ASME规范 Ⅷ-1容器低温操作对碳钢及低合金钢的冲击要求

[摘要] ASME VIII第一分册自1987年增补以来开始对低温操作的容器材料的要求作了重大修改，不再仅以某个温度作为是否做冲击试验的依据。而是根据材料类别和组别，元件厚度，最低设计金属温度（MDMT）及应力水平来综合判定设计操作条件下对容器材料的要求。ASME VIII第一分册对低温操作容器的相关内容会涉及多个章节，文章介绍了美国ASME规范第Ⅷ卷第一分册低温操作对容器材料的冲击试验的要求。

关键词：ASME Ⅷ-1；压力容器；低温操作；冲击试验。

中图分类号：TH49文献标识码： A

一，前言

ASME规范 Ⅷ-1分册对材料的冲击要求主要依据断裂力学的理论、根据材料的试验结果建立，并分析多年来出现的脆性断裂事故。根据弹性断裂力学的理论，容器材料的韧性与材料类别和组别，元件的厚度、最低设计金属温度（MDMT）及应力水平相关，因此低温操作的容器对材料的冲击要求应根据材料类别和组别，元件的厚度，最低设计金属温度（MDMT）及应力水平来综合判定。

二，碳钢及低合金钢材料的冲击判定

(1) 根据ASME规范Ⅷ-1分册（以下简称规范），壳体、封头、接管、补强板、法兰、管板、平盖板、永久保留的焊接衬垫和焊接到受压元件上的对容器的结构完整性必不可少的附件等零件均须作为单独元件对待。每个元件根据其自身的材料分类，按规范UCS-66a(1)~(5)所定义的控制厚度及UG-20(b)的定义的最低设计金属温度来判定材料冲击试验要求。碳钢与低合金钢材料所属于的曲线按规范图UCS-66中注（1）~（4）的规定。注意的是我国的标准GB6654-1996中的16MnR材料已被列入ASME规范 第Ⅱ卷-A篇中，但我国的标准GB6654-1996中的16MnR现已被标准GB713-2008中的Q345R替代，如果要使用Q345R则须运用ASME规范案例2642，但ASME规范案例 2642对Q345R有很多限制，材料Q345R使用价值被大大的限制。材料Q345R在规范图UCS-66中对应的曲线为A，如果是正火状态当属B曲线，组别号为P-No.1。除非规范UG-20(f)(注意其中的限制条件)或有其他规则另有规定豁免外，规范的UCS篇所列钢材须根据规范图UCS-66 (冲击试验豁免曲线)确定是否能豁免冲击试验。在规范表UCS-66中列出了图UCS-66的表列值，可直接查取不同的厚度下对应的曲线材料的免冲击的MDMT值。

(2) 如果按上述的(1)条材料的冲击不能豁免，当规范图UCS-66.1 (免做冲击试验的MDMT降低值)定义的比值trE*/(tn-c)或S*E*/SE小于1时，则可运用规范图UCS-66.1在上述(1)及相应的材料曲线所确定的免试温度基础上继续降低免做冲击试验的MDMT。比值trE*/(tn-c)、S*E*/SE反应了元件所处的应力水平，反应了其承载能力的大小。对于凸形封头公式中的tn为成形后的最小厚度，对于材料标准允许有制作负偏差的管子，应采用减去制造负偏差的厚度作为非蚀态的公称厚度。元件之间相焊接，上述比值应是按上述(1)所确定控制厚度的那个元件在载荷下的trE*/(tn-c)或S*E*/SE比值。比如钢管与筒体焊接，筒体的公称厚度比无缝管厚，那么无缝管的公称厚度就是这个焊接接头的控制厚度，那么筒体与无缝管之间焊接接头应按接管在载荷下的比值来确定免冲击的MDMT值。

(3) 对于不承受总体一次薄膜拉伸应力的元件（例如平盖、平封头、管板和法兰、螺柱螺母等）且设计的MDMT不低于-48℃，也可按规范图UCS-66.2予以降低，但规范图UCS-66.2所用的比值应当是在MDMT下最大设计压力对该元件在MDMT下的最大许用压力（MAP）。MDMT下最大设计压力对该元件在MDMT下的最大许用压力（MAP）的比值同样反应了元件所处的应力水平，反应了其承载能力的大小。注意最大许用压力（MAP）的定义是：以该部件公称厚度减去腐蚀裕量和从ASME规范 第Ⅱ卷-D篇表1A取得的在MDMT下最大许用应力值代入设计公式求得之压力。

(4) 对焊接连接的法兰可不采用上述(3)的规则，可采用上面(2)规则，其材料免试的MDMT不低于与法兰相连接的壳体或管颈按上述(2)所确定免试的MDMT。

(5) 对ASME B16.5及ASME B16.47标准的铁素体钢法兰，如设计的MDMT不低于-29℃则材料无需进行冲击试验。

(6) 螺柱及螺母连接件的冲击豁免按规范图UCS-66中总注（c）的规定。

(7) 选用材料标准已要求冲击过的材料，可获得更低的MDMT值。但MDMT不低于材料标准所进行的冲击试验温度减去按规范图UCS-66.1计算所允许的降低值，且不应低-105℃。[见规范UCS-66(i)]

(8) 对于规范图UCS-66.1所定义的比值小于0.35时则材料的免冲击的MDMT可低于-48℃，但不应低于-105℃。规范不要求而进行了焊后热处理，则按规范图UCS-66中对P-NO.1材料免冲击的允许最低温度可降低17℃。得到的免试温度可低于-48℃，最低-105℃，但规范图UCS-66.1所定义的比值应不大于0.35。

(9) 选择正火状态的材料，如SA-516M Gr.485一般的热轧状态为B曲线，而正火状态为D曲线，这样可获得更低免冲击的MDMT。因为经正火处理的材料可以细化晶粒，且减少由于终轧温度和冷却速率不同而引起的显微组织不均匀，故可以提高钢材的低温性能。

(10) 对若能获得的最大夏比试样沿缺口的宽度小于2.5mm时，则不要求做韧性试验[见规范UG-84(c)(3)]。

在ASME规范 Ⅷ-1分册非强性附录L-9节中有应用规范UCS-66规则确定最低许用的最低设计金属温度（MDMT）的例子可供参考。

三，碳钢及低合金钢材料及焊缝的冲击试验

如按上述(二)方法材料的冲击试验都无法豁免，则材料应进行冲击试验，冲击试验程序及所需的设备应符合ASME规范 第Ⅱ卷-A篇中SA-370有关各节或ISO 148(第1，2和3篇)的要求。

(1) 碳钢及低合金钢冲击试验温度的确定

当材料的公称厚度等于或大于10mm时，制成的最大夏比-V形缺口试样其缺口宽度不小于8mm时，试验温度应不高于容器设计的MDMT，材料的形状或厚度不能取得全尺寸（10x10mm）的试样，缺口处的宽度小于材料公称厚度的80%时，则冲击试验温度应低于MDMT，对规范UCS部分的材料，冲击试验温度可以按规范表UG-84.4及表UG-84.2的规定进行修正。

表UG-84.4 冲击试验温度差值

最低规定屈服强度，Ksi(MPa) 温度，oF(℃) (注1)

≤40(280)

≤22(380)

>55(380) 10(6)

5(3)

0(0)

注：（1）冲击试验温度可以比最小设计温度提高表中的所列值。

材料公称厚度小于10mm，能制备最大夏比-V型缺口试样，其缺口宽度不小于材料公称厚度的80%者，则夏比冲击试验温度不应高于最小设计金属温度。若最大可取试样宽度小于材料公称厚度的80%，对规范表UCS-23中规定的具有最小抗拉强度小于655MPa的材料，试验温度应比最小设计金属温度低，所降低值（即试验温度与最小设计温度之差）等于实际材料厚度对应温度降低数与实际的夏比试样缺口宽度（经机加工去除表面不规则处的全材料厚度）对应的温度降低数之差（参考规范表UG-84.2）[如选择了规范UG-84（c）(2)，后一种要求就不适用]。对规范表UCS-23中规定的最小抗拉强度大于等于655MPa的材料试验温度不得高于最低设计温度。

(2) 对材料标准不要求做冲击试验及不能豁免冲击试验的材料，其冲击试验程序根据材料制品的型式按规范表UG-84.3做冲击试验，表UG-84.3如下表。

表UG-84.3各种做冲击试验材料产品型式的标准号

焊缝及热影响区的试验温度不能高于母材所要求的温度。（做焊缝金属和/或热影响区的试验应按工艺试验的要求，见规范UCS-67）。

(3) 碳钢及低合金钢冲击吸收能的确定

碳钢及低合金钢材料或焊缝金属试验温度下的冲击吸收能应符合规范图UG-84.1，UG-84(c)(4)及UG-84(c)(6)的要求。考滤到低温材料在焊接后，其热影响区的低温冲击功较母材实物有明显的降低，为保证容器产品焊接接头的各个部分仍能保证有规定的低温冲击能指标，在容器设计时和钢材订货时应留有充分的韧性余量，对钢材交货实物提出合理的更高冲击能指标，或是对要求母材比MDMT更低的冲击试验温度。

(4) 碳钢及低合金钢的冲击试板

当要求时，按规范UCS-67焊接工艺要求做冲击试验时应制备产品的冲击试板(除在有关节中明确免做产品试板的以外)。产品的冲击试板要求和数量按规范UG-84(i)(3)的规定。

四，总结

一般材料应根据其冲击要求来确定材料的最低使用温度，若材料冲击能豁免或材料在规定的温度下冲击试验合格，则材料在冲击温度(注意规范UG-84允许的冲击试验温度的提高或降低)下就可使用，但设计使用温度不应小于-105℃。

标定在设备铭牌上面的MDMT值，一般应不小于各元件的计算出来允许的MDMT值，当符合规范UCS-160时，容器或部件可以在低于铭牌上打印的MDMT温度下工作，但不管怎么，操作温度不得低于-105℃。

符号说明：

tn：非蚀态公称厚度；

tr：对所有有关载荷（包括UG-22所列载荷，它在相应的MDMT下产生总体一次薄膜拉伸应力）基于使用的接头系数在蚀态下所要求的厚度；

E ：焊接接头系数(按规范UW-12的规定)；

E* ：等于E，但不小于0.8；

S ：MDMT下的最大许用应力；

S* ：对所有有关载荷，包括UG-22所列载荷，它在相应的最高设计温度下产生总体一次薄膜拉伸应力；

c ：腐蚀裕量。

参考文献

[1] ASME锅炉及压力容器委员会压力容器分委员会．ASME锅炉及压力容器规范国际性规范第VIII卷第一分册《压力容器建造规则》2010版2011年增补(中文版)[S]．

[2] ASME锅炉及压力容器委员会压力容器分委员会．ASME锅炉及压力容器规范国际性规范第Ⅱ卷A篇《铁基材料》2010版2011年增补(中文版)[S]．

[3] ASME锅炉及压力容器委员会压力容器分委员会．ASME锅炉及压力容器规范国际性规范第Ⅱ卷D篇《性能》(公制) 2010版2011年增补(中文版)[S]．

[4] ASME锅炉及压力容器委员会压力容器分委员会．ASME规范案例2642[S]．

[5] 国家技术监督局．GB6654-1996《压力容器用钢板》[S]．

[6] 国家标准化管理委员会．GB713-2008《锅炉和压力容器用钢板》[S]．

* 作者简介: 叶颖峰(1984-)，助理工程师，男，从事压力容器的设计和制造工艺工作。