Купреишвили // Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2005. - № 7. - С. 8-14.
15. Шабалин, В. И. Некоторые случаи разрушения сварных резервуаров при низких температурах / В. И. Шабалин // Автогенное дело. - 1948. - №6. - С. 29-80.
16. Cotterell, B. Fractures and Life / B. Cotterell. - London : Imperial College Press, 2010. - 500 p.
17. Hayes, B. Catastrophic Failures of Steel Structures in Industry: Case Histories / B. Hayes, R. Phaal // TWI Industrial Member Report 632/1998. - Ltd., Cambridge, England, 1998. - 50 p.
18. Кондрашова, О. Г. Причинно-следственный анализ аварий вертикальных стальных резервуаров / О. Г. Кондрашова, М. Н. Назарова // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. - 2004. - № 2. - С. 19. - EDN TWVUMF.
19. Garwood, S. J. Investigation of the MV Kurdistan Casualty / S. J. Garwood // Engineering Failure Analysis. - 1997. - Vol. 4(1). - P. 3-24.
20. Investigation of the Alexander L Kielland failure - metallurgical and fracture analysis / A. Almar-Naess, P. J. Haagensen, B. Lian, T. Moan, T. Simonsen // Journal of Energy Resources Technology, Transactions of the ASME. - 1982. - Vol. 106. - P. 24-31.
21. Горицкий В. М. Диагностика металлов / В. М. Горицкий. - М.: Металлургиздат, 2004. -402 с.
References
1. Mezenin N.A. Zanimatelno o zheleze (Interesting about iron), Moscow, Metallurgia, 1977, 152 p.
2. Solntsev Yu.P. HIadostojkie stali i splavy (Cold-resistant steels and alloys), St. Petersburg, Himizdat, 2020, 476 p.
3. Shvyrkov S.A. Pozharnyj risk pri kvazimgnovennom razrushenii neftyanogo rezervuara (Fire risk in the quasi-instantaneous destruction of an oil tank), Moscow, Akademiya GPS MCHS Rossii, 2015, 289 p.
4. Zhang W. Technical Problem Identification for the Failures of the Liberty Ships, Challenges, 2016, vol. 7, art. no. 20.
5. Zappas K. Constance Tipper Cracks the Case of the Liberty Ships, JOM, 2015, vol. 67(12), pp. 2774-2776.
6. Prikhodko V.M., Petrova L.G., Chudina O.V. Metallofizicheskie osnovy razrabotki uprochnyay-ushchih tekhnologij (Metallophysical bases of development of hardening technologies), Moscow, Mashinostroenie, 2003, 380 p.
7. Kolenko, N. V., Petrova, L. G., Sergeeva A. S. Influence of structural factors on the characteristics that determine the durability of materials at negative temperatures / Science and Technology in the road sector: Conference Proceedings, Moscow, March 18, 2021. - Moscow: Moscow Automobile and Road State Technical University (MADI), 2021. - p. 74-76.
8. Kah P., Layus P., Martikainen J. Influence of alloying elements on the low-temperature properties of steel, Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference, 2015, vol. 2015-January, pp. 360-367.
9. Barr W., Honeyman A. J. Effect of the Manganese/Carbon Ratio on the Brittle Fracture of Mild Steel, Journal of the Iron and Steel Institute, 1947, vol. 157, pp. 239-242
10. Benac D. J., Cherolis N., Wood D. Managing Cold Temperature and Brittle Fracture Hazards in Pressure Vessels, Journal of Failure Analysis and Prevention, 2016, vol. 16(1), pp. 55-66.
11. Shank M.E. A critical survey of brittle failure in carbon plate steel structures other than ships, Welding Research Council Bulletin, 1954, no.17.
12. Espion B. The Vierendeel bridges over the Albert Canal, Belgium - their significance in the story of brittle failures, Steel Construction, 2012, vol. 5(4), pp. 238-243.
13. Busch H., Reuleke W. Investigation of failure in a welded bridge, Welding Journal, 1946, 25(8), pp.463-465.
14. Kupreishvili S.M. Montazhnye ispecial'nye raboty v stroitel'stve, 2005, no. 7, pp. 8-14.
15. Shabalin V.I. Avtogennoe delo, 1948, no. 6, pp. 29-80.
16. Cotterell B. Fractures and Life, London, Imperial College Press, 2010, 500 p.
17. Hayes B., Phaal R. Catastrophic Failures of Steel Structures in Industry: Case Histories, TWI Industrial Member Report 632/1998, Ltd., Cambridge, England, 1998, 50 p.
18. Kondrashova O.G., Nazarova M.N. Elektronnyj nauchnyj zhurnal Neftegazovoe delo, 2004, no. 2, p.
19. Garwood S. J. Investigation of the MV Kurdistan Casualty, Engineering Failure Analysis, 1997, vol. 4(1), pp. 3-24.
20. Almar-Naess A., Haagensen P. J., Lian B., Moan T., Simonsen T. Investigation of the Alexander L Kielland failure - metallurgical and fracture analysis, Journal of Energy Resources Technology, Transactions of the ASME, 1982, vol. 106, pp. 24-31.
21. Goritsky V.M. Diagnostika metallov (Diagnostics of metals), Moscow, Metallurgizdat, 2004, 402 p.
Рецензент: И.С. Белашова, д-р техн. наук, проф. МАДИ
Статья поступила 27.06.2022
