低溫用鋼鐵材料
發(fā)布時(shí)間:2007-09-19
發(fā)布者: 孟武功 專(zhuān)家
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評(píng)論數(shù): 1
  最近看到一些同行在談及緊固件用于低環(huán)境溫度下的一些話(huà)題,我想現(xiàn)在就些我所了解的一些資料談一點(diǎn)我的看法,普通用途鋼材是不適合于低溫環(huán)境下使用的,更不可能用于超低溫下,這些材料一旦到了超低溫下就象北方冬天房檐上掛的冰墜一樣脆,鋼在低溫的某個(gè)溫度段時(shí)它的抗拉及抗沖擊能力會(huì)突然下降,把這個(gè)溫度叫作“低溫轉(zhuǎn)變溫度”,使用某種材料時(shí)必須知道它的轉(zhuǎn)變溫度,使用環(huán)境溫度不可以低于此溫度,鋼在溫度的的形態(tài)比較復(fù)雜,對(duì)此有許多專(zhuān)門(mén)的論著,下面提供一張選自機(jī)械工程手冊(cè)的部分常見(jiàn)材料的使用溫度范圍,以及一些資料中介紹的因材料用于不適合的低溫而造成的著名事故例證,望能給大家起到一定的幫助作用。
 
構(gòu)筑物由于溫度降低所引起的若干事故和破壞的事例
   
  近15-20年來(lái),在許多的國(guó)家中都發(fā)生過(guò)谷種建筑物由于溫度降低而引赳的嚴(yán)重破壞事故。以下引述—些足以說(shuō)明破壞事故發(fā)生條件的資料,并研討引起這些破壞原因的若干分析結(jié)果。
 梁事故
   橫跨比利時(shí)間爾伯特運(yùn)河的橋梁破壞事故橋在哈塞爾特,建于1935年,于1938年3月14日在嚴(yán)寒氣候下破壞。目擊者曾聽(tīng)到類(lèi)似槍炮的響聲,過(guò)了幾分鐘以后,橋便斷成三段,墮入河中(圖1)。

 

                跨越哈塞爾特(比利時(shí))的阿爾伯特運(yùn)河的橋,于1938年3月14日發(fā)生脆性破壞(該橋建于1936年)
  兩年以后,于1940年1月19日,又有第二座橋在-14°溫度下發(fā)生局部破壞。該橋建于1937年,是橫跨格蘭它境內(nèi)的阿爾伯特運(yùn)河的。在橋架的下弦上曾發(fā)現(xiàn)有長(zhǎng)達(dá)150毫米的裂縫(從焊接接頭處開(kāi)始裂開(kāi))。過(guò)了幾天以后,于1940年1月25曰,橫跨加里境內(nèi)的上述同一條運(yùn)河的橋又發(fā)生局部破壞。這一座橋建于1935年。在破壞的時(shí)候溫度降低到-14°。在橋架的上弦上曾發(fā)現(xiàn)有六條大裂縫。
  在1947—1950年間,在比利時(shí)還有14起橋梁構(gòu)件脆性破壞事故。同時(shí),其中有六起是在低溫時(shí)發(fā)生的。
  在比利時(shí)的橋梁事故引起了廣大工程界的注意。他們?cè)M(jìn)行過(guò)全面的分析研究,以查明發(fā)生這些事故的原因。
  根據(jù)所得到的研究結(jié)果,做出了下列主要結(jié)論:
   1、在大多數(shù)所研究過(guò)的破壞事件中,都是在橋柱與下弦的連接處,沿著連接兩構(gòu)件翼扳的焊縫開(kāi)始破壞的(即在應(yīng)力集中處開(kāi)始破壞);
   2、在這一類(lèi)接頭中曾發(fā)現(xiàn)有殘余應(yīng)方,其大小接近于屈服點(diǎn);
   3、在設(shè)計(jì)橋梁時(shí)沒(méi)有采取措施來(lái)減小顯著的應(yīng)力集中,特別是在焊接處:除此以外,在焊烽處還有因焊接質(zhì)量不好而引起的附加減弱;
   4、在破壞處和焊接處附近曾發(fā)現(xiàn)許多細(xì)小裂縫;
   5、基本金屬的機(jī)械性質(zhì)是符合要求的;
   6、使用酸性轉(zhuǎn)爐沸騰鋼來(lái)作厚度大干35—40毫米鋼板的焊接用未必可以認(rèn)為適當(dāng),盡管它的靜載強(qiáng)度特性合格,但用這種鋼做成的上述厚度的鋼板,沖擊韌性是很低的;
   7、在垂直柱與下弦的連接秸構(gòu)中的容許誤差以及這種接頭的焊接不良,并不是破壞(哈塞爾特的橋)的主要原因,因?yàn)樵诟裉m它及加里的橋是在別的部位破壞的。
   橋梁破壞的主要原因是:
   1)茌應(yīng)力集中處的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),使變形不易,并有很大的殘余應(yīng)力存在;
   2)低溫的影響;
  3)鋼材的沖擊靱性低。
  
在魯?shù)聽(tīng)査沟婪颍ǖ聡?guó))的橋梁局部破壞事故
  柏休附近(魯?shù)聽(tīng)柦婪颍┛缭焦返臉蛄海?span>1938年1月2日當(dāng)溫度急劇下降至-10°。時(shí)發(fā)生局部破壞。曾發(fā)現(xiàn)直長(zhǎng)達(dá)3米的裂縫,
   焊接橋梁的破壞病源點(diǎn)照例是在從順板過(guò)渡到下翼板的焊接處發(fā)現(xiàn)的(圖2、3)。
圖2 橋梁和儲(chǔ)器構(gòu)件破壞的典型病源點(diǎn)細(xì)曲線(xiàn)表示裂縫擴(kuò)展區(qū)域
圖3 在魯?shù)聽(tīng)査沟兰猓ǖ聡?guó))的一個(gè)破斷橋梁構(gòu)件上應(yīng)力集中
區(qū)域的脆性裂縫
  在研究橋梁局部破壞的原因時(shí),在焊接處附近查明有數(shù)值很大的殘余應(yīng)力。
  在魁北克(加拿大)的橋梁破壞事故是近幾年來(lái)最嚴(yán)重的橋梁事故之一,是1951年在魁北克發(fā)生
的。
  這一座焊接桔構(gòu)的橋梁的建筑工程是在1947年全部完工的,橋梁在交付使用后過(guò)了27個(gè)月,于1950年2月在嚴(yán)寒中發(fā)現(xiàn)橋的東部橋架的下弦有裂縫。破壞的構(gòu)件換成新新的并加強(qiáng)以后,又在橋的西部下弦的相同部位發(fā)現(xiàn)極相似的裂縫。在這兩種情況中,裂縫都是從焊接處、從上翼板過(guò)渡到腹板的凹角處開(kāi)始的,把破壞了的橋梁構(gòu)作安裝新的構(gòu)件來(lái)代替,并在新構(gòu)件的受拉區(qū)域加上鉚接蓋板來(lái)加強(qiáng)。
  雖然嚴(yán)密地檢查橋梁的狀態(tài),并及時(shí)地更換局部損壞的構(gòu)件,但該橋仍于1951年1月31日在嚴(yán)寒中(-35°)完全破壞。有三個(gè)跨度(各長(zhǎng)杓60米)墮入河中(圖4)。
  在如此低的氣溫中所發(fā)生的橋梁破壞是突如其來(lái)的。關(guān)于這,可從下面事實(shí)證明:橋梁在最終破壞以前的短短兩星期中,曾經(jīng)過(guò)歷時(shí)10天之久的細(xì)密檢查。
             
 圖4 在魁北克(加拿大)的橋于1951年1月31日發(fā)生
  負(fù)責(zé)此項(xiàng)檢查工作的地區(qū)橋梁檢查機(jī)關(guān),曾得出橋梁在完好狀態(tài)的結(jié)論。但是,只過(guò)了兩天,當(dāng)溫度降低至-35°時(shí),便發(fā)生事故。
  所進(jìn)行過(guò)的分析研究巳經(jīng)確定,鋼料質(zhì)量不好是橋梁破壞的主要原因之一。在橋架的各種構(gòu)件中,曾查出碳和硫的質(zhì)量甚高,并有許多夾渣的部分(特別是板料的表面區(qū)域)。
  在個(gè)別的部分含碳量為0.21—0.4,而合硫量為0.04-0.116%.
  屈服點(diǎn)等于19.5-41.0千克/毫米2。鋼料的沖擊韌性根低。雖然焊接質(zhì)量被認(rèn)為是合格的:但裂縫總是在從腹板到翼板的過(guò)渡部分開(kāi)始。這就證明在這些部位有很大的應(yīng)力集中,并可能是發(fā)生事故的重大原因之一。
  大型儲(chǔ)罐的破壞事故
  順納德(美國(guó))的球形儲(chǔ)氣罐的破壞事故
  19432月16日在紐約附近的順納德地方,當(dāng)溫度急劇降低(至-12°)時(shí),有一個(gè)12米直徑的大型儲(chǔ)氣罐發(fā)生破壞,同時(shí)帶來(lái)了爆炸,該儲(chǔ)氣罐是用來(lái)儲(chǔ)存氫氣的,其工作壓力為50大氣壓。儲(chǔ)氣罐有兩個(gè)安全閥,用以防止壓力升高。在爆炸以后,試驗(yàn)安全閥(安全閥損壞并不嚴(yán)重)的結(jié)果證明,當(dāng)壓力升高至,53—58大氣壓時(shí),安全閥可靠地發(fā)生作用,因此,儲(chǔ)氣缺罐的破壞和爆炸,不可能是由于壓力突然升高而發(fā)生。球形儲(chǔ)氣罐的外殼是用17毫米厚的鋼板用電弧焊法焊成的。
   在破壞以前的36小時(shí)內(nèi),溫度曾低于零度,后來(lái)茌7小時(shí)內(nèi)溫度降至-3°,最后在爆炸的時(shí)候,溫度繼續(xù)降低到-12°。外殼的破壞是脆性的(圖5)。
 
儲(chǔ)氣罐發(fā)生破壞的可能原因如下:
  1)外殼從球形部分過(guò)渡到檢孔的垂窿壁處有減減弱部分存在,因?yàn)槠茐木褪窃谟泻艽髴?yīng)力集中的這一部分開(kāi)始的(圖6,1);
   2)在焊接處附近的殘余應(yīng)力;
   3)由于溫度降低而使金履的范性減小;
   4)由于外部溫度突然改變,而使氣體的內(nèi)壓力可能有激烈的波動(dòng)。

圖5 儲(chǔ)氣罐在因溫度降低而引起的突然脆性破壞時(shí)裂縫的分布特性

圖6 在構(gòu)筑物的構(gòu)件中,應(yīng)力集中和玻環(huán)的各種病源點(diǎn):
1.  在儲(chǔ)氣罐的檢查孔部分;
2. 一種橋架構(gòu)件上;
3. 3及4—船體構(gòu)件上彎曲細(xì)線(xiàn)條表示裂縫分布但是。在上述幾項(xiàng)原因中,第一項(xiàng)和第三頂?shù)目赡苄宰畲?,在前蘇聯(lián)的大型石油儲(chǔ)罐的局部破壞事故
   1947年12月間,當(dāng)氣溫急劇降低至-43°時(shí),發(fā)生了幾件中等容量(4500米3)石油儲(chǔ)罐的局部破壞事故,破壞的情形是在罐底與下部殼節(jié)的連接處形成大量裂縫。這些儲(chǔ)罐是用CT3鋼焊成的。
   在關(guān)于破壞特性和破壞情況的推導(dǎo)中[29],指出了下列各點(diǎn):
   1.儲(chǔ)罐的破壞是脆性破壞,并且是從儲(chǔ)罐的向風(fēng)—面發(fā)生的;
   2.所有的裂縫都生在儲(chǔ)罐的下部,在垂直壁與罐底接合的地方;
   3.在一切情況下,破壞都是在有大量焊著金屬聚集的地力發(fā)生的(有蓋板處.在焊耪交叉處等等);
   4.總是在有各種切口處開(kāi)始(如未焊滿(mǎn)的弧坑,未焊透的箍邊角鋼對(duì)接口,明顯的焊瘤,在儲(chǔ)罐制造過(guò)程中所發(fā)生的、隱蔽氣體(甲烷)通過(guò)管子上做成的0.3毫米直徑的特殊孔眼(模仿氣孔)。氣休通過(guò)孔眼不過(guò)幾分鐘以后,在孔的周?chē)臏囟染鸵呀?jīng)降低到-30°。在這樣低的溫度下,材料對(duì)范性形變的阻力可能顯著地增大,誰(shuí)都知道,這會(huì)在應(yīng)力集中處引起應(yīng)力的嚴(yán)重增大。因?yàn)闅怏w在有各種缺陷(氣孔、夾渣、裂縫)處滲漏,而這些缺陷也就是應(yīng)力集中處,所以氣體滲漏的桔果,不但可能強(qiáng)烈冷卻,而且也可能增大這些地方的應(yīng)力,由于氣體滲漏而造成管子的不均勻冷卻,也會(huì)引起溫度應(yīng)力的出現(xiàn)。
  在上述情況下,應(yīng)力的嚴(yán)重提高和材料強(qiáng)度的改變:可能是氣體管道脆性破壞和發(fā)生事故的重大原因。
   船舶的破壞事故
  近幾年來(lái),特別是在1943—1947年的一段時(shí)期內(nèi),在美國(guó)有許多焊接桔構(gòu)的船舶完全破壞或局部破壞事故的配錄,這些事故通常發(fā)生于冬季。有許多船舶完全破壞,斷裂成兩部分(圖7),同時(shí)在破壞的地方?jīng)]有明顯的形變痕跡,這就證明它是脆性破壞。
圖7 油船船體的脆性破壞(美國(guó))
  為了查明原因,并進(jìn)一步預(yù)防事故起見(jiàn),曾從完全破壞或局部破壞的船舶上的100多個(gè)損壞處,切下附近的鋼板試樣進(jìn)行研究,并且細(xì)密地研究了伴隨事故而生的情況。
  所得到的研究結(jié)果,可以確定下列各點(diǎn):
   1、事故多半是在氣溫降低到-3°和水溫降低到+4°時(shí)發(fā)生的。
   2、破壞差不多總是在應(yīng)力集中處開(kāi)始。這種地方通常是各種焊接缺陷處、船舶構(gòu)件形狀不合適的地方(例如各種矩形截面而帶有尖角的孔)以及材料有缺陷處(夾渣,氣孔等)。在船舶制造過(guò)程中加工不合格或疏忽時(shí)所形成的一切可能有的劃痕、凹坑、切口等,也可能是應(yīng)力集中很大的地方。
   3.在破壞處附近切下來(lái)的試樣中,材抖船機(jī)械性能是完全合格的。  但是在發(fā)生破壞處的板料上,沖擊初性照例是低于未受破壞處的板抖。
   在低溫時(shí)發(fā)生破壞的幾典型病源點(diǎn)
  分析各種構(gòu)筑物破壞處,得以查明幾種最有代表性的病源點(diǎn),破壞就是在這種病源點(diǎn)的附近或直接在病源點(diǎn)上開(kāi)始的這些病源點(diǎn)可以分成三大類(lèi):
   1)焊縫或與焊接處相毗磷的部分;
   2)由于構(gòu)筑物的構(gòu)件形狀所造成的各種應(yīng)力集中處;
   3)在制造構(gòu)筑物的各種構(gòu)件時(shí)或加工品質(zhì)低劣時(shí)所出現(xiàn)的各種局部損傷(劃痕、凹坑等等)。
  最典型的第—類(lèi)病源點(diǎn)如圖2所示。在焊接的部分,破壞通常是在截面急變處開(kāi)始的(例如,從翼扳過(guò)渡到腹板處),在這種地方產(chǎn)生了很大的位力集中,焊接本身質(zhì)量不好的地方是最可能
的破壞病源點(diǎn)(見(jiàn)圖2)。
  特別危險(xiǎn)的破壞病源點(diǎn)??赡苁呛附訒r(shí)所形成的細(xì)小裂縫.當(dāng)受到載荷時(shí),在這種裂縫的末端應(yīng)力發(fā)生很大的局部提高,此種應(yīng)力在溫度降低時(shí)可能很快地引起破壞。有幾種屬于第二類(lèi)的破壞病源點(diǎn)如圖6所示,在這些破壞病源點(diǎn)的各個(gè)部分也可能引起很大的應(yīng)力局部提高和應(yīng)力集中。
  這種病源點(diǎn)首先是形狀從一種截面急劇轉(zhuǎn)變到另一種截面處的那些構(gòu)件(見(jiàn)圖6)。在許多情況下,各種構(gòu)筑物的破壞事故就是在這些地方開(kāi)始的:在這種地方,由于構(gòu)筑物的個(gè)別構(gòu)件形狀不合適而引起了很大的應(yīng)力集中表面有各種局部損傷的地方(如劃痕、切口等)也是構(gòu)筑物在低溫時(shí)發(fā)生破壞的極危險(xiǎn)病源點(diǎn),例如,在清理焊縫時(shí)粗心大意,在表面上形成許多凹炕和劃痕時(shí)便是。有—件事故就是因為有這一類(lèi)損傷而引起儲(chǔ)罐在低溫時(shí)發(fā)生破壞的。在表面上有這種損傷的試樣作彎曲試驗(yàn)對(duì),溫度在0°時(shí)就發(fā)生了脆性破壞,而另外用同樣的金屬做成的試樣,不過(guò)表面用油石磨光,在相同的溫度下卻發(fā)生了很大的形變(變曲角度為45°),同時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何破壞的痕跡。
  很明顯,當(dāng)應(yīng)力集中、焊接缺陷或材料缺陷以及很大的殘余應(yīng)力同時(shí)相結(jié)合時(shí),在低溫中破壞的危險(xiǎn)性是特別大的。
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評(píng)論者:項(xiàng)目經(jīng)理
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2008-12-30
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