Катастрофических разрушений

Допустимые отказы связаны с процессами старения, которые приводят к постепенному ухудшению выходных параметров изделия. Сюда же следует отнести внезапные отказы, которые вызваны неблагоприятным сочетанием факторов, если последние находятся в пределах, указанных в ТУ на эксплуатацию. Иногда конструктор сознательно допускает некоторую (как правило, небольшую) вероятность возникновения отказа, чтобы облегчить и удешевить конструкцию. Это, конечно, допустимо лишь в тех случаях, когда отказ не вызовет катастрофических последствий. Например, даже в самолетных конструкциях допускается развитие усталостных трещин в некоторых элементах и панелях крыльев.

Для выявления наиболее опасных категорий отказов в ряде случаев применяются специальные методы анализа и учета возникающих отказов. Особенно важно оценивать параметрические отказы, так как здесь возможен широкий диапазон последствий — от незначительного влияния отказа на работоспособность изделия до катастрофических последствий.

Назначение численных величин допустимых Р (t) и соответ-ствующих Тр связано с оценкой как экономических факторов, так и возможных катастрофических последствий отказа системы.

мого материала, и поэтому они не могут сделать необходимые капиталовложения, которые обеспечили бы достижение высокой производительности, а следовательно, и более низких материальных затрат при разработке композиционных материалов. Время, требуемое для разработки и изготовления новых конструкционных материалов, часто бывает недостаточным, что представляет определенную трудность при внедрении новых материалов, требующих длительных квалифицированных испытаний. Чаще всего дорогу применению новых материалов и процессов прокладывают военные программы. Для того чтобы новые материалы были рекомендованы для внедрения в производство, надо доказать их экономическую эффективность. В связи с тем, что самолет подвергается воздействию знакопеременных и статических нагрузок, коррозионному и другим воздействиям, заказчики предпочитают иметь дело с недорогостоящими и уже испытанными материалами. Существует определенное желание избежать рискованных ситуаций во что бы то ни стало, главным образом из-за нежелательной, но неизбежной огласки инженерных неудач, даже если эти инженерные просчеты не имеют катастрофических последствий.

При электрическом или ядерном нагреве (кипящие водяные реакторы) независимой переменной служит тепловой поток. Практически это имеет место и в радиационных поверхностях нагрева обычных парогенераторов. Тогда при тепловой нагрузке, превышающей нагрузку в точке В, произойдет резкий скачок Д / по пунктирной прямой в точку D, связанный с переходом к устойчивому пленочному кипению. Температура теплоотдающей поверхности возрастает настолько, что может наступить и часто наступает расплавление или разрыв металла. Впрочем, бывают случаи, когда катастрофических последствий наступление пленочного кипения не имеет. Не говоря о возможности применения достаточно тугоплавких металлов, следует учитывать, что температурный скачок на поверхности нагрева не очень велик при давлениях, близких к критическому (в термодинамическом смысле), а также при кипении криогенных жидкостей, спиртов и некоторых других веществ.

Это требование осложняет работу прямоточных котлов, для которых желательно применить индивидуальное питание (см. выше гл. X). В связи с тем, что пережог трубок прямоточных котлов не вызывает катастрофических последствий и автоматика котла сра-

К ошибкам другого типа относятся ошибки, не вызывающие катастрофических последствий; подобные ошибки могут вызвать отказ только при напряженных рабочих условиях. Сюда можно отнести, например, слабое паяное или сварочное соединение или применение не полностью соответствующего требованиям материала, что при некоторых условиях может вызвать выход характеристик за пределы допусков. Необходимо предотвратить такие ошибки, которые остаются незамеченными в процессе контроля, но могут оказывать в некоторых ситуациях заметное влияние на работу системы. Этим объясняется повышенный интерес к вопросам повышения квалификации и эффективности системы контроля.

Для исключения катастрофических последствий при критическом развитии трещиноватой зоны, а также для существенного замедления ее развития в докритический период может оказаться перспективным выполнение ложного фланцевого соединения (рис. 4.3), охватывающего эту зону, и создающего в этой зоне сжимающие напряжения при всех режимах эксплуатации. Шпильки этого соединения рассчитывают из условия обеспечения безопасности конструкции при возникновении в ней кольцевой трещины. Для двухкорпусных цилиндров это решение позволяет выполнить основную часть наружного корпуса, имеющую максимальную рабочую температуру менее 450 °С из менее дефицитной стали 20ХМЛ, чем литой стали ХМФЛ. Небольшой по объему и массе паровпускной участок корпуса может быть выполнен из более дорогой стали и приварен к основной части корпуса. Такой подход может оказаться целесообразным при реализации намеченной, обширной программы по замене корпусов, а также при изготовлении новых турбин.

Оценка поведения штуцеров при высоких температурах в условиях малоциклового нагружения в цилиндрических сосудах диаметром 250 мм из хромомолибденовой стали сделана бельгийскими исследователями. В созданной ими установке в качестве рабочей среды использован инертный газ. Для предотвращения катастрофических последствий разрушения печь, в которую помещается сосуд, обкладывается мешками с легком. Имеются лишь первоначальные результаты испытаний на этой установке, по которым сделать вывод о поведении штуцеров еще нельзя.

Методы и средства, предназначенные для остановки нестабильно растущей трещины до аварийного разрушения, широко применяют при создании конструкций повышенной живучести, в частности, силовых элементов летательных аппаратов. Конструкция обладает повышенной живучестью, если частичное или полное разрушение какого-либо из силовых элементов не имеет катастрофических последствий для конструкции в целом. Для этой цели используют либо специальные конструктивные решения, либо целенаправленно подбирают или изменяют свойства материала. В обоих случаях необходимы данные о трещиностой-кости конструкции на стадии торможения и в момент остановки нестабильной трещины.

а функцию риска — как вероятность катастрофических последствий при достижениях предельных состояний элементов:

Рис. 1.127. ^Комбинированное уп- ний обоих видов. Резиновая диафрагма расположена в корпусе уплотнения между верхним мас-лосъемным кольцом и уплотняющим колпачком. Диафрагма обеспечивает эффективную герметизацию без необходимости искусственного поддержания высокого давления под диафрагмой, поскольку полости с обеих сторон диафрагмы соединены, так что рабочее тело под давлением воздействует на обе поверхности диафрагмы. Разрыв диафрагмы не будет иметь катастрофических последствий, поскольку комбинированное уплотнение в этом случае будет действовать как скользящая уплотняющая система. Комбинированное уплотнение показано на рис. 1.127. Более подробная информация об уплотнениях содержится в работах [74, 81].

В шестидесятых годах имело место несколько катастрофических разрушений магистральных газопроводов. Характерная особенность этих разрушений - распространение трещины по пилообразной траектории (см. фотографию на рис.46.1). В настоящее время хорошо известно, что для предотвращения хрупкого разрушения температура эксплуатации трубопровода должна превышать температуру перехода стали из "вязкого состояния в хрупкое, которая определяется методом DWTT. Однако механизм, вызывающий нестабильность направления распространения трещины, не получил до сих пор удовлетворительного теоретического объяснения. В этой статье рассматривается стационарное распространение хрупкой трещины по спиральной траектории. Предполагается, что трубопровод заключен в абсолютно жесткую и гладкую оболочку, которая трактуется как сильно упрощенная модель засыпки подземного трубопровода. Доказано, что существование спирального режима распространения стационарной трещины в системе "трубопровод+жесткая обойма" возможно только при отрицательных значениях продольного напряжения.

Отсутствие катастрофических разрушений танталовых конденсаторов под действием излучения указывает на то, что их можно использовать в неответственных схемах при интегральных потоках около 1,6-1016 нейтрон/см2 (>2,9 Мэв) и интегральной дозе •у-облучения 5,1-Ю10 эрг/г. При визуальном исследовании облученных танталовых конденсаторов нарушений не замечено.

больших размеров, которые только могли быть получены и обработаны, так как это позволило делать только один продольный шов и упростило проблемы, связанные с перекрытием сварных швов патрубков в цилиндрической части барабана-сепаратора. В типичной конструкции продольные швы расположены таким образом, что круговых швов можно избежать. В Великобритании большинство барабанов-сепараторов изготовлено из нормализованной и отпущенной стали Ducol W30 с продольными швами, полученными электрошлаковой сваркой, а швы по периметру — дуговой сваркой под слоем флюса или ручной дуговой сваркой плавящимся электродом, причем основной шов делается по наружному диаметру, а корневой — по внутреннему. Но если разрушение маловероятно и им можно пренебречь, как например для барабана-сепаратора реактора SGHWR, то предпочтительней использовать закаленную и отпущенную сталь ASTM 5336, имеющую низкую температуру хрупкого перехода, и закаленные кольцевые секции после наложения продольного шва. В этом случае ручная дуговая сварка плавящимся электродом может быть использована повсеместно, а внутренняя арматура устанавливается на таком удалении от патрубков, чтобы не препятствовать контролю швов. Процесс сварки патрубка был описан в гл. 7. Для вваривания многочисленных патрубков можно использовать швы со сквозным проплавлением металла, однако в большинстве барабанов-сепараторов основного металла листа слишком мало, в этом случае применяют кольцевые прокладки, которые позднее удаляют механическим способом. Опыт эксплуатации экспериментальных барабанов-сепараторов из стали Ducol W30 в Великобритании положительный, катастрофических разрушений не было. Дефекты, связанные с недостаточно полным проплавлением при сварке патрубка, были причиной многочисленных замен, однако нет оснований считать, что это может привести к разрушению в процессе эксплуатации. Правда, были случаи разрушения в процессе изготовления и последующего испытания.

Таким образом, по расчетным оценкам (сделанным в соответствии с механикой разрушения) можно судить о том, что корпуса ЦВД и ЦСД турбин мощностью 100—300 МВт не могут разрушиться катастрофически. Критическая глубина трещин /кр для этих корпусов в несколько раз превышает толщину Я стенки (4р/^ > 2). До возникновения критической ситуации в таких деталях образуется сквозная трещина, в результате чего происходит течь среды. Этот вывод не распространяется на зоны присоединения сваркой всех патрубков к корпусу. Имея уникальный по продолжительности (до 2-Ю5 ч) и числу испытывавшихся однотипных деталей (более тысячи) промышленный эксперимент над корпусами, отнесенными к первой группе, а также учитывая большой опыт эксплуатации, показавший практическое отсутствие опасности катастрофических разрушений литых корпусов турбин этой же группы, можно сделать следующий вывод. Вновь вводимые в эксплуатацию энергоблоки, а также блоки, отработавшие менее 50 тыс. ч, а также корпуса цилиндров и клапанов, отнесенные к первой группе, можно эксплуатировать до 105 ч («т » 2) без проведения работ по выборке трещин и заварке выборок.

Потенциальная опасность катастрофических разрушений и связанных с этим материальных и экологических последствий предопределяет настоятельную необходимость совершенствования методов расчета, проектирования и изготовления конструкций с позиций исключения их разрушения в процессе эксплуатации. Актуальность такой задачи особенно остро ощущается применительно к сварным изделиям, поскольку нельзя игнорировать практическую неизбежность присутствия в них различного рода несплошностей (дефектов) как технологического, так и эксплуатационного характера.

Непрекращающиеся случаи катастрофических разрушений сварных конструкций свидетельствует о несовершенстве учета наличия трещино-подобных дефектов технологического и экслуатационного происхождения. Достигнутый уровень науки о прочности таков, что позволяет разработать процедуру определения предельных размеров дефектов и концентраторов, исходя из эксплуатационных требований или оценить остаточную работоспособность конструктивного элемента, в котором

Потенциальная опасность риска катастрофических разрушений и связанных с этим материальных и экологических последствий предопределяет настоятельную необходимость такого совершенствования расчета, чтобы неразрушимость основных узлов сварных конструкций обеспечивалась еще на стадии проектирования.

Фундаментальная концепция безопасности оборудования АЭС была разработана в ФРГ в 70-х — начале 80-х годов [56, 57]. Цель концепции — исключение катастрофических разрушений на АЭС. Концепция представляет собой совокупность принципов, рекомендаций и условий, охватывающих этапы проектирования, изготовления и эксплуатации, выполнение которых должно минимизировать или полностью исключить возможность разрушений с катастрофическими последствиями.

Принцип невозможности катастрофических разрушений

ды, статистический разброс и отклонения нагрузок. Долговечность в эксплуатационных условиях обычно меньше, чем при испытаниях; иногда отличие очень большое — в 2—4 раза. Однако в последние годы удалось добиться существенного сближения результатов натурных, моделирующих полетные условия испытаний с результатами, полученными в процессе эксплуатации. Модельные испытания натурных конструкций обычно продолжаются длительное время, так что в случае усталостных разрушений в процессе испытания будет достаточно времени для усовершенствования конструкции и внедрения необходимых модификаций с целью предотвращения катастрофических разрушений при эксплуатации.

— выработка мер и рекомендаций по исключению катастрофических разрушений и снижению возможного ущерба от опасных разрушений.