铁素体管线钢的分层裂纹及其对断裂的影响
影响管线钢应力腐蚀破裂的力学和材料因素
cro st ruct ure
1 引 言
腐蚀往往给油气田造成重大经济损失 、灾难性 事故和环境污染 。如若采取适当的防护措施 ,腐蚀 造成的经济损失的 30 %～40 %可以挽回 ,加强腐蚀 与防护研究可为石油工业带来巨大的经济效益 。
第 26 卷第 4 期 2002 年 4 月
机 械 工 程 材 料 Materials for Mechanical Engineering
Vol. 26 No . 4 Apr. 2002
影响管线钢应力腐蚀破裂的力学和材料因素
郭 浩1 ,2 , 蔡 1 , 杨 武2 (1. 上海交通大学材料科学与工程学院 ,上海 200030 ;2. 上海材料研究所 ,上海 200437)
HCO
3
溶液
穿晶的 (穿过钢的晶粒) 宽裂纹 ,有明显的大量裂 纹侧壁腐蚀 ,裂纹随着深 入而变窄
2. 2 有关 IGSCC 和 TGSCC 的研究 自从在失效分析中 ,经常在裂纹附近发现 Fe2
CO3 , 早期的研究就被集中在因 CO23 - - HCO3- 存 在的 I GSCC 方面 。这种类型的腐蚀发生在非常有 限的电位 、温度 、碳酸氢根离子 - 碳酸根离子浓度和 p H 范围内 。在过去 30 年中 ,高 p H SCC 问题已经 被许多不同的实验室进行了广泛的研究 。然而 ,随 着 T GSCC 在 I GSCC 不能发生的环境中被检测到 , 研究开始转向测试管线钢 T GSCC 环境敏感性 。
管线钢中分层裂纹的产生及对主裂纹扩展的影响
管线钢中分层裂纹的产生及对主裂纹扩展的影响摘要：本文分析了管线钢中分层裂纹产生的原因为钢板内部的弱界面和板中的三维应力状态共同作用的结果。
并且对分层裂纹产生后，对主裂纹扩展的影响进行了分析，其降低了裂纹尖端的应力三轴性，同时当裂纹达到分层裂纹界面时，其钝化了主裂纹，两者皆使得主裂纹在邻接层的引发变得困难，从而使得管线钢韧性得到改善。
关键词：管线钢；分层裂纹；三轴性；弱界面1引言管道运输是石油、天然气最经济、最方便、最主要的运输方式[1]。
油气长输管道管壁承受着很大的油气压力，油气管道一旦发生爆裂往往是灾难性的，经济损失巨大，对社会产生巨大的影响。
随着我国社会对能源需求的增加，长距离、大口径、高压力、耐腐蚀是我国油气管道发展的必然趋势，高强度高韧性管道材料也是必然的选择。
裂纹的快速扩展是构件最危险的一种失效形式，结构中裂纹一旦发生失稳，则将是快速动态扩展[2]。
管壁中的缺陷、运输过程中无意形成的刻痕或其他应力集中部位可能成为裂纹源，在管内气压作用下发生裂纹的快速扩展，疲劳裂纹扩展在后期也会出现快速裂纹扩展，管道在瞬间破裂数百米乃至上千米。
对输气管道而言，由于气体减压波速度较低，所以不易止裂。
迄今，全世界最长的输气管裂纹长度达13km，损失最严重的是1989年前苏联乌拉尔山发生的一次输气管爆裂事故，造成1024人伤亡。
美国1993年和1994年分别发生在华盛顿和新泽西州的两起输送管爆裂事故，损失也很严重[3]。
我国也曾多次发生过输送管线在使用和试压过程中出现爆裂的情形。
本文主要分析管线钢中分层裂纹的产生机理，及其对主裂纹扩展的影响，从而为油气长输管线安全评估提供一定的理论基础。
分层裂纹产生机理分层裂纹是控扎钢板断口上常见的一种断口形貌，如图1所示，其表现为经控制轧制的管道断裂或钢材在力学性能试验时，平行于主应力方向出现材料分层现象。
断口形成分层裂纹的控轧钢，断裂前内部并未存在裂纹，分层裂纹是受力变形后产生的。
DWTT异常断口浅析
DWTT异常断口浅析李云涛（宝钢股份研究院钢管条钢技术中心, 上海 201900）摘 要 剪切面积率（SA%）是管线钢产品的关键性能指标之一。
随着钢质纯净度和产品韧性的提高，“异常断口”成为管线钢产品一种常见的撕裂断口，DWTT中“异常断口”的观察和评价具有重要的工程意义。
本文利用体视显微镜（SM）、光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）对DWTT典型异常断口进行了研究，探讨了裂纹的扩展机制。
结果表明，试样采用压制缺口导致撕裂面多点起裂，裂纹传播过程中发生止裂和重新起动；异常断口的形成由裂纹的止裂和重新起裂导致，同时受到锤头打击区的塑性变形影响，与产品厚度和钢级无显著相关性。
关键词 DWTT 异常断口断裂韧性厚板剪切面积率Research on Abnormal Fracture Morphology of DWT TestLi Yuntao(Tube, Pipe & Bar Technology Center , Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai, 201900)Abstract Shear area ratio ( SA% ) measured by drop weight tear test ( DWTT ) is one of key indicators of heavy plate products. Observation and evaluation of fracture morphology are important to engineering characters. Typical abnormal fracture of DWTT test was researched in this paper. Stereoscopic microscope(SM),optical microscope(OM) and scanning electron microscopy (SEM) were used to evaluate the fracture and structure characteristics. Crack propagation and fracture mechanism were researched simultaneously. Results showed that abnormal fracture became the main fracture morphology with the improvement of steel cleanliness and strength grade. It easily lead to tear with multi-point crack initiation tested with pressed-notch specimens in DWTT. Crack arrest and re-crack initiation of crack propagation in the tearing process were also one of the reasons lead to the formation of abnormal fracture .Key words DWTT, abnormal fracture, fracture toughness, heavy plate products, shear area ratio管线钢断裂韧性评价是保证石油天然气输送管线安全性的重要手段之一[1, 2]，特别是对于天然气输送管道，国际上针对管线钢断裂韧性和止裂性能预测与评价提出了各种方法。
钢结构的材料损伤与断裂分析
钢结构的材料损伤与断裂分析引言钢结构是一种常见的工程结构，广泛应用于大型建筑、桥梁、航空航天和海洋工程等领域。
随着使用时间的增加，钢结构可能会受到材料损伤和断裂影响，导致结构的失效。
因此，对钢结构的材料损伤与断裂进行分析是十分重要的，可帮助工程师评估结构的安全性、制定维修计划和改进设计。
本文将介绍钢结构材料损伤和断裂的常见原因，并探讨分析方法和预防措施。
材料损伤原因腐蚀钢结构在受到湿气、盐水或化学介质的长期作用下，会产生腐蚀现象。
腐蚀作用会使钢结构表面产生氧化物，并逐渐破坏材料的内部结构，导致强度降低或出现局部腐蚀。
疲劳钢结构在经过长期重复加载后，会出现疲劳现象。
疲劳裂纹通常从材料表面开始形成，并逐渐扩展到内部。
如果这些裂纹未能及时检测和修复，可能导致严重的断裂事故。
高温高温环境下，钢结构的强度和刚度会发生变化。
超过临界温度时，钢结构会出现软化和失稳现象，导致结构崩溃。
负荷超载钢结构在设计阶段考虑的荷载和实际使用中承受的荷载可能存在差异。
长期超载会使钢结构的应力超过承载能力，从而引发材料损伤和断裂。
分析方法静态分析钢结构的静态分析通常通过有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）来进行。
在分析过程中，将结构划分为小的有限元，并利用数学模型和计算方法求解结构的应力和变形。
根据材料的物理性质和损伤模型，可以预测结构在不同荷载条件下的损伤和破坏行为。
动力学分析动力学分析可以帮助工程师理解结构在动态荷载下的行为。
通过数学模型和计算方法，可以预测结构在地震、风载和爆炸等荷载作用下的响应，从而判断结构是否存在损伤和断裂的风险。
检测与监测定期的检测和监测是预防和识别钢结构损伤与断裂的关键。
常用的方法包括超声波检测、磁粉检测和视觉检测等。
这些方法可以帮助工程师发现结构中的裂纹、腐蚀和其他损伤，及时采取修复措施。
预防与维修为了预防钢结构发生材料损伤和断裂，以下措施可以采取：1.选择合适的防腐涂层，以防止腐蚀现象的发生。
层状撕裂产生机理影响因素及防治措施
层状撕裂产生机理影响因素及防治措施一.危害性层状撕裂大多发一在大厚度高强钢材的焊接结构中，这类结构常常用于海洋工程、核反应堆、潜艇建造等方面，在无损探伤的条件下，层状撕裂不易发现而造成潜在的危险，即使判明了接头中存在层状撕裂，几乎不能修复，经济损失极大。
二.特征及危害性是一种内部低温开裂,一般表面难以发现。
1、产生的部位和形状宏观形状：在外观上具有阶梯状的形式，由基本上平行于轧制方向表面的平台与大体上垂直于平台的剪切壁所组成。
微观形状：扫描电镜观察低倍下：断口表面呈典型的木纹状，是层层平台在不同高度分布的结果高倍下：在平台表面可以找到大量片状球状或长条状的非金属夹杂物,剪切壁成撕裂岭的形态.部位：母材或热影响区2、产生在厚板结构中十字接头,丁字接头,角接头，平台局部地区有硅酸盐或氧化物夹杂物种类依产生部位分第一类是在焊接热影响区焊趾或焊根冷裂纹诱发而形成层状措裂；第二类热影响区沿夹杂开裂；第三类远离热影响区母材中沿夹杂开裂MnS片状夹杂较多。
三、形成机理及影响因素(一)、层状撕裂的形成过程厚板结构中焊接时刚性拘束条件下，产生较大的Z向应力和应变，当应变达到超过材料的形变能力之后，夹杂物与金属基体之间弱结合面发生脱离，形成显微裂纹，裂纹尖端的缺口效应造成应力、应变的集中，迫使裂纹沿自身所处的平面扩展，把同一平面而相邻的一群夹杂物连成一平，形成所谓的“平面”。
与此同时相邻近的两个平台之间的裂纹尖端处，在应力应变影响下在剪切应力作用下发生剪切断裂，形成“剪切壁“，这些平台和剪切壁在一起，构成层状撕裂所持有的阶梯形状。
(二)、影响因素1、焊接应力厚板T字接头或角接头焊接时，焊缝收缩会在母材内厚度方向产生很大的收缩应力与应变。
在工向应力较大。
2、非金属夹杂物的层状构造由于钢材在热轧中产生流线带状组织片状硫化物、层状硅酸盐、氧化铝夹杂物大量成片密集同一平面，会使产生层状撕裂，急剧降低Z向塑性。
3、母材性能①热影响区产生淬硬组织、塑性下降②母才内部应变时效加热150～350℃出现应变时效，塑性、韧性下降4、氢的作用氢集聚发生在夹杂物和基体界面上的氢脆引起层状撕裂四、防止措施1、控制夹杂物冶炼降低杂质，脱S加Ti、Zr或稀土元素，促使夹杂物破碎、球化(成本高)2、改变接头形式、降低焊接应力接头形式在受力最小时即可防止层状撕裂，通过开坡口来减轻钢板Z向受承受的应力和应变。
元素对钢的性能的影响及裂纹的形成和影响
化学元素对钢的性能的影响1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。
碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。
2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。
如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。
硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。
在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。
硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。
含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。
硅量增加，会降低钢的焊接性能。
3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50%。
在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。
含锰11－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。
锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。
4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。
因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。
5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。
使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。
硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。
所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。
在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。
6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。
铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。
钢锭表面的横裂纹是怎样产生的？它对轧制产品有什么影响？
钢锭表面的横裂纹是怎样产生的？它对轧制产品有什么影响？镇静钢锭的保温帽安装得不好及钢锭模表面粗糙等会使钢锭表面产生横裂纹。
这种横裂纹在轧制过程中不会消除，只能因钢锭延伸而扩大，最后在钢坯表面形成人字形或之字形等裂纹。
横裂纹在钢锭表面的位置不同，轧制变形的变化规律也不同示。
钢锭表面的横裂纹经轧制在钢坯表面形成之字形裂纹。
钢锭表面的纵裂纹是怎样产生的？它对轧制产品有什么影响？钢锭模设计不良、或浇注时注速太快，注温太高，或钢锭脱模过早，缓冷不当，使钢在凝固和冷却过程中产生热应力和组织应力而在锭身上部的角部、侧面产生纵裂纹。
这种裂，如果深度不大，在轧制时随着轧件的延伸会逐渐变细而消失，例如纵裂纹深度不超过10mm的5t 以上的大钢锭，轧成钢坯后，纵裂纹可以消除。
如果钢锭表面的纵裂纹较深，经轧制难以消除，就必须在加热之前进行清理。
钢锭表面的重皮是怎样形成的？它对轧制产品有什么影响？上注钢锭的表面重皮主要是钢水飞溅到模壁上形成的，一般出现在钢锭下部。
下注钢锭的表面重皮主要是由于浇注速度控制不当所致。
重皮与钢锭本身不是一个整体，经轧制重皮与钢锭一起延伸，在锕坯表邴彦成疤皮缺陷。
钢材的原料——钢锭和钢坯，表面经常有各种缺陷，如裂纹、结疤、重皮、皮下气泡、耳子、折叠等。
这些缺陷，经加热和轧制后，小部分可能得到改善甚至消除，微信公众号：hcsteel但大部分缺陷不仅不能消除反而扩展得更为严重，甚至使产品成为次品或废品。
因此，为了保证成品质量，一般在加热前都要对坯料表面缺陷进行清理。
但热装钢锭的清理工作可放在轧成钢坯后进行。
钢材的使用条件不同，对坯料表面的质量要求也不同。
有的产品要求对钢锭、钢坯表面的所有缺陷都必陪的清理；有的则可根据锭、坯表面缺陷的样清理。
钢结构裂纹成因分析及防范措施_0
钢结构裂纹成因分析及防范措施摘要：在工程建设中，钢材的应用必不可少。
而焊接裂纹是常见的钢结构焊接缺陷之一，焊接裂纹的存在可能导致严重的工程事故。
本文讨论了钢结构焊接过程产生的焊接裂纹的种类以及形成原因，提出了预防焊接裂纹出现的措施。
关键词：钢结构裂纹成因分析防范措施Abstract: in the engineering construction, the application of the steel is indispensable. And welding crack is a common steel welding structure, one of the existence of welding cracks can lead to serious engineering accident. This paper discussed the steel structure of the welding process produce welding cracks in the types and causes, and put forward the measures of prevention welding crack appeared.Keywords: steel structure crack reason analysis preventive measures前言近年来，我国经济发展迅猛，各种大型工程投入施工。
钢结构工程在建设中所占比重越来越大。
焊接是钢结构连接的主要方式之一，焊接质量在钢结构工程中极为重要。
但在焊接施工中一些焊接缺陷问题却普遍存在，例如：焊接裂纹、孔穴、夹渣、未熔合、形状缺陷等，其中焊接裂纹是其中危害最大而且是最普遍的一种，可能成为构件脆断、疲劳破坏和腐蚀破坏的起因，严重影响钢结构工程的质量和施工进度，如焊接裂纹未被发现和处理，还会危及钢结构工程的安全。