石嘴山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2-5-1(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(剪切面积英文称为：Shear Area，简写为S．A，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S．A逐渐减小，至S．A％=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-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。
 

　　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，2／3Charpy V厚度为6．7mm，1／2Charpy 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。
　　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2／3Charpy 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75°F(23．9℃)。再看2／3Charpy V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，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2-5-2 DWTT，Charpy V、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