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油氣管道的脆性斷裂

  
評論: 更新日期:2015年03月12日


  圖2-5-7的橫坐標(biāo)為試驗溫度低于DWTT的FATT的數(shù)值,縱坐標(biāo)為試驗時的應(yīng)力水平。由圖中可以看出,雖然溫度低于FATT,但應(yīng)力也相應(yīng)降低以后仍然可以止裂。在90%線以下的范圍,止裂幾率可達95%;在50%及95%之間的區(qū)域,止裂概率為50%~95%。試驗還表明,當(dāng)σ≤30%(SMYS)時,一般均可得到止裂,最壞的情況擴展也不會超過5m。
  以上試驗有重要的工程意義。當(dāng)管材無法滿足DWTT的FATT要求時,可以降低應(yīng)力水平使用。另外選材時,還可做經(jīng)濟比較:FATT低,則價格貴,這樣有可能取較低的應(yīng)力水平,較厚的鋼管而FATT較高的管材,其價格可能更低。
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圖2-5-7 低于FATT下的全尺寸試驗

  (二)脆性斷裂止裂的能量判據(jù)
  管內(nèi)的壓力使鋼管中產(chǎn)生彈性應(yīng)變能,這一能量儲存于管壁之中,當(dāng)鋼管破裂以后,能量將陸續(xù)釋放。管線破裂時的能量釋放率,即產(chǎn)生單位破裂面所釋放出的能量, 在斷裂力學(xué)上用G代表。釋放率的計算方法最早由Griffith給出,后來由Irwin 加以修正,并給出以下公式:
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式中:G———能量釋放率,kg·cm/cm2;
   σ———環(huán)向應(yīng)力,kg/cm2
   R———管半徑,cm;
   E———彈性模量,kg/cm2。
  材料對斷裂的阻力用R代表,R可由兩種辦法取得:
  (1)做在管線操作溫度下的夏比沖擊值,得出該數(shù)值后,除以缺口下面的凈斷面積ac,則得出單位面積上的沖擊能。
  (2)做常溫下(高于FATT)的夏比沖擊值,得出上平臺能(稱為CVN下同)。做DWTT試驗,在管線的操作溫度下進行,得出在此溫度下的S.A%,并按下式計算阻力R:
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  上述的DWTT的S.A%與全尺寸爆破試驗所得的S.A%尚有一些差別,為準(zhǔn)確起見,可以按圖2-5-8進行修正。
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圖2-5-8Z DWTT與全尺寸試驗S.A%的對換

  在工程上推薦用第二種方法。
  脆性斷裂的能量止裂判據(jù)為:
  G≥R 脆性斷裂擴展
  G<R 脆性斷裂止裂
  算例:有一批舊庫存管材希在新建管線上應(yīng)用,管線直徑914.1mm,厚度為9.9mm,材質(zhì)為X60,設(shè)計許用應(yīng)力為72%的規(guī)定的最低屈服極限(SMYS),材料在操作溫度(-25℃)下做DWTT試驗,多個試驗的平均值為S.A%=40%,該材料的上平臺值CVN=40.68J=4.14kg-m問該材料能否止裂,該材料的FATT=-15℃
  計算:
  求出能量釋放率G:
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  根據(jù)AOI5LX,對于X60,SMYS=4225kg/cm2
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  (三)能量判據(jù)的驗證
  為了驗證Irwin提出的脆性斷裂止裂的能量判據(jù)的正確性,曾經(jīng)做了大量的試驗工作,試驗結(jié)果見圖2-5-9。
  圖中的橫坐標(biāo)的(CVN)(S.A%),但不包括ac,縱坐標(biāo)乘以ac,這樣兩個坐標(biāo)的量綱均為ft·lb。
  圖中實心的圓圈為止裂,空心的圓圈為失穩(wěn)擴展,如果畫一條斜率為1∶1 的對角線,則恰恰把止裂與擴展分開,而這一對象線就是止裂條件。
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圖2-5-9 脆性斷裂止裂能量判據(jù)的驗證

  當(dāng)然也有個別例外,例如圖中尚有一空心點在止裂區(qū),但可以認為這種方法基本上是可靠的。

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