ASME規范中碳鋼和低合金鋼材料沖擊試驗規定的探討

劉漢寶

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

防止壓力容器發生低溫脆性斷裂事故，是世界各主要壓力容器規范中的一項重要內容。ASME-Ⅷ Div.1規范(以下簡稱ASME規范)【1】從89版列入有關規定開始，結合多年理論研究和經驗積累，逐步修改和完善這方面的規定，使其更為合理和有效。到目前為止，已形成了一套完整的控制材料發生低溫脆性斷裂事故的規定。

為防止脆性斷裂的發生，要求材料必須具有一定的韌性。材料的韌性一般通過沖擊試驗，測量沖擊吸收能量的大小來衡量。因此，各規范對低溫環境下操作的碳鋼和低合金鋼材料，均提出低溫沖擊試驗的要求。研究表明：材料的脆性斷裂不僅與材料的沖擊韌性有關，而且與材料類別、厚度、微觀組織、材料內部應力水平等許多因素有關。由于沖擊試驗往往在壓力容器建造成本中占有很大的比例，因此，在保證安全的前提下，應盡可能避免材料的沖擊試驗。ASME規范結合以上影響材料脆性斷裂的因素，制定了詳細的規則，確定材料在何種條件下必須進行沖擊試驗以及在何種條件下可以免除沖擊試驗。在此規則下，既保證了材料的使用安全，又最大可能的避免了進行材料的沖擊試驗。

ASME規范條文的編排規則與國內規范有很大不同，其對材料沖擊試驗的規定分散在整個規范的許多不同章節，且各個規定或相互關聯，或相互限制。很多國內使用者由于不習慣ASME規范的這種編排方式而對這些規定不能完整地了解和掌握，從而導致概念不清，在使用過程中造成誤用。其危害主要體現在以下幾個方面：一是本應進行沖擊試驗而實際沒有執行，導致產品不滿足規范的要求；二是本可以免除沖擊試驗時，由于不了解規范中材料免除沖擊試驗的條件而進行了沖擊試驗，從而增加了壓力容器的建造成本；三是對于一些使用溫度較低的壓力容器，盲目套用國內項目的選材經驗，放棄選用本可以滿足使用要求的普通碳鋼(如SA-516材料)，而選用SA-203等含鎳的低溫材料，大大增加了建造難度和成本。為此，本文通過全面梳理2017版ASME規范中有關碳鋼和低合金鋼材料和零部件沖擊試驗的要求，建立了一套判斷材料是否需要進行沖擊試驗的流程圖，幫助廣大設計人員全面了解和使用這些規定。

1 ASME規范中與材料沖擊試驗要求有關的術語

1.1 最低設計金屬溫度

文獻【1】中UG-20定義的最低設計金屬溫度(以下簡稱MDMT)為壓力容器在使用過程中預期可能經受的最低溫度，比如正常操作溫度、壓力容器使用地最低環境溫度、自制冷導致的低溫等。MDMT一般由買方或用戶規定，壓力容器設計者應該以此值判斷材料或零部件是否需要進行沖擊試驗，此時MDMT為壓力容器的設計條件。然而，每一臺壓力容器還有其特有的MDMT，不僅如此，每一個零部件也有其特有的MDMT，而壓力容器的MDMT則是組成該壓力容器的各零部件的MDMT中的最高值，它表示壓力容器或零部件按規范要求允許使用到的最低金屬溫度，壓力容器建造者應保證壓力容器實際的MDMT低于買方指定的MDMT。本文提到的MDMT均指買方或用戶規定的、用于確定材料是否進行沖擊試驗的MDMT。

1.2 材料控制厚度

材料的低溫脆性斷裂的風險與材料的厚度有關。相較于厚壁材料，薄壁材料的微觀組織和力學性能一般優于前者，且其內部缺陷往往也較少；從彈性力學角度分析，薄壁材料在拉伸時接近平面應力狀態而呈現更高的韌性【2】。因此，較薄材料脆性斷裂的風險較低，反之則較高。ASME規范中一些沖擊試驗的免除條件即反映了壁厚對材料斷裂風險的影響。規范中用于確定材料或焊接結構是否能夠免除沖擊試驗的厚度定義為控制厚度，它不一定是材料的實際厚度。典型材料和焊接結構的控制厚度可參見文獻【1】中的圖UCS-66.3，其中一些常用的規定如下：

1) 無論是否為焊接結構，平封頭、盲法蘭和管板等的控制厚度為實際厚度的1/4；

2) 除1)之外的對接接頭的控制厚度為相焊件中較厚件的厚度；

3) 角接接頭、角焊縫和搭接接頭的控制厚度為相焊件中較薄件的厚度；

4) 相焊接的受壓元件和非受壓元件，其控制厚度為受壓元件的厚度。

1.3 應力比值

應力比值的概念是本文的定義。在采用文獻【1】中的圖UCS-66.1確定沖擊試驗免除溫度降低值時，圖中縱坐標公式表示的是材料所需壁厚與實際壁厚的比值，它實際等價于材料內部總體薄膜應力與其許用拉伸應力的比值，對于法蘭等各部位應力大小和應力形態不同的復雜結構，按照ASME規范的規定，還可等效采用最大設計壓力與最大許用壓力的比值表示。為了敘述方便，本文統一采用應力比值這個概念。

1.4 碳鋼和低合金鋼材料

ASME規范和本文中提到的碳鋼和低合金鋼指的是文獻【1】表UCS-23中列出的材料，由于篇幅關系，本文不一一列出。

2 ASME規范中碳鋼和低合金鋼材料沖擊試驗的有關規定

2.1 對碳鋼和低合金鋼材料使用溫度的限制

所有碳鋼和低合金鋼材料均不得在低于-104 ℃ 下使用。

2.2 UG-20免除材料沖擊試驗的規定

當同時滿足以下所有條件時，沖擊試驗不作為強制性要求：

1) 僅限于P-No.1，Gr.No.1或2的材料，材料控制厚度不超過以下值，即

a. 文獻【1】圖UCS-66曲線A中的材料，13 mm；

b. 文獻【1】圖UCS-66曲線B、C和D中的材料，25 mm；

2) 壓力容器制造完成后按照規范要求進行水壓試驗或氣壓試驗；

3) 設計溫度不超過345 ℃，且不低于-29 ℃。由于低溫季節大氣溫度的影響，操作溫度偶爾低于-29 ℃是允許的；

4) 熱沖擊或機械沖擊載荷不作為控制性的設計要求；

5) 循環載荷不作為控制性的設計要求。

2.3 按文獻【1】圖UCS-66確定的免除沖擊試驗的條件

大量研究和使用經驗表明：材料的脆性破壞，不但與使用溫度有關，還與材料的類別、微觀組織和厚度有密切關系。一般來說材料使用溫度越高，材料壁厚越薄，或材料經過正火處理后，晶粒得到細化，則材料抵抗脆性破壞的能力越強，反之則越弱。基于以上理論，文獻【1】圖UCS-66提出了免除材料沖擊試驗的條件。

文獻【1】圖UCS-66以材料類別、材料控制厚度和MDMT為基礎建立了材料免除沖擊試驗的曲線，如圖1所示。圖1中橫坐標為材料的控制厚度，縱坐標為MDMT，A、B、C和D 4條曲線分別代表不同類別或不同熱處理狀態的材料，具體詳見文獻【1】圖UCS-66的注釋。從A到D，曲線在圖中的位置逐級降低，表明其免除沖擊試驗的溫度也逐級降低。通常來說，材料韌性越好，其所屬曲線的位置越低；同一牌號的材料，由于熱處理狀態不同，可能會分屬不同的曲線，正火狀態的材料所屬曲線低于同牌號熱軋狀態的材料所屬的曲線。比如非正火的SA-516 Gr. 65和70強度較高，韌性較差，屬于曲線B，而非正火的SA-516 Gr. 55和60強度較低，韌性較好，屬于曲線C；當這4種牌號的材料經過正火處理后，材料的微觀組織得到改善，韌性提高，則均屬于曲線D。

文獻【1】中的圖UCS-66在使用時，首先應確定材料的控制厚度和MDMT在圖中的交點，當該點落在曲線上或曲線上方時，材料可免除沖擊試驗，否則除滿足下文所述其它條件外，均應進行沖擊試驗。也可從另一角度判斷材料是否可免除沖擊試驗，即首先確定材料的控制厚度和材料所屬曲線在圖上的交點，該點表示的是材料免除沖擊試驗的最低溫度，若該溫度≤MDMT，則材料可免除沖擊試驗，否則除滿足下文所述其它條件外，均應進行沖擊試驗。

圖1 碳鋼和低合金鋼材料沖擊試驗免除曲線

2.4 按文獻【1】圖USC-66.1確定的進一步降低免除沖擊試驗溫度的條件

上節所述判斷材料是否進行沖擊試驗的條件是基于材料處于滿應力狀態得出的，當材料內部應力水平降低，發生脆性斷裂的風險也隨之。因此，ASME規范在圖UCS-66.1中又規定了可進一步降低免除材料進行沖擊試驗溫度的條件。使用此圖時，首先按照縱坐標的公式計算出材料所需壁厚與實際壁厚的比值，即上文定義的應力比值，然后對應到圖中的曲線，再確定對應的橫坐標值，即為免除沖擊試驗溫度的可降低值，用2.3節確定的免除沖擊試驗的溫度減去該降低值，即可得到材料最終的可免除沖擊試驗的溫度。若該值>MDMT，則材料應進行沖擊試驗，否則，需從以下幾個方面判斷材料是否能夠免除沖擊試驗:

1) 若應力比值≤0.35，且MDMT≥-104 ℃，則材料可以免除沖擊試驗；

2) 若應力比值>0.35，且MDMT≥-48 ℃，則材料可以免除沖擊試驗；否則若-104 ℃≤MDMT<48 ℃，則材料必須進行沖擊試驗。

2.5 對已經按照材料標準要求進行了沖擊試驗材料的規定

對于文獻【1】圖UG-84.1總注(C)中列出的材料，由于這些材料已經按照材料標準進行了沖擊試驗，若MDMT不比材料標準規定的沖擊試驗溫度低3 ℃或更多，則材料可以免除進一步的沖擊試驗。該規定涉及到的材料標準有：SA-320、SA-333、SA-334、SA-350、SA-352、SA-420、SA/AS-1548(L沖擊代號)、SA-437、SA-540(不包括按照標準表2和注4生產的材料)和SA-765。

2.6 熱處理對材料沖擊試驗要求的影響

由于熱處理能改善材料的微觀金相組織并減小冷熱加工所引起的殘余應力，進而改善其防止脆性斷裂的能力，因此規范規定，對于規范并不要求進行焊后熱處理而實際進行了焊后熱處理的壓力容器，比如由于防止應力腐蝕的原因而要求的熱處理等，考慮上述熱處理對防止脆性斷裂所產生的有利影響，對于P-No.1材料，最終免除沖擊試驗的溫度可在文獻【1】圖UCS-66給出的免除沖擊試驗溫度的基礎上再降低17 ℃，且降低后的值可以低于-48 ℃。

2.7 對薄壁材料和小直徑管子沖擊試驗的規定

對于壁厚較薄或公稱直徑較小的管子，由于難以制取沖擊試樣，規范規定，在滿足以下要求的前提下，允許免除沖擊試驗：

1) 材料壁厚<2.5 mm時，MDMT不得低于-48 ℃。

2) 公稱直徑≤DN100的P-No.1材料的管子，在材料標準規定的最低屈服強度(SMYS)和壁厚滿足以下要求且MDMT≥-104 ℃時，可以免除沖擊試驗

a. 最低屈服強度為140～240 MPa，壁厚≤6 mm；

b. 最低屈服強度為250～310 MPa，壁厚≤3.2 mm；

c.最低屈服強度≥320 MPa，壁厚≤2.5 mm。

2.8 對法蘭沖擊試驗的規定

由于法蘭各個部位厚度不一定完全相同，且使用時其各部位的應力大小和應力形態也不同，很難按照上述各條款判斷其免除沖擊試驗的溫度。因此，ASME規范對符合ASME相關法蘭標準的法蘭的沖擊試驗提出了專門的規定，即當MDMT≥-29℃時，以下法蘭可以免除沖擊試驗:

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，如其外徑和螺栓尺寸為ASME B16.5中150 lb級或300 lb級的尺寸，且法蘭厚度分別不大于150 lb級或300 lb級的法蘭厚度；

4) 符合ASME B16.5的長高徑法蘭。

此外，在MDMT≥-48 ℃的前提下，以上法蘭免除沖擊試驗的溫度還可以根據文獻【1】圖UCS-66.1進一步降低，此時的應力比值可等效采用MDMT下最大設計壓力與MDMT下的最大許用壓力(MAP)的比值。對于鐵素體鋼法蘭，可取在MDMT或38 ℃二者中的較高溫度下的法蘭額定壓力作為MAP。

2.9 對厚壁材料沖擊試驗的強制性規定

相較于薄壁材料，厚壁材料的組織不均勻，且在材料的制造過程中易產生缺陷，降低材料抵抗脆性斷裂的能力。因此，ASME規范對厚壁材料的沖擊試驗提出了以下強制性要求：

1) 當焊接接頭控制厚度>100 mm且MDMT 低于50 ℃時，應進行沖擊試驗；

2) 當非焊接材料的控制厚度>150 mm且MDMT低于50 ℃時，應進行沖擊試驗。

2.10 對高強鋼沖擊試驗的強制性規定

通常來說，強度較高材料的裂紋敏感性也較強，因此，ASME規范對高強鋼材料提出了嚴格的沖擊試驗要求。規范規定,當材料標準規定的最低屈服強度大于450 MPa時，應進行沖擊試驗，但當滿足以下條件時，可在低于沖擊試驗溫度下使用而無需再進行沖擊試驗：

1) 應力比值≤0.35，MDMT≥-104 ℃；

2) 應力比值>0.35，沖擊試驗溫度減去按文獻【1】圖UCS-66.1確定的免除沖擊試驗溫度降低值后≤MDMT，且MDMT≥-104 ℃。

3 判斷材料是否需進行沖擊試驗的流程圖

上一節列出了ASME規范中對碳鋼和低合金鋼材料是否需進行沖擊試驗的有關規定，雖然進行了梳理和匯總，但由于許多條款相互制約，仍然不方便全面了解和掌握。下面結合上節各條款，繪制了判斷材料是否需進行沖擊試驗的流程圖，詳見圖2，以期使這個問題更為清晰明了。

圖2 判斷材料是否需進行沖擊試驗的流程

4 結語

通過梳理歸納ASME規范對碳鋼和低合金鋼材料進行沖擊試驗的要求，并通過繪制流程圖，把材料是否需進行沖擊試驗的規定清晰地展現給讀者，將有助于規范使用者快速掌握ASME規范對材料沖擊試驗的要求，使其能夠結合設計條件準確選擇合適的材料及判斷材料是否需進行沖擊試驗。