книги / Техническая диагностика остаточного ресурса и безопасности

Рис. 1.11. Этапы развития исследований по прочности и безопасности

Выражение (1.86) получило и получает приложения при создании автомо­ билей, сельскохозяйственной техники, энергетического и технологического обо­ рудования, объектов строительных конструкций широкого применения (см. рис. 1.11). Существенное значение для расчетов прочности имело включение с 1930 г. выражения (1.86) в нормы Котлонадзора (Госгортехнадзора, Ростехнад­ зора), в строительные нормы и правила, в Нормы расчета атомных реакторов. Выражение (1.86) было использовано при расчетах по выбору основных разме­ ров несущих конструкций с использованием категорий эксплуатационных на­

пряжений a j и допускаемых напряжений [о].

В военные и первые послевоенные годы были поставлены исследования по усталости и долговечности. К основным параметрам эксплуатационной нагру-

женности машин были отнесены эксплуатационные напряжения с э и число

циклов нагружения Nэ . В дополнение к выражениям (1.47), (1.57), (1.58), (1.86) были сформулированы условия исходной циклической прочности:

где а ’ , GJ, - амплитуды и среднее напряжение цикла, а_| - предел выносливо­

сти конструкционного материала; Ка, еа, ц/а - характеристики чувствительности материала к концентрации напряжений, абсолютным размерам и асимметрии цикла соответственно.

По выражениям (1.86) и (1.87) рассчитывались прочность и долговечность несущих узлов в авиации, на транспорте, в гидроэнергетике. Для анализа мест­ ных напряжений были развиты методы фотоупругости и тензометрии. Для обо­ рудования СТС выражение (1.87) было применено при расчетах общемашино­ строительных деталей, узлов, компонентов - насосов, двигателей, приводов, планеров, вагонов, локомотивов, автомобилей.

В анализ исходной прочности дополнительно к (1.47), (1.86) были введены характеристики низкотемпературного локального сопротивления отрыву SOT:

где Ка - коэффициент концентрации напряжений с учетом перераспределения напряжений за счет местных пластических деформаций. Для упрощения расче­ тов предлагалось использовать вместо Sm величину истинных разрушающих на­ пряжений в шейке по данным статических испытаний гладких образцов в точ­ ке К (см. рис. 1.3).

Важное значение при этом имело изучение локальных структурных физико­ механических процессов формирования микродеформаций и микроповреждений в материале с использованием методов рентгенографии и микроскопии.

Для интенсивно развивавшихся в 60-80-е гг. отраслей авиационного, энер­ гетического и нефтехимического машиностроения проведены систематические исследования по малоцикловой усталости.

Возникновение в зонах действия концентрации и температурных напряже­ ний областей неупругого циклического деформирования потребовало перехода

от расчетов в номинальных локальных напряжениях а э по (1.57), (1.58), (1.87) к расчетам в локальных деформациях еэ:

малобазных сеток и малобазной тензометрии. Соотношение типа (1.89) стало одним из основных при оценках циклической прочности СТС.

Применительно к новым задачам проектирования компонентов СТС (кор­ пуса реакторов, насосы, сосуды давления, трубопроводы), ракетно-космической техники, сверхзвуковой авиации, теплоэнергетики, нефтехимии, металлургии были поставлены исследования по ползучести, высокотемпературной (до 350...600 °С) кратковременной, длительной и циклической прочности, в том числе при программных и двухчастотных режимах нагружения. К выражениям (1.64), (1.65), (1.88), (1.89) при расчетах элементов конструкций и компонентов установок были добавлены выражения для исходной длительной (по времени

эксплуатации Tj) прочности су*п

где /7Хзапас по времени т; т? - характеристика кривой длительной прочности. Измерения локальных напряжений и деформаций выполнялись высокотем­

пературными методами тензометрии, сеток и муара на технических объектах в нашей стране и за рубежом.

Развитие и обобщение большого цикла работ по прочности и долговечности в 60-70-е гг. привело к формированию одного из важных разделов проектирова­ ния, изготовления и эксплуатации машин и конструкций - обеспечению их на­ дежности и ресурса. Это в первую очередь относилось к статистическим иссле­ дованиям циклической, длительной, динамической прочности применительно к изделиям авиационного и общего машиностроения, работающим при перемен­ ных режимах термоциклического нагружения. В развитие выражений (1.86), (1.87) и (1.89) в расчет статической, циклической и длительной прочности по кривым o-N или а-т вводятся коэффициенты вариации эксплуатационной нагруженности vCT, пределов выносливости а также конструкторскотехнологических факторов (Ка, е0, ц/а). Эти подходы были в дальнейшем рас­ пространены и на кратковременную прочность, малоцикловую и многоцикло­ вую усталость и трещиностойкость. Применительно к авиационным и энергети­ ческим конструкциям эта идеология свелась к обоснованному выбору гаранти­ рованных механических свойств конструкционных материалов, заданию расчет­ ных нагрузок (давлений) и температур.

44Глава 1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТИ

Вконце 60 - начале 70-х гг. большое внимание было уделено развитию ли­ нейной и нелинейной механики статического, циклического и динамического разрушения. При этом расчеты трещиностойкости машин и конструкций стали

базироваться на местных напряжениях о’ и деформациях еэ, на учете размеров дефектов /э, коэффициентов интенсивности напряжений К] и деформаций К]е, температурных условий нагружения /э:

где пк, пКе - запасы по коэффициентам интенсивности напряжений и деформа­ ций.

Соотношение (1.91) получило нормативное применение в расчетах исход­ ной прочности ракетно-космической техники, сосудов давления и трубопрово­ дов специального назначения.

На базе ранее выполненных комплексных исследований с учетом новых за­ дач в области атомной и термоядерной энергетики, авиационной техники, раке­ тостроения получили развитие методы анализа исходной прочности и ресурса в характеристиках трещиностойкости и живучести машин и конструкций с учетом повреждений технологического и эксплуатационного происхождения. В послед­ нем случае речь пошла и об остаточной прочности и ресурсе.

К соотношениям (1.86) - (1.91) были добавлены соотношения для оценки исходного и остаточного ресурса с учетом длительного и циклического развития трещин в несущих конструкциях:

где К - индекс критических характеристик; nN, пх, п, - запасы по числу циклов, времени и температурам, определяемые по выражениям п. 1.1.

Расчетные характеристики NKи тк для оценки ресурса и живучести опреде­ ляются путем интегрирования кинетических диаграмм разрушения:

(1.93)

где АК]е - размах коэффициентов интенсивности деформаций.

Для анализа процессов повреждения и развития трещин были использованы методы тензотермометрии, импульсной голографии, термовидения, сеток, муа­ ра, тензочувствительных покрытий, рентгенографии, микроструктурного анали­ за, виброметрии.

46 Глава 1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТИ

вершинных проблем безопасности должно обязательно опираться на решение проблем: живучести -» надежности -» ресурса —>жесткости -» устойчивости -> прочности - с прохождением через традиционные этапы их взаимодействия: I -» VIII. Фундаментальные результаты определения и обеспечения прочности (этап I) были получены в течение длительного времени к началу XX в., а замк­ нутый анализ жесткости и устойчивости (этап II) завершился к концу 20-х гг. XX в. Прошлый век стал веком формирования теории и практики обеспечения ресурса -» надежности ->• живучести (этапы III, IV, V). На рубеже XX и XXI вв. была поставлена фундаментальная проблема анализа и обеспечения безопасно­ сти (этап VI) для всех потенциально опасных объектов гражданского и оборон­ ного назначения с переходом на управление защищенностью (VIII этап) от ка­ тастроф по критериям рисков. На этих этапах требование безопасности было сформулировано как определяющее, что потребовало развития нового направ­ ления - VII —»I - как основного для будущего развития техносферы.

Каждому из этапов I -» VIII соответствовал свой практический результат в исследованиях, проектировании, создании и эксплуатации объектов техносфе­ ры: неразрушаемость —» сохранение размеров и формы —> долговечность —» от­ казоустойчивость —» трещиностойкость —» приемлемые риски —>защищенность от отказов, аварий и катастроф. По такому пути (традиционное направление) шло развитие самой техносферы и методов обеспечения работоспособности всех основных ее объектов.

В фундаментальных и прикладных исследованиях последних трех десяти­ летий поставлена новая задача - определение и обеспечение комплексной безо­ пасности объектов техносферы по критериям прочности, ресурса, безопасности с использованием приемлемых и управляемых рисков. При такой постановке задачи только безопасность с заданными уровнями рисков дает основание к принятию (или непринятию) решений о допустимости реализации новых проек­ тов или допустимости эксплуатации действующих объектов техносферы.

Целью развития исследований по определению прочности, ресурса и живу­ чести, как показано в пп. 1.1 и 1.2, является создание единых основ теории ката­ строф и рисков в техногенной сфере, новых принципов, технологий и техниче­ ских комплексов, образующих системы штатной и оперативной диагностики и мониторинга нормальных, аварийных и катастрофических ситуаций с наиболее тяжелыми последствиями.

Решение поставленной задачи включает в себя создание обобщенных мате­ матических и физических моделей сложных технологических, рабочих и ава­ рийных процессов в технических системах для анализа условий перехода от штатных состояний к условиям возникновения и развития аварий и катастроф. Такие модели характеризуются многоуровневой структурой, затрагивающей глобальные, локальные и объектовые аспекты безопасности.

Эти разработки имеют фундаментальный междисциплинарный характер и лежат в основе нормирования безопасности и рисков. Принципиально важное значение при этом имеет то обстоятельство, что инициирование аварий и ката­

строф в сложных и ответственных элементах технических систем часто связыва­ ется с исключительной сложностью конструкторско-технологических решений, с присутствием в опасных зонах дефектов, сварки и наплавок.

Фундаментальные и основополагающие разработки по теории катастроф и безопасности, по научным основам техники и технологий, по развитию методов экспериментальной механики и диагнгностики машин и конструкций предна­ значены для использования при анализе возникновения и развития аварийных ситуаций.

Теория, техника и технологии предупреждения и предотвращения аварий и катастроф наряду с моделированием включают в себя анализ новых предельных состояний при наиболее сложных сценариях развития аварийных ситуаций с учетом первичных и вторичных факторов повреждений в основном металле, ме­ талле швов и наплавок, развитие методов и создание систем оперативной диаг­ ностики аварийных ситуаций и поврежденных состояний технических систем в случае возникновения техногенных и природных аварий и катастроф, имеющих глобальный, национальный, региональный, местный и объектовый характер. При этом решающее значение для предотвращения аварий и катастроф начинают иметь комплексные системы диагностирования штатных и аварийных ситуаций.

Если учесть все возрастающие в последние 20-30 лет потери от крупных аварий и катастроф, то можно увидеть, что фактически в отечественной и меж­ дународной практике пока отсутствуют как общепринятые методы анализа, рас­ четов и моделирования аварий и катастроф, так и нормативная количественная база для обеспечения живучести и безопасности при комбинированных воздей­ ствиях поражающих факторов. Это обстоятельство можно объяснить тем, что в целом усложнение создаваемых технических объектов и условий их работы шло существенно быстрее, чем исследование и нормирование их работоспособности и безопасности. При этом государственные, межведомственные и ведомствен­ ные экспертизы крупнейших аварий и катастроф зачастую обнаруживали несо­ ответствие их тяжести, причин, условий и характеристик реально существую­ щей нормативной основе проектирования, изготовления и эксплуатации слож­ ных и потенциально опасных технических систем.

Формирование направлений развития диагностики и нормирования, опре­ деляющего работоспособность и безопасность технических систем, шло по ли­ нии уточнения и усложнения применяемых методов и критериев механики де­ формирования и разрушения (см. рис. 1.12). При этом сами аварии и катастрофы служили исходной информационной базой для такого развития нормативных материалов.

Вцелом прямое отношение к традиционному решению проблемы обеспе­ чения безопасности имели три группы подходов (рис. 1.12):

-с позиций прочности (в ее многокритериальном выражении);

-с позиций ресурса (во временной и поцикловой постановке);

-с позиций надежности (в многофакторном вероятностном представлении).

Вбольшинстве случаев тяжелые аварии и катастрофы сопровождались раз­ рушениями несущих элементов потенциально опасных объектов (независимо от

причин и источников такого разрушения). Это привело к тому, что наиболее сложившейся на протяжении десятилетий и столетий стала практика первооче­ редного обоснования прочности создаваемых объектов (рис. 1.12). Традицион­ ные методы обоснования прочности базировались на комплексе характеристик и критериев разрушения (ат, а в, а_ь аДЛ1) и выражениях (1.47), (1.86), (1.87), (1.88). На основе параметров прочности и разрушения были сформированы представ­ ления о запасах прочности (па, nN, ит), вошедшие в справочную, учебную и нор­ мативную литературу. К настоящему времени сложилась целая система крите­ риев и запасов прочности, гарантирующая неразрушение объектов при соблю­ дении заданных условий эксплуатации. Однако в этих традиционных структурах и нормативных материалах часто не содержались прямые данные, количествен­ но определяющие риск и безопасность СТС. В последние десятилетия этот про­ бел был восполнен, и в сферу традиционного анализа работоспособности объек­ тов вошли теория и критерии ресурса и надежности по выражениям (1.74) - (1.78), (1.89)-(1.90).

Более ориентированными на количественное решение проблемы безопасности сложных объектов, создающих тяжелые аварии и катастрофы, являются новые мето­ ды и критерии следующих групп: риск (в вероятностно-экономической постановке); живучесть (способность и устойчивость функционирования) при возникновении по­ вреждений на различных стадиях развития аварий и катастроф; безопасность (с учетом критериев риска и характеристик аварий и катастроф).

Вместе с тем объем нормирования и расчета этих характеристик безопасно­ сти в реальной инженерной практике даже в последнее время остается чрезвы­ чайно малым - менее 0,1 %. Это особенно относится к уникальным машинам и конструкциям. Таким образом, задача сводится к перспективному изменению направления развития нормирования (рис. 1.12) - от основополагающего анали­ за безопасности, живучести и риска к традиционному определению надежности, ресурса и прочности.

Таким образом, создание методов и систем аварийной диагностики и мони­ торинга тяжелых аварий и катастроф (глобальные, национальные, региональ­ ные) должно выстраиваться применительно к следующей приоритетности ана­ лиза аварийных и катастрофических ситуаций в техногенной сфере по степени и возможности их реализуемости:

-гипотетические - могут возникать при непредсказанных заранее вариан­ тах и сценариях развития с максимально возможными ущербами и жертвами; защищенность от них низкая, прямому восстановлению объекты не подлежат; возможности аварийной диагностики и мониторинга сводятся к определению предвестников этих ситуаций и срабатыванию систем аварийного оповещения;

-запроектные - возникающие при необратимых повреждениях ответствен­ ных элементов с ущербами высокой степени и человеческими жертвами; сте­ пень защищенности от них недостаточная, в последующем необходимо прове­ дение восстановительных работ; возможности аварийной диагностики и мони­ торинга недостаточны; в этих случаях должно предусматриваться включение систем автоматизированной защиты;

Рис. 1.13. Взаимовлияние различных типов процессов на условия

возникновения и развития аварийных ситуаций

-проектные - возникающие при выходе за пределы штатных режимов с предсказуемыми и приемлемыми последствиями; защищенность от них доста­ точная; в этих случаях должны комбинированно взаимодействовать штатные и аварийные системы диагностики, мониторинга и защиты;

-режимные - возникающие при отклонениях от штатных (нормальных) режимов эксплуатации, защищенность от них считается относительно обеспе­ ченной, но подлежит анализу и повышению; последствия от них подлежат парированию системами автоматического управления безопасностью;

-штатные (нормальные) - возникающие при штатном функционировании потенциально опасных объектов; последствия от них предсказуемые, защищен­ ность высокая; преимущественное значение при этом имеют штатные системы диагностики и мониторинга.

Количественное описание сценариев и последствий аварий и катастроф на потенциально опасных объектах можно осуществлять на базе фундаментальных закономерностей физики, химии и механики катастроф. При этом стадии воз­ никновения и развития аварийных ситуаций могут характеризоваться различ­ ным сочетанием физических, химических и механических поражающих и по­

вреждающих факторов.

Физические, химические и механические процессы, имеющие место при штатных и аварийных ситуациях, определяют краткосрочные, среднесрочные и долгосрочные последствия (рис. 1.13). Физические и химические основы анали­ за условий возникновения и развития аварийных ситуации определяются как

самими рабочими процессами в технических системах, так и внешними по от­ ношению к ним воздействиями.

В соответствии с рис. 1.12 нелинейную механику деформирования и разру­ шения и механику катастроф как фундаментальную научную дисциплину следу­ ет рассматривать в качестве научной основы:

- анализа источников возникновения и сценариев развития аварийных и ка­ тастрофических ситуаций в сложных технических системах с повышенной по­ тенциальной опасностью;

-проектирования сложных технических машин по традиционным и новым критериям живучести и безопасности;

-принятия решений о допустимости реализации проектов, возможной экс­

плуатации и продлении ресурса безопасной эксплуатации.

Механика катастроф позволяет в количественно обоснованной форме на­ значить показатели безопасности с использованием расчетно-эксперименталь­ ного обоснования прочности, ресурса, надежности и живучести для всех стадий жизненного цикла потенциально опасных объектов (сложных технических сис­ тем).

Механика катастроф в прямом сочетании с физикой и химией катастроф создают единую систему научных подходов к обоснованию безопасности во всех типах аварийных и катастрофических ситуаций - проектных, запроектных

игипотетических.

Спозиций механики катастроф можно анализировать:

-допустимые и недопустимые эксплуатационные повреждения несущих конструкций;

-образование течей радиационное взрыво-, пожаро-, химически опасных веществ из потенциально опасных объектов и систем;

-механические разрушения несущих элементов;

-потерю устойчивости и обрушения элементов и систем;

-осколочные повреждения;

-потерю работоспособности технических систем по параметрам недопус­ тимых вибрационных состояний;

-потерю работоспособности технических систем по триботехническим па­ раметрам;

-потерю работоспособности систем «человек-машина-среда» по эргоно­ мическим параметрам.

На основе изложенного механика катастроф включает в рассмотрение сле­ дующие аварийные ситуации: разрушения, падения, обрушения, столкновения, взрывы, пожары, непрерывные и залповые выбросы радиационно-опасных и от­ равляющих веществ.

Механика катастроф базируется на следующих традиционных и новых ме­ тодах: сопротивления материалов; теории упругости; теории пластичности; тео­ рии ползучести; теории усталости; строительной механики; теории пластин и оболочек; теорий прочности; конструкционного материаловедения; физики прочности; динамики машин; вычислительной механики сплошных и дискрет­