GB150與ASMEⅧ-1規范壓力容器沖擊試驗豁免的判斷及影響因素

1、前言

    容器選材除考慮材料具有一定的強度、良好工藝性及焊接性是不夠的，有時(shí)還需考慮低溫工況下材料具有足夠的韌性，目前評價(jià)材料低溫韌性最常見(jiàn)的方法是夏比V型缺口沖擊試驗法，由于容器在低溫工況下容易產(chǎn)生脆性斷裂，危害較大，因此判斷材料是否需要沖擊試驗對設備安全性而言有著(zhù)舉足輕重的作用。

2 、GB150與ASMEⅧ-1規范關(guān)于沖擊試驗判斷的區別

我國壓力容器標準GB150和ASME Ⅷ-1規范在是否做沖擊試驗的判斷條件上存在不同之處。

GB150.1-2011規定：設計溫度低于-20℃的碳素鋼、低合金鋼、雙相不銹鋼和鐵素體不銹鋼制容器為低溫容器^[1]。低溫容器用材料必須做夏比V型缺口沖擊試驗，其試驗溫度不高于設計溫度，沖擊功應滿(mǎn)足該溫度下標準要求的數值，此時(shí)沖擊試驗唯一豁免的條件是：容器處于“低溫低應力工況”，具體“低溫低應力”概念詳見(jiàn)GB150.3-2011附錄E規定，不過(guò)“低溫低應力工況”不適用于鋼材標準抗拉強度下限值R_m≥540MPa的材料以及螺栓材料。

    對于設計溫度在-20℃～0℃范圍內的容器，由于我國板材及鍛件在出廠(chǎng)前只做0℃沖擊試驗，所以在材料采購時(shí)需提出-20℃沖擊試驗要求，以滿(mǎn)足容器在-20℃～0℃溫度下的韌性要求，其沖擊功指標不低于標準規定0℃沖擊功值。GB150.2-2011規定：對于Q245R、Q345R 、13MnNiMoR鋼板，20、16Mn、20MnMo鍛件,如需規定進(jìn)行-20℃沖擊試驗時(shí)，應在設計文件中注明。

    另外，材料厚度不同所呈現的韌性也不同，因此GB150.2-2011中規定：殼體厚度大于60mm的鋼板應進(jìn)行V型缺口沖擊試驗。

    ASMEⅧ-1規范1989版至現行版本，取消了低溫容器的概念，是否做沖擊試驗由材料組別、控制厚度及最低設計金屬溫度共同決定，試驗溫度不得高于最低設計金屬溫度，沖擊功滿(mǎn)足標準規定即可。

相比GB150而言，ASMEⅧ-1規范有如下特點(diǎn)：

(1)沒(méi)有一個(gè)固定溫度值來(lái)判斷是否做沖擊試驗；

(2)設計溫度低于-20℃不一定必須做沖擊試驗，而設計溫度高于-20℃甚至0℃以上也不一定免除沖擊試驗；

(3)同一組別材料，相同控制厚度，不同設計溫度，或相同設計溫度，不同控制厚度，是否需要沖擊試驗的情況也是不同的；

(4)在某一條款中要求做沖擊試驗，可能在其它條款中被免除，也就是說(shuō)“應進(jìn)行沖擊試驗”的判定不一定是最終結果，而“沖擊試驗豁免”的判定才是最終的結論。

3、ASMEⅧ-1規范沖擊試驗豁免的判斷

在A(yíng)SME Ⅷ-1規范中通常以取得豁免條件來(lái)判斷材料是否做沖擊試驗的依據。碳鋼、低合金鋼制壓力容器殼體、封頭、接管、人孔、補強板、法蘭、管板、平蓋板以及永久保留的焊接襯墊和焊接到受壓元件上的對容器的結構完整性必不可少的附件等零件取得“沖擊試驗豁免”的條件總結如下：

第一步：按UG-20(f)判斷

(1)設計溫度范圍為-29℃≤T≤345℃；（注：由于低溫季節大氣溫度的影響，操作溫度偶然低于-29℃是允許的）；

(2)容器不存在熱沖擊、機械沖擊或循環(huán)載荷；

(3)容器制造完畢后按照UG-99(b)或UG-99(C)進(jìn)行液壓試驗，一般容器是做液壓試驗的，除非結構等原因采用UG-100進(jìn)行氣壓試驗；

(4)對于P-No.1.1或P-No.1.2組材料：

① 按UCS-66屬曲線(xiàn)A的材料，其控制厚度不超過(guò)13mm，常見(jiàn)曲線(xiàn)A材料有：SA-283、SA-285-C、SA-36、SA-515-70等；

② 按UCS-66屬曲線(xiàn)B、C或D材料，其控制厚度不超過(guò)25mm，常見(jiàn)曲線(xiàn)B、C、D材料有：SA-516-70、SA-105、SA-106-B等。

如同時(shí)滿(mǎn)足上述要求時(shí)，材料可免除沖擊試驗，否則，只要有一條不滿(mǎn)足，轉入第二步進(jìn)行判斷。

第二步：直接取得沖擊試驗豁免的條件

(1)最低設計金屬溫度高于50℃，任何組別材料的任何厚度均不需要沖擊試驗；

(2)設計金屬溫度不低于-48℃，且厚度不大于2.5mm的不需要沖擊試驗；

(3)采用UCS-66曲線(xiàn)A的材料制造金屬保留墊板，且厚度不大于6mm，若最低設計金屬溫度不低于-29℃時(shí)不需要沖擊試驗；

(4)選擇以下標準法蘭，如最低設計金屬溫度不低于-29℃時(shí)，可免做沖擊試驗；

①  ASME B16.5鐵素體鋼法蘭;

②  ASME B16.47鐵素體鋼法蘭;

③  SA-216 Gr WCB剖分式松式法蘭，級別不大于150磅或300磅。

(5)當最低設計金屬溫度低于-48℃且不低于-105℃時(shí)，比值S=t_rE/(t_n-c)≤0.35時(shí)，免做沖擊試驗;

 (6)對于DN≤100mm，且為P-No.1組材料的管子，其最低設計金屬溫度不低于-105℃，只要材料厚度不大于下表所列最低屈服強度對應的厚度值，可免做沖擊試驗。

(7) 當ASME Ⅷ-1規范中未要求強制熱處理而進(jìn)行熱處理的P-No.1組材料，允許最低設計溫度可降低17℃，即便此時(shí)溫度已低于-48℃。

(8)對于螺栓、螺母免做沖擊試驗的最低設計金屬溫度詳見(jiàn)ASME Ⅷ-1篇UCS-66總注(c)的規定。

第三步：按UCS-66(a)進(jìn)行判斷

按此條進(jìn)行判斷時(shí)一定要準確計算出元件的“控制厚度”。當最低設計金屬溫度和材料控制厚度的相交點(diǎn)落在對應材料曲線(xiàn)上或者上方，可免做沖擊試驗，如果相交點(diǎn)落在對應曲線(xiàn)的下方，則需要進(jìn)行第四步判斷。

第四步：按UCS-66(b)進(jìn)行判斷

按照UCS-66(a)未得到免除沖擊的元件，如果比值S=t_rE/(t_n-c)＜1，且元件的最低設計金屬溫度不低于-48℃時(shí)，可繼續按本條進(jìn)行判斷，并計算MDMT降低值，當降低后得到的溫度低于所要求的MDMT，則此元件材料免做沖擊試驗。

MDMT降低值可根據比值S按照UCS-66(b)中圖表查出，當降低值不超過(guò)22℃時(shí)，可按下面公式計算：MDMT降低值=(1- S)×56℃，對于不承受總體一次薄膜拉伸應力的元件，如平封頭、平蓋、管板和法蘭(包括螺栓和螺母)，比值S為最大設計壓力與最大許用壓力之比。

通過(guò)上述四步篩選，如果沖擊試驗還不能豁免，別無(wú)選擇，容器所用材料只能進(jìn)行MDMT下的沖擊試驗，沖擊功滿(mǎn)足標準規定要求。

因為沖擊試驗對壓力容器制造廠(chǎng)來(lái)說(shuō)是一項較大的花費，所以，設計者應該盡一切努力來(lái)避免它?？梢酝ㄟ^(guò)增加元件的控制厚度或選用韌性較好、級別較高材料的方法來(lái)避免沖擊試驗，但此時(shí)應考慮設備的經(jīng)濟性，為避免沖擊試驗，增加這些費用是否值得。

4、影響沖擊試驗豁免的主要因素

(1)應力水平的影響

根據UCS-66(b)曲線(xiàn)可判斷，隨著(zhù)比值S（代表設計應力與材料許用應力之比）的降低，同一組別材料允許的最低設計金屬溫度也隨之降低，當S≤0.35時(shí)，免做沖擊試驗的最低設計金屬溫度可達-105℃，因此說(shuō)，應力水平降低，元件所允許的最低設計金屬溫度也隨之降低，材料沖擊試驗豁免的可能性就越大。

（2）材料厚度的影響

材料厚度不同，所呈現的韌性也不同，同一材料，較薄時(shí)，由于材料兩自由表面不受約束，在拉伸時(shí)易產(chǎn)生垂直板表面的變形而不存在垂直于板表面方向的應力，處于二向應力狀態(tài)^[3]，較厚時(shí)，材料除表面外其余部分由于受到相鄰材料的約束存在垂直板表面方向的應力，處于三向應力狀態(tài)^[3]，因此較厚材料的韌性低于較薄材料。從UCS-66(a)表可看出，在同一曲線(xiàn)上，厚度越薄所允許的最低設計金屬溫度就越低，材料沖擊試驗豁免的可能性就越大。

在這點(diǎn)上GB150.2-2011表4中也有相應的體現，同樣做0℃沖擊的Q345R鋼板，厚度小于20mm時(shí)，最低使用溫度可達-20℃；厚度大于25mm時(shí)，最低使用溫度只能用在0℃。

(3)材料強度的影響

對于中低強度材料，抗拉和屈服強度低，發(fā)生脆性斷裂的趨勢小，相反，強度越高發(fā)生脆性斷裂的機會(huì )就越大，因此ASMEⅧ-1規范中明確規定最小屈服強度大于450MPa的材料必須做沖擊試驗^[2]。

(1)熱處理的影響

由于熱處理改善材料金相組織，細化晶粒，減少殘余應力，提高材料韌性，改善材料的防脆斷能力，因此ASMEⅧ-1規范中對同樣厚度的同組別材料，正火狀態(tài)的材料比非正火狀態(tài)的材料所允許最低設計金屬溫度低；另外規范中未要求強制熱處理而進(jìn)行熱處理的P-No.1組材料，允許最低溫度可降低17℃，免沖擊試驗溫度可低于-48℃^[2]。

5、結束語(yǔ)

容器發(fā)生脆性斷裂的危害性較大，作為設計者正確選材及準確判斷是否需要沖擊試驗尤為重要，GB150與ASMEⅧ-1規范在沖擊試驗要求上有所不同，因此我們應全面理解規范，理清思路，才能得出正確、合理的結論。

符號說(shuō)明:

R_m－材料抗拉強度，MPa；

t_r －對所有載荷（UG-22所列載荷）并根據焊接接頭系數在腐蝕下所需的厚度，mm；

E－焊接接頭系數；

t_n－未扣除腐蝕裕量元件的公稱(chēng)厚度，mm；

c－腐蝕裕量，mm。