Előszó

Minden történelmi korszak fejlődésének megvan a maga hajtóereje. Míg a XIX. században a tudomány előrehaladását egyértelműen a vasúti közlekedés robbanásszerű elterjedése hatotta át (évente átlagosan 10.000 km hosszúságban építettek új vasútvonalakat), addig jelen korunkban a mikroelektronika adta lehetőségek szőtték át a mindennapjainkat, így a műszaki életünket is, szolgáltatva annak fejlődéséhez szükséges hajtóerőt. E két periódus fejlődésének sajátosságai természetesen megmutatkoztak a társadalmi struktúra formálódásában is. Az elmúlt században kialakult a nagyüzemi munkásság, megvalósult a tőke koncentrációja és létrejött a reál - dominánsan a műszaki - tudomány művelőinek népes tábora. Ez utóbbiak kivívták maguknak a széles társadalmi elismertséget, hisz tevékenységük közvetlenül hozzájárult a társadalom látható fejlődéséhez. Napjaink sajátossága az információs társadalom kialakulása, amelyben a mikroelektronikai elemek fejlődése átszövi a mindennapi életünk, tevékenységünk lehetőségeit. A műszaki életben ez többek között a számítástechnika robbanásszerű elterjedését, a diagnosztikai vizsgálatok eszközparkjának átalakulását, az anyagok viselkedésének, tulajdonságainak mélyebb megismerését szolgáló anyagvizsgálati módszerek, eszközök létrejöttét eredményezte. A fejlődés ütemét jól tükrözi az, hogy mindez az utóbbi 20 évben következett be (pl. a számítógépek mikroprocesszorainak műveleti sebessége 1978-1998 periódusban 3 nagyságrendet változott!).

A nagy értékű műszaki létesítményeket, szerkezeteket (hidakat, erőműveket, gázolajfeldolgozó rendszereket, vegyipari üzemeket, tranzit energiaszállító vezetékeket, repülőgépeket, hajókat, stb.) 15-50 éves üzemeltetésre tervezik az adott periódusban érvényben levő szabványok, műszaki irányelvek figyelembevételével. Ezekben pedig az azt megelőző néhány év ismeretszintje, technológiai színvonala testesedik meg. A mikroelektronika által diktált fejlődési ütem lehetővé teszi azt, hogy a nagy értékű szerkezetek, létesítmények üzemeltethetőségi feltételeit, maradék élettartamát egyre nagyobb megbízhatósággal becsüljük, azaz integritását egyre kisebb kockázattal ítéljük meg.

Az előzőkből adódóan kialakult egy új, diszciplína, a "szerkezetek integritása", vagy "szerkezetintegritás" fogalma és létrejött intézményrendszere szerte a világon. A döntően mérnöki ismereteket integráló tudományterület feladata annak eldöntése, hogy egy adott szerkezet, létesítmény milyen feltételek mellett üzemeltethető a továbbiakban, ill. mennyi a maradék élettartama és ez milyen módon menedzselhető. Ahhoz, hogy a szerkezet állapotát a lehető legnagyobb biztonsággal felmérhessük - ebből adódóan a további üzemeltethetőség feltételeit a legkisebb kockázattal megbecsüljük - elengedhetetlen az, hogy

- diagnosztikai vizsgálatokkal, felmérjük a szerkezet állapotát,
- tisztázzuk a valóságos üzemi körülményekre jellemző mechanikai állapotot,
- megítéljük a beépített anyagok károsodásának folyamatát és mértékét az adott üzemeltetési feltételek mellett.

Nyilvánvaló egyrészt az, hogy az előzőkben említett három fő terület (méréstechnika - mechanika - anyag) egyforma jelentőséggel bír a szerkezet integritásának megítélésében és bármelyik terület elhanyagolása, súlyának csökkentése hibás döntéshez, esetleg katasztrófákhoz vezethet: Nyilvánvaló másrészt az, hogy minden műszaki döntésben, így az üzemeltethetőség feltételeinek megítélésében is, bizonyos kockázat rejlik, hisz a tudomány adott szintjét hasznosítjuk és a rendelkezésre álló eszközpark maga is az adott kor színvonalát képviseli. Ebből adódóan mérlegelni kell az esetleges hibás döntés műszaki, jogi, közgazdasági és környezetvédelmi következményeit. Ezek együttes figyelembevételével viszont már kialakíthatók az ésszerű kockázatvállalás feltételei.

A szerkezetintegritás tehát egy igen komplex terület. Akik ezt művelik azoknak képesnek kell lenniük arra, hogy az üzemeltehetőséggel kapcsolatos problémákat teljes körűen átlássák, kiemeljék a meghatározó paramétereket, kérdéscsoportokat és alkalmasak legyenek arra, hogy az érintett tudományterületek szakembereivel érdemben szakmailag konzultálni tudjanak.

A szerkezetek integritásának, reális állapotának, maradék élettartamának megítélése mind az üzemeltetők, mind pedig a biztosítótársaságok alapvető érdeke. Az üzemeltető szempontjából a tudatos tervezés, fejlesztés megkerülhetetlen sarokpontja az üzemben levő készülékek műszaki állapota, biztonsága; a szükséges biztosítás tekintetében pedig az ésszerű kockázatvállalás, biztosítási összeg alapeleme a reális állapot ismerete. Ezek jelentőségét mérlegelve támogatta az Európai Unió a TEMPUS program keretében a "Teaching and Education in Structural Integrity in Hungary" címmel összeállított pályázatot, amelynek fő célkitűzése ezen új diszciplína meghonosításán kívül egyrészt a szerkezetintegritás oktatási anyagainak kidolgozása, másrészt a Szerkezetintegritás - Biztosítási Mérnök Szakmérnöki Szak beindítása. A négy hazai intézmény - Miskolci Egyetem, Budapesti Műszaki Egyetem, Kossuth Lajos Tudományegyetem Műszaki Kara és a Széchenyi István Műszaki Főiskola szakembereinek bevonásával elérendő célok megvalósítását nagyban segítették a következő külföldi partnereink:

- Prof. T. Varga, Bécsi Műszaki Egyetem
- Prof. H. P. Rossmanith, Bécsi Műszaki Egyetem, e füzet társszerzője
- Dr. J. Blauel, Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik
- Prof. S. Reale, Universitá Degli Studi di Firenze
- Prof. G. Pluvinage, University of Metz
- Dr. S. Crutzen, Joint Research Centre, European Commission

Miskolc, 1999. június 15.

Tóth László
egyetemi tanár
a projekt koordinátora

Bevezetés

A berendezések, szerkezetek, gépalkatrészek jelentős részét ma is folyáshatárra méretezik. Az anyag és energiatakarékosság, a szerkezetekkel szemben támasztott egyre növekvő követelmények arra késztetik a tervezőket és gyártókat, hogy az észszerű kockázat vállaláson belül növeljék a terhelhetőséget. Más megfogalmazásban ez azt jelenti, hogy csökkentik a biztonsági tényező értékét, amely a tervezés, a gyártás és az üzemeltetés során jelentkező, és a tervezéskor figyelembe nem vehető kedvezőtlen hatások ellensúlyozását szolgálja. Ennek érzékeltetésére tekintsük át az egyes területeken jelentkező problémákat.

A tervezéskor bizonytalanságot jelent a szerkezet tényleges mechanikai állapota és a számításhoz felhasznált modell közötti eltérés. Ez a hiba egyszerű szerkezeti kialakítások esetében nem jelentős, de a bonyolultabb részek, keresztmetszet változások, elágazások, nyomástartó edények csőcsonkjai esetében, stb. már számottevő; a ma használatos alak- és formatényezőkkel csak pontatlanul közelíthető.

A feszültségi és alakváltozási állapot tisztázatlanságán kívül bizonytalanságot jelent az anyag, ill. a használatos anyagjellemzők pontos ismeretének hiánya. Általánosan használt az anyagminőséghez kötődő legkisebb folyáshatár alkalmazása, amelynél a beépített anyag folyáshatára általában nagyobb. Ugyanakkor ez a megközelítés nem veszi figyelembe a ma még szükségszerűen meglevő, megengedett anyagfolytonossági hibákat.

A tervezéskor nem, vagy csak korlátozottan lehet figyelembe venni bizonyos, gyártás közben jelentkező hatásokat. Nevezetesen a technológiai művelet közben keletkező, de még megengedhető hibákat, pl. hegesztett kötések hibái, ill. a megmunkálás következtében létrejövő maradó feszültségeket.

A normál üzemeltetés során is adódnak olyan járulékos terhelések, amelyek a tervezéskor fel sem merültek, ill. vannak olyanok, amelyek a tervező számára ismertek, de számszerűsítésük nehézkes és így nehezen vehetők figyelembe. Példaként említhetők a hőmérsékletváltozásokból, a széllökésekből, az indítási és leállási folyamatok tranziens hatásaiból, stb. származó járulékos terhelések.

Az előzők alapján egyértelmű, hogy a folyáshatárra végzett helyes méretezés mellett is számolni kell a szerkezeti elemek, alkatrészek egyes helyeinek túlterhelésével, amelyek a szívós anyagok képlékeny alakváltozását okozzák. Ez a hatás egyszeri, statikus terhelés esetén a feszültségcsúcsok leépülését, a feszültségek átrendeződését, és ezeken keresztül a teherbíró-képesség növekedését eredményezheti. Ezt a lehetséges kedvező hatást a mai konstruktőrök tudatosan ki is használják. Abban az esetben, ha a kedvezőtlen hatások többször ismétlődnek, a feszültséggyűjtő helyeken a képlékeny alakváltozások is ismétlődnek, ami végül is viszonylag kis számú igénybevétel után repedések kialakulásához, majd töréshez vezethet. Ezért kell foglalkozni a folyáshatár körüli ismétlődő igénybevétellel terhelt szerkezeti elemek, alkatrészek méretezési, ellenőrzési kérdéseivel is.

Jelen "A törésmechanika és az anyagvizsgálat története" c. füzet igyekszik támpontokat adni annak megismeréséhez, hogy miképpen alakultak ki a mai ismereteink a mechanika, anyagvizsgálat területén és ebben milyen szerepet játszottak a közép-európai szakemberek. Bölcs elődeink joggal szokták emlegetni, hogy aki a múltat nem ismeri, nem értheti meg igazán a jelent és esélye sincs a jövő tudatos formálására. Kissé finomabban fogalmazva úgy is mondhatjuk, hogy "nézz a múltba és meglátod a jövőt!" Most, a XXI. század küszöbén ha visszatekintünk leegyszerűsítve azt mondhatjuk, hogy a XIX. évszázad a mérnökök százada, a XX. a fizikusoké volt, ha pedig előretekintünk, akkor nyugodtan mondhatjuk, hogy a XXI. század meghatározó tudományterülete a biológia lesz. E fejlődési tendencia teljes mértékben összhangban van azzal, hogy a természet megismerésének "méret-skáláján" egyre a kisebb és kisebb méretek felé, az egyre bonyolultabb és bonyolultabb rendszerek irányába haladunk. Így a mérnökök magával a mérnöki szerkezetek, alkatrészek tervezésével foglalkoztak, amelyek mérete a néhány mm-től a néhány száz méterig terjedt, a fizikusok már az atomi skáláig törekedtek a jelenségek megismerésére, a biológusok az élővilágban lejátszódó folyamatok törvényszerűségeinek megismerését tűzték ki célul. Ehhez természetesen egyre kisebb és kisebb méretű érzékelőkre van szükség, hisz a megismerés folyamatát (az érzékelés - elvont gondolkozással prognosztizálás, elmélet felállítása - az elmélet által prognosztizált események, jelenségek kísérleti ellenőrzése) döntően meghatározzák a rendelkezésre álló érzékelési lehetőségek.

Minden társadalmi kor fejlődésének meg volt és meg lesz a maga hajtóereje, azaz az a terület, amelynek hatása döntően kisugárzódik az adott kor gazdasági-társadalmi jelenségeinek formálódására. Ennek megfelelően az ipari forradalom megindulásától, az 1800-as évek elejétől kissé önkényesen a gőzgép, a gépkocsi, a repülés, a távközlés és informatika, információtechnológia korszakairól beszélhetünk. Ha meggondoljuk e felsoroltak mindegyike olyan címszó, amelyhez kapcsolódó tevékenységek át-, meg átszőtték a gazdasági és társadalmi élet minden területét.

A mérnöki tudományok kialakulása, jelentőségének társadalmi tudatosodása és a különböző tudományterületeinek igen rohamos fejlődése az ipari forradalom kezdetéhez köthető. Ezt a periódust joggal nevezhetjük a "gőzgép korának" hisz feltalálása és széleskörű bevezetése forradalmasította a közlekedés minden ágát (vasúti és vízi), megteremtette a nagyüzemi gyártás erőforrás feltételeit (a korábban elképzelhetetlen teljesítményű hajtóműveket), létrehozva ezzel új gyártási kultúrát és ennek mindenfajta társadalmi vetületét, vonzatát is (bérmunkás, mérnök, stb.). E kor fejlődésének ütemét jellemezze csupán egyetlen adat: az 1825-ben megindult vasúti közlekedés a századforduló idején már 800.000 km hosszúságú sínpályán folytatódott. Ez azt jelenti, hogy évente több mint 10.000 km (!) hosszúságban nőtt a vasútvonalak összes hossza. Gondoljuk meg ennek anyag és munkaerő igényét! Jelen füzet e kor alaposabb megismeréséhez kíván adalékokkal szolgálni.

Mint minden új kezdeményezésnek, e füzetnek is nyilvánvalóan meglesznek a maga hiányosságai és a jövőben számos területen kiegészítésre, szorul. Ezt nagyban segítené az, ha a Tisztelt Olvasók észrevételeiket, javaslataikat a szerzőknek vagy a projekt vezetőjének eljuttatnák. A TEMPUS program nyújtatta támogatás lehető legjobb kihasználása érdekében az elkészült tananyagokat INTERNET-en is közreadjuk (http://www.bzlogi.hu/tempus.html) annak érdekében, hogy a szerkezetintegritás diszciplínája hazánkban minél gyorsabban és minél szélesebb körben elfogadásra és elterjedésre találjon.

Tóth László
Peter Rossmanith