附录L脆断技术模式样本

附录L-脆断技术模式(未经校对，仅供参照)范畴本规范给出了化工过程设备脆断失效影响因素分析。重要讲述了低温/低韧性断裂、回火脆化、8850F脆断和σ相脆断等破坏机理。评价了金属材料发生脆断敏感性。在评价材料脆断敏感性时，也采用了专家建议。技术模式筛选没有筛选问题跳过此技术模式，筛选问题涉及在此模式脆性断裂机理中。基本数据表L-1列出了判断金属材料发生脆断技术分析所必要基本数据。在表L-2中列出了某些分析脆断机理所需附加筛选问题。对某一脆断机理详细数据列在每一机理开始某些基本数据表中。表L-1分析脆断所需基本数据基本数据用途厚度，英寸从ASME原则厚度尺寸中选用，用于查找所需冲击实验温度。操作压力，psig用于拟定许用应力操作温度，℉用于拟定发生各种脆断敏感性材料规范和级别用于查找设备或管线基本性能（抗拉强度、屈服强度等），如果已知，可用材料拟定值。否则，采用保守默认值。焊后热解决（Y/N）用于拟定设备残存应力表L-2脆断机理筛选问题筛选性问题环节低温/低韧性脆断材料是碳钢或低合金钢吗？查看表-6。你懂得MDMT吗？操作温度在正常或波动状态下低于金属最低设计温度（MDMT）吗？如果是，到问题B。如果不知，到L.8；如果知，到问题C回火脆化材料是11/4Cr-1/2Mo，21/4Cr-1/2Mo或3Cr-1Mo钢吗？操作温度在650℉～1050℉之间吗？如果都是，转到L.９885℉脆断材料是高铬（＞12%）铁素体钢吗？操作温度在700℉～1050℉之间吗？如果都是，转到L.10σ相脆化材料是奥氏体不锈钢吗？操作温度在1100℉～1700℉之间吗？如果都是，转到L.11基本假设脆断必要是在材料尺寸缺陷、足够应力和材料脆断敏感性等条件共同存在时才会发生。材料脆断敏感性在工作环境下会发生变化。详细每一种脆断也许性在相应状况下进行了恰当修正技术模式子因数。拟定技术模式子因数（TMSF）每一种脆断机理都需拟定技术模式子因数。下面就依照所需图表分别加以讨论。脆断机理筛选表L-2中列出各类筛选问题可用于选取各种脆断机理。拟定各种也许脆断机理敏感性每一脆断机理都讨论了设备也许发生这种类型破坏敏感度。低温/低韧性断裂L.8.1概述L.8.1.1低温/低韧性断裂是构造部件一种突然失效形式，重要来源于裂纹或缺陷。这种断裂是非正常性，由于材料设计应力普通远低于发生脆断所需应力。然而，某些旧厚壁设备、操作波动时承受低温设备，或者是某些通过改造过设备在不同限度上具备这种脆断形式敏感性。L.8.1.2钢低温/低韧性断裂影响因素：载荷。断裂在低负荷下发生也许性较低。材料尺寸规格。有些材料在制造时具备良好断裂性能或韧性。但在使用前，这些材料必要通过冲击实验才干证明其“有效”。这种实验是通过冲击凹形试样，使之断裂所需能量测量而得。温度。许多材料（特别是铁素体不锈钢）在低于某一温度时，其韧性会发生变化。这一温度称为材料脆性转变温度。300℉以上脆断普通不会发生。残存应力和焊后热解决影响。厚度。L.8.1.3钢材低温/低韧性断裂预测目是拟定设备脆断失效也许性级别。这些预测涉及厚度、材质类型、焊后热解决和温度等影响因素。L.8.2基本数据表L-3列出数据，可用于预测碳钢或低合金钢低温/低韧性脆断敏感度。若拟定化工过程数据不明确，则需联系有经验工艺工程师，以获得更精确预测。表L-3分析低温/低韧性脆断所需基本数据基本数据用途消除内应力解决（Y/N）查找所需冲击实验温度冲击实验温度，℉与否需要做冲击实验。如果左边为空，则假定不做冲击实验波动操作后台控制（Y/N）与否控制或懂得要制止这种状况发生：在低温下工作应力在设计应力点上或设计应力附近在正常或波动条件下最低操作温度℉由使用者拟定。如果设备中介质为液体，这一温度可取为此液体在大气压沸点。图L-1免除冲击实验曲线L.8.3拟定钢材低温/低韧性断裂技术模式子参数图L-2列出了拟定钢材低温/低韧性断裂子因素过程：第一步：拟定设备后续加工工艺或工艺过程使用环境，与否存在低于某一温度下，设备不能承受满负荷状况。如果存在这一现象，使用这一温度作为Tmin，转到第三步。第二步：拟定设备所能承受最低温度Tmin，在下列各项中选取最低温度：最低设计温度。工艺工程师预测最低温度，涉及停运时。容器或管道与否布满压力液体，液体在大气压下沸点。如氨液沸点为-28℉，丙烷沸点为-40℉。第三步：拟定金属厚度。依照ASTMUCS66选取适适当厚度。第四步：拟定Tref，各种级别材料Tref，可以是冲击实验温度，也可是材料证明书上免做冲击实验温度。运用表L-6可查得各种材料免做冲击实验温度曲线。如果材料是原则化材料，则可采用原则化材料免冲击实验温度曲线。由图L-1依照钢板厚度和曲线拟定材料免冲击实验温度。同样，也可使用MDMT（金属最低设计温度）。图L-2拟定钢材低温/低韧性断裂因子技术模式表L-6碳钢和低合金钢免冲击温度曲线规格默认曲线正火曲线SA36ABSA-283AllGradesABSA-285AllGradesBCSA-299ABSA-414GrABCSA-414GrB,C,D,E,F,GABSA-442Gr55&60BDSA-455ABSA-515Gr55BCSA-515Gr60BCSA-515Gr65ABSA-515Gr70ABSA-516Gr55CDSA-516Gr60CDSA-516Gr65BCSA-516Gr70BCSA-537AllGradesDDSA-562ABSA-612BDSA-620Gr1ABSA-620Gr2ABSA-662GrACDSA-662GrBBDSA-662GrCADSA-737GrB&CABSA-738GrA&BABSA-812Gr65&80ABSA-202GrA&BAASA-203AllGradesDDSA-204AllGradesAASA-225GrCAASA-302GrAAASA-302GrBAASA-302GrCCCSA-302GrDDDSA-387Gr2Cl.1AASA-387Gr2Cl.2AASA-387Gr12Cl.1AASA-387Gr12Cl.2AASA-387Gr11Cl.1AASA-387Gr11Cl.2AASA-387Gr22Cl.1ACSA-387Gr22Cl.2ACSA-387Gr21Cl.1ACSA-387Gr21Cl.2ACSA-387Gr5Cl.1AASA-387Gr5Cl.2AASA-387Gr91Cl.2AASA-533GrA.Cl.1AASA-533GrB.Cl.1BBSA-533GrC.Cl.1CCSA-542GrC.Cl.4aAASA-832AASA-53pipeGrA&BAASA-106pipeAllGradesAASA-179tubeAASA-192tubeAASA-210tubeGrA-1&CAASA-333pipeGr1&6AASA-334tubeGr1&6AASA-524pipeGrⅠ&ⅡDDSA-556tubeAllGradesAASA-135pipeGrA&BAASA-178tubeGrA&CAASA-214tubeAASA-226tubeAASA-557tubeAllGradesAASA-587tubeAAUnknownAB第五步，拟定设备焊缝与否通过焊后热解决。如果没有，用表L-4数据；若通过焊后热解决，用表L-5数据。表L-4未通过焊后热解决技术模式子因数未通过焊后热解决厚度，英寸0.250.51.01.52.02.53.03.54.0T-Tref1000.00.00.00.00.000.91.11.2800.00.00.00.81.12246600.00.01.0249193660400.00.7292969133224338200.11.310491432965007411,00800.93391754247591,1421,5451,950-201.271094058501,3661,8972,4152,903-402162206971,3171,9692,5963,1763,703-602303509881,7402,4793,1603,7694,310-803464741,2392,0802,8733,5814,2034,746-1004615791,4362,3363,1603,8834,5095,000表L-5通过焊后热解决技术模式子因数通过焊后热解决厚度，英寸0.250.51.01.52.02.53.03.54.0T-Tref1000.00.00.00.00.00.00.00.00.0800.00.00.00.00.00.00.00.00.2600.00.00.00.00.00.50.91.11.3400.00.00.00.51.11.3234200.00.00.61.2247132300.00.01.12614295388-200.00.425174183144224-400.00.93123890171281416-600.01.152268153277436623-800.01.2734102219382582810-1000.01.3946133277472704962第六步：随着服役周期调节。依照APIRP579第二节第三点，如果设备在最低温度下使用近年，且设备并不运营在疲劳曲线或SCC曲线范畴内，则金属发生脆断危险性可随之减低。这是在近年成功工业应用经验基本上得出。将技术模式子因数分为100个级别。L.8.4检测有效性L.8.4.1低温/低韧性断裂可通过采用恰当设计和操作条件予以防止。低温/低韧性断裂一旦发生，它总是从金属存在缺陷作为裂纹源开始。裂纹从一点迅速扩大，最后导致严重泄漏，甚至完全断裂或设备解体。理论上说，通过检测，发现和消除金属存在裂纹将有助于减少这一类失效事故发生。但是，金属缺陷有非常小，有并不暴露在金属表面，无法发现。因而，普通以为对此类金属缺陷检测并不是防止脆断发生一种有效办法。L.8.4.2如果设备档案记录不能指出其与否原则化材料，则金相检查办法有助于解决这一问题。在某些状况下，这种办法不需用采样实验就可拟定金属韧性，这将有助于提高低温/低韧性断裂预测精确性。L.8.4.3由L.8.4.1和L.8.4.2可知，检测并不总是“可靠”。然而，金相实验办法作为一种有益补充，可提高检测可靠性，并变化低温/低韧性断裂子因数。回火脆化L.9.1概述L.9.1.1许多金属长期在650℉和1070℉温度范畴内使用时，会浮现韧性减少现象，这一规律称为回火脆化。在炼油和化工工业中，特别是Cr-Mo钢容易发生这种破坏形式。金属材料断裂韧性下降状况普通发生在设备开汽和停汽较低温度时。工业实践证明，当容器温度低于其钢材某一最低温度时，若操作压力低于其设计压力四分之一，就可有效防止此类事故发生。典型工业实践证明，对于旧合金钢种，这一最低温度为300～350℉。而对于新钢种来说，这一温度要更低某些。L.9.1.2回火脆化是由于钢材中夹杂物与合金元素在晶界析出引起。钢材中磷和锡含量对这种失效形式影响很大。当锰和硅这两种重要合金元素在钢中同步存在时，状况变得更为严重。普通，人们通过同步考虑这几种元素影响而建立了“J”系数来表述钢材回火脆化敏感性。“J”系数由下式求得：J=（Si+Mn）（P+Sn）104。实验和长期研究都证明了“J”系数和回火脆化敏感性之间辨证关系。L.9.1.3回火脆化一种重要特点是焊缝及热影响区金属脆化敏感性比母材金属高得多。某些研究表白，21/4Cr-1/2Mo和3Cr-1Mo回火脆化敏感性特别高，11/4Cr-1/2Mo钢回火脆化敏感性仍存在争议，但在本模式中，仍将其涉及在敏感性范畴之内。L.9.2回火脆化筛选拟定材料与否会遭受回火脆化筛选问题列在表L-7中。表L-7回火脆化筛选问题筛选性问题环节1.材料是11/4Cr-1/2Mo，21/4Cr-1/2Mo或3Cr-1Mo钢吗？如果都是，转到L.10.４2.操作温度在650℉～1050℉之间吗？L.9.3基本数据表L-8中所列数据用于预测碳钢和低合金钢回火脆化敏感性。如果拟定工艺过程数据不明确，则需联系有经验工艺工程师，以获得更精确预测。表L－８分析回火脆化所需基本数据基本数据用途消除内应力解决（Y/N）查找所需冲击实验温度冲击实验温度，℉与否需要做冲击实验。如果左边为空，则假定不做冲击实验波动操作后台控制（Y/N）与否控制或懂得要制止这种状况发生：在低温下工作应力在设计应力点上或设计应力附近在正常，开汽/停汽或波动条件下最低操作温度℉由使用者拟定。如果设备中介质为液体，这一温度可取为此液体在大气中沸点。服役时间，年设备在此温度范畴内服役时间ΔFATT（脆性浮现和转变温度），℉钢材化学构成（可选）拟定Si、Mn、P、Sn等对回火脆化敏感性有影响元素百分含量。如果不能拟定，材料筛选（Y/N）设备选用材料与否通过对回火脆化敏感性“筛选”：特定钢材构成，通过‘分布冷却脆断’（SCE）实验特定转变温度。SCE给定δ温度，℉由SCE实验得出δ温度L.9.4基本假设表L-9列出了某些对回火脆化敏感金属材料。表L-9材料回火脆化敏感性规格默认曲线正火曲线SA-387Gr11Cl.1AASA-387Gr11Cl.2AASA-387Gr22Cl.1ACSA-387Gr22Cl.2ACSA-387Gr21Cl.1ACSA-387Gr21Cl.2ACNotListedAAL.9.5拟定回火脆化技术模式子因数图L-3阐明了拟定钢材回火脆化技术子因数过程。第一步：拟定设备后续加工工艺或生产过程参数，与否存在低于某一温度下，设备不能承受满负荷状况。如果存在这一现象，使用这一温度作为Tmin，转到第三步。第二步：拟定设备最低使用温度Tmin，在下列各项中选取最低温度项：最低设计温度。工艺工程师预测最低温度。第三步：拟定金属厚度。由ASTMUCS66选取恰当厚度。第四步：拟定Tref，各种级别材料Tref，可以是冲击实验温度，也可是材料证明书上免做冲击实验温度。运用表L-9可查得各种材料免做冲击实验温度曲线。如果材料是原则化材料，则可采用原则化材料免冲击实验温度曲线。由图L-1依照钢板厚度和曲线拟定材料免冲击实验温度。同样，也可使用MDMT（金属最低设计温度）。第五步：ΔFATT+TrefΔFATT（脆性转变温度）可由如下办法测得。下列各项所得转变温度精准度逐级减少。直接由设计分析或实际实验测得ΔFATT。材料许用ΔFATT。由分步冷却脆化（SCE）实验测得。这一实验数据与实际ΔFATT及操作时间之间关系可用方程表达：ΔFATT=0.67×（log（t-0.91）×SCE）(L.1)。方程中t是操作时间，详细SCE由FATT拟定。由材料化学构成（若ΔFATT不清晰）拟定“J”系数，材料在长期使用后，其“J”系数与ΔFATT有一定相应关系。对于长期服役材料，其“J”系数与ΔFATT关系近似方程为：（ΔFATT=0.6×J-20）。150℉保守值可作为长期ΔFATT。第六步，拟定设备与否通过焊后热解决，如果没有则用表L-4，否则用表L-5查找技术模式子因数。图L-3拟定回火脆化技术模式子因数885℉脆化L.10.1概述L.10.1.1885℉脆化是含铬量超过13%铁素体不锈钢在700℉到1000℉温度范畴内浮现韧性下降现象。韧性下降是由于铬-磷化合物在高温下析出。885℉脆化与其他机理同样，是由于金相变化导致韧性下降。引起韧性变化并不是经常在操作温度下，而是在工厂停工或生产波动较低温时期发生。L.10.1.2这一机理命名，是由于金属化合物析出常发生在885℉左右。含铬量超过27%钢材受此种破坏形式影响最大，但这种钢材并不是炼油和化工过程典型用钢。象410一类马氏体不锈钢普通以为对这种破坏形式免疫。405是铁素体不锈钢，当它含铬量在上限值时，容易发生这种形式破坏。L.10.1.3885℉脆化可由材料受影响部位硬度上升而拟定。对在役设备采样进行机械性能实验可测出材料与否发生885℉脆化。L.10.1.4885℉脆化是可逆。将金属通过恰当热解决后可溶解其析出物，经急冷可恢复其原有韧性。典型热解决温度在1400℉到1500℉之间，这一温度范畴对大多数设备来说，并不实际。L.10.2885℉脆化筛选拟定材料与否会遭受885℉脆化筛选问题列在表L-10中。表L-10885℉脆化筛选问题筛选性问题环节1.材料是高铬（＞12%）铁素体钢吗？查找表-12如果都是，转到L.11.32.操作温度在700℉～1050℉之间吗？L.10.3基本数据表L-11中列出预测材料885℉脆化敏感度。如果拟定工艺过程数据不明确，则需联系有经验工艺工程师，以获得更精确预测。表L-11分析885℉脆化所需基本数据基本数据用途波动操作后台控制（Y/N）与否控制或懂得要制止这种状况发生：在低温下工作应力在设计应力点上或设计应力附近在正常开汽/停汽或波动条件下最低操作温度℉由使用者拟定。最初转变温度℉本规范中采用Tref。如果Tref不知，可取转变温度为80℉L.10.4基本假设L.10.4.1既然885℉脆化在较短时间内即可发生，本模式中假设表L-12所列出任一种铁素体钢在700℉到1000℉温度范畴内都受到这种破坏形式影响。表L-12受885℉脆化影响材料特定钢材铬含量（%）Type40511.5-14.5%Type43016-18%Type430F16-18%Type44218-23%Type44623-27%L.10.4.2RP579建议，对脆性材料，其韧性可由Klr（断裂抑制）曲线拟定，100℉时除外。而对于有进一步规定材料，只可取这一数值50%。对于400系列铁素体不锈钢，其脆化转变温度普通在50℉到100℉之间。在本模式中，除顾客另有选取，Tref取80℉。图L-4绘出了KlC和Klc曲线对照图。图L-4断裂阻力曲线L.10.5拟定885℉脆化技术模式子因数图L-5列出了拟定技术模式子因数过程。图L-5拟定885℉脆化技术模式子因数第一步：拟定设备后续加工工艺或生产过程参数，与否存在低于某一温度下，设备不能承受满负荷状况。如果存在这一现象，使用这一温度作为Tmin，转到第三步。第二步：拟定设备最低使用温度Tmin，在下列各项中选取最低温度项：最低设计温度。工艺工程师预测最低温度。（涉及波动状态）第三步：拟定Tref。可以取默认值80℉，也可是已知其他转化温度。第四步：从表L-13中查出技术模式子因数。表L-13885℉脆化技术模式子因数Tmin-TrefTMSF100280860304087202000371-20581-40806-601,022-801,216-1001,381σ相脆断L.11.1概述L.11.1.1σ相是由铁和铬构成硬质、脆性化合物，其化学构成为Fe0.6Cr0.4。在1100℉到1700℉之间，铁素体、奥氏体和马氏体不锈钢都会发生这种形式破坏。σ相形成速度和数量取决于合金化学构成和初期冷加工工艺。铁素体稳定元素（如Cr、Si、Mo、Al、W、V、Ti、Nb）能增进σ相形成，而奥氏体稳定元素（如C、Ni、N、Mn）能制止σ相形成。奥氏体不锈钢中σ相构成最多为10%，并随着镍含量增长，σ相构成减少。但是，若合金含60%铁、40%铬（相称于σ相化学构成），其金相组织可完全转变为σ相。由此类Fe-Cr合金σ相转变-时间曲线可知，在1377℉完全转变为σ相只需3小时。奥氏体不锈钢也会发生这种σ相转变。有资料显示，奥氏体不锈钢在1275℉焊后热解决时，也会发生σ相转化。σ相在1650℉以上并不稳定。奥氏体不锈钢在1950℉经历4小时固熔解决，然后在水中急冷，可消除σ相。L.11.1.2含σ相材料机械性能决定于材料中σ相粒子数量、大小和形状。从这一点说，预测σ相材料机械性能是困难。L.11.1.3含σ相材料拉伸强度和屈服强度比固熔化解决材料要高某些。这种强度提高同步随着着韧性（由断面延伸率和面积减少而测得）减少、硬度少量提高。L.11.1.4σ相形成对金属机械性能影响最大是韧性。冲击实验表白，冲击功越小，σ相脆化不锈钢对比固熔化金属发生剪切断裂比例越小。这一影响在1000℉如下最明显，虽然在更高温度下冲击性能同样会减少。然而，由于奥氏体不锈钢在固熔化解决时显示了良好冲击性能，虽然它韧性有明显下降，但对比起其他钢材，它依然合用于炼油化工工业。材料性能委员会建议，对于热脆化奥氏体不锈钢，其默认断裂韧性值，对母材金属和焊缝金属分别取150ksi和80ksi。L.11.1.5对含σ相不锈钢进行FCC实验，显示钢材中虽然只有10%σ相形成，在1200℉时测量却贝摆锤式冲击韧性为39ft-lbs，这一数值被以为对大多数钢材都合用，但它远不大于固溶不锈钢测得190ft-lbs。同样试样，在室温下测得冲击韧性为13ft-lbs，这一临界值在大多数应用中依然可被接受。剪切断裂值是材料冲击韧性另一指标，即在却贝摆锤式冲击实验中发生塑性变形断裂百分数。对上述含10%σ相试样，其剪切断裂比例由室温时0%到1200℉时100%。因而，虽然钢材冲击韧性在高温下减少了，但它是以100%塑性变形形式断裂，阐明材料依然合用。室温下断裂韧性缺少，阐明在停汽时必要对含σ相金属避免使用过高应力，由于这会导致脆断发生。图L-6总结了304和321不锈钢冲击性能数据。图L-6304SS,2%σ相/321SS,10%σ相冲击性能L.11.2σ相脆化筛选问题拟定材料与否会遭受σ相脆化筛选问题列在表L-14中。表L-14σ相脆化筛选问题筛选性问题环节1.材料是奥氏体不锈钢吗？如果都是，