Ветвление трещины при разрушении крупногабаритных металлических конструкций

Ветвление трещины при разрушении крупногабаритных металлических

конструкций Алексеев А.А.

Алексеев Анисий Анисиевич /Alekseev Anisij Anisievich - кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физико-технических проблем Севера СО РАН, г.Якутск

Аннотация: проведен анализ разрушений крупногабаритных металлических конструкций (магистрального газопровода и нефтяных резервуаров), эксплуатировавшихся в условиях Крайнего Севера. Показано, что катастрофические аварии крупногабаритных тонкостенных конструкций (трубопроводов большого диаметра, резервуаров, сосудов давления и др.) происходят не только при протяженном распространении хрупкой или вязкой трещины, но и при ее ветвлении, что приводит к осколочному характеру разрушения тела конструкции с одновременным движением многих трещин.

Abstract: the analysis of the destruction of large metal structures (the main pipeline and oil storage tanks), operated in the Far North. It is shown that a catastrophic accident of large thin-walled structures (large diameter pipelines, tanks, pressure vessels and others) occur not only in extended distribution fragile or viscous cracks, but when branching, which leads to fragmentation of the nature of the destruction of the body structure with the simultaneous movement of many cracks.

Ключевые слова: трубопровод, резервуар, разрушение, ветвление трещины. Keywords: pipeline, tank, destruction, crack.

К каким последствиям может привести разрушение крупногабаритных конструкций при распространении быстрой трещины и ее ветвлении? Мы проанализировали случаи разрушений крупногабаритных металлических конструкций (магистрального газопровода и нефтяных резервуаров) [1], эксплуатировавшихся в условиях Крайнего Севера.

Разрушение магистрального газопровода произошло весной 2003 г. путем распространения трещины вдоль трубопровода на верхней части с многочисленными ветвлениями, на месте монтажного кольцевого шва. Разрушение носило взрывной характер без возгорания, распространение трещин происходило механизмом отрыва, на местах остановки трещины переходящим на механизм сдвига с пластическими составляющими.

Согласно данным акта технического расследования аварий и инцидентов (далее в тексте «Акта т.р.») [2], проведенных экспертной организацией ЗАО НПП «ФизтехЭРА», в которых принимали участие авторы данной статьи, причиной разрушения явился усталостный дефект, расположенный с внутренней стороны трубы перпендикулярно кольцевому шву в зоне термического влияния на месте соединения основного металла и сварного шва, имеющий достаточную протяженность и долговременность роста трещины.

Газопровод был построен в 1970-1980 г. из труб диаметром 530 мм и толщиной 7-8 мм. Спектральным анализом установлено, что материалы разрушившихся труб соответствуют маркам стали: труба №1 - 17Г1С и труба №2 - 09Г2С. Наибольшее разрушение произошло, по основному материалу стали 17Г1С.

Разрушение резервуара РВС-700 №49 произошло в декабре 2007 г. при температуре наружного воздуха -350 С и ветре 1-2 м/с в северо-восточном направлении, путем развития трещины по основному металлу стенки резервуара в вертикальном направлении по зоне термического влияния уторного шва соединения днища со стенкой и шва соединения крыши со стенкой. В результате стенка резервуара была оторвана от днища по всему уторному шву, оторвана от крыши по периметру длиной 30 метров, развернута и отброшена в юго-западном направление на 10 м. Произошел разлив сырой нефти количеством 422 тонны.

Резервуар РВС-700 №49 был введен в эксплуатацию в 1970 году. Высота корпуса - 8940 мм, диаметр -10400 мм, количество поясов - 6, вид хранимого продукта: сырая нефть. Стенка резервуара изготовлена методом рулонирования, монтажный шов сварен внахлест ручной сваркой. По результатам спектрального анализа, примерная марка стали резервуара соответствует - Ст 3пс (ГОСТ 380-88).

Согласно данным акта т.р. [3], причиной разрушения послужили ряд факторов: старение металла резервуара, проявляющееся в охрупчивании металла; понижение температуры окружающего воздуха до -420 С, плоскостная трещина в стенке резервуара - несплошность металлургического характера, расположенная в основном металле, которая имела усталостный характер развития в период эксплуатации с выходом к наружной поверхности стенки резервуара.

Из анализа аварий, получаем, что разрушения магистрального газопровода и резервуара РВС-700 №49, происходили путем хрупкого разрушения с прямолинейным распространением трещин по механизму отрыва, на местах искривления траектории и остановки трещины переходящим к вязкому разрушению по механизму среза. Трещина при разрушении ветвилась в теле трубы №1 газопровода и резервуара, что привело к фрагментации конструкции на части. В результате ветвления, конструкция полностью разрушилась на части с полным вытеканием хранящегося продукта, что привело к материальным потерям и экологическому ущербу, вследствие выброса природного газа и разлива нефти.

Подводя итог, анализ разрушений и повреждения крупногабаритных конструкций, вызванных их длительной эксплуатацией в условиях РС (Я), показывает следующее:

- катастрофические разрушения крупногабаритных конструкций происходят при распространении трещины с ветвлением, что приводит к осколочному характеру разрушения тела конструкции с одновременным движением многих трещин;

- характер разрушения зависит от уровня разрушающего напряжения: при высоких уровнях разрушающего напряжения трещина распространяется с высокой скоростью по механизму отрыва и в результате ветвления трещины происходят осколочные разрушения, при низких уровнях разрушающего напряжения трещина распространяется с небольшой скоростью по механизму среза и не приводит к масштабным разрушениям, трещина останавливается, вызывая повреждение объекта [4, 5].

Литература

1. Алексеев А.А. Экспериментальное исследование закономерностей разрушения при быстром распространении и ветвлении трещин: Дис. ... канд. техн. наук: 01.02.06, 01.02.04 / А.А. Алексеев; ИФТПС СО РАН. - Якутск, 2009. - 131 с.

2. Технический отчет «Расследование причин аварии на 185 и 183 км. 2 нитки магистрального газопровода СВГКМ - МГКМ - Берге - Якутск» - Якутск, 2003. - ЗАО НПП «ФизтехЭРА».

3. Заключение экспертизы промышленной безопасности на техническое расследование разрушения резервуара РВС-700 № 49 Амгинской нефтебазы ОАО «Саханефтегазсбыт». Регистрационный номер № 73-ТУ-00108-08 от 28.01.2008 г. - Якутск, 2008 - ЗАО НПП «ФизтехЭРА».

4. Алексеев А.А. Ветвление трещины при разрушении цилиндрических оболочек из углеродистой стали внутренним давлением / А.А. Алексеев, А.И. Левин, А.С. Сыромятникова и др. // Деформация и разрушение материалов. - 2008. - №12. - С.33-39.

5. Сыромятникова А.С. Ветвление трещины в углеродистой стали. Механизмы разрушения / А.С. Сыромятникова, А.А. Алексеев, А.И. Левин, А.В. Лыглаев // Деформация и разрушение материалов. -2009. - №2. - С.25-30.