对改写SA-105材料冲击豁免曲线的理解

杨建良，杨湖

（无锡化工装备股份有限公司，江苏 无锡 214131）

压力容器受压元件的韧性对压力容器的安全运行有着至关重要的意义。在低温下，随着温度的降低，碳素钢和低合金钢的强度提高，韧性降低。其冲击功值随温度下降呈S 形曲线变化，且具有下平台区，韧脆转变区和上平台区[1]。当温度低于某一值时，冲击功值开始大幅度地下降，材料从韧性转变为脆性。需要注意的是并不是所有的金属材料都会产生明显的低温变脆现象，一般来说，具有体心立方晶格的金属材料，如碳素钢和低合金钢，都会产生明显的低温变脆现象；而具有面心立方晶格的金属，如奥氏体不锈钢、有色金属，冲击功值随温度的变化很小，在很低的温度下仍具有较高的韧性[2]。

在压力载荷作用下，受压元件中的裂纹常会发生扩展，当裂纹扩展到某一临界尺寸时就会发生断裂，称之为脆性断裂[1]。压力容器受压元件的脆性断裂与材料所受的应力水平、加载速率、载荷大小、材料中缺陷的形状和大小、热处理状态、材料的厚度，材料的组织以及残余应力等因素有关[3-6]。故ASME规范[7-8]对受压元件所选用材料规定了除需要遵循相应材料标准的要求外，还需对压力容器在低温下操作提出了防止脆性断裂的相应要求[9]。

1 SA-105材料冲击豁免曲线及供货状态

根据2019 版ASME Ⅷ-1，图UCS-66 中注（2）（a），SA-105 锻制法兰，按细化晶粒制造，并且在锻造后经历了正火、正火和回火或淬火和回火热处理才划分为B 曲线。如果仅是锻造状态供货，按图UCS-66 中注（1）（c）划分为A 曲线。而2017 版ASME Ⅷ-1规范则无需考虑SA-105 材料的供货状态，统一划分为B 曲线[10]。

此外，2019 版ASME Ⅷ-1，UCS-66（c）章节规定用于ASME B16.5 和ASME B16.47 标准管法兰的铁素体钢锻件只有按细化晶粒制造，并且在锻造后经历了正火、正火和回火或淬火和回火热处理的才可以用到-29 ℃且不需要做冲击试验。如果仅是锻造状态供货，只能在不做冲击试验的条件下用到-18 ℃。而2017 版ASME Ⅷ-1，UCS-66（c）章节不用考虑铁素体钢锻件的供货状态，在不做冲击试验的条件下就可以用到-29 ℃[10]。

2019 版ASME Ⅷ-2 规范对SA-105 材料冲击豁免曲线的修改亦如ASME Ⅷ-1 规范，此处不再重复叙述。2017 版ASME Ⅷ-2 规范也是不必考虑SA-105 材料的供货状态，统一划分为B 曲线[11]。

2 SA-105材料冲击豁免曲线改写原因

在2016 年4 月于西雅图召开的美国机械工程师协会B31.3 工艺管道规范委员会会议上，福陆公司的Barry Messer 就炼钢实践的变化导致一些碳钢管道部件（诸如SA-105 法兰、SA-234 管件以及SA-106 无缝接管等）在环境温度下表现为脆性，而不是韧性这一问题向委员会成员作了介绍，以提醒委员会成员注意这一问题。

委员会获悉，脆性断裂是发生在新建造的设备水压试验期间，在过去5 年中发生了数十起这样的脆性断裂事故。典型的水压试验温度为10 ℃，但东南亚的一些管道在较高的水压试验温度下仍然发生脆性断裂。发生脆性断裂的材料在21.1 ℃下的夏比V形缺口冲击功仅有4 J，远远低于此温度下的正常冲击功54 J。

这与上世纪90 年代一些国家制造的法兰出现的问题不同，对这些脆性断裂的分析结果表明，与制造地或原产国没有明显的相关性。

造成冲击韧性低的原因是钢材的化学成分从5年前的正常情况逐渐改变。锰元素含量对铁素体固溶强化效果最为显著，故在炼钢过程中添加锰元素以提高钢材的稳定性、韧性和强度，但钢厂为了降低炼钢成本，锰元素含量被降低到规范允许的下限值，并被微量元素（如钒、铌、钛和硼）取代，以提高钢材的强度和可成形性。为了使碳钢具有足够的韧性，在20 世纪50 年代钢铁工业规定，碳钢材料在-6.7 ℃下的冲击功最小值为27 J，锰元素与碳元素的比值（Mn：C）要大于等于5。例如SA-105 材料，最大碳含量为0.35%，允许锰含量范围为0.6% ～ 1.05%，允许的最低锰碳比值低至1.7，这导致了钢材的韧性差，在水压试验时发生脆性断裂事故。此外，铌、钒、钛和硼元素的添加会进一步降低钢材的韧性，在水压试验时发生脆性断裂事故也与添加的铌、钒、钛和硼元素有关。尤其是硼元素，会引起在100 晶面上30°～45°方向向管子轴向定向再结晶，导致在45°至管子或管件轴向处的韧性非常低；这恰恰是在压力下管道出现最大剪切载荷的方向，并且因为该晶体定向排列，纵向或周向的冲击试样并不能确定材料具有低韧性。然而，钢材的化学成分的这些变化对材料的可焊性没有影响。

虽然脆性断裂事故对管道来说是一个新问题，但15 年前，由于杂质元素和微量元素的加入，板材也出现了类似的问题。ASTM 通过修改A-20（板材通用规范）来限制杂质元素和微量元素的使用来解决这个问题。长期来看，A105、A106、A234 和其他碳钢材料规范需要修改，以类似的方式控制锰碳比、晶粒尺寸和微量元素添加，但这需要时间。由于对A-20进行了修改，以确保钢板具有良好的韧性，因此由板材通过两半焊接制成的管件不会出现这种脆性断裂现象。A53 电阻焊管（ERW）也是如此。

按照欧洲标准[12]设计的压力容器或元件并不存在这类问题，因为这些材料在任何情况下都需要进行冲击试验。

鉴于在水压试验期间管道元件出现了脆性断裂事故，为了将水压试验期间脆性破坏的风险降至最低，ASME 委员会修改了SA-105 材料在ASME Ⅷ-1图UCS-66 中的冲击豁免曲线。对于SA-105 锻制法兰，只有经过细化晶粒制造，并且在锻造后经历了正火、正火和回火或淬火和回火热处理才能将其冲击豁免曲线划分为B 曲线。对于不符合上述要求的SA-105 材料，将划为A 曲线，同时将其最低使用温度从-29 ℃提高到-18 ℃。ASME 委员会对SA-105材料在ASME Ⅷ-2 规范中也采用了同样的修改。

3 避免脆性断裂的工程实践

除了ASME 规范的要求外，以下的三种工程实践将进一步提高SA-105 材料的韧性，避免其在操作和水压试验期间出现脆性破坏。

3.1 工程实践一

（1） 碳 含 量 不 得 超 过0.23% 且 碳 当 量CE ≤0.43，[Mn]/[C]≥5；

（2）微量合金元素限制在表1 的范围内；

表1 微量合金元素限制范围Table 1 Limitation of micro alloying elements

（3）按ASTM E112 规定的粒度为7 级或更细；

（4）锻造后的正火温度为（910±10） ℃；每25 mm 保温时间为1 h，最小保温时间为1 h；正火后需要在静止的空气中冷却。

3.2 工程实践二

（1）0.15%≤[C]≤0.23%，碳当量CE ≤0.43，[Mn]≥0.6%；

（2）微量合金元素[Al]≥0.02%且[Al] + [Ti]＞3[N]（N 元素在ISO 10474-3.1 或EN 10204-3.1 证书中体现）；

（3）微量合金元素[Al] +[Ti]≥0.03%（N 元素没有在ISO 10474-3.1 或EN 10204-3.1 证书中体现）；

（4）锻造后的正火温度为（910±10） ℃；每25 mm 保温时间为1 h，最小保温时间为1 h；正火后需要在静止的空气中冷却。

3.3 工程实践三

（1）用于锻造的钢坯或钢锭按SA-350 LF2 出具ISO 10474-3.1 或EN 10204-3.1 证书；

（2）锻造后的正火温度为（910±10） ℃；每25 mm 保温时间为1 h，最小保温时间为1 h；正火后需要在静止的空气中冷却。

4 对库存材料使用的建议

按照正常的炼钢实践，钢材在水压试验时是不会出现脆性断裂失效的，但是钢厂为了节约炼钢成本，将锰元素含量控制在标准允许的下限值，并以添加其他微量元素来填补缺失的锰元素，这样材料的强度性能虽然能够得到保证，但是材料的韧性大幅度下降，造成新建造的设备在水压试验期间发生脆性断裂事故。ASME 委员会改写SA-105 材料的冲击豁免曲线正是基于这点出发的。但是根据福陆公司的研究表明，发生脆性断裂的不仅仅是SA-105 材料，SA-106管子和SA-234 管件在水压试验期间也会发生脆性断裂失效，ASME 委员会并没有在2019 版规范中修改这两种材料的冲击豁免曲线，这似有不妥，存在安全隐患。为避免设备在运行及建造过程中出现脆性断裂失效，笔者建议制造厂在采购这两种材料时参考3.1 和3.2 对其补充采购要求，以保障设备的安全稳定运 行。

此外， 2019 版ASME 规范将于2020 年1 月1 日起强制执行，锻件厂可能会有库存材料剩余，为使库存材料能够用于按2019 版规范建造的容器，笔者建议锻件厂对库存SA-105 锻件按ASTM E112 的规定检测晶粒度，只要其晶粒度为7 级或更细，由于SA-105 锻件通常在正火状态下供货，这样材料仍然可以使用。另外，锻件厂也可在SA-105 机械性能试样上取冲击试样，只要其在-29 ℃的冲击性能能够满足规范的要求，材料也可以用在按2019 版规范建造的容器上。