Возникающее в конструкции повреждение может быть усталостной трещиной, трещиной, образовавшейся в результате коррозии под напряжением, или повреждением, образовавшимся при ударе. Надежность конструкции можно обеспечить различными путями. На рис. 12.1 представлены четыре метода получения проекта надежной конструкции: два из них (а и б) относительно хорошо известны; два других (в и г) применяются очень редко, поскольку их используют лишь тогда, когда невозможно применение методов а и б.

На рис. 12.1, а представлен случай, когда надежность конструкции достигается за счет выбора материалов с низкой скоростью роста трещины и высокой остаточной прочностью и, если это возможно, выбором проекта, обеспечивающего остановку роста трещины. Этот метод до некоторой степени предпочтительнее метода, согласно которому конструкция проектируется устойчивой к повреждениям. Через некоторое время после начала эксплуатации в конструкции может образоваться трещина (начало отсчета на верхней диаграмме рис. 12.1, а). Эта трещина пока еще настолько мала, что ее нельзя обнаружить ни одним из существующих методов проверки. В момент времени А размер трещины увеличивается настолько, что ее уже можно обнаружить. С увеличением длины трещины остаточная прочность конструкции постепенно уменьшается, пока в точке В она не становится меньше допустимого уровня (нижняя диаграмма).

Рис. 12.1. Различные методы проектирования безопасных конструкций:
а — трещиностойкость; б — передача нагрузки по нескольким каналам; в — контрольное нагружение; г — зачистка

Для обнаружения трещины остается отрезок времени от А до В. Для безопасной эксплуатации конструкции в течение этого периода необходимо произвести не одну проверку, поскольку трещина с минимальным размером, допускающим ее обнаружение, при одной проверке может быть пропущена. Несмотря на то, что к концу срока службы трещина может иметь заметную длину, на протяжении большей части этого времени она имеет гораздо меньший размер, поскольку при более длинных трещинах развиваются большие скорости их роста. Это означает, что необходимо обеспечить обнаружение относительно малых трещин, даже если максимальный допустимый размер трещины относительно велик. Это также означает, что небольшая неточность при определении максимального допустимого размера трещины не играет большой роли, поскольку последняя стадия роста трещины занимает немного времени.

Совершенно очевидно, что требование, чтобы в выбранном материале скорость роста трещины была мала, не строгое. В принципе конструкцию можно сделать надежной и при большой скорости роста трещины, если проверки производить достаточно часто. Однако короткие интервалы между проверками невыгодны с экономической точки зрения, поэтому конструкцию дешевле строить из материалов с большим сопротивлением росту трещины.

Конструкцию можно также сделать надежной, если в проекте ее предусмотреть передачу нагрузки посредством двух или большего количества элементов (рис. 12.1, б). Когда один из элементов разрушается, его работу могут выполнить соседние элементы за счет более полного нагружения этих элементов. На верхней диаграмме показано разрушение одного элемента после С часов работы, а на нижней — какое влияние это разрушение оказывает на остаточную прочность. Все остальные элементы данной группы подвергались действию практически тех же самых нагрузок, и, следовательно, большинство из них может вскоре разрушиться. Более того, из-за разрушения первого элемента действующая на них нагрузка увеличивается. Это означает, что через небольшой промежуток времени может разрушиться второй элемент (D), и тогда прочность конструкции станет ниже уровня, обеспечивающего ее надежность. Для обнаружения повреждения остается промежуток времени между С и D. Если разрушение первого элемента было преждевременным и было вызвано его начальным повреждением, то период CD может быть относительно большим. Если разрушение не было вызвано специальными обстоятельствами, то длительность периода CD зависит от нормального разброса сроков службы элементов.

Оказывается, для обеспечения надежной эксплуатации конструкции обнаружение трещин жизненно необходимо. Конструкцию, которую никогда не подвергают проверкам, как правило, нельзя считать надежной. Это означает: конструкция ненадежна, если критический размер трещины настолько мал, что трещину с такими размерами нельзя обнаружить. Такие конструкции все-таки можно сделать надежными, периодически проводя контрольные испытания или зачистку их поверхности. Эти концепции надежности отображены на рис. 12.1, в, г.

При проведении контрольного испытания конструкция подвергается действию нагрузки, которая должна существенно превышать расчетную. При действии контрольной нагрузки критический размер раковины определяется точкой Е (рис. 12.1, в). Если контрольное испытание не закончилось разрушением конструкции, то, значит, раковин такого размера в конструкции не было. Критический размер трещины при расчетной нагрузке определяется точкой F. Между двумя контрольными испытаниями трещина размера Е не должна вырасти до размера F. Таким образом, интервал между двумя контрольными испытаниями определяется временем распространения трещины от Е до F.

В результате приложения во время контрольного испытания больших нагрузок при вершине трещины возникают остаточные сжимающие напряжения, что приводит к торможению роста трещины (см. гл. X). При проведении контрольного испытания некоторые части конструкции могут оказаться под действием сжимающих напряжений. Если в этих частях имеются трещины, то в их вершинах могут возникнуть остаточные растягивающие напряжения, что может привести к ускорению последующего роста этих трещин.

В настоящее время контрольные проверки применяются редко. Контрольное нагружение следует проводить при определенных условиях. Часто это сопряжено с большими сложностями и значительными расходами. Этот метод можно применять для емкостей высокого давления и для тех частей конструкции, которые можно демонтировать и подвергнуть контрольному испытанию без применения сложного оборудования. Провести контрольное испытание сложной конструкции при сложной системе нагрузок непросто.

При проведении периодической зачистки поверхностный слой конструкции периодически снимают в местах вероятного возникновения трещин. Раковина с почти критическим размером L (рис. 12.1, г) после снятия поверхностного слоя LK уменьшится до размера K. Время, необходимое для распространения трещины на расстояние, равное толщине снимаемого слоя (от K до L), определит необходимый интервал между зачистками. После зачистки можно провести упрочнение поверхности для образования сжимающих напряжений. Периодическая зачистка позволяет разрешить проблему надежности дорогостоящих конструкций, состоящих из элементов с большими сечениями, в случае, когда критический размер трещины чрезвычайно мал. Для выбора зон зачистки необходимо хорошо знать места, предрасположенные к образованию трещин.

Из приведенных рассуждений можно сделать заключение, что существенной частью анализа на надежность является установление межконтрольного интервала или, реже, интервала между контрольными испытаниями или зачистками. Процедура определения этого интервала начинается с определения предельной расчетной нагрузки. После этого вычисляют критический размер раковины и остаточную прочность конструкции для различных размеров трещин. При этом получают диаграмму остаточной прочности. Наконец, следует определить, сколько времени потребуется для того, чтобы размер трещины увеличился от минимального значения, при котором возможно обнаружение трещины, до его критического значения. Эта информация позволяет выбрать межконтрольный интервал. Если эксплуатационные проверки не предусмотрены, то следует установить допустимый размер начальной раковины в конструкциях — такой, чтобы не допустить роста этой раковины до критического размера в течение всего времени эксплуатации.

Если межконтрольный интервал достаточно мал, то конструкцию можно сделать надежной независимо от свойств материала. В тех редких случаях, когда провести проверку очень просто, это возможно, однако с точки зрения экономики интервал между проверками должен быть большим. Обычно межконтрольный интервал определяется не условиями безопасности, а эксплуатационными требованиями. Очевидно, это справедливо и для интервала между контрольными испытаниями, и для интервала между зачистками.

Здесь следует подчеркнуть, что усовершенствование методики проверок является более надежной гарантией безопасности, чем увеличение критической длины трещин. На рис. 12.2, а показано, что удвоение критической длины трещины позволяет сократить межконтрольный интервал (срок службы) меньше чем на 50%. А 50%-ное уменьшение минимального размера трещины, при котором она может быть обнаружена, позволяет почти удвоить этот интервал (срок службы). Аналогично, понизить скорость распространения трещины более важно, чем повысить предел текучести или вязкость разрушения (рис. 12.2, б).

Рис. 12.2. Влияние различных параметров на надежность конструкции:
а - увеличение вязкости разрушения и уменьшение минимального размера трещины, при котором возможно ее обнаружение;
б — уменьшение скорости роста трещины

Длинную трещину обнаружить легче, чем маленькую, однако трещина остается маленькой в течение большего промежутка времени, что повышает вероятность ее обнаружения. Следует подчеркнуть, что конструкцию нельзя считать надежной на том основании, что большие трещины будут обнаружены во время ежедневных поверхностных осмотров. Случайное обнаружение такой трещины позволило бы предотвратить катастрофу, но полагаться на случай при разумном проектировании безопасной конструкции нельзя. Вероятность обнаружения трещины достаточно велика, когда тот, кто ищет трещину, знает, где ее искать. Интервал между проверками необходимо установить даже для «очевидных» трещин.

Теперь возникает вопрос: какую пользу можно извлечь из механики разрушения при решении проблем надежности? Для того чтобы установить порядок проведения проверок, обеспечивающий безопасность, или проверить, обеспечивается ли безопасность на протяжении всего срока службы, необходима информация об остаточной прочности и процессе распространения трещины. Эту информацию можно получить из испытаний, но кое-что можно предсказать и с помощью механики разрушения. С развитием этой отрасли знания методы расчета будут становиться все более и более целесообразными, однако результаты расчета зачастую необходимо подкреплять данными испытаний. При установлении величины контрольной нагрузки или глубины зачистки следует полагаться исключительно на механику разрушения, поскольку провести пригодный в данном случае эксперимент нельзя.