CC BY
31и.М. розенштейн, НПП «Форт»
особенности хрупкого разрушения стальных сварных резервуаров
Предлагается модель напряженного состояния, реализующегося в стенке вертикального стального резервуара (РВС), предшествующего возникновению в нем хрупкого разрушения. Модель объясняет, почему внешнее напряжение не оказывает существенного влияния на опасность возникновения хрупкого разрушения и невозможен расчет хрупкой прочности и надежности РВС в терминах напряжения.
Проблема хрупкого разрушения вертикальных стальных резервуаров (РВС), изготовленных из низкоуглеродистых и низколегированных марок стали, не теряет актуальности. И хотя хрупкое разрушение РВС - относительно редкое событие, оно случается. Учитывается «коварство» хрупкого разрушения: оно возникает в РВС, изготовленном из стали, отвечающей требованиям проекта сооружения и ГОСТ на ее поставку, при статическом нагружении, более того - при постоя-ной нагрузке в разы меньше Qт , ничто не предвещает его приближения; экологический и экономический ущерб от него бывает огромен. Эти факторы поддерживают интерес к хрупкому разрушению примерно лет 130 - с появления дешевой хрупкой бессемеровской стали, обогащенной кислородом и азотом при продувке в конвекторе воздухом. Интерес к проблеме хрупкого разрушения обострился с началом массового применения сварки для изготовления строительных конструкций. Одновременно выросло количество хрупких разрушений, что было связано с проектированием конструкций без учета особенностей, вносимых сваркой. Низкоуглеродистые и низколегированные стали, применяемые для изготовления РВС, обладают склонностью к хрупкому разрушению, синонимом которого является хладноломкость. Им присуще явление вязко-хрупкого перехода, определяемого переходной температурой 1°к, дискретно разделяющей по кристаллографическому характеру температурные области вязкого и хрупкого разрушения. Термин «ква-зихрупкое» разрушение, встречающийся иногда в литературе, - это литературный образ: его в природе не существует.
Поскольку кристаллографический характер разрушения является характерным свойством кристалла, низкоуглеродистую сталь, находящуюся в различных температурных областях, по обе стороны 1°к , при оценке прочности можно рассматривать как различные материалы.
Хрупкое разрушение, в отличие от вязкого, в лабораторных образцах со сваркой или без нее происходит в две стадии: 1 - возникновение хрупкой трещины и 2 - ее нестабильное распространение.
Возникновение хрупкой трещины (1 стадия) - стабильный процесс, сопровождаемый макропластической деформацией (утяжкой) и вязким подрастанием трещины, предшествующим ее превращению в хрупкую. Переход процесса разрушения во вторую стадию происходит дискретно, хрупкая трещина мгновенно начинает распространяться нестабильно со скоростью примерно 1000 м/с.При этом на три порядка падает расход энергии, поглощаемой разрушением.
Запаса упругой энергии, накопленной в областях, непосредственно прилегающих к траектории хрупкой трещины, досточно для поддержания ее нестабильного распространения. Примерно на восемь-десять порядков возрастает скорость деформации. Поскольку низкоуглеродистая сталь чувствительна к скорости деформирования, ее статическая 1°к возрастает на несколько десятков градусов Цельсия (примерно на 4°С при увеличении скорости деформирования на один порядок), превышая гарантированную сертификатом величину 1:°к для конкретной марки стали, принятую при проектировании сварной конструкции. Это необходимое условие для нестабиль-
ного распространения хрупкой трещины, которое объясняет, почему нестабильной может быть только кристаллографически хрупкая трещина. Она распространяется, пока ее высокая скорость (и скорость деформации) поддерживает величину 1°к выше температуры окружающей среды. Появление на пути хрупкой трещины области, у которой величина 1°к ниже температуры окружающей среды, приводит к ее остановке, «увязанию», вызванному хрупко-вязким переходом, природа которого тождествена, реализующейся и при сериальных испытаниях стандартных образцов на ударный изгиб в интервале температур, и любых других стандартных и нестандартных методиках, в которых определяют 1°кШ. Это значит, что природа хрупкого-вязкого и вязко-хрупкого перехода одинакова или что не существует двух переходных температур: 1 - возникновения и 2 - остановки хрупкой трещины. В природе есть только одна переходная температура 1°к вязко-хрупкого или, она же, хрупко-вязкого перехода. Никогда, ни при разрушении РВС, ни при испытании лабораторных образцов, не наблюдали остановки хрупкой трещины из-за израсходования запаса упругой энергии: всегда остановка вызывается хрупко-вязким переходом. Это утверждение основано на том, что в месте остановки хрупкой трещины всегда наблюдается пластическая утяжка, свидетельствующая о том, что произошел хрупко-вязкий переход. Остановка хрупкой трещины - это хрупковязкий переход, т.е. температурное явление, не зависящее от величины внешнего усилия 121. Поэтому в терминах внешнего напряжения, Q, или К1С описать остановку хрупкой трещины принципиально
Термоусаживающиеся Изоляционные Материалы
г. Москна, Старокалужское шоссе, д. 62, корп. 4 тел/факс: + 7 (495) 974 70 08, 974 70 09 http://www.tial.ru є-таіі: і піо(й) tial.ru
л? тиал
невозможно, как и невозможно описать физическое явление вязко-хрупкого перехода механическими параметрами. В зависимости от длины хрупкой трещины, от сохранения устойчивости ее берегами и несущей способности оставшегося сечения стенки РВС возможен один из двух сценариев: разрушение РВС прекращается при остановке хрупкой трещины, или происходит вязкий «дорыв». При хрупком разрушении РВС наблюдались оба варианта: при первом не происходит катастрофических событий, и после ремонта резервуар возвращается в строй. Второй вариант приводит к его катастрофическому разрушению, большим экологическим и экономическим потерям.
Можно представить следующий механизм хрупкого разрушения сварного стального резервуара, чисто литературно (для расчета хрупкой прочности использовать нельзя). В сварном соединении у дефекта -концентратора напряжения в микроскопической области, в поле внутренних растягивающих напряжений величиной 0т , охрупченной тепловым влиянием сварки так, что величина 1°к в ней равна или выше температуры окружающей среды, возникает микроскопический дефект, вызванный раскалыванием кристаллитов по плоскостям спайности, длина которого достаточна для его мгновенного превращения в нестабильную хрупкую трещину. Об условиях возникновения дефекта и превращении его в нестабильную хрупкую трещину, о количественном его описании ничего не известно. Величина 0, суммирующегося с внутренним растягивающим напряжением величиной 0т , вероятно,
оказывает несущественное влияние на возникновение хрупкого разрушения, являясь «добавкой» к 0т. Более того, известны хрупкие разрушения элементов стальных сварных конструкция и без приложения внешней нагрузки: неоднократно наблюдались хрупкие трещины в фасонках ферм, не строго вертикально установленных на складе. Литературное выражение «возникновение микроскопического дефекта» очень напоминает термин «сопротивление отрыву», R0 оно же «напряжение микроскола», Rнс. Принципиальная разница заключается в том, что «сопротивлению отрыва» или «напряжению микроскола», Rнс, приписывают достоверность, зависимость от величины внешнего напряжения и внушается надежда на лучшие времена, когда его можно будеть измерить и, видимо, использовать для расчета «хрупкой прочности». Расследования хрупких разрушений РВС показали, что 0 в момент возникновения хрупкой трещины - случайная величина и его влияние несущественно. Вообще удивительно, как при расчете хрупкой прочности сварных строительных конструкций, т.е. хладноломкости, обходятся без упоминания температуры. Хрупкие разрушения РВС наблюдали при внешней нагрузке 0=(0,1-0,8) 0т , чаще при меньших значения 0, что подчеркивает случайный характер ее величины или, по крайней мере, слабую зависимость опасности хрупкого разрушения от внешнего
0. Еще Н.С. Стрелецкий отмечал по поводу аварий стальных сварных конструкций, «...что аварии в большинстве случаев, за исключением ошибок в расчете или
определении нагрузок, имеют место при небольших силовых воздействиях» I3I. Металлографический и кристаллографический анализ поверхности хрупкой трещины в месте ее возникновения подтверждает, что следы макропластиче-ской деформации в нем отсутствуют: ни утяжки, ни вязкого подрастания трещины. Тождественный характер распределения пластической деформации в месте зарождения хрупкой трещины в лабораторном образце и в месте ее остановки - подтверждение единственности ^к. Вдоль всей поверхности трещины, вызвавшей полное разрушение стенки резервуара, всегда наблюдается равномерная микро-пластическая деформация. В соответствии с классической схемой А.В. Степанова зарождению микротрещин предшествует микропластическая деформация как следствие дислокационных реакций. Действительно, запас энергии в области возникновения ХР всегда имеется, и протекание дислокационных реакций принципиально возможно. Однако нет никаких видимых оснований полагать, что зарождению микротрещины предшествовала микропластическая деформация, связанная с «дислокационными реакциями». Это просто еще одна литературная версия процесса возникновения хрупкого разрушения, не оставляющая надежды на создание расчета хрупкой прочности. Хотя, разумеется, не исключено, что, как шутили немецкие ученые, без «черта хрупкого разрушения» там не обошлось. Однозначно можно заключить, что появление хрупкой трещины в сварной конструкции происходит в одну стадию:
сразу реализуется стадия, выше названная второй, первая стадия выпадает. Возникновение хрупкой трещины, вероятно, становится возможным, если в некоторой микроскопической области, находящейся в сварном соединении около дефекта - концентратора напряжения в зоне внутреннего растягивающего напряжения, возникло случайное сочетание нескольких факторов, увеличивающих склонность стали к хрупкому разрушению, повышающих исходную (сертификатную) величину ^к выше температуры окружающей среды. На условия возникновения хрупкой трещины в некоторой микроскопической области величина Q в соседних областях расчетного сечения, иногда в разы меньше 0т , разумеется, не может оказать существенного влияния. Величина Q, далекая от предельных значений, усредненная на все расчетное сечение, не оказывает влияния (или существенного влияния) на процесс хрупкого разрушения и не содержит никакой полезной информации об опасности ХР. Стадия возникновенеия хрупкого разрушения представляет собою своеобразный энергетический барьер, подобный сифону. Каким-то образом в реальной сварной
конструкции этот барьер «обходится», «выпадает», и механизм этого события в количественных параметрах не известен III. Две стадии хрупкого разрушения стального образца можно представить происходящими в двух разных материалах: возникновение хрупкой трещины, точнее, процесс, предшествующий возникновению хрупкой трещины в вязком материале, распространение хрупкой трещины - в хрупком. При создании расчетов хрупкой прочности «по умолчанию» принимается, что хрупкое разрушение происходит в одну стадию, т.е. возникновение хрупкой трещины. Объектом разнообразных микроскопических моделей, предлагаемых для расчетов хрупкой прочности, автоматически становится стадия возникновения хрупкой трещины, которая при хрупком разрушении сварной конструкции не существует.
Со второй стадией, с механизмом нестабильного распространения хрупкой трещины, все понятнее. Эта стадия представляет собой дискретный процесс многократного возникновения и остановки хрупкой трещины III. Очевидно, она контролируется величиной коэффициента интенсивности напряжения Кк. Однако на
стадии нестабильного распространения хрупкой трещины он не является константой материала, как при его классическом определении на стадии возникновения трещины. На стадии распространения его значение зависит от величины напряжения в области, в которой распространяется трещина.При большем напряжении поглощается больше упругой энергии на образование поверхности трещины, о чем свидетельствует ее характерный вид - шевронный узор, по виду которого (по «грубости») довольно точно можно определить величину напряжения, действовавшего при распространении нестабильной трещины. Чем выше напряжение, тем грубее шеврон, тем больше величина пластической деформации, сопровождающей распространение хрупкой трещины. Более высокое напряжение, вероятно, компенсируется увеличением автономной области разрушения у вершины распространяющейся трещины. Закономерности хрупкого разрушения изучались при расследовании аварий РВС и на лабораторных экспериментах с крупногабаритными образцами - пластинами, на которых моделировали возникновение, распространение и остановку хрупкой
на правах рекламы
трещины. РВС - удобный объект для исследования хрупкого разрушения, поскольку их эксплуатируют в условиях статики, невозможна перегрузка, исключены случайные нагрузки, достоверно известно напряжение, при котором возникла, распространилась и остановилась хрупкая трещина, четко разграничены области ее возникновения и нестабильного распространения, трещины имеют значительную длину, известна схема напряженного состояния. Закономерности, полученные при анализе хрупкого разрушения РВС, можно распространить и на анализ хрупкого
разрушения стальных сварных конструкций других типов. Характерные особенности хрупких разрушений сварных конструкций и лабораторных образцов представлены в таблице.
ГЛАВНЫЙ вывод из АНАЛИЗА ТАБЛИЦЫ
Хрупкое разрушение лабораторного образца - достоверное событие. Хрупкое разрушене сварной стальной конструкции - случайное событие. В данном случае имеет место два различных процесса, хотя и приводят они к одинаковому результату - образованию хрупкой трещины. Можно заключить, что хрупкое разрушение лабораторных образцов не моделирует особенности возникновения хрупкого разрушения РВС (сварных стальных конструкций), т.е. хладноломкость конструкций и стали , из которой они сварены, не одно и то же.
Для оценки опасности хрупкого разрушения сварной конструкции параметр 0, отнесенный ко всему расчетному сечению, не имеет смысла, а следовательно, и не имеет перспектив создание расчета на хрупкую прочность в традиционном понимании.
Много времени и сил потрачено на попытки создания расчета хрупкой прочности ССК за последние 60 лет. Систематически изучать эту проблему стали в связи с участившимися случаями раскалывания пополамкор-пусов сварных танкеров в ХХ веке.
Параллельно развивали и сопряженный с расчетом хрупкой прочности расчет надежности стальных сварных конструкций. Как ни удивительно, но эти дисциплины развивались на параллельных курсах, ни разу не соприкоснувшись.
Расчет хрупкой прочности и заодно надежности сварных конструкций, по определению, должен быть построен в терминах напряжения. Но выше показано, что величина внешнего напряжения не контролирует процесс возникновения хрупкого разрушения в сварной конструкции. Случайность процесса возникновения хрупкого разрушения, очевидно, связана еще и с тем, что на него накладывается кристаллографическое явление вязко-хрупкого перехода, т.е. возникновение хрупкого разрушения - это прежде всего вязко-хрупкий
ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ
1 2
Стальные сварные конструкции Стальные лабораторные образцы
1. Хрупкое разрушение происходит в сварном соединении при постоянной нагрузке. 1. Хрупкое разрушение возникает при возрастающей нагрузке в вершине искусственного концентратора напряжения
2. Хрупкое разрушение происходит в одну стадию: нестабильное распространение хрупкой трещины. 2. Хрупкое разрушение происходит в две стадии: возникновение хрупкой трещины и ее нестабильное распространение.
3. Хрупкое разрушение возникает при напряжении от внешнего усилия ниже 0т: наблюдались разрушения при напряжении порядка 0,10. 3. Хрупкое разрушение возникает при напряжении не менее 0т и может распространяться при напряжении порядка 0,1 0т.
4. Хрупкое разрушение возникает при климатической температуре, иногда близкой к е=0°С. 4. Хрупкое разрушение возникает только при глубоком охлаждении до ^ ниже климатической.
5. Возникновению хрупкой трещины никогда не предшествует стабильное подрастание вязкой трещины и «утяжка». 5. Возникновению хрупкой трещины обычно предшествует стабильное подрастание вязкой трещины и «утяжка».
6. Хрупкая трещина возникает в сварной соединении, в месте ее возникновения всегда обнаруживается дефект сварного соединения. 6. Хрупкая трещина возникает в вершине искусственного концентратора напряжения в основном металле или в сварном соединении, т.е. в определенном месте.
7. Возникновение хрупкой трещины при номинальном напряжении ниже 0т и климатической температуре - исключительное случайное событие. 7. Возникновение хрупкой трещины при напряжении не менее 0т в лабораторном глубоко охлажденном образце с искусственным концентратором напряжения - достоверное событие.
переход, контролируемый температурой. Можно полагать, что вязко-хрупкий переход делает недостоверным и определение значений Кк или КС. И никакое дальнейшее усовершенствование модели процесса разрушения (с учетом или без учета взаимодействия берегов трещины; с учетом пластической деформации и упрочнения в момент превращения стабильной трещины в нестабильную или без него) не поможет создать расчет хрупкой прочности. Это сродни средневековому богословскому диспуту о том, сколько чертей может уместиться на острие иглы. Хладностойкость стали качественно (только) можно оценить любым стандартизованным или нестандартизованным методом: ударные испытания образцов Менаже или Шарпи, стандартизованные 100 лет назад, ничуть не уступают по информативности никаким другим более сложным и дорогим методикам. По величине критической переходной температуры марки стали можно расставить в качественный ряд по хладностойкости, и чем ниже 1° тем, изготовленная из нее сварная конструкция будет надежнее против хрупкого разрушения, т.е. допускает более грубые дефекты, но никаких коли-
чественных гарантий, ничего конкретного. Требования к температуре, приводимые в стандартах в «круглых цифрах» - 20°, 40°С - при определении ударной вязкости «выдают» их условность. Выполнение требований к величине ударной вязкости при заданной температуре является подтверждением того, что фактическая 1°к стального проката не выше заданной температуры , определенной по данной методике. Никакой конкретной связи 1°к с расчетной температурой района, где находится конструкция, установить невозможно. Нормативные, как бы количественные, требования к надежности против хрупкого разрушения, встречающиеся в НТД - результат многолетнего инженерного опыта со значительной долей интуиции.
Не все на свете можно представить в виде расчетной схемы, а то уже появились расчеты стоимости человеческой жизни в связи с надежностью конструкций. Что же взамен расчета «хрупкой прочности» и надежности сварной стальной конструкции, как избежать хрупких разрушений сварных стальных конструкций и упреков в нигилизме. Ведь у проектировщиков может разрушиться уверен-
ность, что если они спроектировали РВС в строгом соответствии с нормативной документацией и также сварили и проконтролировали качество работы, то его надежность в отношении хрупкого разрушения гарантирована. Предложение довольно тривиальное: максимально возможно соблюдать стандарты и не нарушать технологическую дисциплину ( чему мешают всяческие соблазны) на всех этапах создания : от проектирования и металлургического производства до сварки и контроля качества. Пожалуй, эта рекомендация сродни декларации о пользе здорового образа жизни.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Предложена схема хрупкого разрушения стальной сварной конструкции (РВС), объясняющая, почему внешнее напряжение 0 не оказывает существенного влияния на опасность его появления.
2. Показано, что расчет склонности к хрупкому разрушению и надежности сварной стальной конструкции не может быть построен в терминах напряжения.
3. Сравнительная, не количественная, оценка надежности ССК может выполняться в терминах температуры.
