鋼管的韌性指標是與鋼管的強度的指標一樣,都是最重要的機械物理性能指標,韌性指標一般從三個方面提出要求。
1 、 FATT 指標
FATT 是 Fracture Appearance Transition Temperature 的簡稱,通常譯為 " 韌脆轉變溫度 " 。 FATT 可分為三種:一種以 DWTT 試驗為依據,用其剪切面積 (ShearArea) 為 80 %或 85 %所對應溫度為轉變溫度,這種方法應用的最多,且剪切面積多取 80 %,另一種以夏比試驗為依據,第三種以爆破試驗為依據。 提出 FATT 要求是保證管線不發生脆性斷裂,通常取 FATT 值為設計的管線可能產生的最低溫度再減 10 ℃。
世界管道史上最早也是最嚴重的一次脆性斷裂事故發生在 1960 年,在美國 Trans-Western 管線上進行氣壓試驗時發生的,該管線直徑 30 英寸 (762mm) ,壁厚 0 . 375 英寸 (9 . 5mm) ,鋼級為 X56 ,破壞時環向應力僅為 0 . 63(SMYS) ,斷裂總長 13 . 36km 。爆破時飛出 19 塊碎片,取出兩塊做夏比沖擊試驗,其剪切面積僅為 10 %和 40 %。此事故以后引起全世界的關注,并促進了斷裂力學及斷裂動力學的發展。
1974 年冬季,大慶至鐵嶺復線嫩江穿越段在陸上進行氣壓試驗時發生脆性斷裂,事故后筆者趕往現場進行事故調查和處理。該管線直徑 720mm , X52 鋼級試壓至大約 4 . 5Mpa 爆破,穿越段全長近 2km 全部脆斷,有些碎塊飛出近百米以外。筆者仔細的觀察了多數斷口,其剪切面積大致在 5-15 %范圍內。該管線因采用熱輸,故鋼材定貨時未提出 FATT 要求,因趕進度,施工隊伍在未經討論的情況下,決定冬季氣壓試驗以致造成事故。
由以上看出,無論對輸氣管線還是輸油管線都必須按規定提出 FATT 要求,以避免脆性斷裂。
2 、起裂韌性指標
鋼管中的缺陷長度 2a( 或當量裂紋長度 ) 由于疲勞裂紋擴展、腐蝕裂紋擴展等諸多原因,會逐漸增長,當 2a 增長至臨界裂紋長度 2ac 時,則發生 " 質變 " ,由穩定裂紋增長變成失穩擴展。以上 a 代表鋼管中缺陷或當量缺陷長度的一半, ac 為臨界裂紋長度的一半。 ac 的數值與鋼管的韌性有關,沖擊韌性越高, ac 值越大,所以沖擊韌性也是材料對缺陷的 " 容忍程度 " 或 " 容忍能力 " 的一個指標。 管道工作者要求在管線整個服役期限內 ( 或管線整個壽命期內 )2a 達不到 2ac ,這樣管線就不會發生失穩擴展,而穩定擴展只要達不到失穩擴展則是無害的,而且穩定擴展也是必定會產生的。 隨著管線工作條件的不同,穩定擴展的速度也是不一樣的,故起裂韌性指標也不盡相同。
3 、關于失穩擴展的止裂
我們要盡一切努力使管線不發生起裂,但有時起裂是難以完全避免的,這樣我們還必須退一步打算,即一旦發生起裂,由穩定擴展轉變為失穩擴展時,失穩擴展必須得到止裂。 由于管道工作者提出明確的 FATT 要求以及冶金工業的技術進步,除早期發生過脆性斷裂擴展事故外,近幾十年所發生的失穩擴展均系延性擴展。
在世界管道史上第一次延性失穩擴展發生在六十年代末期,管徑 36 英寸,鋼級為X65 ,斷裂長度接近 1000 英尺 (304 .8m) 。以后,直徑在 12-36 英寸范圍內,鋼級 X60 、 X65 、 X70 均發生過這種破裂。近二十余年關于管道斷裂的研究工作主要集中在延性斷裂的止裂上,而且取得可喜的成就。目前在美國、英國、日本等地均有研究小組及試驗場地,諸多的研究成果比較接近。
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