2. OPĆENITO 2.1. Klasa Liberty Kao dio vladinog projekta tijekom 2.svjetskog rata, SAD su počele blokovski graditi teretne brodove kojima bi cijeli trup i oprema bili spojeni zavarima. 2708 brodova klase Liberty je izgrađeno u periodu od 1939 do 1945.godine. U prijevodu, za izgradnju jednog broda bilo je potrebno samo 5 dana! Više od 200 brodova te klase je nepovratno oštećeno ili potopljeno, a 1031 oštećenja ili nezgoda zbog krhkog loma je prijavljeno do 01.travnja 1946.g. od 2708 Liberty brodova, 500 su bili T2 tankeri, od kojih je jedan bio i Schenectady, o kojemu će se voditi riječ u daljnjem kontekstu. Slika Izgrađena serija Liberty brodova Ti teretni brodovi imali su namjenu prijenosa vojne logistike kako bi se osigurala pobjeda SAD-a u Pacifičkom ratu. 19 već postojećih i 18 novoizgrađenih brodogradilišta su bila namijenjena jedino za gradnju Liberty brodova. Zavarena konstrukcija broda omogućavala je izgradnju broda u blokovima, 1
50
Embed
Analiza havarije broda Schenectady s gledišta mehanike loma
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
2. OPĆENITO
2.1. Klasa Liberty
Kao dio vladinog projekta tijekom 2.svjetskog rata, SAD su počele blokovski graditi teretne
brodove kojima bi cijeli trup i oprema bili spojeni zavarima. 2708 brodova klase Liberty je
izgrađeno u periodu od 1939 do 1945.godine. U prijevodu, za izgradnju jednog broda bilo je
potrebno samo 5 dana! Više od 200 brodova te klase je nepovratno oštećeno ili potopljeno, a
1031 oštećenja ili nezgoda zbog krhkog loma je prijavljeno do 01.travnja 1946.g. od 2708
Liberty brodova, 500 su bili T2 tankeri, od kojih je jedan bio i Schenectady, o kojemu će se
voditi riječ u daljnjem kontekstu.
Slika Izgrađena serija Liberty brodova
Ti teretni brodovi imali su namjenu prijenosa vojne logistike kako bi se osigurala pobjeda
SAD-a u Pacifičkom ratu. 19 već postojećih i 18 novoizgrađenih brodogradilišta su bila
namijenjena jedino za gradnju Liberty brodova. Zavarena konstrukcija broda omogućavala je
izgradnju broda u blokovima, čime je znatno ubrzan proces isporuke broda. Ovakva metoda
se u to vrijeme koristila i u Japanu. Istraga o uzrocima nesreća bila je sustavno istraživanje i
ispitivanje strukture i zavara. U privremenom izvješću se dalo do znanja da su nužne
promjene u konstrukciji, koja bi smanjivala koncentracije naprezanja, promjene i poboljšanja
u kvaliteti zavarenih spojeva, te smanjenje zaostalih naprezanja uslijed zavarivanja.
Nesreće brodova klase Liberty aktivirale su i doprinijele razvoju međunarodnog interesa za
razvoj visoko zavarljivog čelika. Masivni porast proizvodnje je bio moguć zbog prelaska s
zakovica na elektrolučno zavarivanje. Brodogradilišta su ustrojena za takvu masovnu
1
proizvodnju, odnosno bila su opremljena novom zavarivačkom opremom za teške čelične
limove i profile.
2.2. Schenectady
Brod Schenectady je jedan od brodova iz klase Liberty, a osnovna oznaka mu je T2 SE-A1
tanker. Dugačak je 152 m, DWT 15 000 t.
Datuma 16.01.1943. je izvršen posljednji pregled pred porinuće u luci u Oregonu; posada je
bila na brodu, brod je bio potpuno pregledan, a balast je bio pumpama dopremljen u
spremnike na krmi i pramcu, kako bi slijedeći dan bio spreman za isplovljavanje. Noć u kojoj
je brod bio još uvijek u cijelosti je bila hladna, do 18°C ispod nule, da bi se temperatura zraka
pred jutro dignula do -3°C. Temperatura mora je bila 4°C. Tada se, bez ikakvog upozorenja,
čula buka, za koju su očevici primijetili da se čula milju daleko! Činjenica je da se nije
dogodila nikakva eksplozija, već se Schenectady prepolovio po širini, iza same konstrukcije
mosta. Pukotina se proširila preko glavne palube po poprečnom presjeku.
Slika Schenectady nakon puknuća duž poprečnog presjeka
Težina spremnika balasta i teških brodskih strojeva i uređaja na pramčanom i krmenom
dijelu broda doprinijeli su ubrzanom razvoju pukotine. Samo je oplata dna ostala netaknuta.
Sa lijeve i desne strane broda vidjeli su se krakovi ''V'' pukotine, a vrh joj je bio 4 metra u
duljini.
2
Slika Nacrt Schenectadyja i oznaka mjesta pukotine
Za iznenadni lom odmah su bili okrivljeni zavareni spojevi, ali glavni inspektor je uvidio da
pukotina ne slijedi spoj već je nekoliko centimetara od njega, što je bio utjecaj velike
koncentracije zaostalih naprezanja.
Čitava serija Liberty brodova je bila oskudno opremljena. Pramac je bio prostran, a krma
kao u kruzera. Bili su opremljeni komandnim mostom te sa osam nepropusnih spremnika
tereta. Konstruirani su tako da barem jednom moraju prevesti teret neoštećen na odredište.
Motor im je imao 2500 KS, a brzina je bila 10-11 čv.
2.2.1. Etape izrade Schenectady-ja
DAN 1. Izrada započinje polaganjem kobilice, paralelno s čim se polažu i čelične trake,
odnosno tanki limovi ''A'', ''B'' i ''C''. Trake se zatim zavaruju, formirajući kompletnu oplatu
dna broda. Montaža krme se sastoji iz krmenog okvira, orebrenja i tunela propelerske osovine,
što se sve tim redoslijedom i zavaruje.
3
DANI 2. I 3. Zavaruju se sekcije unutarnjeg dna zajedno s cjevovodima. Nakon spuštanja
grijača (4) započinje montaža glavnog motora. Poprečne pregrade središnjeg dijela broda (6)
su tada errected, a za njima slijede pregrade prema krmi i pramcu (2). Kada se spuste i polože
unutarnje sekcije pramčanog dijela, nakon toga se orebrenja dubokih tankova (9) i središnja
pregrada iznad kobilice (8) spajaju u cjelinu.
DAN 4. Dodatne pregrade su errected. The stern casting sklopljen s brodskom oplatom i
orebrenjem je errected kao cjelina. Polovica dubokog tanka je errected, kao i dodatna
brodska oplata. Time je završena prva sekcija druge plaube.
4
DAN 5. Za vrijeme trajanja radova na drugoj palubi, završeno je postavljanje poprečnih
pregrada do druge palube. Zatim se dodaju postolja strojeva i uređaja u strojarnici, kao i
pomoćni brodski uređaji s pripadnim cjevovodima.
DAN 7. Dok je druga paluba blizu završetku radova, oplata je postavljena tik iznad druge
palube. Dodaju se i spremnici pitke vode te se oblikuje pramčani dio postavljanjem i
dovršavanjem orebrenja.
DAN 8. Druga paluba je završena, kao i oplata na pramčanom dijelu iznad druge palube.
Mnogo pregrada između druge i viših paluba, kao što su glavna transverza i boiler casing
bulkheads, su errected. Grotla druge palube i temelji grotala za treću palubu su izrezani i
postavljeni.
5
DAN 9. Prve ploče sekcije gornje palube su errected kako se oplata kompletira. Opseg
radova u unutrašnjosti se povećava.
DANI 10. I 11. Oplata broda je kompletirana i svi dijelovi osim jedne sekcije gornje palube
su kompletirani i zatvoreni. Ta jedna sekcija je izostavljena sve dok se pregrade između druge
i gornje palube ne postave na mjesto. Započinje konstrukcija glavnog rebra palubnih kućica.
6
DANI 12. – 14. Gornja paluba je kompletirana. Unutarnje pregrade za sredeišnje palubne
kućice se zavaruju na mjesto. Pramčana paluba također je gotova. Jarbolne kućice i ostale
strukture nadgrađa su također postavljene.
DANI 15. - 19. Nakon postavljenih krmenih palubnih kućica, postavljaju se i zavarujui one
u središnjem dijelu broda. Kormilo i brodski vijak se instaliraju, kao i jarbol i boiler stack te
pramčani gun mount. Većina palubnih uređaja i strojeva je instalirana.
DANI 20. – 27. Brod je opremljen opremom za sidrenje, opremom za spašavanje i ostalom
pomoćnom i dodatnom opremom. Stavljaju se završni slojevi boje i započinje pokusna
plovidba.
7
3. MEHANIKA PRIJELOMA
Nakon vizualnog pregleda uzeti su uzorci iz okoline pukotine te poslani na testiranje.
Zaključak ispitivanja je da je čelik u skladu sa standardima American Bureau of Nacional
8
Standards. Kasnija istraživanja u pokazala da je do iznenadnog puknuća došlo zbog krhkog
loma zbog niskougljičnog čelika, što vuče za sobom mnogobrojne faktore kao što su zaostala
naprezanja, slabo primanje zavara, osjetljivost na utjecaj topline itd. Nesreća je pokazala
važnost udarne žilavosti, a što je označilo rađanje i stvaranje mehanike loma.
3.1. Lomna žilavost
Utemeljitelj mehanike loma je aeronautički inženjer A.A.Griffith i upravo se on bavio
problemom krhkog loma – uzroka i posljedica. Nakon 20 godina njegov rad je premodulirao
G.R.Irwin i njegov tim; činjenice su svedene na naprezanja, a ne na energiju. Njihov rad je
rezultirao novootkrivenim svojstvom materijala – lomnom žilavosti.
Lomna žilavost je svojstvo materijala (s pukotinama) da se odupre lomu, a jedinica je MPa
√m . Drugim riječima, to je kvantitativni način prikaza otpora materijala krhkom lomu uz
prisutnost pukotine. Ako materijal ima veliku vrijednost lomne žilavosti, vjerojatno će podleći
krhkom lomu.
3.1.1. Griffithova teorija loma
Griffithova teorija loma temelji se na pretpostavci da je lomna čvrstoća ograničena
postojanjem pukotine veličine 2a u materijalu.
Slika Pukotina u beskonačnoj ploči opterećena okomito na smjer pukotine
Lomna čvrstoća je naprezanje izraženo u N/mm2 ili MPa, kod kojega je nastupio lom.
9
Za jednostavan slučaj tanke vlačno napregnute pravokutne ploče s pukotinom okomitom na
opterećenje, Griffithova teorija glasi:
G= π σ2 aE
G – modul smičnosti, predstavlja omjer smičnog naprezanja τ i smične deformacije γ
G= τγ/MPa , odnosno
G= E2(1+μ)
/MPa
σ - primijenjeno opterećenje
a – polovina duljine pukotine
E – Youngov modul elastičnosti, predstavlja koeficijent smjera Hooke-ova pravca:
E=σε/MPa
Modul elastičnosti E povezan s Hooke-ovim zakonom može se prikazati teorijom
elastičnosti, odnosno promatranjem kristalnih rešetki čvrstih tijela. U fazi kada ne postoji
10
naprezanje atomi se nalaze na svojim mjestima, u ravnotežnim položajima. Dođe li do pojave
deformacije, taj razmak se smanjuje ili povećava, ovisno o deformaciji. Za male
deformacije ovisnost sile o promjeni udaljenosti r je linearna:
Poput drugih metala i čelik je elastičan, barem dok naprezanje (istezanje/deformacija) ne
prijeđe granicu elastičnosti nakon koje deformacije materijala postaju trajne.
Energija deformacije se može definirati i kao stupanj djelovanja kod kojeg je energija
apsorbirana razvojem pukotine.
11
Slika Griffith je u svom radu prepoznao makroskopsku potencijalnu energiju sustava koji se sastoji
od unutarnje pohranjene elastične energije i vanjske potencijalne energije kod primijenjenog
opterećenja, koje ovise o promjeni veličine pukotine. Shvatio je da je lom povezan s potrošnjom
energije: U=U 0−U a+U γ, gdje je U -ukupna potencijalna energija sustava, U 0-energija
deformiranja ploče prije stvaranja pukotine, U a-gubitak energije nastao relaksacijom naprezanja
zbog stvaranja pukotine, U γ- porast energije ploče nastao stvaranjem površinske napetosti na novim
slobodnim plohama.
Također imamo formulu:
GC=σ f
2 aE
Ako vrijedi da je G ≥GC , to je kriterij za širenje pukotine.
Kritično naprezanje za stvaranje pukotine je σ C=(2Eγ 0
πa)
12 /MPa , a do kojeg smo došli
preko slijedećih formula:
W e=π ∙σ2∙a2
E We – elastična distorzijska energija
σ - vlačno naprezanje
a – polovica duljine pukotine
E – Youngov modul
W p=4 ∙ a ∙ γ 0 Wp – energija za stvaranje nove površine loma
12
γ 0−površinska energija.
Griffith je dao i kriterij za proširenje pukotine:
d W e
da=
d W p
da
Uvrstimo li gornje formule u tu, dobijemo formulu za kritično naprezanje, dok je kritična
duljina pukotine:
aC=2 Eγ0
πσ2 ,
koja vrijedi za iznimno krhke materijale, što je eksperimentalno određeno. Za materijale veće
žilavosti je relativno ograničena.
3.1.2. Irwinova modificirana teorija loma
Irwinova teorija temelji se na pretpostavci plastične zone na vrhu pukotine, i time je proširio
Griffithovu teoriju i na duktilne materijale. On je ustvrdio da postoji određena energija iz
plastične deformacije koja se mora dodati energiji naprezanja kako bi se održala Griffithova
teorija.
U duktilnim materijalima, pa čak i nekim krhkim, plastična zona se razvija na vrhu
pukotine. Kako se opterećenje na materijal povećava, područje plastične zone se također
povećava sve dok pukotina ne naraste, a materijal oko nje ne popusti.
Slika Plastična zona oko vrha pukotine u duktilnom materijalu
13
Slika Komponente naprezanja u Irwinovoj analizi
Slijedeće formule se odnose na pojmove o energiji koje je koristio Griffith:
K I=σ √ πa KC=√E GC za ravninsku deformaciju;
KC=√ E GC
1−ϑ 2 za ravninsko naprezanje.
KI – intenzitet naprezanja
KC – lomna žilavost
ϑ – Poissonov koeficijent.
Važno je napomenuti da koeficijent KC ima različite vrijednosti kada se mjeri pod ravninskom
deformacijom i pod ravninskim naprezanjem.
Pukotina se javlja kada vrijedi:
K I ≥ KC
U oznaci KI i KC indeksi predstavljaju načine djelovanja opterećenja na materijal koji
omogućuju nastanak pukotine. U skladu s tim, postoje tri osnovna načina djelovanja sile koja
uzrokuje nastanak i napredovanje pukotina:
Mod (način) I – odcjepni tip, otvaranje ravnina – normalno vlačno naprezanje djeluje na
ravninu pukotine, površine loma se odvajaju jedna od druge;
14
Naprezanja: σ x=K I
√2 πrcos
θ2 [1−sin
θ2
sin 3θ2 ]
σ y=K I
√2 πrcos
θ2 [1+sin
θ2
sin 3θ2 ]
τ xy=K I
√2πrcos
θ2
sinθ2
cos3θ2
σ z=0
Mod (način) II – smični tip, uzdužno smicanje – posmično naprezanje djeluje paralelno s
kristalna rešetka (Fe, Cr, Mo, W...) postiže određeni prijelaz iz duktilnog u krhko stanje u
određenom temperaturnom području.
26
Slika Dijagram naprezanja i temperature za nastajanje i razvoj pukotina
Dijagram prikazuje da kako se temperatura spušta (krivulja A), yield strenght se povećava.
Povećanje vlačne čvrstoće je manje od povećanja u yield point. Na nešto nižoj temperaturi
(10°F za ugljične čelike), yield strenght i vlačna čvrstoća se podudaraju (NDT temperatura).
Na toj i nižim temperaturama nastaje krhki lom.
27
5.2. Statičko opterećenje
Sve do kraja 2. svjetskog rata brodovi za prijevoz suhog tereta su obično bili
nespecijalizirani. Prenosili su opći teret u bilo kakvom obliku i ukrcavali su ga i iskrcavali s
vlastitom opremom, što je rezultiralo naknadnim prevelikim koncentracijama naprezanja na
nepotrebnim mjestima, s tim vezano i mogućim nastankom pukotina, odnosno loma.
Opterećenja se tradicionalno promatraju kao opterećenja na mirnoj vodi i opterećenja na
valovima. Lokalna statička opterećenja broda na mirnoj vodi se promatraju kao vanjski
hidrostatički tlakovi mora na podvodni, uronjeni dio brodskog trupa i kao unutarnje sile i
tlakovi uslijed vlastite težine, ukrcanog tereta i zaliha. Kod loma Schenectady-ja utjecaj su
imala i vanjska i unutarnja opterećenja.
28
Slika Lokalna opterećenja i deformacije brodskog okvira
Uzevši u obzir Arhimedov zakon koji kaže da tijelo uronjeno u tekućinu izgubi na težini
onoliko koliko teži tim tijelom istisnuta tekućina, slobodno se može izvesti da na uronjeno
tijelo (brod) djeluje statičko opterećenje na donji i dijelom bočni dio trupa. Svi tlakovi djeluju
okomito na površinu.
29
Na slici je za proračun uzet mali stupac s osnovicom d f=dx ∙ dy, odnosno tlak na tom stupcu
je jednak visini stupca vode pomnoženim s površinom osnovice ovog stupca. Čitav tlak je
suma svih tih malih pojedinačnih tlakova i glasi:
A=∫ pdxdy=∫ z ∙ γ ∙ dxdy=γ∫ zdxdy
Uvrstimo li:
z=h i df=dxdy,
dobijemo:
∫ hdf =V (volumen broda), odnosno A=γ ∙ V
i to je Arhimedov zakon.
Kod Schenectadyja je velikih naprezanja bilo na poprečnom dijelu broda, što je čest slučaj i
kod današnjih brodova – poprečne pregrade i okvirna rebra. Također se ne smije umanjiti i
utjecaj tereta u tankovima gdje je brod najviše opterećen.
Slika Jednostruko dno kod tankera stare izvedbe
Dopuštena naprezanja pri statičkom opterećenju za krhke materijale glase:
σ dop=Rm
ϑ
gdje se faktor sigurnosti ν usvaja u granicama: n= 1,5... 2,5 (... 4), dok dopuštena naprezanja
pri statičkom opterećenju glase:
30
Slika Opterećenje dna broda uslijed težine tereta
Povećane koncentracije naprezanja najviše nastaju na konkretnim mjestima:
Spojevi poprečnih okvira i uzdužnjaka;
Krajevi koljena;
Spojevi s ukrepama ili ostalim sekundarnim elementima konstrukcije;
Uzdužnjaci boka.
Granična izdržljivost broda je najmanja čvrstoća brodskog trupa čije premašivanje
uslijed povećanja opterećenja dovodi do sloma. Teorija elastičnosti ne daje odgovora o
konačnom slomu brodskog trupa, nego samo o mogućem početku plastičnih deformacija
na najnapregnutijim dijelovima trupa. Početne plastične deformacije su uvod u formiranje
plastičnog zgloba prije konačnog sloma trupa.
31
Slika Glavni načini loma čeličnih strukturnih elemenata prikazuju se na osnovi ovisnosti opterećenja q i defleksije δ za lokalne plastične deformacije (1), izvijanje nosača (2) i izvijanje
opločenja (3)
32
5.3. Pogreške u zavarenim konstrukcijama
Svaki tehnološki proces nosi stalnu opasnost od nastajanja određenih grešaka. Pod greškama
se smatraju one indikacije koje prelaze kriterije prihvatljivosti za pojedine tipove grešaka. S
obzirom na brojnost utjecajnih čimbenika na kvalitetu zavarenih spojeva, na tu je opasnost
potrebno posebno obratiti pozornost pri izradi zavarene konstrukcije. Prema HRN EN 26520
postoje podjele grešaka u zavarenim spojevima:
Prema uzroku: konstrukcijske greške, metalurške greške, tehnološke greške
Prema vrsti: uključci (plinski i u čvrstom stanju), naljepljivanje, nedostatak provara,
pukotine, greške oblika i dimenzija
Prema položaju: greške duž cijelog presjeka, površinske greške, podpovršinske
greške i unutrašnje greške
Prema obliku: ravninske greške (zanemaruje se treća dimenzija greške), prostorne
greške (uzimaju se u obzir sve tri dimenzije greške), oštre greške (izraženo zarezno