基于材料力学性能的最低设计金属温度曲线分析

(华东理工大学 机械与动力工程学院，上海 200237)

0 引言

铁素体制压力容器广泛地应用于石化和核电领域。在低温条件下铁素体钢有明显的韧脆转变现象，即存在一个韧脆转变区间，在此温度范围内，很小的温度降可以导致韧性的急剧降低[1-3]。为了防止铁素体钢在低温工况下发生脆断，ASME B&PV Code，Section Ⅷ中给出了冲击豁免曲线，用来估计铁素体钢的最低设计金属温度。ASME于2007年发表了改进版的ASME B&PV Code，Section Ⅷ。该版本中针对于焊态和焊后热处理态分别给出了如图1，2所示的最低设计金属温度曲线[4]。当材料的厚度与设计温度所确定的坐标点位于对应曲线及以上时，可保证材料在该温度下安全使用，即可以免除冲击试验；当坐标点位于对应曲线的下方时，则需要进行冲击功试验，保证材料在其设计温度下满足冲击功要求。

图1 ASME焊态下的4条冲击豁免曲线

图2 ASME焊后热处理态下的4条冲击豁免曲线

最低设计金属温度曲线可以方便地估计材料的最低设计金属温度。但在冲击豁免曲线的制定过程中，存在较多的人为因素。如每条曲线人为假定一个冲击功转变温度，从A曲线到D曲线分别为T0=114,76,38，12 ℉[5]。在计算过程中将材料的屈服强度规定为552 MPa，且豁免曲线中所包含的材料屈服强度不得超过该规定值。在ASME Ⅷ-2中冲击豁免曲线对应的材料分配表中，根据材料断裂韧性的高低并结合使用经验，将常用材料划分到A～D四条曲线中，理论上每条曲线中包含了多种韧性相近的材料。但根据已有的研究表明，该分类方法使得有些材料的韧性被低估。舒翔宇[6]通过对比低温条件下的冲击功得出将Q345R归类于A类冲击豁免曲线，使得材料的低温韧性被严重低估；崔庆丰等[7-8]研究发现，将Q345R划分到A类冲击豁免曲线极大地低估了材料的低温韧性，正火态的Q345R可以被归类到D类冲击豁免曲线。

ASME(2007版)中的冲击豁免曲线对应的材料分配表从标准颁布至今未曾更新，而在这十多年的时间里，材料的性能以及钢铁冶炼水平都有了一定的提高。因此，本文基于材料实际的屈服强度σys与参考温度T0，按照ASME中冲击豁免曲线的计算方法，计算得到对应材料的最低设计金属温度曲线，并与对应的豁免曲线进行对比，定量地分析ASME中豁免曲线的保守性，对ASME中冲击豁免曲线和材料分配表的更新具有一定的推动作用。在保证材料安全的前提下，该研究对材料韧性等级的合理分配以及材料韧性充分利用具有重要意义。

1 计算方法

1.1 参考缺陷

为了计算裂纹驱动力，ASME规范中采用径厚比Ri/t=100的圆筒作为含缺陷结构。考虑到当时射线检测水平，相关研究者假定缺陷为半椭圆型表面裂纹,其中裂纹长度为2c，深度为a,且c/a=3。

(1)

式中t——壁厚，mm。

1.2 应力水平

ASME中假定一次膜应力的表达式如式(2)所示，针对焊态和焊后热处理态分别给出了式(3),(4)所示不同残余膜应力表达式。

(2)

(3)

(4)

1.3 断裂韧性

在API 597-1/ASME FFS-1中，失效评定图广泛应用于含缺陷压力容器和管道的失效评定。韧性比Kr和载荷比Lr分别为失效评定图中的纵坐标和横坐标。在失效评定过程中，根据实际结构以及缺陷尺寸、材料性能和承受的载荷，计算韧性比和载荷比。在失效评定图中根据计算的数值可确定一点，若该点落在失效评定曲线及以下，则该部件可以继续安全使用，否则说明该部件在使用过程中存在失效的风险，必须进行维修或替换。韧性比Kr根据API 597-1/ASME FFS-1中第9.4.3.2.1节，由式(5)给出；失效评定图中的失效评定曲线方程如式(6)所示。

(5)

(6)

将式(6)代入式(5)得到防止断裂所要求的材料断裂韧性表达式，如式(7)所示。在式(7)中，所要求的材料断裂韧性是厚度t的函数。

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

动态断裂韧性KId可由式(12)确定，其中参数T0为夏比冲击中的参考温度。

(12)

σys——屈服强度，ksi;

T——温度，℉；

C——钢材的转变温度区半宽度，℉。

其中:对于ASME中曲线A，T0=114 ℉；对于ASME中曲线B，T0=76 ℉；对于ASME中曲线C，T0=38 ℉；对于ASME中曲线D，T0=12 ℉；C=66 ℉。

令式(7)中要求的断裂韧度Kmat(t)等于动态断裂韧度KId，则得到最低设计金属温度的表达式如下：

(13)

2 材料性能

为了对比A～D四条冲击豁免曲线与基于材料实际屈服强度和参考温度确定的曲线之间的差异，从ASME中的A,B,C，D豁免曲线中分别选取Q345R,SA533B,SA516Gr.60，SA508-3四种材料。材料的化学成分和常温下的力学性能分别如表1,2所示，冲击功曲线如图3所示。按照ASME中冲击豁免曲线的计算方法，基于材料实际的屈服强度σys和参考温度T0，计算得到材料在不同状态(焊态和焊后热处理态)下的最低使用温度曲线，其结果如图4所示。

表1 4种铁素体钢的化学成分

表2 4种铁素体钢常温下的力学性能

图3 4种材料的冲击功曲线

如图4所示，所选取的4种材料的最低设计金属温度曲线均低于对应的A～D曲线，ASME中4条冲击豁免曲线所确定的最低设计金属温度具有较大的保守性。表3中定量地列出了基于材料实际的力学性能得到的最低设计金属温度与ASME中对应曲线之间的差值。

根据表3的统计结果可以看出，除SA508-3外，其他3种材料与对应曲线之间的最低设计金属温度差值较大，其差值都高于60 ℃。Q345R和SA533B两种材料与对应曲线之间的温度差相对较大，说明ASME中将Q345R和SA533B分别划分到A曲线和B曲线，可能低估了材料的低温断裂韧性。表3中的温度差值也反映出ASME中冲击豁免曲线具有极大的保守性，这在一定程度上会造成材料韧性的浪费。

(a)焊态 (b)焊后热处理态

图4 4种材料在不同状态下的最低设计金属温度曲线

表3 材料的最低设计金属温度与对应曲线之间的差值 ℃

此外，图4中Q345R和SA508-3基于材料自身性能确定的最低设计金属温度曲线基本一致，而ASME中的材料分配表将两种材料分别划分到了A曲线和D曲线。材料具有相近的低温断裂韧性无法被分配到相同的冲击豁免曲线中，使得在实际应用中的保守性不一致，对于Q345R，其韧性被低估。

3 结论

针对ASME中的A～D四条冲击豁免曲线，对应地选取了4种材料，按照ASME中豁免曲线的计算方法，并基于材料本身的屈服强度和参考温度，计算得到了每种材料的最低设计金属温度曲线。经过本文的研究，得到如下结论。

(1)基于本文所研究的材料，对比了基于材料自身力学性能所确定的最低设计金属温度曲线以及ASME中对应的豁免曲线，发现除SA508-3外，其他3种材料的温度差值都在60 ℃以上。对于本文所研究的材料，ASME中所给出的冲击豁免曲线保守性较大。

(2)根据本文得到的计算结果，Q345R和SA508-3的最低设计金属温度曲线基本一致。ASME中将Q345R和SA508-3分别划分到A曲线和D曲线，使得实际韧性接近的材料在确定最低设计金属温度时的保守性却不同，对于Q345R其韧性可能被低估。