油气管道的脆性断裂

1、油气管道的脆性断裂 国外工业发达的国家，由于管道工作者对脆性断裂已经有了较为深刻的认识，选材时，对管材提出恰当的技术要求和采取了一些其它技术措施，再加上由于冶金工业的进步，管材可以满足管道工作者提出的技术要求，故十多年来，脆性断裂事故已减到很少了。我国管道工业发展得较晚，大多数管道工作者对管道的断裂力学分析还所知不多， 故而七十年代以后，还发生过多起管道脆性断裂事故。如果我们不掌握这些知识，就会重复国外管道工业发达国家早期出现的管道脆性断裂事故。 一、脆性断裂特征及止裂速度判据(一)管材的冲击韧性与温度的关系见图2-5-1，该图为某厂x60钢管夏氏冲击能和断口的剪切面积与温度的关系。由图2-5

2、-1(a)看出，在某一温度(在图中约为-40)以上材料的夏比冲击能(charpy v energy)基本上是不变的，但低于此温度时，冲击能迅速下降，这一由韧性开始向脆性转变的温度称为管材的韧脆转变温度，或简称为转变温度。当温度达到转变温度以后，继续下降时，冲击能继续降低，至某一值时，冲击能又大体保持衡定了，由图看出，此时冲击能已很低了。从冲击试验的试样的断口看，由两部分组成，一为解理断裂部分(cleavage region) 另一为剪切断裂部分(shear region)。断面对于断裂的阻力几乎全部是由剪切断面提供的，所以剪切面积在整个断面上所占的百分比越大，则材料对断裂的阻力越大(剪切面积英

3、文称为：shear area，简写为sa，下同)，亦即冲击能越大。请参看图(b)，由图看出，在转变温度以上时(图中约为-40)剪切面积为100，随着温度下降sa逐渐减小，至sa=0时，则全部断口均为解理断口，此时夏比冲击能接近于零。剪切断面一般为斜断口，表苗暗淡，呈纤维状，解理断面一般为平断口，表面有光亮晶粒状物，二者是很容易由形状上区分的。为了便于工作，在工程上常用断口上剪切面积百分比的值来定义转变温度，这种转变温度又称为断裂形貌转变温度(fracture appearance transition temperature缩写为fatt，下同)。图2-5-1 某厂x60管材夏氏冲击能、断口剪

4、切面积与温度的关系fatt可分为三种：一种以dwtt试验为依据，它用其剪切面积为85时所对应的温度为转变温度，这种用得最多；另一种是以charpy v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-weight tear test)，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api rp5l3

5、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safatt，上平台能(j)钢种20sa50sa85sawg-x60-68-60-5367ts-52k-107-98-9039wh-x60-83-60-4948表2-5-2 三个钢种的fatt夏比冲击safatt，钢种20sa50sa85sawg-x60-48-42-38ts-52k-85-81-76wh-x60-66-57-49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charpy v厚度为10mm

6、，23charpy v厚度为67mm，12charpy v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。battelle memorial iastitute(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23charpy v，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23charpy v的曲线，看出该曲线与全尺寸曲线相

7、距甚远。之所以会有这种现象，是因为正如前面所述，charpy v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了试验，见图2-5-3。图2-5-2 dwtt，charpy v、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charpy v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charpy v是通用的，能否找出二者之间对应关

8、系，从而用charpy v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85charpy v fatt值为5f，厚度为05in，由图查出差值为20f，则85dwtt fatt25f。图2-5-4 85dwtt，fatt与85charpy v fatt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charpy v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，

9、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(shear lip)。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：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

10、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：va=6420ms铜：va=5010ms玻璃：va=5640ms聚乙烯：va=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，roberts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

11、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)max=1800fts=550ms，kannien认为(vm)max=(01)(va)=015950=590ms，与bim试验近似。当sa=100时，则vm=(vm)min=700fts=213msbim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=1811-114dwttsa对于x60管材：vm=2246-172dwttsa式中：vmfts。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

12、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值如下：图2-5-5 管材sa与断裂速度的对应关系海水1531ms水1497ms原油1524ms(与原油性质有关，此数供参考)乙醇1207ms空气331msco2 259ms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

13、样在裂纹尖端(tip of crack)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vmvd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

14、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，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

15、另一个明显的特点，即开裂的速度，亦即vm值是变化的。vm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

16、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

17、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(british gas，以下简称gg)共同进行了全尺寸试验，试验结果请见

18、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

19、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：式中：g能量释放率，kgcmcm2；环向应力，kgcm2；r管半径，cm；e弹性模量，kgcm2。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)

20、。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2-5-8z dwtt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9141mm，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

21、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

22、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

23、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