ASME標(biāo)準(zhǔn)防脆斷的思路、措施和豁免判定步驟

程濤濤，黃明松（惠生工程（中國）有限公司河南化工設(shè)計(jì)院分公司，鄭州450018）

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ASME標(biāo)準(zhǔn)防脆斷的思路、措施和豁免判定步驟

程濤濤，黃明松
（惠生工程（中國）有限公司河南化工設(shè)計(jì)院分公司，鄭州450018）

摘 要：介紹ASME標(biāo)準(zhǔn)中防止低溫脆斷的總體思路和措施，并對該措施進(jìn)行分析，比較了ASMEⅧ－Ⅰ和ASMEⅧ－Ⅱ中對防低溫脆斷措施方面的主要區(qū)別，列出了ASME材料低溫沖擊試驗(yàn)豁免判定的具體操作步驟。

關(guān)鍵詞：低溫脆斷；ASMEⅧ；MDMT；斷裂力學(xué)；豁免沖擊判定

1　ASME對防脆斷判定的演變

最早的ASMEⅧ并未規(guī)定防止容器脆性斷裂的措施，在實(shí)際的工程操作中，特別是在壓力試驗(yàn)時(shí)發(fā)生了多起脆性斷裂事故才逐步引起注意。在1989年之前，為防止船舶和壓力容器在低溫下發(fā)生脆性斷裂，ASMEⅧ根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)一劃定－30℃為低溫容器。對于操作溫度不低于－30℃且材料滿足標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的夏比（V型缺口）沖擊功（CVN值，20J以上）條件后，經(jīng)過實(shí)際經(jīng)驗(yàn)證實(shí)不致發(fā)生低溫脆斷，可不作為低溫容器。否則，應(yīng)作為低溫容器，由容器制造廠在另行規(guī)定的最低設(shè)計(jì)金屬溫度（MDMT）下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)并滿足其評(píng)定要求。因?yàn)楫?dāng)時(shí)壓力容器用材主要采用中低強(qiáng)度鋼，所以這種傳統(tǒng)的進(jìn)行夏比（V型缺口）沖擊試驗(yàn)作為應(yīng)對材料脆斷的方法在一段時(shí)期內(nèi)起到了一定的作用。隨著中高強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)度鋼的使用，傳統(tǒng)方法日益暴露出其不足之處。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度高、延塑性差的材料與強(qiáng)度低、延塑性好的材料在沖擊功的數(shù)值上可能很接近。

隨著斷裂力學(xué)的發(fā)展，ASME標(biāo)準(zhǔn)的制定者逐漸認(rèn)識(shí)到用斷裂力學(xué)分析某種材料在既定應(yīng)力水平、既定尺寸的缺陷是否會(huì)引起脆性斷裂的方法，遠(yuǎn)比建立在既有經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的控制夏比（V型缺口）沖擊試驗(yàn)CVN值的方法合理、科學(xué)。規(guī)范制定者在規(guī)定的制造工藝和無損檢測條件下，通過大量的工程調(diào)查和經(jīng)驗(yàn)積累，認(rèn)定在一定厚度的材料上總是有其大小為厚度某一比值的裂紋存在。根據(jù)斷裂力學(xué)原理，對于具有尺寸δ的穿透性裂紋材料，在拉伸應(yīng)力σ的作用下，當(dāng)裂紋尖端的應(yīng)力場強(qiáng)度因子KI達(dá)到材料的臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子KIC時(shí)，該裂紋就會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展，并引起材料脆性斷裂。應(yīng)力場強(qiáng)度因子KI可表示為：

式中，σ為材料所受到的拉伸應(yīng)力；δ為材料上與拉伸應(yīng)力垂直方向上的裂紋尺寸。

如果某一材料的裂紋尖端處應(yīng)力場強(qiáng)度因子KI小于其臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子KIC，說明材料不可能發(fā)生低溫脆斷，不必對材料、結(jié)構(gòu)、制造等采取防低溫脆斷措施。也就是說，即便該材料處于某一低溫，也不必看作是低溫容器。反之，如果KI大于KIC，則說明該材料即使在操作溫度不是很低的情況下，也有可能發(fā)生脆性斷裂，必須采取包括測量和評(píng)定KIC在內(nèi)的防脆斷措施，并在結(jié)構(gòu)和制造等方面全面按照低溫容器的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是，在實(shí)際工程中，確定KIC的過程非常復(fù)雜，要測量不同溫度下材料的KIC耗時(shí)、耗資都非常巨大。因此，基于前人在一定條件下所得KIC值與夏比（V型缺口）沖擊試驗(yàn)CVN值在數(shù)值上的對應(yīng)關(guān)系，將KIC換算成了CVN值。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中雖然是使用斷裂力學(xué)來進(jìn)行判定，但形式上仍采用測量和評(píng)定CVN值的方法。

2　對ASMEⅧ－Ⅰ防脆斷措施的分析

2.1 是否進(jìn)行防脆斷措施的判斷

根據(jù)上述斷裂力學(xué)原理，對于給定的材料種類、材料厚度（代表缺陷尺寸）、MDMT、應(yīng)力水平（滿載時(shí)以材料的許用應(yīng)力值表示），計(jì)算出該帶有缺陷的材料的應(yīng)力場強(qiáng)度因子KI，并將KI與材料固有的力學(xué)屬性KIC進(jìn)行比較，判定是否需要進(jìn)行防脆斷措施。規(guī)范已經(jīng)根據(jù)這一思路，作出了是否需要進(jìn)行防脆斷措施的判別圖，見參考文獻(xiàn)［1］圖UCS－66M。如圖1所示，以元件的最低設(shè)計(jì)金屬溫度（MDMT）為縱坐標(biāo)，以元件的控制厚度為橫坐標(biāo)，A、B、C、D四條曲線分別代表4種不同類型的材料。根據(jù)元件所屬的材料種類確定相應(yīng)的曲線，當(dāng)MDMT和控制厚度的交點(diǎn)位于相應(yīng)曲線的上方時(shí)，說明在此溫度下不會(huì)發(fā)生脆斷，不必采取防脆斷措施；反之，當(dāng)MDMT和控制厚度的交點(diǎn)在相應(yīng)曲線下方時(shí)，說明有可能發(fā)生脆斷，必須采取包括在該MDMT時(shí)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)在內(nèi)的相應(yīng)防脆斷措施，并對不同的材料規(guī)定了相應(yīng)的CVN合格值。

圖1　進(jìn)行防脆斷措施判別圖

2.2 判定是否進(jìn)行防脆斷措施的調(diào)整

上述是否進(jìn)行防脆斷措施的判斷并未計(jì)及受壓元件的某些情況，例如元件一般不至于在滿強(qiáng)度時(shí)操作。如果元件進(jìn)行了熱處理，其防脆斷的性能會(huì)有所改善，材料的薄厚會(huì)呈現(xiàn)出不同的防脆斷性能。沖擊試驗(yàn)總是在快速加載條件下完成的，實(shí)際上與測定KIC的慢速加載的條件略有不同。由于上述種種情況，標(biāo)準(zhǔn)的制定者對判定方法作出了調(diào)整。

2.2.1 計(jì)及元件所處應(yīng)力水平的高低對判斷溫度的調(diào)整

由應(yīng)力場強(qiáng)度因子KI的表達(dá)式可知，元件所處的應(yīng)力水平的高低直接影響KI的大小。上述是否進(jìn)行防脆斷措施的分析是在元件處于滿強(qiáng)度的情況下作出的判定，當(dāng)元件處于低應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，KI會(huì)有所降低，此時(shí)元件的防脆斷能力會(huì)有所改善，也就是判定是否需要進(jìn)行防脆斷措施的MDMT可以調(diào)低。規(guī)范已經(jīng)作出了隨著應(yīng)力水平的降低，是否需要進(jìn)行防脆斷措施的判定溫度（MDMT）可降低的關(guān)系圖，見參考文獻(xiàn)［1］圖UCS－66.1M。圖中以元件所需要的厚度與名義厚度之比tr／tn為縱坐標(biāo)，代表元件所處的應(yīng)力水平；以溫度作為橫坐標(biāo)，表示是否需要進(jìn)行防脆斷措施的判定溫度可以降低的數(shù)值。

2.2.2 進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的焊后熱處理時(shí)對判定溫度的降低

焊后熱處理可以改善元件金屬材料的金相組織并降低甚至消除因冷、熱加工所引起的殘余應(yīng)力，從而降低元件的應(yīng)力水平，提高元件的防脆斷性能。UCS－68（C）中規(guī)定，當(dāng)規(guī)范不要求，實(shí)際上卻進(jìn)行了焊后消除應(yīng)力熱處理時(shí)，可按照圖1對P－No.1材料是否進(jìn)行防脆斷措施的判定溫度降低30°F （17℃）。

2.2.3 采用小尺寸試樣時(shí)對沖擊試驗(yàn)的調(diào)整

規(guī)范在UG－84（c）（5）中規(guī)定，凡元件厚度足以允許制作界面為10mm×10mm的標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣時(shí)，應(yīng)制作該尺寸的標(biāo)準(zhǔn)試樣；當(dāng)元件厚度大于10mm、應(yīng)制作的試樣寬度不足8mm時(shí)，試驗(yàn)溫度應(yīng)比設(shè)計(jì)時(shí)采用的最低設(shè)計(jì)金屬溫度（MDMT）低，其所降低的值見表1。

表1　元件厚度對應(yīng)的溫度降低值

當(dāng)元件厚度小于10mm時(shí)，此時(shí)能制作的最大V型缺口試樣的寬度小于元件厚度的80%。如果材料標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限小于655MPa，則試驗(yàn)溫度應(yīng)比設(shè)計(jì)時(shí)采用的最低溫度（MDMT）低，其所降低的值等于元件實(shí)際厚度由表1對應(yīng)的溫度降低值與實(shí)際試樣寬度由表1對應(yīng)的溫度降低值之差；如果材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限大于655MPa，則試驗(yàn)溫度仍然按設(shè)計(jì)時(shí)采用的最低溫度（MDMT）執(zhí)行，不進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)規(guī)范在UG－84（c）（3）中規(guī)定，若制作的沖擊試樣寬度小于2.5mm，不要求進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

2.2.4 沖擊試驗(yàn)和靜加載試驗(yàn)加載速度不同的影響

容器在實(shí)際操作中與材料在測量KIC時(shí)的靜加載基本上不存在加載速度的差別，但是用沖擊試驗(yàn)測定CVN值的加載速度與測量KIC以及實(shí)際操作加載速度有很大的區(qū)別。以斷裂力學(xué)原理來判定是否進(jìn)行防脆斷措施的思路是以材料的臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子KIC來決定的，只是由于測量KIC值既費(fèi)時(shí)又不經(jīng)濟(jì)，所以才采用在數(shù)值上和KIC值有一定關(guān)系的沖擊試驗(yàn)CVN值表示。對于高強(qiáng)度鋼，加載速度的差別對材料所呈現(xiàn)的防脆斷性能差別并不明顯，但是對于延性比較好的中、低強(qiáng)度鋼，加載速度低時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出比加載速度高時(shí)為好的CVN值。所以，對于中、低強(qiáng)度鋼，為調(diào)整因采用沖擊試驗(yàn)所得CVN值與慢加載時(shí)所得KIC值之間的差別，應(yīng)將沖擊試驗(yàn)溫度適當(dāng)調(diào)高，即提高其CVN值彌補(bǔ)二者之間的差異。規(guī)范已經(jīng)根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度值列出了試驗(yàn)溫度高出最低設(shè)計(jì)金屬溫度的值，見表2。

表2　材料屈服強(qiáng)度對應(yīng)的MDMT

2.3 沖擊功的合格值

針對不同的材料，其沖擊功合格值也不盡相同，標(biāo)準(zhǔn)在UG－84（C）中規(guī)定，對于標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度小于655MPa的材料（中、低強(qiáng)度鋼），10mm×10mm標(biāo)準(zhǔn)尺寸式樣所得的沖擊功合格值由參考文獻(xiàn)［1］圖UG－84.1M確定，小尺寸的非標(biāo)準(zhǔn)試樣所得沖擊功CVN合格值可由標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣的合格沖擊功值乘以試樣寬度對全尺寸試樣寬度（10mm）的比值來計(jì)算。

對于高強(qiáng)度鋼（抗拉強(qiáng)度大于655MPa），由于其抗脆斷的性能較差，容易引起脆性斷裂，故ASME標(biāo)準(zhǔn)中不是以夏比（V型缺口）沖擊功值（CVN）而是以在沖擊斷裂后缺口背部處的膨脹值來表征其防脆斷性能。標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限大于655MPa的材料，在沖擊斷裂后其背部的側(cè)向膨脹合格值應(yīng)按參考文獻(xiàn)［1］圖UHT－6.1M確定。

3　ASMEⅧ－Ⅱ在防脆斷措施上與ASMEⅧ－Ⅰ的比較

總體來說，ASMEⅧ－Ⅱ與ASMEⅧ－Ⅰ相比在防脆斷措施上的規(guī)定沒有大的變化，只是由于許用應(yīng)力的提高而對材料的防脆斷性能提高了要求，并在一些具體規(guī)定上略有調(diào)整。

3.1 判定是否進(jìn)行防脆斷措施的曲線

在同材料、同厚度的情況下，ASMEⅧ－Ⅱ?qū)γ獬龥_擊實(shí)驗(yàn)的MDMT有所提高，說明對材料的防脆斷性能的要求提高了。此外，把焊后熱處理可以改善材料防脆斷性能的調(diào)整措施直接以兩條不同的曲線表示，見參考文獻(xiàn)［2］圖3.7M和圖3.8M。顯然，對于同樣厚度的同種材料，經(jīng)過焊后熱處理的材料判定免除沖擊試驗(yàn)的MDMT較未經(jīng)焊后熱處理的低，說明熱處理對改善材料的防脆斷性能是有幫助的。

3.2 對低應(yīng)力狀態(tài)判定溫度的調(diào)低

ASMEⅧ－Ⅰ對低應(yīng)力的下限值固定為0.35（見參考文獻(xiàn)［1］圖UCS－66.1M），ASMEⅧ－Ⅱ改為0.24，說明材料的許用應(yīng)力提高后對脆性斷裂更為敏感。相應(yīng)地，如降低其承載應(yīng)力水平，對防脆斷性能的改善也更為直接。對低應(yīng)力狀態(tài)免除沖擊試驗(yàn)的調(diào)整曲線，根據(jù)材料屈服強(qiáng)度的不同分別用兩根曲線表示，見參考文獻(xiàn)［2］圖3.12M和圖3.13M。

3.3 沖擊功合格值的調(diào)整

ASMEⅧ－Ⅱ也是根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度和厚度，用線圖表示沖擊功的合格值。與上述3.1和3.2相同的是，未經(jīng)過焊后熱處理和經(jīng)過焊后熱處理的情況分別用兩組曲線表示，見參考文獻(xiàn)［2］圖3.3M和圖3.4M。根據(jù)圖中曲線可知，對同樣厚度的同種材料，經(jīng)過焊后熱處理者其沖擊功合格值低于未經(jīng)焊后熱處理的材料。

4　豁免沖擊試驗(yàn)的判定步驟

根據(jù)前述，ASME對于材料是否需要進(jìn)行防脆斷措施是采用斷裂力學(xué)原理進(jìn)行判定的，但是標(biāo)準(zhǔn)對判定的論述在通用要求、材料、焊接、水壓試驗(yàn)等方面都有說明，對某種材料在標(biāo)準(zhǔn)的某一條款中要求做沖擊試驗(yàn)，但有可能在其他條款中被免除。也就是說，應(yīng)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的判定不一定是最終的結(jié)果，而豁免沖擊試驗(yàn)的判定則是最終的結(jié)論。［3］鑒于標(biāo)準(zhǔn)前后引用，條款規(guī)定繁多，為便于實(shí)際操作，將ASMEⅧ－Ⅰ中對材料的豁免沖擊試驗(yàn)判定步驟總結(jié)如下：

第一步，直接取得豁免沖擊試驗(yàn)的條件。

1）最低設(shè)計(jì)溫度高于50℃時(shí)，任何厚度的材料均可豁免沖擊試驗(yàn)。

2）采用參考文獻(xiàn)［1］圖UCS－66曲線A的材料作為金屬保留墊板時(shí)，若厚度≤6mm，MDMT≥－29℃，可豁免沖擊試驗(yàn)。

3）當(dāng)最低設(shè)計(jì)金屬溫度低于－48℃時(shí)，只有下面兩種情況可豁免沖擊試驗(yàn)：

b.按ASMEⅧ－Ⅰ中規(guī)定不要求進(jìn)行熱處理而進(jìn)行了額外熱處理的P－No.1組材料，最低設(shè)計(jì)金屬溫度比豁免沖擊試驗(yàn)的最低溫度低0～17℃時(shí)，可豁免沖擊試驗(yàn)。

4）選擇以下標(biāo)準(zhǔn)法蘭，在最低設(shè)計(jì)溫度不低于－29℃時(shí)可豁免沖擊試驗(yàn)：

a.ASME B 16.5。

b.ASME B 16.47。

c.材料為SA－216 Gr.WCB的松式法蘭且級(jí)別為150LB和300LB。

5）厚度不大于2.5mm的材料，最低設(shè)計(jì)溫度不低于－48℃時(shí)可豁免沖擊試驗(yàn)。

第二步，按UG－20（f）判定。

第三步，按UCS－66（a）判定。

第四步，按UCS－66（b）判定。

通過以上四步的層層篩選，材料仍然未得到豁免沖擊時(shí)就必須進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

5 結(jié)語

ASME標(biāo)準(zhǔn)采用斷裂力學(xué)的原理有效防止了材料的脆性斷裂，本文僅對碳素鋼和低合金鋼是否進(jìn)行豁免沖擊判定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不同進(jìn)行總結(jié)。要避免容器出現(xiàn)脆性斷裂，除按標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定進(jìn)行判定外，還應(yīng)對設(shè)備的結(jié)構(gòu)、制造要求等進(jìn)行相關(guān)的規(guī)定，才能有效防止材料脆性斷裂。

注釋：

①tr：根據(jù)UG－27公式的計(jì)算厚度；tn：容器的名義厚度；E：焊接接頭系數(shù)；C：厚度附加量

參考文獻(xiàn)：

［1］ASME鍋爐及壓力容器委員會(huì).ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范：國際性規(guī)范Ⅷ－Ⅰ壓力容器建造規(guī)則［S］.CACI，譯.2013版.北京：中國石化出版社，2013.

［2］ASME鍋爐及壓力容器委員會(huì).ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范：國際性規(guī)范Ⅷ－Ⅱ壓力容器建造另一規(guī)則［S］.CACI，譯.2013版.北京：中國石化出版社，2013.

［3］丁伯民.ASME壓力容器規(guī)范分析與應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

（責(zé)任編輯 姚虹）

Method，Measure，and Immunity of the ASME Standard for Anti－brittle Fracture Thoughts，Methods and Absolution Steps of ASME Code for Anti－Brittle Fracture

CHENG Tao－tao，HUANG Ming－song

（Henan Chemical Design Institute Branch，Wison Engineering Co.Ltd.，Zhengzhou 450018，China）

Abstract：This paper introduces the general idea and measures of preventing the low temperature brittle fracture in ASME standard，and analyzes the measures；it contrasts the main differences between ASMEⅧ－Ⅰand ASMEⅧ－Ⅱin preventing the low temperature brittle fracture；it lists the specific steps of impact test exemption of ASME.

Key words：low temperature brittle fracture；ASMEⅧ；MDMT；fracture mechanics；impact test exemption

作者簡介：程濤濤（1985—），男，河南魯山人，工學(xué)碩士，惠生工程（中國）有限公司河南化工設(shè)計(jì)院分公司助理工程師，主要從事石油化工壓力容器設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2015－08－16

文章編號(hào)：1008－3715（2015）05－0125－04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH49

DOI：10.13783／j.cnki.cn41－1275／g4.2015.05.26