油气管道的脆性断裂Word文件下载.docx

1、另一种是以charpyV试验为依据的；还有一种以全尺寸爆破试验为依据，其转变温度对应的SA亦均为85。我国现有油、气管线所用的钢材多为由日本进口的X52钢，牌号为TS-52K，新建的一些管线试用了我国武钢生产的WH-X60钢材，也有用西德WG-X60钢材的，现将这三种钢材的性能列于表2-5-1，表2-5-2。DWTT（Drop-WeightTearTest），可译为落锤试验，在我国应用较少。至1983年，全国只有有限的几个单位可做。DWTT试验应按APIRP5L3进行，其特点为，取样后冷压平，加工成标准落锤试样，其试样厚度就是管子的厚度，一般认为这样更能反应钢管的实际。表2-5-1三个钢种的F

2、ATT和上平台能夏比冲击SAFATT，上平台能（J）钢种20SA50SA85SAWG-X60-68-60-5367TS-52K-107-98-9039WH-X60-83-4948表2-5-2三个钢种的FATT-48-42-38-85-81-76-66-57夏比冲击试验在我国已普遍采用，它的缺点是取样后，需把拱形刨平成标准的厚度（全尺寸CharpyV厚度为10mm，23CharpyV厚度为67mm，12CharpyV厚度为5mm），这样往往就不能反映钢管的实际。夏比冲击试验优点是，不仅能由断口测出SA，还可测出具体的冲击能，而DWTT一般却只能由断口测出SA。对于脆性断裂均以DWTT试验为准。B

3、attelleMemorialIastitute（简称BMI，下同）在这方面作了大量的工作，图2-5-2为他们用同一种钢管做了23CharpyV，DWTT，及全尺寸爆破试验的韧脆转变温度曲线，由图可以看出，DWTT曲线与全尺寸爆破试验十分接近，而韧脆转变温度几乎完全一致，均为75F（239）。再看23CharpyV的曲线，看出该曲线与全尺寸曲线相距甚远。之所以会有这种现象，是因为正如前面所述，CharpyV试样要求标准厚度，因而它只能反映管材的材质情况，它反映不了管材的几何尺寸（厚度）的情况，而厚度却是有影响的，通常厚度越大，转变温度越高。为说明这一情况，用38，12，34英寸三种厚度的钢管作

4、了试验，见图2-5-3。图2-5-2DWTT，CharpyV、全尺寸试验的SA与温度的对应曲线图2-5-3厚度对转变温度的影响由图看出，三种不同厚度有三条不同的DFTT曲线，因而有三个不同的85FATT值，而CharpyV取标准厚度，故三种材料只有一条曲线。如前所述，DWTT系专用设备，而CharpyV是通用的，能否找出二者之间对应关系，从而用CharpyV代替DWTT呢？BWI在大量试验的基础上给出了二者的对应关系见图2-5-4。如图，如85CharpyVFATT值为5F，厚度为05in，由图查出差值为20F，则85DWTTFATt25F。图2-5-485DWTT，FATT与85Charpy

5、VFATT的对应关系由图还可看出，当厚度为04in（10mm）时，二者一致，因为这恰恰是CharpyV的标准尺寸。（二）脆性断裂的定义当管线的工作温度高于管材的FATT值时，一旦发生断裂将是延性断裂，此时断面的SA值在85以上，由于供货的FATT值往往低于规定值，故实际延性断裂的SA值绝大多数为100。脆性断裂的断口，从理论上讲应为100的解理断口，亦即SA=0，但实际上这种情况几乎是不存在的。通常除延性断裂以外，在低温的工况条件下，管线断裂的断口均为混合型的，即有剪切断面，也有解理断面。剪切断面一般在周边上，称为剪切唇（shearlip）。故在工程上所说的脆性断裂系指延性断裂以外的，包括混合

6、型断口的断裂在内的全部断裂。（三）脆性断裂的扩展速度Mott在1949年给出了在理论上脆性断裂扩展速度的计算公式：式中：m断裂的扩展速度，ms；a声音在管材中的传播速度，ms；c0原始裂纹长度，mm；c在计算m时的裂纹长度，mm。由式中看出，开始起裂时，即c=c0，此时Vm=0，以后随着c的增加，Vm也逐渐增加，当c为无穷大时，Vm达到最大值：（Vm）max=038可能用到的几种管材的Va值如下：钢：Va=5950ms铝：=6420ms铜：=5010ms玻璃：=5640ms聚乙烯：=1950ms按Mott的公式，钢管的断裂速度的最大值为2261ms实际测到的裂纹扩展速度比上式小得多，Rober

7、ts和Wells认为该式中的038应改为020038；另一方面Kanninen根据Dugdale模型分析得到038应改01较为合适。BMI大量的试验表明Vm值与剪切面积的百分比有关，剪切面积越大，则提供的断裂的阻力也越大，因而断裂的扩展速度也就越低。图2-5-5为X52管材SA与断裂速度的对应关系，不同的管材有不同的图形，此外不一一列举。由图5-2-5看出，当SA=0时，Vm=（Vm=1800fts=550ms，Kannien认为（Vm）max=（01）（Va）=015950=590ms，与BIM试验近似。当SA=100时，则Vm）min=700fts=213msBIM用电学计算机对大量试验数

8、据进行归纳，得出以下公式，可用以估计Vm值：对于X52管材：Vm=1811-114DWTTSA对于X60管材：=2246-172DWTTSAVmfts。上式是由65个试验数据中整理出的公式，上式是由39个试验数据中整理出的公式。（四）管线脆性断裂的止裂判据对于脆性断裂，可采用对比管线开裂速度Vm值与介质中减压波的传播速度Cd值来判断是否可以止裂，可称之为速度判据。脆性断裂的开裂速度Vm值已在前面讲过，其速度变化范围较宽，具体数值决定于SA和材质两个因素，大体变化在450900ms之间。减压波前沿的速度为声波在介质中的传播速度，常用几种介质的减压波的传播速度Vd图2-5-5管材SA与断裂速度的对

9、应关系海水1531ms水1497ms原油1524ms（与原油性质有关，此数供参考）乙醇1207ms空气331msCO2259ms甲烷400ms天然气380440ms由以上看，对于液体介质，减压波速度Vd大于开裂速度Vm值，亦即减压波跑在裂纹扩展的尖端的前面了，这样在裂纹尖端（TipofCrack）处已处于经过减压的低压区了，断裂失去了驱动力（或驱动力大大减小）因而可以得到止裂。而对于输送气体介质的管线来说，Vd低于或略低于Vm值，亦即裂纹扩展的尖端跑在减压波的前面了，因而裂纹尖端仍处于原来的压力水平下，故得不到止裂。我们可以归纳为：当VmVd不能止裂Vd可以止裂以上为止裂的速度判据。根据速度判

10、据可以看出，对于输送液体的管线一般不存在脆性断裂失稳扩展问题，亦即起裂后可以得到止裂，但至少有以下的例外：1起裂管线承受有静压头，例如管线的上方有油罐（高位罐）或较长的管线；2液体介质中有气体，例如进行水压试验时管线的高点没有把空气排空，这样即使在充水部分断裂，也不能止裂；3在操作条件下输送的液体介质，有较高的蒸气压。（五）脆性断裂的特征了解脆性断裂的特征，有利于加深对这种断裂的理解，对其特征可归纳如下：1表面特征。从断口看，脆性断裂为平断口，断裂面为解理断面或混合型的，即解理断面与剪切断面混杂的断面；从裂纹的形状看，为波形的，且往往为多分枝的，SA越小，分枝越多。裂纹形状见图2-5-6a和b

11、，其中a为SA接近为零，b为混合型的。这与延性断裂大小相同，延性断裂为直的，见图2-5-6中的c图，只有接近止裂时，才向下弯。图2-5-6各种裂纹形状的比较2开裂速度的特征。脆性断裂的开裂速度是比较快的，且变化范围宽，在这前面已经谈及。开裂速度还有另一个明显的特点，即开裂的速度，亦即Vm值是变化的。值的大小决定于管材的SA或管材的DWTT的FATT值，但一条管线上钢管的FATT值往往相差甚大。有人做了调查，调查的管材为X52，直径3036in，经过统计发现，同一炉钢材制出的钢管的DWFF的FATT值最大差别达50F（28），而不同炉的钢管的FATT值最大差别为60F（33）。所以，对于脆性断裂

12、来说，裂纹由一根管进入相邻的一根管子时，断裂速度是加快了还是减慢了，决定于两根管子在此温度下SA的大小，而二者相同的概率是很小的，所以脆性断裂的速度是变化的。延性断裂的SA为100，其Vm值基本上是不变的。3塑性区尺寸的特征。延性断裂塑性区的尺寸大，有的可延伸到离断口150mm的范围内，脆性断裂的塑性区尺寸很小，用肉眼观察不到。4裂纹尖端鼓胀作用的特征。高速拍摄的照片表明，对于脆性断裂，其裂纹尖端几乎看不到鼓胀现象。在起裂时，鼓胀起作用，此时裂纹尖端的应力由增加至M，M为由于鼓胀作用引起的应力集中系数，M为大于1的数值。起裂后裂纹开始扩展，扩展速度迅速增加，此时鼓胀作用看不到了，M值由大于1逐

13、渐变为1，亦即由于鼓胀作用的消失，使裂纹尖端处的应力减小了。有些脆性断裂，在同一根管子上，在离裂源不远处止裂，这只能用鼓胀作用的消失来解释。鼓胀作用消失的这种现象尚无严格的科学解释，一般认为由于脆性断裂扩展速度很快，而鼓胀需要有一定时间，对于脆性断裂来说，是由于“来不及”鼓胀而引起消失的。这与延性断裂大不相同，延性断裂鼓胀自始至终都起着重要作用。二、脆性断裂的断裂力学分析（一）应力水平对止裂的影响由上文的叙述可归结为，止裂决定于Vm的大小，而Vm的数值又决定于SA，而SA又决定于操作时的实际温度与FATT之间的关系，而这一切均与应力大小无关。这使有些人产生了怀疑，道理颇简单，因为对于脆性断裂来

14、说，驱动断裂的唯一能源为储存于管壁中的弹性应变能，而弹性应变能当然是依于应力而存在的，难道Vm与应力无关么？Cornish与Scott在这方面进行了研究，并与英国瓦斯公司（BritishGas，以下简称GG）共同进行了全尺寸试验，试验结果请见图2-5-7。图2-5-7的横坐标为试验温度低于DWTT的FATT的数值，纵坐标为试验时的应力水平。由图中可以看出，虽然温度低于FATT，但应力也相应降低以后仍然可以止裂。在90线以下的范围，止裂几率可达95；在50及95之间的区域，止裂概率为5095。试验还表明，当30（SMYS）时，一般均可得到止裂，最坏的情况扩展也不会超过5m。以上试验有重要的工程意

15、义。当管材无法满足DWTT的FATT要求时，可以降低应力水平使用。另外选材时，还可做经济比较：FATT低，则价格贵，这样有可能取较低的应力水平，较厚的钢管而FATT较高的管材，其价格可能更低。图2-5-7低于FATT下的全尺寸试验（二）脆性断裂止裂的能量判据管内的压力使钢管中产生弹性应变能，这一能量储存于管壁之中，当钢管破裂以后，能量将陆续释放。管线破裂时的能量释放率，即产生单位破裂面所释放出的能量，在断裂力学上用G代表。释放率的计算方法最早由Griffith给出，后来由Irwin加以修正，并给出以下公式：G能量释放率，kgcmcm2；环向应力，kgcm2R管半径，cm；E弹性模量，kgcm2

16、。材料对断裂的阻力用R代表，R可由两种办法取得：（1）做在管线操作温度下的夏比冲击值，得出该数值后，除以缺口下面的净断面积ac，则得出单位面积上的冲击能。（2）做常温下（高于FATT）的夏比冲击值，得出上平台能（称为CVN下同）。做DWTT试验，在管线的操作温度下进行，得出在此温度下的SA，并按下式计算阻力R：上述的DWTT的SA与全尺寸爆破试验所得的SA尚有一些差别，为准确起见，可以按图2-5-8进行修正。图2-5-8ZDWTT与全尺寸试验SA的对换在工程上推荐用第二种方法。脆性断裂的能量止裂判据为：GR脆性断裂扩展GR脆性断裂止裂算例：有一批旧库存管材希在新建管线上应用，管线直径9141m

17、m，厚度为99mm，材质为X60，设计许用应力为72的规定的最低屈服极限（SMYS），材料在操作温度（-25）下做DWTT试验，多个试验的平均值为SA=40，该材料的上平台值CVN=4068J=414kg-m问该材料能否止裂，该材料的FATT=-15计算：求出能量释放率G：根据AOI5LX，对于X60，SMYS=4225kgcm2（三）能量判据的验证为了验证Irwin提出的脆性断裂止裂的能量判据的正确性，曾经做了大量的试验工作，试验结果见图2-5-9。图中的横坐标的（CVN）（SA），但不包括ac，纵坐标乘以ac，这样两个坐标的量纲均为ftlb。图中实心的圆圈为止裂，空心的圆圈为失稳扩展，如果

18、画一条斜率为11的对角线，则恰恰把止裂与扩展分开，而这一对象线就是止裂条件。图2-5-9脆性断裂止裂能量判据的验证当然也有个别例外，例如图中尚有一空心点在止裂区，但可以认为这种方法基本上是可靠的。三、防止脆性断裂的工程措施在工程上，脆性的失稳扩展是不充许的。为了避免脆性断裂的失稳扩展，在管道工程上，通常采用以下几种措施：1选材时规定，要对管材进行在最低操作温度下的DWTT试验，其剪切面积不低于85，或规定材料的DWTT的FATT值要低于管子的最低操作温度。早期有些管道规范中此项要求比上述的要求低，这是因为当时冶金技术较低，以上要求有时难以达到，或为此要付出较大代价。但近年来，尤其是近十年来，冶

19、金技术有了很快的发展，管材的FATT值，如表2-5-1所示可以做得很低（但要提出要求）而不需要付出代价或只付出很小的代价。当选用旧管材或新定货的管材难以满足以上要求，或为此而增加的费用太高时，可以降低应力水平使用，具体办法可参阅上文。2当材料满足不了FATT要求时，可以考虑采用止裂环，止裂环有以下几种形式。（1）为两个半圆形环，内弧曲率与钢管外径相同，套在钢管上，焊缝在两侧，在焊缝的焊接过程中，焊缝收缩，使圆环紧紧箍在钢管上并略有过盈。管内受压时，此处环向应力减少，造成止裂。（2）止裂环为直径、厚度与管线钢管相同的管段，但此管段的FATT值低于操作的最低温度，从而造成止裂。（3）管材沿轧制方向

20、及垂直方向的冲击韧性值相差甚远。有些止裂环的管段，不更换材料，只是卷管时改变轧制方向，通常环向应力与轧制方向垂直，而止裂环环向应力与轧制方向平行。四、脆性断裂典型事故的分析1960年在美国Trans-Western管线上进行气压试验时，曾发生过一起长达13km的断裂事故。这里首先以此为典型事例进行分析。该管线直径为30in（762mm），厚度为0375（95mm），X56钢管，裂源为纵向焊缝上的一条疲劳裂纹，这是在运输过程中造成的（本书将详细分析在运输过程中造成疲劳裂纹的可能性）。破坏时环向应力=063（SMYS），断裂总长为1336km。管线在裂源处起裂后，裂纹分别向两端扩展，一端扩展515

21、km后，碰到一根高韧性的管段而止裂，另一端扩展921km，碰到一根锻造的厚壁出口汇管而止裂，整个脆裂的形状是波纹状，多分枝的，并飞出CharpyV85FATT块碎片。在19块碎片中取出两块碎片，做了CharpyV冲击试验。两块试样的CharpyV85FATT值分别为100F（378）和175F（795），在破坏时的温度下做试验，SA分别为10和40。破坏时，管线的温度（当时的大气温度）为60F（156），操作温度低于FATT故而发生破坏。前面说过，管线二端遇到一根高韧性管段而止裂。止裂管段经CharpyV试验，其FATT为0F，由于在破坏温度下做CharpyV试验SA=100，故可止裂。另一个

22、典型例子如下：一根直径为36in管线，厚0406in，材质为X52。裂源在一根管中部，起裂后，向东西两个方向扩展，向东跨过裂源管，经东1管、东2管、在东3管处止裂；向西经过半根裂源管，经西1管、西2管、在进入西3管后，在其中部止裂，破坏时温度为60F（156）。事故后，做SWTT及CharpyV试验。裂源管、东1管、东2管DWT的FATT值分别为70、80、100F，均高于60F，故为脆性断裂；而东3管FATT值为40F（44），故可止裂。西1、西2、西3管的FATT值分别为7482及64F，亦高于60F，为何西3可以止裂呢？现根据能量判据再进行校核。由式知能量释放率可按下式计算：由计算可看出RG，故可止裂。这里填写您的公司名字Fill In Your Business Name Here