站用天然气钢瓶的失效原因分析及提高钢瓶抗硫化氢应力腐蚀的措施(五)
责任编辑：cnlng 浏览：13443次 时间： 2008-08-03 10:13:51
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摘要: b. 钢瓶界限应力强度因子幅度△KTh估算 由于缺乏数据，一般钢材的疲劳裂纹扩展速率da／dN可用下述公式来大体估计。 da／dN=1×10-11(△K)3 而通过大量的试验数据发现，在空气和平面应变条件下，裂纹扩展速率da／dN=10-9(～10-10)米／次所对应的△K..
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b. 钢瓶界限应力强度因子幅度△KTh估算
由于缺乏数据，一般钢材的疲劳裂纹扩展速率da／dN可用下述公式来大体估计。 da／dN=1×10-11(△K)3 而通过大量的试验数据发现，在空气和平面应变条件下，裂纹扩展速率da／dN=10-9(～10-10)米／次所对应的△K值，一般就是该材料的△KTh值。由此可以估算出钢瓶的△KTh为
10-10=1×10-11(△KTh)3 计算结果表明，A瓶最大的△K为1.57MPa△KTh=2.15MPa  ，B瓶最大的△K为1.17MPa，均小于钢瓶KTh估算值。因此，A、B钢瓶的裂纹是稳定的，不会扩展。3.5.4.2 钢瓶疲劳寿命估算 由于△K＜△KTh，钢瓶裂纹不会扩展，因此可以不进行寿命估算。若把钢瓶裂纹看成是扩展的，其疲劳寿命可按下述两种方法进行估算。 a.按Paris公式估算的疲劳寿命 按Paris公式，钢瓶的循环次数N为 N=2/(c△σ3W1.5)[(1/a)1/2-(1/s)1/2] 式中△σ=σmax-σmin; C=1×10-11; W=1.21π/(Φ2-0.212(σ/σS))2 Φ根据a／L／2查表可得 钢瓶的使用年限按下式计算 Y=N／20No 式中No每年钢瓶的压力波动次数 20安全系数 按Paris公式计算的钢瓶寿命见3-10表 表3-10 按Paris公式计算的钢瓶寿命 钢瓶
b. 按绘制低周疲劳曲线的公式估算的疲劳寿命 低周疲劳曲线绘制公式为 Sa=E/4 式中 [Ln100/(100-RA)]+σR Sa 虚拟应力幅; N 疲劳循环次数; E 材料的弹性模数，取E=2.04×lO3MPa； RA 材料断面收缩率，取RA=45; σR 材料的疲劳极限，其值与抗拉强度有一定的比例关系(当σb≤1373MPa时)，即疲劳极限为抗拉强度的0.35～0.55范围内(在此取平均值0.45)，此值为弯曲疲劳极限,对称拉压疲劳由于材料截面均匀受力，疲劳破坏的机率更大，因此，拉压疲劳极限为弯曲疲劳极限的0.6～1.o范围内(在此取平均值0.8)，由此可以得到A瓶的疲劳极限σRA=334.8MPa，B瓶的疲劳极限σRB=385.2MPa。 低周疲劳曲线的修正公式 上述公式所绘制的是对称循环疲劳曲线，而钢瓶实际并非对称循环，即σm≠0,因此应接平均应力σm对上述公式进行修正，经换算，低周疲劳曲线的修正公式为 Sa'=Sa[(σb-σs)/(σb-Sa)] (Sa＜σb)
低周疲劳曲线修正公式按常规给以2倍安全系数，即Sa'／2，按此绘制出来的曲线，即低周疲劳设计曲线。 按低周疲劳设计曲线估算的钢瓶疲劳循环次数见表3-11 表3-1l 按低周疲劳设计曲线估算的钢瓶疲劳循环次数  由于钢瓶的σm+Sa＜σs，因此不再对平均应力的影响作出修正，又由于交变应力幅的值小于疲劳极限值，其破坏循环次数N必定大于10sup>7次，其结果与按Paris公式的估算值基本一致。 通过上述估算，钢瓶在其交变载荷的条件下，其缺陷的△K小于△KTh，其疲劳循环次数大于107，因此可以判定钢瓶爆破不屈于单纯的疲劳破坏。 3.5.5 腐蚀破裂 钢瓶腐蚀破裂是指钢瓶由于受到腐蚀介质的腐蚀而产生的一种破裂形式。腐蚀破坏包括均匀腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳等形式。对碳钢、低碳钢来说，应力腐蚀、腐蚀疲劳是最常见最危险的一种脆性破裂形式。 3.5.5.1 应力腐蚀破裂特征与钢瓶破裂特征对照 a. 应力腐蚀破裂对腐蚀介质和材料的匹配有选择性，H2S水溶液对碳钢、低合金钢具有很强的应力腐蚀趋向。钢瓶充装介质天然气中有H2S存在，由于气体干燥问题未予完全解决，钢瓶在工作压力下有不同程度的H2O存在，这就为钢瓶的应力腐蚀创造了匹配条件。 b. 应力腐蚀破裂过程是一个电化学反应过程。在多数情况下，应力阴极氢脆开裂与应力阳极溶解开裂同时存在。这就是钢瓶为什么在破裂断口分析中总是发现"之"字裂纹(氢致裂纹)的原因。 c. 应力腐蚀破裂总是从表面(以点蚀的形式)开始，并沿着厚度方向不断沿其尖端作选择性腐蚀，可在不太大的拉应力作用下迅速扩展，甚至在没有明显的塑性变形下即发生脆性破裂。 A、B钢瓶及其它破裂钢瓶的内壁均存在腐蚀痕迹，其工作压力都不大，破裂时的应力水平也较低，其破口均为脆性破裂，这些特征与应力腐蚀特征都是吻合的。 3.5.5.2 应力腐蚀条件下的断裂力学讨论 前面已经述及，钢瓶是否开裂，裂纹是否扩展，主要是由钢瓶缺陷的应力强度因子K1和材料的断裂韧性K1C所决定。钢瓶在应力腐蚀条件下是否开裂，裂纹是否扩展同样与钢瓶缺陷的应力强度因子Kl有关，但判定其开裂、扩展与否的另一个因素断裂韧性不再是K1C，而是应力腐蚀临界应力强度因子K1scc。就是说当K1≤K1scc时，裂纹即使缓慢地发生扩展，但需要的时间很长，因此，可以认为裂纹不扩展：只有当K1＞K1scc时，裂纹才迅速扩展。 对于一定的材料和介质，K1scc是一个常数，-般K1scc=(1／2～l／5)K1C，由此可见，相同材料的相同缺陷在相同的应力水平下，在非腐 蚀介质中不开裂、不扩展，而在腐蚀的介质中就有可能开裂、扩展。 另外，在腐蚀环境一定时，K1scc因材料的强度不同而有所不同。当σs>100Kgf／mm2时，σS越大，K1scc越低。 3.5.5.3 腐蚀疲劳讨论 腐蚀疲劳是应力腐蚀破裂的一种特殊情况，由于钢瓶是在交变载荷下工件，在腐蚀介质中，钢瓶既受腐蚀介质作用，又受交变应力作用，此时，当应力强度因子幅度中Kmax>K1scc时，交变载荷起着主导作用，钢瓶会在极短的时间内断裂，这种效应称为“疲劳加速介质裂纹扩展”。当Kmax＜K1scc时，介质起着主导作用，疲劳裂纹在介质中的扩展速率仍高于惰性介质中的扩展速率，这种效应称为“介质加速疲劳裂 纹扩展”。可见腐蚀与疲劳联合作用造成的破坏大于二者单独的作用，就是说，在单独的应力腐蚀条件下或单独的疲劳条件不开裂、扩展的钢瓶而在应力腐蚀和交变应力双重作用下也会开裂、扩展。 腐蚀疲劳破裂通常为穿晶型，但不显示为许多应力腐蚀裂纹特有的分枝现象。这一特征在所有破裂钢瓶的断口分析中得到证实。 |
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