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罗华权, 等: L３６０M 管线钢管水压爆破试验开裂分析

式中: σ b 为环向应力, MPa ; 为静水内压力, MPa ; 裂纹尖端局部塑性变形较小, 裂纹扩展阻力小, 就容
p
d 为管道内径, mm ; t 为管道壁厚, mm . 易失稳扩展而迅速断裂 [ ９ ] .如果该钢管材料的塑性
根据轴向力平衡条件,可得: 和韧性较高, 横向撕裂长度可能极小, 而失效管道材
pd ２ 料韧性较低, 管道横向撕裂后, 无法迅速止裂, 最终
σ a＝ ( ２ )
２
D －d ２ 造成整个管道横向也断裂.
式中: σ a 为轴向应力, MPa ; D 为管道外径, mm . 因此, 造成 该 管 道 纵 向 开 裂 和 横 向 断 裂 的 主
则管道轴向应力与环向应力的比值为: 要原因是管道材料韧性较差.而影响材料冲击韧
d １ 度的因素 主 要 有 材 料 的 化 学 成 分、 显 微 组 织 和 材
σ a ( ３ )
＝ ＝
σ b D ＋d D 料本身 内 部 的 缺 陷. 为 了 进 一 步 弄 清 该 L３６０M
＋１
d
级钢管韧 性 较 差 的 原 因, 笔 者 从 以 下 几 个 方 面 进
因此σ b＞２σ a 即环向应力大于２倍的轴向应力,
,
行了分析.
影响承压的主要因素是环向应力.钢管水压试验时,
( １ )化学成分
由于环向应力较大, 爆破失效时, 首先是环向应力达
钢材的化学成分是材料韧性影响因素之一, 不
到爆破应力, 管道纵向起爆后被撕裂.该钢管的水压
同的化学成 分, 其韧 性可能不同.该 L３６０M 钢 级
爆破试验压力为３６．３MPa , 壁厚最小值为１８．０５mm ,
材料为低合金钢, 加入了微量的合金元素.由前文
３６．３×７５３
将其代入式( １ ) 可得: σ b＝ ＝７５７．１７ MPa . 的化学成分分析结果可知, 除锰含量稍高外, 其他元
２×１８．０５
素含量均在标准技术要求范围内.锰元素有较强的
此时, σ b 大大超过了管体的横向抗拉强度和焊缝的
固溶作用, 其作用在于提高管线钢的强度, 比如常见
抗拉强度, 因而钢管纵向起裂.从钢管断裂的整体
的高强度钢都为锰钢.锰元素还可以降低奥氏体 →
宏观形貌和断口分析结果可知, 在钢管内部压力逐
铁素体( γ→α ) 相转变温度, 细化铁素体晶粒.锰元
渐增加的情况下, 当钢管环向截面内的应力超过钢
素还可以起到脱硫作用, 防止热裂, 适量的锰可以提
管的屈服强度后, 在钢管环向起爆点位置产生塑性
高材料韧性, 降低钢的韧 Ｇ 脆转变温度.但是锰含量
变形( 从裂纹源位置有一定数量的韧窝存在可以得
过高则会导致控轧钢板的中心锰偏析严重 [ １０ ] , 热轧
出), 钢管壁厚减薄, 塑性变形到一定程度后产生细
后成为带状偏析, 形成带状组织, 而带状组织会降低
小裂纹, 而裂纹在管道强大的应力下迅速扩展, 管道
钢材的韧性、 塑性.因此, 从化学成分来看, 管体的
瞬间纵向爆裂, 纵向开裂后迅速脆性断裂.大量的
锰含量为 １．４７％ , 含量稍高, 钢管管体材料中严重
钢管静水压爆破试验表明, 管道塑性变形大的纵向
的带状组织可能与锰偏析有关.
开裂部分( 起爆点噘嘴很大的部位一侧) 有向横向撕
( ２ )显微组织
裂的趋势( 图 １２ ), 所以管道纵向迅速断裂后, 在塑
金相分析结果表明, 钢管材料显微组织为多边
性变形大的一侧由纵向脆性断裂转化为横 向断裂
形铁素体 ＋ 珠光体.材料的带状组织评级较高, 为
( 在该钢管爆裂的宏观形貌中, 较为圆滑的过渡角也
４．０ 级, 为多边形铁素体 Ｇ 珠光体带状组织, 一般管线
证实 了 由 纵 向 断 裂 转 换 为 横 向 断 裂 的 过 程, 见
钢标准要求材料的带状组织级别不超过 ３．０ 级, 所
图 ７ ).材料的塑性和韧性对裂纹扩展存在较大的
以该材 料 的 带 状 组 织 较 为 严 重. 晶 粒 度 被 评 为
影响, 如果材料的韧性和塑性较差, 承受大载荷时,
８．０ 级, 作为油气输送用的常见管线钢管, 其晶粒度
级别基本在 １０．０ 级以上, 所以该材料的晶粒尺寸也
较为粗大.铁素体 Ｇ 珠光体带状组织对材料塑性和
韧性有较大影响, 其作用机理如下 [ １１ ] : 钢坯凝固时
溶质元素( 碳和其他元素等) 发生偏析而富集在枝
间, 热轧加热时, 碳能优先达到均匀, 而其他代位原

子的均匀化却很困难, 这就使得钢中各区域的 A r３
点温度( 钢材冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体
图 １２ 管道噘嘴部位形貌
的实际临界温度) 不一致.
Fi g 敭１２ Mor p holo gy ofdistortionofthe p i p eline
亚共析 钢 从 终 轧 时 的 奥 氏 体 态 冷 却 时, 先 在
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