ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Выбор расчетных характеристик и методов анализа состояНазначение запасов по исходной прочности и остаточной долговечности из "Ресурс безопасной эксплуатации сосудов и трубопроводов" Эти задачи могут рассматриваться как независимые и как связанные общими принципами и подходами безопасности техногенной сферы (см. гл. 1 и 2). Ниже основное внимание уделено рассмотрению первой задачи с необходимыми отсылками ко второй задаче. [c.146] Тяжелые аварии и катастрофы, характеризуемые высокими рисками К, определяются высокими значениями, Д., даже при низких значениях Р (для магистральных трубопроводов менее 10 2 на 1000 км в год). Источниками их возникновения могут явиться экстремально возрастающие значения О, повышенная цикличность М, длительный период эксплуатации, низкие или высокие эксплуатационные температуры t, пониженные характеристики 5. [c.146] После возникновения проектных аварийных ситуаций объекты могут быть восстановлены и их эксплуатация — продолжена. При анализе рисков запроектных аварийных ситуаций Т4 заранее не удается в полном объеме предусмотреть источники, причины и сценарии возникновения и развития повреждений. Возможности парирования этих ситуаций сокраш,аются. В этих случаях требуются длительная остановка эксплуатации объектов, проведение сложных восстановительных и реабилитационных работ. Гипотетические катастрофические ситуации Т5 могут иметь место на объектах с высоким уровнем потенциальных опасностей. Ситуации Т5 возникают при самых маловероятных и труднопредсказуемых сочетаниях конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, в том числе и при несанкционированных или террористических воздействиях. Устранение последствий ситуаций Т5 наиболее сложно полностью прекращается эксплуатация таких объектов, они демонтируются и проводятся значительные реабилитационные мероприятия. [c.147] С научной и инженерно-технической точки зрения анализ рисков тяжелых аварий сводится к комплексному рассмотрению ситуаций Т4-Т5 и определению соответствующих им параметров Q, Ы, t, X, 5, входящих в функционалы Р для Р и Л по уравнениям (5.1). [c.147] Значения KQ могут рассчитываться и задаваться с учетом набора указанных выше воздействий. [c.147] Функционал (5.3) можно записать по-разному в виде уравнений состояния, кривых усталости и длительной прочности, кривых разрущения (связи нагрузок и длин трещин). [c.148] В связи с анализом аварийных и катастрофических ситуаций Т4-Т5 по табл. 3.5 используются основные теории и уравнения механики деформируемых твердых тел сопротивление материалов, теория упругости, теория пластичности, теория усталости, теория длительной прочности, механика разрушения. Если при анализе Т1-Т2 достаточными бывают линейные уравнения в указанных выше теориях с последующим их усложнением, то при анализе ситуаций Т4-Т5 необходимо применять нелинейные зависимости для уравнения (5.3) с возможностью их линеаризации. [c.148] Для анализа рисков тяжелых катастроф по (5.1)-(5.3) в общем случае следует использовать характеристики различных видов предельных состояний, детально рассматриваемые в последующих разделах. [c.148] В реальных условиях эксплуатации переход в аварийные и катастрофические состояния может осуществляться по сложным механизмам повреждений и разрушений, когда реализуются одновременно несколько видов таких предельных состояний. [c.148] С учетом сказанного, при проектировании, изготовлении, эксплуатации и диагностировании высокорисковых объектов наиболее важно выявить возможность реализации указанных выше условий. Это обстоятельство должно быть отражено в декларациях по их безопасности и в аттестатах работоспособности. [c.149] Наряду с непрерывной тенденцией в высокорисковых сложных технических системах к понижению запасов прочности и повышению эксплуатационной нагруженности (см. гл. 1-4), с обеспечением сопротивления элементов конструкций упругим деформациям в штатных ситуациях важное значение приобретают анализ и обоснование сопротивления неупругим (упругопластическим и реологическим) деформациям в аварийных ситуациях. Допустимость возможности возникновения неупругих деформаций в конструкциях и необходимость их надлежащего учета в расчетах прочности, ресурса и безопасности вытекают из требований минимальной массы конструкций и оптимальных технологических возможностей при изготовлении крупногабаритных несущих элементов. Так как при эксплуатации высокорисковых конструкций обычно имеет место циклическое нестационарное тепловое и механическое нагружение, то для наиболее нагруженных зон этих конструкций становятся характерными процессы накопления повреждений в условиях циклических упругопластических деформаций. При таких условиях деформирования образование предельных состояний по возникновению трещин или окончательному разрушению оказывается возможным при числах циклов нагружения, измеряемых десятками, сотнями и тысячами. В этом случае расчет накопления повреждений и несущей способности конструкций основывается на деформационных критериях сопротивления однократному и малоцикловому разрушению. [c.149] ЭТОМ имеют разработка математических основ и экспериментальные исследования в области линейной и нелинейной механики разрушения, а также распространение механики однократного разрушения на анализ процессов циклического разрушения при упругих и неупругих деформациях. Необходимость совместного рассмотрения вопросов накопления повреждений на базе деформационных критериев при циклическом нагружении и хрупких состояниях основывается на тех наблюдениях за разрушениями конструкций в эксплуатации, когда предварительное циклическое повреждение на определенной стадии приводило к хрупкому разрушению, вызывая наиболее тяжелые аварии на объектах. В публикациях отечественных и иностранных авторов, а также в трудах ряда совещаний, симпозиумов и конгрессов [117, 211, 215] нашли отражение результаты экспериментальных и теоретических исследований закономерностей накопления повреждений в условиях циклического упруго пластического деформирования и критериев разрушения, а также расчетной и опытной проверки прочности и ресурса несущих элементов конструкций при штатных и аварийных режимах нагружения. Развитие работ в этом направлении позволило в нашей стране и за рубежом сформулировать нормативные требования к расчетам прочности по критериям накопления повреждений. [c.150] Изучение процессов циклического разрушения оказалось наиболее эффективным с позиций нелинейной механики разрушения. В ряде случаев полученные закономерности роста трещин использовались для оценки повреждений и прочности несущих элементов высокорисковых объектов, имеющих начальные дефекты. [c.150] Вместе с тем анализ эксплуатационных повреждений и обоснование прочности высоконагруженных деталей мащин и элементов конструкций при штатных и аварийных ситуациях в хрупких состояниях остается трудно решаемой в теоретическом и экспериментальном плане задачей. Это в значительной степени связано со сложностью анализа напряженного состояния и критериев разрущения в элементах конструкций при возникновении упругопластических деформаций. Трудности, возникающие при исследовании напряжений и деформаций в наиболее нагруженных зонах (места концентрации напряжений и совместного действия напряжений от тепловых и механических нагрузок) в неупругой области, объясняются отсутствием аналитического решения соответствующих краевых задач в теории пластичности и тем более в теории циклической пластичности, за исключением осесимметричного нагру гсения пластин или дисков (с отверстием). Для других случаев концентрации напряжений используются в основном приближенные способы, основанные на применении соответствующих кинематических гипотез или на методе упругих решений. Развитие средств вычислительной техники и методов конечных разностей и конечных элементов способствует значительному расширению возможностей при исследовании упругопластических напряженных состояний в зонах концентрации. Эти средства используются не только в исследовательских, но и в инженерных целях. Однако решение большого числа уравнений для деталей сложных конструктивных форм в случае статического и особенно циклического нагружения требует значительного машинного времени и соответствующей подготовки исходной информации. Кроме того, получаемые при этом результаты имеют значение, как правило, для рассмотренных конструкций, материала и уровня нагрузок. [c.151] Для ответственных конструкций, подвергаемых соответствующему дефектоскопическому контролю, расчеты прочности имеют целью исютючить возможность образования и развития макротрещин. Вместе с тем в ряде аварийных и катастрофических ситуаций возникает необходимость расчета живучести конструкций на стадии развития трещин. С учетом того, что начальные трещины циклического нагружения возникают в зонах повышенных местных упругих и упругопластических деформаций, такой расчет должен основываться на предварительном исследовании закономерностей развития трещин в заведомо нелинейной постановке. Несмотря на значительные достижения механики разрушения, в настоящее время практически отсутствуют точные решения задач нелинейной механики циклического разрушения для случая, когда размеры зон циклических пластических деформаций превышают размеры трещин. [c.152] Оценка сопротивления конструкций хрупкому разрущению, базирующаяся на основе силовых и энергетических критериев линейной механики разрушения (критические значения коэффициентов интенсивности напряжений и поверхностной энергии), с введением поправок на размеры зон пластичности, как известно, оказалась возможной для конструкций, изготавливаемых из материалов повыщенной прочности и низкой пластичности. Однако при указанных выше подходах критических характеристик разрушения, экспериментально определенных на лабораторных образцах, оказывается недостаточно в силу их существенной зависимости от абсолютных размеров сечений, температур, скоростей и способов нагружения. В связи с этим расчет накапливаемых эксплуатационных повреждений при наличии исходных трещин должен проводиться с привлечением дополнительных критериев, к числу которых в первую очередь следует отнести критические значения коэффициентов интенсивности деформаций, температур хрупкости, характеризующих переход от одного вида разрущения к другому (от вязкого с образованием мак-ропластических деформаций к квазихрупкому и хрупкому, сопровождающемуся местными пластическими деформациями в вершине трещин). [c.152] Как отмечено в гл. 4 [82, 117, 210, 234, 245], конструкционные стали в процессе малоциклового деформирования могут по-разному проявлять кинетику своих деформационных или силовых характеристик. Если диаграмму циклического деформирования материала для различных чисел полуциклов нагружения к схематически представить в координатах размах напряжений S — размах упрутопластиче-ских деформаций s (рис. 4.5, а), то можно отметить, что для случая мягкого режима нагружения при постоянной величине напряжений ст = onst с увеличением числа полуциклов к имеет место либо увеличение размаха (амплитуды) циклической деформации (соответствующие кривые расположены ниже кривой деформирования для начального полуцикла f = 1), что обусловливается циклическим разупрочнением материала, либо размах (амплитуда) циклической деформации с ростом к уменьшается и соответствующие кривые на рис. 4.5 располагаются выше кривой для начального полуцикла к = 1, что связано с проявлением циклического упрочнения материала. При неизменности параметров диаграммы деформирования с ростом числа полуциклов нагружения соответствующий материал проявляет свойства циклической стабильности. [c.154] Для случая жесткого режима нагружения при постоянной величине размаха = onst (амплитуды е ) циклической деформации циклическое разупрочнение материала проявляется в уменьшении размаха 5 (амплитуды) циклических напряжений, а циклическое упрочнение — в возрастании этого параметра с увеличением числа полуциклов нагружения. [c.154] И величина усталостной составляющей повреждения df при малоцикловом нагружении, определяемая, согласно уравнению (5.6), этими характеристиками, является функционально зависящей как от типа материала (циклически разупрочняющийся, упрочняющийся или стабильный), так и от условий нагружения (мягкое — S = onst или жесткое — = onst). Кинетика квазистатической составляющей повреждения d , согласно уравнению (5.6), также определяется конкретным типом материала и условиями его нагружения. [c.155] Кроме рассмотренных выше механизмов влияния кинетики деформационных характеристик на величину квазистатической составляющей повреждения d , последняя оказывается зависящей также от предельной пластичности стали v / , изменяющейся, в свою очередь, в зависимости от значения температуры t. При этом в определенных условиях может иметь место проявление процессов динамического деформационного старения (например, для стали 22К в диапазоне температуры 250 280 °С). [c.155] Вернуться к основной статье