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詳談 GB150 與 ASMEⅧ-1 低溫沖擊試驗

1.GB150與ASMEⅧ-1規范關于沖擊試驗判斷的區別

我國壓力容器標準GB150和ASME Ⅷ-1規范在是否做沖擊試驗的判斷條件上存在不同之處。GB150.1-2011規定:設計溫度低于-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。低溫容器用材料必須做夏比V型缺口沖擊試驗,其試驗溫度不高于設計溫度,沖擊功應滿足該溫度下標準要求的數值,此時沖擊試驗唯一豁免的條件是:容器處于“低溫低應力工況”,具體“低溫低應力”概念詳見GB150.3-2011附錄E規定,不過“低溫低應力工況”不適用于鋼材標準抗拉強度下限值Rm≥540MPa的材料以及螺栓材料。

對于設計溫度在-20℃~0℃范圍內的容器,由于我國板材及鍛件在出廠前只做0℃沖擊試驗,所以在材料采購時需提出-20℃沖擊試驗要求,以滿足容器在-20℃~0℃溫度下的韌性要求,其沖擊功指標不低于標準規定0℃沖擊功值。GB150.2-2011規定:對于Q245R、Q345R 、13MnNiMoR鋼板,20、16Mn、20MnMo鍛件,如需規定進行-20℃沖擊試驗時,應在設計文件中注明。

另外,材料厚度不同所呈現的韌性也不同,因此GB150.2-2011中規定:殼體厚度大于60mm的鋼板應進行V型缺口沖擊試驗。

ASMEⅧ-1規范1989版至現行版本,取消了低溫容器的概念,是否做沖擊試驗由材料組別、控制厚度及最低設計金屬溫度共同決定,試驗溫度不得高于最低設計金屬溫度,沖擊功滿足標準規定即可。

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2.相比GB150而言,ASMEⅧ-1規范有如下特點:

(1)沒有一個固定溫度值來判斷是否做沖擊試驗;

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

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

(4)在某一條款中要求做沖擊試驗,可能在其它條款中被免除,也就是說“應進行沖擊試驗”的判定不一定是最終結果,而“沖擊試驗豁免”的判定才是最終的結論。

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3.ASMEⅧ-1規范中沖擊豁免的步驟

在ASME Ⅷ-1規范中通常以取得豁免條件來判斷材料是否做沖擊試驗的依據。碳鋼、低合金鋼制壓力容器殼體、封頭、接管、人孔、補強板、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容器的結構完整性必不可少的附件等零件取得“沖擊試驗豁免”的條件總結如下:

3.1.第一步:按UG-20(f)判斷

(1)設計溫度范圍為-29℃≤T≤345℃;(注:由于低溫季節大氣溫度的影響,操作溫度偶然低于-29℃是允許的);

(2)容器不存在熱沖擊、機械沖擊或循環載荷;

(3)容器制造完畢后按照UG-99(b)或UG-99(C)進行液壓試驗,一般容器是做液壓試驗的,除非結構等原因采用UG-100進行氣壓試驗;

(4)對于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。

如同時滿足上述要求時,材料可免除沖擊試驗,否則,只要有一條不滿足,轉入第二步進行判斷。

3.2.第二步:直接取得沖擊試驗豁免的條件

(1)最低設計金屬溫度高于50℃,任何組別材料的任何厚度均不需要沖擊試驗;

(2)設計金屬溫度不低于-48℃,且厚度不大于2.5mm的不需要沖擊試驗;

(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,若最低設計金屬溫度不低于-29℃時不需要沖擊試驗;

(4)選擇以下標準法蘭,如最低設計金屬溫度不低于-29℃時,可免做沖擊試驗;

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,級別不大于150磅或300磅。

(5)當最低設計金屬溫度低于-48℃且不低于-105℃時,比值S=trE/(tn-c)≤0.35時,免做沖擊試驗;

(6)對于DN≤100mm,且為P-No.1組材料的管子,其最低設計金屬溫度不低于-105℃,只要材料厚度不大于下表所列最低屈服強度對應的厚度值,可免做沖擊試驗。

最低屈服強度(MPa)

厚度(mm)

140~240       6

250~310       3.2

≥320              2.5

(7) 當ASME Ⅷ-1規范中未要求強制熱處理而進行熱處理的P-No.1組材料,允許最低設計溫度可降低17℃,即便此時溫度已低于-48℃。

(8)對于螺栓、螺母免做沖擊試驗的最低設計金屬溫度詳見ASME Ⅷ-1篇UCS-66總注(c)的規定。

3.3.第三步:按UCS-66(a)進行判斷

按此條進行判斷時一定要準確計算出元件的“控制厚度”。當最低設計金屬溫度和材料控制厚度的相交點落在對應材料曲線上或者上方,可免做沖擊試驗,如果相交點落在對應曲線的下方,則需要進行第四步判斷。

3.4.第四步:按UCS-66(b)進行判斷

按照UCS-66(a)未得到免除沖擊的元件,如果比值S=trE/(tn-c)<1,且元件的最低設計金屬溫度不低于-48℃時,可繼續按本條進行判斷,并計算MDMT降低值,當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。

MDMT降低值可根據比值S按照UCS-66(b)中圖表查出,當降低值不超過22℃時,可按下面公式計算:MDMT降低值=(1- S)×56℃,對于不承受總體一次薄膜拉伸應力的元件,如平封頭、平蓋、管板和法蘭(包括螺栓和螺母),比值S為最大設計壓力與最大許用壓力之比。

通過上述四步篩選,如果沖擊試驗還不能豁免,別無選擇,容器所用材料只能進行MDMT下的沖擊試驗,沖擊功滿足標準規定要求。

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4.結語

因為沖擊試驗對壓力容器制造廠來說是一項較大的花費,所以,設計者應該盡一切努力來避免它。可以通過增加元件的控制厚度或選用韌性較好、級別較高材料的方法來避免沖擊試驗,但此時應考慮設備的經濟性,為避免沖擊試驗,增加這些費用是否值得。

–本文轉自微信公眾號:壓力容器人

GB150和 ASME VII-1比較分析

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