X100管线钢裂纹体的弹塑性断裂失效分析
管线钢综述
综述 管线钢指用于输送石油、天然气等的大口径焊接钢管用热轧卷板或宽厚板。管线钢在使用过程中，除要求具有较高的耐压强度外，还要求具有较高的低温韧性和优良的焊接性能。随着石油、天然气消费量的增长，其输送的重要性显越发突出，尤其是长距离输送。而提高输送效率，提高输送的经济效益就要通过加大输送管道口径，提高输送压力来解决。从而提高了对高级别、高性能管线钢的需求。 国外高级别管线钢呈现强劲的发展趋势，从20世纪70年代初期X65管线钢开始投入使用，80年代X70级管线钢逐渐被引入工程建设，1985年API标准中增加了X80钢级，随后X80开始部分在一些管线工程中使用，并很快就投入到X100和X120管线钢的开发试制工作。有关X100最早的研究报告发表于1988年，通过大量工作已形成很好的技术体系。高级别管线钢概述我国管道建设正处于大力发展阶段，因此管线钢的发展也非常迅速。20世纪50~70年代管线钢主要采用A3钢和16Mn钢；70年代后期和80年代采用从日本进口的TS52K钢（相当于X52级钢）；90年代，管线钢主要采用的X52、X60、X65级热轧板卷主要由宝钢和武钢生产供应。“八五”期间成功研制和开发了X52~X70级高韧性管线钢，并逐步得到广泛应用。西气东输工程采用了X70级管线钢并逐渐向X80过度。国内管线钢生产技术现状分析由于市场要求单管输气量不断提高。我国早期四川、西北地区的天然气管道采用X52及以下钢级、426mm以下管径的管线钢管，设计年输气量在10亿m3/a以下；陕京一线第一次采用了X60钢级、
D660mm管线钢管设计年输量提高到33亿m3/a；西气东输一线采用X70钢级、D1016mm管线钢管，设计年输量提高到170亿m3/a；最近建设的西气东输二线管道，采用X80钢级、D1219 mm管线钢管，设计年输量提高到300亿m3/a。 这种单管输气量不断提高的趋势仍在持续。当前国际上新一轮巨型天然气长输管道，单管输气量将达到450亿-500亿m3/a的水平。干线一般采用X80钢级，具有输送距离长、采用更高工作压力和大管径输送的特点。 一个具有代表性的项目是正在建设的俄罗斯巴甫年科沃-乌恰天然气管道。管线长度1100km，采用1420mm管径和K65（类似于X80）钢级，输送压力11.8MPa，单管设计输气量约500亿m3/a，计划于2012年第三季度进行系统调试。 另一个有代表性的项目是拟在北美建设的阿拉斯加北坡天然气外输管道，管道的输送能力约465亿m3/a，管线长度2737km，采用1219mm管径和X80钢级，将阿拉斯加北坡丰富的天然气资源输送到加拿大和北美市场。 我国也已在规划研究未来多条西气东输管道（西三线~西八线）的方案。包括将单管输气量提高到400亿~500亿m3/a的多种方案都在研究之中。 由于西气东输二线采用的X80钢级、管径1219mm，12MPa工作压力的方案只能达到300亿m3/a的输气能力，要将输气能力进一步提高到400亿-500亿m3/a，只能进一步提高输送压力和管径。
裂纹维修方法
金属结裂纹维修的方法 及其止裂 金属结构裂纹维修的方法及其止裂原理分析 摘要:目前,金属结构均面临着普遍的疲劳问题以及产生疲劳裂纹带来的维修问题。阐述了金属疲劳损伤问题产生的机理，提出可能的维修方法及其优缺点，为金属结构的的设计与维修提供依据。 关键词：疲劳损伤裂纹维修 前言 起重机金属结构常见的故障有裂纹、变形、严重锈蚀、刚度不够等。其中裂纹是门机最为常见的故障,占金属机构故障的80%以上。虽然金属结构的设计都符合常规设计的强度要求,但往往还是不可避免有裂纹产生。这是因为材料内部总难免在夹渣、气孔,加工的过程中可能有毛刺、划伤,焊接过程中存在未焊透等。在变应力的作用下,存在缺陷的部位或者应力最大部位往往最先出现疲劳裂纹,随着应力循环次数的增加,裂纹缓慢扩展直至达到临界尺寸而破坏。工程断裂力学认为,裂纹体存在一个临界裂纹长度ac。当存在的裂纹长度a< ac时,表示该裂纹体可以继续使用,如果a≥ac,表示该裂纹体不可使用。ac是可通过材料的断裂韧性常数KIC和材料应力场的分布数据求得
2min max 22c )(a σσπ-??=f K IC 在计算ac 时,可近似的采用σmin= 0,即不吊重时,构件裂纹处的应力为0。这样计算值ac 小于实际值,同时也有利于作出更安全的判断。σmax 可通过应力测量测出或者有限元法算出, f 表示修正系数。 断裂力学的判断标准是在能量平衡理论中称为裂纹扩展阻力GIC 的断裂韧性,它是材料固有的力学性能,表示裂纹体抵抗断裂的能力。当裂纹的推动力G1达到裂纹的扩展阻力的时候,裂纹就会扩展。推力曲线与阻力曲线的关系见图1。 图1 推动力与阻力曲线示意图 从图1中可以看出,裂纹扩展阻力GIC 随着裂纹推动力G1增大而增大。当推动力G1< G ″1,裂纹是不会扩展的。当推动力增长到G1= G ″1,裂纹扩展了Δa 后, GIC 的增长速度快于G1增长的速度,裂纹就会停止扩展。当推动力增长到G 1,时,裂纹长度增长了Δa ″时,裂纹推动力增长的速度将始终大于裂纹阻力的增长速度,裂纹体就会失稳继续扩展下去,直至断裂。因此,裂纹的扩展是依赖与裂纹推动力的不断提高的。裂纹的扩展速度由疲劳裂纹扩展的半经验公式得出
_型裂纹稳定扩展裂尖塑性区研究
第26卷第4期交 通 科 学 与 工 程 Vo l.26N o.42010年12月 JOURNAL OF TRA NSPORT SCIENC E AND ENGINEERING Dec.2010 收稿日期:2010-10-21 基金项目:湖南科技学院校级课题项目(09XK YT C018)作者简介:黄 金(1984-),女,湖南科技学院助教,硕士. 文章编号:1674-599X (2010)04-0035-06 型裂纹稳定扩展裂尖塑性区研究 黄 金1 ,杨邦成 2 (1.湖南科技学院土木工程与建设管理系,湖南永州 425100; 2.昆明理工大学建筑工程学院,云南昆明 650093) 摘 要:运用F RA NC2D/L 软件分别对6.35mm 和2mm 两种厚度A r can 试件的 型裂纹稳定扩展进行数值计算,研究了该软件的网格划分技术对计算结果的影响,发现该软件的计算精度主要受裂纹区的网格密度影响(当裂纹面单元与裂纹每步扩展单元尺寸一致时,计算精度好).通过分析有效应力,研究了材料、裂纹扩展长度及试件厚度对裂纹尖端塑性区尺寸的影响.研究结果表明,材料的屈服应力越大,其裂尖塑性区尺寸越小;塑性区尺寸随裂纹扩展长度的增加,先增大后趋于不变;塑性区的形状与板厚或边界有关,6.35mm 厚的母材及3种焊接板材塑性区成扩散型,2mm 厚的母材成Dugdale 模型,25.4mm 以上厚度母材成平面应变模型;裂纹启裂时,塑性区随着厚度的增加而减小,最终不变.关键词:FR AN C2D/L ;网格技术; 型裂纹扩展;塑性区中图分类号:O346.1 文献标识码:A Research on plastic zone of type model crack extension stability H U ANG Jin 1 ,YANG Bang cheng 2 (1.Faculty of Civ il Engineer ing and Constr uctio n M anag ement,Hunan Co lleg e of Science and T echnolo gy ,Y ongzhou 425100,China; 2.Facult y of Civ il and A rchitectural Eng ineer ing, K unming U niversity of Science and T echno lo gy ,K unming 650093,China) Abstract:FRANC2D/L is used to simulate type model crack extension in tw o thick ness Arcan specim ens,of 6.35m m and 2mm,respectively.The effect of meshing tech nique on the calculation is studied.T he calculatio n precision of the so ftw are is mainly im pacted by the crack of m esh (T he better calculatio n precision is obtained w hen the crack surface unit is consistent w ith crack expansio n unit).T he size o f plastic zo ne of the crack tip,w hich is affected by mater ials,crack propag ation leng th and specim en thick ness,is investig ated by analy zing the effective stress.T he results sho w that:m aterial y ield stress is big ger,the crack tip plastic zo ne size is sm aller,plastic zone size w ith crack propagation length increases at first increases,then tends to be unchang ed,the shape of plastic zone is relev ant w ith the thickness o r bo undary ,such as,plastic zone of 6.35mm thick m other m aterials and three kinds o f w elding plate is diffusion type,plas tic zone o f 2m m thick m other materials follow s Dugdale model,plastic zone of m ore than 25.4m m thickness mother materials follow s plane str ain mo del.With crack initia tion,plastic zone decreases at first,then unchanges w ith the incr ease of thickness.Key words:FRANC2D/L;m esh technique; type crack ex tensio n;plastic zone
铸铁壳体裂纹快速修复方法
铸铁壳体裂纹快速修复 众所周知，铸铁件性脆且铸造过程中易产生气孔，在长期的震动和冲击下，易造成应力集中，导致壳体开裂。 一、裂纹位置及情况 某化工有限公司热电厂汽机车间12000汽轮机低压油动机，裂纹在壳体拐角处法兰附近。 设备名称：低压油动机； 设备材质：铸铁HT250； 损坏形式：壳体裂纹； 介质：液压油； 裂纹情况：非常严重； 裂纹长度：150mm； 最高压力：1.1MPa； 工作温度：50-60℃； 设备价值：3~4万元人民币。 该设备属于液压设备，在工作过程中承受较大的压力及振动力。由于设备材质为铸铁，铸造过程中难免存在不易发现的铸造缺陷，加上长时间满负荷运行，在壳体的薄弱部位极容易出现砂眼渗漏或裂纹渗漏，使设备无法正常工作，液压油的泄漏同时给现场工作环境造成极大的安全隐患，严重威胁企业的安全连续化生产。 在出现此类问题后，企业没有及时有效的解决手段，由于铸铁的焊接性能非常差，加上液压设备的密封性要求较高，传统的焊补工艺根本无法实现修复。而现场一般没有此类设备的备品备件，购买更换需要大量的停机时间。 福世蓝2211F高分子金属修复材料优良的机械性能及良好的粘接力、耐压性，使得该问题得以有效解决。施工过程简单快速可满足现场施工之要求，并可延长设备使用寿命、提高生产率。 二、2211F高分子金属修复材料施工工艺 根据现场情况，我们建议企业先用电焊把裂纹上下连接，焊接几个点用于加强壳体结构力。找到裂纹的终点位置，在终点处打4.2mm止裂孔防止裂纹的进一步延伸。用磨光机沿裂纹打磨干净，向两边扩展3cm 打磨。用无水乙醇清洗干净后调和2211F高分子金属修复材料配合901加强带对裂纹进行修复治理。
管线钢综述
管线钢综述 欧阳高凤 摘要：本文对管线钢的大概发展历程、成分冶金、显微组织、力学性能、轧制工艺、焊接性及焊接工艺进行了论述，从而能够了解管线钢的发展，为课题研究打下基础。 关键词：管线钢成分显微组织力学性能生产工艺焊接工艺发展 1 管线钢的大概发展历程 半个多世纪以来，随着石油和天然气的开发和需求量的增加，从而带动了管线钢的发展。由于管道运输具有经济、方便、安全等特点，进入二十一世纪以来，管线钢呈现蓬勃发展的趋势。我国管线钢的应用和起步较晚，过去已铺设的油、气管线大部分采用Q235和16Mn钢。我国开始按照API标准研制X60、X65管线钢，并成功地与进口钢管一起用于管线铺设。90年代初宝钢、武钢又相继开发了高强高韧性的X70管线钢，随后成功研制了X80管线钢，X70和X80管线钢已大量应用于油气管道运输中。近几年开发的高强韧的X100和X120管线钢还处在试验阶段，应用方面还比较少。 在我国，石油、天然气的运输基本上已经实现了管道运输。但是与世界上工业发达国家相比，国内的管道运输在质量上和数量上都存在很大差距。中国虽然为世界的主要石油出产国之一，但输油输气的管道不足世界管线总长度的百分之一，而且普遍存在输送压力低、管径小的缺点。随着我国油气资源的进一步开发利用，西气东输的工程实施，油气管线向长距离、大口径发展是必然趋势。下面从管线钢的冶金成分、显微组织、力学性能、生产工艺及焊接工艺等方面，进一步较详细的介绍管线钢的发展。 2 管线钢的冶金成分的发展 管线钢和其他的微合金钢一样，都是在传统的C-Mn钢的基础上加上合金元素。合金元素主要以Nb、Ti、V或少量的Mo、Cu、Ni、Cr及B为主，以这些合金元素来对管线钢进行合金设计，以达到不同的强度等级及性能要求。 管线钢的冶金成分的发展大致经历三个阶段。第一阶段为1950年以前，是以C-Mn和C-Mn-Si钢为主的普通碳钢，强度级别在X52以下。第二阶段为1950-1972年，在C-Mn钢的基础上引入微量的Nb、Ti、V，通过相应的热轧和轧后处理工艺，提高了钢的综合性能，生产出X60及X65级别的钢。第三阶段为1972年至今，这一阶段合金化的发展特点为微合金的多元化，相继又加入少量的Mo、Cu、Ni、Cr及B，结合控轧控冷的新工艺，生产出综合性能优异的管线钢，主要以X70和X80管线钢为主，X100和X120管线钢在试验研究阶段。 下面具体论述以下管线钢中这些合金元素或微合金元素的作用及添加量。2.1 碳 碳是最传统的合金元素、强化元素，而且也是最经济的元素，但它对钢的可焊性影响很大。碳是影响焊接性能最敏感的一个元素，所以20多年来管线钢的碳含量是逐步趋向于低碳或超低碳方向发展。而且随着含碳量的增加，韧性下降，偏析加剧，抗HIC和SSC的能力下降。因此，随着管线钢级别的提高，碳含量应逐渐降低。管线钢的含碳量从开始的1.0%左右逐步降低，最低可达到0.01%。
裂缝产生的原因及防治措施
一、外保温产生裂缝的原因及治理 1、现象：苯板面层出现可见的裂缝，形状不规则，互不连通，裂缝宽度在0.5mm以下，多出现在施工2个月以后，经过一年后裂缝宽度会超过1mm。 2、原因分析： 1）材料方面： ①材料密度低，易变形，抗拉性能差，使保温层开裂； ②材料陈化时间不够，在苯板粘贴完成后仍在变形； ③抹面砂浆与聚苯板的导热系数相差较大，面层变形出现的量差较大，引起开裂； ④底胶粘结性能不满足要求，苯板固定不牢，引起开裂； ⑤抗裂砂浆内聚合物柔韧性能低； ⑥使用了不合格的玻璃纤维网格布，易断裂，不能有效的分散应力； ⑦涂料饰面层使用了刚性腻子，柔韧性能不够，引起开裂。 2）施工措施方面： ①基层不平整、不清洁； ②胀丝深度不足，数量不够； ③粘结面积小； ④网格布搭接长度不足； ⑤门窗洞口四角处附加网格布未设置； ⑥高温气候下施工，面层失水过快，引起开裂。
3、防治措施： 1）材料方面：苯板密度控制在18-22kg，抗拉强度要大于0.1MPa，陈化时间在自然条件下陈化42天或在60℃蒸汽中陈化5天，玻璃纤维抗拉强度值不得小于750N/50mm，底胶拉伸强度不得小于0.6MPa，浸水48小时后不得小于0.4MPa。 2）施工工艺方面： ①基层处理应到位； ②苯板粘贴采用点粘或框粘时实际粘结面积不得小于40％，竖缝应逐行错开，门窗洞口四角处必须采用“刀把”形做法，墙角处应交错互锁； ③面胶施工前应检查苯板是否粘贴牢固，一般在贴后24h方可进行抹面，面胶应随拌随用，且必须在1.5h内用完，抹面层应二次抹成，一层，压网，二层，网格布在规定的部位必须进行翻包，网格布搭接长度均不得小于100mm，严禁出现网格布松弛不紧，褶皱。 二、混凝土产生裂缝的原因及治理 原因分析：工程实践应用表明，裂缝形成的主要原因来自3个方面，变形、荷载以及材料性质。一般由温度、收缩、不均匀沉降引起的变形而造成裂缝产生占总量的80％，荷载等原因造成的裂缝约占20％，根据这些主要因素，一般习惯把混凝土裂缝总结归纳为：收缩裂缝、温度裂缝、沉降裂缝、徐变裂缝、应力裂缝以及施工裂缝几类。裂缝一旦出现后将会随着时间的变化而变化，其宽度、深度、形状可能会
WC_钢基复合材料断裂韧性与断口形貌特征
收稿日期:1998-08-29 第一作者:男,1946年生,硕士,教授*甘肃省自然科学基金资助项目 WC -钢基复合材料断裂韧性与断口形貌特征* 杨瑞成 王军民 车 骥 (甘肃工业大学材料工程系,兰州 730050) 摘 要 采用单边切口梁法(SENB)测试了12种工艺状态的WC 增强钢基复合材料的断裂韧性K c ,并用扫描电镜观察了其断口形貌.试验表明SENB 法对于WC-钢基合金的断裂韧性测试适用可行,数据稳定.研究发现数量众多(40%左右)的硬质相对材料的断裂韧性起决定性作用,细化硬质相及加强硬质相-基体交互作用有利于材料断裂韧性的提高.断口的主要特征为WC 解理、基体准解理及部分分散韧窝和韧窝带. 关键词 复合材料 断裂韧性 断口 WC 硬质相 钢基体 分类号 TG407 碳化物-钢基复合材料已成为一种新型工程材料,不仅在机械工程,而且在其它行业如冶金、矿山和能源等行业,展示了其广阔的应用前景.作为一种能承受繁重负荷、高磨损工况的特殊结构材料,其常规力学性能已有较多研究[1～3],但是关于断裂韧性及断口形貌的报道甚少[4～5].究其原因,一般认为此类材料介于钢铁材料与陶瓷材料之间.钢铁材料的断裂韧性测试早已成熟,常用三点弯曲及紧凑拉伸的试验方法;陶瓷材料则鉴于其高脆性及工程需求,其不同于塑性材料(如软钢)的断裂韧性测试方法正在研究之中[6～8].碳化物-钢基复合材料从化学组成及制作方法上,更近于陶瓷材料,但目前尚无公认的、可靠的断裂韧性试验方法.本文结合材料性质,通过分析对比,尝试用单边切口梁法(SENB )[6]测试并考察了不同状态下WC -钢基复合材料的断裂韧性,以及扫描电镜下的断口微观形貌特征. 1 实验方法 1.1 材料和试样 试验材料为WC-CrNiMo 钢基合金,WC 粒子为硬质相,中碳CrN iMo 合金为基体相,WC 粒子约占35%～45%.此类材料是将原料混粉,经特殊工艺烧结成型(烧结态),有的再锻造(锻打态),然后经不同工艺的热处理,加工成40mm ×8mm ×4mm 的扁平试样,横向一侧用<0.11的钼丝线切割,开一定深度的切口. 1.2 材料的工艺及热处理状态 试样淬火温度和回火温度分别为960℃,1000℃,1040℃和200℃,250℃,300℃,原始状态为烧结态和锻打退火态,共12种工艺状态. 第24卷第4期 1998年12月甘 肃 工 业 大 学 学 报Journal of Gansu University of Technology Vol.24No.4Dec.1998
管线管断裂韧性试验SAMSS-022
材料系统说明01－SAMSS－022 1997年2月26日管线管断裂韧性试验方法 Saudi Aramco 案头标准 目录 1范围 2 2冲突与分歧 2 3参考文献 2 4管线管等级 2 5测试方法 3 6夏氏冲击功测试方法 3 7重力落锤冲击试验 4 8重新测试 4 9报告 4 10标准 4 1／4
文件范围：01－SAMSS－022 出版日期：年月日 计划再版：年月日 1 范围 本规范规定了适用API 5L管线管的冲击测试方法，当Saudi Aramco工程标准有要求时，名义直径大于或等于6英寸，壁厚为6.3mm到3.8mm（0.25到1.5英寸），对于野外铺设的管线管、流管、干线管，工作条件在0℃以上，应符合本规范要求。 本规范是01－SAMSS－033和01－SAMSS－035的增补要求，并且应附加于相关要求，引用要求和订单之兵团。本说明不适用于平端管线管。 2 冲突与分歧 2.1 当本说明与其它适用的Saudi Aramco材料系统说明（SAMSSs）、工程标准 （SAESs）、标准图样（SASDs），或工业标准、代号和形式菜任何冲突时，应 由公司或习方代理人写书面材料，通过Saudi Aramco咨询服务部的主管 人来解决。 2.2 将与本规范有偏差的全部要求用书面材料交给公司或买方代理代，他将按 公司内部程序SAEP－302处理并将这些要求转交给Dhahram市的Saudi Aramco咨询服务部的主管人。 3 参考文献 本规范所涉及的材料、设备、设计、结构、维护和设备及修理的选择应遵从下列参考文献的最新版本，除非人其它通知或这些文件指定的章节有变动。 3.1 Saudi Aramco参考文献 Saudi Aramco工程程序 SEAP－302 为获得一项Saudi Aramco强制的设计要求的指导 Saudi Aramco材料系统说明 01－SAMSS－033，API 5L 电焊管线管 01－SAMSS－035，API 管线管 3.2 工业代号和标准 美国石油学会 API 5L－SR 5＆6 管线管说明，附加要求5（SR5）和附加要求6（SR6） 4 流体管分类 符合本说明范围的流体管，在这里根据在不同类型流的条件下服役所要求的冲击强度来分类。 2／4
高强钢断裂韧性与裂纹扩展机制研究
高强钢断裂韧性与裂纹扩展机制研究 凭借优异的综合力学性能,高强钢成为目前应用最广泛的金属结构材料,在当今及未来工业发展中占据重要的地位。高强钢在服役过程中长期经受循环载荷作用,其疲劳与断裂问题成为高强钢的重点研究方向。 随着断裂力学发展,损伤容限设计成为航空、航天等国防重要工业领域的关键构件疲劳断裂控制方法。材料的疲劳裂纹扩展性能与断裂韧性是构件损伤容限设计基础,然而目前对高强钢疲劳裂纹扩展及断裂韧性的研究仍不完善。 因此,本研究选取一种典型AISI 4340高强钢为研究对象,基于能量原理深入探讨断裂韧性的评价方法及裂纹扩展微观机制;以Paris公式为基础,建立了改进的疲劳裂纹扩展速率公式,并提出一种快速预估疲劳性能的判据;通过深入探究疲劳裂纹扩展微观机制,由此形成疲劳裂纹扩展三阶段的宏观力学模型。本文试图通过对高强钢中疲劳裂纹扩展及断裂韧性等相关问题的理解,尝试将所研究理论直观地应用到工程领域,为工程优化选材及关键构件可靠性设计提供具有一定价值的参考依据。 提出了三种评价金属材料平面应变断裂韧性KIC的方法。1)基于裂纹扩展初始阶段到临界失稳状态消耗能量的分配,建立了试样厚度B与断裂韧性KIC的定量关系,借助此公式可以实现小尺寸试样估算断裂韧性KIC,此项工作可应用于高韧性金属材料的断裂韧性评价。 2)以试样整体断裂过程中的能量消耗,推导出断裂能密度WF与剪切唇宽度s 的定量关系。其中WF在最大剪切唇宽度处达到最低,此时处于正断与切断的竞争平衡,揭示了裂纹扩展过程中遵循最低能量密度原理,并以此建立了剪切唇宽度与断裂韧性的定量关系。
3)从冲击韧性与断裂韧性的能量消耗方式及共同遵循的能量原理出发,提出两种韧性剪切唇宽度之间的线性关系,由此获得高强钢中冲击韧性与断裂韧性的定量关系式。探讨了不同强韧性钢中裂纹扩展微观机制的转变过程。 发现随着韧性提高,AISI 4340钢微观断裂特征从解理-韧窝混合型断口向韧窝连续转变,三维XRT图像显示裂纹扩展方式由跳跃性向连续性逐步演化。低韧性钢中,裂纹在应力控制下以解理断裂方式连接其尖端附近的微裂纹,裂纹扩展速率加快;高韧性钢中,裂纹在应变主导下钝化扩展,且与附近聚合长大的微孔连接形成新的裂纹尖端;上述两种裂纹扩展微观机制可同时出现中等韧性钢中,此时应力应变存在竞争平衡,裂纹以交替方式向前扩展。 高强钢的断口微观形貌可分为三种典型特征,其形貌特征的形成过程与能量消耗有关,基于此建立了高强钢断裂韧性与断口微观形貌特征之间的定量关系。建立了具有预测性的疲劳裂纹扩展速率公式及疲劳性能优化判据。 以Paris公式为基础,引入强韧性参量,推导出改进的疲劳裂纹扩展速率公式。阐述影响材料疲劳裂纹扩展性能的两大因素,疲劳裂纹扩展的变化过程取决于断裂韧性,疲劳裂纹失稳扩展的临界速率由抗拉强度控制。 凭借该公式可以由材料的静态力学性能预测疲劳裂纹扩展性能,这在高强钢中得到了验证。此外,提出一种疲劳裂纹扩展性能与材料强韧性的定量判据,基于该判据可以在强韧性倒置关系曲线中选出最优疲劳性能的材料,并能够阐述材料同步强韧化可提高疲劳性能的本质。 该公式与判据在合金钢、钛合金及铝合金中都得到准确的验证,为材料的疲劳性能优化提供理论依据。探索了疲劳裂纹扩展微观机制及宏观力学模型。 在断口微观形貌中发现,疲劳裂纹扩展稳态阶段出现疲劳辉纹与韧窝特征共
工业管道检验案例
工业管道检验案例1. 引言 1.1 管道检验检测概述 失效机制 影响因素 外在表征如何在一定时间内有效无损地检测发现？ 发展规律 预防措施 检验人员应当根据压力管道的使用情况、失效模式制定检验方案。改变机械地使用检验规则规定的习惯做法。 失效模式分析 检测方法检测时机 管道检验目的：发现并预防管道的不正常状态，避免管道失效，发生事故。 失效案例 典型失效模式
API 给出的腐蚀失效模式（63种） 氢致损伤：氢腐蚀、氢脆(微裂纹)、堆焊层的氢致剥离 爆炸 断裂 泄漏 形过量变 表面损伤、金属损失 材料性能退化 物理爆炸：物理原因(温度、内压)使应力超过强度 化学爆炸：异常化学反应使压力急剧增加超过强度 脆性断裂：应力腐蚀、氢致开裂、持久(蠕变)断裂、低温脆断 韧性断裂 疲劳断裂：应力疲劳、应变疲劳、高温疲劳、热疲劳、腐蚀疲劳、蠕变疲劳 密封泄漏：充装过量(冒顶) 腐蚀穿孔、穿透的裂纹或冶金、焊接缺陷(满足LBB 条件) 过热、过载引起的鼓胀、屈曲、伸长、凹坑(dent) 蠕变、亚稳定相的相变 电化学腐蚀：均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、沉积物下腐蚀、溶解氧腐蚀、碱腐蚀、硫化物腐蚀、氯化物腐蚀、硝酸盐腐蚀 冲蚀、气蚀 高温氧化腐蚀、金属尘化或灾难性渗碳腐蚀、环烷酸腐蚀 外来机械损伤：油气长输管线的主要失效模式之一 辐照损伤脆化 金相组织变化：珠光体球化、石墨化、S 相析出长大、渗碳、渗氮、脱碳、回火 脆化与敏化、应变时效 压力 容 器 与 管 道
1.2 压力管道的失效 压力管道是具有潜在泄漏和爆炸危险的特种设备，对国家支柱产业有重要影响，其特点是： ●量大面广：截止2009年底，我国在用固定式压力容器217.5万台，锅炉60.9万台，在用气瓶1.3 亿只，压力管道68.5万公里，与承压设备相关的生产企业2万多家，年产值超过5000亿元。 ●服役环境极端化：逐渐向高温、低温(液化天然气集输，-196℃)、复杂腐蚀(高硫、高酸原油炼制)、 大型化等极端方向发展。 石化企业Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类管道事故原因：管理不善、安装原因、腐蚀与冲蚀、设计原因、制造原因 失效分析的主要技术手段
管线钢落锤撕裂实验标准比较1
管线钢落锤撕裂试验及标准 一、落锤撕裂试验（DWTT） 落锤撕裂试验（Drop-Weight Tear Tests——DWTT）是一种用于评价脆性断裂止裂性能的试验方法，是评价线钢钢板内在质量的重要手段之一，通过对全截面钢板试样的一次性快速冲断，从断口上观察冶金缺陷、断口性质、形貌等特征，综合评价冶金质量和抗破裂能力。近年研制成功的高新钢种。国标中对线钢的强度、可焊性、断裂韧性和抗腐蚀等性能和钢管质量都有极为严格的要求。落锤撕裂试验DWTT结果主要是建立断口形貌与温度的关系。由于DWTT结果与线实物气爆有很好的相关性,所以被广泛应用对管线的断裂进行控制和预测,并作为衡量管线钢管抵抗脆性开裂能力的韧性指标之一。按照试验标准规定,试样必须在离开保温设备10 s内一次冲击砸断,结果方为有效。但在日常检验中,由于在试样质量、设备调整、操作方法等方面控制失当,经常会出现试验过程失效的现象。 SYT 6476 2007 输送钢管落锤撕裂试验方法.pdf DWTT试验方法 试样及温度要求采用单边压制缺口原板厚矩形试样,长度为300±5 mm,后调整为305±5 mm,宽度为75±1.5 mm。采用刃口角度为45±2°的特制工具钢压头在试样上压制出深度为5±0.5 mm的缺口。在-75~100℃的范围内,应将试样完全浸于装有适宜液体(酒精)的保温装置内,液体温度与要求试验温度的偏差不得大于±1℃。试样在要求的试验温度下至少保温15 m in,为保证温度均匀,应使保温装置内的液体流动;从保温装置中取出试样装入试验机并迅速打断。 二、管线钢标准中DWTT规范 DNV标准 Drop Weight Tear Testing (DWTT) shall only be performed on welded linepipe with outer diameter > 500 mm, wallthickness > 8 mm and SMYS > 360 MPa. A DWTT transition curve shall be established for the linepipe base material. Minimum five sets of specimens shall be tested at different temperatures,including T min. Each set shall consist of two specimens taken from the same test coupon. The test shall be performed in accordance with Appendix B. The specimens tested at the minimum design temperature shall as a minimum, meet an average of 85% shear area with one minimum value of 75%. 205 If supplementary requirements for sour service as in I100 are specified for linepipe material with SMYS ≥450 MPa the acceptance criteria stated in I204 (average and minimum shear area) may be subject to agreement. A 800 Drop weight tear test 801 Drop weight tear test shall be carried out in accordance with API RP 5L3. 802 Full thickness specimens shall be used where possible.Reduced thickness specimens may be used subject to Purchaser agreement. If reduced thickness specimens are used,both surfaces shall be equally machined to the thickness of 19.0 mm. The testing temperature reduction given in API RP 5L3 shall apply.
ANSYS workbench 裂纹分析
基于ANSYS Workbench的表面裂纹计算 By Yan Fei 本教程使用ANSYS Workbench17.0 进行试件表面裂纹的分析，求应力强度因子。需要提前说明的是，本案例没有工程背景，仅为说明裂纹相的计算方法，因此参数取值比较随意，大量设置都采用了默认值。 1.背景知识 传统的强度设计思想把材料视为无缺陷的均匀连续体，而实际工程构件中存在多种缺陷，断裂力学是从20实际50年代末期发展起来的一门弥补了传统强度设计思想严重不足的新的学科，是专门研究含缺陷或裂纹的物体在外界条件作用下构件的强度、裂纹扩展趋势以及疲劳寿命的科学。断裂力学是从构件内部具有初始缺陷这一实际情况出发，研究在外部荷载下的裂纹扩展规律，从而提出带裂纹构件的安全设计准则。 a 张开型裂纹 b 滑开型裂纹 c 撕开型裂纹 图 1 裂纹的分类 使用弹性力学方法可以求得，在裂纹尖端处的应力的解析解为无穷大，此时应力值已经失去意义，一般采用应力强度因子作为判断结构是否安全的指标。目前的断裂力学研究主要集中在I型裂纹的开裂，数值计算工具也多集中在I型裂纹的计算上，因此以I型裂纹为例。
图2 裂纹尖端坐标系 含有裂纹的无限大平板的I 型裂纹尖端附近的应力为： )(23cos 2sin 223sin 2sin 12cos 223sin 2sin 12cos 20ⅠⅠⅠr O r K r K r K xy y x +???????????=??? ??+=??? ???=θθπτθθθπσθθθπσ 其中，K Ⅰ叫Ⅰ型裂纹的应力强度因子。 2. ANSYS Workbench 裂纹分析 2.1. 分析模型的建立 1 建立一个静力分析步，材料使用默认，需要说明的是，现有计算技术下，断裂力学计算一般都采用线弹性材料，考虑到断裂中塑性区一般都不大，线弹性的假设还是可以接受的。 图3 分析步设置 2 建立几何模型，本案例使用spaceclaim 建立几何模型。 图4 试件平面图
管线钢管断裂韧性测试
断裂韧性测试 一.影响管线钢韧性的材料学因素 所谓韧性，是指材料在外载荷作用下抵抗开裂和裂纹扩展的能力，也就是材料在断裂前所经历的弹塑性变形过程中吸收能量的大小，它是强度和塑性的综合体现。准确地测试管线材料的断裂韧性不仅可确保管道使用的安全性，而且是在新产品研发中评价其冶金因素是否满足管材韧性要求的有效途径。 在前面成分分析部分已经详细论述了管线钢中各个合金元素对韧性的影响，这里就不在赘述。除了成分的影响外，影响韧性的因素还包括晶粒尺寸、组织结构、夹杂物的形态与分布等。 晶粒尺寸晶粒尺寸是唯一既能强化又能韧化的因素，在管线钢的控制轧制过程中，细化晶粒已作为韧化的一个重要的手段。实践证明，现代控轧工艺已经使得超细晶粒钢称为现实。对于少珠光体钢，晶粒尺寸可细化至几个微米。 不同组织的管线钢以及管线钢中的各个组织所占比例不同，韧性也会显著不同。在铁素体-珠光体管线钢中，随着珠光体含量的增加，管线钢的韧性降低，韧脆转变温度同时降低[1]。目前普遍认为针状铁素体管线钢是具有良好的强韧匹配的。实际上，针状铁素体型管线钢的显微组织通常为针状铁素体和多边形铁素体的混合组织，随着加速冷却速率的提高，可能在组织中出现分布的M-A小岛[2]。一般认为多边形铁素体不是管线钢的理想组织形态[3]。对于针状铁素体的强韧性，Tanaka[4]认为：针状铁素体组织与贝氏体组织相比，有高的韧性原因是贝氏体具有较大的断裂单元(有效晶粒尺寸)，而针状铁素体具有较小的断裂单元(有效晶粒尺寸)。但Tanaka同时认为，100%的针状铁素体具有高的强度，但韧性较低。而提高韧性的有效方法是通过降低变形温度并增加在奥氏体非再结晶区的变形量获得细小晶粒的多边形铁素体加针状铁素体的混合组织。韧性提高的原因是多边形铁素体及针状铁素体的细化[5]。肖福仁认为：在针状铁素体中，裂纹扩展必定强烈地受到彼此咬合、互相交错分布的细小的针状铁素体条束的阻碍，从而有效地提高了钢的强韧性[5]。 图1 裂纹在针状铁素体中的扩展模型 夹杂物以及M-A组元的形状、数量、尺寸和分布同样对管线钢的韧性产生重要的影响。当体积分数一定时，夹杂物以及M-A组元尺寸越细小、分布越弥散，管线钢的韧性越好。
管线钢断裂韧度测试实验研究进展
技 术 综 述 管线钢断裂韧度测试实验研究进展 白永强,帅 健,许 葵 (石油大学(北京),北京 102249) 摘 要:随着管道钢强度和韧度的增加,表征材料断裂韧度的参数也在变化,同时断裂韧度测试技术也得到了不断的发展。本文介绍了几种测试材料断裂韧度的小试件实验以及存在的问题。重点介绍了一种准静态测试CT OA的小试件,以及测量CT OA的实验方法,为天然气管道止裂研究提供帮助。 关键词:天然气管道;断裂韧度;裂纹尖端张开角;断裂控制 中图分类号:TE973 文献标识码:A 文章编号:1001-4837(2005)05-0035-05 The Progress of Fracture Toughness Test in Pipeline Steel BAI Yong-qiang,SHUAI Jian,XU K ui (University of Petroleum,Beijing102249,China) Abstract:With the increasing use of high strength and toughness steels in oil and gas pipelines,the parameter of the crack toughness of material is continuously developing,s o do the test technique of fracture toughness.In this paper,several small specimens to predict the toughness of pipeline steels and their shortages were dis2 cussed.The em phases is to present a new small quasi-static specimen of CT OA test,and experimental meth2 ods of CT OA measurement. K ey w ords:natural gas pipeline;fracture toughness;crack tip opening angle;fracture control 高压天然气管道裂纹的扩展和止裂是近50年来管道工业研究的主题。在裂纹快速扩展过程中,高压气体提供了裂纹扩展的驱动力。而只要该驱动力一超过材料阻力,裂纹就持续扩展。断裂韧度正是表征材料抗断裂阻力的一个重要参数,因此测定材料的断裂韧度是天然气管道止裂工程设计的重要内容。过去曾经使用V缺口夏比或落锤撕裂(DWTT)吸收能或剪切区域来表征断裂韧度[1、2]。 但是断裂韧度测试实验的研究是随着管线工业的发展而发展的。当管线材料、管道运行压力、气体成分等条件发生变化时,原有的预测指标以及预测手段都已经不适合了。这就需要发展出新的手段,使用更为精确的实验方法来测试材料性能,从而进行止裂预测和控制。 近来多使用断裂力学参数,比如应力强度因子、 J积分或者裂纹尖端张开角(CT OA)来表征断裂阻力[3～6]。并且,CT OA被认为是较好延性裂纹阻力参数而在天然气管道的止裂设计中应用。 1 经典实验 在确定材料断裂韧度方面,前人做了大量工作,其中最著名的是V型缺口夏比冲击实验(Charpy V -Notch Im pact T est)和落锤撕裂实验(Drop Weight T ear T est)[7]。 111 V型缺口夏比冲击实验 C VN(Charpy V-Notch)实验又称三点弯曲夏比冲击实验,是一种评价材料断裂韧度传统的实验方法。它通过摆锤式冲击实验机对含V型缺口的小 ? 5 3 ?
管线钢失效分析
管线钢的失效分析 目录 一．管线钢的见解与发展 (1) 二．失效分析简介 (8) 三16Mn钢油气集输管线弯管失效分析 (12) 一．管线钢的见解与发展 管线钢是指用于输送石油、天然气等的大口径焊接钢管用于热轧卷板或宽 厚板。管线钢在使用过程中，除要求具有较高的耐压强度外，还要求具有较高的 低温韧性和优良的焊接性能。 油气输送管线用钢板的品种：美标牌号及对应国标 BL245NB/L245MB,X42L290NB/L290MB,X46,X52L360NB/L360MB,X56,X 60L415NB/L415MB,X65 L450MB ,X70 L485MB,X80 L556MB 与用于西气东输工程所用的X70管线钢相比，X80管线钢的屈服强度与其 相当，但抗拉强度却高于X70管线钢。 API Spec 5L包括的钢级如下表所示，钢级用最低屈服强度的前两位数字表 示。 管道运输石油和天然气是最经济、最方便、最主要的运输方式之一，随着 国内石油和天然气工业的发展，油气管道建设取得了长足的进步。“西气东输” 工程西起新疆轮南，东至上海，全长4000 km，设计输气压力10 MPa，管径最
大1016 mm，在国内管道发展史上具有划时代的意义。“西气东输”工程极大地推动了我国管线钢的发展，为管线钢的发展创造了契机。目前，我国宝钢、武钢和太钢等企业生产X70级以下管线钢的工艺技术已经成熟，并已形成一定的生产批量，X80级以上管线钢也在研发过程中。 为保障管线的安全可靠性，在提高管线钢强度的同时，还要相应提高其韧性。管线钢在成分设计上，大体上都是低碳、超低碳的Mn-Nb-V（Ti）系，有的还加入Mo、Ni、Cu等元素。现代冶金技术可以使钢有极高的纯净度、高的均匀性和超细化晶粒，从而为管线钢的发展创造了条件。 1．1管线钢的力学性能和工艺性能 强度和韧性 由于输气管道输送压力的不断提高，管线钢的强度也由最初的295～360 MPa（相当于API标准的X42～X52级管线钢）提高到526～703 MPa（相当于X80～X100级管线钢）。西气东输管线对钢材的性能要求见表1［1］。高强度管线钢的屈强比也是管线钢中的一个重要指标。屈强比表示材料的塑性变形能力，即材料从屈服到最后断裂过程中材料的强度和变形能力，屈强比越低，钢管从产生始塑性变形起到最后断裂的形变容量越大。随着输送压力的增高，就需要使用更高强度的钢管，而高强度钢管的屈强都比较高。在很多管线钢管的技术规范中都对材料的屈强比做了限制，大部分技术要求都把屈强比限制在不大于0.90。 包辛格效应（Bauchinger Effect）是管线钢强度设计时应充分考虑的问题。实践证明，制成管后总体的包辛格效应表现为钢管的抗拉屈服极限下降，其下降