И вероятные опасные состояния

На примере некоторых типов машин рассмотрим опасные состояния, определяемые условиями их работы.

1. Транспортное, подъемно-транспортное и дорожное машиностроение: автомобили, тракторы, железнодорожный подвижной состав (локомотивы, вагоны), краны, грейдеры и другие машины аналогичного назначения. Эксплуатируются при нормальных температурах, основные нагрузки – случайные повторно-переменные, статические и динамические (удары).

Наиболее частые причины отказов – образование и развитие усталостных трещин, износ. Разрушению способствует коррозия.

Для несущих элементов конструкций используются углеродистые и низколегированные стали.

2. Стационарное энергетическое оборудование: паровые и газовые турбины, теплообменники и др. Наиболее ответственные детали эксплуатируются при повышенных температурах, в поле центробежных сил или при высоком давлении. Наряду с наиболее характерными длительными периодами стационарной работы предусматриваются переходные режимы, связанные с пусками и остановами агрегатов (обычно до 20 пусков в год), а также с изменениями нагрузки. Воздействие агрессивных сред (пар, вода, продукты сгорания) способствуют коррозии. Характерны большие сроки службы (порядка 30 лет, т.е. 250 тыс. часов и более).

Опасные состояния определяются протеканием ползучести и ее взаимодействием с процессами усталостного (низко- и высокочастотного) и коррозионного разрушения.

Применяемые материалы: теплоустойчивые и жаропрочные стали аустенитного и перлитного классов.

В связи с исчерпанием расчетного ресурса, практически одновременного для многих энергетических установок (как в России, так и в ряде развитых капиталистических стран), наметился переход на их эксплуатацию «по состоянию». Это потребовало проведения специальных исследований для выявления элементов конструкций, требующих проведения частичного ремонта с заменой деталей, исчерпавших свой ресурс. Эксплуатация "по состоянию" предусматривает внедрение средств технической диагностики для последующего наблюдения за конструкцией с целью исключения аварийных ситуаций.

3. Авиационное и другое транспортное (морское, наземное) двигателестроение. Основные элементы газотурбинного двигателя – газовая турбина, компрессор, камера сгорания – эксплуатируются при повышенных температурах (700...1000 ° С и выше). Для них характерны частые чередования стационарных и переходных режимов – периодические изменения скоростей вращения, давления, интенсивные теплосмены. Для некоторых узлов следует учитывать также влияние агрессивной среды (продуктов сгорания).

Высокая механическая и термическая нагруженность, в особенности авиационных двигателей, связана со стремлением к уменьшению собственной массы и повышению экономичности (расход топлива). В сочетании с особыми требованиями к надежности это предопределило наиболее высокий уровень прочностных исследований, как расчетно-теоретических, так и экспериментальных. Здесь широко используются новые материалы и технологии, охлаждение лопаток и диска турбины, конструкционные методы повышения прочности и долговечности (например, введение бандажных полок для исключения опасных вибраций лопаток). Для предупреждения отказов в полетных условиях применяются системы технической диагностики.

Основные опасные состояния: образование и развитие трещин многоцикловой (высокочастотной) или малоцикловой (низкочастотной) усталости; для отдельных деталей разрушение может явиться следствием суммирования повреждений обоих типов с квазистатическим повреждением от ползучести; накопление деформаций и коробление тонкостенных элементов конструкций в результате совместного действия механической нагрузки и теплосмен.

Применяемые материалы: жаропрочные стали аустенитного и перлитного классов, сплавы на никелевой основе.

4. Ядерные реакторы, в частности, элементы активной зоны реакторов различного типа. Повышенные температуры (250...1000 °С и выше), длительное нагружение (сроки службы реакторов стационарных АЭС – 30 лет), чередующиеся с переходными режимами при пусках и остановах, изменении мощности. Негативные факторы, влияющие на свойства материалов: проникающая радиация, влияние сред – водяного пара, жидкого натрия и других.

Применяемые материалы: нержавеющие и жаропрочные стали аустенитного класса, сплавы титана, циркония, конструкционный графит.

Возможные опасные состояния: накопление односторонней деформации и коробление в связи с влиянием радиации и теплосмен (необходимо учитывать высокие требования к стабильности геометрии элементов реактора, управляющих его работой), усталостное и квазистатическое малоцикловые разрушения, развитие трещин, в частности, в деталях из графита. Особо высокие требования к надежности из-за возможных опасных последствий отказов.

5. Металлургическое и горно-металлургическое оборудование: домны, ковшы, машины для непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), кристаллизаторы, машины для обжига окатышей и др. Повышенные температуры и больше температурные градиенты, в отдельных случаях (например, валки грохота) большие статические и динамические нагрузки. Сопутствующие условия – агрессивные газы, пыль.

Наиболее типичные опасные состояния для термонапряженных элементов: возникновение и развитие термоусталостных трещин, накопление деформации. Прогрессирующее формоизменение и коробление связано с воздействием интенсивных теплосмен (технологические процессы имеют, обычно, циклический характер), специфическим характером температурных полей (перемещающийся фронт или волна); при существенных механических наг­рузках эти процессы ускоряются, в частности, в связи с влиянием ползучести.

Применяемые материалы – малоуглеродистые и низколегированные стали, чугун. Несмотря на относительно низкие требования к сохранению начального состояния (во многих случаях допускаются значительные изменения геометрии, эксплуатация деталей с развитой сеткой трещин), довольно часты отказы оборудования. В отрасли имеются большие резервы для повышения долговечности оборудования, снижения расхода металла на его ремонт и замену.

6. Химическое оборудование: элементы конструкций химических реакторов, сосуды давления, трубопроводы. Оборудование эксплуатируется в условиях пониженных, нормальных и повышенных температур, при воздействии агрессивных сред, способствующих коррозии и изменению механических свойств поверхностных слоях металла.

Основной повреждающий фактор – усталость, а также коррозионная усталость и коррозионное растрескивание. По имеющимся данным, для химического оборудования (центрифуги и т.п.) примерно 44 % разрушений составляют усталостные поломки, 28 % – коррозионные поверхностные повреждения (растрескивание), 17 % – повреждения вследствие износа. В отдельных агрегатах наблюдается также накопление односторонней деформации и формоизменение в связи с теплосменами.

Применяемые материалы: малоуглеродистые, нержавеющие жаростойкие стали, другие специальные стали и неметаллические материалы.

7. Технологическое оборудование типа металлорежущих станков, транспортеров, манипуляторов, роботов, прессов различного типа и т.п. Помимо сохранения прочности (наиболее вероятные разрушения связаны с традиционной многоцикловой усталостью) особое значение имеет обеспечение точности выполнения операций. Это требует достаточно высокой жесткости деталей и соединений, износостойкости поверхностей. Таким образом, основные опасные состояния связаны с достижением упругими перемещениями от возникающих усилий предельных величин, определяемых заданной точностью обработки.

Основные применяемые материалы – малоуглеродистые и легированные стали.