油气管道的脆性断裂Word文件下载.docx
- 文档编号:8126927
- 上传时间:2023-05-10
- 格式:DOCX
- 页数:12
- 大小:22.95KB
油气管道的脆性断裂Word文件下载.docx
《油气管道的脆性断裂Word文件下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《油气管道的脆性断裂Word文件下载.docx(12页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
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S.A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FATT和上平台能
夏比冲击S.A%
FATT,℃
上平台能(J)
钢种
20%S.A
50%S.A
85%S.A
WG-X60
-68
-60
-53
67
TS-52K
-107
-98
-90
39
WH-X60
-83
-49
48
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,2/3CharpyV厚度为6.7mm,1/2CharpyV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S.A%,还可测出具体的冲击能,而DWTT一般却只能由断口测出S.A%。
对于脆性断裂均以DWTT试验为准。
BattelleMemorialIastitute(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2/3CharpyV,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75°
F(23.9℃)。
再看2/3CharpyV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3/8,1/2,3/4英寸三种厚度的钢管作了试验,见图2-5-3。
图2-5-2DWTT,CharpyV、全尺寸试验的S.A%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85%FATT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85%CharpyVFATT值为5°
F,厚度为0.5in,由图查出差值为20°
F,则85%DWTTFATt2
5°
F。
图2-5-485%DWTT,FATT与85%CharpyVFATT的对应关系
由图还可看出,当厚度为0.4in(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S.A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S.A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S.A%=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:
υm
——断裂的扩展速度,m/s;
υa
——声音在管材中的传播速度,m/s;
c0
——原始裂纹长度,mm;
c———在计算υm
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
=0.38
可能用到的几种管材的Va
值如下:
钢:
Va
=5950m/s
铝:
=6420m/s
铜:
=5010m/s
玻璃:
=5640m/s
聚乙烯:
=1950m/s
按Mott的公式,钢管的断裂速度的最大值为2261m/s
实际测到的裂纹扩展速度比上式小得多,Roberts和Wells认为该式中的0.38应改为0.20~0.38;
另一方面Kanninen根据Dugdale模型分析得到0.38应改0.1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S.A%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S.A%=0时,Vm
=(Vm
=1800ft/s=550m/s,Kannien认为(Vm
)max=(0.1)(Va
)=0.1×
5950=590m/s,与BIM试验近似。
当S.A%=100时,则Vm
)min=700ft/s=213m/s
BIM用电学计算机对大量试验数据进行归纳,得出以下公式,可用以估计Vm
值:
对于X52管材:
Vm
=1811-11.4DWTT%S.A
对于X60管材:
=2246-17.2DWTT%S.A
Vm
——ft/s。
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S.A%和材质两个因素,大体变化在450~900m/s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S.A%与断裂速度的对应关系
海水1531m/s
水1497m/s
原油1524m/s(与原油性质有关,此数供参考)
乙醇1207m/s
空气331m/s
CO2
259m/s
甲烷400m/s
天然气380~440m/s
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(TipofCrac
k)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Vm
≥Vd
不能止裂
<Vd
可以止裂
以上为止裂的速度判据。
根据速度判据可以看出,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,S.A%越小,分枝越多。
裂纹形状见图2-5-6a和b,其中a为S.A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S.A%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30~36in,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50°
F(28℃),而不同炉的钢管的FATT值最大差别为60°
F(33℃)。
所以,对于脆性断裂来说,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S.A%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S.A%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σ增加至Mσ,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S.A%,而S.A%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G.G)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50%~95%。
试验还表明,当σ≤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,kg·
cm/cm2
;
σ———环向应力,kg/cm2
R———管半径,cm;
E———弹性模量,kg/cm2
。
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S.A%,并按下式计算阻力R:
上述的DWTT的S.A%与全尺寸爆破试验所得的S.A%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S.A%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:
G≥R脆性断裂扩展
G<R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914.1mm,厚度为9.9mm,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S.A%=40%,该材料的上平台值CVN=40.68J=4.14kg-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=4225kg/cm2
(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)(S.A%),但不包括ac
,纵坐标乘以ac
,这样两个坐标的量纲均为ft·
lb。
图中实心的圆圈为止裂,空心的圆圈为失稳扩展,如果画一条斜率为1∶1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0.375(9.5mm),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σ=0.63(SMYS),断裂总长为13.36km。
管线在裂源处起裂后,裂纹分别向两端扩展,一端扩展5.15km后,碰到一根高韧性的管段而止裂,另一端扩展9.21km,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CharpyV85%FATT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CharpyV85%FATT值分别为100°
F(37.8℃)和175°
F(79.5℃),在破坏时的温度下做试验,S.A%分别为10%和40%。
破坏时,管线的温度(当时的大气温度)为60°
F(15.6℃),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0°
F,由于在破坏温度下做CharpyV试验S.A=100%,故可止裂。
另一个典型例子如下:
一根直径为36in管线,厚0.406in,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60°
F(15.6℃)。
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、100°
F,均高于60°
F,故为脆性断裂;
而东3管FATT值为40°
F(44℃),故可止裂。
西1、西2、西3管的FATT值分别为74°
82°
及64°
F,亦高于60°
F,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R>G,故可止裂。
这里填写您的公司名字
FillInYourBusinessNameHere
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 油气 管道 脆性断裂