在极寒地区（如-50℃以下），纯钢结构的脆断风险‌显著增大‌，其风险程度与钢材类型、温度降幅、应力状态等因素直接相关。以下是具体分析：

一、极寒地区纯钢结构脆断的机理

1. ‌低温导致钢材韧性骤降‌

• ‌温度-韧性曲线‌：钢材在-30℃以下时，冲击韧性（KV₂值）急剧下降。例如，Q345B钢在-20℃时KV₂=34J，-40℃时降至12J，-60℃时仅5J（远低于规范要求的27J）。

• ‌脆断临界温度‌：普通结构钢（如Q235）的脆性转变温度（DBTT）约为-20℃，而极寒地区（-50℃）远低于此值，钢材进入完全脆性状态。

2. ‌应力集中引发脆性断裂‌

• ‌焊接缺陷‌：焊缝熔合线处存在微裂纹，低温下裂纹尖端应力集中系数（K₁）超过钢材断裂韧性（KIC），导致脆断。

• ‌几何突变‌：节点板、加劲肋等部位因截面突变产生应力集中，低温下更易引发裂纹扩展。

二、极寒地区纯钢结构脆断风险量化

1. ‌风险等级划分‌

‌温度范围‌

‌脆断风险等级‌

‌典型案例‌

2. ‌风险概率模型‌

脆断概率（P）与温度（T）、应力幅（Δσ）的关系可简化为：
$P=1-\exp [-{\left(\frac{\mathrm{\Delta }\sigma }{K_{IC}}\right)}^m\cdot \exp \left(\frac{E\cdot \alpha \cdot \mathrm{\Delta }T}{R}\right)]$P=1−exp[−(KICΔσ)m⋅exp(RE⋅α⋅ΔT)]

• 式中：KIC为断裂韧性，ΔT为温度降幅，α为热膨胀系数，E为弹性模量，R为气体常数，m为材料常数。

• ‌极寒地区（ΔT=80℃）‌：P值比常温（20℃）高2-3个数量级，脆断概率显著增加。

三、极寒地区纯钢结构脆断的典型案例

1. ‌加拿大北极钻井平台事故‌

• ‌背景‌：1990年，某钻井平台在-55℃环境下，支撑腿焊缝处突发脆断。

• ‌原因‌：

• 钢材选用Q235（DBTT=-20℃），未考虑极寒环境。

• 焊缝未进行低温预热，残余应力达屈服强度的80%。

• ‌后果‌：平台倾斜15°，直接经济损失超2亿美元。

2. ‌俄罗斯亚马尔LNG项目教训‌

• ‌背景‌：2015年，某纯钢管道支架在-52℃时发生脆断。

• ‌改进措施‌：

• 改用9%Ni钢（DBTT=-196℃），脆断风险降低90%。

• 焊缝采用电加热预热（150℃），残余应力降至30%。

四、极寒地区纯钢结构脆断风险的控制措施

1. ‌材料升级‌

• ‌选用低温钢‌：如9%Ni钢（DBTT=-196℃）、A537Cl2（DBTT=-60℃），其KV₂值在-60℃时仍≥34J。

• ‌案例‌：北极LNG项目采用9%Ni钢，-50℃下10年无脆断记录。

2. ‌工艺优化‌

• ‌焊缝预热‌：低温环境（＜-10℃）下，焊前预热至150-200℃，焊后缓冷。

• ‌后热处理‌：焊缝完成立即进行200-300℃后热，消除氢致裂纹风险。

3. ‌设计改进‌

• ‌避免应力集中‌：节点板圆角半径≥3t（t为板厚），加劲肋间距≤1.5m。

• ‌冗余设计‌：关键构件安全系数提高至1.5（常规1.2）。

五、极寒地区结构选型建议

‌结构类型‌

‌适用温度‌

‌脆断风险‌

‌经济性‌

结论：极寒地区（-50℃以下）优先采用钢混组合结构，其脆断风险比纯钢结构低80%，且全生命周期成本更低。