ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ВЗРЫВЫ РЕЗЕРВУАРОВ С ВОДОЙ И НЕФТЬЮ

11 февраля 1952 года во время гидроиспытаний разрушился нефтяной резервуар компании ESSO Petroleum в Фоли (Англия). Гидроиспытания путем заполнения водой при отсутствии избыточ­ного давления были начаты 30 января. Когда резервуар заполнили водой на 2/3, в уже отремонтированном участке вертикального шва двух нижних поясов вертикальной стенки появилась трещина дли­ной 0,6 м. Резервуар опустошили, трещину заварили.

На следующий день, 11 февраля, испытания возобновили при температуре воздуха +4°С. Когда вода достигла уровня в 90% от расчетного, резервуар диаметром 42 м и высотой 16 м буквально взорвался. Трещина прошла по каждому поясу вертикальной стен-

ки. Стенку оторвало от днища и отбросило в сторону. Кровля опус­тилась точно на днище (рис. 1.7, за разрушенным резервуаром на рисунке виден второй резервуар похожей конструкции).

В разрушившемся резервуаре имелось коническое днище с уг­лублением в центре на 0,6 м для сбора грязи, приваренное к верти­кальной стенке. Кровля представляла собой плавающий понтон. Поэтому избыточное давление при гидроиспытаниях не могло пре­вышать нескольких сантиметров водяного столба (давления соб­ственного веса кровли).

Стенка состояла из 9 поясов различной толщины, каждый был сварен из листов 1,8х7,2 м. Толщина нижнего пояса — 28 мм, верх­него — 6 мм. Сталь BS13 c гарантированным пределом прочности 430-510 МПа полностью удовлетворяла требованиям ASTM к ста­ли A7 или стали А283. Химический состав приведен в табл. 2.

Все швы выполнены с полным проваром с Х - или F-образной разделкой в зависимости от толщины листа. Подготовка кромок делалась до вальцовки листов на заданный радиус. Подогрев ис­пользовался только для удаления изморози. Из горизонтального кольцевого шва между первым и вторым поясами были вырезаны образцы. Их испытания на загиб дали хорошие результаты. Место вырезки образцов заварили заглушкой. В швах этой заглушки

и возникла первая трещина. После вырезки швов разрушившего­ся резервуара в них были найдены незначительные дефекты. Од­нако после полного разрушения резервуара в неразрушенных швах обнаружились более заметные дефекты. Это озадачило комиссию, проводившую расследование причин аварии. Никаких следов удар­ной нагрузки, которая могла бы вызвать разрушение резервуара, не обнаружили.

Примерно через месяц после этого разрушения при гидроис­пытаниях взорвался соседний резервуар диаметром 45,7 м, высо­той 14,6 м из той же марки стали. Температура воды была +4°С, воздуха — +9°С. Трещина появилась на отремонтированном уча­стке вертикального стыкового шва нижнего пояса резервуара. Поверхности зародышевой трещинки потемнели в результате их нагрева при сварке близлежащих участков шва. Следовательно, этот дефект существовал на свариваемой кромке до выполнения сварки. Причиной разрушения могло быть сильное охрупчивание металла у этого концентратора в результате старения околошов - ной зоны при сварке.

На рис. 1.8 изображено расположение фрагментов газгольдера с плавающей крышей после его разрушения при гидроиспытаниях путем налива воды. Вертикальными трещинами стенка газгольдера оказалась разорванной на три части. Плавающий купол опустился точно на днище. Видны деформированные фермы, которые служи­ли вертикальными направляющими для плавающего купола.

Подобные разрушения достаточно часты. Свидетели (обычно сторожа) описывают их так. Сначала раздается громкий непро­должительный гул, потом звук удара. Обернувшись, можно уви-

ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

деть вертикальный водяной столб. На нем располагается кровля, стенка уже оторвана от днища и кровли и отброшена в стороны. Далее столб воды симметрично растекается, и кровля резервуара опускается на его основание.

Представьте, что, сделав вертикальный разрез, вы отрываете цилиндрическую стенку консервной банки от ее донышек. Как ее следует отрывать, чтобы не сдвинуть одно донышко относительно другого? Нагрузка должна быть очень осєсиммєтричной. Но су­ществующий вертикальный разрез по всей высоте стенки нару­шит симметрию. Нужно отрывать так быстро, чтобы инерцион­ные силы не позволили бы донышку сдвинуться. Что касается кровли резервуара, то она приварена к вертикальной его стенке угловым швом катетом 4 мм, и разрушение каждого сантиметра такого шва требует усилия порядка 400 кг.

О динамике процесса свидетельствует разрушение резервуара на Пискаревской котельной в Санкт-Петербурге, его схема пока­зана на рис. 1.9.

Резервуар состоял из вертикальной стенки 1, конической кров­ли 2 и плоского днища 3, уложенного на круглое бетонное основа­ние. В нем, как и в соседних аналогичных резервуарах, находи­лась вода (80°C) для отопления и бытовых нужд жилых домов. С целью теплоизоляции вертикальная стенка была защищена кир­пичной кладкой, наружную поверхность которой закрывали оцин­кованные листы кровельного железа (именно они придают этим резервуарам серебристый цвет). Резервуар эксплуатировался в те­чение трех лет. Однажды осенью в середине дня, когда сотрудни­ки котельной садились в автобус, чтобы ехать в столовую на обед, резервуар неожиданно взорвался. Двумя вертикальными трещи­нами ab и cd стенка резервуара была разорвана на две части и по­том оторвана от днища и кровли. Меньшая часть стенки 1а лежа­ла на земле в виде плоского полотнища с размерами примерно 5x14 м. Большая часть стенки измятым полукольцом окружала днище бывшего резервуара. Кровля 2 опустилась точно на днище 3.

Волна горячей воды перевернула автобус. Многие из сотруд­ников котельной скончались затем в больнице от ожогов. Один из инженеров держал в гараже котельной свою машину. В момент взрыва он направлялся к гаражу. Волна горячей воды вышибла двери гаража и забросила владельца автомобиля на крышу авто­мобиля. Инженер погиб от 100% ожога кожи.

О динамике процесса разрушения свидетельствует то, что стен­ка разорвана по двум параллельным сечениям ab и cd. Если бы раз­рушение было статическим, то ослабление поперечного сечения от первой трещины обязательно привело бы к падению давления, что не позволило бы разрушаться второму сечению. Такое поло­жение характерно для всех статических механических испыта­ний. Только при взрывном характере разрушения наблюдается ветвление трещин и многочисленные фрагменты.

Особое удивление вызвала вмятина 5 глубиной около 0,5 м на соседнем резервуаре 4. Ее могла образовать струя воды, которая под большим напором практически горизонтально (направление показано стрелкой) вырвалась из первого резервуара в начальные моменты его разрушения. Эта струя содрала наружную обшивку из кровельного железа, разметала кирпичную кладку теплоизо­ляции и промяла наполненный водой резервуар.

Из гидравлики известно, что если в резервуаре с гидростатиче­ским давлением сделать отверстие, то чем ниже оно расположено от поверхности жидкости, тем дальше бьет вытекающая из него струя воды. На рис. 1.9 это проиллюстрировано жирными штрих - пунктирными линиями с цифрой 6. Но из закона сохранения энер­гии следует, что даже при отсутствии трения такие струи жидко­сти не могут выходить за пределы угла в 45°, проведенного от
поверхности жидкости. Мощная горизонтальная струя могла воз­никнуть только при значительном избыточном давлении на по­верхность жидкости. Но такого давления не было! Уже при давле­нии в несколько сантиметров водяного столба сорвaло бы крышу резервуара.

Никаких гидроударов в системе котельной самописцы не заре­гистрировали.

Горизонтальная струя могла появиться только за счет динами­ческого перераспределения упругой энергии, накопленной в стен­ке резервуара, в промежутке времени, когда слышался гул.

Описанные разрушения довольно редки. Согласно данным анг­лийской статистики, в среднем на 8000 т металлоконструкций происходит одно разрушение в год, т. е. из каждой сотни резер­вуаров разрушаются один или два. Но разве это мало, если такой резервуар с горячей водой находится рядом с оградой детского са­дика, как это было в Санкт-Петербурге?