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創作獨白

氣爆、空難,管線與裂縫

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高雄氣爆事件,以及飛機空難,這類工程事故或許可以歸結到一些最常見的工程問題, 也就是失效(failure),以及疲勞(fatigue)。原本,工程設計的首要目標,就是避免「失效」: 希望結構體可以依預期而運作,直到結構壽命終了為止。然而,如果管線因為金屬疲勞等原因,而產生裂縫,裂縫不斷擴大,到結構難以支撐,最嚴重的會造成斷裂,這就是工程的失敗或失效,也是工程設計上竭力要避免的情況。高雄氣爆,應是和管線洩漏有關,而裂縫(crack)的產生,通常是工程意外的開始。

還有,環境也是決定結構安全的重要因素。你無法建一座和以往成功經驗一模一樣的橋,在同一個地方,因為即使地點不變,時間、土質、天候都會不同。因此即使是最保守的設計師,完全師法過去安全的設計,也難以完全避免意外發生。這說明了為什麼工程意外的機率要降到0是如此困難的原因。這是被譽為「科技桂冠詩人」的Henry Petroski所著的《工程、設計與人性》(To Engineer Is Human)這本書告訴我們的事。這本書就是環繞著工程失效、結構體、疲勞失效的問題,以及工程師如何與天為敵、設法克服環境與大自然的限制,設計出以前不存在的東西的努力。每當發生工程意外,或許就凸顯了這本書的重要性,但願工程師們、設計者、管理者能夠記取史上的災難教訓,繼續前進。

裂縫問題,可參考這本書的第10章「當裂縫造成突破」及第11章「公車骨架與刀身」;飛機的結構失效問題,可參考第14章的「鑑識工程與工程小說」。以下摘錄第10章「當裂縫造成突破」的部分內容:一般認為,包括鐘、橋梁、飛機,還有其他常見的科技產物,有50%到90%的結構失效都是由於裂痕擴大所引起。而在大多數狀況下,裂痕都是慢慢擴大的。唯有當裂痕大小達到結構所無法承受的地步,但仍無人察覺時,災難才會發生。因此,裂痕本身未必是災難的原因,而負責任的工程設計會事先考慮到,在設計的物品上會出現裂痕,或其他材料、做工的瑕疵。在整個產品使用期間,這些瑕疵對於結構的影響,都應該在設計當中加以計算,而工程師則可以提醒結構體的業主與操作者,要隨時謹防日益擴大的裂痕,因為計算也可能有誤差。

好幾個世紀以來,大裂痕自發地以接近音速的速度貫穿結構體的「脆性斷裂」(brittle fracture),一直是個揮之不去的問題。而導致鋼鐵斷裂的「脆性斷裂」,則是船身瓦解、壓力槽爆裂,或是橋梁坍塌的前奏。在災難發生前,幾乎總是有「醞釀期」,這時裂痕會在疲勞的過程中,逐漸變得更長、更嚴重。卡爾.奧斯古(Carl Osgood)在專書《疲勞設計》(Fatigue Design)中,甚至大膽斷言:「由於自然力不斷在運作,每個物體都必須以某種方式回應,而一切機械與結構設計的問題都出在疲勞上。」

在金屬微結構上,雖然有包括精心假設的例外,或是「差排」(dislocations)等等好幾種冶金理論,來解釋漸進式疲勞損壞的機制,但沒有一種解釋令人完全滿意。然而,就在冶金學家彼此討論,某塊金屬究竟是如何斷裂的精確細節時,卻不斷有人要求工程師,設計出縱使承受極度震動,還有其他種種負荷,也不會斷裂的機器與結構體。因此,工程師為了能預測裂痕擴大的速度,還有它們能擴大到什麼程度而不導致失效,都必須發展出實務方法。通常也是透過這些考量,來設定結構體預計有效使用的期限。

數十年來,結構工程師們一直認為,疲勞過程實質上是由兩個階段構成的。在第一個階段中,細微的裂痕會在「成核點」(nucleation sites),也就是材料弱點或應力集中點產生,而在機件或結構體的整個使用期限裏,這個階段便可能佔了一半之多。隨著負載周而復始,這些裂痕也逐漸產生,而若干裂痕「合縱連橫」,形成顯著而粗大的疲勞裂痕。接著在第二個階段中,隨著負載循環持續,這裂痕也加速擴大。要是裂痕因承受的負荷而變得太大,弱化的結構體可能就再也承受不了。這時候,即使其負荷量還在設計的範圍內,裂痕卻會壓垮了最後一道防線。

冶金學家往往憑經驗學會,如何製作成核點盡可能少,而抗裂痕擴大力盡可能強的合金。而工程師則學會加強接頭,以降低局部負荷量,同時使用具有高抗裂力,並不會產生脆性斷裂的材料。不過,由於無論是冶金學家或工程師,都只是根據以往有限的經驗,去預測在未來不確定的環境下,前所未見的新材料經使用與濫用時會有什麼樣的行為,因此,金屬疲勞的問題依舊存在。而在新設計中,即使與經驗只有些微的差異,也可能造成意外的後果。

而了解疲勞現象和加以預防,是截然不同的兩件事。有關裂痕產生的假設,是在實驗室中理想、受控制的狀態下測試的。為了盡量提供完美的表面,你可以精心按既定的尺寸製作試樣,而載重狀態也能仔細地加以規定並監控。由於在這種狀況下,試驗結果是可以重複的,因此代表重複載重或重複應力的平滑曲線(工程師通常以字母S標示),還有相對的疲勞失效周期數(以字母N標示),都能輕易做出來。而這些S-N曲線所呈現的,正是每種材料的行為特性。當然,隨著應力降低,失效周期數便會增加,也就是結構體的「壽命」便會拉長。此外,要是負載量降到某個門檻值以下,無論歷經多少次負載周期,你都不會觀察到失效。

這樣一來,理論上便能夠避免疲勞,但若是為了確保最高應力絕不會超過門檻值,而去設計超安全的結構體,那是不實際的。用那種方式設計的飛機可能太重,以致飛不起來;即使它飛得起來,製造對手不久也會設計出能以較低成本建造、銷售並營運的更輕機型。而在最佳設計中,疲勞與裂痕雖然必定會變本加厲,但其速度之緩慢,早在裂痕形成任何安全問題前,這個結構已可以退役了。然而這種最佳設計,構想容易做起來難。文/經濟新潮社總編輯林博華

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