1、前言

    容器選材除考慮材料具有一定的強(qiáng)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(píng)價(jià)材料低溫韌性最常見的方法是夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)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(yàn)對(duì)設(shè)備安全性而言有著舉足輕重的作用。

2 、GB150與ASMEⅧ-1規(guī)范關(guān)于沖擊試驗(yàn)判斷的區(qū)別

我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)GB150和ASME Ⅷ-1規(guī)范在是否做沖擊試驗(yàn)的判斷條件上存在不同之處。

GB150.1-2011規(guī)定：設(shè)計(jì)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(yàn)，其試驗(yàn)溫度不高于設(shè)計(jì)溫度，沖擊功應(yīng)滿足該溫度下標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)值，此時(shí)沖擊試驗(yàn)唯一豁免的條件是：容器處于“低溫低應(yīng)力工況”，具體“低溫低應(yīng)力”概念詳見GB150.3-2011附錄E規(guī)定，不過“低溫低應(yīng)力工況”不適用于鋼材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值R_m≥540MPa的材料以及螺栓材料。

    對(duì)于設(shè)計(jì)溫度在-20℃～0℃范圍內(nèi)的容器，由于我國板材及鍛件在出廠前只做0℃沖擊試驗(yàn)，所以在材料采購時(shí)需提出-20℃沖擊試驗(yàn)要求，以滿足容器在-20℃～0℃溫度下的韌性要求，其沖擊功指標(biāo)不低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定0℃沖擊功值。GB150.2-2011規(guī)定：對(duì)于Q245R、Q345R 、13MnNiMoR鋼板，20、16Mn、20MnMo鍛件,如需規(guī)定進(jìn)行-20℃沖擊試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)在設(shè)計(jì)文件中注明。

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

    ASMEⅧ-1規(guī)范1989版至現(xiàn)行版本，取消了低溫容器的概念，是否做沖擊試驗(yàn)由材料組別、控制厚度及最低設(shè)計(jì)金屬溫度共同決定，試驗(yàn)溫度不得高于最低設(shè)計(jì)金屬溫度，沖擊功滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定即可。

相比GB150而言，ASMEⅧ-1規(guī)范有如下特點(diǎn)：

(1)沒有一個(gè)固定溫度值來判斷是否做沖擊試驗(yàn)；

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

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

(4)在某一條款中要求做沖擊試驗(yàn)，可能在其它條款中被免除，也就是說“應(yīng)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)”的判定不一定是最終結(jié)果，而“沖擊試驗(yàn)豁免”的判定才是最終的結(jié)論。

3、ASMEⅧ-1規(guī)范沖擊試驗(yàn)豁免的判斷

在ASME Ⅷ-1規(guī)范中通常以取得豁免條件來判斷材料是否做沖擊試驗(yàn)的依據(jù)。碳鋼、低合金鋼制壓力容器殼體、封頭、接管、人孔、補(bǔ)強(qiáng)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(duì)容器的結(jié)構(gòu)完整性必不可少的附件等零件取得“沖擊試驗(yàn)豁免”的條件總結(jié)如下：

第一步：按UG-20(f)判斷

(1)設(shè)計(jì)溫度范圍為-29℃≤T≤345℃；（注：由于低溫季節(jié)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(jī)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(yàn)，一般容器是做液壓試驗(yàn)的，除非結(jié)構(gòu)等原因采用UG-100進(jìn)行氣壓試驗(yàn)；

(4)對(duì)于P-No.1.1或P-No.1.2組材料：

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

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

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

第二步：直接取得沖擊試驗(yàn)豁免的條件

(1)最低設(shè)計(jì)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(yàn)；

(2)設(shè)計(jì)金屬溫度不低于-48℃，且厚度不大于2.5mm的不需要沖擊試驗(yàn)；

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

(4)選擇以下標(biāo)準(zhǔn)法蘭，如最低設(shè)計(jì)金屬溫度不低于-29℃時(shí)，可免做沖擊試驗(yàn)；

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(jí)別不大于150磅或300磅。

(5)當(dāng)最低設(shè)計(jì)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(yàn);

 (6)對(duì)于DN≤100mm，且為P-No.1組材料的管子，其最低設(shè)計(jì)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(qiáng)度對(duì)應(yīng)的厚度值，可免做沖擊試驗(yàn)。

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

(8)對(duì)于螺栓、螺母免做沖擊試驗(yàn)的最低設(shè)計(jì)金屬溫度詳見ASME Ⅷ-1篇UCS-66總注(c)的規(guī)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(zhǔn)確計(jì)算出元件的“控制厚度”。當(dāng)最低設(shè)計(jì)金屬溫度和材料控制厚度的相交點(diǎn)落在對(duì)應(yīng)材料曲線上或者上方，可免做沖擊試驗(yàn)，如果相交點(diǎn)落在對(duì)應(yīng)曲線的下方，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(shè)計(jì)金屬溫度不低于-48℃時(shí)，可繼續(xù)按本條進(jìn)行判斷，并計(jì)算MDMT降低值，當(dāng)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(yàn)。

MDMT降低值可根據(jù)比值S按照UCS-66(b)中圖表查出，當(dāng)降低值不超過22℃時(shí)，可按下面公式計(jì)算：MDMT降低值=(1- S)×56℃，對(duì)于不承受總體一次薄膜拉伸應(yīng)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(shè)計(jì)壓力與最大許用壓力之比。

通過上述四步篩選，如果沖擊試驗(yàn)還不能豁免，別無選擇，容器所用材料只能進(jìn)行MDMT下的沖擊試驗(yàn)，沖擊功滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。

因?yàn)闆_擊試驗(yàn)對(duì)壓力容器制造廠來說是一項(xiàng)較大的花費(fèi)，所以，設(shè)計(jì)者應(yīng)該盡一切努力來避免它?？梢酝ㄟ^增加元件的控制厚度或選用韌性較好、級(jí)別較高材料的方法來避免沖擊試驗(yàn)，但此時(shí)應(yīng)考慮設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，為避免沖擊試驗(yàn)，增加這些費(fèi)用是否值得。

4、影響沖擊試驗(yàn)豁免的主要因素

(1)應(yīng)力水平的影響

根據(jù)UCS-66(b)曲線可判斷，隨著比值S（代表設(shè)計(jì)應(yīng)力與材料許用應(yīng)力之比）的降低，同一組別材料允許的最低設(shè)計(jì)金屬溫度也隨之降低，當(dāng)S≤0.35時(shí)，免做沖擊試驗(yàn)的最低設(shè)計(jì)金屬溫度可達(dá)-105℃，因此說，應(yīng)力水平降低，元件所允許的最低設(shè)計(jì)金屬溫度也隨之降低，材料沖擊試驗(yàn)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(xiàn)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(yīng)力，處于二向應(yīng)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(yīng)力，處于三向應(yīng)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，在同一曲線上，厚度越薄所允許的最低設(shè)計(jì)金屬溫度就越低，材料沖擊試驗(yàn)豁免的可能性就越大。

在這點(diǎn)上GB150.2-2011表4中也有相應(yīng)的體現(xiàn)，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(dá)-20℃；厚度大于25mm時(shí)，最低使用溫度只能用在0℃。

(3)材料強(qiáng)度的影響

對(duì)于中低強(qiáng)度材料，抗拉和屈服強(qiáng)度低，發(fā)生脆性斷裂的趨勢(shì)小，相反，強(qiáng)度越高發(fā)生脆性斷裂的機(jī)會(huì)就越大，因此ASMEⅧ-1規(guī)范中明確規(guī)定最小屈服強(qiáng)度大于450MPa的材料必須做沖擊試驗(yàn)^[2]。

(1)熱處理的影響

由于熱處理改善材料金相組織，細(xì)化晶粒，減少殘余應(yīng)力，提高材料韌性，改善材料的防脆斷能力，因此ASMEⅧ-1規(guī)范中對(duì)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(shè)計(jì)金屬溫度低；另外規(guī)范中未要求強(qiáng)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(yàn)溫度可低于-48℃^[2]。

5、結(jié)束語

容器發(fā)生脆性斷裂的危害性較大，作為設(shè)計(jì)者正確選材及準(zhǔn)確判斷是否需要沖擊試驗(yàn)尤為重要，GB150與ASMEⅧ-1規(guī)范在沖擊試驗(yàn)要求上有所不同，因此我們應(yīng)全面理解規(guī)范，理清思路，才能得出正確、合理的結(jié)論。

符號(hào)說明:

R_m－材料抗拉強(qiáng)度，MPa；

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

E－焊接接頭系數(shù)；

t_n－未扣除腐蝕裕量元件的公稱厚度，mm；

c－腐蝕裕量，mm。