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

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ASME標準防脆斷的思路、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)計院分公司，鄭州450018）

摘 要：介紹ASME標準中防止低溫脆斷的總體思路和措施，并對該措施進行分析，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；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，在實際的工程操作中，特別是在壓力試驗時發(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℃且材料滿足標準所規(guī)定的夏比（V型缺口）沖擊功（CVN值，20J以上）條件后，經(jīng)過實際經(jīng)驗證實不致發(fā)生低溫脆斷，可不作為低溫容器。否則，應作為低溫容器，由容器制造廠在另行規(guī)定的最低設(shè)計金屬溫度（MDMT）下進行沖擊試驗并滿足其評定要求。因為當時壓力容器用材主要采用中低強度鋼，所以這種傳統(tǒng)的進行夏比（V型缺口）沖擊試驗作為應對材料脆斷的方法在一段時期內(nèi)起到了一定的作用。隨著中高強度鋼和高強度鋼的使用，傳統(tǒng)方法日益暴露出其不足之處。實驗發(fā)現(xiàn)，強度高、延塑性差的材料與強度低、延塑性好的材料在沖擊功的數(shù)值上可能很接近。

隨著斷裂力學的發(fā)展，ASME標準的制定者逐漸認識到用斷裂力學分析某種材料在既定應力水平、既定尺寸的缺陷是否會引起脆性斷裂的方法，遠比建立在既有經(jīng)驗基礎(chǔ)上的控制夏比（V型缺口）沖擊試驗CVN值的方法合理、科學。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)驗積累，認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)斷裂力學原理，對于具有尺寸δ的穿透性裂紋材料，在拉伸應力σ的作用下，當裂紋尖端的應力場強度因子KI達到材料的臨界應力場強度因子KIC時，該裂紋就會失穩(wěn)擴展，并引起材料脆性斷裂。應力場強度因子KI可表示為：

式中，σ為材料所受到的拉伸應力；δ為材料上與拉伸應力垂直方向上的裂紋尺寸。

如果某一材料的裂紋尖端處應力場強度因子KI小于其臨界應力場強度因子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行設(shè)計。但是，在實際工程中，確定KIC的過程非常復雜，要測量不同溫度下材料的KIC耗時、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CVN值在數(shù)值上的對應關(guān)系，將KIC換算成了CVN值。在標準規(guī)范中雖然是使用斷裂力學來進行判定，但形式上仍采用測量和評定CVN值的方法。

2　對ASMEⅧ－Ⅰ防脆斷措施的分析

2.1 是否進行防脆斷措施的判斷

根據(jù)上述斷裂力學原理，對于給定的材料種類、材料厚度（代表缺陷尺寸）、MDMT、應力水平（滿載時以材料的許用應力值表示），計算出該帶有缺陷的材料的應力場強度因子KI，并將KI與材料固有的力學屬性KIC進行比較，判定是否需要進行防脆斷措施。規(guī)范已經(jīng)根據(jù)這一思路，作出了是否需要進行防脆斷措施的判別圖，見參考文獻［1］圖UCS－66M。如圖1所示，以元件的最低設(shè)計金屬溫度（MDMT）為縱坐標，以元件的控制厚度為橫坐標，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的曲線，當MDMT和控制厚度的交點位于相應曲線的上方時，說明在此溫度下不會發(fā)生脆斷，不必采取防脆斷措施；反之，當MDMT和控制厚度的交點在相應曲線下方時，說明有可能發(fā)生脆斷，必須采取包括在該MDMT時進行沖擊試驗在內(nèi)的相應防脆斷措施，并對不同的材料規(guī)定了相應的CVN合格值。

圖1　進行防脆斷措施判別圖

2.2 判定是否進行防脆斷措施的調(diào)整

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

2.2.1 計及元件所處應力水平的高低對判斷溫度的調(diào)整

由應力場強度因子KI的表達式可知，元件所處的應力水平的高低直接影響KI的大小。上述是否進行防脆斷措施的分析是在元件處于滿強度的情況下作出的判定，當元件處于低應力狀態(tài)時，KI會有所降低，此時元件的防脆斷能力會有所改善，也就是判定是否需要進行防脆斷措施的MDMT可以調(diào)低。規(guī)范已經(jīng)作出了隨著應力水平的降低，是否需要進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［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，代表元件所處的應力水平；以溫度作為橫坐標，表示是否需要進行防脆斷措施的判定溫度可以降低的數(shù)值。

2.2.2 進行非標準中規(guī)定的焊后熱處理時對判定溫度的降低

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力，從而降低元件的應力水平，提高元件的防脆斷性能。UCS－68（C）中規(guī)定，當規(guī)范不要求，實際上卻進行了焊后消除應力熱處理時，可按照圖1對P－No.1材料是否進行防脆斷措施的判定溫度降低30°F （17℃）。

2.2.3 采用小尺寸試樣時對沖擊試驗的調(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的標準尺寸試樣時，應制作該尺寸的標準試樣；當元件厚度大于10mm、應制作的試樣寬度不足8mm時，試驗溫度應比設(shè)計時采用的最低設(shè)計金屬溫度（MDMT）低，其所降低的值見表1。

表1　元件厚度對應的溫度降低值

當元件厚度小于10mm時，此時能制作的最大V型缺口試樣的寬度小于元件厚度的80%。如果材料標準抗拉強度下限小于655MPa，則試驗溫度應比設(shè)計時采用的最低溫度（MDMT）低，其所降低的值等于元件實際厚度由表1對應的溫度降低值與實際試樣寬度由表1對應的溫度降低值之差；如果材料的標準抗拉強度下限大于655MPa，則試驗溫度仍然按設(shè)計時采用的最低溫度（MDMT）執(zhí)行，不進行調(diào)整。同時規(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，不要求進行沖擊試驗。

2.2.4 沖擊試驗和靜加載試驗加載速度不同的影響

容器在實際操作中與材料在測量KIC時的靜加載基本上不存在加載速度的差別，但是用沖擊試驗測定CVN值的加載速度與測量KIC以及實際操作加載速度有很大的區(qū)別。以斷裂力學原理來判定是否進行防脆斷措施的思路是以材料的臨界應力場強度因子KIC來決定的，只是由于測量KIC值既費時又不經(jīng)濟，所以才采用在數(shù)值上和KIC值有一定關(guān)系的沖擊試驗CVN值表示。對于高強度鋼，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、低強度鋼，加載速度低時會呈現(xiàn)出比加載速度高時為好的CVN值。所以，對于中、低強度鋼，為調(diào)整因采用沖擊試驗所得CVN值與慢加載時所得KIC值之間的差別，應將沖擊試驗溫度適當調(diào)高，即提高其CVN值彌補二者之間的差異。規(guī)范已經(jīng)根據(jù)材料的屈服強度值列出了試驗溫度高出最低設(shè)計金屬溫度的值，見表2。

表2　材料屈服強度對應的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，標準在UG－84（C）中規(guī)定，對于標準抗拉強度小于655MPa的材料（中、低強度鋼），10mm×10mm標準尺寸式樣所得的沖擊功合格值由參考文獻［1］圖UG－84.1M確定，小尺寸的非標準試樣所得沖擊功CVN合格值可由標準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）的比值來計算。

對于高強度鋼（抗拉強度大于655MPa），由于其抗脆斷的性能較差，容易引起脆性斷裂，故ASME標準中不是以夏比（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。標準中明確規(guī)定，標準抗拉強度下限大于655MPa的材料，在沖擊斷裂后其背部的側(cè)向膨脹合格值應按參考文獻［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_擊實驗的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［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 對低應力狀態(tài)判定溫度的調(diào)低

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

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

第一步，直接取得豁免沖擊試驗的條件。

1）最低設(shè)計溫度高于50℃時，任何厚度的材料均可豁免沖擊試驗。

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

3）當最低設(shè)計金屬溫度低于－48℃時，只有下面兩種情況可豁免沖擊試驗：

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

4）選擇以下標準法蘭，在最低設(shè)計溫度不低于－29℃時可豁免沖擊試驗：

a.ASME B 16.5。

b.ASME B 16.47。

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

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

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就必須進行沖擊試驗。

5 結(jié)語

ASME標準采用斷裂力學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行豁免沖擊判定時標準規(guī)定的不同進行總結(jié)。要避免容器出現(xiàn)脆性斷裂，除按標準中的規(guī)定進行判定外，還應對設(shè)備的結(jié)構(gòu)、制造要求等進行相關(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：

［1］ASME鍋爐及壓力容器委員會.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.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)范分析與應用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2009.

（責任編輯 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，工學碩士，惠生工程（中國）有限公司河南化工設(shè)計院分公司助理工程師，主要從事石油化工壓力容器設(shè)計工作。

收稿日期：2015－08－16

文章編號：1008－3715（2015）05－0125－04

文獻標識碼：A

中圖分類號：TH49

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