ASME低温用钢国内应用探讨

谈剑荣

(上海工程化学设计院有限公司)

ASME低温用钢国内应用探讨

谈剑荣*

(上海工程化学设计院有限公司)

低温容器用途日益广泛。由于国内低温用钢可选择性差等一些因素，ASME低温用钢在国内项目中被大量使用。随着新容规（TSG R0004—2009）及其实施意见的颁发，对低温容器设计有了更高更具体的要求。对选用ASME低温用钢而按国内标准设计的情况进行了探讨，分析了ASME与国内标准体系的不同处，指出设计时对材料本体需注意的一些问题并提出解决方案，同时也对设计ASME低温用钢容器会遇到的一些问题作了提醒和解释。关键词 压力容器 ASME 低温 碳钢 低合金钢 国内

0 概述

低温容器应用越来越广泛。由于它工况特殊，其结构、选材、检验等均有特别之处，需要对现有规范标准有更透彻的理解才能设计合理安全的结构。同时国内低温用钢存在可选择性较差、应用历史较短等问题，现国内大量工程应用国外低温用钢，尤其是ASME低温用碳钢和低合金钢及镍系低温钢。随着TSG R0004—2009《固定式压力容器安全技术监察规程》 （以下简称 《固容》）及其实施意见的颁发，对低温容器设计有了更高更具体的要求，尤其是使用国外低温用钢时。这又要求设计人员对ASME标准和材料有一个较为清晰的理解，才能符合国内标准规范的要求。另外由于国内外低温材料研究和应用的先进性不同，标准制定的科学性不同，需要我们作更多的研究和探讨。下面简单介绍ASME钢材标准，其特性同样适用于ASME低温用钢。

ASME压力容器用钢材标准是一个完整体系，而不是简单的合订本。ASME钢材标准是市场经济模式下由供需双方共同编制的，它是以反映钢材使用者的要求为主的标准，同时也是压力容器规范的一个组成部分。在使用ASME钢材标准时，一般均有用户采购技术规范来补充、完善。钢材标准中有相当多的条款是为采购 （合同）和用户检查验收所用的，如订货须知、外观、检查、拒收和复审、质量证明文件、产品标志、包装等。这对国内压力容器设计人员提出了更高的要求。

1 分析与讨论

1.1 ASME与国内标准的低温界限和冲击试验

首先对GB150附录C中低温容器设计的低温界限进行说明。我国标准将低温限统一定为-20℃并没有科学依据，只是根据经验人为地划定一个界限，对于有些材料具有不合理性。而目前ASME对于低温容器采用了根据材料组别、厚度、应力水平和材料热处理状态，通过计算确定材料允许的最低设计金属温度(MDMT)的方法。若容器的使用温度低于允许的MDMT，则属低温范围，要求进行冲击试验。这种方法建立在大量实验研究的基础上，它运用断裂力学的判据，针对每种材料的性能、厚度、热处理状态分别确定低温限，是比较科学的方法。这种方法与我国目前的标准有着明显的区别。

一般ASME容器，是按每个受压元件是否考虑冲击来确定的。第一步是看容器是否可以依照UG-20（f）这条豁免冲击，如果直接豁免了，后面的就不用考虑了。第二步，如果没有豁免就使用UCS-66查表，厚度与MDMT的交点落在曲线上方是豁免，落在下方就要做冲击试验，但有时候落在下方也可以不做冲击试验，因为UCS-66的曲线图是在满应力情况下测试得来的，实际情况是所设计的容器并不在满应力下工作，所以有个比值，就是按图UCS-66.2对MDMT值予以降低，最终得出MDMT来判断是否豁免。而若按GB150进行低温设计同时采用ASME低温用钢，则必须做冲击试验 （不考虑低温低应力工况）。这时必须注意，在UCS-66中有一条注说：应用UCS-66中免做冲击试验的规定，并不确保这些材料作冲击试验时，其结果能满足UG-84的冲击能量的要求。在GB150低温设计中，对焊缝和热影响区的低温夏比 （V形缺口）冲击试验取样方法和合格指标完全按母材的要求确定，这点比ASME严格。在ASME中除了UG-20(f)的免试规定外，还有很多情况也可以免做焊缝和热影响区的冲击试验，详见UCS-67。

1.2 ASME与国内标准材料的使用温度下限

ASME规范没有明确说明某种材料可以使用的最低温度，但是它给出了类别-厚度-最低试验温度关系。比如说SA516-70（正火或淬火加回火状态，≤25mm）有-46℃时作冲击试验的要求，也就是说SA516-70可以使用到这个温度。假设和钢厂签定合同说明了试验温度及冲击功要求，若钢厂在-55℃的时候让SA516-70的材料冲击功满足了ASME的要求，那这批材料就是可以使用到-55℃的。当然也有另外一种观点认为，标准中的最低冲击试验温度就是材料的使用温度下限，理由是母材在最低冲击试验温度下可满足冲击要求，但焊缝不一定能达到这个冲击功。

国内关于使用温度下限陈述的标准规范列于表1。最新的 《固容》实施意见对使用温度下限有了明确数值，低温钢材使用温度下限即为最低冲击试验温度。

表1 使用温度下限的有关规范

1.3 ASME材料要求与国内标准规范的差距

（1）随着《固容》及其实施意见的颁布，其对低温容器的设计、材料等方面的要求更趋严格。将其应用于ASME低温用钢时， 《固容》中须注意的条款有如下几项 （以下引用时仍保留原 《固容》中的章节序号）：

2.2 熔炼方法 （此处不引述）；

2.3.1 用于焊接的碳素钢和低合金钢C≤0.25%；

2.3.2 （3）用于设计温度低于-20℃并且标准抗拉强度下限值小于540 MPa的钢材，P≤0.025%、S≤0.012%；

2.3.2 （4）用于设计温度低于-20℃并且标准抗拉强度下限值大于或者等于540 MPa的钢材，P≤0.020%、 S≤0.010%；

2.4.1 冲击功 （此处不引述）；

2.4.2 断后伸长率 （此处不引述）；

2.9 境外牌号材料的使用 （此处不引述）。

（2）需要特别注意的是在GB150附录C的

2.1.3 条中规定，壳体的钢板厚度大于20 mm时，应逐张进行超声检测，而 《固容》新增的2.5.1条中对厚度≥12 mm的碳素钢和低合金钢钢板用于压力容器壳体时针对介质危害高、湿H2S腐蚀、高压等情况也提出了逐张超声检测的要求。按GB150材料篇调质状态使用的低温钢超声要求为不低于Ⅱ级， 《固容》实施意见特别指出，大于16 mm的调质钢板超声检测质量等级须符合Ⅰ级。

（3）ASME低温用碳钢和低合金钢的磷、硫含量基本都不符合 《固容》的要求，而碳含量部分能满足，所以在选用ASME用钢时对其化学成分磷、硫、碳含量都需对比 《固容》并提出要求。

（4） 对 《固容》 的 “2.4.2断后伸长率” 条款需注意下述2点。

1）若ASME钢板标准中断后伸长率指标高于《固容》表2-2规定的，还应当符合相应钢板标准规定。

2）采用不同尺寸试样的断后伸长率指标，应当按照GB/T 17600.1《钢的伸长率换算第1部分：碳素钢和低合金钢》进行换算，换算后的指标应当符合 《固容》表2-2的规定值及相应钢板标准规定的要求。现举例如下。

例 1:ASME SA516-60级 40 mm（宽）×10 mm（厚）、标距200 mm的试样，伸长率为25%（满足SA516-60级规定值21%），换算成标距为A，即5.65(S0)0.5的伸长率。答案是：根据GB/T 17600.1表4换算为A=25%×1/0.796=31.41%，修约到31%。

对照 《固容》钢板标准抗拉强度下限值小于等于420 MPa的断后伸长率为大于等于23%，所以该钢板满足 《容规》要求。

ASME对材料标准试样的制备和要求按SA-20和SA-370中的规定。对伸长率要求的修正见SA-20。由以上举例说明可知，对具体特定厚度的ASME材料的伸长率要求必须换算为 《固容》的尺寸试样指标，这样才能知道究竟是否满足 《容规》的要求。

（5）ASME材料要求与国内标准规范有所不同。为方便设计，表2罗列了按国内规范标准设计而选用ASME低温用钢时对材料本体须添加或注意的一些内容。

表2 选用ASME低温用钢时须注意的事项

2 国内标准设计应用ASME低温用钢存在的问题

（1）由于现有标准的限制，对于液氨储罐设计人员往往以Q345R作为首选的设计材料。但事实上，由于Q345R材料的最低抗拉强度接近于540 MPa，在低温下其抗拉强度更高，在液氨应力腐蚀生成的环境下很容易形成应力腐蚀裂纹，这在制冷行业是有很多经验和教训的。建议改选强度较低的Q245R，这样就不会有明显的应力腐蚀的危险了。同理，在选用国外材料时也应注意不宜选用强度较高的SA516-70级别的材料。

（2）HG20585-1998《钢制低温压力容器技术规定》的4.0.11条规定，采用国外低温压力容器用钢材进行设计或施工者，也必须符合本规定 （4.0.4条）对材料的相应要求，材料的许用应力按GB150规定的安全系数计取。

笔者认为，ASME的抗拉强度的安全系数（3.5）较GB150（3.0）大，既然应用了ASME的钢材标准，若在使用国内标准设计时采用GB150或 《固容》的抗拉强度安全系数 （2.7），即假设材料的许用应力是由抗拉强度的安全系数决定的，这样就提高了材料的许用应力，设备反而变得不安全。不能认为国内规范的安全系数也适用于国外材料，除非为了更安全起见而应用于安全系数较GB150低的情况。材料的力学性能，尤其是许用应力，是和材料的化学成分、失效模式等相关的，即使是力学性能相近的国内外材料，其化学成分也是存在差别的。

（3）在GB151换热器强度胀接的适用范围中只提到设计温度小于等于300℃，没说是否适用于低温容器。实际上低温钢温度越低，强度越大，且由于强度胀管板材料须大于换热管强度，开槽又助长了应力集中，管板和换热管均易在使用中产生微裂纹。由于胀接时的加工硬化，低温下材料塑性变差，管板和换热管能否紧密贴合也值得怀疑。所以当材料低温使用其抗拉强度接近于540 MPa时，尤其是应用于对应力敏感的介质时，不宜用强度胀。一些ASME低温用钢最低冲击试验温度值较低，而最高抗拉强度远大于540 MPa，如SA-203 D级最低冲击试验温度为-101℃，当设备使用于该低温工况下管板开槽处时，其实际的应力值就更高了，所以更要避免强度胀。

（4）由于ASME对材料生产厂家资格没有任何要求，不比生产ASME钢印产品需要认证手续，采购材料时外商往往层层转包，导致产品质量有时无法保障，在国内复验若不合格再行国外订购则会打乱工程周期，损失巨大。为防意外，注明大家公认的ASME低温用钢材料生产国或生产商是有必要的。

3 总结

ASME低温用钢标准总体上与 《固容》及其实施意见的要求有一定差距，但由于它在业内具有长期不可动摇的地位，因此ASME低温用钢是很多用户的首选。当我们采用国内标准设计而选用ASME低温钢时，只要认真研究其内容，并结合国内不断更新的标准规范和具体设备情况提出必要的补充要求，就可以设计制造出各方满意的产品。反之，则适得其反。

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.TSG R0004-2009.固定式压力容器安全技术监察规程[S].2009.

[2]ASMEⅧ-Ⅰ.压力容器建造规则：第一册[S].2004.

[3]王非，林英.化工设备用钢[M].北京：化学工业出版社，2004.

[4]国家石油和化学工业局.HG 20585-1998.钢制低温压力容器技术规定[S].1998.

[5]国家技术监督局.GB 150-1998.钢制压力容器 （附录C）：低温压力容器[S].1998.

Analysis of ASME Cryogenic Steel Apply in Domestic

Tan Jianrong

As the growing of domestic cryogenic vessel and there are a few kinds of cryogenic steel in domestic，the ASME cryogenic steel have been applied in more and more Chinese chemical enterprise.We should perfect the technical specification to the cryogenic vessel with the issue of the“Supervision Regulation on Safety Technology for Stationary Pressure Vessel(TSG R0004-2009)”.In this paper we debate upon the situation that the ASME cryogenic steel selected using in our country and analyze the difference between ASME and domestic code,then point out the problems we often meet and propose the solutions,meanwhile give some tips when we design the cryogenic vessels.

Pressure vessel;ASME;Cryogenic;Carbon steel;Low-alloy steel;Domestic

TQ 050.4+1

*谈剑荣，男，1972年11月生，工程师。上海市，200235。

2011-04-02)