壓力容器低溫低應力工況原理及其溫度調整準則研究

崔慶豐，陸戴丁，陳 勇

(合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031)

0 引言

我國壓力容器標準規定設計溫度低于-20 ℃的碳鋼和低合金鋼制壓力容器為低溫壓力容器。為防止脆斷事故發生，低溫壓力容器需采用專門的低溫鋼制造。Q245R，Q345R及Q370R等碳鋼低合金鋼價格低廉、綜合力學性能優良,是我國壓力容器行業使用廣泛的材料，但由于僅滿足-20 ℃沖擊韌性要求，因而無法直接應用于低溫容器制造。為避免采用高檔材料增加成本，當碳鋼低合金鋼使用溫度低于-20 ℃時，實際工程中常常應用低溫低應力工況予以解釋。例如GB/T 150—2011《壓力容器》規定：殼體或其受壓元件的設計溫度雖然低于-20 ℃，但設計應力(在該設計條件下，容器元件設計承受的最大一次總體薄膜和彎曲應力)小于或等于鋼材標準常溫屈服強度的1/6，且不大于50 MPa時，可按設計溫度加50 ℃(對于不要求焊后熱處理的容器，加40 ℃)后的溫度值選擇材料。分析設計標準JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準(2005年確認)》中也有相似的表述：容器一次總體薄膜應力不大于40 MPa的碳鋼和低合金鋼，其鋼材使用溫度下限為-45 ℃。以上標準規定中的低應力局限于40～50 MPa等較低的應力水平，僅相當于歐美規范低溫低應力條款的特例，這極大制約了碳鋼低合金鋼在低溫下使用。

考慮到極端環境低溫，TSG R0005—2011《移動式壓力容器安全技術監察規程》規定：中國境內全區域使用的無保溫或者保冷結構罐體設計溫度下限不得高于-40 ℃。GB/T 19905—2017《液化氣體汽車罐車》，NB/T 47057—2017《液化氣體罐式集裝箱》，NB/T 47058—2017《冷凍液化氣體汽車罐車》及NB/T 47059—2017《冷凍液化氣體罐式集裝箱》等汽車罐車與罐式集裝箱產品標準引用了法規相關條款，但標準推薦的碳鋼與低合金鋼數量少且最低使用溫度多為-20 ℃。例如GB/T 19905—2017中規定：罐體的最低設計金屬溫度不得高于-40 ℃。標準“罐體常用鋼板性能指標”表中推薦Q245R，Q345R，Q370R及16MnDR等4個碳鋼低合金鋼牌號，其中僅16MnDR屬于-40 ℃級別鋼材。盡管TSG R0005—2011指出罐體可適用低溫低應力工況，但是受到GB/T 150—2011中的“低溫低應力工況”限制，碳鋼低合金鋼在-40 ℃移動容器上的應用將不得不接受過于嚴格的評定。目前，我國低溫液化氣體罐車及罐箱可選罐體材料種類單一，同時由于材料強度低導致罐體重量上升、產品經濟性下降。

本文首先從ASME Ⅷ和EN 13445背景出發，厘清標準中低溫低應力工況條款的理論基礎；其次應用主曲線斷裂韌性模型，建立新的低溫低應力溫度調整準則；最后結合我壓力容器規范現狀，討論限制我國壓力容器用碳鋼低合金鋼低溫下服役的主要影響因素。

1 ASME Ⅷ與EN 13445中“低溫低應力工況”條款的理論背景

目前，ASME Ⅷ與EN 13445均發展了基于斷裂力學的防脆斷方法，其中的低溫低應力工況條款更加科學合理。以下針對ASME Ⅷ-1，Ⅷ-2及EN 13445中的低應力工況溫度調整準則的理論背景進行分析，為我國壓力容器標準相關條款的升級更新提供參考。

1.1 ASME Ⅷ-1中“低溫低應力工況”條款的理論背景

圖1 ASME Ⅷ-1低應力溫度調整曲線Fig.1 Temperature adjustment curve of low stresscondition in ASME Ⅷ-1

(1)

KⅠc=36.5+22.7835exp[0.036(T-RTNDT)]

(2)

KⅠc(RTNDT+33.3-ΔT)=RtsKⅠc(RTNDT+33.3)

(3)

1.2 ASME Ⅷ-2中“低溫低應力工況”條款的理論背景

ASME Ⅷ-2中防脆斷條款的含缺陷結構為含半橢圓內表面裂紋圓筒[3]，將設計應力表示為材料屈服強度σys的函數，缺陷深度a表示為板厚t的函數。令設計應力下結構的應力強度因子小于材料的斷裂韌性，通過求解等式KⅠ(σyst)=KⅠc(TD)，可計算出最低設計溫度TD。限于篇幅，詳細計算過程不再贅述。溫度調整值ΔT等于設計應力下TD(1)與低應力工況下TD(Rts)之間差值，如式(4)所示。

ΔT(Rts)=TD(1)-TD(Rts)

(4)

為擺脫板厚相關性，ASME Ⅷ-2低應力工況溫度調整曲線中規定t=2 in(50.8 mm)。如圖2所示，針對屈服強度345 MPa與450 MPa給出兩條調整曲線，同時考慮了焊后熱處理在降低殘余應力方面的有益影響，將曲線分為焊態(AW)和焊后熱處理態(PWHT)兩類。ASME Ⅷ-2中許用應力安全系數為2.4，因而圖2中低應力下限取Rts=0.24。

(a)AW態

(b)PWHT態圖2 ASME Ⅷ-2低應力溫度調整曲線Fig.2 Temperature adjustment curve of low stresscondition in ASME Ⅷ-2

圖2結果顯示溫度調整值ΔT與材料屈服強度相關，同一應力比下，屈服強度345 MPa的溫度調整值ΔT高于屈服強度450 MPa的對應值。二者間差距隨著Rts減小逐漸擴大，且PWHT曲線差距較AW曲線更大。溫度調整值ΔT隨屈服強度上升而降低的特性，將限制圖2曲線用于屈服強度高于450 MPa的材料。此外，ASME Ⅷ-2中建立低應力工況溫度調整曲線時規定t=2 in(50.8 mm)，但與之配套使用的沖擊豁免曲線適用的厚度上限分別為：38 mm(AW態)，102 mm(PWHT態)。板厚t對溫度調整值ΔT的影響將在后文進一步分析。

1.3 EN 13445中“低溫低應力工況”條款的理論背景

EN 13445中低應力工況溫度調整值采用了與ASME Ⅷ-2相似的技術路線，僅在含缺陷結構與應力假設方面存在差異[4]。EN 13445以表格形式給出低應力工況溫度調整值，針對PWHT態，應力比范圍0.25

ΔT(Rts)=70-80Rts

(5)

EN 13445針對薄膜應力50 MPa下AW態和PWHT態分別給出40 ℃與50 ℃的調整值。這些規定的工程背景在相關資料中鮮有提及，計算溫度調整值ΔT的板厚與強度參數目前尚不明確，為此筆者將根據EN 13445中防脆斷模型的基本假設厘清相關規定的制定依據。

考慮到防脆斷條款相互間的協調性，這里利用EN 13445中材料低溫設計圖線的強度與板厚參數進行檢驗。經驗證EN 13445中低應力工況溫度調整值采用的屈服強度值為550 MPa，AW態板厚為35 mm，PWHT態板厚為110 mm。如圖3所示，在0.25

ΔT(Rts)=46.4-50.2Rts

(6)

圖3 EN 13445低應力溫度調整曲線Fig.3 Temperature adjustment curve of low stresscondition in EN 13445

2 基于主曲線法的低應力工況溫度調整準則

由上述分析可知，低應力工況溫度調整值與材料強度及板厚密切相關。建立新的溫度調整準則，必須以厘清σys及t對ΔT的影響規律為前提。圖4中以ASME Ⅷ-2為基礎繪制了針對屈服強度345 MPa的不同板厚的低應力工況溫度調整曲線。在相同應力比下，AW態與PWHT態曲線均顯示溫度調整值ΔT隨著板厚t增加而減小。隨著板厚增加，曲線相互之間的溫度差逐漸減小。如PWHT態曲線(見圖4(b))，相同應力比Rts條件下,t=100 mm曲線與t=50 mm曲線之間溫度差明顯小于t=50 mm曲線與t=25 mm曲線之間的溫度差。不同板厚曲線之間的溫度差，隨著應力比降低而逐漸增大。

ASME Ⅷ-2溫度調整曲線使用的板厚為t=2 in(50.8 mm)，與之配合的沖擊豁免曲線板厚上限：AW態為38 mm，PWHT態為100 mm。由于溫度調整值ΔT隨著板厚t增加而減小，當進行最低設計溫度評定時，AW 態將出現過保守結果，PWHT態則出現非保守結果。由于板厚相差不大，圖4中，AW態t=38 mm曲線與t=50 mm曲線較為接近；但PWHT態t=100 mm曲線與t=50 mm曲線之間存在較大差異，例如Rts=0.45時，t=100 mm曲線的ΔT=31.9 ℃，t=50 mm曲線的ΔT=47.4 ℃，二者相差15.5 ℃。當利用標準曲線確定板厚t=100 mm結構的ΔT時，將得到一個偏大的數值，此時結構將在超出其服役能力的低溫下工作。因此，ASME Ⅷ-2中溫度調整曲線規定t=2 in(50.8 mm)的做法并不合理。

缺鉬矯正技術：葉面噴施0.01%-0.1%濃度的鉬酸銨或鉬酸鈉溶液，一般在抽梢后的新葉期或幼果期進行噴施為宜。對酸性土壤，增施石灰，調節pH值，保持土壤pH5.5-6.5。

(a)AW態 (b)PWHT態圖4 不同板厚低應力工況溫度調整曲線Fig.4 Temperature adjustment curve of low stress condition with different plate thickness

以EN 13445溫度調整準則為基礎繪制了不同屈服強度的低應力工況溫度調整曲線，如圖5所示。可以看出，應力比Rts一定時，溫度調整值ΔT隨著屈服強度增大而逐漸降低，不同屈服強度的ΔT之間差距隨著Rts減小而逐漸增大。如AW態曲線(見圖5(a))，Rts=0.75時，屈服強度550 MPa的ΔT=9.5 ℃，屈服強度245 MPa的ΔT=13.9 ℃；Rts=0.4時，屈服強度550 MPa的ΔT=26.1 ℃，屈服強度245 MPa的ΔT=40.8 ℃。低應力工況溫度調整值隨屈服強度增加而逐漸降低的這種特性，使得待評定材料的屈服強度不得高于建立溫度調整曲線所使用的屈服強度值。壓力容器規范通常選用防脆斷條款適用的最高屈服強度值建立溫度調整曲線，例如EN 13445中溫度調整曲線的屈服強度取值550 MPa，盡管針對低強度材料會給出稍偏保守的ΔT值，但卻極大提高曲線的簡潔性。ASME Ⅷ-2針對屈服強度345 MPa與450 MPa給出兩條溫度調整曲線，這種做法有利于減小低強度材料應用曲線的保守性，但也限制了屈服強度大于450 MPa的材料使用低應力工況溫度調整曲線。

通過上述分析可知，低應力工況溫度調整值隨板厚與屈服強度增加而減小。低應力工況溫度調整曲線必須能夠覆蓋防脆斷條款適用的板厚與材料強度范圍，同時兼具方便易用性。鑒于ΔT與板厚及強度的相關性，溫度調整曲線必然基于防脆斷條款適用的最大板厚及最高強度值建立。

低應力工況溫度調整曲線利用斷裂韌性隨溫度變化模型在應力與溫度之間建立聯系，ASME Ⅷ與EN 13445使用的斷裂韌性隨溫度變化模型年代久遠且源于工程經驗。ASME Ⅷ-1斷裂韌性模型為參考韌性曲線，該曲線是對有限數量反應堆壓力容器用鋼斷裂韌性數據的確定性分析，采用RTNDT作為特征溫度。ASME Ⅷ-2采用MPC模型[3]，由美國材料性能委員會提出，其特征溫度為沖擊功轉變溫度。EN 13445采用Sanz模型[5]，利用沖擊功估算特征溫度。為便于工程應用，以上斷裂韌性模型特征溫度均直接或間接與沖擊功相關，期望利用沖擊功預測斷裂韌性。由于存在諸多差異，沖擊功與斷裂韌性極難建立聯系。目前工程界仍然缺少通用的轉換關系，相關的關系式均屬于經驗性且僅針對特定材料的特定溫度區間成立。

主曲線法采用概率統計方法描述鐵素體鋼在韌脆轉變區內的斷裂韌性分布，參考溫度由斷裂韌性測試確定是材料斷裂韌性的特征溫度[6]。該方法已制定成熟的測試標準ASTM E1921，同時被API 579,BS 7910,R6等規范所采納用于結構完整性評價，發達國家開展了廣泛的核反應堆壓力容器用鋼的適用性驗證工作。ASME Ⅺ通過CodeCase的形式正逐步采納主曲線法用于壓力容器的輻照脆化評定，2007年ASME Ⅷ-2改版時也曾考慮應用主曲線法[7]，2009版的EN 13445低溫設計圖線中已經采用了該方法[5]。主曲線法關系式如下：

(7)

式中，B為斷裂韌性試樣厚度;Pf為失效概率。

(a)AW態 (b)PWHT態圖6 基于主曲線法的溫度調整曲線與ASME Ⅷ-2及EN 13445曲線對比Fig.6 Comparison of temperature adjustment curve based on Master Curve Method with ASME Ⅷ-2 and EN 13445

圖6顯示新溫度調整曲線位于ASME Ⅷ-2與EN 13445曲線之間，需要指出的是，圖中的ASME Ⅷ-2曲線是筆者在ASME Ⅷ-2標準曲線基礎上取屈服強度550 MPa計算得到的。ASME Ⅷ-2與EN 13445中溫度調整曲線的工程適用性已經過多年實踐檢驗，圖6中結果驗證了本文溫度調整曲線的正確性。通過對應力比0.25～0.75之間數據線性擬合，獲得基于主曲線法的低應力工況溫度調整關系式，如式(8)(9)所示。

ΔT(Rts)=46-50.3Rts(AW態)

(8)

ΔT(Rts)=63.7-71.6Rts(PWHT態)

(9)

3 討論

針對ASME規范將Q345R歸入豁免曲線A問題，國內學者開展了Q345R的最低設計溫度研究。SHU等[11]統計分析了數千組Q345R低溫沖擊功數據，指出曲線A太過保守，Q345R完全滿足曲線B的要求。CUI等[12]實測了Q345R的低溫斷裂韌性，失效評定結果顯示Q345R可以在曲線D給出的最低設計溫度下安全服役。通過積累數據以及相關研究機構積極與ASME協商，2019版ASME Ⅷ-1將非正火態Q345R歸入豁免曲線B，正火態Q345R歸入曲線D。圖7顯示豁免曲線B板厚小于13.5 mm，以及曲線D板厚小于50 mm的最低設計溫度小于-20 ℃，這表明ASME規范允許Q345R在-20 ℃以下溫度服役，但這顯然與GB/T 150—2011規定的Q345R使用溫度下限-20 ℃相抵觸，同時對國內ASME持證廠家的容器選材工作造成一定困擾。以上事例表明，我國壓力容器用鋼的低溫性能足以保障材料在更低溫度下安全服役，但壓力容器規范缺乏科學合理的材料最低設計溫度確定方法是限制鋼材在低溫下使用的根本原因。

圖7 ASME Ⅷ-1沖擊豁免曲線Fig.7 Impact test exemption curves in ASME Ⅷ-1

HG 20585—1998《鋼制低溫壓力容器技術規定》曾參考ASME Ⅷ-1低應力工況溫度調整曲線(見圖1)制定了設計溫度調整值表，表中數值與ASME Ⅷ-1曲線基本一致，但考慮應力安全系數差別，調低了應力水平。需要特別指出的是，低應力工況溫度調整值是以材料最低設計溫度為基礎的，也就是說，低應力工況溫度調整曲線必須搭配最低設計溫度曲線使用。由于GB/T 150—2011中缺少材料最低設計溫度曲線，因而HG 20585—1998以ASME Ⅷ-1曲線配合GB/T 150—2011中的-20 ℃低溫限的做法是不恰當的。新版HG/T 20585—2011已將相關內容從正文中刪除。

為滿足TSG R0005—2011中關于無隔熱結構罐體元件最低設計金屬溫度不得高于-40 ℃的要求，國內鋼鐵廠家在原-20 ℃壓力容器用鋼基礎上研制-40 ℃低溫鋼。例如，某廠在Q420R基礎上研制了-40 ℃級別的Q420DR，但二者的落錘試驗和低溫沖擊試驗結果并無顯著差異[13-14]。前已述及，我國壓力容器用鋼在低溫下限制使用并非由于材料性能不達標，而是缺乏科學合理的最低設計溫度評判方法。類似于在Q420R基礎上研發Q420DR的做法并不可取，不但無法滿足實際工程各種復雜環境對低溫鋼的需求，同時增加了用戶的采購成本，造成資源浪費。

本文建立低應力工況溫度調整曲線，較GB/T 150—2011低溫低應力工況拓寬了低應力范圍，提高了曲線的工程適用性。應用該曲線可滿足移動式低溫罐車/罐箱用碳鋼低合金鋼的-40 ℃服役要求，從而緩解罐車/罐箱無材可選的局面。根據式(9)計算結果，-20 ℃鋼材只要應力比低于0.6，調整后的設計溫度即可低至-40 ℃。值得注意的是，本文曲線使用的材料屈服強度為550 MPa，板厚AW態為38 mm、PWHT態為100 mm，使用曲線時不得超出以上限值。高強度材料厚板結構的低應力溫度調整值必須通過斷裂力學評定，并結合結構試驗加以判定。

4 結語

本文從我國壓力容器規范中“低溫低應力工況”的規定現狀出發，分析了ASME Ⅷ與EN 13445中相關規定的理論背景，研究了板厚與強度對低應力溫度調整值的影響規律，建立了基于主曲線法的低應力溫度調整曲線，討論了限制我國壓力容器用鋼最低設計溫度的原因。主要結論如下。

(1)低應力工況溫度調整值隨板厚及材料強度增加而增大，應采用壓力容器規范防脆斷條款適用的最大厚度與最高強度建立低應力工況溫度調整曲線。

(2)選擇主曲線作為斷裂韌性模型建立低應力工況溫度調整準則，溫度調整曲線與ASME Ⅷ-2及EN 13445基本相當，科學合理的材料最低設計溫度是低應力工況溫度調整的基礎。

(3)我國壓力容器用鋼實際性能足以保障材料在更低溫度下安全服役，壓力容器規范缺乏科學合理的材料最低設計溫度評判準則是限制鋼材在低溫下使用的根本原因。