油氣管道的脆性斷裂

1、you will get what you reward.勤學(xué)樂施天天向上（頁眉可刪）油氣管道的脆性斷裂 國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，由于管道工作者對(duì)脆性斷裂已經(jīng)有了較為深刻的認(rèn)識(shí)，選材時(shí)，對(duì)管材提出恰當(dāng)?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(jìn)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(guó)管道工業(yè)發(fā)展得較晚，大多數(shù)管道工作者對(duì)管道的斷裂力學(xué)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(shí)，就會(huì)重復(fù)國(guó)外管道工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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

2、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(shí)，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(jiǎn)稱為轉(zhuǎn)變溫度。當(dāng)溫度達(dá)到轉(zhuǎn)變溫度以后，繼續(xù)下降時(shí)，沖擊能繼續(xù)降低，至某一值時(shí)，沖擊能又大體保持衡定了，由圖看出，此時(shí)沖擊能已很低了。從沖擊試驗(yàn)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(duì)于斷裂的阻力幾乎全部是由剪切斷

3、面提供的，所以剪切面積在整個(gè)斷面上所占的百分比越大，則材料對(duì)斷裂的阻力越大(剪切面積英文稱為：shear area，簡(jiǎn)寫為sa，下同)，亦即沖擊能越大。請(qǐng)參看圖(b)，由圖看出，在轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)(圖中約為-40)剪切面積為100，隨著溫度下降sa逐漸減小，至sa=0時(shí)，則全部斷口均為解理斷口，此時(shí)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 tem

4、perature縮寫為fatt，下同)。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(yàn)為依據(jù)，它用其剪切面積為85時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度為轉(zhuǎn)變溫度，這種用得最多；另一種是以charpy v試驗(yàn)為依據(jù)的；還有一種以全尺寸爆破試驗(yàn)為依據(jù)，其轉(zhuǎn)變溫度對(duì)應(yīng)的sa亦均為85。我國(guó)現(xiàn)有油、氣管線所用的鋼材多為由日本進(jìn)口的x52鋼，牌號(hào)為ts-52k，新建的一些管線試用了我國(guó)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(yàn)，在我國(guó)

5、應(yīng)用較少。至1983年，全國(guó)只有有限的幾個(gè)單位可做。dwtt試驗(yàn)應(yīng)按api rp5l3進(jìn)行，其特點(diǎn)為，取樣后冷壓平，加工成標(biāo)準(zhǔn)落錘試樣，其試樣厚度就是管子的厚度，一般認(rèn)為這樣更能反應(yīng)鋼管的實(shí)際。表2-5-1 三個(gè)鋼種的fatt和上平臺(tái)能夏比沖擊safatt，上平臺(tái)能(j)鋼種20sa50sa85sawg-x60-68-60-5367ts-52k-107-98-9039wh-x60-83-60-4948表2-5-2 三個(gè)鋼種的fatt夏比沖擊safatt，鋼種20sa50sa85sawg-x60-48-42-38ts-52k-85-81-76wh-x60-66-57-49夏比沖擊試驗(yàn)在我國(guó)已普遍

6、采用，它的缺點(diǎn)是取樣后，需把拱形刨平成標(biāo)準(zhǔn)的厚度(全尺寸charpy v厚度為10mm，23charpy v厚度為67mm，12charpy v厚度為5mm)， 這樣往往就不能反映鋼管的實(shí)際。夏比沖擊試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)是，不僅能由斷口測(cè)出sa，還可測(cè)出具體的沖擊能，而dwtt一般卻只能由斷口測(cè)出sa。對(duì)于脆性斷裂均以dwtt試驗(yàn)為準(zhǔn)。battelle memorial iastitute(簡(jiǎn)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23charpy v，dwtt，及全尺寸爆破試驗(yàn)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(yàn)十分接近，而韌脆轉(zhuǎn)變溫度幾乎完

7、全一致，均為75f(239)。再看23charpy v的曲線，看出該曲線與全尺寸曲線相距甚遠(yuǎn)。之所以會(huì)有這種現(xiàn)象，是因?yàn)檎缜懊嫠?，charpy v試樣要求標(biāo)準(zhǔn)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38，12，34英寸三種厚度的鋼管作了試驗(yàn)，見圖2-5-3。圖2-5-2 dwtt，charpy v、全尺寸試驗(yàn)的sa與溫度的對(duì)應(yīng)曲線圖2-5-3 厚度對(duì)轉(zhuǎn)變溫度的影響由圖看出，三種不同厚度有三條不同的dftt曲線，因而有三個(gè)不同的85fatt值，而charpy v取標(biāo)準(zhǔn)厚度，故三種材料只有一條

8、曲線。如前所述，dwtt系專用設(shè)備，而charpy v是通用的，能否找出二者之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而用charpy v代替dwtt呢？bwi在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上給出了二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖2-5-4。如圖，如85charpy v fatt值為5f，厚度為05in，由圖查出差值為20f，則85dwtt fatt25f。圖2-5-4 85dwtt，fatt與85charpy v fatt的對(duì)應(yīng)關(guān)系由圖還可看出，當(dāng)厚度為04in(10mm)時(shí)，二者一致，因?yàn)檫@恰恰是charpy v的標(biāo)準(zhǔn)尺寸。(二)脆性斷裂的定義當(dāng)管線的工作溫度高于管材的fatt值時(shí)，一旦發(fā)生斷裂將是延性斷裂，此時(shí)斷面的sa值在85以上，由于供

9、貨的fatt值往往低于規(guī)定值，故實(shí)際延性斷裂的sa值絕大多數(shù)為100。脆性斷裂的斷口，從理論上講應(yīng)為100的解理斷口，亦即sa=0，但實(shí)際上這種情況幾乎是不存在的。通常除延性斷裂以外，在低溫的工況條件下，管線斷裂的斷口均為混合型的，即有剪切斷面，也有解理斷面。剪切斷面一般在周邊上，稱為剪切唇(shear lip)。故在工程上所說的脆性斷裂系指延性斷裂以外的，包括混合型斷口的斷裂在內(nèi)的全部斷裂。(三)脆性斷裂的擴(kuò)展速度mott在1949年給出了在理論上脆性斷裂擴(kuò)展速度的計(jì)算公式：式中：m斷裂的擴(kuò)展速度，ms；a聲音在管材中的傳播速度，ms；c0原始裂紋長(zhǎng)度，mm；c在計(jì)算m時(shí)的裂紋長(zhǎng)度，mm。由

10、式中看出，開始起裂時(shí)，即c=c0，此時(shí)vm=0，以后隨著c的增加，vm也逐漸增加，當(dāng)c為無窮大時(shí)，vm達(dá)到最大值：(vm)max=038可能用到的幾種管材的va值如下：鋼：va=5950ms鋁：va=6420ms銅：va=5010ms玻璃：va=5640ms聚乙烯：va=1950ms按mott的公式，鋼管的斷裂速度的最大值為2261ms實(shí)際測(cè)到的裂紋擴(kuò)展速度比上式小得多，roberts和wells認(rèn)為該式中的038應(yīng)改為020038；另一方面kanninen根據(jù)dugdale模型分析得到038應(yīng)改01較為合適。bmi大量的試驗(yàn)表明vm值與剪切面積的百分比有關(guān)，剪切面積越大，則提供的斷裂的阻力也

11、越大，因而斷裂的擴(kuò)展速度也就越低。圖2-5-5為x52管材sa與斷裂速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不同的管材有不同的圖形，此外不一一列舉。由圖5-2-5看出，當(dāng)sa=0時(shí)，vm=(vm)max=1800fts=550ms，kannien認(rèn)為(vm)max=(01)(va)=015950=590ms，與bim試驗(yàn)近似。當(dāng)sa=100時(shí)，則vm=(vm)min=700fts=213msbim用電學(xué)計(jì)算機(jī)對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納，得出以下公式，可用以估計(jì)vm值：對(duì)于x52管材：vm=1811-114dwttsa對(duì)于x60管材：vm=2246-172dwttsa式中：vmfts。上式是由65個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中整理出的公式，

12、上式是由39個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中整理出的公式。(四)管線脆性斷裂的止裂判據(jù)對(duì)于脆性斷裂，可采用對(duì)比管線開裂速度vm值與介質(zhì)中減壓波的傳播速度cd值來判斷是否可以止裂，可稱之為速度判據(jù)。脆性斷裂的開裂速度vm 值已在前面講過，其速度變化范圍較寬，具體數(shù)值決定于sa和材質(zhì)兩個(gè)因素，大體變化在450900ms之間。減壓波前沿的速度為聲波在介質(zhì)中的傳播速度，常用幾種介質(zhì)的減壓波的傳播速度vd值如下：圖2-5-5 管材sa與斷裂速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系海水1531ms水1497ms原油1524ms(與原油性質(zhì)有關(guān)，此數(shù)供參考)乙醇1207ms空氣331msco2 259ms甲烷400ms天然氣380440ms由以上看，對(duì)

13、于液體介質(zhì)，減壓波速度vd大于開裂速度vm值，亦即減壓波跑在裂紋擴(kuò)展的尖端的前面了，這樣在裂紋尖端(tip of crack)處已處于經(jīng)過減壓的低壓區(qū)了，斷裂失去了驅(qū)動(dòng)力(或驅(qū)動(dòng)力大大減小)因而可以得到止裂。而對(duì)于輸送氣體介質(zhì)的管線來說，vd低于或略低于vm值，亦即裂紋擴(kuò)展的尖端跑在減壓波的前面了，因而裂紋尖端仍處于原來的壓力水平下，故得不到止裂。我們可以歸納為：當(dāng)vmvd不能止裂vmvd可以止裂以上為止裂的速度判據(jù)。根據(jù)速度判據(jù)可以看出，對(duì)于輸送液體的管線一般不存在脆性斷裂失穩(wěn)擴(kuò)展問題， 亦即起裂后可以得到止裂，但至少有以下的例外：1起裂管線承受有靜壓頭，例如管線的上方有油罐（高位罐）或較長(zhǎng)

14、的管線；2液體介質(zhì)中有氣體，例如進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)管線的高點(diǎn)沒有把空氣排空，這樣即使在充水部分?jǐn)嗔眩膊荒苤沽眩?在操作條件下輸送的液體介質(zhì)，有較高的蒸氣壓。(五)脆性斷裂的特征了解脆性斷裂的特征，有利于加深對(duì)這種斷裂的理解，對(duì)其特征可歸納如下：1表面特征。從斷口看，脆性斷裂為平斷口，斷裂面為解理斷面或混合型的，即解理斷面與剪切斷面混雜的斷面；從裂紋的形狀看，為波形的，且往往為多分枝的， sa越小，分枝越多。裂紋形狀見圖2-5-6a和b，其中a為sa接近為零，b為混合型的。這與延性斷裂大小相同，延性斷裂為直的，見圖2-5-6中的c圖，只有接近止裂時(shí)，才向下彎。圖2-5-6 各種裂紋形狀的比較2開裂

15、速度的特征。脆性斷裂的開裂速度是比較快的，且變化范圍寬，在這前面已經(jīng)談及。開裂速度還有另一個(gè)明顯的特點(diǎn)，即開裂的速度，亦即vm值是變化的。vm值的大小決定于管材的sa或管材的dwtt的fatt值，但一條管線上鋼管的fatt值往往相差甚大。有人做了調(diào)查，調(diào)查的管材為x52，直徑3036in，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，同一爐鋼材制出的鋼管的dwff的fatt值最大差別達(dá)50f(28)，而不同爐的鋼管的fatt值最大差別為60f(33)。所以，對(duì)于脆性斷裂來說，裂紋由一根管進(jìn)入相鄰的一根管子時(shí)，斷裂速度是加快了還是減慢了，決定于兩根管子在此溫度下sa的大小，而二者相同的概率是很小的，所以脆性斷裂的速度是變化的。

16、延性斷裂的sa為100，其vm值基本上是不變的。3塑性區(qū)尺寸的特征。延性斷裂塑性區(qū)的尺寸大，有的可延伸到離斷口150mm的范圍內(nèi)，脆性斷裂的塑性區(qū)尺寸很小，用肉眼觀察不到。4裂紋尖端鼓脹作用的特征。高速拍攝的照片表明，對(duì)于脆性斷裂，其裂紋尖端幾乎看不到鼓脹現(xiàn)象。在起裂時(shí)，鼓脹起作用，此時(shí)裂紋尖端的應(yīng)力由增加至m，m為由于鼓脹作用引起的應(yīng)力集中系數(shù)，m為大于1的數(shù)值。起裂后裂紋開始擴(kuò)展，擴(kuò)展速度迅速增加，此時(shí)鼓脹作用看不到了，m值由大于1逐漸變?yōu)?，亦即由于鼓脹作用的消失，使裂紋尖端處的應(yīng)力減小了。有些脆性斷裂，在同一根管子上，在離裂源不遠(yuǎn)處止裂，這只能用鼓脹作用的消失來解釋。鼓脹作用消失的這種

17、現(xiàn)象尚無嚴(yán)格的科學(xué)解釋，一般認(rèn)為由于脆性斷裂擴(kuò)展速度很快，而鼓脹需要有一定時(shí)間，對(duì)于脆性斷裂來說，是由于“來不及”鼓脹而引起消失的。這與延性斷裂大不相同，延性斷裂鼓脹自始至終都起著重要作用。二、脆性斷裂的斷裂力學(xué)分析(一)應(yīng)力水平對(duì)止裂的影響由上文的敘述可歸結(jié)為，止裂決定于vm的大小，而vm的數(shù)值又決定于sa，而sa又決定于操作時(shí)的實(shí)際溫度與fatt之間的關(guān)系，而這一切均與應(yīng)力大小無關(guān)。這使有些人產(chǎn)生了懷疑，道理頗簡(jiǎn)單，因?yàn)閷?duì)于脆性斷裂來說，驅(qū)動(dòng)斷裂的唯一能源為儲(chǔ)存于管壁中的彈性應(yīng)變能，而彈性應(yīng)變能當(dāng)然是依于應(yīng)力而存在的，難道vm與應(yīng)力無關(guān)么？cornish與scott在這方面進(jìn)行了研究，并與

18、英國(guó)瓦斯公司(british gas，以下簡(jiǎn)稱gg)共同進(jìn)行了全尺寸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果請(qǐng)見圖2-5-7。圖2-5-7的橫坐標(biāo)為試驗(yàn)溫度低于dwtt的fatt的數(shù)值，縱坐標(biāo)為試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力水平。由圖中可以看出，雖然溫度低于fatt，但應(yīng)力也相應(yīng)降低以后仍然可以止裂。在90線以下的范圍，止裂幾率可達(dá)95；在50及95之間的區(qū)域，止裂概率為5095。試驗(yàn)還表明，當(dāng)30(smys)時(shí)，一般均可得到止裂，最壞的情況擴(kuò)展也不會(huì)超過5m。以上試驗(yàn)有重要的工程意義。當(dāng)管材無法滿足dwtt的fatt要求時(shí)，可以降低應(yīng)力水平使用。另外選材時(shí)，還可做經(jīng)濟(jì)比較：fatt低，則價(jià)格貴，這樣有可能取較低的應(yīng)力水平，較厚的鋼管而

19、fatt較高的管材，其價(jià)格可能更低。圖2-5-7 低于fatt下的全尺寸試驗(yàn)(二)脆性斷裂止裂的能量判據(jù)管內(nèi)的壓力使鋼管中產(chǎn)生彈性應(yīng)變能，這一能量?jī)?chǔ)存于管壁之中，當(dāng)鋼管破裂以后，能量將陸續(xù)釋放。管線破裂時(shí)的能量釋放率，即產(chǎn)生單位破裂面所釋放出的能量， 在斷裂力學(xué)上用g代表。釋放率的計(jì)算方法最早由griffith給出，后來由irwin 加以修正，并給出以下公式：式中：g能量釋放率，kgcmcm2；環(huán)向應(yīng)力，kgcm2；r管半徑，cm；e彈性模量，kgcm2。材料對(duì)斷裂的阻力用r代表，r可由兩種辦法取得：(1)做在管線操作溫度下的夏比沖擊值，得出該數(shù)值后，除以缺口下面的凈斷面積ac，則得出單位面積

20、上的沖擊能。(2)做常溫下(高于fatt)的夏比沖擊值，得出上平臺(tái)能(稱為cvn下同)。做dwtt試驗(yàn)，在管線的操作溫度下進(jìn)行，得出在此溫度下的sa，并按下式計(jì)算阻力r：上述的dwtt的sa與全尺寸爆破試驗(yàn)所得的sa尚有一些差別，為準(zhǔn)確起見，可以按圖2-5-8進(jìn)行修正。圖2-5-8z dwtt與全尺寸試驗(yàn)sa的對(duì)換在工程上推薦用第二種方法。脆性斷裂的能量止裂判據(jù)為：gr 脆性斷裂擴(kuò)展gr 脆性斷裂止裂算例：有一批舊庫存管材希在新建管線上應(yīng)用，管線直徑9141mm，厚度為99mm，材質(zhì)為x60，設(shè)計(jì)許用應(yīng)力為72的規(guī)定的最低屈服極限(smys)，材料在操作溫度(-25)下做dwtt試驗(yàn)，多個(gè)試驗(yàn)

21、的平均值為sa=40，該材料的上平臺(tái)值cvn=4068j=414kg-m問該材料能否止裂，該材料的fatt=-15計(jì)算：求出能量釋放率g：根據(jù)aoi5lx，對(duì)于x60，smys=4225kgcm2(三)能量判據(jù)的驗(yàn)證為了驗(yàn)證irwin提出的脆性斷裂止裂的能量判據(jù)的正確性，曾經(jīng)做了大量的試驗(yàn)工作，試驗(yàn)結(jié)果見圖2-5-9。圖中的橫坐標(biāo)的(cvn)(sa)，但不包括ac，縱坐標(biāo)乘以ac，這樣兩個(gè)坐標(biāo)的量綱均為ftlb。圖中實(shí)心的圓圈為止裂，空心的圓圈為失穩(wěn)擴(kuò)展，如果畫一條斜率為11 的對(duì)角線，則恰恰把止裂與擴(kuò)展分開，而這一對(duì)象線就是止裂條件。圖2-5-9 脆性斷裂止裂能量判據(jù)的驗(yàn)證當(dāng)然也有個(gè)別例外，

22、例如圖中尚有一空心點(diǎn)在止裂區(qū)，但可以認(rèn)為這種方法基本上是可靠的。三、防止脆性斷裂的工程措施在工程上，脆性的失穩(wěn)擴(kuò)展是不充許的。為了避免脆性斷裂的失穩(wěn)擴(kuò)展，在管道工程上，通常采用以下幾種措施：1選材時(shí)規(guī)定，要對(duì)管材進(jìn)行在最低操作溫度下的dwtt試驗(yàn)，其剪切面積不低于85，或規(guī)定材料的dwtt的fatt值要低于管子的最低操作溫度。早期有些管道規(guī)范中此項(xiàng)要求比上述的要求低，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)冶金技術(shù)較低，以上要求有時(shí)難以達(dá)到，或?yàn)榇艘冻鲚^大代價(jià)。但近年來，尤其是近十年來，冶金技術(shù)有了很快的發(fā)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)而不需要付出代價(jià)或只付出很小的代價(jià)。當(dāng)選用舊

23、管材或新定貨的管材難以滿足以上要求，或?yàn)榇硕黾拥馁M(fèi)用太高時(shí)，可以降低應(yīng)力水平使用，具體辦法可參閱上文。2當(dāng)材料滿足不了fatt要求時(shí)，可以考慮采用止裂環(huán)，止裂環(huán)有以下幾種形式。(1)為兩個(gè)半圓形環(huán)，內(nèi)弧曲率與鋼管外徑相同，套在鋼管上，焊縫在兩側(cè)，在焊縫的焊接過程中，焊縫收縮，使圓環(huán)緊緊箍在鋼管上并略有過盈。管內(nèi)受壓時(shí)，此處環(huán)向應(yīng)力減少，造成止裂。(2)止裂環(huán)為直徑、厚度與管線鋼管相同的管段，但此管段的fatt值低于操作的最低溫度，從而造成止裂。(3)管材沿軋制方向及垂直方向的沖擊韌性值相差甚遠(yuǎn)。有些止裂環(huán)的管段，不更換材料，只是卷管時(shí)改變軋制方向，通常環(huán)向應(yīng)力與軋制方向垂直，而止裂環(huán)環(huán)向應(yīng)力與軋制方向平行。四、脆性斷裂典型事故的分析1960年在美國(guó)trans-western管線上進(jìn)行氣壓試驗(yàn)時(shí)，曾發(fā)生過一起長(zhǎng)達(dá)13km的斷裂事故。這里首先