管道与储罐强度-0材料强度与失效

二、断裂
• 断裂由裂纹的不稳定扩展造成。 • 断裂是结构破坏的一种最严重的形式，它的后果往
往是灾难性的。 • 管道产生裂纹的原因
–制造：焊缝和母材中的缺陷，如分层、夹渣、未焊透等； –施工：钢材在运输、装卸、组装、下沟等过程中造成的
表面机械损伤，如划痕、压坑等； –运行：腐蚀环境造成的缺陷等。
应力强度因子__必须定义表征裂纹快速扩展难易的力学量
机理
• 天然气中的水附着于管道表面，H2S在水中形成硫及氢的离子： H2S2H++S-
• Fe夺取H的正电荷： Fe+2H + Fe2 + +2H • 形成硫化铁： Fe2 + + S2- FeS • 体积很小的H原子根据其分压大小向钢中扩散，一般首先聚集于
非金属夹杂物、气孔及偏析中； • 在存留处，H原子变成氢气分子，体积增大20倍： 2H+ H2 • 由于体积增大，存留处压力急剧增加，当超过金属起裂应力时，
• 失效时的应力远小于材料 受到静止时的载荷。
• 即使是延性材料，在失效 前材料也没有明显的塑性 变形。
• 在断裂表面，一部分是粗 糙的，一部分是光滑的。
疲劳断口示意
管道疲劳破坏的原因
• 内压变化 –间歇输送 –正反输 –输气
• 外力变化 –跨越河流的管段的风荷作用 –悬空段的卡曼涡激振动 –埋设于公路下的未加套管管道
• 高pH值溶液形成与土壤关系不大，两方面机理：
– 阴极保护作用 – 温度变化引起的蒸发；
• 近中性pH值的应力腐蚀发生处的电解液和涂层外的地下 水的差别很小，但允许包含一系列化学物质。
敏感的管道材料
• 发生在类别范围很宽的管道上：
–管道直径范围从114到1067mm –壁厚范围从3.2到9.4mm –等级从241MPa(35 ksi)到480MPa(65 ksi) –电阻焊和双面埋弧焊的管道
造成壁厚减薄 • 管材脆性
管道事故案例
华盛顿，1999 • 汽油管道 • 3人死亡 • 250000加仑汽油泄漏 • 破裂处有机械损伤 • 内检测曾检测出这处损伤
管道事故案例
新墨西哥州，2000年
• 天然气管道 • 爆炸 • 12人死亡 • 25m长坑 • 1950建造 • 破裂原因是腐蚀
储罐事故
源自文库 yy
r
裂纹尖端的奇 异应力场
yy
x,0
r
1 2
(r 0)
1
r 2 yy x,0 const KI (r 0)
• 应力强度因子KI：代表了裂纹尖端应力场r（-1/2）阶奇异
性强度的大小。
断裂韧性
• 表征了材料阻止裂纹传播的能力，是材料抵抗脆性破 坏能力的一个指标；
• 由材料实验确定——多种方法； • 管材的一项重要指标。
强度 极限
D
屈服
B
C
E’
最大值。此后，若不减
极限 比例极限
A
E
小外载荷，就不能维持
平衡。
• 这种由于变形引起的截 4 个阶段
线性 阶段
屈服 阶段
面几何尺寸改变所导致
强化阶段 颈缩阶段
的丧失平衡的现象就叫
塑性失稳。
塑性失稳定义了管道的爆破压力
Pb
2t D
b
• 管道承压能力的一个重要指标——能承受的最大压力； 但是，由于管道在此前已经进入了塑性屈服阶段，使 用上是相当不安全的。因此管道的设计并不以此压力 作为基准。
管道强度是管道安全的本质保障
管内 介质
对象
管涂阴 极 保
体层护
• 管道完整性管理
管理
检评 对 测价 策
油气管道的失效机理
• 材料：
–塑性失稳 –断裂 –疲劳 –应力腐蚀开裂 –氢致开裂 –裂纹动态扩展（脆性和延性）
• 结构
–丧失稳定性
一、塑性失稳
• 开始，强化效应起主要 作用；
• 强化与截面收缩足以相 互抵消时，外载荷达到
管道与储罐强度设计
• 管道和储罐：基本油气储运设施 • 强度：抵抗破坏的能力 • 设计：即“以假定之观念及思维先行处理后,透过
某种表述方法,订定其拟施行之策略”，通常指有 目标和计划的创作行为、活动，在艺术、建筑、 工程及产品开发等领域起着重要的作用。
引言
• 管道是油气资源运输和配送的主要方式：
• 延性断裂止裂时，裂纹通常由轴向向45º方向倾斜，并 迅速停止；
• 延性断裂的扩展速度与裂纹尖端处所承受的气体压力 有关，还与材料的韧性、流变应力及是否有回填土等 因素有关；
• 外泄气体具有鼓胀作用，且裂纹尖端处所承受的气体 压力小于管线的操作压力；
• 延性断裂的驱动力一方面来自管壁金属中的弹性应变 能，另一方面更主要来自外泄气体对管壁的作用。
止裂原理
气体流入管 道开裂区域
裂纹扩展
气体从缺口溢出
开裂管壁 横向移动
管道
• 裂纹在管道中是止裂还是持续地快速扩展，取 决于裂纹在管道中扩展的速度以及管内介质在 管道破裂时的减压波速度。
止裂的速度判据
• 如果管道内介质的减压波速度大于裂纹扩展速度， 裂纹尖端的应力迅速减小，从而使裂纹扩展的速 度大大降低，乃至止裂。反之，如果管道内介质 的减压波速度小于裂纹扩展速度，则裂纹尖端处 的应力一直保持断裂产生时的高应力，使裂纹得 以持续地高速扩展。
四、应力腐蚀开裂（SCC）
• 在埋地管道的外表面产生裂纹群落
案例
• 压缩机站下游400m 处，X52，28年的 运行历史，沥青涂 层和强制阴极电流 保护。
发生应力腐蚀的基本条件
局部环境 敏感材料 应力条件
环境是指管道外表面与剥离涂层之间
• 根据环境pH值的不同，有两种不同的形式
– 高pH值应力腐蚀开裂 – 近中性pH值的应力腐蚀开裂
–裂纹的合并是由于单独的裂纹在尖端彼此结合； –合并可发生在全部生命周期中； –裂纹的合并是裂纹扩展中的决定性因素。
五、氢致开裂
• 管材在含H2S等酸性环境中，因腐蚀产生的氢侵入钢内而产生的裂纹 称为HIC（Hydrogen Induced Cracking）。
• HIC主要在中、低强度钢中发生，介质浓度或氢压力相对较大。 • HIC不需要外加应力即可产生。
• 裂纹形状为波形，且往往为多分支的，剪切面积越小， 分支越多；
• 裂纹源区多呈放射状，裂纹扩展区具有人字花样；断 口微观特征以解理断裂为主；
• 开裂速度较快，开裂的速度取决于管材的SA或DWTT； • 裂纹尖端几乎看不到鼓胀现象，且裂纹尖端处所承受
的气体压力等于管线的操作压力； • 脆性断裂的驱动力来自管壁金属中的弹性应变能。
断裂准则 KI<KIc
脆性和塑性断裂
• 脆性：没有颈缩现象。变形量很小，断口平直，与 拉应力方向几乎垂直。断裂是突然发生的。
• 塑性：有颈缩现象，断口倾斜（大约与轴线成45° 方向），断裂在屈服之后发生。
• 脆性断裂裂纹前缘的塑性区尺寸与裂纹尺寸相比是 一个小量。
三、疲劳
• 结构部件在交变应力作用 下的破坏。
• 管道的制造工艺、钢材的种类、钢材的等级、钢材 的纯净度(有无杂质或夹杂物)，钢材的塑性变形特 点(循环软化特征)，钢材的温度及管道的表面条件 等，都可能和管道的应力腐蚀开裂易发性有关。
应力条件
• 压力的波动和拉伸应变速率的影响较大 ； • 易发生在如腐蚀、凹坑、焊缝等应力集中部位； • 无应力水平门槛值。 • 裂纹的合并
就会造成裂纹扩展：若存留处在钢管表面，则形成鼓泡；若在 钢管内部则形成平行于金属表面的裂纹，这些裂纹相互连接形 成阶梯状。
六、裂纹的动态扩展
• 裂纹的动态扩展是输气管道的特有现象； • 裂纹扩展最长的记录是13公里； • 脆性断裂与延性断裂。
动态脆性断裂
• 断裂为平断口，塑性区尺寸很小，裂纹源往往在低韧 性、多焊接缺陷的部位；
脆性断裂的速度大约在450~900m/s。
• 对于输气管道，减压波速为声波在介质中的传 播速度380~440m/s，低于裂纹断裂的速度，不 能止裂；
• 对于输油管道，减压波速度为1500m/s，减压 波在裂纹尖端的前面，可以止裂。
七、管道结构失稳
• 当管道在轴向和径向受到压缩载荷后， 管道可能丧失稳定性：
– 轴向载荷导致管道轴向失稳； – 外压导致径向失稳； – 弯曲导致径向失稳； – 上述载荷的联合导致径向失稳。
• 失稳也存在传播现象——海底管道。
几种失稳的形式——补强板下
管子的几种屈曲典型方式的实验结果
本章小结
• 强度是管道安全的本质保障。 • 油气管道的失效机理可分为：塑性失稳、断裂、疲劳、应力腐
蚀开裂、氢致开裂、 裂纹动态扩展、结构失稳等，实际失效也 可能是多种机理的相互作用。 • 塑性失稳定义了管道的爆破压力。 • 断裂由裂纹失稳扩展引起。 • 疲劳是由交变载荷引起。 • 两类应力腐蚀开裂：即近中性pH值SCC和高pH值SCC。 • 氢致开裂可用氢压理论来解释，影响氢致开裂的因素有化学成 分、组织、强度、微区硬度等。 • 天然气管道的止裂由速度判据解释。 • 管道可产生多种形式的结构失稳。
动态延性断裂
• 失效部位宏观塑性变形较大，通常壁厚的减薄 量在壁厚的10%范围内，裂纹多在焊缝或母材 的缺陷部位或其它薄弱环节；
• 裂纹扩展主要以韧性方式进行，断口上有明显 的撕裂和剪切特征，通常中部有一平的区域， 周边为剪切唇，微观形貌以韧窝为主；
• 延性断裂扩展的方向一般沿管子的轴线；
动态延性断裂
–我国现有长距离输送管道约5万公里，世界排名第六 –油田集输管道约20万公里 –城市配送管道约10万公里 –油库(中间站、终端、储备基地）
• 事故后果:
–人员伤亡 –环境污染 –停输给下游带来巨大经济损失和社会影响
管道事故案例
Edison，New Jersey，1994年3月 • 天然气管道断裂失火 • 烧掉附近8栋大楼。 • 火球30英里外可见 • 破裂处以前发生过机械损伤，