Как утомлялась сталь

Металл — это один из ключевых элементов, который используют в строительстве и эксплуатации промышленных объектов. Этот материал получил своё широкое распространение за высокую прочность и способность к пластичным деформациям. Из металла можно получать изделия любых профилей. Из стального проката возводят каркасы промышленных зданий и сооружений, башни, опоры, мосты, эстакады и резервуары.

Однако все эти лучшие характеристики металла могут нивелировать ошибки проектирования, низкое качества работ по изготовлению и монтажу конструкций, нарушения правил технической эксплуатации. А там, где на разных этапах появляются отклонения, закладываются предпосылки для аварии и возможных человеческих жертв.

Специалисты называют несовершенства конструкций, полученные на стадии изготовления и монтажа, дефектами. Несовершенства, полученные в процессе эксплуатации, — повреждениями.

При некачественном изготовлении металлоконструкций дефекты в изделиях могут появится на любых стадиях изготовления. При плавке и литье могут образоваться неметаллические включения, образующиеся вследствие загрязнения шлаками.

Распространённым дефектом металла является ликвация — неоднородность отдельных участков металла по химсоставу, структуре, неметаллическим включениям. Ликвация может быть точечной, пятнистой, в виде квадрата или круга. При этом сплошность металла не нарушена, но прочность его существенно снижается.

При обработке давлением в поковке могут появляются поверхностные трещины и внутренние разрывы в результате высоких напряжений деформации. Если в слитке имелись крупные газовые пузырьки, то в прокате появляются внутренние нарушения сплошности металла.

При прокате по краям слитка могут возникнуть закаты металла, рванины. Одним из часто встречающихся дефектов являются флокены — тонкие извилистые трещины длиной от 1 до 30 мм. Их образование связано с выделением растворённого в металле водорода.

При термической обработке из-за несоблюдения температурного режима возникает перегрев или пережог, в результате которого образуются крупнозернистые структуры, оксидные и сульфидные выделения по границам зёрен.

Большую опасность разрушения имеют дефекты мест соединения деталей методами сварки и пайки. Изменение размеров зёрен, горячие и холодные трещины являются типичными дефектами сварного шва, а также дефекты неправильной технологии сварки и термообработки: непровар, изменение размеров зёрен, горячие и холодные трещины, ликвации.

«Качество металла и изделий у крупных заводов-поставщиков, как правило, соответствует требованиям. Добросовестных поставщиков в России очень много. Проблемы могут возникнуть у тех, кто покупает у «перекупов». И там часто возникают ситуации, когда металлоизделия не соответствуют выданным на них сертификатам. Да и сами предприятия иногда допускают пересортицу, когда заказывают утерянную деталь где-то на стороне, где дешевле, но при литье могут допускаться дефекты. На дальнейшую безопасную эксплуатацию металлоконструкций оказывает влияние качество сварки и монтажа», — комментирует технический директор компании «Сибирь технология» Николай Гаврилюков.

Значительные повреждения металлических конструкций могут возникать при нарушении правил технической эксплуатации зданий и сооружений.

В горячих цехах изменения температуры могут привести к искривлению элементов или появлению трещин в металле. При нагреве стальных конструкций до 100°С разрушается защитное покрытие, при 300-400°С происходит коробление элементов, особенно тонкостенных.

Повреждения от действия низких температур возникают и в не отапливаемых зданиях. К таким повреждениям относятся хрупкие трещины в местах концентрации напряжений — сварные швы, резкие изменения сечений. Особенно подвержены хрупким разрушениям конструкции, выполненные из кипящих сталей.

Повреждения металла возникают и вследствие химической и электрохимической коррозии. Для стальных конструкций производственных зданий характерна электрохимическая коррозия.

Большую опасность для металла представляют повреждения от действия агрессивных сред в виде ржавчины и коррозии металла. Интенсивность коррозионных повреждений, измеряемая скоростью миллиметров в год, зависит от степени агрессивности эксплуатационной среды, марки стали, системы и качества нанесения противокоррозионной защиты, а также соблюдения правил технической эксплуатации.

Экономические убытки от коррозии металлов огромны. Коррозионное растрескивание вызывает повреждения деталей газо- и нефтедобывающего оборудования, подземных трубопроводов, теплоэнергетического оборудования, турбин, насосов и металлоконструкций.

«Большинства аварий на объекте очень часто связаны с неконтролируемым износом трубопроводов, например, неправильно выполненное проектирование нулевых и подвижных опор приводит к тому, что после запуска трубопровода в эксплуатацию возникают избыточные напряжения, вызывающие разрушения трубопровода в местах сварных швов. Но всё-таки одной из основных причин повреждения металла является образование коррозии на его поверхности, которую можно предотвратить при помощи правильно подобранного типа и толщины изоляционного материала. В настоящее время на строительном рынке представлено большое разнообразие теплоизоляционных систем, предназначенных для наружной изоляции трубопроводов и предотвращения образований коррозии. Но к выбору данной системы необходимо подходить с умом, ведь отдельные виды изоляции не только способствуют возникновению коррозии, а наоборот, усиливают процесс её распространению, меняя кислотность водного инфильтрата», — делится мнением директор по продажам индустриального сегмента ООО «Армаселль» Владимир Ладыжев.

ВВВВВВВВВВВВВ Насколько актуальна проблема коррозии, свидетельствует анализ причин аварий на российских нефтегазопроводах, зафиксированных в актах технического расследования. В качестве превалирующей причины указывается влиянии коррозионного фактора. Особую опасность представляет разрушение конструкций по причине коррозионного растрескивания под напряжением.

«Централизованная самостоятельная служба защиты от коррозии в настоящее время сохранилась лишь в таких крупных компаниях, как ОАО «Газпром». На ТЭК и крупных промышленных предприятиях работают собственные структурные подразделения по выявлению дефектов металла. В целом, если предприятие не относится к опасным производственным объектам, то состояние металлоконструкций и оборудования напрямую зависит от менталитета и деловых качеств собственника», — считает Николай Гаврилюков.

Стоит отметить, что техногенные аварии начали происходить с возникновения индустриализации.

«Крупные аварии по причине дефекта или износа металла случаются не так часто, но последствия тех, что произошли, порой бывают просто катастрофичны», — отмечает маркетолог АО «ППМТС «Пермснабсбыт» Татьяна Гордеева.

Катастрофу на алкогольном заводе PurityDistillingCompany в Бостоне можно считать одной из первых громких масштабных аварий, причиной которой называют усталость металла. Так 15 января 1919 года в бостонском районе Норт-энд, в переполненном резервуаре с 8700 м³ВВВВВ патоки разошлись соединённые заклёпками листы металла. Двухметровая волна сахаросодержащей жидкости пронеслась по улицам города. Погиб 21 человек, около 150 попали в больницы. Давление волны сумело сдвинуть с путей грузовой состав. В зоне катастрофы развернули передвижной госпиталь «Красного креста», в город вошло подразделение ВМС США — спасательная операция длилась неделю.

В конце века на АЭС различных стран мира произошел целый ряд аварий и инцидентов, связанных с механизмами деградации металла основного оборудования. Так, 22 января 1982 года на Украине в результате коррозионно-усталостного разрушения шпилек горячих коллекторов 1,3,4, 5-го парогенераторов блока № 1 Ровенской АЭС произошла авария, в результате которой 1100 м³ теплоносителя попало в котловую воду парогенераторов с последующим выбросом радиоактивности за пределы блока.

В 1990 году на блоке №5 Нововоронежской АЭС произошёл инцидент, сопровождавшийся образованием течи в месте приварки по композитному сварному шву. Наиболее вероятной причиной инцидента было коррозионно-механическое развитие сварочных дефектов под воздействием эксплуатационных факторов.

Эрозионно-коррозионный износ трубопроводов оказался одним из важнейших факторов старения оборудования на всех АЭС мира. В 1986 г. проявление этого процесса было зафиксировано на 34 блоках АЭС США и потребовало целевых действий по его выявлению и предупреждению.

«Чёрным днём» российской гидроэнергетики называют 17 августа 2009 года. В тот день в результате аварии на Саяно-Шушенской ГЭС погибло 75 человек. Последствия аварии отразились на экологической обстановке акватории, прилегающей к ГЭС, на социальной и экономической сферах региона. В качестве наиболее вероятной причины аварии называют усталостные разрушения шпилек, возникшие в период работы гидроагрегата №2 с временным рабочим колесом и недопустимым уровнем вибраций в 1981—83 годах.

После трагедии на Саяно-Шушенской ГЭС аварийные ситуации на ГЭС рассматриваются на самом высоком уровне. Президент Владимир Путин в начале 2018 года провел совещание с министром финансов Антоном Силуановым и главой МЧС Владимиром Пучковым. Среди прочих вопросов глава государства заслушал информацию о ликвидации последствий аварии на Нижне-Бурейской ГЭС. Так 24 августа 2017 года на ГЭС разрушение оси шарнирной опоры сегментного затвора повредило затвор пролета №1 водосливной плотины. Причиной разрушения оси шарнирной опоры стало нарушение технологии её изготовления — перегрев стали. Экспертиза также выявили низкое качество стали аварийной оси, её высокую загрязнённость неметаллическими включениями. Это указывает на то, что сталь не продували после выплавки аргоном, что является грубым нарушением технологии изготовления.

Можно ли предотвратить техногенные катастрофы в будущем? К сожалению, катастрофы происходили, происходят и видимо, будут происходить. Сложные технические системы, помноженные на человеческий фактор, создают для этого предпосылки.

В правительстве России решили пойти по пути ужесточения. С 1 января 2014 года к объектам I класса опасности начали предъявляться наиболее жёсткие требования. Например, в отношении всех подобных объектов установлен режим постоянного государственного надзора. Также с 1 января 2014 года все организации, эксплуатирующие опасные производственные объекты I или II класса опасности, обязаны создать на своих предприятиях системы управления промышленной безопасностью и обеспечивать их функционирование.

Стоит обратить внимание, что в России под первый класс попадает 12% промышленных объектов, ко второму относится 7%, к третьему — 73% и к четвертому — 8%. Наиболее опасными считаются следующие районы: Поволжский, Центрально-Черноземный, Центральный, Западно-Сибирский, Северо-Западный, Уральский, Волго-Вятский, Северный. Данные с указанием региона расположения разрешают соответствующим органам проводить мониторинг состояния действующих предприятий.

Ещё один серьезный фактор, который повышает аварийность, — это износ основных инфраструктурных фондов отечественной промышленности более чем на 70% в зависимости от региона.

Согласно обнародованным данным, уровень износа основных фондов в энергостроительной отрасли находится в пределах 70%, в лесной отрасли основные фонды изношены на 40%. Износ фондов ЖКХ превысил 60%. Системы канализации в России в среднем изношены на 65%. Системы электросетей имеют физический износ в среднем 58%.

«Классическим методом избежать аварии на сегодняшний день по прежнему остаются комплексные периодические обследования подземных и наземных металлоконструкций на предмет остаточного ресурса с помощью диагностических приборов. Прогнозирование и предотвращений аварий — основная цель данных мероприятий. Будущее в данной сфере, конечно же, за роботизацией. За рубежом диагностикой занимаются небольшие частные компании. На сегодняшний день наши иностранные коллеги обладают лучшей приборной базой, они опережают наши компании в развитии на полшага в дизайне, упаковке, репутации. Но и у нас эта сфера развивается и мы можем достойно конкурировать», — подытожила Татьяна Гордеева.