автореферат диссертации по , 05.00.00, диссертация на тему:Развитие системы обеспечения циклической прочности и промышленной безопасности строительных сварных металлоконструкций

НПК «Изотермик», г. Москва НП «Уральский межакадемический союз», г. Екатеринбург

УДК 519.2:612.766.1

4ВЧиич«

На правах рукописи

Ханухов Ханух Михайлович

РАЗВИТИЕ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ И ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ СВАРНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.25.07 - исследования в области проектов и программ

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные консультанты:

- действительный член ВАНКБ и МАИ, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, лауреат премии Правительства РФ, д-р техн. наук, профессор В.А. Котляревский,

- действительный член РАЕН, д-р техн. наук, профессор С.Л.Гольдштейн

Москва 2011

4840048

Официальные оппоненты:

- д-р техн. наук, профессор, действительный член АИН РФ им. А.М.Прохорова, засл. деятель науки и техники В.ГЛисиенко,

- д-р техн. наук, профессор, действительный член Академии проблем качества Н.Г. Дашков,

- чл.-корр. АИН РФ им. А.М.Прохорова, д-р техн. наук, профессор

Ю.Б. Чечулин

Защита состоится 31 марта 2011 года в 15-00 на заседании Диссертационного Совета Д 098.07 PCO ММС 096 по адресу: 620077, г.Екатеринбург, ул. Володарского, 4, НИИЦветмет / УМС.

Доклад разослан 28 февраля 2011 г.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО УГТУ-УПИ.

Ученый секретарь диссертационного совета, проф., к.ф.-м.н.

В.И.Рогович

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ЗиС - здания и сооружения,

ДЦС - динамическое деформационное старение,

ИР - изотермический резервуар,

КИН - коэффициент интенсивности напряжений,

КМТС - комплексный мониторинг технического состояния,

НДС - напряженно-деформированное состояние,

ОПО - опасный производственный объект,

ОТС - обследование технического состояния,

ОМ - основной металл,

ОШЗ - околошовная зона сварного соединения,

МШ - металл шва,

ПБ - промышленная безопасность,

ППМ - порошково-присадочный материал,

РУТ - рост усталостной трещины,

СОПБ - система обеспечения промбезопасности,

СУГ - сжиженные углеводородные газы

ТУ - техническое устройство,

ШФЛУ - широкая фракция легких углеводородов,

ЭПБ - экспертиза промышленной безопасности,

ЭШП - элекгрошлаковый переплав.

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Авария - частичное или полное разрушение сооружений и (или) технических устройств, применяемых на опасном производственном объекте, неконтролируемый взрыв и (или) выброс опасных веществ.

Безопасность промышленного объекта - система мер, обеспечивающих предупреждение аварий путем систематических осмотров и обследования конструкций.

Восстановление - комплекс мероприятий, обеспечивающих повышение эксплуатационных качеств конструкций, пришедших в ограниченно работоспособное состояние, до уровня их первоначального состояния.

Дефект - отдельное несоответствие конструкций какому-либо параметру, установленному проектом или нормативным документом, возникшее при проектировании, изготовлении или строительстве (ГОСТ 15467-79).

Долговечность - свойства объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния.

Здание производственное - строительная система, состоящая из несущих и ограждающих или совмещенных (несущих и ограждающих) конструкций, образующих замкнутый объем, предназначенный для размещения промышленных производств и обеспечения необходимых условий для труда людей и эксплуатации технологического оборудования.

Зона термического влияния - участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке или наплавке.

Инцидент - отказ или повреждение технических устройств, применяемых на опасном производственном объекте, отклонение от режима технологического процесса, нарушение положений нормативных правовых актов или нормативных технических документов, устанавливающих правила ведения работ на опасном производственном объекте.

Капитальный ремонт - ремонт, выполняемый для восстановления неисправностей и полного или близкого к полному восстановления ресурса изделия с заменой или восстановления любых его частей, включая базовые (ГОСТ 18322-78).

Категории технического состояния - степень эксплуатационной пригодности строительной конструкции или здания и сооружения в целом, установленная в зависимости от доли снижения несущей способности и эксплуатационных характеристик конструкции.

Класс опасности резервуара - степень опасности (риска), возникающая при достижении предельного состояния резервуара, для здоровья и жизни граждан, имущества физических или юридических лиц, экологической безопасности окружающей среды

Конструкции несущие - строительные конструкции, воспринимающие нагрузки и воздействия и обеспечивающие прочность, жесткость и устойчивость зданий и сооружений.

Конструкции ограждающие - строительные конструкции, предназначенные для изоляции внутренних объемов в зданиях и сооружениях от внешней среды или между собой с учетом нормативных требований по прочности, тепло-, гидро- и пароизоляции, воздухонепроницаемости, звукоизоляции и т.д.

Конструкции резервуара - элементы, выполняющие несущие, ограждающие, совмещенные (несущие и ограждающие) и вспомогательные функции.

Критерии оценки - установленное проектом или нормативным документом количественное и качественное значение параметра, характеризующего прочность, деформативность и другие нормируемые характеристики строительной конструкции.

Надежность - свойства объекта выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в определенных пределах, при заданных режимах работы и условиях использования, технического обслуживания и ремонта.

Наработка - продолжительность работы объекта, измеряемая в годах.

Несущая способность - свойство конструкции или ее элемента воспринимать, не разрушаясь, различные виды нагрузок и воздействий.

Нормативный срок службы резервуара - назначенный срок безопасной эксплуатации, в течение которого резервуар не достигнет предельного состояния при выполнении необходимого регламента обслуживания и ремонтов.

Обследование конструкций - комплекс изыскательских работ по сбору данных о техническом состоянии конструкций, необходимых для оценки технического состояния и разработки проекта восстановления их несущей способности, усиления или реконструкции (РД 03-422-01).

Опасный производственный объект - предприятия или их цехи, участки, площадки, а также иные производственные объекты, на которых:

- получаются, используются, перерабатываются, образуются, хранятся, транспортируются, уничтожаются опасные вещества (воспламеняющиеся, окисляющие, горючие, взрывчатые, токсичные, высокотоксичные вещества, представляющие опасность для окружающей природной среды);

- используется оборудование, работающее под давлением более 0,07 МПа или при температуре нагрева воды более 115°С;

- используются стационарно установленные грузоподъемные механизмы, эскалаторы, канатные дороги, фуникулеры;

- получаются расплавы черных и цветных металлов и сплавы на основе этих расплавов;

- ведутся горные работы, работы по обогащению полезных ископаемых, а также работы в подземных условиях.

Остаточный ресурс - срок до прогнозируемого наступления предельного состояния.

Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособности состояния объекта.

Отклонение - отличие фактического значения любого из параметров технического состояния от требований норм, проектной документации или требований обеспечения технологического процесса.

Охрупчивакие - повышение хрупкости металла в результате снижения пластических свойств вследствие старения, коррозии, понижения температуры или высокой скорости нагружения.

Оценка технического состояния зданий и сооружений - оценка, которая проводится по результатам технического обследования и включает поверочный расчет конструкции с учетом обнаруженных дефектов и повреждений, фактических и прогнозируемых нагрузок, воздействий и условий эксплуатации (РД 03420-01).

Плавающая крыша - конструкция, служащая для предотвращения испарения продукта в резервуаре, не имеющем стационарной крыши, плавающая на поверхности хранимого продукта и закрывающая зеркало продукта по всей площади поперечного сечения резервуара.

Поверочный расчет - расчет существующей конструкции по действующим нормам проектирования с введением в расчет полученных в результате обследования или по проектной и исполнительной документации геометрических параметров конструкции, фактической прочности строительных материалов, действующих нагрузок, уточненной расчетной схемы с учетом имеющихся дефектов и повреждений.

Повреждение - отдельное несоответствие конструкции какому-либо требованию, установленному проектом или нормативным документом, возникшее при эксплуатации (ГОСТ 15467-79).

Понтон — конструкция, служащая для предотвращения испарения продукта в резервуаре со стационарной крышей, плавающая на поверхности хранимого продукта и закрывающая зеркало продукта по всей площади поперечного сечения резервуара.

Потеря устойчивости - скачкообразное изменение формы равновесия тонкостенного элемента конструкции, возникающее под действием сжимающих напряжений при превышении нагрузкой некоторого критического значения; потеря устойчивости выражается в возникновении заметных глазом деформаций и часто сопровождающееся хлопком.

Предельное состояние - состояние, при котором резервуар и его основание перестают удовлетворять заданным свойствам на стадиях: изготовления, транспортирования, монтажа, испытаний и эксплуатации.

Прочность - свойство материал сопротивляться разрушению под воздействием внутренних напряжений, возникающих под воздействием шешних сил.

Промышленная безопасность - »стояние защищенности жизненно важных интересов личности и общества от аварий на ОПО и последстви) указанных аварий.

Расчетный срок службы резервуар - срок безопасной эксплуатации до очередного диагностирования или ремонта, в течение которого резервуар не достигнет предельного состояния.

Резервуар - емкость, предназначении для хранения, приема, откачки и измерения объема нефти и нефтепродуктов.

Резервуар (вертикальный цилиндрический) - наземное строительное сооружение, предназначенное для приема, хранения и выдачи нефти и тфтепродуктов, состоящее из днища, вертикальной цилиндрической (в плане) стенки, крыши; оборудованное люками, патрубками и вспомогательными конструкциями (лестницами, площадками и т.п.).

Реконструкция - работы, выполняемые с целью внесения новых элементов (изменений) в конструкцию резервуара, непредусмотренных первоначальным проектом.

Ремонт - комплекс операций по восстановлению исправности или работоспособности изделия и восстановление ресурса изделий или их составных частей (ГОСТ 18322-78).

Собственник здания (сооружения) - юридкеское лицо независимо от его организационно-правовой формы, имеющее права владения, пользования и распоряжения зданием (сооружением).

Сооружение - объемная, плоскостная или линейная наземная, надземная или подземная строительная система, состоящая из несущих, а в отдельных случаях и ограждающих конструкций и предназначенная для выполнения производственных процессов различного вида, хранения материалов, изделий, оборудования, для временного пребывания людей, перемещения людей н грузов и т.д.

Срок службы - календарная продолжительность эксплуатации от начала эксплуатации объекта или ее возобновления после ремонта до его перехода в предельное состояние (ГОСТ 27.002-89).

Старение металлов - изменение свойств металлов, протекающее либо самопроизвольно при нормальных условиях (естественное старение), либо при нагреве (искусственное старение) и приводящее к изменению их прочности, твердости, пластичности и ударной вязкости.

Твердость - свойство материалов сопротивляться пластической деформации или хрупкому разрушению в поверхностном слое при местных контактных силовых воздействиях.

Техническое состояние - совокупность подверженных изменению в процессе производства или эксплуатации свойств объекта, характеризуемая в определенный момент времени признаками, установленными технической документацией на этот объект (ГОСТ 19919-74).

Техническое диагностирование - определение технического состояния объекта. Задачи технического диагностирования - контроль технического состояния, поиск места и определение причин отказа (неисправности), прогнозирование технического состояния (ГШ 03-576-03).

Техническое диагностирование (по ГОСТ 20911-89) - определение технического состояния объекта.

Трещиностойкость - способность конструкции сопротивляться хрупкому разрушению при наличии трещиноподобного дефекта.

Усиление - комплекс мероприятий, обеспечивающих повышение несущей способности и эксплуатационных свойств строительной конструкции или здания (сооружения) в целом по сравнению с фактическим состоянием или проектными показателями.

Усталость материалов - изменение механических и физических свойств материала под длительным действием циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций.

Устойчивость сооружения - способность сооружения противостоять усилиям, стремящимся вывести его из исходного состояния статического или динамического равновесия.

Физический износ здания (сооружения, оборудования, коммуникаций, объектов жилищно-коммунального назначения, элемента) - показатель, характеризующий изменение технического состояния здания (сооружения, оборудования, коммуникаций, объектов жилищно-коммунального назначения) по сравнению с первоначальным состоянием (ГОСТ Р 51929-02).

Хрупкость - способность твердых тел разрушаться при механических воздействиях без заметной пластической деформации (свойство, противоположное пластичности).

Циклическая прочность - прочность при циклически изменяющихся напряжениях.

Экспертная организация - организация, имеющая лицензию Ростехнадзора на проведение экспертизы промышленной безопасности в соответствии с действующим законодательством.

Эксплуатация - стадия жизненного цикла изделия (сооружения), на котором реализуется, поддерживается и восстанавливается его качество (ГОСТ 25866-83).

Эксплуатирующая организация - юридическое лицо независимо от его организационно-правовой формы, владеющее н использующее здания и сооружения на праве оперативного управления, хозяйственного ведения, аренды или ипых законных основаниях.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Более 75% основных фондов опасных производственных объектов (ОПО) выработало свой ресурс и продолжает эксплуатироваться. В условиях отсутствия возможности глобальной модернизации экономики возрастает роль безопасной эксплуатации стареющих объектов.

Анализ риска и причин аварий промышленных зданий и сооружений показывает, что:

- аварии, как правило, происходят на ОПО, не подвергавшихся обследованию технического состояния (ОТС) и экспертизе промышленной безопасности (ЭПБ); при несоблюдении сроков очередной ЭПБ;

- аварийное разрушение возможно на любой стадии жизненного цикла ОПО;

- обследование технического состояния и экспертиза промышленной безопасности ОПО имеют периодический характер при отсутствии постоянного мониторинга технического состояния конструкций, ответственных за несущую способность здания или сооружения в целом;

- из-за нарушения норм эксплуатации возможны аварии в период между очередными ОТС и ЭПБ.

Вышесказанное усугубляется общими недостатками сложившейся системы обеспечения промышленной безопасности зданий и сооружений (ЗиС), а именно: отсутствием системного подхода при оценке безопасности ОПО; отсутствием или недостаточностью критериальных оценок и методов определения технического состояния ОПО в любой момент эксплуатации; отсутствием базы данных ОПО; сложностью и новизной разрабатываемых и внедряемых технологий комплексного мониторинга технического состояния конструктивных элементов ЗиС.

В связи с этим в настоящее время нет возможности следить за техническим состоянием ЗиС в режиме реального времени. А периодический контроль технического состояния, используемый сейчас в системе обеспечения промышленной безопасности Ростехнадзора, не гарантирует безопасную эксплуатацию ОПО в периоды между ЭПБ.

Исходя из вышесказанного, важнейшими направлениями обеспечения промышленной безопасности зданий и сооружений на опасных производственных объектах являются нормативно-техническое аспекты безопасной эксплуатации ЗиС и организационно-технические вопросы мониторинга рисков и технического состояния этих конструкций.

В нашей стране эти задачи определены Федеральным законом №116-ФЗ от 21.07.97 «О промышленной безопасности опасных промышленных объектов».

Работа посвящена широкому классу строительных конструкций ОПО, эксплуатирующихся с высокими рисками и подвергающихся экстремальным воздействиям: высокая механическая нагруженность (статическая, динамическая, малоцикловая, усталостная, вибрационная от технологического и кра-

нового оборудования, технологических трубопроводов и т. п.); агрессивное воздействие на конструкции рабочих сред, продуктов технологических процессов и газовоздушной общезаводской среды; широкий диапазон температур эксплуатации - от -196°С (жидкий азот, кислород, сжиженный природный газ) до +600°С (корпуса воздухонагревателей доменных печей и конвертеров); исходная (при изготовлении, транспортировании и монтаже) и приобретенная в процессе эксплуатации дефектность и поврежденность конструкций, усугубляемая их крайней изношенностью и изменением физико-механических свойств материалов в процессе эксплуатации.

Рассматриваемым проблемам посвящены работы как отечественных (C.B. Серенсен, Д.М. Шнейдерович, H.A. Махутов, А.П. Гусенков, В.В. Ларионов, А.Н. Романов, М.М. Гаденин, O.A. Левин, В.В.Москвитин, Г.П. Карзов, Б.Т. Тимофеев, М. Даунис, Г. Медекша, В.В. Новожилов, О.Г. Рыбакина, С.Г. Писаренко, В.Т. Трощенко, А.П. Черняев, В.В.Москвичев, В.Н. Пермяков, Г.А. Николаев, Б.Е. Патон, H.H. Рыкалин, Н.О. Окерблом, O.A. Бакши, В.А. Винокуров, Н.П. Мельников, В.И. Труфяков, Н.П. Алешин, С.А. Куркин, Г.И. Баренблатт, В.В. Панасюк, В.З. Партон, Г.П. Черепанов, В.В. Новожилов, Ю.Н. Работков, В.К. Востров, В.М. Горицкий, К.В. Фролов, Н.П. Лаверов, В.И. Осипов, С.К. Шойгу, Ю.Л. Воробьев, В.А. Котляревский, В.А. Костюков, B.C. Котельников, В.Г, Сатьянов, В.И. Сидоров, М.В. Лисанов, А.И. Гражданкип, A.C. Печеркин, Е.В. Кловач, В.А. Надеин, В.Г. Горский, A.A. Шаталов, Т.Н. Швецова-Шиловская, Г.Ф. Терещенко и др.), так и зарубежных (Л.Коффин, С.Мэнсон, Б. Сандор, Д. Морроу, К. Миллер, Е. Лангер, П.Пэрис, Ф.Эрдоган, Р. Никольсон, А. Уэльс, Е. Соммер, Я.Немец, А.Надаи, Х.Конрад, Г. Нейбер, А. Гриффите, Д.Ирвин, Г.Либовиц, А. Уэллс, Д. Дагдейл, Т. Екобори, Е. Орован, Д. Райе) . ученых и специалистов. Однако конкретика ОПО, заданный перечень конструкционных материалов, российское законодательство, ментальность работников и некоторые другие факторы требуют конкретного учета и дополнительных экспериментов.

Актуальность исследования связана с необходимостью повышения безопасности эксплуатации ЗиС ОПО, включая промышленные дымовые и вентиляционные трубы и резервуары для хранения взрывопожароопасных и агрессивных веществ и продуктов.

Координация исследования проводилась в рамках научно-исследовательских программ Госстроя СССР (1974-1988 гг.), Министерств среднего (1977-1983гг.), тяжелого (1985-1988 гг.) и энергетического машиностроения СССР (1982-1984 гг.), ВПК (1980-1990 гг.), АН СССР (19801990 гг.), УРО АИН (2005-2010 гг.).

Объект исследования - система обеспечения циклической прочности и промышленной безопасности строительных сварных металлоконструкций промышленных зданий и сооружений на опасных производственных объектах.

Предмет исследования - развитие системы оценки циклической прочности и промышленной безопасности строительных сварных металлоконструкций на опасных промышленных объектах.

Цели и задачи исследования.

Глобальная цель - развитая система оценки циклической прочности и промышленной безопасности строительных сварных конструкций.

Локальная цель 1 - получение новых знаний (в виде моделей, методов, алгоритмов) и эмпирических данных о свойствах материалов, технических устройств, зданий и сооружений ОПО.

Локальная цель 2 - внедрение полученных новых знаний в практику обеспечения промышленной безопасности строительных сварных металлоконструкций.

Задачи:

- анализ проблематики по литературным данным с выходом на пакет научных прототипов,

- формализованное описание прототипов и предлагаемых решений,

- изучение циклической прочности строительных сварных конструкций из заданных материалов,

- диагностика и анализ промышленной безопасности строительных металлоконструкций,

- оценки остаточного ресурса цикличности нагруженных сварных металлоконструкций,

- нормативно-технические разработки,

- организационно-технические разработки,

- апробации и внедрения.

Методы исследования: литературного анализа, натурного эксперимента, аппроксимации эмпирических данных, системотехники, логического анализа, прототипирования. Научная новизна

- предложен пакет научных прототипов, отличающийся 4-х-ранговой структурой;

- создан пакет системно-структурных моделей для прототипов и предлагаемых решений;

- впервые в строительной отрасли предложены методы расчета циклически нагружаемых сварных металлоконструкций на малоцикловую усталость на стадии зарождения и распространения трещин в широком диапазоне низких от -196°С и высоких до +600°С рабочих температур;

- получены новые данные о несущей способности и оценке остаточного ресурса циклически нагруженных металлоконструкций ОПО;

- предложены и обоснованы составляющие системного подхода к обеспечению промышленной безопасности ОПО.

Практическая полезность полученных результатов и предлагаемых решений состоит в надежном обеспечении промышленной безопасности ОПО на ряде предприятий РФ, подтвержденном документально (восемь нормативно-технических документов по промышленной безопасности в Единой системе оценки соответствия Ростехнадзора).

Достоверность результатов обусловлена применением корректных методик исследования, совпадением экспериментальных и модельных оценок, апробацией основных результатов исследований в научных изданиях, докладами на международных и отечественных конференциях и семинарах и их

практическом внедрении в нормативно-технических документах межотраслевого применения.

Апробация результатов исследования: основные результаты настоящего диссертационного исследования в период 1974-2010 гг. были представлены на научных конференциях и семинарах.

Публикации: по материалам диссертации опубликовано более 140 работ, в том числе 1 монография, 80 печатных статей, 8 нормативно-технических документов, 50 докладов на конференциях, получены 1 авторское свидетельство на изобретение и медаль ВДНХ.

Личный вклад автора состоит в определении стратегии обеспечения безопасности при эксплуатации ЗиС ОПО и главных формулировок феноменологической концепции нормирования параметров безопасности эксплуатируемых промышленных инженерных сооружений, в организации и проведении исследований по оценке прогнозируемого остаточного ресурса и анализу рисков и промышленной безопасности указанных объектов на основе экспериментально-теоретического изучения циклической прочности материалов в различных условиях эксплуатации.

Структура диссертационного исследования представлена на рис. 1

социальный предлагаемые решения

заказ

Рис. 1 Структура диссертационного исследования (подпроекты - обзора: 1.1.1 - стратегии, тактики и технологии обеспечения ПБ ОПО,

1.1.2- циклической прочности, 1.1.3- технической диагностики и анализа ПБ, 1.1.4 - остаточного ресурса, 1.1.5 - нормативов, 1.1.6 - системотехники ПБ ОПО, 1.1.7 - электронизации систем ПБ ОПО, 1.1.8 - мониторинга ПБ, 1.1.9 - управления рисками ПБ; 1.2.1 -выявления аналогов, 1.2.2 - выявления прототипов; 1.3.1 - 1.3.4 - гипотезы о предлагаемых решениях; 2.1.1, 2.2.1 - кортежные модели, 2.1.2, 2.2.2 - системно-структурные модели, 2.3.1 - математические модели, 2.3.1 - данные; изучение закономерностей малоциклового деформирования и разрушения металла сварных соединений строительных сталей при температурах: 3.3.1 - до + 800 °С, 3.3.2 - до - 196 °С; расчеты прочности: 4.1.1 - на стадии образования трещин, 4.1.2 - на стадии распространения трещин; нормативно-технические разработки: 4.2.1 - для климатических температур, 4.2.2 - для высоких и низких температур, 5.1.1 - сернокислотные резервуары, 5.1.2 - шаровые резервуары,

5.1.3- изотермические резервуары, 5.1.4 - железобетонные резервуары, 5.1.5 - вертикальные стальные резервуары, управление рисками и мониторинг ПБ: 6.3.1 - технические аспекты, 6.3.2 - организационные аспекты.)

ПРОГРАММА 1. ПРОБЛЕМАТИКА РАЗВИТИЯ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ И ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ СВАРНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ

В составе программы реализовано три проекта.

Проект 1.1 - литературно-аналитический обзор осуществлен по следующим направлениям информационного поиска: стратегия, тактика и технологии обеспечения промышленной безопасности опасных производственных объектов; циклическая прочность сварных металлоконструкций; техническая диагностика и анализ ПБ металлоконструкций зданий и сооружений ОПО; остаточный ресурс циклически нагруженных металлоконструкций; нормативы обеспечения ПБ ОПО; системотехника ПБ ОПО; электронизация систем ПБ ОПО; мониторинг ПБ ОПО; управление рисками в ПБ ОПО (под-проекты 1.1.1 - 1.1.9). Изучены все доступные источники информации (обзоры, монографии, учебники, справочники, материалы Интернета, консультации специалистов) за период с 1970 по 2010 г.г. В результате оценены полнота, достоверность, релевантность и пертинентность этой информации.

Проект 1.2 - базовое прототипирование

Исходя из данных литературно-аналитического обзора выявлены аналоги (подпроект 1.2.1) и прототипы (подпроект 1.2.2). Пакет научных прототипов приведен в табл. 1.

Таблица 1

Прототипы Критика прототипа

ранг Наименование прототипа источник информации

0 Система обеспечения промышленной безопасности ОПО [1,2] Системно-структурная неполнота

1 Подсистема оценки качества документации [1,2,3] Структурно-функциональная неполнота

Подсистема оценки качества зданий и сооружений [1,3]

Подсистема оценки качества технических устройств 112,3)

Подсистема оценки качества кадров [1,4]

Подсистема системной интеграции И

2 Математическая модель закона Гука и модуля Юнга [6-9] Параметрическая неполнота

Математическая модель эффекта Баушингера

Математическая модель Коффипа-Мэнсона

Математическая модель Серенсена-Махутова

Математическая модель Ирвина

Математическая модель Пэриса-Эрдогана

Математические модели остаточного ресурса

3 Данные о характеристиках, статической и циклической прочности и трещиностой-кости сварных металлоконструкций [6-12] Фактографическая неполнота

Данные о расчете прочности и остаточном ресурсе циклически нагруженных сварных металлоконструкциях

Данные о промышленной безопасности циклически-нагруженных сварных металлоконструкций

1) Федеральный закон №116-ФЗ от21.07.97 «О промышленной безопасности ОМО».

2) Федеральный закон «О техническом регулировании» от 27.12.2002 N 184-ФЗ.

3) Денисов A.B., Иванов Е.А. и др. Общие правила промышленной безопасности для организаций, осуществляющих деятельность в области промышленной безопасности ОПО, ПБ 03-517-02, - М: ФГУП НТЦ ПБ Гортехнадзора РФ, 2004.

4) Положение об организации работы по подготовке и аттестации специалистов организаций, поднадзорных Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору (РД 03-19-2007) / Подготовка, профессиональное обучение, аттестация и проверка знаний специалистов организаций, поднадзорных Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору: Сборник документов, выпуск 12, серия 24, 3-е издание, исправленное и дополненное, М„ НТЦ «Промышленная безопасность», 2008. - С. 4-20.

5) Гольдштейн C.J1. Системная интеграция бизнеса, интеллекта, компьютера //- Екатеринбург. ИД Пиро-говъ, 2006. - 396 с.

6) Сервисен C.B. Избранные труды - Киев: Наукова думка. В 3-х томах, 1985.

7) Махутов H.A. Прочность и безопасность: фундаментальные и прикладные исследования / Новосибирск: Наука, 2008, 528 с.

8) Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость. - М.: Машиностроение, 1974,444 с.

9) Пэрис П., Эрдоган Ф. Критический анализ законов распространения трещин. / Техн. механика, № 4, 1963, с. 60-68.

10)Металлические конструкции. Справочник проектировщика. Под общей ред. В.В. Кузнецова (ЦНИИПСК им. Мельникова). В 3-х томах. M.: АСВ, 1998,1999.

11)НиколаевГ.А. Сварные конструкции.-М.: Мащгиз, 1962,552 с.

12)Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Анализ риска и проблем безопасности. В 4-х частях. / Научн. Рук. К.В. Фролов. - М.: МГОФ «Знание», 2006,2007.

Проект 1.3 - критика прототипов и гипотезы о предлагаемом решении

Недостатки прототипов (в общей формулировке) приведены в табл. 1. Их конкретизация представлена далее по программам 2-7. Выявленные недостатки послужили основанием для формулирования гипотез о предлагаемых решениях.

Гипотеза 1 - развитие системы обеспечения промышленной безопасности

опасных производственных объектов возможно за счет модернизации всех ее подсистем и введения новой подсистемы, обеспечивающей интеграцию на системном уровне.

Гипотеза 2 - развитие подсистемы оценки качества документации возможно за счет разработки феноменологической концепции нормирования параметров ПБ.

Гипотеза 3 - развитие подсистемы оценки качества зданий и сооружений ОПО возможно за счет улучшения всех известных блоков и введения нового блока - комплексной оценки с учетом сопротивления внешним воздействиям наиболее слабых зон конструкций.

Гипотеза 4 - развитие подсистемы оценки качества кадров возможно за счет введения блока, обеспечивающего системную компетенцию работников ОПО.

Гипотеза 5 - развитие подсистемы системной интеграции возможно путем введения блока настройки на специфику обеспечения ПБ ОПО.

ПРОГРАММА 2. ФОРМАЛИЗОВАННОЕ ОПИСАНИЕ ПРОТОТИПОВ И ПРЕДЛАГАЕМЫХ РЕШЕНИЙ

В составе программы реализовано три проекта.

Проект 2.1 - описание прототипа 0-го ранга и предлагаемого решения на уровне стратегии обеспечения ПБ ОПО

Проект представлен двумя подпроектами.

Подпроект2.1.1 - кортежные модели на уровне стратегии

Нами предложено использовать формализм кортежного описания основных сущностей проблемы. В качестве примера приведены три.

Тогда промышленная безопасность может быть представлена в виде [1]:

ПБ = <У1, У2, УЗ, У4, У5, У6; И), (1)

где определяемые экспертизой уровни защищенности ОПО, обеспеченные:

У1 - проектной документацией на расширение, техническое перевооружение, консервацию и ликвидацию ОПО,

У2 - техническими устройствами (ТУ) ОПО,

УЗ - зданиями и сооружениями ОПО,

У4 - декларацией о промышленной безопасности ОПО,

У5 - иными документами,

У6 - подготовкой а преподготовкой работников ОПО.

На этом основании система обеспечения промбезопасности ОПО может быть представлена в виде:

СОПБ = <П1, П2, ПЗ, П4; Ш), (2)

где подсистемы оценки качества: П1 - основной документации, П2 - зданий и сооружений, ПЗ - технических устройств, П4 - подготовки и переподготовки работников и руководителей ОПО.

Виды прочности металлоконструкций:

ПР = <ПР1,ПР2;К2), (3)

где: ПР1 - металловедческая, ПР2 - конструктивная, И, Ш, К2 - матрицы связи. Подпроект2.1.2 - системно-структурная модель на уровне стратегии Дальнейшая формализация СОПБ проведена с использованием языка системно-структурного моделирования. Модель (рис.2) отражает прототип и предлагаемое решение (фон, уголки).

Рис. 2 Системно-структурпая модель СОПБ ОПО по прототипу [1] и предлагаемому решению (подсистемы: оценки качества: П1 - документации, П2 - зданий и сооружений, ПЗ - технических устройств, П4 - подготовки и переподготовки работников, П5 - системной интеграции; П6, П7 - интерфейсов)

Проект 2.2 - описание прототипов и предлагаемых решений на тактическом уровне обеспечения ПБ ОПО

Проект представлен двумя подпроектами.

Подпроект 2.2.1 - кортежные модели подсистем СОПБ на уровне тактики. Прежде всего представлены кортежные модели подсистем СОПБ:

П1 = (ПИ, П12, П13; К11), (4)

где блоки оценки качества: П11 — проектной документацией на расширение, техническое перевооружение, консервацию, ликвидацию ОПО, П12 - документации о ПБ, П13 - иных документов;

П2 = (П21, П22, П23, П24, П25; Ш2), (5)

где блоки: П21 - технического обследования, П22 - строительно-технической экспертизы, П23 - обследования конструкций ЗиС, П24 - технической экспертизы ЗиС, П25 - экспертизы по техническому состоянию ЗиС;

ПЗ = (П31, П32..., П36; ШЗ), (6)

где блоки оценки: П31 - паспорта ТУ, П32 - актов (приема в эксплуатацию, испытаний, ремонтов, расследований), ПЗЗ - условий на изготовление, П34 - сертификата соответствия, П35 - документов о технических параметрах, П36 - методики оценки технического состояния и др.;

П4 = (П41, П42..., П44; R14), (7)

где блоки оценки качества: П41 - подготовки, П42 - переподготовки, П43 - аттестации, П44 - повышения квалификации руководителей, R11 - R14 - матрицы связи. Затем дана декомпозиция по видам прочности:

ПР1 = (ПР11, ПР12, ПР13; R21), (8)

где подсистемы оценки прочности: ПР11 - статической, ПР12 - динамической, ПР13 -усталостной (циклической).

ПР2 = (ПР21, ПР22; R22), (9)

где подсистемы оценки прочности: ПР21 - общей, ПР22 - местной, R21, R22 - матрицы связи.

Подпроект 2.2.2 - системно-структурные модели на уровне тактики Для подсистем П1 -П5 системно-структурные модели представлены на

Рис. 3 Системно-структурная модель подсистемы П1 по прототипу [1] и предлагаемому •решению (блоки: оценки качества: Ш1 - проектной документацией на расширение, техническое перевооружение, консервацию, ликвидацию ОПО, П12 - основной документации о ПБ, П13 - иной документации, П14 - концепции нормирования параметров ПБ; П15, П16 - интерфейсов)

Рис. 4 Системно-структурная модель подсистемы П2 по прототипу [3] и предлагаемому решению (блоки: оценки: П21 - износа и несущей способности строительных

конструкций и сооружений, П22 - дефектов, повреждений и деформаций, потери устойчивости конструкций, П23 - характеристик вентиляции, дымоудаления, освещенности и взрывооустойчивости, П24 - соответствия ЗиС возможности дальнейшей безаварийной эксплуатации, П25 - комплексной; П26, П27 - интерфейсов)

Рис. 5 Системно-структурная модель подсистемы ПЗ по прототипу [4] и предлагаемому решению (блоки: оценки качества: П3.1 - изготовителя ТУ, П3.2 - ТУ, ПЗ.З -применения ТУ, П3.4 - технической документации на ТУ, П3.5 - сертификатов на ТУ, П3.6 - приемочных испытаний ТУ, П3.7 - технического обслуживания ТУ, П3.8 - регламента ремонта и наладки ТУ, П3.9 - сроков эксплуатации ТУ, П3.10 -в комплексе; П3.11, П3.12 - интерфейсов)

готовки работников

Подсистема П4 оценки качества подготовки и переподготовки работников - прототип 5

Запрос на \ П4.1 П4.2 П4.3 П4.4 П4.5 П4.6 П4.7

оценку под-:

П4.9

Оценка —*■

Информация!

П4.10

П4.8

Рис. 6 Системно-структурная модель подсистемы П4 по прототипу [5] и предлагаемому решению (блоки: оценки качества: П4.1 - графиков аттестации сотрудников, П4.2 - программ подготовки и переподготовки, П4.3 - первичной аттестации, П4.4 -периодической аттестации, П4.5 - аттестации руководителей, П4.6 - внеочередной проверки знаний, П4.7 - внеочередной аттестации, П4.8 - системной подготовки, П4.9, П4.10 - интерфейсов)

Рис. 7 Системно-структурная модель подсистемы П5 по прототипу [6] и предлагаемому решению (блоки: П5.1 - интегрированного бизнеса с ОПО, П5.2 - интегрированных информационных технологий, П5.3 - системно-интеграционной логистики, П5.4 - настройки на специфику проблем ПБ; П5.5, П5.6 - интерфейсов)

Проект 2.3 - прототип и предлагаемые решения технологического уровня

В составе проекта представлено два подпроекта.

Подпроект 2.3.1 - математические модели

В работе использованы математические модели Коффина, Мэнсона, Коффина-Мэнсона, Тавернелли, Конрада, Алефельда, Пэриса и др. Новизна работы с этими моделями состояла в выборе наиболее релевантных и в настройке параметров.

Подпроект 2.3.2 - эмпирические данные

В работе использованы известные (прежде всего, справочные) данные о свойствах металлоконструкций. Новизна работы связана с получением новой, неизвестной ранее фактологической информации.

ПРОГРАММА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ СВАРНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ

В составе программы реализовано три проекта.

Проект 3.1 - изучение малоцикловой прочности сварных соединений малоуглеродистых и низколегированных сталей с учетом свойств отдельных зон

Дифференцированное исследование сопротивления малоцикловому деформированию и разрушению различных зон сварных соединений позволяет получить параметры кривой циклического деформирования, необходимые для оценки напряженного состояния конструкции в процессе нагружения, а также выявить зону сварного соединения с пониженным сопротивлением

циклическому упругопластическому деформированию. Разрушение конструкции (возникновение и развитие трещины) при циклическом нагружении может происходить по любой из зон сварного соединения.

Исследование проводили на сварных соединениях малоуглеродистой стали ВМСтЗ с различной степенью раскисления и низколегированной стали марок 09Г2С, 10ХСНД и 16Г2АФ. Сварку пластин, из которых изготовляли образцы для испытаний, производили вручную электродами типа УОНИ-13. Марка электрода и режим сварки соответствовали рекомендуемым для сварки данных марок стали. Сварные соединения выполняли встык с Х-образной разделкой кромок. Рабочая длина образцов располагалась перпендикулярно к сварному шву и направлению проката. Все исследования проводили на листовом прокате толщиной (30-40) мм.

Исследование сопротивления деформированию и разрушению отдельных зон сварного соединения осуществляли с помощью измерения поперечных деформаций образцов из этих зон в процессе циклического упругопластического деформирования с автоматической записью диаграмм деформирования. Аналогичный метод был использован также в ряде других исследований.

Испытание проводили при комнатной температуре на гладких цилиндрических (целое сварное соединение и основной металл) и корсетных образцах (основной металл, металл шва и металл переходной зоны, включающей в себя зоны сплавления и термического влияния) с частотой нагружения (1-8) циклов/мшг. па машине УМЭ-10Т при деформациях, соответствующих пределу текучести материала в исходном нагружении.

Исследуемая зона сварного соединения находилась в минимальном сечении корсетных образцов. Диаметр рабочей части цилиндрических и корсетных образцов составлял (13-15) мм. Радиус дуги профиля и переход от цилиндрической рабочей части к захватной - 5(1. База измерения осевых деформаций для гладких образцов составляла 50 мм. Поперечные деформации корсетных образцов измеряли специальным поперечным деформо-метром. Поперечные деформации пересчитывали в продольные по специальной методике.

Проведен также химический анализ материала сварных конструкций.

Испытание лабораторных образцов на растяжение-сжатие в диапазоне чисел циклов от Уа (однократное разрушение) до 5-Ю4 были проведены при пульсирующем и симметричном циклах нагружения, являющимися предельными случаями изменения напряжений в зависимости от степени стесненности пластических деформаций в этих зонах, а также от характера изменения внешней нагрузки.

Технологическая схема исследования приведена на рис.8.

а ->^0

Рис. 8 Технологическая схема изучения прочности сварных соединений (1 - малоуглеродистые стали, 2 - низколегированные стали, 3 - сварочный аппарат, 4 - сварные соединения, 5 - нагрузочная машина, б - измеритель деформаций, 7 - первичные эмпирические данные, 8 - вычислитель, 9 - обработанные данные, 10 - анализатор химического состава, 11 - компаратор сравнения с моделями, 12 - результаты сравнения модельных и эмпирических данных, 13 - анализатор результатов, 14 - новые данные и знания)

Изучение кривых циклического деформирования сводилось в основном к исследованию в условиях мягкого нагружен»? закономерностей изменения ширины петли гистерезиса, характеризующей пластические свойства материала в каждом цикле нагружения, и суммарной пластической деформации, характеризующей односторонне накопленную пластическую деформацию после ¿полуциклов нагруженая.

Показано, что прочность целого сварного соединения для всех марок стали лимитируется прочностью основного металла: металл шва и металл переходной зоны обладают более высоким сопротивлением возникновению пластических деформаций и пределом прочности по сравнению с основным металлом и более низкими показателями пластичности. Следует отметить, что в отличие от металла шва и металла переходной зоны основной металл и целое сварное соединение для всех исследованных марок стали имели протяженную площадку текучести.

Ширина петли ~б'Х> у основного металла сталей СтЗсп, 09Г2С и 10ХСНД оставалась постоянной (циклическая стабильность), а у основного металла стали 16Г2АФ — после стабилизации при к <10, .¿г"1 увеличивалась (циклическое разупрочнение) вплоть до разрушения. Циклическое разупрочнение свойственно зонам сварного шва — металлу шва и металлу переходной зоны, а также целому сварному соединению исследованных малоуглеродистых и низколегированных сталей. Причем наибольшей степенью циклического разупрочнения, как правило, обладает металл шва.

Исследование выявило также, что в отличие от циклических изотропных материалов (основного металла сталей СтЗсп и 10ХСНД) у основного металла сталей 09Г2С, 16Г2АФ и металла сварных соединений (металл шва, металл переходной зоны и целого сварного соединения) всех исследованных марок стали ширина петли в полуциклах растяжения (четные полуциклы) больше ширины петли в полуциклах сжатия (нечетные полуциклы), т. е. они обладают циклической анизотропией механических свойств. Разность д'*' между шириной петли в полуциклах растяжения и полуциклах сжатия определяла величину поциклового накопления односторонних пластических деформаций ер' '.

При жестком нагружении максимальные напряжения цикла изменяются при постоянном размахе деформаций.

Зависимость ширины петли 5 при мягком нагружении от числа полуциклов к при заданной деформации е(0> нулевого полуцикла для металла сварных соединений исследованных марок можно записать в виде:

гт=5шехр[Р(к-1)], (10)

где 8 - ширина петли в первом полуцикле; р - постоянная материала, зависящая от деформации е<0>.

Ширина петли в первом полуцикле и параметр Р (для циклически ра-зупрочняклцегося материала) линейно связаны с деформацией ет нулевого полуцикла:

-?> = А (е(0> р = С (е(0> -Ц-), (11)

где А - постоянная материала, характеризующая сопротивление деформированию в первом полуцикле нагружения; С - постоянная материала; /2 - предел пропорциональности в первом полуцикле. '

Как следует из приведенных данных, различные зоны сварных соединений исследованных малоуглеродистых и низколегированных сталей обладают контрастными циклическими свойствами, характеризуемыми различной степенью анизотропии и разупрочнения, а также существенно неодинаковым накоплением односторонних пластических деформаций.

Анализ экспериментальных данных показал, что сварные соединения обладают различным сопротивлением малоцикловому разрушению в зависимости от статической прочности и циклических свойств металла различных зон. Так, малоцикловую прочность сварных соединений низколегированных сталей после 102 циклов нагружения лимитирует металл шва, тогда как для малоуглеродистой стали ВМСтЗ независимо от степени раскисления экспериментальные точки для металла шва и металла переходной зоны лежат несколько выше или в общей полосе разброса с основным металлом, который и определяет несущую способность целого сварного соединения при р=0.

Металл переходной зоны во всех случаях занимает промежуточное положение между основным металлом и металлом шва.

У сварных соединений низколегированных сталей максимальным сопротивлением малоцикловому разрушению обладает сталь 16Г2АФ, минимальным - 09Г2С. С увеличением числа циклов до разрушения (более 104) циклическая прочность сварных соединений исследуемых низколегированных сталей становится примерно одинаковой. Анализ циклических диаграмм деформирования и кривых изменения относительного сужения площади поперечного сечения показывает, что это можно объяснить более интенсивным накоплением односторонних пластических деформаций у металла сварных соединений сталей 16Г2АФ и 10ХСНД по сравнению со сталью 09Г2С в квазистатической области. У сварных соединений малоуглеродистых сталей более низким сопротивлением малоцикловому разрушению обладает СтЗкп в соответствии с более низкой статической прочностью, в то время как отношение разрушающих чисел для основного металла ВМСтЗ при заданном значении максимального напряжения цикла сохраняется примерно постоянным, не зависящим от степени раскисления.

Для металла шва и переходной зоны наблюдается завышение экспериментальных данных по сравнению с расчетными, однако с увеличением прочности стали эта разница уменьшается. Для целого сварного соединения имеет место резкое различие между полученными данными по разрушению и расчетной кривой усталости. Это можно объяснить тем, что при построении

расчетной кривой брали характеристики пластичности основного материала, так как разрушение как при однократном, так и при циклическом нагружении происходило по основному материалу. Следует заметить, что данные по разрушению сварного соединения хорошо соответствуют расчетной кривой для металла шва, однако это совпадение не является характерным. Полученные различия в прочностных характеристиках зон сварного соединения, а также возможное отклонение их от расчетных кривых усталости, заложенных в нормы расчета, необходимо учитывать при оценке несущей способности сварных конструкций, когда разрушение (образование трещины) в зависимости от типа сварного соединения и схемы передачи усилий может локализоваться в определенной зоне сварного соединения.

В результате реализации проекта 3.1 получены отсутствующие в литературе новые данные и новые знания о прочности исследованных малоуглеродистых и низколегированных сталей в условиях малоциклового нагружения.

Проект 3.2 - влияние технологических факторов на малоцикловую усталость сварных соединений строительных сталей

Сопротивление малоцикловому деформированию и разрушению сварных соединений в общем случае зависит от механических свойств металла сварных соединений, режима нагружения и напряженного состояния в сварных соединениях. На механические свойства и напряженное состояние сварных соединений существенное влияние оказывают технологические факторы их изготовления.

В связи с этим для исследований были выбраны низколегированные строительные стали различных классов прочности: стали обычной прочности - марки 09Г2С (С 46/33), сталь повышенной прочности - марки 10ХСНД (С 52/40), а также перспективные высокопрочные стали марок 26Г2АФ (С 60/45) и 12ГН2МФАЮ (С 70/60). Сталь исследовали в состоянии поставки: 10ХСНД и 12ГН2МФАЮ в закаленном и отпущенном состоянии; 09Г2С и 16Г2АФ - в нормализованном. Исследования проводили на стыковых соединениях, выполненных с Х-образной разделкой кромок без термообработки. Варьировали следующие технологические факторы: вид сварки, непровар, подрез, угловатость.

Сварные соединения выполняли тремя широко распространенными видами дуговой сварки: ручной - металлическими электродами с покрытием, автоматической в среде С02, автоматической под флюсом и электрошлаковым способом с порошково-присадочным материалом.

Малоцикловые испытания образцов проводили при жестком и мягком симмегрич-ном нагружении растяжением-сжатием на машине УМЭ-10Т с частотой (0,5-2) цикла в минуту при деформациях (0,1-2)%.

Исследование влияния на малоцикловую усталостную прочность технологических дефектов типа непровара, подреза, угловатости проводили на стыковых соединениях, выполненных из листового проката толщиной 20 мм для стали марки 10ХСНД, 25 мм для 16Г2АФ и 12 мм для 12ГН2МФАЮ с сохранением поверхностной окалины. Образцы сваривали вручную с применением электродов УОНИ 13/55 для стали марки 10ХСНД, УОНИ 13/65 - для стали 16Г2АФ и УОНИ 13/85,- для стали 12ГН2МФАЮ. Шов накладывали в несколько слоев при силе тока (220-250) А и напряжении дуги 35 В. Сварные соединения испытывали ври осевом растяжении и пульсирующем цикле нагрузки на отечественных гидравлических машинах УММ-100 и МУП-100. Частота приложения нагрузки составляла соответственно 10 и 300 циклов/мин. в зависимости от базы испытания.

Часто встречающимся дефектом сварки является непровар, возникающий из-за большего, чем необходимо, притупления кромок, отсутствия требуемых зазоров между свариваемыми элементами, малого угла раскрытия кромок, применения электродов большого диаметра, низкой квалификации сварщиков и т.д. При отсутствии должного контроля в процессе изготовления возможен выпуск конструкции со сварными соединениями, имеющими дефекты этого типа. Особенно опасен такой дефект в конструкциях, подвергаемых циклическим воздействиям, так как становится возможным увеличение обшей длины дефекта за счет развития трещины от непровара уже при незначительных амплитудах нагрузки. Таким образом, весьма важно количественное обоснование допустимой величины непровара. Такие данные применительно к сталям повышенной и высокой прочности, в настоящее время являются неполными. Требуется их дополнение путем эксперимента. Действующие СНиП III-18-75 на «Правила производства и приемки работ металлических конструкций» для сталей с пределом текучести стт<400МПа при температуре до минус 40 °С допускают дефекты в виде непровара глубиной до 5% толщины металла, но не более 2 мм при длине непровара не более 50 мм (п. 1,56 а).

Для оценки влияния величины непровара на сопротивление усталости были изготовлены и испытаны образцы как с качественно выполненным швом, так и с гарантированными величинами непровара, составляющими для стали марки 10ХСНД (2 и 4) мм, для стали марки 16Г2АФ (2-2,5) и (3-4) мм, для стали марки 12ГН2МФАЮ (1,0-1,5) и (2,0 -2,5) мм (8-10% и 15-20% толщины соответственно).

Весьма распространенным дефектом сварных соединений является подрез сварного шва. С целью количественной оценки влияния подреза шва на сопротивление усталости сварных соединений были изготовлены сварные образцы с сознательно допущенным лимитированным подрезом шва, радиус и глубина которого находились в пределах (1,0-1,5) мм. Указанная величина подреза находится в пределах допускаемых СНиП Ш-18-75, п. 1.51, в.

При изготовлении сварных конструкций (особенно листовых) практически не удается избежать угловатости в зоне стыковых швов ввиду неравномерной по толщине поперечной усадки их при остывании. Опыт изготовления шаровых сварных газгольдеров показывает, что избежать угловатости не удавалось даже применением Х-образной разделки кромок.

Для исследований изготавливали усталостные образцы с угловатостью 8 мм на длине 1 м. Это значение угловатости допускается техническими условиями на изготовление газгольдеров и может быть обеспечено существующим уровнем технологии изготовления сварных конструкций.

По данным проекта 3.2 показано:

1. Вид сварки (ручная, автоматическая под слоем флюса, в среде С02 и электрошлаковая с ППМ) оказывает незначительное влияние на малоцикловые прочностные и деформационные свойства отдельных зон сварного соединения. Некоторое преимущество по долговечности (до 2,5 раз) имеют автоматизированные виды сварки.

2. Технологический дефект сварки типа непровара глубиной 15-20% от толщины соединения снижает малоцикловую прочность: по долговечности в 5-6 раз, а по напряжениям до 1,5 раз по сравнению с бездефектным соединением. Непровары глубиной до 10% практически не оказывают влияния на малоцикловую прочность соединения.

3. Подрезы глубиной до 1,5 мм снижают малоцикловую прочность сварных соединений только для высокопрочных сталей (типа 12ГН2МФАЮ): по долговечности в 5 раз, по напряжениям в 1,5 раза.

4. Влияние угловатости соединения величиной 8 мм на 1 м проявляется при числах циклов нагружения, превышающих 104, и составляет на базе N = 5-105 от 1,3 до 1,7 раз по напряжениям.

Проект 33 - изучение малоцикловой усталости строительных сталей в агрессивных средах

Некоторые виды строительных металлоконструкций (такие как скрубберы газоочистных систем, газгольдеры и др.) эксплуатируются в условиях воздействия агрессивных сред и циклически изменяющихся нагрузок, что приводит к их преждевременному изнашиванию и выходу из строя.

До настоящего времени влияние сред на малоцикловую усталость исследовали, в основном, на машиностроительных сталях при пульсирующих напряжениях (изгиб, растяжение) в средах, не характерных для работы строительных металлоконструкций. В связи с этим представляло интерес изучить влияние коррозионной среды на циклическую прочность строительных сталей при малом числе циклов нагружения.

Эксплуатационными средами для циклически нагружаемых сварных металлоконструкций являются коррозионные среды, содержащие сульфаты совместно с хлоридами, а также среды с фторидами. Для исследований отобраны следующие растворы: 0,1 н. Н2804 + 3% КаС1 (I) и 60 г/л ЫаС1 + 5 г/л ЫаР, рН = 6,8 (II). Испытания при симметричном мягком и жестком нагруже-нии выполняли как на основном металле, так и на сварных соединениях сталей марок 10ХСНД и 16Г2АФ.

Влияние коррозионной среды I на малоцикловую прочность исследовали на гладких цилиндрических образцах со сварным швом после их предварительной выдержки в этой среде. Концентрации растворов были выбраны с таким расчетом, чтобы коррозионные повреждения материала соответствовали повреждениям, встречаемым в практике.

Время предварительной выдержки образцов соответствовало длительности последующего циклического нагружения на предполагаемой базе испытаний. С учетом изменения частоты нагружения (которое зависит от уровня нагружения), составлявшей (0,751,25) циклов/мин., продолжительность выдержки колебалась от 5 ч (при 200 циклах) до 134 ч (при 10 000 циклов). После выдержки в среде образцы высушивали и до начала опытов хралили в эксикаторе. На каждом уровне испытывали не менее двух образцов. Контрольные эксперименты проводили на воздухе. Перед погружением в емкость с коррозионной жидкостью захватные части образцов покрывали слоем расплавленного парафина, что защищало их от коррозии.

Влияние коррозионной среды II на малоцикловую прочность исследовали на трубчатых образцах только на основном металле стали марки 10ХСНД. Раствор заливали внутрь образца, для чего нижнее отверстие закрывали резиновой пробкой. В таком состоянии о6-

разцы выдерживали в течение 30 и 90 суток. Из-за малого объема раствора его заменяли каждые 5 суток. В процессе испытаний раствор находился внутри образца. С наружной стороны измеряли деформацию его рабочей части.

Испытания обоих типов образцов проводили при комнатной температуре на машине УЭМ-10Т в режиме мягкого и жесткого симметричного нагружения с частотой (1-2) цикла/мин. Образцы для исследований вырезали из листов толщиной (30-40) мм поперек направления проката. В ходе экспериментов осуществляли автоматическую запись нагрузки и деформаций.

Судя по результатам малоцикловых испытаний цилиндрических образцов со сварным соединением из сталей марок 10ХСНД и 16Г2АФ, выдержка в коррозионной среде I не снижает их статической и циклической прочности. Малоцикловая долговечность при мягком и жестком нагружении образцов как в коррозионной среде, так и на воздухе описывается одной усталостной кривой. Осмотром наружной поверхности рабочей части образцов выявлены следы язвенной коррозии, причем в некоторых случаях околошовная зона оказывалась пораженной ею в большей степени. Однако разрушение при статическом и малоцикловом нагружении происходило, как правило, по основному металлу. Зафиксированное при этом снижение прочностных циклических характеристик основного металла в сварном соединении несколько условно, так как связано с особенностью методики измерения продольных деформаций на гладких образцах, дающей интегральную величину деформации рабочей части образца. В действительности же деформация в основном металле выше, чем замеренная, из-за имеющего место перераспределения упру-гопластических деформаций в сварном соединении.

Практическое отсутствие влияния предварительных коррозионных повреждений на сопротивление малоцикловому деформированию подтверждено анализом диаграмм циклического упругопластическрго деформирования. Кривые изменения ширины петли гистерезиса 8 и накопления пластических деформаций ер т с числом полуциклов нагружения для обеих марок стали качественно подобны.

Эти повреждения недостаточны, чтобы ускорить зарождение поверхностной микротрещины. Кроме того, вредное влияние коррозионных язв, по-видимому, сглаживается в начальный период нагружения, когда пластическая деформация при данной скорости нагружения равномерно распределяется по всей рабочей поверхности образца.

Однако более продолжительная предварительная выдержка в коррозионной среде II и последующее циклическое нагружение в условиях воздействия этой среды проявляется в существенном уменьшении долговечности трубчатых образцов. Так, при мягком нагружении образцов из стали 10ХСНД на уровне предела текучести материала количество циклов до разрушения сократилось до двух раз.

В этом случае исследовали образцы с предварительной выдержкой, равной 30 суткам. При жестком нагружении образцов, пребывавших в коррозионной среде 90 суток, долговечность снизилась в 3-4 раза в зависимости от числа циклов нагружения. Здесь также преобладает роль среды, однако слой

поврежденного металла больше. Циклические упругопластические свойства материала при этом не изменяются. Однако при коррозионно-механических испытаниях в жестком режиме значительно уменьшается время до появления трещины, о чем свидетельствует изменение максимального размаха напряжений с числом полуциклов при жестком нагружении. Резкое падение циклических напряжений соответствует началу формирования макротрещины, развивающейся от коррозионных повреждений. Трещины в трубчатых образцах зарождаются, как правило, на внутренней поверхности (со стороны действия коррозионной среды) и распространяются преимущественно по внутреннему периметру, в дальнейшем продвигаясь к наружной поверхности рабочей части образца. В то же время на контрольных образцах усталостные трещины развиваются как внутри, так и снаружи.

Значения показателя от в уравнении Коффина-Мэнсона, описывающем усталостную кривую жесткого нагружения, в данной работе были неизменными. При этом отношение числа циклов до появления трещины в контрольных образцах и в образцах с коррозионными повреждениями примерно равно отношению разрушающих чисел-циклов для этих образцов. Это говорит о том, что коррозионная среда за время циклических испытаний продолжительностью до 13 ч не сказалась на скорости распространения трещин в стали 10ХСНД.

Результаты исследований влияния агрессивных сред на малоцикловую усталость строительных сталей позволяют сделать следующие выводы. Коррозионные среды, содержащие хлориды с сульфатами или фторидами, не влияют на сопротивление сталей деформированию и распространению трещин при малоцикловом нагружении. Уменьшение'же их долговечности в средах при малоцикловом нагружении связано с началом формирования трещины, инициируемой коррозионным повреждением, величина которого зависит от длительности контакта металла с агрессивной средой.

Проект 3.4 - изучение влияния высоких и низких температур

В составе проекта реализовано два подпроекта.

Подпроект 3.4.1 - изучение закономерностей малоциклового деформирования и разрушения металла сварных соединений строительных сталей при повышенных (до +600°С) температурах.

Ряд крупных сварных металлических конструкций - кожухи воздухонагревателей доменных печей, воздуховоды горячего дутья, корпуса и опорные кольца конвертеров - эксплуатируются при изотермическом повторно-статическом нагружении в условиях повышенных температур (до 600 °С). Практика эксплуатации указанных конструкций показывает, что в зонах конструктивной и технологической концентрации напряжений усталостные трещины возникают уже через 1,5...2 года эксплуатации, т. е. через 102... 104 циклов нагружения. Причем в зависимости от формы сварного соединения (коэффициента концентрации напряжении) и уровня номинальных напряжений усталостная трещина может зародиться в любой его зоне - металле шва

(МШ), околошовной зоне (ОШЗ) или основном металле (ОМ). В связи с этим для более полного учета действительной работы таких конструкций было необходимо оценить их несущую способность по критериям малоцикловой прочности в условиях повышенных температур.

В настоящей работе исследовали сопротивление высокотемпературному изотермическому статическому и малоцикловому (жесткому) нагружению металла сварных соединений стали 09Г2С электрошлакового переплава, применяемой для изготовления указанных конструкций. Изломы образцов изучали методами электронной фрактографии, при этом исследовали тонкую структуру стали.

Статические и малоцикловые испытания проводили на машине УМЭ-10Т на лабораторных трубчатых образцах с корсетным сужением в исследуемой зоне шва. Такая форма образцов обеспечивала достаточную однородность напряжений и деформаций при одноосном растяжении-сжатии (аа= 1,045) и позволяла избегать потери устойчивости в полуцикле сжатия при больших амплитудах деформаций и высоких температурах. Нагрев образцов осуществляли печным радиационным способом. Градиент температур в исследуемом поперечном сечении не превышал 0,5%. Колебание заданной температуры при длительном циклическом нагружении не превышало ±5%. Деформации измеряли поперечным деформометром с водяным охлаждением.

Образцы для испытаний вырезали из листового проката (толщиной 100 мм), поставляемого в горячекатаном состоянии с последующей нормализацией (920...930 °С). Химический состав стали 09Г2С следующий, %: 0,08 С; 1,40 Мп; 0,007 S; 0,019 Р; 0,67 Si; 0,05 Сг; 0,08 Ni; 0,09 Си; 0,018 А1. Сварку пластин производили штучными электродами УО-НИ-13/55.

Измерены статические механические характеристики отдельных зон сварного соединения, полученные при фиксированных повышенных температурах.

Пластичность, характеризуемая коэффициентом поперечного сужения, определенным путем замера толщины стенки разрушенного образца, значительно изменяется с повышением температуры до 600 °С (для ОМ она увеличивается в два раза). Известно, что по кривым статического растяжения можно установить, склонен ли материал при данной температуре испытания к деформационному старению и как велика интенсивность его протекания. Так, при температуре интенсивного протекания деформационного старения наблюдается непропорциональное снижение предела текучести и предела прочности по сравнению с аналогичными величинами при нормальной температуре (о0,2201 Оо.2Т, ов20/ овТ), а также наибольшая разность их (овТ- оо,2Т)-

Анализ табличных данных и полученных зависимостей показал, что для основного металла такими температурами являются (250...350)°С, для металла ОШЗ - (300...400)°С. Отметим, для этих интервалов температур характерно и набольшее значение запаса пластичности, характеризующегося отношением ОвГ- 0о,2Т. Таким образом, для ОМ величина у не служит характеристикой, выявляющей его склонность к деформационному старению. При температуре 600 °С исследуемые материалы обладают контрастными механическими статическими характеристиками по сравнению с таковыми при нормальной температуре: а0/°/ о0/00=2,3 и 6,6; ет20/етш=2 и 4,5 и ов20/ ов =2,2 и 4,1 для ОМ и ОШЗ соответственно.

Нами показано, что основной металл при нормальной температуре обладает довольно протяженной площадкой текучести (~1,4%, что соответствует 9ет), которая сменяется областью самоупрочнения с модулем упрочнения

ôvë=13,6-10*3 (ô-= a/o0,2 и ë= е/ет). Однако с повышением температуры испытаний площадка текучести исчезает, а темп упрочнения снижается до 3,75-10'3, кроме температуры 300 °С - температуры максимального деформационного старения. У металла ОШЗ площадка текучести отсутствует из-за стесненности развития пластических деформаций в сравнительно узкой прослойке между ОМ и МШ. Наибольший темп упрочнения для ОШЗ наблюдается при 600 °С, наименьший - при 200 °С.

Необходимо отметить, что по кривым статического нагружения можно судить о поведении материала при циклическом нагружении в условиях, моделирующих эксплуатационные. При этом тип материала (циклически упрочняющийся, разупрочняющийся или стабилизирующийся) характеризуется величиной равномерной деформации ув= ев/еобщ: где ев - деформация, соответствующая пределу прочности аВ- Для упрочняющихся материалов tjb>0,5, для разупрочняющихся r¡B<0,5, для циклически стабилизирующихся ijB а0,5, т.е. длительность различных стадий (упрочнение или разупрочнение) определяется степенью отличия значения ijB от 0,5. В то же время интенсивность упрочнения определяется пластическими свойствами и зависит от соотношения (авт - oft2T)/ овТ. Чем больше эта величина, тем интенсивнее упрочняется материал. Отметим также, что при повышении температуры испытаний исследуемых материалов резко увеличивается значение равномерной деформации rjB, причем длительность периода упрочнения возрастает с повышением уровня температуры {увЮ> Vb3¡>0> Чв°)- Увеличение rjB с повышением температуры для данных материалов связано с тем, что процесс их деформационного старения усиливается с ростом температуры и является, как было показано выше, максимальным в интервале (250...400)°С Дальнейшее повышение температуры приводит к уменьшению ijb вследствие разупрочнения материала от перестаривания (коагуляции выделившихся дисперсных частиц), и разупрочняющийся эффект температуры будет превалирующим.

Проявление указанных закономерностей сопротивления статическому растяжению для металла ОШЗ носит более сложный характер, что, по-видимому, связано как с некоторой методической условностью исследования узкой прослойки металла, стесненной с двух сторон более жесткими (особенно при повышенных температурах) зонами сварного соединения, так и с внутренней структурной нестабильностью ОШЗ, обусловленной многократным наложением термических циклов сварки (закалка, отпуск) толстолистовой стали.

Таким образом, для исследуемого сварного соединения стали 09Г2С характерна механическая неоднородность различных зон: металл ОШЗ обладает пониженными механическими характеристиками при повышенных темперературах по сравнению с ОМ, причем рост температуры увеличивает эту разницу, неоднозначно изменяя характер поведения отдельных зон сварного соединения.

Тип материала определяет характер накопления повреждений и сопротивления деформированию при малоцикловом нагружении.

Нами получены зависимости размаха циклических напряжений от числа полуциклов при жестком нагружении для различных зон сварного соединения в условиях повышенных температур.

Анализ этих зависимостей показал, что сталь 09Г2С при нормальной температуре является циклически стабильньм материалом, таким же как горячекатаная сталь 09Г2С, а металл ОШЗ и МШ — слабо циклически разу-прочняющимся материалом. Повышение температуры испытаний вызывает упрочнение всех зон сварного соединения в течение первых десяти полуциклов нагружения, особенно интенсивных в интервале температур динамического деформационного старения. При дальнейшем деформировании исследуемых материалов обнаруживается существенная зависимость циклических свойств от температуры испытаний. Так, в интервале температур (300...450) °С материал всех зон сварного соединения является циклически упрочняющимся, в этом случае рост напряжений происходит вплоть до образования трещин. А в интервале температур (500...600)°С материалы переходят в высокопластичное состояние, характеризуемое значительным снижением прочностных и повышением пластических свойств, при этом отмечается «возврат» первоначальных циклических свойств.

Заметим, что при одинаковых абсолютных амплитудах деформаций разница в величинах циклических напряжений 8шах для одной зоны сварного соединения может составлять 8гаах20/ Бтахт~2,7 (для ОМ при цикл), для разных зон - от 1,5 (8иахом/ 8тахошз при 300 °С) до 2,8 (8тахмш/ 8тахошз при 200 °С).

Исследования сопротивления малоцикловому деформированию при жестком нагружении разнородных по своим физико-механическим свойствам зон сварного соединения в широком диапазоне повышенных температур подтвердили существование обобщенной диаграммы циклического упругопла-стического деформирования, отображающий связь между напряжениями и деформациями в каждом отдельном полуцикле нагружения.

Нами получены экспериментальные кривые циклического деформирования для различных состояний металла сварного соединения при температурах наиболее контрастного проявления циклических свойств. Из этих материалов следует, что при расчете напряженно-деформированного состояния наиболее нагруженных конструктивно-технологических зон конструкций, эксплуатирующихся при малоцикловом нагружении в условиях изотермического нагрева, необходимо использовать дифференцированные характеристики металла сварного соединения.

Характеристики сопротивления металла сварного соединения статическому и малоцикловому изотермическому деформированию определяют прочность и характер разрушения элемента конструкции при малоцикловом нагружении в условиях повышенных температур. Анализ экспериментальных данных показал, что расположение усталостных кривых при жестком нагружении для ОМ и ОШЗ в условиях повышенных температур соответствует исходной пластичности, определенной при статическом растяжении. Отметим, что в относительных координатах е° = еа/ет разница в числе циклов до

разрушения с повышением температуры от (20 до 600)°С может достигать порядка и более. Однако в абсолютных координатах эта разница уменьшается и экспериментальные точки могут находиться в общей полосе разброса, что связано с нелинейным характером изменения деформации предела текучести материала в зависимости от температуры.

Необходимо отметить, что экспериментальные данные для ОМ при по. вышенных температурах удовлетворительно описываются уравнением Коф-фина: еа-1Г - Сч »справедливым для условий разрушения при жестком на-гружении в области малых чисел циклов, когда определяющей в формировании долговечности является величина пластической составляющей деформации за цикл. Однако с ростом числа циклов до разрушения пластическая деформация становится соизмеримой с упругой. В этом случае экспериментальные данные лучше описываются уравнением Мэнсона:

' 02)

где еа — амплитуда упругопластической деформации за цикл нагружения; а.;— предел выносливости; Е — модуль упругости; т — константа материала, соответствующая наклону кривой усталости; Сг — константа материала, зависящая от коэффициента относительного сужения Ст=у1п (1- ч*)"1, где у — коэффициент, зависящий от значений V, при у <50% у = 0,5, при чо50% у = 0,25.

Из сравнения экспериментальных и теоретических кривых для ОМ видно, что последние лежат несколько выше экспериментальных, особенно при Ы>103 цикл и Т>450 °С, поскольку размах упругой деформации еу с повышением температуры уменьшается. Это согласуется с данными работы, в которой на циклически разупрочняющейся мартенситной нержавеющей стали, содержащей 12 % хрома, при повышении температуры от 20 до 600 °С наблюдалось уменьшение еу в два раза.

Отметим, что наибольшая разница в циклической прочности ОМ (до двух раз по амплитуде деформации) для различных температур наблюдается при весьма малом числе циклов нагружения (Ж103 цикл), когда велика роль исходной пластичности. При большом числе циклов нагружения, как отмечалось выше, эта разница исчезает и экспериментальные точки лежат в общей полосе разброса. Однако наименьший циклической прочностью обладает материал в диапазоне температур динамического деформационного старения — (200...400) °С.

Структуру и поверхность разрушения изучали с помощью электронного микроскопа ТЕЙЬА-В8-540 с ускоряющим напряжением 120 кВ по стандартным методикам (тонкие фольги и угольные экстракционные реплики). В связи с существенным окислением поверхности металла в зоне стабильного роста трещины в условиях высоких температур изломы усталостных образцов исследовали только при температурах ниже 300 К. Тонкую структуру изучали во всем рассматриваемом диапазоне повышенных температур (200...550 °С).

Нами показано, что распространение усталостной трещины в образце, испытанном при 200 °С, происходит по микромеханизму развития усталостных бороздок, которые ориентированы перпендикулярно направлению рас-

пространения усталостных трещин. В ряде случаев соседние усталостные бороздки разделены ступенями. Ширина усталостных бороздок составляет 1,75 мкм. Переход из усталостной зоны в зону нестабильного роста трещины сопровождается сменой микромеханизма разрушения. В дальнейшем трещина распространяется по вязкому ямочному микромеханизму. Видно, что разрушение происходит с участием сдвиговой компоненты. Это согласуется с существованием протяженной зоны среза в изломах трубчатых образцов, наблюдаемой визуально. В зоне нестабильного роста трещины в образцах, испытанных в интервале температур (20...550) °С, разрушение носило вязкий характер.

Таким образом, разрушение образцов из ОМ в зоне стабильного роста трещины при температурах <200 °С осуществляется по микромеханизму развития вязких усталостных бороздок. Признаков хрупкого разрушения в усталостной зоне не обнаружено.

На сделанных нами электронных микрофотографиях стали 09Г2С-ЭШП в состоянии поставки видны зерна феррита и отдельные колонии перлита. Дислокации в зернах феррита распределены в основном квазиоднородно, образуя в ряде случаев отдельные скопления. Плотность дислокаций составляет -5-Ю12 и"2.

Образцы, испытанные на малоцикловое нагружение при 200 °С, характеризуются развитой дислокационной субструктурой. Видны субзерна размером (0,5...1) мкм. В отдельных субзернах плотность дислокаций достигает ~ 1014м'2. Дифракционный анализ показал, что в пределах зерна феррита Ра-зориентация смежных субзерен достигает нескольких градусов. Это указывает на существенное деформационное упрочнение стали в процессе цикличного нагружения (ав=173 МПа, Np= 1570 цикл). В ряде случаев в отдельных зернах феррита наблюдаются развитые полосы скольжения. Подобную структуру сталь имеет на стадии зарождения устойчивых полос скольжения.

В образце, испытанном на усталость при 550 °С, также отмечается развитая субзеренная структура. Плотность дислокаций в зернах феррита составляет примерно 101 м*, что заметно ниже по сравнению с образцами, испытанными при 200 °С. Характер дислокационной структуры показывает на заметное развитие в стали при 550 °С процессов возврата и полигонизации. Разориентация смежных субзерен также достигает нескольких градусов. Встречаются участки протяженных субграниц, характерных для начальных стадий развития устойчивых полос скольжения.

Сопоставление структуры образцов, испытанных на усталость при 200 и 550 °С, указывает на существенно большую степень развития в условиях циклического нагружения процессов возврата и полигонизации при температуре 550 °С. При обеих температурах нагружения выявлены структурные признаки развития устойчивых полос скольжения. Однако объемная доля участков металла, занятых зонами разупрочнения, невелика (не более 1 %).

Таким образом, в процессе малоциклового нагружения при 200 и 550 °С преобладают процессы деформационного упрочнения, приводящего к появлению в зернах феррита субзеренной структуры.

В результате проведенных исследований сопротивления статическому и малоцикловому деформированию и разрушению металла сварных соединений стали 09Г2С-ЭШП в широком диапазоне повышенных температур выявленные закономерности представляется возможным трактовать с единых позиций изменения структурного состояния материала под действием нагрузки и температуры. В частности, повышение температуры способствует увеличению подвижности дислокаций, т.е. снижению прочности материала. С другой стороны, по-видимому, в интервале температур (200...400) °С в основном металле и металле околошовной зоны стали 09Г2С интенсифицируются процессы динамического деформационного старения, т.е. процессы взаимодействия атомов N и С с дислокациями, когда при движении дислокаций затрудняется их отрыв от атмосферы примесных атомов внедрения.

Упрочняющий эффект динамического деформационного старения приводит к росту напряжений при жестком нагружении до уровня предела прочности материала при данной температуре. В указанном диапазоне температур основной металл (как следует из анализа результатов макрофрактографичес-ких исследований) обладает повышенной чувствительностью к трещине. Однако и в этом случае развитие усталостной трещины, как показали электронно-микроскопические исследования, носит вязкий характер. Иными словами, процессы динамического деформационного старения (ДЦС), протекающие при малоцикловом жестком нагружении, сравнительно слабо охрупчивают сталь 09Г2С-ЭШП. Это находит отражение в усталостной прочности данной стали, практически не снижающейся в интервале температур (200 ...400) °С, в отличие от циклической прочности при нормальной температуре.

В связи с изложенным сталь 09Г2С-ЭШП можно отнести к материалам со слабо выраженной склонностью к деформационному старению по сравнению, например, со сталью 22К, циклическая долговечность которой при температурах (270...350) °С, соответствующих диапазону температур ДДС, снижается в (1,5-2) раза. Отмеченное отличие связано с тем, что в стали 22К содержится почти в два раза больше углерода, важнейшего карбидообра-зующего элемента, обусловливающего деформационное старение.

Поскольку в рассмотренном интервале температур исследуемый материал становится циклически упрочняющимся, его работа в зонах концентрации напряжений, где развитие пластических деформаций ограничено, менее благоприятна, так как образование и развитие хрупкой трещины следует ожидать в направлении наибольшего стеснения пластических деформаций. С другой стороны, в связи с тем, что для данного структурного состояния стали 09Г2С-ЭШП характерно развитие трещины по микромеханизму вязкого разрушения, проявление указанного эффекта может быть ослаблено.

При дальнейшем повышении температуры до (550...600)°С интенсифицируются процессы возврата и полигонизании, связанные с уменьшением плотности дефектов кристаллической решетки, которые возникают в ходе циклического нагружения. Напряжение течения снижается, одновременно увеличивается диаметр субзерен. Сталь 09Г2С-ЭШП переходит в высокопластичное состояние, характеризуемое большим коэффициентом поперечного

сужения и малым сопротивлением возникновению упругопластических деформаций. Материал опять становится циклически стабильным и слабо циклически разупрочняющимся. Малоцикловая прочность при жестком нагру-жении несколько повышается, особенно при весьма малом числе циклов на-гружения. Снова снижается чувствительность материала к трещине. В зоне долома реализуется механизм макросреза. Указанные процессы, протекающие при температурах (550...600)°С, должны благоприятно отразиться на работе материала в зонах концентрации напряжений, что обусловлено снижением напряжений и большой исходной пластичностью.

Для сварных футерованных конструкций типа кожухов доменных печей и воздухонагревателей разработана толстолистовая низколегированная сталь 09Г2МФБ (ТУ 14-1-4473-88) с повышенным сопротивлением хрупкому разрушению. В нормализованном состоянии эта сталь (лист толщиной до 50 мм включительно) удовлетворяет следующим требованиям: ^¡>480, сто2>333 Н/мм2, §5>21°/о, КСУ20>39 мДж/м2, доля волокна в изломе при -20 °С не менее 40%. Нормирование доли волокна в изломах образцов с острым концентратором при -20 °С предотвращает вероятность возникновения протяженных хрупких трещин при положительной или нулевой температуре эксплуатации листовой конструкции. Для сравнения следует отметить, что для стали 09Г2С-15, аттестованной на образцах I типа по ГОСТ 9454-78, критическая температура хрупкости Т5о может располагаться в положительной области температур, достигая (+35......+40)° С.

Однако надежность сварных конструкций против трещинообразования требует также повышенного сопротивления металла воздействию высоких (300-600 °С) температур эксплуатации в зонах перегрева. Последнее обстоятельство возникает при нарушении нормального хода технологических процессов или разрушения футеровки листовой конструкции.

В работе исследовано влияние повышенной температуры эксплуатации на малоцикловую прочность и трещиностойкость низколегированной стали 09Г2МФБ. Сталь конвертерного производства НТМК прокатана на лист толщиной 50 мм и подвергнута нормализации при 930 "С в течение 1 ч.

Испытания на малоцикловую усталость проводили на цилиндрических образцах корсетного типа (минимальный диаметр 10 мм, К{ = 1,05). Характеристики статической трещиностойкости К]с (К с) и 8с определяли на компактных образцах с усталостными трещинами, испытываемыми на внецентренное растяжение. При изучении характеристик трещиностойкости сварных стыковых соединений использовали образцы с усталостной трещиной, расположенной по центру сварного шва и в околошовной зоне.

Склонность стали к тепловой хрупкости оценивали после выдержки заготовок в муфельной печи при 450 °С в течение 500 ч. Температуре 450 °С соответствует максимуму развития в низколегированных сталях явления тепловой хрупкости.

Нами проведены испытания стали 09Г2МФБ в нормализованном состоянии (структура феррит+перлит) в диапазоне температур (+20...+600) °С. Для сравнения приведены результаты испытаний нормализованной стали 09Г2С из проката той же толщины.

Показано, что характеристики прочности ав, о0,2 и пластичности 55, у стали 09Г2МФБ выше, чем стали 09Г2С, во всем исследованном диапазоне температур испытания.

Заметное разупрочнение стали 09Г2МФБ начинается лишь при температурах испытания выше 400 °С. Необходимо отметить, что у стали 09Г2С в интервале температур (150-250) °С выявлено заметное (на 100-120 НУмм2) снижение уровня ав, которое не наблюдается у стали 09Г2МФБ.

Повышение температуры испытания стали 09Г2МФБ до 300 и особенно до 600 °С приводит к снижению малоцикловой долговечности. При температуре испытания 600 °С она снижается в 2 раза (при е,>1%) против долговечности, полученной при комнатной температуре испытания. Долговечность (число циклов до зарождения трещины) N связана с амплитудой упру-гопластической деформации уравнением Мэнсона—Коффина:

При этом значения те заметно выше, чем у стали 09Г2С-Ш, подвергнутой электрошлаковому переплаву:

При увеличении температуры испытания до 600 °С происходит заметное увеличение коэффициента те. Эти значения те заметно отличаются от те = 0,5, обычно принимаемого в расчет при проектировании конструкций на малоцикловую усталость. Полученные результаты исследований указывают на существенную зависимость долговечности конструкции на стадии зарождения трещины малоцикловой усталости от температуры эксплуатации.

Критический коэффициент интенсивности напряжений (Кц. или Кс) стали 09Г2МФБ показывает ее высокое сопротивление вязкому (доля волокна в изломе В>50%) и квазихрупкому (0<В<50%) разрушению. Первая критическая температура хрупкости TKi определяемая условием В = 50%, стали с 0,06% С составляет 0°С и -10 °С стали с 0,12% С. При. температурах ниже TKi заметно уменьшается способность стали к локальной пластической деформации, оцениваемой по величине критического раскрытия трещины 5с- Наиболее интенсивное уменьшение способности к локальной пластической деформации происходит при температурах на 40 °С ниже ТК), для стали с 0,06% С и на ~60°С для стали с 0,12% С. Из наших данных следует, что даже при минимальной температуре эксплуатации (-Ю...0°С) кожухов доменных печей и воздухонагревателей характеристики трещиностойкости Кс и 6С располагаются в области верхнего шельфа его температурной зависимости Кс = f (Тисп) и 5c=f(T„cn).

Высоким уровнем трещиностойкости обладают и сварные соединения стали 09Г2МФБ, выполненные ручной и электрошлаковой сварками. Уровень трещиностойкости металла сварного шва и зоны термического влияния сварки соединений стали 09Г2МФБ выше, чем стали 09Г2С. Это преимущество сохраняется при снижении температуры испытания до - 20°С, близкой к минимальной температуре кожухов доменных печей и воздухонагревателей в осенне-зимний период.

Длительная выдержка при повышенной (450 °С) температуре эксплуатации оказывает слабое влияние на ход температурной зависимости характеристик статической трещиностойкости Kic (Кс) и бс стали 09Г2МФБ с 0,06% С. Однако в области вязких квазихрупких состояний (особенно на верхнем шельфе 6С) наблюдается уменьшение абсолютных значений величины 5С. В

области низких значений Т<-40 °С значения 5с.в исходном состоянии и после выдержки при 450 °С практически одинаковы. При этом повышении критической температуры хрупкости Т5о, определяемой на поперечных образцах типа 11 по ГОСТ 9454—78, после выдержки при 450 °С в течение 500 ч составляет 10 °С.

У стали 09Г2МФБ с 0,12% С под влиянием выдержки при 450 °С кривая 5С-ТВСЯ смещается на (20-25)°С в область более высоких температур испытания. Одновременно при низких температурах, когда Т<-80 °С, величина 5С уменьшается на 0,03 мм. Однако необходимо отметить, что величина Кс на верхнем шельфе (при Т>-60 °С) для стали с 0,12 % С составляет 140

НУмм^, что выше значения Кс=120 Н/мм^** для стали с 0,06% С. В диапазоне температур от -60 до +20 °С значения Кс не изменяются под воздействием длительной выдержки при 450 °С.

Для стали с 0,12% С влияние длительной выдержки при 450 °С сказывается на уровне Кс (К1С) лишь в области хрупких разрушений (Т]<-70 °С), это уменьшение величины К]с достигает 1,5 - 1,7 раза. При этом повышение уровня Т3о, определяемое на поперечных образцах типа 11 по ГОСТ 9454-78, после 500 ч выдержки 450 °С составляет 10-15 °С.

В целом сталь 09Г2МФБ по сравнению со сталью 09Г2С обладает более высокими силовыми Кс и деформационными 5С характеристиками трещино-стойкости. Фрактографический анализ хрупких зон изломов подтверждает, что некоторое изменение характеристик трещиностойкости Кс (К]С) и 5С не свидетельствует о межкристаллитном разрушении. Последнее указывает на то, что длительная выдержка при повышенной температуре эксплуатации не сопровождается развитием в металле явления тепловой хрупкости.

По результатам проекта 3.4 сделаны следующие выводы:

1. Малоцикловая прочность (М<101 цикл) сварных соединений стали 09Г2С при жестком нагружении в диапазоне повышенных температур (20...600 °С) лимитируется прочностью металла околошовной зоны в диапазоне температур динамического деформационного старения (200...400 °С). Разница в долговечности при высокой температуре может достигать 1,5-2 раз в зависимости от числа циклов нагружения по сравнению с аналогичной характеристикой при нормальной температуре.

2. Повышение температуры испытаний до (550...600) °С вызывает увеличение амплитуды деформаций при разрушении основного металла при еа > 1% (Ы<103 цикл) в два раза по сравнению с амплитудой деформаций в условиях нормальной температуры.

3. Циклические упругопластические свойства металла сварных соединений стали 09Г2С зависят от температуры испытаний следующим образом: при Т=20 °С основной металл является циклически стабильным, металл околошовной зоны и металл шва — слабо циклически разупрочняющимися материалами; при Т= (200...400) °С (температуры динамического деформационного старения) материал всех зон сварного соединения становится цикли-

чески упрочняющимся; при Т>550 °С происходит возврат первоначальных циклических деформационных свойств материала.

4. В исследованном диапазоне повышенных температур статические характеристики прочности и пластичности металла сварных соединений стали 09Г2С-ЭШП изменяются в значительной степени (в два — шесть раз) сложным образом.

5. В рассмотренном диапазоне температур усталостная трещина распространяется по механизму образования усталостных бороздок. Признаков хрупкого разрушения в усталостной зоне и доломе не обнаружено.

6. В образцах, испытанных на усталость при 550 °С, степень развития процессов возврата и рекристаллизации существенно выше, чем при температуре 473 °С, что обусловливает увеличение разрушающей амплитуды деформации малоцикловой усталости.

7. Прочностные ств, сто,2 и пластические 5s, у свойства при растяжении превышают, а малоцикловая прочность стали 09Г2МФБ не уступает малоцикловой прочности стали 09Г2С в широком диапазоне температур испытания+20...+600 °С.

Повышение температуры испытания от + 20 до + 600 °С приводит (при еа>1%) к снижению долговечности стали 09Г2МФБ на стадии зарождения трещины в 2 раза; коэффициент тг уравнения Мэнсона - Коффина при температурах + 20, + 300 и + 600 °С достигает значений 0,60, 0,58 и 0,74 соответственно.

Длительная выдержка в течение 500 ч при 450 °С существенно не изменяет характеристики трещиностойкости Кс и 5С стали 09Г2МФБ в области вязкого и квазихрупких разрушений.

Вязкость разрушения Кс сварных соединений стали 09Г2МФБ выше, чем стали 09Г2С, широко используемой для изготовления футерованных конструкций,

Подпроект 3.4.2 - изучение закономерностей малоциклового деформирования и разрушения металла сварных соединений строительных сталей при низких (до - 196 °С) температурах.

В промышленности используется большое количество металлоконструкций, которые работают в условиях низких и криогенных температур. Такими конструкциями являются: резервуары, газгольдеры, мосты и крановые балки, силосные башни, магистральные трубопроводы, стационарные и плавучие морские буровые установки, работающие в условиях климатического перепада температур, а также компенсаторы на химических заводах, изотермические резервуары для хранения жидких углеводородных газов, металлоконструкции воздухоразделительных установок и криогенных аэродинамических труб, охладители сверхпроводных магнитов электростанций и т.д., работающие в условиях криогенных температур.

Вышеперечисленные металлоконструкции, кроме статической нагрузки подвержены циклическим нагрузкам (повторностатическая нагрузка при перемещении грузов, периодическое наполнение и опорожнение емкости, ко-

лебания давления продукта в газгольдерах и трубопроводах, ветровые пульсирующие нагрузки, волновая нагрузка), а также динамическим воздействиям (ударные нагрузки).

Разнообразие металлоконструкций с точки зрения восприятия нагрузки (ее величина, темп нагружения, частота и количество циклов), используемых материалов (низкоуглеродистая, низколегированная и низкоуглеродистая никелевая), рабочих температур (колебания температур в климатическом интервале и изотермические температуры в криогенном машиностроении) приводят к необходимости учитывать эти факторы для разработки надежной методики расчета металлоконструкций.

Например, для циклически нагружаемых конструкций в климатическом интервале очень велик риск возникновения хрупкого разрушения, так как для ВДх используют низкоуглеродистые и низколегированные стали, для которых температура охрупчивания лежит в климатическом интервале температур. Кроме того, нагружение таких конструкций при резком перепаде температур также увеличивает риск хрупкого разрушения. Циклические (повторяющиеся статичьские и динамические) нагрузки в условиях низких температур вызывают многочисленные аварии. При таких нагрузках появляются трещины в зонах концентрации напряжений и неоднородности механических свойств (либо в околошовной зоне, либо в зоне шва из-за плохого сплавления кромок или других дефектов сварки).

В таких случаях частота возникновения аварий увеличивается в 2-7 раз в зимний период. В конце прошлого века в криогенном машиностроении (в частности, для изготовления изотермических резервуаров большой емкости) начали применять высокопрочную сталь с содержанием от 3,5 до 9% никеля. Тем не менее, для них порог хрупкости также находится в рабочем температурном интервале, таким образом увеличивая риск возникновения хрупких дефектов в сварных швах, возникших на стадии изготовления либо эксплуатации при низких температурах.

Даже применение в криогенном машиностроении аустенитных сталей, не имеющих порога охрупчивания во всем интервале низких температур, не обеспечивает увеличение прочности металлоконструкций пропорционально росту низкотемпературной твердости. Это вызвано и наличием сварных швов с неоднородностью механических свойств (например, пластичность околошовной зоны сварного шва цилиндрического сосуда из стали 12Х18Н10Т в 3 раза меньше, чем вязкость основного металла и, в связи с повышенной чувствительностью основного металла к концентраторам напряжения при пониженной температуре, образованием деформационного мартенсита и снижением низкотемпературной прочности при многократном нагружении). Анализ поведения и разрушения металлоконструкций показывает, что на уровне проектных нагрузок в зонах концентрации напряжений возникают местные пластические сдвиги, приводящие к возникновению малоцикловых усталостных трещин под воздействием повторяющейся внешней нагрузки. Например, при обследовании кожухов печей было установлено, что в них возникают трещины после двух-трех лет работы, что соответствует (5-6)-103 циклов на-

гружения. В тяжело нагруженных крановых балках дефекты в виде поверхностных трещин возникали в местах примыкания укосин к балкам после четырех лет работы, что соответствует 2-105 циклам нагружения. В газгольдерах аэродинамических установок такие дефекты возникают после 2-104 циклов нагружения.

В многократно нагружаемых металлических конструкциях трещины могут образовываться как на стадии изготовления (дефекты сварки — поры, несплавление, неметаллические включения, холодные и усадочные трещины), так и на стадии эксплуатации (из-за сварных дефектов в зонах с высокой концентрацией напряжений, различные отверстия, надрезы, соединения элементов). Позже может появиться трещина определенного размера, которая при определенных условиях может стать катастрофической при хрупком разрушении. Это может произойти на различных этапах эксплуатации при возникновении критической комбинации начальных факторов.

Строительные нормы и правила не допускают наличие в металлоконструкции трещин, тем не менее, производственный опыт указывает на возможность и допустимость работы конструкции на стадии роста трещины. В зависимости от условий работы металлоконструкции к ней может быть применен термин «ограниченное состояние», при котором формируется допустимая трещина (обнаруженная неразрушаюхцими методами контроля или оговоренная в правилах по монтажу) или превращается в критическую (поверхностную или сквозную).

Проектирование металлоконструкций по ограниченному состоянию для циклической нагрузки должно учитывать два этапа: зарождение трещины, ее развитие. Тем не менее, современные отечественные и зарубежные стандарты по металлоконструкциям, рассчитываемым на циклическое и хрупкое разрушение, либо не учитывают влияние низких (климатических) температур на прочность конструкций, либо обходят молчанием эффект цикличности нагружения при расчете несущей способности по критерию хрупкого излома. Влияние низких температур оценивается только через изменение прочности при статическом нагружении. Кроме того, не учитывается разница между прочностью металла шва при статической, циклической и динамической нагрузках и только сквозные трещины рассматриваются как наиболее вероятные поверхностные и внутренние дефекты.

Согласно стандарту криогенного машиностроения «Криогенное и криогенно-вакуумное оборудование. Сосуды и емкости. Нормы и методы проектирования на прочность, устойчивость и долговечность сварных конструкций», позволяющему использовать запас прочности, связанный с низкотемпературным упрочнением материалов, расчет металлоконструкций ведется по критерию допускаемых нагрузок. В то же время, анализ результатов по изучению прочности конструкций отдельных образцов и полномасштабных конструкций, а также опыт работы с криогенным оборудованием говорит том, что в таких конструкциях зарождение дефекта происходит в отдельных зонах со структурными или технологическими концентраторами напряжений (сварные швы, отверстия, врезки). Таким образом, низкотемпературная ма-

лоцикловая прочность всего изделия в целом и технологического элемента оказывается существенно меньше, чем при обычной температуре. Это позволяет говорить о необходимости перехода к проектированию действительной несущей способности конструкции с учетом всего комплекса производственных и технологических факторов и этапов развития дефекта.

В зависимости от температуры прочность конструкций значительно меньше прочности отдельных ее элементов и зависит от выбора материалов. Определение прочности в каждом отдельном случае является сложной и тру-дозатратной проблемой, решение которой требует значительных усилий.

В этой связи, замена несущей способности многократно нагружаемых конструкций при низкой температуре может быть выполнена с использованием критерия малоцикловой прочности (на стадии зарождения усталостной трещины) с учетом циклических свойств материала, кинетики развития дефектов и эффекта концентраторов напряжений, влияния температурно-временных зависимостей на прочность и вязкость материала, в то время как на этапе развития усталостной трещины с использованием параметров и критериев механики разрушения. Поэтому в дополнение к рабочим нагрузкам, уровню начальной прочности и технологическим дефектам необходимо иметь целый комплекс сведений о механических и физических свойствах материалов и их сварных соединений, их характеристик трещиностойкости, кинетики напряженно-деформированного состояния в зонах с концентраторами напряжений, возникающих под действием статического и циклического на-гружения в условиях низких температур. Ниже представлены основные результаты исследований по этому вопросу.

Методика испытаний

Для того, чтобы провести комплексные исследования сопротивления статической и циклической нагрузке материалов и элементов их сварных конструкций в условиях пониженных (климатических) и низких криогенных температур была разработана установка для охлаждения (до - 196 °С) элементов сварных конструкций, соединений и образцов в процессе проведения статических и циклических испытаний. Эта установка работает в автоматическом и ручном режимах. Для охлаждения образцов использовали контактный метод, при котором хладагент (пары жидкого азота) непосредственно контактирует с поверхностью образца.

Статические и малоцшшовые (мягкий и жесткий способ нагружения с симметричным растяжением-сжатием) нагрузки на лабораторных образцах выполняли при помощи универсальных испытательных машин с электромеханическим приводом. Частота нагру-жения от 0,5 до 2 циклов в минуту. Испытания крупногабаритных образцов со сварными швами и элементов полномасштабных конструкций на прочность и сопротивление образованию трещин проводили при статической и многократно повторяющейся нагрузке (частота нагружения - 600 циклов в минуту, коэффициент ассиметрии - 0,2...0,25) на универсальных гидравлических испытательных установках.

При понижении температуры в металле происходят два основных процесса: увеличение твердости и увеличение хрупкости. Характер физических и механических изменений в свойствах металлов при охлаждении зависит от структуры материала, характера нагружения, типа напряженного состояния и уровня рабочих температур.

В этой связи для исследований были выбраны стали с контрастными механическими свойствами: вязкая низкоуглеродистая сталь (СтЗ и 20К), ншколегированные стали 09Г2С, 12ХГДАФ, 10ХСНД, 06Г2АФ и 12ГН2МФАЮ, которые используются в металлоконструкциях, подверженных пониженным и низким климатическим температурам, конструкционные стали 20ХСА и 07ХЗНМА, используемые при низких климатических температурах и никелевая сталь 0Н6 как самая перспективная и экономичная для строительства изотермических резервуаров.

Образцы были вырезаны из листового проката в поперечном направлении. В том же направлении расположены сварные швы. Для определения механических характеристик низкотемпературной прочности отдельных зон сварного соединения при статическом и малоцикловом нагружении были использованы трубчатые образцы с корсетным сужением. Модуль упругости и коэффициент поперечного сужения определяли на гладких цилиндрических образцах. Исследования статической и циклической низкотемпературной прочности проводили на стандартных плоских пластинах с поперечным надрезом. Эффект влияния температур и неоднородного напряженно-деформированного состояния при развитии усталостной трещины определяли на полномасштабных образцах, имеющих сварной шов с различным коэффициентом концентрации напряжений.

Было изучено изменение основных физических и механических свойств (Е, ц, сод, св, у) в широком интервале низких температур; получены графики (те, Су) низкотемпературной малоцикловой прочности и параметры циклического упруго пластического дефор-миррования (А, А*, Р, С, а, В, т^) конструкционных сталей и отдельных зон сварных швов (основной металл - ОМ, околошовная зона - ОШЗ и металл шва - МШ) при жестком и мягком нагружении. Был изучен эффект влияния низких температур на напряженно-деформированное состояние полномасштабных элементов сварных конструкций, получены данные по сопротивлению образования поверхностных и сквозных трещин сварных соединений конструкционных сталей при статическом, динамическом и циклическом нагружении (Кс, Кос, Ксс, с, п) в условиях низких температур.

Результаты испытаний

Комплексные исследования влияния низких температур на прочностные характеристики материалов при нагружении сварных конструкций статической, динамической и малоцикловой нагрузкой позволяют сделать следующие выводы:

1. Установлены основные зависимости сопротивления сварных швов металлоконструкций нагружению малоцикловой нагрузкой при низких температурах на стадии образования и развития трещин. Получены базовые данные для проектирования сварных металлоконструкций по критерию малоциклового и хрупкого разрушения.

2. С уменьшением температуры коэффициент поперечного сужения материала в зоне пластичности поведения материала уменьшается: в климатическом интервале температур на 17% для низколегированных сталей и на 16% -для конструкционных. При криогенных температурах - до минус 160 °С на 24% для никелевых сталей.

3. Из-за принципиальной разницы в характере деформации и разрушения при статической (повторно-статической, малоцикловой или циклической) и динамической нагрузке в конструктивном проектировании предлагается применять текущие значения статических и динамических модулей упругости с учетом их статистического характера распределения. Для климатического интервала температур для низкоуглеродистых низколегированных ста-

лей Еть, увеличивается на 3%, разброс значений на 1,5% и для ЕТс на 5% и 5,5% соответственно.

4. Снижение температуры при проведении испытаний не изменило циклические упруго-пластические свойства конструкционных сталей и их сварных соединений. В то время как статическая деформация происходила по общей кривой в относительных координатах и была ограничена текущим значением пластичности ут.

5. Климатические температуры в действительности не уменьшают малоцикловую прочность конструкционных сталей и их сварных соединений на стадии до образования трещины.

6. При низких температурах (<-80 °С) малоцикловая прочность конструкционных сталей зависит от типа нагружения: мягкого или жесткого. При мягком нагружении при условии его однородности наблюдается существенное увеличение сопротивлению малоцикловому разрушению. При жестком нагружении сопротивление металла малоцикловому разрушению для различных сталей может либо уменьшаться, либо увеличиваться (во всем интервале нагружения циклической нагрузкой при N<10* или от некоторого Ы), в зависимости от пластичности и изменения нагрузки оть в данном температурном интервале.

7. Малоцикловое низкотемпературное сопротивление сварных швов при жестком нагружении лимитируется прочностью металла шва и околошовной зоной.

8. Напряженное состояние в зоне концентрации напряжения при положительных температурах стабилизируется после 5-20 полуциклов нагружения. Влияние низкой температуры на сопротивление распространению трещины в сварных соединениях разное для различных сталей: -в никельсодержащих сталях понижение температуры испытаний замедляет скорость развития усталостной трещины в 1,4-2,0 раза; - в некоторых низколегированных и высокопрочных сталях снижение температуры до критических значений ускоряет скорость развития усталостной трещины в 1,3-2,0 раза, а дальнейшее падение температуры уменьшает эту скорость в 1,3-3,0 раза по сравнению со скоростью при нормальной температуре; - при увеличении содержания углерода в сталях сопротивление образованию трещин при циклической нагрузке для сварных швов лимитируется различными зонами.

9. При понижении температуры во время проведения испытаний скорость роста поверхностной трещины замедляется, не оказывая при этом влияния на кинетику трещины. Тем не менее, одновременно происходит уменьшение критического размера дефекта, которое может привести к разрушению образца до того, как трещина достигнет стабильного размера.

10. Исследование статического сопротивления трещинообразованию позволило установить, что с падением температуры уменьшение хрупкой прочности для низколегированной стали падает на 20-30%; сопротивление трещинообразованию для зон сварного шва для никелевых сплавов в интервале климатического перепада температур остается практически неизменным, в то время как падение температуры до минус 60 °С уменьшает сопротивление

статическому трещинообразованию в 1,8-2,0 раза по сравнению с обычной температурой.

11. Критическое значение коэффициента интенсивности напряжений при циклическом нагружении сокращается в 1,7-2,2 раза при минус 70 °С. Полученные экспериментальные результаты являются первой ступенью базы данных для расчета низкотемпературной циклической прочности сварных конструкций как при отсутствии в них изначально трещиноподобных дефектов и при сравнительно плавном нагружении, так и при наличии дефектов (неполное проплавление, подрезы, неметаллические включения, газовые полости и т.д.), а также при структурно-технологических концентраторах напряжений, имеющих высокие значения градиента напряжений. В первом случае, между количеством циклов до полного разрушения N и образованием трещины N0 при отсутствии концентратора напряжения имеется экспериментально най-

-1/3 5

денная зависимость Мэнсона: ^„/7^ = 1-2.5^ .При N=10 отношение Н/К = 0,95, а при №=104 отношение Н/Ы = 0,88, то есть при небольшом количестве циклов нагружения трещина появляется относительно поздно и к тому же в зоне с наибольшей концентрацией напряжений. В этом случае этим этапом развития трещины можно пренебречь. При наличии концентраторов напряжения или дефектов это соотношение претерпевает значительные изменения, т.к. трещина появляется на ранних стадиях при больших нагрузках и при большей концентрации напряжений. Таким образом, срок службы конструктивного элемента после получения повреждений может составлять от 75 до 90% от общего срока службы с учетом уровня нагрузки и градиента в каждом отдельном сечении рассматриваемого участка.

Таким образом, для более полного исследования несущей способности материала и снижения материалозатрат представляется возможность обеспечить равную нагрузку с точки зрения одновременного разрушения различно нагруженных соединений и элементов конструкций.

Один из методов создания равнонадежной конструкции - это проектирование, основанное на вероятностном приближении, позволяющим на стадии проектирования учесть фактор наличия зон с концентрацией нагрузки и технологические дефекты с целью обеспечения приблизительно равного сопротивления по критерию образования трещины или по его критическому значению.

ПРОГРАММА 4 - РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТИРОВА НИЯ И ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ЦИКЛИЧЕСКИ НАГРУЖАЕМЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Максимальное использование несущей способности металлоконструкции инженерных сооружений обусловливает возникновение в наиболее нагруженных зонах (зонах концентрации напряжений) местных упругопластических деформаций, развивающихся при относительно низких номинальных напряжениях. В циклически нагруженных конст-

рукциях эти зоны становятся очагами зарождения усталостных трещин при ограниченном числе циклов нагружения (102 - 5-105). В строительных нормах и правилах отсутствует расчет на малоцикловую прочность и не допускается работа конструкции при наличии трещин. Однако СНиП Ш-18-75 допускает наличие в сварном шве различных дефектов (непроваров, подрезов, пор и шлаковых включений), которые могут быть инициаторами усталостных трещин уже на первых сотнях или тысячах циклов нагружения. Кроме того, практика эксплуатации показывает возможность и допустимость работы конструкции на стадии развития трещины.

В зависимости от назначения сооружения за предельное состояние конструкции может быть принято образование допустимой трещины (обнаруживаемой средствами дефектоскопического контроля или регламентируемой нормами на изготовление) или достижение ею критической длины, определяемой возможностью хрупкого разрушения конструкции (для поверхностной или сквозной трещины) ил ее разгерметизации (для поверхностной трещины). В соответствии с этим полный ресурс элементов металлоконструкции (И) определяется числом циклов, необходимым для зарождения усталостной трещины (N3) и числом циклов, необходимым для ее развития до критического размера (ТЧр): 14= N3+ N5.

Расчет строительных сварных металлоконструкций на малоцикловую прочность при проектировании и оценке прогнозируемого остаточного ресурса производится в зонах концентрации напряжений по деформационному критерию местной прочности на стадии образования трещины. Расчет справедлив для конструкций из малоуглеродистой и низколегированной стали в широком интервале эксплуатационных температур - от минус 160 °С до плюс 600 °С, с учетом воздействия агрессивных сред.

Расчет циклической прочности сварных металлоконструкций на стадии распространения усталостной трещины проводится с использованием методов механики разрушения. Алгоритмы расчетов представлены нами в проектах 4.1 и 4.2.

Проект 4.1 — расчеты прочности сварных металлоконструкций

В составе проекта выполнено два подпроекта.

Подпроект 4.1 - расчет малоцикловой прочности сварных конструкций на стадии образования трещины.

Расчет конструкций на малоцикловую прочность производится в зонах концентрации напряжений по деформационному критерию местной прочности на стадии образования трещины. Расчет справедлив для стальных конструкций из малоуглеродистой и низколегированной стали в интервале температур от минус 160 до плюс 600 °С.

Определение расчетного числа циклов нагружения. Для нахождения расчетного числа циклов нагружения эксплуатационная нагруженность принимается в виде нерегулярного процесса, состоящего из блоков с амплитудой напряжений в блоке 1:

Оад= 0,5(сгаах г отщ,), (14)

где стах ¡, стт ( - номинальные максимальные и минимальные значения циклических напряжений в элементах конструкций в каждом блоке нагружения (¡=1, 2,...к), определяемые по графическим или табличным циклограммам.

Расчетное число циклов нагружения следует вычислять по формуле:

N3=1/2 (15)

М "31

где - коэффициент, определяемый из циклограммы нагружения как отношение числа циклов с амплитудой номинальных напряжений Ощ за год к суммарному числу циклов за

этот же период; N31 - определяется в зависимости от амплитуды лестных приведенных напряжений <х в блоке»'.

За расчетное принимается меньшее из двух значений N3i. Если зарождение трещин равновозможно в нескольких зонах, то расчет проводится для каждой зоны в отдельности.

Определение коэффициентов концентрации напряжений. По таблице для расчетного элемента определяется теоретический коэффициент концентрации напряжений ав и зона металла сварного соединения, где произойдет зарождение усталостной трещины. Расчет по основному металлу, кроме оговоренных в таблице, возможен при наличии дефектов типа выколов, задиров вне сварного соединения.

Расчет а0 для сварного стыкового шва с подрезом производится по формуле:

аа = аап-ааф, (16)

где aj1 и сц ® - коэффициенты концентрации напряжений от подреза и геометрической формы соответственно.

Коэффициент аа для сварного стыкового шва с депланацией, угловатостью и подрезом рассчитывают по формуле:

аа = а0ф[1+(аЛ)+(аЛ1)]аяп. (17)

Определение амплитуды и коэффиииента асимметрии цикла напряжений.

Максимальные и минимальные относительные номинальные напряжения в блоке i определяются по формулам: .

f™»;=crm m,"IRyr-, er™,/=ormili"/Ä/. .(18)

Амплитуду местных приведенных напряжений а\\ находят по формуле: On^famaxik'-Oahik'W.S, (19)

где к*- коэффициент концентрации упруго-пластических деформаций, определяемый по

специальному графику для ст max i ^ ^ min i ОТДЕЛЬНО В ЗАВИСИМОСТИ ОТ <у тах/ И (J min i соответственно при известном а„.

Коэффициент асимметрии цикла р, в блоке i определяется по формуле:

(20)

<^,+0,2 Я/

Определение расчетных характеристик материала. Предел выносливости с учетом остаточных сварочных напряжений находится по формуле:

с7_/=*/-0,4ата>„ЛГ> (21)

где <x.iT - предел выносливости материала, вычисляемый по формуле o.iT = 0,4RyT; аосв - остаточные сварочные напряжения, определяемые по графику в зависимости от а0 и

ста*; с щ- относительные максимальные сварочные напряжения; Су - параметр, характеризующий пластические свойства материала, вычисляемый по формуле

(22)

где Ет - модуль упругости материала при расчетной температуре.

Значения а.] и у для расчетной зоны сварного соединения следует определять по формулам: для околошовной зоны:

Л,"" = Ш/; а., °шэ= о.,т; \|/ошз = 0,8/; (23)

для металла шва:

К," = 1Д*/; о.Г= о/; у™ = 0,9/; (24)

где НУТ, а.1Т, ч/т - расчетные характеристики для основного металла при расчетной температуре, определяемые по нормативным документам.

Подпроект 4.2 - расчет циклической прочности сварных металлоконструкций на стадии распространения усталостной трещины.

Зародившаяся усталостная трещина под действием переменных нагрузок начинает развиваться. Ее развитие происходит до тех пор, пока размеры трещины не превысят критических значений, определяемых следующими четырьмя условиями: 1) возможностью хрупкого разрушения; 2) превышением трещиной предельной скорости развития (У>Упр= 10"6 м/цикл); 3) потерей сечением несущей способности (А„<А); 4) условиями эксплуатации (например, разгерметизация для резервуаров и сосудов давления).

Второе-четвертое условия разрушения достаточно просты. Наибольшую сложность представляет проверка первого условия.

Вычисление предельных размеров трещины из условия недопустимости хрупкого разрушения. Глубина поверхностной трещины, при которой сечение элемента с трещиной переходит в хрупкое состояние, определяется в рамках температурного подхода решением уравнения:

А%\ - 2А^К+С=0, (25)

где Хц=аЛ; толщина листа;

О Тк2+ДТсв+ДТ„+ДТн+ ДТК0Н+ ДТВ-ТЭ, (26)

где ДТс, АТСТ. ДТН, ДТКОн, АТ, - смещение второй критической температуры хрупкости вследствие влияния сварочных напряжений, длительного воздействия повышенных температур, двуосности напряженного состояния, концентраторов напряжений; ДТВ- температурный запас вязкости; Тэ-температура эксплуатации; ДТИ=15°С; АТ„=15°С; ДТКои-10оС; ДТВ=10°С; Тй - вторая критическая температура для конструкции, °С; ая - упругий коэффициент концентрации напряжений; (- мм; тг. П2, °С; Сг -параметр, "С, зависящий от категории поставки низколегированных марок стали.

По отношению найденных параметров С/А судят о возможности допущения трещин в расчетных сечениях.

Таким образом, при глубине поверхностной трещины сечение находится в вязком состоянии. Кроме того, из условия прочности при растяжении следует, трещина глубиной

Х^АЩ^ , (27)

где 10 - минимальная расчетная длина сквозной трещины, не снижающая прочности элемента при растяжении в вязком состоянии. = а/с, где а, с - глубина и полудлина поверхностной трещины.

практически не снижает несущей способности элемента.

Кроме того, при использовании критерия течи в оценке прочности листовых конструкций необходимо, чтобы длина поверхностной трещины Ср была меньше расчетной длины сквозной трещины.

В том случае, когда X > Хк, сечение с трещиной находится в хрупком состоянии, однако трещины глубиной А. > А.к не приводят к разрушению элементов, если условия нагружения таковы, что К < Кс.

Поэтому в каждом конкретном случае имеется возможность увеличить расчетный предельный размер трещины. Однако этим можно воспользоваться лишь в том случае, когда расчетное значение коэффициента интенсивности напряжений (КИН) определено с высокой надежностью.

Определение скорости развития усталостной трещины. Развитие поверхностной усталостной трещины, зародившейся от исходного дефекта или в окрестности концентратора, описывается системой уравнений Пэриса, записанных для двух направлений развития трещины - вглубь и на поверхности:

с!а/с1^с0(АКХ; (28)

с1сЖ=с0(АКХ,

где .а, с - глубина и полудлина поверхностей трещины; ДКа, ДКс - размах КИН для крайних точек фронта трещины в глубине и на поверхности соответственно; со, п - константы циклической трещиностойкости стали; N - число циклов нагружения.

Расчет КИН поверхностной полуэллиптической трещины производится с помощью выражений, полученных Ньюманом.

Определение усталостного ресурса элементов конструкции. Усталостный ресурс элемента с развивающейся трещиной определяется интегрированием известных систем уравнений в пределах от начальных размеров трещины ао и с0 до критических. Интегрирование уравнений осуществляется пошаговым методом с использованием специальной программы для ЭВМ

Программа оценки усталостного ресурса учитывает следующие дополнительные факторы, оказывающие влияние на скорость развития трещин: остаточные сварочные напряжения; коэффициент асимметрии цикла; локальных пластических зон; температуры эксплуатации; статистического рассеяния характеристик стали и размеров исходных дефектов; взаимодействия усталостных трещин; характера нагружения.

Проект 4.2 - выбор стали для металлоконструкций

В составе проекта реализовано два подпроекта.

Подпроект 4.2.1 - выбор стали для конструкций, эксплуатируемых в климатическом диапазоне температур.

При проектировании конструкции перед инженером встает важная задача - выбор конструкционного материала. Выбор может оказаться весьма затруднительным, если конструкция должна иметь высокое сопротивление циклическим деформациям или нагрузкам и рассчитывается на ограниченное число циклов нагружения (менее 5-105).

Усталостную прочность материалов при малом числе циклов нагружения, исходя из статических свойств материала предсказать нельзя.

Располагая комплексом циклических упругопластических прочностных и деформационных характеристик строительных сталей, можно охарактеризовать их поведение в реальных конструкциях, работающих при малом числе циклов нагружения. Основываясь на данных сравнительного анализа циклических свойств материалов, можно выбрать лучший из них с учетом специфических требований к конструкциям, подвергающимся за срок эксплуатации сравнительно небольшому числу циклов нагружения.

Для циклически нагружаемых конструкций характерна пульсирующая нагрузка. Однако следует иметь в виду, что процесс малоциклового разрушения носит местный характер и начинается в зонах концентрации напряжений. При неоднородном напряженном состоянии наличие местной пластической деформации приводит при разгрузке к возникновению напряжений обратного знака и для острого концентратора напряжений в пределе может иметь место симметричный цикл изменения местных напряжений.

В связи со сложным характером работы материала в конструкции были проведены испытания строительных сталей, охватывающие все основные виды предельного нагружения: мягкое симметричное, пульсирующее, при котором в процессе нагружения поддерживаются постоянная амплитуда напряжений, и жесткое симметричное с постоянной амплитудой деформаций.

В местах небольшой концентрации напряжений с а0<2 (стыковые швы, угловые обработанные швы и др.) и малых градиентов деформаций (относительный градиент до 1) характер изменения напряжений близок к пульсирующему типу нагружения. Наибольшей прочностью при р=0 обладают стали 12ГН2МФАЮ и 16Г2АФ, имеющие самую высокую статическую прочность, а наименьшей - Ст.З. Но так как расчет конструкций по СНиП ведется по расчетному сопротивлению, основанному на напряжении предела текучести или временного сопротивления (с учетом коэффициентов безопасности по материалу), то представляет интерес сравнение прочностных малоцикловых характеристик исследуемых сталей в относительных координатах.

Из низколегированных сталей наибольшей относительной малоцикловой прочностью обладает сталь 12ГН2МФАЮ (понижение на 7%), затем стали 09Г2С и Ст.Зсп (на 11%), 14Г2 (на 14%), 10ХСНД (на 19%) и 16Г2АФ (на 21%).

Разница в долговечности сталей 12ГН2МФАЮ, Ст.З и 09Г2С по сравнению со сталями 16Г2АФ и 10ХСНД достигает двух и более порядков (102) на уровне 0,9 Св. Это свидетельствует о высоких прочностных малоцикловых характеристиках сталей 12ГН2МФАЮ, Ст.З и 09Г2С при пульсирующем цикле нагрузки.

При возрастании степени стесненности пластических деформаций за счет увеличения градиента деформаций в местах конструктивной концентрации напряжений характер изменения напряжений приближается к симметричному циклу. Кривые малоцикловой усталости исследованных сталей при пульсирующем и симметричном циклах нагружения, являющимися, как правило, предельными (по значению коэффициента асимметрии цикла) случаями изменения напряжений в зонах их концентрации, показывают, что наибольшей чувствительностью к асимметрии цикла нагружения обладают стали 16Г2АФ, Ст.Зсп и 12ГН2МФАЮ, наименьшей - сталь 10ХСНД. Так, малоцикловая прочность при симметричном цикле нагружения снижается по сравнению с пульсирующим (на базе 104 циклов) у сталей 16Г2АФ и Ст.Зсп на 30%, у стали 12ГН2МФАЮ на 26%, у стали 10ХСНД - только на 9%. Причем, относительно ав циклическая прочность этих сталей на базе 104 циклов нагружения при р=-1 понижается в различной степени. Так, для стали 16Г2АФ снижение составляет 50%, для стали Ст.Зсп - 40%, а для стали 10ХСНД - только 28% от статической прочности. Это свидетельствует о том, что при проектировании конструкций из сталей 16Г2АФ и Ст.Зсп особое внимание следует уделять смягчению мест концентрации напряжений, а также избегать возможности использования этих сталей в элементах, подверженных знакопеременному циклу нагружения.

Показано, что наименьшим сопротивлением малоцикловой усталости в относительных координатах при р=-1 на уровне предела текучести ст=1 обладают стали 12ГН2МФАЮ и 16Г2АФ, значительно уступая по долговечности стали Ст.Зсп. Стали 09Г2С и 10ХСНД имеют на этом уровне примерно одинаковую долговечность (около 7-103 циклов), однако несколько меньшую, чем стали Ст.Зсп (1,5-104 циклов). Следует отметить, что при расчете конструкций на определенное число циклов нагружения Ыжспя использование высокопрочных сталей достаточно эффективно и чем меньше Ыэкст, тем выше эффективность использования указанных сталей.

Как показали проведенные исследования, это связано с тем, что для высокопрочных сталей переход от усталостных разрушений к квазистатическим происходит при меньшем числе циклов. Например, при р=0 для стали Ст.Зсп этот переход соответствует N=10 , а для стали 12ГН2МФАЮ - N=4-103. Интересно отметить, что симметричное нагружение стали 16Г2АФ переменными нагрузками на уровне стт вызывает ее разрушение через 103 циклов. Оно практически не зависит от исходной деформации на уровне площадки текучести.

Итак, приведенные данные свидетельствуют, что знание прочностных статических характеристик еще недостаточно для сравнения сталей по их сопротивлению переменным напряжениям при малом числе циклов нагружения. Это объясняется тем, что существенное влияние на малоцикловую усталость оказывают циклические упругопластические свойства сравниваемых материалов. Показана зависимость разрушающих напряжений цикла в условиях мягкого нагружения от временного сопротивления стали. При больших базах испытаний (№=105 и более) малоцикловая прочность, как правило, мало

зависит от механических свойств материала, а в области квазистатических разрушений наблюдается четкая тенденция к росту разрушающих напряжений для высокопрочных материалов.

Следует заметить, что в связи с уменьшением разности между от и ав для высокопрочных сталей зона работы материала в упругой стадии, для которой характерно усталостное разрушение, увеличивается вместе с ростом статической прочности стали. Циклически стабильные стали по долговечности на уровне предела текучести можно сравнивать по отношению ав/ат. С ростом этого показателя увеличивается и сопротивляемость малоцикловому разрушению.

Проведенный выше сравнительный анализ малоцикловой прочности строительных сталей относился к результатам испытаний, полученным при мягком нагружении (заданная амплитуда напряжения). Однако в зонах с высокими градиентами деформаций (относительный градиент >1), где развитие пластических деформаций затруднено, и в зонах с высоким уровнем концентраций напряжений (а<5>2), например, в угловых необработанных швах или швах с дефектами, при циклической работе конструкций материал испытывает нагружение, по характеру близкое у жесткому (заданная амплитуда деформаций). Поэтому многие исследователи предлагают эмпирические зависимости между размахом деформаций и числом циклов до разрушения, в основе которых лежит уравнение Коффина

ер.*Г=С., (29)

где ера - пластическая составляющая амплитуды деформации; т - постоянная материала, характеризующая наклон кривой; С» - 0,51п1/(1-\|/) постоянная материала, характеризующая его исходные пластические свойства.

Проведенные исследования показали, что циклически стабильная изотропная сталь 10ХСНД при высоких степенях деформирования является циклически разупрочняющимся анизотропным материалом. В связи с изменением циклических свойств стали 10ХСНД в зависимости от уровня нагру-жения, а именно, с накоплением односторонних пластических деформаций при е(оЬ>2% и их отсутствием при меньших значениях с(о), выявлено, что в квазистатической области разрушения усталостная кривая, полученная при мягком нагружении, лежит ниже кривой, полученной при жестком нагружении.

Таким образом, сопротивление переменным деформациям материалов в области малоцикловой усталости зависит главным образом от т и исходной пластичности С«=^ц/). Причем, влияние т на сопротивление переменным деформациям сказывается в гораздо большей мере, чем параметра С». Если воспользоваться значениями этих констант, полученными в экспериментах, то можно показать, что, чем выше С» и меньше наклон кривой малоцикловой усталости (малое значение т), тем большей расчетной долговечностью будет обладать материал.

Кривые малоцикловой усталости строительных сталей при жестком на-гружении в абсолютных и относительных координатах показывают, что исследованные стали подчиняются зависимости Коффина. Так как показатели пластичности исследованных низколегированных сталей достаточно близки, их кривые малоцикловой усталости при жестком нагружении практически совпадают. Некоторое снижение долговечности стали 12ГН2МФАЮ может быть компенсировано смягчением концентраторов напряжений в конструкции и коэффициент концентрации напряжений при прочих равных условиях должен быть уменьшен в 1,5-2 раза.

Таким образом, проведенные исследования характеристик малоцикловой прочности как широко распространенных марок сталей (Ст.Зсп, 09Г2С, 10ХСНД), так и перспективных (16Г2АФ, 12ГН2МФАЮ) позволили сопоставить и оценить преимущества той или иной стали в сопротивлении малоцикловому нагружению в зависимости от уровня напряжений, числа циклов нагружения, асимметрии цикла, вида нагружения. Приведенные данные для высокопрочных сталей показали возможность их использования в конструкциях, подверженных не только статическим, но й повторно-статическим нагрузкам (при числе циклов менее 5-105). При этом должны учитываться результаты анализа полученных в работе экспериментальных данных о циклических свойствах строительных сталей и условиях их работы в конструкциях.

Подпроект 4.2.2 - Выбор стали для циклически нагружаемых конструкций, эксплуатируемых в широком диапазоне низких и высоких температур.

Как было показало выше, закономерности сопротивления материалов малоцикловому нагружению в условиях низких и высоких температур существенно различны. В связи с этим, расчет циклической прочности строительных металлоконструкций с учетом температурного фактора должен осуществляться дифференцированно - для низких и высоких температур.

Изучение НДС элементов сварных соединений из сталей 09Г2С, 20ХГСА, 07ХЗГНМЮА и ОН6 при -40 °С, -70 °С и -140 °С показало, что характер распределения деформаций в зоне концентратора не зависит от температуры испытаний. Это коррелирует с ранее полученными автором на лабораторных образцах данными об отсутствии влияния понижения температуры на циклические упругопластические свойства материалов. Испытания при симметричном жестком и пульсирующем мягком нагружении натурных сварных соединений показали, что даже значительные колебания температур эксплуатации (для низколегированных сталей - в климатических условиях, для никелевых - до -165 °С) не снижают долговечность элементов конструкций на стадии зарождения трещины.

При оценке безопасной работы конструкции на стадии распространения усталостной трещины (РУТ) положение может измениться, что обусловлено следующими причинами. Во-первых, в диапазоне рабочих температур значительно снижается сопротивление хрупкому разрушению исследованных материалов: Кс уменьшается в 2 (09Г2С при -70 °С и ОН6 при -140 °С) ... 2,5 (20К при -70 °С) раза; при малоцикловом нагружении циклически разупроч-

няющихся материалов К"70Гс < К20^ в 2 (ОШЗ и МШ сталей 20ХГСА и 07ХЗГНМЮА) ...3 (15Г2АФДпс) раза. Во-вторых, на фоне общей закономерности повышения сопротивления развитию трещины с понижением температуры, для некоторых сталей обнаружены области аномальных температур (~ -40 °С для ОМ, ОШЗ и МШ стали 09Г2С, ОШЗ и МШ стали 07ХЗГНМЮА и ~ -20 °С для ОМ, ОШЗ и МШ стали 20ХГСА), где наблюдается наибольшая скорость РУТ. В связи с этим учет колебаний температур эксплуатации при оценке живучести конструкции на стадии РУТ можно осуществлять блочно-последовательным способом, суммируя отдельные периоды работы с условно-постоянной температурой и соответствующие ей параметры циклической трещиностойкости отдельных зон сварного соединения ст1 и пТ1.

В отдельных случаях, когда время работы конструкции при температуре минимальной циклической трещиностойкости непродолжительно, это может привести к значительному увеличению расчетной долговечности сооружения. Получен качественный ряд конструкционных сталей по их способности сопротивляться низкотемпературному малоцикловому разрушению на стадии зарождения и распространения усталостной трещины.

Исследования на крупногабаритных образцах из стали 09Г2С показали, что во время перегрева и механического нагружения наибольшая величина интенсивности растягивающих напряжений, возникающая на расстоянии 2530 см от центра высокотемпературного пятна, превышает предел текучести материала. Местное повышение напряжений, возникающее при перегреве сварных соединений, компенсирует локальное температурное сжатие. Установившийся при этом режим циклического нагружения также происходит в условиях упругопластического деформирования. Поэтому в обоих случаях необходима оценка циклической прочности по критерию жесткого нагружения с использованием высокотемпературных характеристик статической и малоцикловой прочности отдельных зон сварных соединений.

Эти характеристики, полученные на лабораторных образцах из сталей марок 09Г2С, 16Г2АФ и 12ГН2МФАЮ, показали, что циклические упруго-пластические свойства этих сталей и металла сварных соединений изменяются с температурой испытания: от циклической стабильности (09Г2С) и слабого разупрочнения (16Г2АФ, 12ГН2МФАЮ и ОШЗ, МШ всех марок сталей) при 20 °С к циклическому упрочнению (09Г2С, 16Г2АФ и ОШЗ, МШ) и выраженному разупрочнению (12ГН2МФАЮ, МШ) при повышенных температурах. Это оказывает существенное влияние на изменение значений Ктс и Мте. Разница в разрушающих числах циклов при жестком нагружении (в относительных координатах е „ = ето,г -К) между исследованными сталями и между отдельными зонами сварного соединения зависит от температуры и амплитуды деформаций и может составлять от 2 до 10 раз (минимальной долговечностью обладает сталь 12ГН2МФАЮ и металл шва).

При остывании металла, после ликвидации перегрева, формируется поле остаточных растягивающих напряжений, снижающих долговечность конструкции. Показано, что влияние остаточных температурных напряжений от

локальных перегревов на малоцикловую прочность элементов конструкций возрастает с понижением номинальных напряжений от механической нагрузки. Уточненный расчет малоцикловой прочности сварных соединений с повышенной концентрацией напряжений необходимо проводить с использованием зональных характеристик, полученных при жестком нагружении на предварительно перегретом материале.

ПРОГРАММА 5. НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ИНЖЕНЕРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

В рамках программы реализовано два проекта.

Проект 5.1 — нормативно-технические аспекты по резервуарам

В составе проекта 5.1 представлено пять подпроектов.

Подпроект 5.1.1 - сернокислотные резервуары.

В «Инструкции по проведению обследования и диагностирования технического состояния сернокислотных резервуаров» (Выпуск НПК «Изотер-мик», 1996, 15 с. Разработчики: ЦНИИПСК им. Мельникова, ГИАП, НИИ-ХИММАШ, НПК «Изотермик»), согласованной Госгортехнадзором России и введенной в действие с 01.02.1996 г., изложен порядок проведения комплексного технического обследования сернокислотных резервуаров, включая футерованные и олеумные хранилища, находящиеся в эксплуатации на предприятиях Российской Федерации, независимо от отраслевой принадлежности. В ней оговорены случаи, когда необходимо проведение освидетельствования, обследования и диагностирования резервуаров, приведена классификация сернокислотных резервуаров, определены периодичность, порядок, объем и методы осмотров указанных хранилищ.

Обследование и диагностирование технического состояния резервуаров включают в себя работу с технической и эксплуатационной документацией, визуальный осмотр, геодезические измерения геометрических параметров резервуара, ультразвуковую толщинометрию стенок, днища и кровли, дефектоскопию сварных швов резервуара неразрушающими методами контроля (акусто-эмиссионный, ультразвуковой, радиографической и пр.). В связи с возможным изменением структуры и физико-механических свойств металла в процессе эксплуатации резервуаров обязательно проведение металлографических исследований, определение химического состава и фактических механических характеристик металла. Проведенные исследования и накопленный банк данных по коррозионной стойкости материалов резервуаров, статической и циклической трещиностойкости сталей в агрессивной среде, а также данные о фактической механической нагруженности резервуаров по-

зволяют обоснованно установить прогнозируемый остаточный ресурс сернокислотных резервуаров.

В дальнейшем должна быть разработана «Инструкция по ремонту металлоконструкций сернокислотных резервуаров».

Подпроект 5.1.2 - шаровые резервуары.

Опираясь на многолетний опыт проектирования, изготовления и обследования шаровых резервуаров и газгольдеров, НПК «Изотермик», АОЗТ «ЦНИИПСК им. Мельникова» и АО «Уралхиммаш» сформировали методическую базу по обследованию технического состояния и определению остаточного ресурса указанных конструкций преимущественно неразрушающими методами контроля. Целесообразность и перспективность такой работы определяется экономической неэффективностью замены на новое работоспособной конструкции, которая отработала проектный срок службы 12 лет, установленный заводом-изготовителем.

В рамках проведения единой технической политики по обеспечению безопасности и долговечности шаровых резервуаров и газгольдеров и по поручению Госгортехнадзора России НПК «Изотермик», АОЗТ «ЦНИИПСК им. Мельникова» и АО «Уралхиммаш» разработали РД 03-380-00 «Инструкция по обследованию шаровых резервуаров и газгольдеров для хранения сжиженных газов под давлением».

Инструкция предусматривает проведение следующих видов работ: остановка и подготовка шарового резервуара; анализ приемно-сдаточной, технической и эксплуатационной документации; наружный и внутренний осмотр шарового резервуара; ультразвуковая толщинометрия; геодезические измерения геометрической формы резервуаров и фактического положения их в пространстве; акустико-эмиссионные испытания целостности оболочки резервуара, в том числе без освобождения резервуара от продукта; дефектоскопия сварных швов шаровой оболочки резервуара физическими неразрушающими методами контроля; металлографические и электронно-фрактографические исследования для контроля микроструктуры и степени повреждаемости металла; определение химического состава металла (при необходимости); установление фактических механических свойств основного металла и сварных соединений, включая неразрушающие методы; поверочный расчет на прочность и устойчивость оболочки и стоек шарового резервуара; испытание шарового резервуара на прочность и герметичность; расчет остаточного ресурса работоспособности (долговечности) резервуара с учетом его реальной механической нагруженности, фактических механических свойств материала при рабочих температурах, параметрах геометрических отклонений и дефектов.

Важный этап технического обследования - анализ технической документации, цель которого на базе ретроспективных данных выявить деграда-ционные процессы и параметры их определяющие еще до начала обследования.

Остаточный ресурс безопасной эксплуатации шарового резервуара оценивают, учитывая результаты полного технического обследования и определения основного повреждающего фактора, действующего на резервуар в процессе эксплуатации. В условиях статического нагружения, когда основной повреждающий фактор - коррозионно-эрозионные процессы, остаточный ресурс шаровых резервуаров определяют по скорости коррозии, а в условиях малоциклового нагружения, когда основной повреждающий фактор -малоцикловая усталость, - по ГОСТ 25859-83. Для шаровых резервуаров, подвергаемых воздействию других повреждающих факторов, вызывающих охрупчивание (коррозионно-механическое повреждение) металла, алгоритм расчета остаточного ресурса определяют выполняющие обследование специалисты с учетом данных о скорости изменения характеристик трещино-стойкости под воздействием эксплуатационных факторов.

Заключительным этапом полного технического обследования резервуара становится выдача заключения экспертизы промышленной безопасности о возможности и условиях дальнейшей эксплуатации резервуара, оформленного в соответствии с требованиями ПБ 03-246-98 (Правила проведения экспертизы промышленной безопасностн/Госгортехнадзор РФ, НТЦ «Промышленная безопасность». Вып. 1).

В настоящее время в АОЗТ «ЦНИИПСК им. Мельникова», НПК «Изо-термик» и АО «Уралхиммаш» создана методическая база и имеется опытный квалифицированный коллектив специалистов для проведения технического обследования и определения остаточного ресурса шаровых резервуаров и газгольдеров.

Подпроект 5.1.3 - изотермические резервуары.

Наземные изотермические резервуары Документ РД 03-410-01 «Инструкция по проведению комплексного технического освидетельствования изотермических резервуаров сжиженных газов» был разработан НПК «Изотермик», ЦНИИПСК им. Мельникова, «Северодонецкий Оргхим», НИАП, ГИАП, ГИАП-Дистцентр, ПИИ «Фундамент-проект», Теплопроект. Ее требования распространяются на проведение комплексного технического освидетельствования вертикальных цилиндрических стальных изотермических резервуаров (ИР) наземного типа для хранения сжиженных газов под давлением, близком к атмосферному. Инструкция введена в действие Госгортехнадзором с 2002 года и является основным и единственным руководящим документом по техническому диагностированию изотермических резервуаров.

За прошедшие годы появились новые факторы, не учтенные в существующей инструкции. Владельцы ИР стали оснащать их системами постоянного акустико-эмиссионного мониторинга (ПАЭМ). Причем не всегда установке системы ПАЭМ предшествует полное обследование ИР снаружи и изнутри с освобождением от хранимого продукта. В ряде случаев система ПАЭМ была установлена во время эксплуатации ИР без его предварительного полного обследования.

Очевидно, что независимо от порядка установки наличие системы ПА-ЭМ дает большую информацию о состоянии объекта, чем ее отсутствие.

В 2004 г. Секцией акустической эмиссии Научно-технического Совета Ростехнадзора было принято решение о внесении изменений в «Инструкцию» в части уточнения процедуры акустико-эмиссионного контроля изотермических резервуаров, в частности, правомочности применения АЭ контроля при пневмоиспытаниях ИР, а также учета наличия систем ПАЭМ.

В новой редакции РД 03,-410-01 рассматривается пять возможных вариантов проведения обследования ИР:

1) частичное обследование в режиме эксплуатации изотермического резервуара, не оборудованного системой ПАЭМ, без применения АЭ контроля; по результатам обследования возможно продление срока эксплуатации на один год;

2) частичное обследование в режиме эксплуатации ИР, не оборудованного системой ПАЭМ, с применением АЭ контроля (при возможности осуществления такого варианта обследования), по результатам которого возможно продление срока эксплуатации на два года;

3) полное обследование с освобождением от продукта ИР, не оборудованного системой ПАЭМ, по результатам которого возможно продление срока эксплуатации на восемь лет;

4) частичное обследование в режиме эксплуатации ИР, оснащенного системой ПАЭМ, установленной без предварительного проведения полного обследования; по результатам обследования возможно продление срока эксплуатации на четыре года;

5) частичное обследование в режиме эксплуатации ИР, оснащенного системой ПАЭМ, установленной после предварительного проведения полного обследования; по результатам обследования возможно продление срока эксплуатации на восемь лет до следующего такого же обследования, т.е. переход к эксплуатации по фактическому техническому состоянию.

Полуподземные изотермические резервуары

Менее распространенным типом изотермических резервуаров являются полуподземные частично обвалованные изотермические резервуары для хранения СУГ.

В 1997 г. НПК «Изотермик» с участием НО «Гипрокаучук», ЗАО «Северодонецкий Оргхим», АО «ЦНИИПСК им. Мельникова», НИИЖБ, АО «Теп-лопроект» разработана и утверждена Госгортехнадзором России «Инструкция по комплексному техническому освидетельствованию полуподземных частично обвалованных изотермических резервуаров для СУГ с температурой хранения от + 0,5 °С до - 43 °С.

В соответствии с конструктивными особенностями этих резервуаров в Инструкции изложены специально разработанные методы и средства обследования наружного железобетонного резервуара, внутренних железобетонных конструкций, системы электрообогрева и дренажной системы ИР. Особое внимание уделено обследованию состояния грунтов основания и боковых призм, а также испытанию внутренней металлической оболочки ИР.

Подпроект 5.1.4 - железобетонные резервуары

По поручению Госгортехнадзора РФ НПК «Изотермик» разработал «Инструкцию по техническому обследованию железобетонных резервуаров для нефти и нефтепродуктов» (утверждена Госгортехнадзором РФ в январе 1997 г.). Инструкция разработана на основе последних исследований в области обеспечения эксплуатационной надежности железобетонных конструкций с учетом результатов анализа работы резервуаров для хранения нефти, темных и светлых нефтепродуктов.

Инструкция сопровождена приложениями по схеме обследования железобетонных резервуаров с указанием минимального количества инструментальных измерений, унифицированному ряду емкостей резервуаров, сооруженных в 1960-74 годах по типовым проектам, оценке агрессивности нефтепродуктов к бетону железобетонных конструкций.

Подпроект 5.1.5 - вертикальные стальные резервуары

Полученные нами результаты экспериментально-теоретических исследований в области прочности, устойчивости, технического диагностирования, экспертизы промышленной безопасности и оценки остаточного ресурса стальных вертикальных резервуаров были использованы при разработке стандартов организации по проектированию, изготовлению и монтажу, а также стандарта организации по техническому диагностированию и анализу промышленной безопасности.

Основой для разработки документов послужили Федеральные законы, Указы Президента, руководящие документы Ростехнадзора, стандарты системы безопасности труда, строительные нормы и правила, и другие отечественные и зарубежные нормативные документы. Документы составлены с учетом «Положения о единой системе оценки соответствия на объектах, подконтрольных Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору» (РД-03-21-2007), введенного в действие с 16.04.2007 г., а также введения категорирования объектов по уровню их опасности и использованию в различных сферах бизнеса.

Из общего числа резервуаров (более 50 000 шт.), имеющих массу 5 млн. тонн, к сфере ОПО относится около 25%, к сфере применения в среднем бизнесе - 42% и 33% - к сфере применения в малом бизнесе. Параллельно с этим в резервуаростроении введены три категории (класса) опасности резервуаров, которые зависят от объема и расположения резервуаров, оборачиваемости продукта (циклов в год), а также коэффициента тяжести возможного материального ущерба (от < 500 для 1 класса до < 50 для 2 и < 10 для 3 класса опасности).

Такое разграничение значительно расширяет сферу действия и ответственности малого и среднего бизнеса.

Техническое диагностирование и анализ безопасности резервуаров

Руководящий документ «Резервуары вертикальные стальные сварные для нефти и нефтепродуктов. Техническое диагностирование и анализ безопасности» (методические указания) разработан в Научно-промышленном

союзе «РИСКОМ» специалистами ведущих специализированных организаций в области технического диагностирования, определения остаточного ресурса и анализа промышленной безопасности резервуарных конструкций: Научно-производственного консорциума «Изотермик», ООО «Интерюнис», ООО «Нефтегаздиагностика», ОАО «Оргэнергонефть», ООО «Энергодиагностика», ООО «Ультратест», ООО «ДИАПАК» с участием работников Рос-технадзора, с учетом и в соответствии с действующими нормативными документами, в качестве стандарта организаций НПС «РИСКОМ» и Российской ассоциации экспертных организаций техногенных объектов повышенной опасности.

Правила проектирования, изготовления и монтажа резервуарных конструкций

В соответствии с принятой стратегией развития страны одной из приоритетных задач является интегрирование Российской Федерации в международную систему добычи и переработки нефти. Опыт совместной работы российских организаций с зарубежными партнерами показал значительные расхождения отечественных и зарубежных стандартов по проектированию и монтажу резервуарных конструкций. Для повышения эффективности выполнения совместных проектов и обеспечения широкомасштабного выхода отечественных компаний на зарубежные рынки необходима гармонизация национальных нормативных требований и основных мировых стандартов.

Документ СТО-СА-03-002-2009 устанавливает единые комплексные технические требования к конструкции, устройству, проектированию, основным методам расчета, изготовлению, монтажу и испытаниям вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов с хранением продукта под избыточным давлением, близким к атмосферному, которые обеспечивают их конструктивную прочность и промышленную безопасность. С этой же целью в стандарте приводятся требования к параметрам других конструкций (фундаментов, технических и пожарных трубопроводов, теплоизоляции и т.п.), связанных с резервуаром и обеспечивающих его безопасную работоспособность как сооружения в целом.

Проект 5.2 - нормативно-технические аспекты по производственным зданиям и сооружениям

Существующая в настоящее время отечественная нормативная литература по промышленной безопасности зданий и сооружений касается, в основном, вопросов обследования их технического состояния и привязана или к конструктивным элементам строительных конструкций, или к производственным зданиям отраслевого назначения. Однако обследование технического состояния является только частью (весьма важной, трудоемкой и ответственной) анализа промышленной безопасности ОПО. В связи с этим НПК «Изотермик» с участием ведущих специализированных организаций ЗАО «Про-ектхимзащита», Центра исследований экстремальных ситуаций, ЗАО Институт «Харьковский Промстройниипроект», ВИА им. Куйбышева, ЦНИИ Минобороны РФ им. Д.М.Карбышева, ООО «ПТИ «СПЕЦЖЕЛЕЗОБЕТОНПРО-

ЕКТ» (г. Челябинск), ООО «ВЕЛД» (г. Магнитогорск) разработан стандарт организаций Научно-промышленного союза «РИСКОМ» и Ассоциации «Рос-техэкспертиза» «Методические указания по проведению технического обслуживания, ремонта, обследования, анализа промышленной безопасности производственных зданий и сооружений предприятий, эксплуатирующих взрывопожароопасные и химически опасные объекты».

В содержании стандарта нашли отражение следующие разделы и материалы:

- основные требования безопасности к производственным зданиям и сооружениям, где даны таблицы «Категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности» и «Нормативные сроки службы производственных зданий и сооружений»;

- указания по техническому обслуживанию зданий и сооружений с таблицей «Периодичность капитального ремонта конструктивных элементов производственных зданий и сооружений»;

- технический надзор за состоянием производственных зданий и сооружений в период эксплуатации; •

- правила проведения ремонтных работ;

- наличие и ведение проектной, производственной и эксплуатационно-технической документации;

- подготовительные работы к проведению обследования и экспертизы промышленной безопасности зданий и сооружений с «Типовым техническим заданием на выполнение работ по проведению экспертизы промышленной безопасности здания (сооружения)» и «Программой обследования строительных конструкций здания (сооружения)»;

- проведение обследования и экспертизы промышленной безопасности зданий и сооружений с таблицами «Оценка степени агрессивного воздействия газовоздушной среды» и сроки проведения ЭПБ.

Разработаны таблицы с предельными деформациями оснований, схемами и видами повреждений.

ПРОГРАММА 6. ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СИСТЕМНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И УПРАВЛЕНИЯ РИСКАМИ ОПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

В рамках программы осуществлено три проекта.

Проект 6.1 - системный подход к обеспечению промышленной безопасности

Общей картины технического состояния ОПО, включая оценку рисков, тем более в режиме реального времени, в настоящее время нет. Поэтому системный подход был реализован в следующих составляющих:

- сбор и анализ информации о техническом состоянии и приемлемых рисках ОПО;

- разработка нормативных документов по промышленной безопасности ОПО;

- комплексная экспертиза промышленной безопасности ОПО;

- классификация и категорирование ОПО по степени риска;

- электронная паспортизация ОПО;

- оптимизация межремонтных сроков эксплуатации ОПО с перспективой перехода к эксплуатации по фактическому техническому состоянию;

- внедрение автоматического контроля за техническим состоянием ОПО с передачей информации в режиме реального времени ответственному лицу предприятия и надзорным органам, принимающим решение о дальнейшей эксплуатации;

- управление рисками.

Так, сбор и анализ имеющейся информации о техническом состоянии ОПО проводится и на предприятиях-владельцах ОПО, и экспертными организациями, проводящими ЭПБ ОПО, и органами Ростехнадзора по отраслевому принципу. Работы НПК «Изотермик» в этой области изложены в программе 4.

Разработка нормативных документов по промышленной безопасности вновь возвращается (после 2006 г.) под эгиду Ростехнадзора, что позволит систематизировать разработки в этом направлении, актуализировать имеющиеся документы, утвердить (в случае их соответствия), разработанные в рамках действия закона о техрегулировании, стандарты организаций. Разработанные НПК «Изотермик» нормативно-технические документы по рассматриваемым вопросам описаны в программе 5.

НПК «Изотермик» осуществляет комплексную системную экспертизу промышленной безопасности ОПО различных отраслей промышленности -химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, нефтяной, газовой, объектах строительства и ТЭК, и включает в себя ЭПБ проектной документации, технических устройств, зданий и сооружений, а также документов, связанных с эксплуатацией ОПО - разрешение на применение, лицензии на эксплуатацию и др.

Проект 6.2 - электронная паспортизация опасных производственных объектов

Под электронной паспортизацией подразумевается создание базы данных технических устройств предприятия, содержащей возможно более полную информацию об их технологических и эксплуатационных характеристиках. Использованы следующие преимущества электронного хранилища информации по сравнению с традиционным - бумажным:

• поддержка структуры данных, созданной на основе классификаций участвующих в технологическом процессе объектов;

•быстрый доступ к информации;

•возможность представлять информацию в удобном виде, используя современные 1Т-технологии;

• автоматизация документооборота предприятия;

• основа для системы мониторинга технического состояния объектов и технологических процессов;

Взаимодействие классов программы и виртуальных образов реальных объектов (рис. 9) реализовано в виде комплексной среды управления системой, мониторинга технического состояния объектов технологического процесса предприятия, средств общения системы мониторинга и пользователя.

Пользователи программного продукта: руководящий состав предприятия, руководители подразделений, инженерно-технические работники, представители экспертных организаций, надзорные органы.

обмен S 14 информацией ^ /

функции программы

схема парка устройств

Результаты последней ЭПБ

Краткая техническая характеристика объекта

Схема неразрушающего контроля объекта

Транзакции базы данных -1-Г

Добавление информации

Информация о ТО, ремонтах

Текущие и просроченные работы

Акты не разрушающего 1 контроля объекта

Редактирование информации

Рис. 9 Структура виртуальных объектов и функций программы

Варианты использования (USE-CASE) (рис.10) обеспечивают диалог «система-пользователь» посредством SQL-запросов к базе данных, а также функции визуального отображения объектов контроля.

Рис. 10 Упрощенная USE-CASE диаграмма программного продукта

Проект 6.3 - мониторинг ОПО и управление рисками

В рамках проекта выполнены два подпроекта.

Подпроект 6.3.1 - технические аспекты управления рисками и мониторинга технического состояния опасных производственных объектов.

Важным элементом обеспечения безопасности строительных конструкций является новое направление - разработка и внедрение систем комплексного мониторинга технического состояния (КМТС) строительных конструкций (в том числе и автоматизированных). Важность и актуальность этого направления обусловливается, кроме вышеперечисленных факторов, отсутствием необходимого количества квалифицированных специалистов и организацией в области проектирования, изготовления, экспертизы и эксплуатации комплексных автоматизированных систем мониторинга технического состояния строительных конструкций ЗиС.

Производственные здания и сооружения ОПО обладают весьма существенными специфическими особенностями, связанными с высокими рисками и условиями эксплуатации: высокая механическая нагруженность (статическая, малоцикловая, усталостная, вибрационная - от технологического и кранового оборудования, технологических трубопроводов и т.д.); воздействие агрессивных продуктов от технологических процессов и газовоздушной об-

щезаводской среды; изношенность строительных конструкций зданий и сооружений на опасных производственных объектах, превышающая 7(Н80%; риски аварий и катастроф, связанные с обрушением строительных конструкций зданий и сооружений и последующим выходом из строя технологического оборудования, что в свою очередь угрожает жизни и здоровью работников предприятий, населения близлежащих территорий, экологической обстановке местного и территориального масштаба. В результате на зараженной территории могут остаться без электроэнергии, воды и жилья десятки и сотни тысяч человек; материальный ущерб от последствий только одной аварии средней категории на химическом или нефтеперерабатывающем заводе исчисляется миллионами долларов.

Для разработки системы управления рисками и мониторинга ТС необходимо собрать исходную информацию, а именно: провести анализ генерального плана и технологической схемы предприятия, технических параметров ЗиС и оборудования; условий эксплуатации, режимов нагружения, ремонтов, обследований, инцидентов и аварий; проанализировать функционирование системы промышленной безопасности и оценить уровень подготовки персонала. Результатом явится анализ потенциальных рисков и вероятностей возможных аварий.

Далее мониторинг технического состояния ОПО осуществляется выборочно по отдельным конструкциям, узлам или элементам здания, работоспособность которых определяет безопасную эксплуатацию всего здания. Таким образом, основными этапами разработки системы управления рисками и мониторинга ТС являются следующие: обследование и экспертиза промышленной безопасности строительных конструкций зданий и сооружений; анализ взаимосвязи поврежденности конструкций и технологического оборудования, анализ деградации свойств материалов конструкций, оценки уровня фактических и допустимых рисков. Далее по критериям риска назначаются уровни ответственности зданий и сооружений и определяются критически важные зоны конструкций и узлов. Следующим этапом является разработка методик: для определения периодичности обследований элементов конструкций; комплексного мониторинга ТС ответственных элементов и узлов конструкций особо опасных ЗиС; мониторинга технологических воздействий производственных процессов и оборудования на несущие конструкции зданий и сооружений.

Целью комплексного мониторинга технического состояния (КМТС) является безаварийная и в перспективе непрерывная (без остановок на обследования) эксплуатация объекта. Задачами КМТС являются: своевременное обнаружение дефектов в конструкции; сбор и хранение данных технического диагностирования и прогнозирование изменения технического состояния конструкций во времени; автоматизация технического диагностирования и снижение роли человеческого фактора.

При создании подсистемы комплексного мониторинга технического состояния (КМТС) строительных металлоконструкций предусмотрены следующие этапы: выбор методов неразрушающего контроля, оптимальных для

решения задач мониторинга; определение типов и характеристик датчиков и других источников объективной информации; разработка системы критериев и принятия решений КМТС; разработка программных комплексов КМТС; разработка и изготовление аппаратурной части системы; опытная эксплуатация, разработка рекомендаций по действиям в критических ситуациях.

Современное приборостроение способно удовлетворить уровень требований к приборам и оборудованию неразрушающего контроля и определения напряженно-деформированного состояния. Методы, используемые в КМТС: акустическая эмиссия; вибродиагностика; тепловидение; измерение напряженно-деформированного состояния; измерение линейных перемещений и углов наклона; метод свободных колебаний для элементов конструкций и ЗиС в целом; измерение параметров газовоздушной среды внутри и снаружи зданий и сооружений; измерение параметров сейсмологической обстановки; измерение параметров геотектонической обстановки в зоне нахождения ЗиС опасных производственных объектов.

Комплексную систему мониторинга целесообразно устанавливать на особо ответственные и опасные производства (например, на критически важные и стратегически важные объекты) с целью обеспечения безопасности и контроля уровня приемлемого риска.

Разработан набор функций системы мониторинга и сформулированы требования к интерфейсу программы. Заложена современная визуализация в виде ЗБ-моделей.

Подпроект 6.3.2 - организационные вопросы управления рисками и мониторинга технического состояния опасных производственных объектов.

Для обеспечения единой технической политики государства и повышения ее эффективности по проблемам безопасной эксплуатации ОПО и управления рисками в режиме реального времени назрела необходимость в создании Центра управления рисками и мониторинга технического состояния опасных производственных объектов (далее Центр мониторинга), основными функциями которого могли бы стать:

- разработка единой технической политики и приоритетных направлений в оснащении ОПО системами комплексного мониторинга технического состояния (КМТС);

- классификация и категорирование ОПО по степени риска;

- создание и ведение баз данных (электронных паспортов) о техническом состоянии ОПО;

- анализ и подготовка информации в режиме реального времени о техническом состоянии объекта для принятия компетентными органами решений о дальнейшей безопасной эксплуатации объекта;

- координация разработок и сопровождение утверждения нормативных и законодательных документов по оснащению вновь строящихся и находящихся в эксплуатации объектов системами КМТС;

- координация работ по оснащению ОПО системами КМТС;

- координация работ по проектированию систем КМТС;

- консультационно-информационная поддержка работ по оснащению ТУ и ЗиС ОПО системами КМТС;

-координация разработок, разработка и утверждение нормативных документов по аттестации средств, методик, специалистов, персонала, лабораторий мониторинга технического состояния ОПО;

-повышение квалификации персонала, эксплуатирующего системы мониторинга ОПО.

Центр мониторинга должен тесно сотрудничать с Центром кризисных ситуаций МЧС России, а также в соответствии с ГОСТ Р 22.1.12-2005 будет участвовать в разработке структурированной системы мониторинга инженерных систем в части строительных конструкций.

Создание Центра мониторинга может быть профинансировано крупным бизнесом (например, в рамках национального проекта по техногенной безопасности), а административный ресурс, законодательное и нормативно-правовое обеспечение остается за государством.

Однако, конструкция «производство - государство» является неустойчивой. Еще одной составляющей, на наш взгляд, должно выступить обязательное страхование опасных производственных объектов, которое, обладал естественным мощным регулирующим механизмом, будет способствовать техническому перевооружению, модернизации и внедрению систем мониторинга.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показана актуальность нового научного направления, связанная с развитием системы обеспечения промышленной безопасности циклически нагружаемых строительных сварных металлоконструкций опасных производственных объектов.

Предложены новые подходы и решения к развитию методов и средств получения недостающей информации о циклической прочности, трещино-стойкости и остаточном ресурсе металлоконструкций, основанные на принципах системности, комплексности и интегративности. Получен объемный достоверный эмпирический материал для анализа промышленной безопасности зданий, сооружений, эксплуатирующихся с высокими рисками в экстремальных условиях: высокая механическая нагруженность; агрессивное воздействие на конструкции рабочих сред; широкий диапазон температур эксплуатации (от -196°С до +600°С); высокая степень дефектности и поврежден-ности.

Представленный материал является научно-инженерной и когнитивно-информационной базой деятельности и развития Научно производственного консорциума «Изотермик» (г. Москва).

Основные публикации по теме диссертационного исследования

1. Ларионов В.В., Ханухов X.M. Прочностные и деформационные характеристики сварных соединений

строительной стали 10ХСНД при малоцикловом нагружении / Сб. «Проектирование металлических конструкций», серия VII, выпуск 4/51,1974., с. 58-66.

2. Муханов К.К., Ларионов B.B., Тарасов A.M., Ханухов Х.М. Исследование малоцикловой прочности различных зон сварных соединений строительных сталей / Известия ВУЗов «Строительство и архитектура», 1974, № 6, с. 17-22.

3. Муханов К.К., Ларионов В.В., Ханухов Х.М. Метод оценки несущей способности сварных стальных конструкций при малоцикловом нагружении / «Расчеты на прочность», вып. 17. - М.: «Машиностроение», 1976, с. 259-284.

4. Муханов К.К., Ларионов B.B., Ханухов Х.М. Малоцикловая прочность сварных соединений малоуглеродистых и низколегированных сталей в связи с прочностью различных зон / Сб. «Вопросы прочности крупных деталей машин», ЦНИИТмаш. - М.: «Машиностроение», 1976, с. 130-139.

5. Ханухов Х.М, Исследование характеристик малоцикловой прочности сталей и металла сварных соеди-

нений в строительных конструкциях / Сб. «Проектирование металлических конструкций», серия 17, выпуск 9 (75), 1977, с. 10-16.

6. Ханухов Х.М. Влияние режима нагружения на сопротивление строительных сталей малоциюговому разрушению / Сб. «Проектирование металлических конструкций», серия XVII, выпуск 8 (84), М., 1978, с.26-32.

7. Ларионов В.В., Ханухов Х.М. Сопротивление малоцикловому деформированию низколегированной

стали при низких температурах / «Проблемы прочности», 1978, № 9, с. 16-19;

8. Ларионов В.В., Ханухов Х.М. Влияние способа сварки на малоцикловую усталость сварных соединений

низколегированных сталей / «Автоматическая сварка», 1979, № 3, с. 27-30,41.

9. Ларионов В.В., Ханухов Х.М., Муромцева О.Н. Малоцикловая усталость строительных сталей в агрессивных средах / «Физико-химическая механика материалов», 1980, № 3, с. 39-40.

10. Ларионов В.В., Махутов H.A., Горицкий B.M., Ханухов Х.М. Закономерности малоцикловой повреждаемости и разрушения стали 10ХСНД в широком интервале (20....-196°С) низких температур / «Проблемы прочности», 1980, № 11, с. 11-17.

11. Ханухов Х.М. Низкотемпературная прочность строительной стали при малом числе циклов нагружения / Сб. «Исследование работы металлических конструкций зданий и сооружений при повторно-статическом и динамическом нагружении», 1980, с. 70-86.

12. Петров A.M., Ханухов Х.М. Влияние технологических факторов на малоцикловую прочность сварных соединений строительных сталей I Сб. «Исследование работы металлических конструкций зданий и сооружений при повторно-статическом и динамическом на1ружении», 1980, с. 48-63.

13. Ханухов Х.М., Евдокимов В.В. Влияние технологии изготовления сварных стыковых соединений строительных сталей на их работоспособность при малоцикловом нагружении / «Надежность и прочность сварных соединений и конструкций»: Сборник материалов краткосрочного семинара ЛДНТП, Ленинград, 1980, с. 29-33.

14. Ларионов B.B., Ханухов Х.М. О выборе стали для циклически нагружаемых конструкций / «Строительная механика и расчет сооружений», 1981, № 1, с. 43-46.

15. Ханухов Х.М. Влияние различных факторов на изменение упругих характеристик сталей, применяемых в антенных сооружениях / Тр. ЦНИИПСК «Развитие конструктивных форм и методов расчета металлических конструкций инженерных сооружений типа антенных устройств и опор», 1981, с. 118-127.

16. Ханухов X.M., Автандилян Г.И. Поляк B.C. Визир П.Л. Уточнение вероятностных характеристик модуля нормальной упругости малоуглеродистой стали в зависимости от температуры / Сб. «Проектирование металлических конструкций», ВНИИИС, сер.З вып. 2, 1982, с. 12-13.

17. Ханухов X.M., Беляев Б.Ф. Черкасова И.Н. Влияние предварительного малоциклового нагружения на сопротивление разрушению строительной стали / «Исследование хрупкой прочности строительных металлических конструкций»: Тр. ЦНИИПСК, 1982, с. 92-102.

18. Ларионов В.В., Ханухов Х.М., Злочевский А.Б., Воронецкий А.Е. Исследование характеристик сопро-

тивления развитию трещин в строительных сталях при малоцикловом нагружении в условиях низких температур / «Исследование хрупкой прочности строительных металлических конструкций»: Тр. ЦНИИПСК, 1982, с. 139-149.

19. Ларионов В.В., Ханухов Х.М., Злочевский А.Б., Воронецкий А.Е. Малоцикловая усталостная прочность сварных соединений низколегированной стали, используемых в криогенных резервуарах / «Прочность материалов и конструкций при низких температурах»: Сборник тезисов докладов Всесоюзной конференции, Киев, 1982, с. 42-43.

20. Ларионов В.В., Ханухов Х.М. Изменчивость модуля нормальной упругости строительной стали в зависимости от ряда технологических и эксплуатационных факторов / Республиканская конференция по повышению надежности и долговечности машин и сооружений: Тезисы докладов, ч. 1, Киев: Наукова думка, 1982, с. 64-66.

21. Леус Ю.Я., Ханухов Х.М. Зависимость модуля упругости от физических свойств материала / «Проблемы прочности», 1983, №2, с.102-105.

22. Левин Д.М., Морозюк A.A. Поляк B.C., Ханухов Х.М. Статистическая характеристика значений модуля упругости малоуглеродистой стали / «Строительяая механика и расчет сооружений», 1983, № 4, с. 4547.

23. Ханухов Х.М. Циклическая трещиностойкость сварных соединений в условиях низких температур У Сб. «Малоцикловая усталость - механика разрушеим, живучесть и материалоемкость конструкций»: Тезисы докладов и сообщений IV Всесоюзного симпозиума, Краснодар, 1983, с. 48-51.

24. Ханухов Х.М., Воронецкий А.Е. Оценка прочности элементов сварных конструкций при отрицательной температуре на стадии распространения 7рещин / Экспресс-информация ВНИИИС Госстроя СССР, сер. «Инженерно-теоретические основы строительства», M., 1984, вып. 3, с. 2-5.

25. Злочсвский А.Б., Воронецкий А.Е., Ларионов В.В., Ханухов Х.М. Исследование характеристик греши-ностойкости строительных сталей в условиях низких температур / «Прочность материалов и конструкций при низких температурах», Киев: Наукова думка, 1984, с. 84-9!.

26. Ханухов Х.М., Воронецкий А.Е., Пидгурский Н.И. Циклическая прочность элементов стальных конструкций с поверхностными дефектами в условиях низких температур. / «Применение методов механики разрушения в расчетах строительных металлических конструкций на хрупкую прочность и долговечность»: Сборник тезисов докладов краевой научно-технической конференции, Красноярск, 2-5 окт. 1984, с. 126-129.

27. Ханухов Х.М., Пидгурский Н.И., Воронецкий А.Е. Влияние перегрузок на закономерности распростра-

нения усталостных трещин в сварных соединениях при пониженных температурах. / «Трещиностой-кость материалов и элементов конструкций»: Сборник тезисов докладов II Всесоюзного симпозиума «Механика разрушения», т. Ш, Житомир, октябрь, 1985, с. 85-86.

28. Ханухов Х.М., Еремин К.И., Шувалов А.Н., Бродач С.А. Исследование характеристик сопротивления малоцикловому деформированию и разрушению стали 20ХГСА в диапазоне климатических температур / Депонирована во ВНИИС Госстроя СССР, вып. 6,1986, № 6895.

29. Ханухов Х.М., Поляк B.C., Автандилян Г.И., Визир П.А. Динамический модуль упругости малоуглеродистой стали в диапазоне климатических температур / «Проблемы прочности», 1986, № 7, с. 55-58.

30. Ханухов Х.М., Шувалов А.Н., Еремин К.И. Экспериментальные исследования и расчетная оценка циклической трещиностойкости элементов сварных металлоконструкций в диапазоне климатических температур / «Сварочное производство», 1986, № 8, с. 19-21.

31. Ларионов B.B., Поляк B.C., Ханухов Х.М. Изменчивость модуля нормальной упругости строительной стали в зависимости от ряда технологических и эксплуатационных факторов / «Надежность и долговечность машин и сооружений», 1986, Л"» 10, с. 52-62.

32. Ханухов Х.М., Пидгурский Н.И., Хромоа Д.П. Влияние предварительной пластической деформации на

структуру и малоцикловые свойства строительных сталей в диапазоне климатических температур. / «Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур»: Сборник тезисов докладов II совещания по тепловой микроскопии, 12-14.11.1984 г., М., 1986, с. 190-191.

33. Ларионов В.В., Ханухов X.M., Юрченко Ю.И. Малоцикловая прочность металлоконструкций в условиях экстремальных температур эксплуатации / «Нормирование прочности и ресурса высоконагруженных машин»: Сборник тезисов докладов Всесоюзного научно-технического симпозиума с участием специалистов стран-членов СЭВ в г. Владимире 18-29 ноября 1986 г., M., 1986, с. 131-135.

34. Ханухов Х.М., Пидгурский Н.И. Оценка малоцикловой прочности элементов сварных металлоконструкций при воздействии опрессовок и последующей эксплуатации в условиях низких климатических температур / Депонирована во ВНИИС Госстроя СССР, № 7760 от 18 марта 1987 г.

35. Ханухов Х.М., Зайчик Б.М. Повышение надежности сильфонных компенсаторов / «Строительная механика и расчет сооружения», 1987, № 5, с. 27-28.

36. Леус ЮЛ., Ханухов Х.М., Тарасов B.M. Расчетная оценка прочности и долговечности строительных металлических конструкций при циклическом нагружении / «Проблемы прочности», 1987, № 5, с. 9г15.

37. Ханухов Х.М. Закономерности деформирования и разрушения металла сварных соединений строительной стали при повышенных температурах в условиях статического и малоциклового нагружения. Со-общ. 1. Сопротивление деформированию / «Проблемы прочности», 1987, № 9, с. 28-32.

38. Ханухов Х.М., Горицкий B.M., Шнейдеров Г.Р. Закономерности деформирования и разрушения металла сварных соединений строительной стали при повышенных температурах в условиях статического и малоциклового разрушения. Сообщение 2 / «Проблемы прочности», 1987, № 12, с. 29-33.

39. Larionov V.V, Khanukhov Kh.M. «Effect of low temperatures on strength of welded structure subjected to cyclic loading», USSR Academy of sciences USSR National welding committee IIW Doc. XI11-1236-87, 1987, p. 56.

40. Ханухов X.M., Юрченко Ю.И. Сравнительная оценка строительных сталей при статическом и малоцикловом нагружении в условиях повышенных температур / Депонирована во ВНИИ С Госстроя СССР, вып. 1987 г., № 7060.

41. Ханухов X.M. Малоцикловая прочность строительных металлоконструкций в условиях низких и высо-

ких температур эксплуатации / «Усталость и хрупкий излом стальных конструкций» Dim Kultury ROH, PLZEN, 19a20Kvetna, 1987, c.127-131.

42. Hanuhov Kh.M., Larionov V.V. Fatique ofWelded Structures at Low Températures. 1987, p. 499-503.

43. Ханухов X.M., Автандилян Г.И., Визир П.А. Определение характеристик жесткости и податливости элементов прецизионных металлических конструкций / «Строительная механика и расчет сооружений», 1988, № 1, с. 64-66.

44. Горицкий В.М., Ульянова Т.Н., Ханухов Х.М., Юрченко Ю.И. Влияние температуры испытаний на структуру и малоцикловую усталость низколегированных сталей / «Физико-химическая механика материалов», 1988, №2, с. 17-22.

45. Ханухов Х.М., Зайчик Б.М., Гокун М.В., Егоров М.М. О влиянии действительных механических свойств материала сильфона на его расчетную долговечность / HTC «Вопросы прочности нефтехимического оборудования», М.: ВНИИнефтемаш, 1988.

46. Ханухов X.M., Пидгурский Н.И., Еремин К.И., Бродач С.А. Методические особенности длительных низкотемпературных (до - 196°С) испытаний материалов / «Заводская лаборатория», 1989, № 5, с. 7174.

47. Ларионов В.В., Ханухов Х.М., Зайчик Б.М. Долговечность натурных сильфонных компенсаторов с уче-

том потери осевой устойчивости / «Натурные испытания, инструментальные наблюдения и контроль строительных металлических конструкций при возведении и эксплуатации инженерных сооружений»: Сб. научных трудов, ЦНИИпроектстальконструкция им. Мельникова, М., 1990, с. 124-139.

48. Горицкий В.М., Басхо Е.М., Ханухов Х.М., Шнейдеров Г.Р., Марсуверский Б.А. Влияние повышенных температур эксплуатации на малоцикловую прочность и трещиностойкость стали 09Г2МФБ для сварных футерованных конструкций / «Металлургическая и горнорудная промышленность», 1992, № 2, с. 30-32.

49. Ханухов Х.М., Краев В.И., Воронецкий А.Е., Колесников В.И. Установка для исследования циклической и статической трещиностойкости сталей в аммиачных средах / «Заводская лаборатория», 1992, X» 4, с. 59-60.

50. Ханухов Х.М. Вопросы безопасной эксплуатации изотермических резервуаров для хранения сжижен-

ных газов / «Промышленное строительство», 1992, № 5, с. 15-16.

51. Ханухов Х.М., Воронецкий А.Е., Островский А.В., Колесников В.И. Эксплуатационная нагруженность

и повреждаемость резервуаров для хранения жидкого аммиака / «Промышленное и гражданское строительство», 1993, № 5, с. 5 -7.

52. Воронецкий А.Е., Колесников В.И., Ханухов Х.М. Прогнозирование долговечности тонкостенных листовых хранилищ жидкого аммиака / Сб. научных трудов «Легкие строительные конструкции», Ростов-на-Дону: Рост. гос. академия строительства, 1993, с. 108-111.

53. Ханухов Х.М. Направления деятельности научно-производственного консорциума «Изотермик» /

«Промышленное и гражданское строительство», 1994, № 5, с. 7-9.

54. Ханухов Х.М. Организационные вопросы обеспечения безопасной эксплуатации изотермических хранилищ жидкого аммиака / «Промышленное и гражданское строительство», 1996, № 5.

55. Шаталов А.А., Ханухов Х.М., Воронецкий А.Е. Разработка нормативных документов по обеспечению безопасной эксплуатации сернокислотных резервуаров / «Безопасность труда в промышленности», 1996, № 12, с, 2-4.

56. Ханухов Х.М., Воронецкий А.Е., Горицкий В.М. Влияние эксплуатационных факторов на техническое состояние и остаточный ресурс шаровых резервуаров и газгольдеров объемом 600 и 2000 м3 / «Промышленное и гражданское строительство», 1997, № 6, с. 32-34.

57. Шаталов А.А., Дадонов Ю.А., Ханухов Х.М., Воронецкий А.Е., Дорофеев Е.Ю., Гузеев Е.А. Об инст-

рукции по техническому обследованию железобетонных резервуаров для нефти и нефтепродуктов / «Безопасность труда в промышленности», 1997, № 8, с. 50-54.

58. Шаталов А.А., Ханухов Х.М., Воронецкий А.Е., Горицкий В.М. Учет эксплуатационно-технологических факторов при диагностике технического состояния и оценке остаточного ресурса шаровых резервуаров и газгольдеров / «Безопасность труда в промышленности», 1997, № 9, с. 23-26.

59. Ханухов Х.М., Шаталов А .А., Богатов Н.Д., Воронецкий А.Е., Дорофеев Е.Ю., Гузеев Е.А. Диагностика технического состояния железобетонных сливоналивных эстакад / «Безопасность труда в промышленности», 1997, № 12, с. 33-36.

60. Шаталов А.А., Дадонов Ю.А., Ханухов Х.М., Воронецкий А.Е., Дорофеев Е.Ю., Гузеев Е.А. Прогнозирование остаточного ресурса безопасной эксплуатации железобетонных резервуаров для нефти и нефтепродуктов на основе нового нормативного документа / «Безопасность трубопроводов»: Труды П-й Международной конференции в Москве, 28-31 августа 1997 г., с. 19-25.

61. Ханухов Х.М. Раздел II. «Расчет металлических конструкций» Гл. 4 Общие требования расчета. 4.9.

Циклическая прочность сварных конструкций/«Металлические конструкции». В 3 т. Т.1. Общая часть, (Справочник проектировщика) Под обией ред. В.В. Кузнецова (ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова), М.: изд-во АСВ, 1998, с.207-245.

62. Шаталов A.A., Ханухов Х.М., Воронецкий А.Е. Техническое состояние металлоконструкций мокрых газгольдеров / «Промышленное и гражданское строительство», 1999, № 5, с. 28-30.

63. Ханухов Х.М., Шаталов A.A., Воронецкий А.Е. Безопасность и техническое состояние мокрых газгольдеров / «Безопасность труда в промышленности», 1999, № 8, с. 29-32.

64. Котляревский В.А., Шаталов A.A., Ханухов X.M. Безопасность резервуаров и трубопроводов / М.: Изд-во «Экономика и информатика», 2000,555 стр. с илл.

65. Кандахов Г.П., Ханухов Х.М., Туллер М.Я., Новиков B.T., Щофлер J1.B., Кондаков А.Г. Современное резервуарное оборудование для сокращения потерь при хранении нефти и нефтепродуктов / «Промышленное и гражданское строительство», 2000, № 5, с. 33-36.

66. Ханухов Х.М., Воронецкий А.Е., Светинский Е.В., Шулятьев O.A., Ястребов П.И. Строительство промышленных объектов на быстровозводимых стальных винтовых сваях / «Промышленное и гражданское строительство», 2001, № 6, с. 16-18.

67. Ханухов Х.М., Воронецкий А.Е., Дорофеев Е.Ю., Горицкий В.М., Шнейдеров Г.Р., Осокин Л.И. Методика и практика технического диагностирования и определения остаточного ресурса шаровых резервуаров и газгольдеров, «Промышленное и гражданское строительство», 2001, № 6, с. 24-29.

68. Шаталов A.A., Ханухов Х.М., Воронецкий А.Е., Дорофеев Е.Ю., Шнейдеров Г.Р., Осокин Л.И. Развитие методической базы и практика проведения экспертизы промышленной безопасности шаровых резервуаров и газгольдеров / «Безопасностьтруда в промышленности», 2001, № 12, с. 19-23.

69. Ханухов Х.М., Воронецкий А.Е., Дорофеев Е.Ю. Состояние вентиляционных, дымовых труб и газоходов на объектах повышенной опасности / «Промышленное и гражданское строительство», 2002, № 6, с. 22-25.

70. Ханухов Х.М. О новых технологиях с использованием природного газа и сжиженных углеводородных газов / «Нефтегаз», 2003, № 3, с. 91-94.

71. Ханухов Х.М. Анализ причин аварий стальных резервуаров и повышение безопасности их эксплуатации / «Химическое и нефтегазовое машиностроение», 2003, № 10, с. 49-52.

72. Ханухов Х.М. Комплексный подход к решению вопросов промышленной безопасности объектов НГК / «Технологии нефтегазового комплекса», Специализированное издание, 2004, с. 94.

73. Ханухов Х.М., Дорофеев Е.Ю., Симонов И.И. Нормативное обеспечение экспертизы промышленной

безопасности производственных зданий и сооружений, включая дымовые и вентиляционные трубы / «Промышленная безопасность». Экспертиза, контроль, проектирование: Научно-технический журнал Ассоциации экспертов по объектам повышенной опасности НО ГГТН РФ. Спец. Выпуск, Август 2004, с. 27-28.

74. Шаталов A.A., Ханухов Х.М., Алипов A.B. Прогнозирование остаточного ресурса вертикальных стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов и критерии оценки их технического состояния / «Безопасность труда в промышленности», 2005, № 3, с. 44-48.

75. Ханухов Х.М. Промышленная безопасность крупномонтажных резервуаров для хранения нефти, нефтепродуктов и сжиженных газов / «Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний», 2005, № 3, с. 2325.

76. Ханухов Х.М., Симонов И.И. Проектное и нормативно-техническое обеспечение безопасности изотермических резервуаров дая хранения сжиженных газов / «Научно-технические новости», российский союз химиков, ЗАО «Инфохим», «Вопросы эксплуатации, модернизации и безопасности хранилищ жидкого аммиака и других сжиженных газов», г. Северодонецк, 17 мая, Спецвыпуск, 2006, № 2-3, с. 3740.

77. Ханухов Х.М. Категорийность технического состояния промышленных дымовых и вентиляционных труб в зависимости от предельных значений основных дефектов и повреждений / «Промышленная безопасность» Экспертиза, контроль, проектирование: Научно-технический журнал научного объединения «Ассоциация Металлургэксперт», Спец. Выпуск, сентябрь 2006 г., № 2, с. 11-17.

78. Ханухов Х.М. Анализ причин аварий резервуаров, проектное, нормативное и техническое обеспечение их безопасной эксплуатации / «Новые решения конструкций, технологии сооружения и ремонта стальных резервуаров»: Сборник статей Мевдународной научно-практической конференции, Самара - Н. Новгород: НЕФТЕГАЗМАШ, август 2007 г., с. 112-120.

79. Ханухов Х.М. Новый нормативный документ по техническому диагностированию и анализу промышленной безопасности вертикальных стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов / «Химическая техника», 2008, № 6, с. 37-39.

80. Ханухов Х.М., Алипов A.B. АЭ-конгроль в нормативных документах по экспертизе промышленной безопасности резервуарных конструкций / «Химическая техника», 2008, № 7, с. 28-29.

81. Махутов H.A., Четверик Н.П., Ханухов Х.М. Промышленная безопасность и мониторинг технического состояния зданий и сооружений / «Безопасность труда в промышленности», 2008, № 10, с. 64-69.

82. Ханухов Х.М., Алипов A.B. Место АЭ-контроля в нормативных документах Научно-промышленного союза «РИСКОМ» по экспертизе промышленной безопасности резервуарных конструкций / Материалы научно-технической конференции «Акустическая эмиссия. Достижения в теории и практике», НПС «РИСКОМ» и ООО «Интерюнис», М„ 04-08.06.2008 г., с. 44-50.

83. Малов Е.А., Махутов H.A., Лещенко В.В., Харебов В.Г., Ханухов X.M., Алипов A.B. Техническое диагностирование и анализ безопасности резервуаров для нефти и нефтепродуктов / «Безопасность труда в промышленности», 2009, № 7, с. 54-57.

84. Малов Е.А., Махутов H.A., Ханухов X.M. Новый нормативный документ по обследованию и анализу

безопасности зданий и сооружений, дымовых и вентиляционных промышленных труб / «Безопасность труда в промышленности», 2009, № 9, с. 62-63.

85. Ханухов Х.М. Нормативные документы Научно-промышленного союза «РИСКОМ» по промышленной безопасности и анализу риска резервуарных конструкций, зданий и сооружений / «Мониторинг и управление рисками в промышленности. Проблемы диагностики и неразрушающего контроля»: Сборник материалов Научно-практической конференции, М., 02-06.11.2009 г., с. 28-39.

86. Ханухов Х.М. Нормативное обеспечение безопасной эксплуатации зданий и сооружений и мониторинг их технического состояния / «Предотвращение аварий зданий и сооружений»: Сборник научных трудов, выпуск № 8, М., 2009, с. 146-165.

87. Ханухов Х.М., Алаков М.А. Методика оценки остаточного ресурса и электронная паспортизация / Сб.

научных трудов под ред. Еремина К.И., M, 2010, с. 238-243.

88. «Инструкция по проведению обследования и диагностирования технического состояния сернокислотных резервуаров» Ханухов Х.М. и др. / «Инструкция по проведению обследования и диагностирования технического состояния сернокислотных резервуаров»: Выпуск НПК ИЗОТЕРМИК, 1996, 15 с.

89. «Инструкция по комплексному техническому освидетельствованию полуподземных частично обвалованных изотермических резервуаров для сжиженных углеводородных газов с температурой хранения от + 0,5 °С до - 43 0С» Ханухов X.M. и др. / НПК «Изотермик», АО «Гипрокаучук, ЗАО «Северодонецкий Оргхим», АО «ЦНИИПСК им. Мельникова», НИИЖБ, АО «Теплопроект», М., 1997.

90. «Инструкция по обследованию шаровых резервуаров и газгольдеров для хранения сжиженных газов под давлением (РД 03-380-00)» Ханухов Х.М. и др. / Сборник документов «Нормативные документы по техническому обследованию резервуаров для хранения взрывопожароопасных и агрессивных продуктов», Серия 03, выпуск 4,2001, с. 4-76.

91. «Инструкция по проведению комплексного технического освидетельствования изотермических резервуаров сжиженных газов (РД 03-410-01)» Ханухов Х.М. и др. / Сборник документов «Инструкция по проведению комплексного технического освидетельствования изотермических резервуаров сжиженных газов», Серия 03, выпуск 4,2001, с. 77-180.

92. «Инструкция по техническому обследованию железобетонных резервуаров для нефти и нефтепродуктов (РД 03-420-01)» Ханухов Х.М. и др. / Сборник документов «Инструкция по техническому обследованию железобетонных резервуаров для нефти и нефтепродуктов», Серия 03, выпуск 4,2001, с. 181-234.

93. «Методические указания по обследованию дымовых и вентиляционных промышленных труб. (РД 03610-03)» Ханухов Х.М. и др. ! «Методические указания по обследованию дымовых и вентиляционных промышленных труб (РД 03-610-03)», Серия 03, выпуск 40,2003.

94. « Резервуары вертикальные стальные сварные для нефти и нефтепродуктов. Техническое диагностирование и анализ безопасности (Методические указания) СА-03-008-08» Ханухов Х.М. и др. / Ассоциация «Ростехэкспертиза», НПС «РИСКОМ», НПК «Изотермик», М., 2008.

95. « Методические указания по проведению технического обслуживания, ремонта, обследования, анализа

промышленной безопасности производственных зданий и сооружений предприятий, эксплуатирующих взрывоопасные и химически опасные объекты (СА-03-006-06)» Ханухов Х.М. и др. / Ассоциация «Ростехэкспертиза», НПС «РИСКОМ», НПК «Изотермик», М., 2009.

96. «Правила проектирования, изготовления и монтажа вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов (СТО-СА-03-002-2009)» Ханухов Х.М. и др. / Ассоциация «Ростехэкспертиза», 1-изд., М., 2009.

Подписано в печать Офсетпая печать Формат

22.02.2011

Бумага типографская Тираж 100 экз. Заказ 62

Ризография НИЧ ФГАОУ ВПО УрФУ. Адрес: 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19