книги / Техническая диагностика остаточного ресурса и безопасности

РАСЧЕТЫ ПРОЧНОСТИ, РЕСУРСА И ЖИВУЧЕСТИ

81

разрушения). Разрушающие нагрузки, номинальные и местные напряжения и деформации определяют по величинам К 1с и К 1ес на основе выражения (2.33).

Запасы по критическим температурам хрупкости должны быть не менее 20...40 °С. Большие из указанных запасов относятся к сварным элементам кон­ струкций сложных геометрических форм, которые при эксплуатации восприни­ мают статические, циклические и динамические нагрузки. Повышенные запасы по критическим температурам выбираются также тогда, когда минимальные температуры стенок элементов конструкций в процессе эксплуатации могут ока­ заться ниже расчетных. Это относится, например, к температурам стенок, зави­ сящим от температур окружающей среды.

Запасы по разрушающим нагрузкам назначают в пределах 1,5...2. Большие из указанных запасов выбирают для циклически нагружаемых элементов конст­ рукций, изготовляемых из хладноломких малоуглеродистых сталей или сталей повышенной прочности и низкой пластичности, чувствительных к концентрации напряжений, скорости деформирования и обладающих повышенным разбросом характеристик сопротивления разрушению. Повышенные запасы прочности по разрушающим нагрузкам принимают для элементов конструкций, определение эксплуатационной нагруженности которых затруднено из-за сложности конст­ руктивных форм, наличия высоких остаточных напряжений (например, от свар­ ки и монтажа), возникновения нерасчетных статических и динамических пере­ грузок. Такие элементы конструкции обычно трудно контролировать при изго­ товлении и эксплуатации. В этих случаях запасы по разрушающим нагрузкам повышают до 2,2...2,5.

Снижение запасов по критическим температурам хрупкости и разрушаю­ щим нагрузкам возможно на основе проведенных натурных или полномасштаб­ ных модельных испытаний до разрушения, расчетного и экспериментального исследования эксплуатационной нагруженности и температурных полей.

Реализация изложенных выше методов определения прочности и ресурса несущих деталей машин и элементов конструкций по деформационным крите­ риям циклического разрушения осуществлена применительно к наиболее ответ­ ственным случаям для стадии образования трещин. При этом в расчетах исполь­ зуют условные упругие напряжения а \ равные произведению деформаций на модуль упругости при соответствующей температуре эксплуатации. Примене­ ние деформационных критериев разрушения для определения прочности и оста­ точного ресурса на стадии развития трещин остается пока весьма ограниченным и требует дальнейших разработок в области оценки кинетики напряженнодеформированных и предельных состояний в нелинейной постановке.

Расчеты ресурса на стадиях образования и развития трещин при однократ­ ном и циклическом нагружении с использованием деформационных критериев разрушения позволяют более обоснованно назначать ресурс выеоконагруженных конструкций, выбирать конструктивные формы, материалы, технологию изготовления и режимы эксплуатации, а также разрабатывать мероприятия по повышению прочности, ресурса и форсированию режимов.

82	Глава 2. ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ ПРОЧНОСТИ И РЕСУРСА

2.3. ОБЩАЯ СТРУКТУРА АНАЛИЗА РИСКОВ И БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ НЕШТАТНЫХ СИТУАЦИЯХ

Вопросы рисков и безопасности техногенной сферы увязываются с возмож­ ностью возникновения аварийных, чрезвычайных и катастрофических ситуаций. С учетом данных гл. 1 (см. п. 1.5) в блок базовых методов и направлений фун­ даментальных исследований безопасности введены:

-теория техногенных и природно-техногенных катастроф;

-научные основы правового, экономического и нормативного управления безопасностью и рисками катастроф для стратегически (СВО) и критически важных объектов (КВО), опасных производственных объектов (ОПО) и объек­ тов технического регулирования (ОТР);

-научные принципы, методы и системы диагностики, мониторинга и защи­ ты от аварий и катастроф.

Научную основу анализа катастроф, рисков и безопасности, включающих технические объекты, операторов, население и окружающую среду составляют:

-физика, химия и механика катастроф;

-математическое моделирование сценариев аварий и катастроф;

-методы и принципы аварийной диагностики и мониторинга чрезвычайных ситуаций;

-биомеханика взаимодействия операторов и технических объектов в ава­ рийных ситуациях;

-методы и принципы защиты персонала объектов и окружающей среды от аварий и катастроф;

-критерии нормативного обоснования и повышения безопасности.

Физика и химия процессов на ранней стадии развития аварий сложных тех­ нических систем, содержащих химически активные и отравляющие вещества и радионуклиды, включает изучение и описание:

-механизмов и закономерностей развития физических и химических про­ цессов на стадии инициирования аварий сложных технических систем, создание научных основ ранней диагностики аварийных ситуаций;

-методов анализа течения радиоактивных и химически опасных жидкостей, газов и многофазных сред при нарушении герметичности защитных оболочек, распространения аэрозолей и веществ в атмосфере;

-механизмов и закономерностей развития химических и физических про­ цессов, плавления активной зоны АЭС, течения жидкостей и газов при авариях;

-механизмов и закономерностей развития взрывных процессов (взрывов водорода, конденсированных ВВ, взрывных превращений облаков топливно­ воздушных смесей, паровых взрывов, взрывов расширяющихся паров вскипаю­ щей жидкости) и обусловленных ими поражающих факторов (ударных, тепло­ вых и осколочных нагрузок), а также процессов горения (огневые шары, огне­ вые факелы, огненный шторм), включая методологию описания процессов горе­ ния и взрыва в авариях сложных технических систем;

-процессов при крупных пожарах на СВО, КВО и ОПО.

ОБЩАЯ СТРУКТУРА АНАЛИЗА РИСКОВ И БЕЗОПАСНОСТИ

83

Предметом механики катастроф являются аварии, связанные с механиче­ скими разрушениями или повреждениями элементов технических систем, по­ следствия которых имеют принципиальное, с точки зрения безопасности, а зна­ чение. Актуальность выделения в рамках традиционных направлений исследо­ ваний еще одного обусловлено тем, что именно крупномасштабные разрушения и повреждения высоконагруженных элементов СВО, КВО, ОПО и ОТР, как пра­ вило, приводят к максимально возможному ущербу. С другой стороны, суммар­ ныйущерб от реализации той или иной аварийной ситуации в значительной ме­ ре зависит от степени разрушения или повреждения различных элементов ука­ занных объектов, оборудования и систем защиты.

Основными направлениями исследований в механике катастроф являются изучение областей опасных и безопасных состояний, процессов накопления по­ вреждений, реакции элементов конструкций на внешние и внутренние воздейст­ вия, теория предельного состояния и особенно процесс закритического поведе­ ния элементов системы, который приводит к тем или иным последствиям (см. гл. 1). Концепция максимальной гипотетической аварии позволяет сформулиро­ вать первоочередные задачи в изучении технических систем в рамках механики катастроф:

-установление системы внешних нагрузок, действующих на элементы сис­ темы, исходя из реальных условий ее эксплуатации при нормальных и аварий­ ных условиях;

-изучение напряженно-деформированного состояния высоконагруженных несущих элементов системы с учетом внешних и внутренних динамических на­ грузок;

-оценка предельной прочности, значительной поврежденности и крупных масштабов возможных разрушений элементов конструкций технических систем;

-оценка последствий таких разрушений;

-выработка мер и рекомендаций по исключению катастрофических разру­ шений и снижения возможного ущерба от опасных разрушений.

Пути решения фундаментальной проблемы анализа безопасности сводятся к созданию обобщенных моделей сложных технических систем для анализа воз­ никновения и развития аварий и катастроф. Эти модели характеризуются много­ уровневой структурой, затрагивая глобальные, национальные, региональные, локальные и объектовые аспекты безопасности.

Информационно-математическое обеспечение и системные математические модели, разрабатываемые в интересах предотвращения и мониторинга тяжелых аварийных ситуаций и катастроф, а также прогнозов и оперативной ликвидации их последствий, ориентированы на решение задачи построения обобщенных ма­ тематических моделей сложных технических систем на разных стадиях возник­ новения и развития аварий и катастроф, в том числе анализ аварий и катастроф и создание алгоритмов их математического моделирования, а также алгоритмов и программ математического моделирования аварий и катастроф с учетом их

масштабов, и предусматривают:

84Глава 2. ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ ПРОЧНОСТИ И РЕСУРСА

-разработку методов математического моделирования развития тяжелых аварий и катастроф в системе «человек - объект техносферы - окружающая сре­ да» с учетом приземных концентраций радионуклидов, поллютантов при суще­ ственных ограничениях на объем исходной информации, на используемые для моделирования вычислительные средства и время счета;

-построение математических моделей объекта как сложной технической системы и ее системы управления для прогноза возможных аварийных ситуаций

ианализа их последствий;

-разработку методов, алгоритмов и системы программного обеспечения для математического моделирования возникновения и развития аварий;

-математическое моделирование механического разрушения конструкций

исистем защиты под действием высокоскоростных ударных волн, тепловых и механических нагрузок;

-разработку универсальной синергетической модели динамики сложных технических систем при авариях и катастрофах;

-разработку методов моделирования нелинейных неизотермических про­ цессов деформирования и разрушения трехмерных тел.

Одной из важных научных проблем является создание и развитие методов оперативной диагностики и мониторинга аварийных ситуаций и поврежденных состояний технических систем в случае возникновения аварий и катастроф, имеющих глобальный, национальный или региональный характер.

Всостав исследований оперативной диагностики входят:

-определение поражающих факторов потенциально опасных технических сис­ тем и природных явлений и возможности их контроля и оперативной диагностики;

-определение концепции построения систем контроля и оперативной диаг­ ностики;

-определение совмещенной структуры поражающих факторов сложных технических систем и природных явлений, состава и характеристик оптимизи­ рованной аппаратуры для их контроля и диагностики;

-развитие новых концепций применимости и номенклатуры средств диаг­ ностики аварийных ситуаций для объектов атомной энергетики при воздействии опасных природных процессов и поражающих факторов (землетрясения, навод­ нения, цунами и т.д.).

2.4. КРИТЕРИАЛЬНАЯ БАЗА ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Постановка и решение фундаментальных проблем безопасности и рисков в существенной степени увязывались с прикладными задачами развития научнотехнического прогресса как в нашей стране, так и за рубежом. Для повышения научного уровня комплексного анализа прочности, ресурса, надежности, живу­ чести, рисков и безопасности на протяжении последних десятилетий несомнен­ ное значение имели фундаментальные исследования уравнений состояния, опасных и предельных состояний, закономерностей и критериев разрушения.

КРИТЕРИАЛЬНАЯ БАЗА ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ								85
	СБ ГС____________
		ФЗТР
	4 ФЗПБ
	4	ФЗ ЧС, ФЗ НРБ
		ТР, НСТ, СТО, СП
		*		*	ОСТ
					ГОСТ, СНиП
					*	~ Нормы
	т	W	S(x) и	м	рР, м		Л	м
						7	---------
			г°	g	ё		£
					о
			Ё	о	£		о
	g		о	£			О
			а	я	1		в
	о		о				о
	а		с	й	X у
							а
_	!	Srf	о				С
			г?
	я	i	ю			о
						£
	СП
		Новые			Традиционные
		методы			методы
		<ы==^	Направление развития нормирования
	Перспективное направление нормирования
I---------- 1		I_______ I_______ I________I________I_______I
2020	2015	2010	2000	1990	1970	1940		1920

Рис. 2.7. Структура и направления развития нормирования и регулирования

Эти исследования заложили основы развития как механических испытании, так и решения научных, методических, практических и прикладных задач прочности и безопасности на ближайшую перспективу.

На рис. 2.7 с учетом данных п. 1.7 и рис. 1.12 по временной шкале с 20-х гг. XX в. до конца второго десятилетия XXI в. показаны разделы научных исследо­ ваний прочности Ra, ресурса R ^x, надежности живучести безопаснос­ ти S, риска R и защищенности Z. В историческом и научно-техническом плане за это время сложилась устойчивая традиционная цепочка решаемых проблем:

/?ст —> R N т -> Р р л —> L itd -» S - » /? - > Z.

(2.41)

86	Глава 2. ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ ПРОЧНОСТИ И РЕСУРСА

Каждая последующая ступень или этап развития науки, техники, механиче­ ских испытаний образцов и объектов опирается и использует в обязательном порядке предыдущие. При этом в соответствии с гл. 1 и пп. 2.1-2.3 в качестве базовых параметров эксплуатационных воздействий Р° приняты эквивалентные эксплутационные напряжения о3, деформации е3, числа циклов N \ время т3, тем­ пература t\ внешняя среда Ф3 (радиация, коррозия, электромагнитное поле), ко­

эффициенты интенсивности напряжений К/ и деформаций К]е :

Рэ = {сгэ, еэ, N \ тэ, t \ Фэ, К], К%).

(2.42)

В качестве базовых характеристик механических свойств используются пределы текучести ат, пределы прочности а Б, пределы выносливости ст_ь преде­ лы длительной прочности оД|1, сопротивление отрыву SK, предельная пластич­ ность ц/к, критические коэффициенты интенсивности напряжений К!с и дефор­ маций KJec:

Ra = F {<*Т . ° В . 0- 1. О д л . S*, V K . К /с > К 1есУ

(2 -43)

Производными механических свойств, конструктивных форм и условий на­ гружения являются такие характеристики материала, как длительная пластич­ ность эффективные коэффициенты концентрации напряжений Ка, чувстви­ тельность к абсолютным размерам е„ и асимметрии цикла \j/CT, коэффициент ва­ риации vc, скорости роста трещин dl/dN по числу циклов и dN/dx по времени, чувствительность к внешней среде рс. Тогда условия прочности записываются в форме:

Рэ < ЛСТ{М/КТ, К09 ест, Ve, vc, dl/dN , dl/dx, pc}.

(2.44)

Для обеспечения ресурса (в цикловых, во временном измерении или радиа­ ционном измерении) необходимо выполнить условие

*N*p ^ R N,X ={N ' /N C>*э/ тс, Фэ/Ф с},

(2.45)

где Ях т - критическое (предельное) значение ресурса, выражаемое через кри­

тические (разрушающие) циклы Nc, время тс или воздействия среды Фс. Параметры надежности РРЛпо критериям прочности Р и ресурса RN р оп­

ределяются по выражениям (2.42) - (2.45), когда в них вводятся вероятностные характеристики прочности, пластичности, эксплуатационной нагруженности с учетом коэффициентов вариации v указанных характеристик:

РГ\R = Р{РЭ>^ст’ RN ,т,Ф’ W-

(2.46)

В соответствии с (2.46) механические испытания для определения парамет­ ров рассеяния (в том числе коэффициентов вариации v) становятся чрезвычайно

КРИТЕРИАЛЬНАЯ БАЗА ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

87

трудоемкими; в ряде случаев для установления кривых распределения базовых характеристик механических свойств ств, \|/к, а_|, а л.„ проводились испытания от 10 до 2000 образцов на один из режимов испытаний.

При оценках живучести основное внимание уделяется определению уровня накопленных повреждений d, измеряемых указанными выше относительными параметрами N3/NCi т7тс, Фэ/Фс. или ростом трещин от начальных размеров /0 до текущих Р и критических 1С. Этот рост трещин определяется их скоростями ЛШ, dl/dx, которые в свою очередь зависят от размахов коэффициентов интен­ сивности напряжений АК/ или деформаций АКк,. При достижении предельного состояния выполняются условия разрушения по критериям линейной (К1с) или нелинейной (.Ккс) механики разрушения. Тогда живучесть L(iJ объектов с учетом повреждения d и роста трещин / будет оцениваться по условию

= F { P \ Л * ,т,ф } = m dl/eh, dltdN) <

< F{N 3/N C, TV Xc, Ф °/Ф с,К ] /К 1с9 K % /KIec).

Если в выражение (2.47) вводятся статистические характеристики, то живу­ честь!^ приобретает вероятностный характер. Такая постановка задачи требует в механических испытаниях серий образцов для контрольных режимов нагру­ жения при определении в первую очередь параметров dltdN, dl/dx, KIc, KIec.

Безопасность S объектов гражданского и оборонного назначения, техниче­ ских систем, машин, конструкций, изделий и материалов становится в послед­ ние годы одними из определяющих параметров материального производства, экономики и жизнедеятельности.

На протяжении длительного времени требования к безопасности S остава­ лись преимущественно качественными или относились к технике безопасности на производстве. Однако после ряда крупнейших техногенных и природно­ техногенных аварий и катастроф на объектах атомной и тепловой энергетики, нефтехимических комплексах, ракетно-космических системах, атомных подвод­ ных лодках стало все более очевидным, что безопасность £ должна быть количе­ ственно определяемым, контролируемым и регулируемым параметром. Для дос­ тижения этой цели было предложено использовать количественные характери­ стики рисков R. При этом под рисками R для оценки безопасности S объектов техносферы можно понимать функционал FR, зависящий от вероятности Ргя возникновения техногенных аварий или катастроф по критериям прочности и ресурса и математического ожидания последствий (ущербов £//>,Д порождаемых этими авариями и катастрофами:

R = FR(S) = FR{PPtR,UPtR}.

(2.48)

В свою очередь параметры РРЯ на стадии проектирования машин и конст­ рукций определяются по выражению (2.46) в виде функционала эксплуатацион­ ной нагруженности Р \ сопротивления разрушению Ra, ресурса ЯЛ\ Т(ф и харак-

РЕСУРСА И ПРОЧНОСТИ РАСЧЕТОВ ОСНОВЫ .2 Глава

Рис. 2.8. Система общих технических регламентов и стандартов

АНАЛИЗ БЕЗОПАСНОСТИ И РИСКОВ В ЗАДАЧАХ

89

теристик v их рассеяния. Для стадии изготовления, испытаний и эксплуатации дополнительно к выражению (2.46) в анализ вероятности аварий или катастроф вводятся характеристики живучести LdJ по (2.47). Ущерб иРЯ, связанный с несо­ блюдением условий прочности и ресурса, зависит от типа предельного состоя­ ния, достигаемого объектом при эксплуатации. Наиболее значимыми (для жизни

издоровья операторов, персонала, населения, для повреждений самих объектов

иокружающей среды) ущербы и РЯ оказываются в тех случаях, когда возникают протяженные хрупкие разрушения, глобальная потеря устойчивости, вязкие раз­ рушения после роста трещин при циклическом и длительном нагружении.

Из сказанного следует, что современное обоснование прочности, ресурса, надежности, живучести, безопасности, рисков и защищенности с использовани­ ем выражений (2.41) - (2.48) должно опираться на результаты механических ис­ пытаний (см. рис. 2.7) конструкционных материалов, моделей, макетов и натур­ ных изделий с соблюдением специальных и новых требований государственных (ГОСТ) и отраслевых (ОСТ) стандартов, норм и правил (СНиП). В настоящее время в России существо этих требований отражено в федеральных законах (ФЗ)

оядерной и радиационной безопасности (ЯРБ), о чрезвычайных ситуациях (ЧС),

опромышленной безопасности (ПБ) опасных производственных объектов (ОПО), о техническом регулировании (ТР) объектов технического регулирова­ ния (ОТР), стратегически (СВО) и критически важных объектов (КВО) инфра­ структуры, в решении Совета безопасности и Государственного совета Россий­ ской Федерации. В наиболее законченной форме эти требования сформулирова­ ны в «Законе о техническом регулировании», и их реализация будет осуществ­ ляться (рис. 2.8) через общие и специальные технические регламенты (ТР), на­ циональные стандарты (НСТ) и стандарты организаций (СТО), своды правил (СП). Углубленные исследования закономерностей деформирования и разруше­ ния, проблем механических испытаний и технического регулирования при со­ хранении традиций в поэтапности будет способствовать переходу к многопара­ метрическим трактовкам прочности, ресурса, надежности, живучести и безопас­ ности материалов, технологий и объектов техносферы.

2.5. АНАЛИЗ БЕЗОПАСНОСТИ И РИСКОВ В ЗАДАЧАХ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ТЕХНОСФЕРЫ

Как отмечалось, комплексный анализ прочности, ресурса, надежности, жи­ вучести, рисков и безопасности занимал и занимает существенное место на раз­ личных этапах становления и развития общего машиностроения, металлургии, промышленного и гражданского строительства, энергетики, транспорта, а также новой техники гражданского и оборонного назначения - авиации, судостроения, ракетно-космических систем и атомных реакторов. Результаты механических испытаний использовались для обоснованного выбора конструкционных мате­ риалов, технологий изготовления, определения базовых характеристик работо­ способности несущих конструкций первых и последующих поколений этой уни­ кальной техники на протяжении многих десятилетий.

90	Глава 2. ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ ПРОЧНОСТИ И РЕСУРСА

Федеральный закон «О техническом регулировании» впервые в нашей стране выдвинул требование анализа риска и безопасности как обязательное ко всем ОТР - продуктам, процессам производства, эксплуатации, хранения, пере­ возки, реализации и утилизации. При этом должна быть обеспечена безопас­ ность граждан, имущества физических и юридически лиц, государственного и муниципального имущества, окружающей среды, жизни или здоровья животных

ирастений. Объекты технического регулирования входят как самостоятельно, так и составными частями в категорию опасных производственных объектов которые в свою очередь могут входить в состав критически важных объектов. В качестве определяющих параметров безопасности S на законодательном уровне было предложено использовать критерии риска R.

При реализации закона «О техническом регулировании» должен использо­ ваться отечественный опыт, накопленный в последние годы при законодатель­ ном обеспечении и регулировании промышленной безопасности ОПО и КВО в гражданской и оборонной ядерной и ракетно-космической технике, в транс­ портных, нефтегазохимических и машиностроительных комплексах. Он основан на выполнении ряда фундаментальных и прикладных разработок по государст­ венным и федеральным целевым программам. Эти разработки нашли свое отра­ жение в многотомной (34 тома) серии «Безопасность России».

Важное значение при этом имеют зарубежные нормативные разработки проблем прочности, ресурса, безопасности и рисков. Следует, однако, отметить, что к настоящему времени только в некоторых странах предложены методы анализа и оценки величины допустимых индивидуальных рисков (на уровне за­ конов - в Нидерландах, на уровне национальных стандартов - в Великобрита­ нии, Чехии). В большинстве промышленно развитых стран анализ безопасности

ирисков ведется с использованием рекомендаций и стандартов ведущих науч­ ных и отраслевых организаций и обществ в области определения параметров механического поведения конструкционных материалов.

Вэтой связи появляется возможность, исключительно важная в научном, юридическом и практическом плане, закрепить приоритет на государственном уровне в области анализа, регулирования и обеспечения безопасности по крите­ риям рисков с применением традиционных и новых характеристик механиче­ ских свойств.

При разработках технических регламентов, стандартов (национальных стандартов и стандартов организаций) и сводов правил должна учитываться не­ обходимость обеспечения комплексной безопасности S, включая механическую SM,радиационную £р, пожарную £„, химическую Sx, биологическую SGи экологиче­ скую 8, безопасность, взрывобезопасность 5„, электромагнитную совместимость 5ЗМ. При этом целесообразно разрабатывать и использовать единую методологическую базу определения, регламентации, нормирования, стандартизации механических испытаний для оценки безопасности S и управления комплексными рисками /?, включающими в себя соответственно риски RM, Rp, R„, Rx, R6, RJt Rn, Лэм.

Из многих десятков предложенных и используемых на практике критериев риска наиболее важными на первых стадиях технического регулирования явля­