Весной 2002 года я получила неожиданную бандероль с новой книгой Артура Мак Эвили и его письмом с просьбой содействовать переводу и изданию книги в России. Даже беглого знакомства с книгой было достаточно, чтобы понять ее ценность для наших читателей. Однако несколько издательств, в которые я обращалась, не взялись за перевод книги, ссылаясь на финансовые трудности и низкую покупательную способность читателей. Решить эту проблему удалось лишь 6 лет спустя, благодаря поддержке специалистов ОАО «Техдиагностика» (Оренбурггазпром), Интерюниса, ОАО «ЦМиР» и издательства «Техносфера».
Автор этой книги – профессор Мак Эвили (Департамент металлургии и материаловедения университета в Коннектикуте, США) – известный специалист по проблемам разрушения, и, в частности, проблемам усталости металлов, которой он посвятил многие свои исследования. Как отметили Д.Ладос и П.Пэрис в докладе на юбилейном симпозиуме, посвященном чествованию профессора Мак Эвили, его работа по скорости роста усталостной трещины в алюминиевых сплавах была первым шагом в изучении закономерностей развития усталостной трещины, открывшим новую область научных интересов для других исследователей. В этой работе [A.J. McEvily Jr., W. Illg. The role of fatigue crack propagation in two aluminum alloys, NACA (now NASA), TN 4394, 1958] была показана взаимосвязь скорости роста усталостной трещины с коэффициентом концентрации напряжений. Более десяти лет спустя обработка именно этих данных привела П. Пэриса и Ф. Эрдогана к установлению известного степенного соотношения, определившего зависимость скорости роста усталостной трещины от коэффициента интенсивности напряжений. Международное признание получили также исследования профессора Мак Эвили по количественному описанию роста усталостной трещины с учетом эффектов перегрузки и влияния среды, а также принципиально важные работы по кинетике коротких усталостных трещин. Из содержания книги следует, что много времени он уделял и анализу аварийных разрушений, и что важно – созданию курса лекций по этому предмету.
Насколько мне известно, такой предмет не входит в программы технических вузов России, поэтому в расследовании аварийных разрушений принимают участие разные специалисты, не подготовленные изначально, но имеющие большой (или не очень большой) практический опыт анализа усталостных, либо коррозионных разрушений, либо разрушений в результате ползучести или замедленного развития трещины.
В 1980-х годах в рамках Всесоюзной комиссии по фрактографии при ВНИИНМАШ Госстандарта, объединившей специалистов по исследованию изломов, была сделана попытка разработки методов фрактодиагностики, т.е. анализа аварийных разрушений при различных видах нагружения. Отсутствие сейчас такого органа, как и отсутствие подготовленных специалистов, не способствует правильной оценке действительной причины эксплуатационных разрушений, поскольку анализ изломов требует большого опыта и знания многих деталей поверхности изломов при каждом виде нагружения.
А. Мак Эвили в своей книге не ограничивается анализом изломов как основным средством восстановления истории разрушения и использует целый спектр связанных с разрушением проблем, включающих ошибки в конструкции и ее текущем ремонте, неразрушающем контроле, в обработке материала и эксплуатации. Причем рассмотрение этих вопросов сопровождается анализом реальных случаев отказа техники и изложением теоретических основ расчетов на прочность, металловедения и термической обработки, распространения ультразвука, оценки остаточных напряжений и многих других.
В этой взаимосвязи различных подходов к анализу реальных разрушений строительных и авиационных конструкций, а также нефтяных платформ, трубопроводов и судов, состоит ценность этой книги, не имеющей пока аналогов в отечественной технической литературе.
Может показаться, что рассмотрение причин разрушений совершенно различных конструкций и их элементов, используемых в строительной, авиационной и машиностроительной технике, затрудняет понимание текста книги и основных подходов автора. Однако таким образом автор привлекает внимание к анализу разрушений специалистов различных областей знаний и, как мне представляется, добивается главного результата – показывает, что имеются общие причины многих различных по своей природе разрушений. Эти причины кроются в выборе материала, методах расчета конструкции и технической политике при эксплуатации, т.е. частоте и качестве контроля, профессионализме персонала и продуманности инструкций обеспечения безопасности.
Для специалистов эта книга интересна тем, что позволяет познакомиться с подходами автора к анализу отказов, включающими целый спектр методов, а также с многочисленными и важными деталями расследований, проведенных автором книги, имеющем большой практический опыт. Студенты и аспиранты найдут в этой книге не только интересную информацию по известным аварийным разрушениям, но и теоретические сведения, необходимые для их анализа, что, как кажется, должно служить стимулирующим фактором постижения основ механики, физики разрушения, материаловедения и неразрушающего контроля элементов конструкций.
Для того, чтобы облегчить понимание материала книги и дополнить его, в конце книги приведен список работ отечественных авторов на русском языке, который не претендует на полноту охвата материала, но дает возможность читателям познакомиться с нормативными документами, атласами фрактограмм и основными публикациями по изучаемому предмету, а также найти в этих публикациях ссылки на работы других отечественных и зарубежных исследователей.
Поскольку каждая глава книги посвящена разным разделам наук о материалах и описанию повреждения различных конструкций, редактирование перевода этой интересной книги оказалось непростой задачей из-за обилия используемых автором терминов, требующих точного перевода и понимания кинетики того или иного процесса изменения характеристик, связанных с разрушением. Поэтому в ряде случаев помимо терминов, используемых в отечественной литературе, приведены английские термины, используемые в оригинале. Кроме того, некоторые главы книги после ее редактирования, по моей просьбе, были просмотрены специалистами, занимающимися проблемами, отвечающими содержанию этих глав. Несмотря на это, вряд ли удастся избежать каких-либо неточностей перевода, поэтому я заранее приношу читателям свои извинения, а ведущим исследователям, которые внесли свои исправления – мою искреннюю благодарность.
Л.Р.Ботвина
I. Введение
Анализ отказов
Несмотря на успехи в развитии технологий, полностью избежать аварий невозможно. Они по-прежнему происходят, причем часто сопровождаются не только материальными потерями, но и человеческими жертвами. Эта книга представляет собой введение в предмет «Анализ аварийных разрушений». Разумеется, в ней не удалось описать все типы аварий, которые когда-либо происходили или могут произойти, поскольку мир постоянно меняется и все предусмотреть невозможно. Поэтому в книге приведены универсальные методы анализа, проиллюстрированные множеством конкретных примеров. Анализ аварийных разрушений, несомненно, представляет интерес для тех, кто собирается исследовать причины аварии. Однако чтобы правильно их диагностировать, квалифицированный специалист должен полностью понимать все детали работы компонентов исследуемой системы, а также обладать знаниями о характере возможных отказов. Поскольку исследователю, скорее всего, придется обосновывать свои выводы перед весьма взыскательной аудиторией и защищать свою точку зрения перед различными авторитетными комиссиями, крайне важно, чтобы его заключения базировались на глубоком и всестороннем анализе фактов. Результатами профессионального расследования причин аварии должен стать подтвержденный фактами сценарий последовательности событий, связанных с аварией, а также определение ответственности оператора, производителя или организации, обеспечивающей техническое обслуживание и контроль системы или конструкции. Более того, грамотно проведенное расследование помогает усовершенствовать проект, производственный процесс или методики контроля, которые позволят предотвратить аварии в будущем.
На первый взгляд кажется, что анализ механических повреждений и разрушений конструкций — относительно новая область исследований. Однако при более внимательном рассмотрении становится понятным, что этот вопрос заботил людей с древнейших времен, но так и остался нерешенным. В далеком прошлом, как и сегодня, аварии часто приводили к тому, что за достижениями и прорывами следовали поражения и неудачи, сопровождавшиеся самими тяжелыми последствиями для проектировщиков и строителей. Например, Кодекс Хаммурапи, который был написан около 1780 года до н.э., гласит (1):
Если строитель построит для человека дом и не сделает его прочным, и дом разрушится и станет причиной смерти собственника дома, тогда строитель должен быть предан смерти. Если разрушение станет причиной смерти сына собственника дома, смерти должен быть предан сын этого строителя. Если будет испорчено имущество, строитель должен восстановить все, что было разрушено, и поскольку он не построил прочно дом, который должен был построить, и дом разрушился, строитель должен заново построить дом, который разрушился, за свой собственный счет.
Разрушение мостов, виадуков, соборов и т. д. вынуждало строителей и архитекторов придумывать новые или усовершенствовать старые проекты, использовать лучшие материалы и более безопасные строительные технологии. Так, люди, опираясь на интуицию и практический опыт, оптимизировали такие механические устройства, как колеса и оси, и подобные инновации оказывались весьма успешными. Например, не так давно в Индии попытались усовершенствовать колеса повозок, в которые запрягают волов. Однако анализ показал, что эти усовершенствования, которые разрабатывались достаточно долго, экономически не оправданы.
Пример конструкции, которая долгое время совершенствовалась, но тем не менее оказалась неудачной, связан с землетрясением, произошедшим в 1995 году в городе Кобэ, Япония. В этой области довольно долго не происходило разрушительных землетрясений, но там часто случаются тайфуны. Для обеспечения устойчивости домов перед разрушительным действием тайфунов в местном строительстве применялись достаточно тяжелые конструкции кровель. Однако при землетрясении обрушение тяжелых крыш стало причиной не только значительного материального ущерба, но и гибели людей. В настоящее время нормы проектирования в этой области изменились: теперь они учитывают риски не только тайфунов, но и землетрясений.
Конструкции изделий массового потребления часто разрабатываются в короткие сроки и поэтому не всегда безопасны. Рассмотрим, например, крышки для бутылок с газированными безалкогольными напитками. Когда-то стеклянные бутылки плотно закупоривались металлическими крышками путем обжима, и чтобы снять крышку, требовалась открывалка. Затем появились металлические крышки, которые легко открывались поворотом на ¼ окружности. Эти крышки были изготовлены из тонких кусков алюминия, причем форма, соответствующая резьбе на стеклянных бутылках, придавалась им в результате обработки в цехах розлива. Если резьба на бутылке изнашивалась или инструмент, придающий крышке форму, был неисправен, возникало непрочное соединение между крышкой и бутылкой, и крышка в любой момент могла слететь. Более того, плохо прикрепленная крышка при открывании бутылки могла сорваться под действием расширяющегося газа, отлететь и травмировать глаза человека. Чтобы предотвратить такую опасность, были разработаны крышки с отверстиями на боковой поверхности, расположенные близко друг к другу, чтобы при нарушении герметичности между крышкой и бутылкой в момент отворачивания давление газа сбрасывалось, и вероятность причинения вреда глазам была минимальной. Затем появились пластиковые бутылки и пластиковые крышки. В современном исполнении резьба на пластиковых бутылках имеет прорези, так что как в случае с металлическими крышками с отверстиями, при отворачивании крышки газ CO2 выходит, и опасность причинить вред зрению уменьшается.
Важную роль при конструировании и при анализе аварийных разрушений играет анализ напряжений. С наступлением технической революции стремление к безопасности конструкций обусловило значительный прогресс в области анализа напряжений. Понятия напряжения и деформации впервые были рассмотрены в работе Гука в 1878 году, а окончательную формулировку получили в начале XIX века в работах Коши и Сен-Венана. С тех пор область исследований анализа напряжений существенно расширилась и включает в себя сопротивление материалов, а также теории упругости, вязкоупругости и пластичности. Появление быстродействующих компьютеров вызвало дальнейший прогресс в использовании численных методов при анализе напряжений, в частности, был разработан метод конечных элементов. В то же время более полное знание характеристик материалов привело к прогрессу в выведении базовых соотношений, основанных на теории дислокаций, теории пластичности и механизмах разрушения. Также были детально разработаны основные принципы проектирования, в том числе понятие безопасного ресурса и принцип отказоустойчивости, особенно в областях, связанных с авиационно-космической техникой.
Согласно принципу безопасного ресурса, конструкция проектируется как статически определимая структура, которая предназначена для безотказной работы на протяжении расчетного срока службы. Для защиты от преждевременного отказа через определенные интервалы компонента должна подвергаться контролю на протяжении всего срока эксплуатации.
При проектировании отказоустойчивых систем конструкция, в случае отказа одного из ее элементов, должна обеспечить избыточность системы, достаточную для того, чтобы альтернативные пути нагружения выдерживали нагрузку, по крайней мере, до момента следующего технического осмотра. (Одновременное использование подтяжек и ремня может служить примером системы с резервированием, реализующей принцип отказоустойчивости.) Следует также принимать во внимание связь спектра нагружения, которому система должна противостоять, с диапазоном свойств материалов, позволяющих им выдерживать нагрузки. Как показано на рис. 1-1, опасность повреждения возникает, когда два распределения перекрываются.
Надписи на рисунке:
1 – Вероятность
2 – Приложенное напряжение
3 – Сопротивление материала
Рис. 1-1. Схематическая плотность распределения вероятности для приложенного напряжения и сопротивления материала
Сегодня развиваются новые области изучения, такие как механика разрушения, исследования усталости, наука о коррозии и неразрушающие испытания. Большие успехи достигнуты в сфере улучшения сопротивления материалов разрушению. В металлургии это удалось благодаря разработке новых сплавов, улучшению контроля химического состава сплавов, а также совершенствованию методов металлообработки и термообработки. Специалисту по аварийным разрушениям часто приходится определять природу разрушения — например, обусловлено разрушение усталостью или перегрузкой? Часто для получения ответа на этот вопрос достаточно простого визуального обследования. Однако в ряде случаев анализ поверхности разрушения (фрактография) затруднен, и возникнет необходимость в лабораторных измерительных приборах, таких как оптический микроскоп, просвечивающий электронный микроскоп или растровый электронный микроскоп.
Большинство современных исследований достаточно дороги и сложны; они требуют участия высококвалифицированных экспертов, а также сложного лабораторного оборудования. В некоторых случаях расследования проводят федеральные службы; так, например, в случае катастрофы авиарейса 800 компании американской компании Trans World Airlines (взрыв центрального топливного бака) специалистам ФБР и Национального комитета по вопросам безопасности транспорта пришлось определять, что стало причиной аварии: попадание реактивного снаряда, диверсия, механическое повреждение или взрыв топливного бака в результате воспламенения от искрового разряда. К расследованию аварии на АЭС «Три-Майл Айленд» (штат Пенсильвания) (неисправный клапан) была привлечена Комиссия по ядерной регламентации; а причины катастрофы шаттла Challenger (уплотнительное кольцо) расследовали представители Национального агентства по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). Также многие исследования проводят производители, которым необходимо удостовериться в том, что их изделия обладают соответствующими характеристиками надежности. Кроме того, в настоящее время существует множество компаний, выполняющих анализ аварийных разрушений по заказу производителей и владельцев электростанций, а также оказывающих им поддержку в судебных процессах. Результаты многих из этих исследований опубликованы и могут служить источником полезной информации о природе и причинах аварий. К сожалению, результаты некоторых из них засекречиваются до начала судебного разбирательства, и, таким образом, общественность лишается возможности узнать, что определенные изделия могут представлять для них опасность. Некоторые компании могут решить, что дешевле урегулировать некоторые претензии потребителей, чем полностью отзывать товар с рынка. Иногда такая политика приводит к тяжелым последствиям, таким, например, как участившиеся автомобильные аварии, вызванные низким качеством шин. Другой пример – зажигалки, которые неправильно срабатывали и становились причиной серьезных ожогов. Только после того, как произошло почти пятьдесят таких случаев, и все они были улажены, опасность, связанная с этим механизмом, была вскрыта на публичном разбирательстве.
Важным результатом анализа аварийных разрушений стало совершенствование строительных норм, правил и технических требований к основным производственным материалам (Американское общество специалистов по испытаниям и материалам, ASTM); технологических процессов (Управление охраны труда США); проектирования (Американское общество инженеров-механиков, Нормы для бойлеров и сосудов, работающих под давлением, Федеральное авиационное агентство США, НАСА, Американский нефтяной институт); строительства (государственные и муниципальные нормы), и правил эксплуатации (НАСА, Комиссия по ядерной регламентации, Федеральное авиационное агентство США). Такие нормы и стандарты разрабатывают, чтобы предотвратить повторение произошедших аварий, а избежать потенциально возможных новых типов аварий, как, например, в случае ядерных реакторов. Успехи в производстве стали, развитие методов неразрушающего контроля и аналитических методов привело к уменьшению расчетного коэффициента безопасности по материалу (коэффициента надежности) для бойлеров и сосудов, работающих под давлением с 4 до 3,5 (2). (Значения допустимого напряжения, основанные на временном сопротивлении на растяжение, получают делением временного сопротивления на растяжение на расчетный коэффициент безопасности по материалу.) В настоящее время надежность разрабатываемых изделий и конструкций достигла небывало высокого уровня, но обеспечение этой надежности невозможно без значительных затрат. В атомной промышленности, например, приведение всех систем в соответствие с нормативными документами, направленными на максимизацию безопасности, может стать настолько дорогостоящим мероприятием, что оно же может стать и аргументом в пользу выведения оборудования из эксплуатации. Для производителей осведомленность о современном положении дел в правовой сфере так же важна, как и знание новейших профессиональных стандартов. Многие компании по производству небольших спортивных самолетов пришли в упадок, поскольку понесли потери по Закону об ответственности за качество выпускаемой продукции, когда было доказано, что их технологические процессы не удовлетворяют современным стандартам безопасности. Чтобы снизить вероятность дефектов, многие компании сегодня передают работу по анализу повреждений специальному линейному подразделению предприятия, а не ее центральному аппарату. Таким образом, члены группы, занимающейся анализом повреждений, перед запуском в производство утверждают все новые разработки.
II. Примеры исследованных случаев разрушений
A. Задачи анализа нагрузки и конструкции
1. Задача оценки ветровой нагрузки. Мост через устье реки Тей — залив Ферт-оф-Тей в Шотландии длиной 10 300 футов с проложенной по нему одноколейной железной дорогой, был построен в 1878 году (3). Часть моста состояла из 13 пролетов, изготовленных из ковкого чугуна, каждый длиной 240 футов. Они поддерживались над водой чугунными опорами на высоте 88 футов. В роковой день 28 декабря 1879 года скорость ветра во время бури превышала 75 миль в час. В тот вечер пассажирский поезд, пересекавший мост по расписанию, упал в Ферт вместе с 13 центральными пролетами, при этом погибло 75 пассажиров и работников железнодорожного транспорта.
При расследовании обнаружилось, что основной причиной катастрофы стал ветер штормовой силы, создавший поперечную нагрузку на пассажирские вагоны, которые передали ее конструкции моста, что и привело к его разрушению. Такая ветровая нагрузка не была должным образом учтена на стадии разработки моста. Эта катастрофа привлекает внимание к очевидному факту: при разработке безопасных и надежных конструкций необходимо учитывать все потенциальные нагрузки.
Сегодня намного больше известно о важности учета ветровой нагрузки при строительном проектировании. Тем не менее, время от времени проблемы все же возникают. Например, здание небоскреба Citicorp в Нью-Йорке было построено в 1977 году в соответствии со строительными нормами и правилами, которые требуют расчетов для ветров, дующих в направлениях, перпендикулярных фасадам здания. В 1978 году выяснилось, что здание нестабильно при штормовых ветрах, дующих под углом 45 и воздействующих на две стороны здания одновременно. Здание было быстро укреплено так, чтобы обеспечить его безопасность на случай всех типов ветровой нагрузки, и потенциальная катастрофа была предотвращена.
Примером того, как ветровая нагрузка действительно привела к серьезной аварии, может служить подвесной Тэкомский мост, который разрушился в 1940 году, всего через четыре месяца эксплуатации. Мост, который соединял полуостров Олимпик с основной частью Вашингтона, имел узкий двухпутный центральный пролет длиной свыше полумили. Конструкция его была необычной — в ней вместо глубоко открытых опор решетчатого типа, через которые ветер мог бы проходить насквозь, использовались фермы жесткости, которые охватывали мост. В результате такая конструкция обладала низкой жесткостью на кручение и была настолько гибкой даже при ветре средней силы, что мост получил название “Скачущая Герти” (“Galloping Gertie”). Если скорость ветра возрастала до 42 миль в час, амплитуда раскачки моста и крутильных колебаний также увеличивались, в результате мост обвалился. Первопричиной аварии были резкие раскачивания, которые объяснялись вынужденными колебаниями, возбуждаемыми случайными воздействиями турбулентных порывов ветра, а также вихрями, которые возникали при прохождении ветра сквозь мост.
2. Аварии самолетов Comet. В начале 1950-х годов Comet стал первым реактивным самолетом, совершавшим коммерческие рейсы на пассажирской линии. Самолет настолько превосходил винтовые машины, что скоро захватил большую долю на рынке транспортных самолетов. Однако вскоре после начала эксплуатации два самолета Comet, во время взлета внезапно разгерметизировались (как показало последующее расследование), в результате самолеты потерпели крушение и все пассажиры погибли. Расследование показало, что аварии были вызваны усталостным растрескиванием фюзеляжа в областях, подвергавшихся высоким нагрузкам и прилегающих к углам квадратных (а не круглых) «окон» приемных антенн автоматического радиокомпаса (рис. 1-2). Усталостное нагружение возникало из-за повышения и сброса давления в кабине при каждом цикле «взлет-посадка». После крушения наличие усталостных трещин было подтверждено исследованием поверхностей излома критических частей обломков. На фрактограммах этих поверхностей были обнаружены признаки, которыми характеризуется рост усталостного растрескивания (4).
Последствия этих крушений стали весьма поучительными. Во-первых, самолеты Comet больше не перевозили пассажиров, и заказы на новые летательные аппараты были аннулированы. Во-вторых, аварии привлекли внимание к значимости разрастания усталостных трещин в авиационных конструкциях. В-третьих, было признано, что выдерживающие высокое давление фюзеляжи следует проектировать так, чтобы предотвратить катастрофический сброс давления при наличии усталостного растрескивания или поражения обломками в случае взрыва двигателя. В результате для повышения надежности авиационных конструкций были приняты существенные меры по оптимизации стратегии проектирования, и по анализу разрастания усталостных трещин и методики проверок.
После аварий самолетов Comet стало абсолютно ясно, что усталость металлов должна быть предметом серьезного анализа при конструировании летательных аппаратов. Некоторые компоненты, как, например, лопатки турбин, которые могут испытать до 1010 циклов нагружения за свой срок эксплуатации, проектируются так, чтобы нагрузки были намного ниже усталостной прочности материалов. Эти компоненты проектируются с таким расчетом, чтобы усталостные трещины не развивались в течение расчетного срока эксплуатации. Такая трещина, возникшая на лопатке турбины, быстро достигает критического размера, и если при периодическом осмотре ее не обнаружили, это может привести к серьезной аварии. Что касается базовых конструкционных деталей самолета, ситуация здесь другая. Циклы нагружения накапливаются медленнее, чем у деталей двигателя, и возникшие усталостные трещины и их критический размер для излома измеряются в сантиметрах, а не в миллиметрах, как в случае маленьких лопаток турбин. Это означает, что при соответствующем контроле можно обнаружить усталостные трещины в конструкционных деталях прежде чем они вырастут до критических размеров.
Рис. 1-2. (a) Самолет Comet. (b) Расположение усталостной трещины рядом с задним углом “окна” автоматического радиокомпаса (АРК). (Воспроизведено с разрешения по материалам Jones, 3.)
1 – Положение шпангоутов (перегородок?)
2 – “Окна” приемных антенн автоматического радиокомпаса
3 – Положение шпангоутов (перегородок?)
4 – Аварийный люк
(a)
5 – Усталостная трещина
6 – Вероятный источник усталости
7 – 30 мм
(b)
При изготовлении конструкционных деталей самолетов широко используются алюминиевые сплавы. Характерное для них высокое отношение «прочность/плотность» делает их весьма привлекательными для этих целей. Однако этим сплавам присуща относительно низкая усталостная прочность. Если бы конструкция самолета была спроектирована так, чтобы все повторяющиеся нагрузки были ниже предельного усталостного напряжения, летательный аппарат оказался бы слишком тяжелым, а это экономически невыгодно. Чтобы уменьшить вес конструкции, расчетные циклические нагружения устанавливают на уровне, превышающем усталостную прочность, что снижает долговечность. Это означает, что, если циклические нагружения повторяются достаточно часто, со временем разовьются усталостные трещины. Из-за статистических колебаний долговечности при усталостных нагрузках, а также из-за неопределенностей, связанных с реальными условиями нагрузок, конструктор должен учитывать, что усталостные трещины могут появиться в пределах срока эксплуатации конструкции. Если испытания на циклические нагружения проводятся на полномасштабном испытательном образце, можно получить некоторую информацию об усталостной прочности конструкции и вероятной локализации усталостных трещин. Однако реальные конструкции в процессе эксплуатации могут подвергаться циклическим нагружениям в условиях, отличающихся от нагружений испытательного образца. Кроме того, если самолет уже эксплуатировался в течение длительного времени, могут проявляться долговременные эффекты, связанные с коррозией и фреттинг-коррозией (коррозией при трении), которые нельзя зафиксировать при тестовых испытаниях.
Как упоминалось ранее, в связи с проблемой усталостного растрескивания конструкционных деталей летательных аппаратов разработаны два различных подхода к проектированию. Когда проектируемая структура является статически определимой, используется проектирование по принципу безопасного ресурса. При таком подходе компоненты конструкции проектируются с достаточной усталостной долговечностью так, чтобы она превышала расчетный срок эксплуатации летательного аппарата. Другой подход основан на принципе отказоустойчивости. При таком подходе избыточность системы должна быть достаточной, чтобы в случае отказа узла или детали конструкции, прочность других элементов конструкции позволяла бы им выдерживать перераспределенную нагрузку. Более того, эти сохранившие работоспособность компоненты при более высоких нагрузках сами не должны подвергаться риску разрушения до следующей плановой проверки. В принципе, этот подход более надежен, чем первый, однако его применение приводит к утяжелению конструкции.
3. Авария самолета Boeing 707 компании Dan Air. Следующий случай является примером того, как некорректное применение принципа отказоустойчивости привело к печальным результатам. В 1977 самолет Boeing 707-300C, выполнявший грузовой рейс из Лондона в Замбию, готовился совершить посадку, когда отделился его правый горизонтальный стабилизатор вместе с рулем высоты. В результате самолет резко опустил нос, вошел в пике и упал на землю, не долетев примерно две мили до взлетно-посадочной полосы. Пилот, второй пилот и бортинженер погибли. Этот самолет был первым из серийно выпускаемых конвертируемых пассажирских/грузовых самолетов B-707-300C. Его налет составил 47621 час, он совершил всего 16723 посадки. С момента последнего осмотра он совершил 50 посадок. Горизонтальный стабилизатор так же, как и другие компоненты этого самолета, был сконструирован по принципу отказоустойчивости, но полномасштабные испытания на усталостную прочность стабилизатора для B-707-300C не проводились.
Однако отказоустойчивая конструкция только тогда проявляет себя в полной мере, когда после разрушения одной детали оставшиеся компоненты имеют достаточное сопротивление, чтобы выдерживать приложенную нагрузку. Система с однократным резервированием (как в данном случае) является отказоустойчивой до тех пор, пока не повреждена основная конструкция. Если какая-то деталь выходит из строя, срабатывает принцип отказоустойчивости (компенсации отказов). Однако при этом нужно обнаружить поломку в основной конструкции, прежде чем сами компенсирующие элементы не будут ослаблены усталостью, коррозией или в действием других механизмов. Поскольку запас прочности при работе в режиме компенсации отказов намного ниже, чем при неповрежденной конструкции, поломка должна быть обнаружена и устранена очень оперативно. Чтобы обеспечить безопасное функционирование отказоустойчивой конструкции, должен быть подготовлен соответствующий план проверок, который станет составной частью общего проектирования. Только так можно гарантировать, что разрушение в любой части основной конструкции будет обнаружено задолго до того, как прочность отказоустойчивой конструкции снизится.
После катастрофы при изучении оторвавшегося стабилизатора обнаружилось, что разрушена верхняя хорда заднего лонжерона стабилизатора в результате роста усталостной трещины от крепежного отверстия. (Слово “хорда” в терминологии авиастроения имеет два значения. Оно означает как прямую линию, соединяющую переднюю и заднюю кромки крыла, так и любой из двух внешних стержней фермы, соединенных стойками и придающими конструкции жесткость. Здесь применимо последнее определение, то есть хорда стабилизатора, проходящая в направлении размаха крыльев.) Задний лонжерон состоит из верхней, средней и нижней хорд, соединенных алюминиевыми стойками. Номинально ненагруженная средняя хорда предназначена для того, чтобы действовать как вставка для остановки трещины в случае, если усталостная трещина распространяется по стойке заднего лонжерона от верхней хорды. Есть доказательства того, что разлом стойки между верхней и центральной хордами произошел до катастрофы. Таким образом, возникновение некоторого усталостного растрескивания центральной хорды сразу привело к тому, что и центральная, и нижняя хорды сломались под воздействием перегрузки. Оказалось, что этот случай не единичный; при осмотре 521 Boeing 707, оснащенного таким же типом горизонтального стабилизатора, обнаружилось, что 7% самолетов имеют на заднем лонжероне трещины различного размера.
Расследование было направлено на то, чтобы установить (a) причину и возраст усталостного разрушения и (b) причину, по которой отказоустойчивая конструкция заднего лонжерона не смогла выдержать полетную нагрузку после того как верхняя хорда разрушилась вследствие усталости. Анализ показал, что общее количество полетов с момента возникновения усталостной трещины и до окончательного разрушения верхней хорды составило порядка 7200. В результате был сделан вывод о том, что разрастание усталостной трещины произошло после поломки верхней хорды, и что, вероятно, было выполнено около 100 полетов с момента поломки верхней хорды и до отделения стабилизатора.
Рекомендуемое время, которое требовалось на проверку горизонтального стабилизатора, составляло 24 минуты, поскольку предполагалось, что необходим лишь визуальный осмотр, а не детальный анализ. Задний лонжерон и нижние хорды лонжерона допускали внешний осмотр, и рекомендуемая процедура позволяла обнаружить трещину в верхней хорде при условии, что эта трещина была заметна визуально. Если судить по тем трещинам, которые были обнаружены после катастрофы по результатам проверки других самолетов, такие несквозные трещины, видны невооруженным глазом только тогда, когда известно их точное расположение. Следовательно, трещина в хорде лонжерона остается необнаруженной при осмотре, если осмотр не производился в период между разрывом верхней хорды и полным разрушением лонжерона (а в данном случае он не производился).
Исследователи пришли к выводу: поломка верхней хорды заднего лонжерона стабилизатора показала, что конструкция не может достаточно долго противостоять нагрузкам, которым она подвергается в полете. Хотя горизонтальный стабилизатор был спроектирован производителем с применением принципа отказоустойчивости, на практике конструкция не обладала свойствами отказоустойчивости, поскольку методика проверок не соответствовала требованиям безопасности. Проверок было недостаточно, чтобы обнаружить несквозные трещины верхней хорды заднего лонжерона стабилизатора, но они позволяли обнаружить полностью разрушенную верхнюю хорду.
Выяснилось, что горизонтальные стабилизаторы предрасположены к усталостным трещинам. Полеты британского самолета Concord были полностью прекращены, после того как растущая усталостная трещина лонжерона левого заднего крыла достигла 76 мм (6).
4. Разрушение крыши Центра «Колизей» в Хартфорде. Крыша простоявшего три года здания обрушилась в 4:00 в январе 1978 года под воздействием ураганного ливня, которому предшествовал периода снегопадов. Крыша поддерживалась треугольной перекрестно-ребристой решетчатой металлической конструкцией, размером 360 на 300 футов, которая опиралась на четыре усиленных бетонных опоры, так что пролеты составляли 270 и 210 футов. В статье Смита и Эпштейна (E. A. Smith and H. I. Epstein, 7) сделан вывод, что взаимодействие верхнего пояса элементов конструкции, работающих на сжатие со связывающими их элементами, сыграло важную роль в перераспределении нагрузки и последующем разрушении. Смит и Эпштейн отметили, что определенные элементы, работающие на сжатие, были связаны растяжками для удержания конструкции только в одной плоскости. При увеличении нагрузки эти элементы изогнулись в другой плоскости, результатом чего стало перераспределение нагрузки на другие элементы. С течением времени все больше элементов, работающих на сжатие, изгибалось, и нагрузка перераспределялась все на меньшее и меньшее число элементов. Ситуация непрерывно ухудшалась, и наконец оставшиеся элементы не смогли противостоять дополнительной нагрузке и однажды ночью произошло внезапное обрушение.
Этот случай прежде всего является примером неудовлетворительного расчета прочности при проектировании конструкции.
5. Обрушение подвесных галерей в отеле Hyatt Regency в Канзас-Сити (8). 20 июля 1981 года обрушились две подвесные галереи в атриуме отеля Hyatt Regency в Канзас-Сити, штат Миссури, унеся жизни 113 человек. Еще 186 человек были ранены. По количеству убитых и раненых эта катастрофа стала самой ужасной из всех, которые когда-либо имели место в Соединенных Штатах в результате обрушений строительных конструкций. Галереи второго этажа были подвешены к расположенным непосредственно над ними галереям четвертого этажа. Галереи четвертого этажа, в свою очередь, были подвешены к несущим конструкциям крыши атриума тремя парами подвесок. При обрушении галереи второго и четвертого этажей упали на пол атриума, так что галерея четвертого этажа остановилась поверх нижней галереи. Большинство убитых и раненых находились или на уровне первого этажа атриума, или на галерее второго этажа.
Согласно первоначально принятому проекту конструкции галерей требовалось, чтобы подвески проходили через коробчатые балки пола четвертого этажа и через коробчатые балки пола второго этажа. Коробчатые балки были изготовлены из пар восьмидюймовых стальных швеллеров, расположенных напротив друг друга, и сваренных выступов. Балки удерживались на подвесках шайбами и гайками, установленными ниже каждой из балок (см. рис. 1-3a). При такой конструкции каждая коробчатая балка передавала бы свою нагрузку на подвески по отдельности.
Однако в процессе строительства изготовителем были подготовлены чертежи, согласно которым требовались разрезные подвески вместо непрерывных (рис. 1-3b). В рамках модифицированного проекта три пары подвесок соединяли коробчатые балки пола четвертого этажа с несущими конструкциями крыши, и три пары подвесок соединяли коробчатые балки пола четвертого этажа с коробчатыми балками пола второго этажа. При такой компоновке вся нагрузка пола галереи второго этажа сначала передавалась на коробчатые балки пола четвертого этажа, откуда и эта нагрузка, и нагрузка пола галереи четвертого этажа через соединения коробчатых балок с подвесками передавались потолочным подвескам. По существу, эти изменения привели к удвоению нагрузки, которую приходилось передавать узлам соединений «коробчатые балки пола четвертого этажа — подвески».
Рис. 1-3. Сравнение конструкции соединительных звеньев при строительстве галереи в отеле Hyatt Regency в Канзас-Сити (a) Согласно первоначальному проекту. (b) Конструкция, использовавшаяся в действительности. (По материалам Национального бюро стандартов США, 8.)
Анализ разрушений, проведенный после катастрофы, показал, что разрушение системы галерей началось в одном из соединений коробчатых балок с подвесками. В данном случае ни производитель, ни инженер-строитель, ни архитектор — никто из тех, кто одобрял внесение изменений в проект, — не оценил последствий этих изменений.
Б. Проблемы контроля, технического обслуживания и ремонта
6. Разрушение моста через реку Майанус. В работе Демерса и Фишера (C.E. Demers and J. W. Fisher) приведено описание разрушения части этого моста. Соединяющая разные штаты автострада с шестью полосами для движения, поддерживаемая шестью рядами быков, скошенными параллельно реке, пересекала реку Майанус в Гринвиче, штат Коннектикут. Мост состоял из нескольких отдельных пролетов, внешние края каждого из которых поддерживались продольными балками. Мост эксплуатировался уже в течение 24 лет, когда 28 июня 1983 года рано утром — к счастью, в те часы, когда движение было небольшим — один из пролетов восточного направления полностью отделился от моста и упал в реку, став причиной нескольких смертей. Обрушившийся пролет был подвешен (рис. 1-4a), между соседними пролетами, которые консольно выступали за поддерживающие их опоры. Обрушившийся пролет являлся статически определимой конструкцией, и это означает, что повреждение одного из базовых элементов конструкции повлекло за собой обрушение пролета. Вспомним, что конструкциями с резервированными элементами называются такие конструкции, в которых повреждение одного из базовых элементов приводит к перераспределению нагрузки между другими элементами, но не к полному разрушению. Для соединения обрушившегося пролета с балками прилегающих элементов моста на его восточных углах применялись шарнирные узлы «штифт-подвеска». Анализируя местоположение пролета после аварии можно сделать вывод, что обрушение началось с юго-восточного угла. После обрушения обнаружилось, что внутренняя подвеска юго-восточного угла осталась неизогнутой и присоединенной к верхнему штифту, в то время как другие соединительные узлы были сильно деформированы. Был сделан вывод: поскольку внутренняя подвеска осталась неизогнутой, нижний штифт отделился от нее еще до обрушения, и нагрузка переместилась на внешнюю подвеску. Из-за ненагруженной внутренней подвески, нагрузка на внешнюю подвеску удвоилась. Результирующее высокое опорное давление на верхнюю поверхность верхнего штифта привело к образованию в штифте усталостной трещины, которая стала причиной отделения части верхнего штифта, что и позволило подвеске соскользнуть с верхнего штифта. Именно это вызвало окончательное обрушение пролета.
Надписи на рисунке:
1 – 2,75 м (9 футов)
2 – Консольно выступающий пролет
3 – Подвешенный пролет
4 – Подвеска
5 – Штифт
(a)
6 – Главная балка 2½
7 – 16 2½ подвески
8 – Шайбы с наружным диаметром 14 ¼ (одна свободная – одна приваренная)
9 – Стопорная листовая деталь 9
10 – (?) Болт (1)
11 – Штифт (7)
12 – Зазор 1/8
(b)
13 – Продукты коррозии
(c)
Рис. 1-4. Подвески моста через реку Майанус (a) Способ крепления обрушившегося подвешенного пролета. (b) Фактически использованный узел штифт-подвеска. (c) Узел штифт-подвеска после 24 лет эксплуатации. (Рисунки 1-4b и c по материалам Демерса и Фишера, 9.)
Обследование после аварии выявило, что опорная поверхность внутренней подвески юго-восточного угла в нижнем отверстии в значительной степени подверглась коррозии. Внутренний конец нижнего штифта сильно разрушился и истончился, а его нижний край отломился. Перемещение нижнего штифта привело к повреждению проходящего через штифт удерживающего болта. Было обнаружено, что продукты далеко зашедшей коррозии (ср. рис. 1-4b и 1-4c) заполнили пространство между внешней шайбой и внешними сторонами как нижнего, так и верхнего узлов, что привело к пластической деформации стопорной пластины и приложению значительного растягивающего усилия к болту, результатом чего и стал его разлом. Был сделан вывод: разрушение стало результатом прогрессирующего процесса, который продолжался в течение некоторого периода времени, а продукты коррозии стали первоначальной причиной смещения подвески по штифту, что и привело к обрушению.
Авария подчеркнула значимость эффективной профилактической борьбы с коррозией и программ контроля, направленных на поддержание целостности подобных конструкций.
7. Авария на самолете Boeing 737-200 Aloha Airlines. В 1988 году Boeing 737-200 компании Aloha Airlines совершал рейс из Хило в Гонолулу, штат Гавайи. Взрывная декомпрессия и разрушение конструкции произошли, когда он находился на высоте 24000 футов. Примерно 18 футов внешней обшивки кабины вместе с кормовой входной дверью кабины и верхней секцией пассажирского отсека отделилось от самолета (рис. 1-5). На борту находилось 89 пассажиров и 6 членов экипажа. Одна стюардесса (потоком воздуха) была вынесена за борт, семь пассажиров и один член экипажа получили серьезные травмы. Аварийная посадка была совершена на острове Мауи. В результате аварии самолет получил повреждения, не подлежащие ремонту, был демонтирован и продан на металлолом.
Этот самолет был изготовлен в 1969 году. К моменту аварии он налетал 35496 часов, и совершил 89680 циклов «взлет-посадка». Это второе место в мире по количеству циклов для Boeing 737. Из-за коротких расстояний между пунктами назначения на некоторых маршрутах Aloha Airlines полное повышение давления до 52 кПа (7.5 фунтов на квадратный дюйм) достигалось не в каждом полете. Следовательно, количество полных циклов по давлению было существенно меньше, чем 89680. Самолет также подвергался воздействию жары, сырости, соленого морского воздуха, которые ускорили процесс развития коррозии.
Было обнаружено, что повреждение началось вдоль продольного соединения внахлестку обшивки фюзеляжа, выполненного методом “холодной сварки”. При холодной сварке для соединения вместе продольных краев панелей наружной обшивки толщиной 0.036 дюйма был использован пропитанный эпоксидной смолой тканый холст для перекрытия швов. Кроме того, соединение состояло из трех рядов заклепок с потайной головкой. Предполагалось, что кольцевые нагрузки на фюзеляж должны передаваться через сварное соединение, а не через заклепки, что позволяло использовать более тонкую обшивку без снижения усталостной долговечности. Однако в самом начале эксплуатации и технического обслуживания самолетов B-737, обнаружилось, что в процессе сварки возникают трудности, и в 1972 году этот метод применять перестали. Чтобы обезопасить самолеты B-737, которые были изготовлены с использованием метода “холодной сварки”, компания Boeing в этот период было выпустила множество сервисных бюллетеней, чтобы привлечь внимание операторов к проблеме нарушения соединения и обеспечить их информацией о том, как обнаруживать это нарушение, используя неразрушающий контроль методом вихревых токов. В 1987 году Федеральное авиационное агентство США выпустило директиву по годности к полетам, требующую, чтобы контроль соединений методом вихревых токов и ремонт выполнялись в соответствии с сервисными бюллетенями Boeing. Некоторые соединения имели низкую прочность в результате воздействия окружающей среды и были подвержены коррозии. Некоторые области шва внахлестку не были соединены совсем, а влажность и коррозия способствовали дальнейшему разрушению соединения. В случае нарушения сварного соединения кольцевая нагрузка передавалась тремя рядами заклепок с потайной головкой, поскольку соединение продолжало выдерживать нагрузку. Однако конические отверстия в результате зенкования проходили через всю толщину 0,036 дюймового листа, что приводило к образованию острой кромки внизу отверстия. В этом месте сосредотачивалось напряжение, и это способствовало возникновению усталостных трещин (рис. 1-6). Поэтому было ожидать, что усталостное растрескивание начнется во внешнем слое наружной обшивки с верхнего, наиболее нагруженного ряда заклепочных отверстий вдоль соединения внахлестку.
Рис. 1-5. Общий вид получившего повреждений Boeing 737 компании Aloha Airlines. (По материалам Национального комитета США по вопросам безопасности транспорта, 10.)
Надписи на рисунке:
1 – Острая кромка
2 – Происхождение трещины
3 – Типичное распространение трещины
Рис. 1-6. Схематическое изображение заклепки с потайной головкой и связанной с ней усталостной трещины, наблюдавшееся в Boeing 737 компании Aloha Airlines. (По материалам Национального комитета США по вопросам безопасности транспорта, 10.)
Специалисты Национального комитета США по вопросам безопасности транспорта предположили, что заклепки в верхнем ряду критического соединения внахлестку растрескались еще до взлета самолета, завершившегося аварией. Они установили, что вероятной причиной аварии стало нарушение компанией Aloha Airlines программы технического обслуживания, направленной на выявление наличия значительных нарушений соединений и усталостных повреждений. Это привело к разрушению соединения внахлестку и отделению верхнего фрагмента фюзеляжа. Авария привлекла внимание к некоторым проблемам коррозии и усталости, которые могут проявляться в «стареющих» самолетах. Она также обозначила важность проблемы многоочаговых повреждений, то есть формирования и возможного соединения усталостных трещин, возникших в соседних заклепочных отверстиях.
8. Авария в самолете McDonnel Douglas DC-10-10 в Чикаго (11) 25 мая 1979 года при взлете самолета McDonnel Douglas DC-10-10 авиакомпании American Airlines, совершавшего рейс 191 из международного аэропорта О'Хара в Чикаго, его левый двигатель вместе с пилоном отделился от самолета и вместе с верхней частью крыла упал на взлетно-посадочную полосу. Самолет продолжал взлет и поднялся на высоту примерно 325 футов, а затем начал крениться влево и рухнул на землю. Самолет был полностью разрушен при падении и последующем пожаре, погибли все, кто находился на борту Дугласа (271 человек), а также два человека на земле. По числу погибших эта авария стала самой крупной в истории авиации США. Разбившийся самолет был введен в эксплуатацию в 1979 году. В общей сложности он провел в воздухе 19871 час, из которых 341 час — с момента технического обслуживания в Талса, штат Оклахома.
Было обнаружено, что причиной отделения двигателя от крыла стала трещина заднего шпангоута пилона, проблема, созданная в процессе технического обслуживания в Талса. На рис. 1-7 показана конструкция пилона. Отметим, что верхний лонжерон присоединен к полке (не показана) на передней стороне заднего шпангоута. Эта полка оказалась критическим элементом в развитии аварии. Компанией McDonnel Douglas был выпущен сервисный бюллетень, обязывающий проводить замену верхних и нижних сферических поддерживающих поверхностей, с помощью которых пилон присоединен к крылу. В бюллетене указывалось, что следует снять двигатель весом 13477 фунтов с пилона весом 1865 фунтов, прежде чем снимать пилон с крыла. Процедура выполнения такой процедуры также была описана. Однако специалисты компании American Airlines решили упростить процедуру: двигатель и пилон стали поднимать как единое целое при помощи погрузчика с вильчатым захватом, поскольку таким образом можно было сэкономить около 200 человеко-часов на самолет и уменьшить количество разъединений с 79 до 27. Приказ на изменение конструкторской документации, описывающий процедуру технического обслуживания, был выпущен компанией American Airlines в 1978 году; с 29 по 31 марта 1979 года в самолете, потерпевшем аварию, была произведена модификация сферических поддерживающих поверхностей с использованием этой процедуры. Следует отметить, что компания McDonnel Douglas не одобрила такую процедуру из-за риска, связанного с повторным присоединением связки «двигатель-пилон» к узлам крепления крыла. Однако изменить процедуру технического обслуживания, установленную ее же клиентом (American Airlines), компания не смогла. К тому же специалисты технического отдела American Airlines не наблюдали за снятием с крыла узла соединения с пилоном, и, следовательно, им не было известно о трудностях точного управления погрузчиком с вильчатым захватом.
Надписи на рисунке:
1 – Обеспечение соединения пилона и крыла
2 – Передний шпангоут пилона
3 – Верхняя передняя сферическая поддерживающая поверхность
4 – Нижняя передняя сферическая поддерживающая поверхность
5 – Перед
6 – Силовой узел осевого присоединения к крылу
7 – Силовой узел шарнирного соединения с крылом (скоба? хомут?)
8 – Осевое присоединение
9 – Верхний лонжерон
10 – Задняя сферическая поддерживающая поверхность
11 – Нижний лонжерон
12 – Центральный “лонжерон”
13 – Задний шпангоут пилона
Рис. 1-7. Схема крепления пиона в DC-10. Верхние лонжероны и тонколистовой металл присоединены к критической передней полке заднего шпангоута. (По материалам Национального комитета США по вопросам безопасности транспорта, 11.)
При исследовании после катастрофы было выявлено, что часть верхней передней полки заднего шпангоута была разломлена перегрузкой, направленной наружу-внутрь борта, непосредственно впереди по радиусу между полкой и плоскостью шпангоута. Излом начался под воздействием направленного вниз изгибающего момента в центральной части полки непосредственно перед плоскостью разлома из-за контакта между шарнирным соединением (скобой? хомутом?) и полкой. В результате этого контакта задняя поверхность излома верхней полки была деформирована в форме полумесяца, что соответствовало форме нижнего конца шарнирного узла присоединения крыла (форме нижней части скобы? хомута?). Длина этого излома под воздействием перегрузки достигла 10 дюймов. На обоих концах излома, обусловленного перегрузкой, присутствовали усталостные трещины, и общая длина растрескивания, связанного как с перегрузкой, так и с усталостью, составляла 13 дюймов.
В результате осмотра самолетов DC-10, проведенного после катастрофы, были обнаружены четыре самолета компании American Airlines и два самолета компании Continental Airlines, имевшие трещины верхних полок задних шпангоутов пилонов, причем максимальная длина этих трещин достигала 6 дюймов. Кроме того, было обнаружено, что на двух самолетах DC-10 компании Continental Airlines, на одном — в декабре 1978 года и на другом — в феврале 1979 года, произошли разломы верхних полок. Эти две полки были повреждены в процессе той же самой операции технического обслуживания, но они были отремонтированы и допущены к дальнейшей эксплуатации. Компания McDonnel Douglas была проинформирована об этих проблемах, но ни Федеральное авиационное агентство США, ни другие авиакомпании проинформированы не были, поскольку эти происшествия рассматривались как ошибки при техническом обслуживании.
Анализ процедуры технического обслуживания выявил многочисленные возможности повредить верхнюю полку заднего шпангоута при контакте с закрепленным на крыле шарнирным соединением (скобой? хомутом?). Разрушающая нагрузка могла быть приложена к силовому узлу заднего шпангоута в процессе или после снятия присоединенного оборудования. Из-за точной посадки в месте присоединения пилона к крылу и минимального зазора между элементами конструкции, персоналу, осуществлявшему техническое обслуживание, приходилось принимать особые меры предосторожности при присоединении или отсоединении пилона. В результате малейшей ошибки оператора погрузчика с вильчатым захватом легко мог быть поврежден задний шпангоут и его верхняя полка.
Окончательное отделение пилона от конструкции было вызвано полным разрушением передней полки заднего шпангоута, после того как ее остаточное сопротивление было снижено разломом, произошедшим в процессе процедуры технического обслуживания, а также дополнительным ростом усталостных трещин в процессе эксплуатации. Эта катастрофа выявила недостатки процессов обмена информацией между инженерно-техническим персоналом и специалистами по техническому обслуживанию и ремонту, а также между Федеральным авиационным агентством США, производителем и авиакомпаниями, причастными к этой аварии.
9. Авария самолета Boeing 747SR компании Japan Airlines, 1985 год (12). В августе 1985 года реактивный самолет Boeing 747SR (предназначенный для преодоления коротких расстояний) совершал перелет из Токио в Осаку. При подъеме на высоту 24000 футов отломился задний герметический шпангоут, и в результате произошла взрывная декомпрессия, что привело к потере гидравлической мощности и, следовательно, к тому, что пилоты утратили возможность управлять самолетом. Через 30 минут самолет врезался в гору. Эта авария по числу погибших стала самой крупной в истории авиации, поскольку из 524 человек, находившихся на борту, выжило только 4.
В июне 1978 года этот самолет уже попадал в аварию при взлете; тогда хвостовая часть задела взлетно-посадочную полосу, в результате была повреждена нижняя половина заднего герметического шпангоута. Этот шпангоут имеет форму полусферы и изготавливается из тонких листов алюминиевого сплава. В месте соединения листы частично заходят один на другой, и заклепочное соединение для дополнительной прочности перекрывается дополнительным куском листового материала, который называется удвоителем (накладкой?). При ремонте повреждений после аварии 1978 года нижняя половина шпангоута заклепками была прикреплена к верхней половине. Однако две половины не были соединены внахлестку соответствующим образом. В верхней части соединения находились удвоитель (накладка?) и ребро жесткости на внутренней стороне шпангоута (рис. 1-8). В нижней части соединения находился удвоитель (накладка?), но он не составлял единого целого с верхним удвоителем (накладкой?), так что существовал зазор между удвоителями (накладками?), в котором вся нагрузка приходилась исключительно на листовой материал. Кроме того, центр масс несущего элемента теперь находился с внутренней стороны шпангоута. Следовательно, нагрузка на лист, перекрывающий зазор, была обусловлена не только кольцевым растяжением, но также изгибом, поскольку удвоители (накладки?) и ребро жесткости создавали условия внецентренного нагружения. Всякий раз, когда в салоне самолета возникало повышенное давление, увеличение нагрузки на алюминиевый лист, перекрывающий зазор, превышало расчетное. В результате повышенной нагрузки усталостные трещины сформировались в каждом из заклепочных отверстий в нижней половине шпангоута непосредственно под зазором, что является еще одним примером многоочаговых повреждений. Эти усталостные трещины в конце концов соединились, и образовавшаяся в результате длинная трещина стала причиной взрывной декомпрессии.
Надписи на рисунке:
1 – Часть, подвергавшаяся ремонту
(a)
2 – Соединение в один ряд (больше 91,4 см)
3 – Отремонтированное соединение
4 – Нормальные соединения
5 – Выпучивания
(b)
6 – Ребро жесткости
7 – Разрыв
8 – Замененный шпангоут
9 – Оставшийся шпангоут
10 – Ряд заклепок вдоль которого распространилась первоначальная усталостная трещина
11 – Заклепка
Рис. 1-8. Задний шпангоут самолета Boeing 747SR компании Japan Airlines. (По материалам Kobayashi, 12)
В. Другие проблемы
10. Авария самолета Concord компании Air France 25 июля 2000 года. Крушение сверхзвукового самолета Concord Air France, совершавшего рейс 4590, произошло сразу же после взлета, что привело к смерти 109 человек, находившихся на борту реактивного самолета и пяти человек на земле. На момент написания книги (2002 год — Прим. ред.) эта авария еще расследуется, но предварительные результаты, а также история аналогичных, хотя, к счастью, не таких трагических инцидентов, указывают на то, что критическим оказался разрыв шины с левой стороны самолета, возникший при ускорении в процессе разбега на взлете. 16-дюймовый кусок металла, упавший на взлетно-посадочную полосу из двигателя самолета, который взлетал незадолго до Concord мог стать причиной разрыва шины. Металлическая полоса соответствовала разрезу, найденному одной из левых шин Concord , и, вероятно, именно она стала причиной этого разреза. Всего произошло 57 случаев разрыва шин Concord , и в семи случаях эти разрывы привели к разрушению топливных баков, гидравлических линий и повреждению двигателей. Французские исследователи установили, что в парижской аварии после разрыва шины восьмифунтовый кусок резины пробил топливный бак, и, таким образом, струя топлива, бившая в непосредственной близости от двух левых двигателей, воспламенилась. И британские, и французские власти запретили полеты Concord в ожидании дополнительной оценки их способности сохранять безопасность в случае разрыва шины. Для минимизации возможных повреждений, связанных с разрывами шин, сегодня рассматривается возможность дополнительной обшивки топливных баков.
11. Авария самолета Boeing 747 компании Transworld Airlines , рейс 800. В июле 1996 года над Атлантикой неподалеку от Лонг-Айленда, штат Нью-Йорк, разбился Boeing 747 компании Transworld Airlines. При этом погибло 230 человек. Основная гипотеза относительно причин этой катастрофы в том, что пары топлива в пустом центральном топливном баке могли воспламениться и взорваться от искры между двумя элементами контактной полоски, являвшейся частью датчика уровня топлива. Непосредственно перед взрывом указатель уровня топлива вел себя неустойчиво, что указывает на проблемы с электропроводкой. Разность потенциалов между элементами контактной полоски составляла 170 В, что обычно не вызывало для беспокойства. Однако самолет эксплуатировался 25 лет, за это время на контактной полоске накопился полупроводящий серный компаунд, что позволило току проходить между элементами. В результате компаунд мог вспыхнуть и вызвать искру, которая стала причиной взрывного воспламенения паров топлива.
III. Заключение
Эти примеры показывают, насколько широк диапазон проблем, которые могут возникнуть при проектировании, техническом обслуживании, взаимодействии с внешней средой и контроле конструкций и систем и подвергнуть опасности их целостность. В следующих главах будут подробно рассмотрены механизмы разрушений и следственных процедур, а также представлены дополнительные примеры.
Литература
1. R. F. Harper. The Code of Hammurabi — University of Chicago Press, 1904.
2. D. A. Canonico. Adjusting the Boiler Code. — Mechanical Engineering, vol. 122, № 2, Feb. 2000, pp. 54-57.
3. D. R. H. Jones, Engineering Material 3, Material Failure Analysis. — Pergamon Press, Ox¬ford. UK, 1993, pp. 291-314.
4. British Ministry of Transport and Civil Aviation, Civil Aircraft Accident: Report of the Court of Inquiry into the Accidents to Comet G-AIYP on 10th January 1954 and Comet G-ALYY on 8th April 1954. — HMSO, London, 1955.
5. Aviation Week and Space Technology, Sept. 17 and Sept. 24, 1979.
6. Aviation Week and Space Technology, Aug. 7, 2000, p.31.
7. F. A. Smith and H. I. Epstein, Hartford Coliseum Roof Collapse. — Civil Engineering-ASCE, Apr., 1980, pp. 59-62.
8. Investigation of the Kansas City Hyatt Regency Walkways Collapse. — National Bureau of Standards Building Science Series 143, 1982.
9. С. E. Demers and J.W. Fisher. A Survey of Localized Cracking in Steel Bridges. 1981 to 1488. ATI-SS Report No. 89-01. — Lehigh University, Bethlehem, PA, 1989.
10. Aloha Airlines Flight 243. National Transportation Safety Board Aircraft Accident Re¬port, NTSB AAR-89/03, 1989.
11. American Airlines Flight 101, National Transportation Safety Board Aircraft Accident Report, NTSB-AAR-79-17, 1979.
12. H. Kobayashi. On the Examination Report of the Crashed Japan Airlines Boeing 747 Plane; Failure Analysis of the Rear Pressure Bulkhead (in Japanese). — J. Japan Soc. Safety Eng., vol. 26, 1987, pp. 363-372.