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油氣管道的脆性斷裂

  
評論: 更新日期:2015年03月12日

?? 國外工業(yè)發(fā)達的國家,由于管道工作者對脆性斷裂已經(jīng)有了較為深刻的認識,選材時,對管材提出恰當?shù)募夹g(shù)要求和采取了一些其它技術(shù)措施,再加上由于冶金工業(yè)的進步,管材可以滿足管道工作者提出的技術(shù)要求,故十多年來,脆性斷裂事故已減到很少了。我國管道工業(yè)發(fā)展得較晚,大多數(shù)管道工作者對管道的斷裂力學分析還所知不多, 故而七十年代以后,還發(fā)生過多起管道脆性斷裂事故。如果我們不掌握這些知識,就會重復國外管道工業(yè)發(fā)達國家早期出現(xiàn)的管道脆性斷裂事故。

??? 一、脆性斷裂特征及止裂速度判據(jù)

  (一)管材的沖擊韌性與溫度的關(guān)系
  見圖2-5-1,該圖為某廠X60鋼管夏氏沖擊能和斷口的剪切面積與溫度的關(guān)系。
  由圖2-5-1(a)看出,在某一溫度(在圖中約為-40℃)以上材料的夏比沖擊能(Charpy V Energy)基本上是不變的,但低于此溫度時,沖擊能迅速下降,這一由韌性開始向脆性轉(zhuǎn)變的溫度稱為管材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,或簡稱為轉(zhuǎn)變溫度。當溫度達到轉(zhuǎn)變溫度以后,繼續(xù)下降時,沖擊能繼續(xù)降低,至某一值時,沖擊能又大體保持衡定了,由圖看出,此時沖擊能已很低了。
  從沖擊試驗的試樣的斷口看,由兩部分組成,一為解理斷裂部分(cleaVage region) 另一為剪切斷裂部分(shear region)。斷面對于斷裂的阻力幾乎全部是由剪切斷面提供的,所以剪切面積在整個斷面上所占的百分比越大,則材料對斷裂的阻力越大(剪切面積英文稱為:Shear Area,簡寫為S.A,下同),亦即沖擊能越大。請參看圖(b),由圖看出,在轉(zhuǎn)變溫度以上時(圖中約為-40℃)剪切面積為100%,隨著溫度下降S.A逐漸減小,至S.A%=0時,則全部斷口均為解理斷口,此時夏比沖擊能接近于零。
  剪切斷面一般為斜斷口,表苗暗淡,呈纖維狀,解理斷面一般為平斷口,表面有光亮晶粒狀物,二者是很容易由形狀上區(qū)分的。為了便于工作,在工程上常用斷口上剪切面積百分比的值來定義轉(zhuǎn)變溫度,這種轉(zhuǎn)變溫度又稱為斷裂形貌轉(zhuǎn)變溫度(Fracture Appearance Transition Temperature縮寫為FATT,下同)。
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圖2-5-1 某廠X60管材夏氏沖擊能、斷口剪切面積與溫度的關(guān)系

  FATT可分為三種:一種以DWTT試驗為依據(jù),它用其剪切面積為85%時所對應的溫度為轉(zhuǎn)變溫度,這種用得最多;另一種是以charpy V試驗為依據(jù)的;還有一種以全尺寸爆破試驗為依據(jù),其轉(zhuǎn)變溫度對應的S.A亦均為85%。
  我國現(xiàn)有油、氣管線所用的鋼材多為由日本進口的X52鋼,牌號為TS-52K,新建的一些管線試用了我國武鋼生產(chǎn)的WH-X60鋼材,也有用西德WG-X60鋼材的,現(xiàn)將這三種鋼材的性能列于表2-5-1,表2-5-2。
  DWTT(Drop-Weight Tear Test),可譯為落錘試驗,在我國應用較少。至1983年,全國只有有限的幾個單位可做。DWTT試驗應按API RP5L3進行,其特點為,取樣后冷壓平,加工成標準落錘試樣,其試樣厚度就是管子的厚度,一般認為這樣更能反應鋼管的實際。
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表2-5-1 三個鋼種的FATT和上平臺能
夏比沖擊S.A%
FATT,℃
上平臺能(J)
鋼種
20%S.A
50%S.A
85%S.A
WG-X60
-68
-60
-53
67
TS-52K
-107
-98
-90
39
WH-X60
-83
-60
-49
48
表2-5-2 三個鋼種的FATT
夏比沖擊S.A%
FATT,℃
鋼種
20%S.A
50%S.A
85%S.A
WG-X60
-48
-42
-38
TS-52K
-85
-81
-76
WH-X60
-66
-57
-49

  夏比沖擊試驗在我國已普遍采用,它的缺點是取樣后,需把拱形刨平成標準的厚度(全尺寸Charpy V厚度為10mm,2/3Charpy V厚度為6.7mm,1/2Charpy V厚度為5mm), 這樣往往就不能反映鋼管的實際。夏比沖擊試驗優(yōu)點是,不僅能由斷口測出S.A%,還可測出具體的沖擊能,而DWTT一般卻只能由斷口測出S.A%。
  對于脆性斷裂均以DWTT試驗為準。
  Battelle Memorial Iastitute(簡稱BMI,下同)在這方面作了大量的工作,圖2-5-2 為他們用同一種鋼管做了2/3Charpy V,DWTT,及全尺寸爆破試驗的韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線,由圖可以看出,DWTT曲線與全尺寸爆破試驗十分接近,而韌脆轉(zhuǎn)變溫度幾乎完全一致,均為75°F(23.9℃)。再看2/3Charpy V的曲線,看出該曲線與全尺寸曲線相距甚遠。之所以會有這種現(xiàn)象,是因為正如前面所述,Charpy V試樣要求標準厚度,因而它只能反映管材的材質(zhì)情況,它反映不了管材的幾何尺寸(厚度)的情況,而厚度卻是有影響的,通常厚度越大,轉(zhuǎn)變溫度越高。為說明這一情況,用3/8,1/2,3/4英寸三種厚度的鋼管作了試驗,見圖2-5-3。
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圖2-5-2 DWTT,Charpy V、全尺寸試驗的S.A%與溫度的對應曲線
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圖2-5-3 厚度對轉(zhuǎn)變溫度的影響

 

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