image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 3 2017

Сварка

01.03.2017 10:00 Особенности хрупкого разрушения вертикальных стальных сварных резервуаров
Хрупкое разрушение (ХР) резервуаров вертикальных стальных (РВС) сварных происходит при внешнем напряжении ниже предела текучести за счет упругой энергии, главным образом остаточных напряжений, при климатической температуре в сварных монтажных соединениях. Это случайный, не повторимый в лаборатории процесс. Его реализации способствуют охрупченные участки сварного шва нижних поясов стенки. Исходного дефекта, который можно классифицировать как трещину, в точке возникновения ХР не обнаруживают. В одном из нижних поясов происходит кристаллографически хрупкое разрушение кристалла(-ов), которое превращается в нестабильную трещину. Возникновению ХР не предшествуют ни утяжка, ни подрастание, без которых уравнение Гриффитса не описывает условия превращения стабильной трещины в нестабильную, т. е. теряет смысл. Это случайный процесс. ХР сварного лабораторного образца происходит только при напряжении, превышающем предел текучести, и температуре значительно ниже климатической. Это достоверный процесс, реализуемый за счет потенциальной энергии испытательной машины. Превращению искусственного надреза в нестабильную трещину в лабораторном образце предшествуют утяжка и подрастание его вершины, при напряжении, превышающем т. ХР лабораторного образца не моделирует ХР РВС, это достоверный процесс.
Ключевые слова: хрупкость стали, механика разрушения, переходная температура, нестабильная трещина, сварной резервуар.
Ссылка для цитирования: Розенштейн И.М. Особенности хрупкого разрушения вертикальных стальных сварных резервуаров // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 3. С. 90–96.
Открыть PDF


Интерес к проблеме хрупкого разрушения стальных конструкций обострился в 1870-х гг. Это было связано с применением стали, получаемой в бессемеровском конверторе продувкой жидкого чугуна воздухом. Сталь насыщалась азотом, что приводило к повышению ее хладноломкости (росту переходной температуры хрупкости t°k).
Эта проблема была разрешена в конце 1940-х гг. путем перехода на продувку конверторов чистым кислородом.

Проблема хладноломкости бессемеровской стали подстегнула совершенствование ударных испытаний. В 1905 г. они были стандартизованы (редчайший по тем временам случай), причем сразу в такой форме, что уже более 100 лет не удается их улучшить, несмотря на периодические попытки «усовершенствования» и многочисленные научные публикации. Повторяются редкие эксперименты в этой области и сейчас: энтузиазм ограничивает лишь дороговизна образцов.

В конце 1940-х – начале 1950-х гг. в СССР был острый дефицит стали, не хватало емкостей для хранения нефтепродуктов. Для сварных РВС попробовали применить сталь марки Ст3кп. Тут же было зафиксировано несколько случаев ХР РВС. Тогда для предупреждения ХР нашли экономное и точное решение: вместо увеличения толщины стенки, как традиционно поступают и теперь, для снижения напряжения в стенке и повышения, как кажется, надежности, разработали ЧМТУ 5232-55 на резервуарную сталь толщиной до 12 мм (в то время в большей толщине не было нужды), применив дополнительное раскисление стали алюминием в ковше, что снизило гарантированную t°k с –20 до –40 °С. Прочностные характеристики стали остались неизменными. За этим решением стоял не расчет, а опыт и инженерная интуиция. Температурный подход к проблеме ХР РВС оказался эффективным, хотя в этом смысле и не был отмечен.

Резко усилился интерес к проблеме ХР в середине 1940-х гг. в связи с авариями сварных танкеров. Одной из причин аварий было то, что при переходе от клепаных конструкций к сварным не были учтены опасности, создаваемые сваркой.

Для борьбы с ХР была применена подоспевшая к тому времени и сразу ставшая модной новая дисциплина – «механика разрушения», основанная на силовом подходе к ХР. О температурном подходе, о том, что ХР и хладноломкость – синонимы, начисто забыли.

Проблема ХР сварных конструкций рассматривается на примере РВС, сваренных из малоуглеродистой и низколегированной стали. Необходимо сразу условиться о том, какое событие подразумевается под термином ХР, поскольку единого мнения на этот счет еще нет.

Чтобы говорить о ХР, достаточно установить наличие одного из следующих четырех условий (остальные становятся избыточными):

1) разрушение при внешнем напряжении  ниже т;

2) образование кристаллографически хрупкого излома по плоскостям;

3) отсутствие пластических деформаций («подрастания» и «утяжки»), ХР происходит только за счет упругой энергии, накапливаемой в стенке РВС, в том числе остаточных сварочных напряжений;

4) нестабильное распространение ХР.

Стенка РВС – чрезвычайно удобная конструкция для исследования ХР сварных конструкций. В отсутствие ветра в стенке РВС наблюдается одноосное напряженное состояние, отсутствует динамика, перегрузки невозможны, величина внешнего усилия  всегда точно известна и не может превышать 0,7 σт в первом поясе и 0,8 σт – в остальных (это предусмотрено при проектировании). Для споров о том, что ХР РВС происходит при  σ< σт, нет причин. Поэтому пластических деформаций в стенке РВС не бывает, как и вязкого разрушения, – просто не хватит запаса упругой энергии, накапливаемого в стенке, точнее, в той ее части, которая может быть использована на ХР. Для распространения хрупкой трещины упругой энергии остаточных сварочных напряжений и напряжений, накапливаемых в стенке при заполнении РВС жидкостью, хватит с запасом. Известны случаи разветвления ХР, когда две трещины распространялись одновременно параллельно друг другу, причем расстояние между ними не превышало нескольких сантиметров.

Image_020.jpg

Не имеет инженерного смысла противопоставлять хрупкое и квазихрупкое разрушение. Видимо, стерильно хрупкого разрушения без микропластичности в реальных стальных конструкциях вообще не бывает: как минимум теряют четкость линии Дебая на поверхности хрупкого излома, что обнаруживается при рентгеноструктурном анализе, а это уже признак микропластичности, которой не избежать. Внедрение в механику разрушения термина «квазихрупкость» едва ли можно толковать как научное достижение.

Если произошло ХР РВС, то оно обязательно нестабильно, сопровождается сколом по плоскостям, иначе не бывает, и никакого инженерного значения не имеет отклонение квазихрупкого разрушения от стерильно хрупкого разрушения, т. е. фактическое значение поверхностной энергии излома, хотя именно на ней построена механика разрушения. Только с помощью рентгеноструктурного анализа задним числом можно узнать, было ли разрушение хрупким или квазихрупким.

С инженерной точки зрения характер разрушения однозначно определяется макроскопическим видом излома.
ХР возникает в точке в сварном соединении и, пройдя в нем 3–5 см, переходит на основной металл и распространяется параллельно сварному шву. Вероятно, на основной металл хрупкую трещину «отбивают» остаточные напряжения, что подтверждает их существенную роль в ХР.

Кристаллографически вязкое разрушение распространяется по плоскостям среза за счет запаса потенциальной энергии накопленной жидкостью, закачанной в РВС, и реализуется только на конечной стадии разрушения. Расход энергии в случае вязкого разрушения на несколько порядков больше, чем при ХР. Такого параметра, как скорость вязкого разрушения, в природе, видимо, не существует, она зависит от скорости деформирования. Вероятно, вязкое разрушение не сочетается, не взаимодействует с упругой волной, распространяющейся со скоростью 5000 м/с, и с хрупкой трещиной, распространяющейся со скоростью около 1000 м/с.

При распространении ХР отраженная волна разгрузки, учитывая размеры РВС и скорость ХР, не успевает вернуться к вершине нестабильной хрупкой трещины и изменить поле упругих напряжений перед ее вершиной. Трещина фактически распространяется в поле одинакового упругого напряжения, ее вершина как бы автономна, что подтверждает и одинаковый характер излома по всей длине ХР.

При анализе робертсоновских испытаний малоуглеродистой и низколегированной стали установлено, что визуально «грубость» шевронного излома находится в прямой зависимости от величины напряжения, при котором испытывается образец: чем выше напряжение, тем грубее излом. То же самое относится и к поверхности хрупкой трещины РВС.

В стенке РВС ХР чаще начинается в более толстых нижних листах, обладающих более высокой t°k и получающих большее число проходов при сварке. Определенную роль в повышении склонности к ХР более толстых листов играет «геометрический фактор» ХР, хотя по результатам стандартных ударных испытаний они могут не уступать более тонким листам.

Имеется в виду, что склонность к ХР листов различной толщины (10 мм и более) контролируют по результатам испытаний стандартных ударных образцов одинакового сечения. Они могут значительно отличаться по толщине и хладноломкости (в лучшую сторону) от листов реальной (большей) толщины, из которых сварена конструкция.

При распространении в стенке хрупкой трещины ее края теряют устойчивость, раскрываются, и из разрыва вырывается поток жидкости, хранившейся в РВС. Кристаллографически хрупкое разрушение, переходя с нижних поясов на более тонкие верхние, с более низкой t°k, может смениться вязким и продолжиться за счет потенциальной энергии находившейся в РВС жидкости.

Реактивная сила потока отрывает стенку от днища и крыши, распрямляет ее, сгибает вдвое по высоте, и она «улетает» на 20–40 м, иногда вместе с крышей, в сторону, противоположную направлению изливающегося потока, на обвалование или на соседний РВС.

Понять особенности ХР РВС и ХР лабораторных образцов помогают робертсоновские испытания, показавшие, что ХР лабораторного образца происходят в два этапа:

1) возникновение ХР при напряжении, превышающем предел текучести, и температуре ниже климатической, сопровождаемое макропластичностью: утяжкой и подрастанием (вязким изломом) искусственного концентратора;

2) нестабильное распространение кристаллографически хрупкого излома со скоростью около 1000 м/с. При робертсоновских испытаниях наблюдали распространение ХР при σ= 0,1σт, и это еще не нижний предел. Принципиальным различием между ХР РВС и разрушением лабораторных образцов является то, что ХР РВС проходит в одну стадию при внешнем напряжении постоянной величины иногда значительно ниже предела текучести, при климатической температуре и, следовательно, не может сопровождаться макропластичностью: на ее реализацию просто не хватит упругой энергии.

ХР РВС – неожиданное событие, ничто не предвещает его приближения. Нагрузка, при которой происходит ХР РВС, и место, в которой оно возникает, непредсказуемы: имеет место случайное событие.

В 1950-х гг. рассказывали, что однажды списанный РВС был передан ученым с разрешением проводить любые испытания, однако хрупко разрушить его так и не удалось.

ХР лабораторных образцов происходит при σ≥σт и сопровождается макропластической деформацией, что наглядно иллюстрируется диаграммами растяжения, приведенными в ГОСТ «Методы механических испытаний металлов» [3], на которых точка разрушения отвечает напряжению, превышающему σт, чего не бывает при ХР РВС. Нужно обладать большой волей и фантазией, чтобы в указанном примере разглядеть проявление упругости и не заметить пластичности, и не догадаться, что процесс развивается за счет энергии, накопленной в системе «образец – машина», а не только в образце.

При изготовлении РВС методом рулонирования все сварные швы, кроме монтажных, выполняются на заводе автоматической сваркой и, как свидетельствует многолетний опыт, в качестве источника ХР «не замечены».

Опасность ХР РВС создают монтажные вертикальные швы первого, реже – второго и третьего поясов.

Image_026.jpg

Остаточные сварочные напряжения в направлении вертикальных швов формально не суммируются с напряжениями от внешней нагрузки, поскольку они направлены вдоль горизонтальных швов, т. е. под углом 90° к монтажным швам. Можно предположить, что взаимодействие между полями вертикальных и горизонтальных остаточных напряжений все же имеет место, чему способствуют нарушения проектной
геометрической формы стенки реального РВС в области монтажных швов.

ХР РВС является случайным, редким, точнее, очень редким событием. Его реализация возможна, если в сварном (монтажном) соединении имеется область с переходной температурой хрупкости выше температуры окружающей среды. Учитывая, что ХР встречается в начале эксплуатации РВС в монтажных швах, при климатической температуре и внешнем напряжении постоянной величины ниже предела текучести можно предположить, что основную роль в возникновении ХР РВС играют остаточные сварочные напряжения.
В начале эксплуатации РВС остаточные напряжения, частично суммируясь с напряжениями от внешней нагрузки, уменьшаются, когда их сумма по величине достигает σт и постепенно устраняются. ХР РВС, т. е. разрушение при напряжении ниже σт становится невозможным.

Во время гидравлических испытаний и в начале эксплуатации РВС в первую зиму, очень редко – во вторую, когда сварочные напряжения еще, вероятно, частично сохранились, создаются условия для возникновения ХР РВС. Они наблюдались и на РВС, находившихся в эксплуатации длительное время, после ремонта с применением сварки.

В одной из последних работ Н.С. Стрелецкий писал с пометкой «для обсуждения», что аварии происходят и при правильном расчете, и при завышенных запасах, что перекликается с данными об авариях РВС.

Поскольку ХР РВС наблюдались только в начале эксплуатации, с накоплением повреждений они, как принято считать, не связаны.

В сварных соединениях нижних поясов РВС вместимостью от 20 тыс. м3, возводимых методом рулонирования, встречаются трещины, появление которых связано с накоплением повреждений. Зарождаются они на поверхности монтажных сварных соединений одновременно снаружи и внутри и распространяются навстречу друг другу, приводя к течи. Их появлению способствуют остаточные угловые деформации в области монтажных сварных соединений РВС. Они приводят к появлению моментов напряжения. Это трещины малоцикловой усталости. Их важной особенностью является то, что распространяются они только стабильно, не приводя к катастрофам. Их обнаружение не требует немедленного вывода РВС из эксплуатации. После ремонта РВС возвращается в строй. Вероятно, стабильность распространения трещины малоцикловой усталости связана с тем, что пластическая деформация в ее вершине устраняет упругие остаточные напряжения, определяющие характер разрушения.

ХР сварного лабораторного образца можно получить только при охлаждении ниже климатической температуры, только при растущем внешнем напряжении выше или значительно выше σт точнее – при напряжении, равном временному сопротивлению, в искусственно созданном концентраторе. К этому моменту остаточные напряжения в лабораторном образце в значительной степени удаляются. Это достоверное событие: оно реализуется за счет потенциальной энергии испытательной машины. Приведенные данные, сформулированные на основании анализа разрушений реальных РВС и лабораторных исследований, позволяют утверждать, что ХР РВС и лабораторного образца происходят в разных интервалах температур за счет различных по величине и характеру напряжений (остаточных и внешних).

ХР РВС – случайное, непредсказуемое, невоспроизводимое событие. ХР лабораторного образца – достоверное, предсказуемое, воспроизводимое событие.

Имеется нормативный документ [4], устанавливающий, «что при расчетах стальных конструкций и их элементов, имеющих собственные остаточные напряжения (от сварки, прокатки, холодной правки), следует применять гипотезу об алгебраическом суммировании условных деформаций с деформациями от внешней нагрузки». Причем собственные остаточные напряжения допускается не учитывать в расчете.

Однако при оценке опасности ХР РВС остаточные сварочные напряжения учитывать необходимо: они играют существенную роль в качестве источника упругой энергии.

Основная опасность ХР РВС связана со сваркой. Ее влияние усиливается с увеличением геометрического фактора толщины листа и числа проходов при сварке.

Ранее на основании анализа робертсоновских испытаний был сделан вывод о том, что опасность ХР не зависит от величины внешнего напряжения. Такой вывод уместен (доказан [1]) для лабораторных испытаний, в которых геометрия образца отвечает проектной форме.

В стенке реального РВС, особенно в монтажных сварных соединениях, всегда имеются геометрические погрешности формы, которые, возможно, увеличивают опасность ХР, делая стенку чувствительной к величине действующего в ней напряжения.

Можно представить следующий механизм возникновения ХР в сварном соединении РВС.

Первая стадия ХР – возникновение хрупкой трещины – отсутствует при разрушении сварных конструкций. Любопытно отметить, что первая стадия является своеобразной энергетической защитой РВС от ХР, подобно сифону. Имеет место только вторая стадия – нестабильное распространение кристаллографически ХР при климатической температуре. Можно предположить, что ХР в сварном шве РВС возникает при первом или повторных нагружениях, когда остаточные напряжения в основном еще сохраняются и питают упругой энергией ХР. Количественные характеристики точки, в которой произошло разрушение кристалла или кристаллов, прежде всего t°к, неизвестны. Случайный характер разрушения поврежденного сваркой кристалла, вероятно, объясняет и случайный характер ХР РВС. Разрушение одного или нескольких кристаллов, поврежденных сваркой, запускает процесс превращения ХР в энергетически выгодную нестабильно распространяющуюся хрупкую трещину. Становится возможным случайное событие: ХР РВС при σ < σ т.

Для объяснения ХР еще остается «старый» способ, температурный. В научных работах, посвященных ХР, термин «температурный» теперь не в моде, его стараются избегать, упуская из виду, что миллионы тонн стали металлургическая промышленность поставляет после испытания на ударную вязкость, т. е. после условной температурной оценки ее склонности к ХР.

Предложенная схема построена на одностадийности ХР РВС, на температурном факторе, объясняет гипотезу, как ХР РВС происходит при внешнем напряжении менее σт что при ХР РВС невозможны утяжка и подрастание . Она подтверждает, что ХР РВС – случайное событие.

В виде, представленном 100 лет назад в качестве фундамента механики разрушения, уравнение Гриффитса в большинстве случаев не имеет решения с инженерной точностью. В случае ХР РВС никогда не известен запас упругой энергии, подводимой упругими волнами со скоростью 5 тыс. м/с к вершине трещины, распространяющейся со скоростью порядка 1 тыс. м/с. Неизвестен расход упругой энергии на образование излома (за исключением стеклянных колб). Само событие ХР остается случайным, не воспроизводимым и количественно не оценимым.

В настоящее время проблема ХР РВС имеет косвенное решение.

Известны места сварных соединений, в которых наблюдались ХР [5], – это перекрестия сварных швов нижних поясов, примерно 1 % длины сварных соединений стенки. Их можно подвергнуть местной термической обработке. Оборудование и технологии для местной термообработки сварных соединений емкостей разработаны. Их применение не скажется заметно на сроках строительства и стоимости новых РВС. В старых РВС, как отмечалось в статье, ХР не наблюдается. Местная термическая обработка небольших участков сварных соединений сделает опасность ХР РВС ничтожной.

Выводы

1. ХР РВС происходит при внешнем напряжении σ < σ т.

2. ХР РВС может быть только кристаллографически хрупким и нестабильным.

3. ХР РВС реализуется за счет упругой энергии, остаточных и внешних напряжений.

4. ХР РВС происходит в одну стадию –
разрушение в охрупченной зоне кристаллов и превращение разрыва в нестабильную трещину. Этому способствует высокая скорость распространения ХР и пластического деформирования, сопровождающего ее. Становится возможным повышение переходной температуры стали, «увязания», выше температуры окружающей среды.

5. ХР лабораторного образца – достоверный процесс, ХР РВС – случайный процесс: его невозможно воспроизвести в лаборатории.

6. Опасность ХР РВС не может быть представлена в терминах внешнего напряжения.

7. Механика разрушения не применима для описания ХР РВС, потому что расчетная схема, положенная в основу ее применения, не реализуется на практике при ХР РВС.

8. Опасность ХР РВС может быть сравнительно, качественно оценена значением переходной температуры хрупкости t°k, которая не является константой стали.


Image_007.png


← Назад к списку


im - научные статьи.