程涛涛，黄明松（惠生工程（中国）有限公司河南化工设计院分公司，郑州450018）



ASME标准防脆断的思路、措施和豁免判定步骤

程涛涛，黄明松
（惠生工程（中国）有限公司河南化工设计院分公司，郑州450018）

摘 要：介绍ASME标准中防止低温脆断的总体思路和措施，并对该措施进行分析，比较了ASMEⅧ－Ⅰ和ASMEⅧ－Ⅱ中对防低温脆断措施方面的主要区别，列出了ASME材料低温冲击试验豁免判定的具体操作步骤。

关键词：低温脆断；ASMEⅧ；MDMT；断裂力学；豁免冲击判定

1　ASME对防脆断判定的演变

最早的ASMEⅧ并未规定防止容器脆性断裂的措施，在实际的工程操作中，特别是在压力试验时发生了多起脆性断裂事故才逐步引起注意。在1989年之前，为防止船舶和压力容器在低温下发生脆性断裂，ASMEⅧ根据使用经验统一划定－30℃为低温容器。对于操作温度不低于－30℃且材料满足标准所规定的夏比（V型缺口）冲击功（CVN值，20J以上）条件后，经过实际经验证实不致发生低温脆断，可不作为低温容器。否则，应作为低温容器，由容器制造厂在另行规定的最低设计金属温度（MDMT）下进行冲击试验并满足其评定要求。因为当时压力容器用材主要采用中低强度钢，所以这种传统的进行夏比（V型缺口）冲击试验作为应对材料脆断的方法在一段时期内起到了一定的作用。随着中高强度钢和高强度钢的使用，传统方法日益暴露出其不足之处。实验发现，强度高、延塑性差的材料与强度低、延塑性好的材料在冲击功的数值上可能很接近。

随着断裂力学的发展，ASME标准的制定者逐渐认识到用断裂力学分析某种材料在既定应力水平、既定尺寸的缺陷是否会引起脆性断裂的方法，远比建立在既有经验基础上的控制夏比（V型缺口）冲击试验CVN值的方法合理、科学。规范制定者在规定的制造工艺和无损检测条件下，通过大量的工程调查和经验积累，认定在一定厚度的材料上总是有其大小为厚度某一比值的裂纹存在。根据断裂力学原理，对于具有尺寸δ的穿透性裂纹材料，在拉伸应力σ的作用下，当裂纹尖端的应力场强度因子KI达到材料的临界应力场强度因子KIC时，该裂纹就会失稳扩展，并引起材料脆性断裂。应力场强度因子KI可表示为：

式中，σ为材料所受到的拉伸应力；δ为材料上与拉伸应力垂直方向上的裂纹尺寸。

如果某一材料的裂纹尖端处应力场强度因子KI小于其临界应力场强度因子KIC，说明材料不可能发生低温脆断，不必对材料、结构、制造等采取防低温脆断措施。也就是说，即便该材料处于某一低温，也不必看作是低温容器。反之，如果KI大于KIC，则说明该材料即使在操作温度不是很低的情况下，也有可能发生脆性断裂，必须采取包括测量和评定KIC在内的防脆断措施，并在结构和制造等方面全面按照低温容器的要求进行设计。但是，在实际工程中，确定KIC的过程非常复杂，要测量不同温度下材料的KIC耗时、耗资都非常巨大。因此，基于前人在一定条件下所得KIC值与夏比（V型缺口）冲击试验CVN值在数值上的对应关系，将KIC换算成了CVN值。在标准规范中虽然是使用断裂力学来进行判定，但形式上仍采用测量和评定CVN值的方法。

2　对ASMEⅧ－Ⅰ防脆断措施的分析

2.1 是否进行防脆断措施的判断

根据上述断裂力学原理，对于给定的材料种类、材料厚度（代表缺陷尺寸）、MDMT、应力水平（满载时以材料的许用应力值表示），计算出该带有缺陷的材料的应力场强度因子KI，并将KI与材料固有的力学属性KIC进行比较，判定是否需要进行防脆断措施。规范已经根据这一思路，作出了是否需要进行防脆断措施的判别图，见参考文献［1］图UCS－66M。如图1所示，以元件的最低设计金属温度（MDMT）为纵坐标，以元件的控制厚度为横坐标，A、B、C、D四条曲线分别代表4种不同类型的材料。根据元件所属的材料种类确定相应的曲线，当MDMT和控制厚度的交点位于相应曲线的上方时，说明在此温度下不会发生脆断，不必采取防脆断措施；反之，当MDMT和控制厚度的交点在相应曲线下方时，说明有可能发生脆断，必须采取包括在该MDMT时进行冲击试验在内的相应防脆断措施，并对不同的材料规定了相应的CVN合格值。

图1　进行防脆断措施判别图

2.2 判定是否进行防脆断措施的调整

上述是否进行防脆断措施的判断并未计及受压元件的某些情况，例如元件一般不至于在满强度时操作。如果元件进行了热处理，其防脆断的性能会有所改善，材料的薄厚会呈现出不同的防脆断性能。冲击试验总是在快速加载条件下完成的，实际上与测定KIC的慢速加载的条件略有不同。由于上述种种情况，标准的制定者对判定方法作出了调整。

2.2.1 计及元件所处应力水平的高低对判断温度的调整

由应力场强度因子KI的表达式可知，元件所处的应力水平的高低直接影响KI的大小。上述是否进行防脆断措施的分析是在元件处于满强度的情况下作出的判定，当元件处于低应力状态时，KI会有所降低，此时元件的防脆断能力会有所改善，也就是判定是否需要进行防脆断措施的MDMT可以调低。规范已经作出了随着应力水平的降低，是否需要进行防脆断措施的判定温度（MDMT）可降低的关系图，见参考文献［1］图UCS－66.1M。图中以元件所需要的厚度与名义厚度之比tr／tn为纵坐标，代表元件所处的应力水平；以温度作为横坐标，表示是否需要进行防脆断措施的判定温度可以降低的数值。

2.2.2 进行非标准中规定的焊后热处理时对判定温度的降低

焊后热处理可以改善元件金属材料的金相组织并降低甚至消除因冷、热加工所引起的残余应力，从而降低元件的应力水平，提高元件的防脆断性能。UCS－68（C）中规定，当规范不要求，实际上却进行了焊后消除应力热处理时，可按照图1对P－No.1材料是否进行防脆断措施的判定温度降低30°F （17℃）。

2.2.3 采用小尺寸试样时对冲击试验的调整

规范在UG－84（c）（5）中规定，凡元件厚度足以允许制作界面为10mm×10mm的标准尺寸试样时，应制作该尺寸的标准试样；当元件厚度大于10mm、应制作的试样宽度不足8mm时，试验温度应比设计时采用的最低设计金属温度（MDMT）低，其所降低的值见表1。

表1　元件厚度对应的温度降低值

当元件厚度小于10mm时，此时能制作的最大V型缺口试样的宽度小于元件厚度的80%。如果材料标准抗拉强度下限小于655MPa，则试验温度应比设计时采用的最低温度（MDMT）低，其所降低的值等于元件实际厚度由表1对应的温度降低值与实际试样宽度由表1对应的温度降低值之差；如果材料的标准抗拉强度下限大于655MPa，则试验温度仍然按设计时采用的最低温度（MDMT）执行，不进行调整。同时规范在UG－84（c）（3）中规定，若制作的冲击试样宽度小于2.5mm，不要求进行冲击试验。

2.2.4 冲击试验和静加载试验加载速度不同的影响

容器在实际操作中与材料在测量KIC时的静加载基本上不存在加载速度的差别，但是用冲击试验测定CVN值的加载速度与测量KIC以及实际操作加载速度有很大的区别。以断裂力学原理来判定是否进行防脆断措施的思路是以材料的临界应力场强度因子KIC来决定的，只是由于测量KIC值既费时又不经济，所以才采用在数值上和KIC值有一定关系的冲击试验CVN值表示。对于高强度钢，加载速度的差别对材料所呈现的防脆断性能差别并不明显，但是对于延性比较好的中、低强度钢，加载速度低时会呈现出比加载速度高时为好的CVN值。所以，对于中、低强度钢，为调整因采用冲击试验所得CVN值与慢加载时所得KIC值之间的差别，应将冲击试验温度适当调高，即提高其CVN值弥补二者之间的差异。规范已经根据材料的屈服强度值列出了试验温度高出最低设计金属温度的值，见表2。

表2　材料屈服强度对应的MDMT

2.3 冲击功的合格值

针对不同的材料，其冲击功合格值也不尽相同，标准在UG－84（C）中规定，对于标准抗拉强度小于655MPa的材料（中、低强度钢），10mm×10mm标准尺寸式样所得的冲击功合格值由参考文献［1］图UG－84.1M确定，小尺寸的非标准试样所得冲击功CVN合格值可由标准尺寸试样的合格冲击功值乘以试样宽度对全尺寸试样宽度（10mm）的比值来计算。

对于高强度钢（抗拉强度大于655MPa），由于其抗脆断的性能较差，容易引起脆性断裂，故ASME标准中不是以夏比（V型缺口）冲击功值（CVN）而是以在冲击断裂后缺口背部处的膨胀值来表征其防脆断性能。标准中明确规定，标准抗拉强度下限大于655MPa的材料，在冲击断裂后其背部的侧向膨胀合格值应按参考文献［1］图UHT－6.1M确定。

3　ASMEⅧ－Ⅱ在防脆断措施上与ASMEⅧ－Ⅰ的比较

总体来说，ASMEⅧ－Ⅱ与ASMEⅧ－Ⅰ相比在防脆断措施上的规定没有大的变化，只是由于许用应力的提高而对材料的防脆断性能提高了要求，并在一些具体规定上略有调整。

3.1 判定是否进行防脆断措施的曲线

在同材料、同厚度的情况下，ASMEⅧ－Ⅱ对免除冲击实验的MDMT有所提高，说明对材料的防脆断性能的要求提高了。此外，把焊后热处理可以改善材料防脆断性能的调整措施直接以两条不同的曲线表示，见参考文献［2］图3.7M和图3.8M。显然，对于同样厚度的同种材料，经过焊后热处理的材料判定免除冲击试验的MDMT较未经焊后热处理的低，说明热处理对改善材料的防脆断性能是有帮助的。

3.2 对低应力状态判定温度的调低

ASMEⅧ－Ⅰ对低应力的下限值固定为0.35（见参考文献［1］图UCS－66.1M），ASMEⅧ－Ⅱ改为0.24，说明材料的许用应力提高后对脆性断裂更为敏感。相应地，如降低其承载应力水平，对防脆断性能的改善也更为直接。对低应力状态免除冲击试验的调整曲线，根据材料屈服强度的不同分别用两根曲线表示，见参考文献［2］图3.12M和图3.13M。

3.3 冲击功合格值的调整

ASMEⅧ－Ⅱ也是根据材料的屈服强度和厚度，用线图表示冲击功的合格值。与上述3.1和3.2相同的是，未经过焊后热处理和经过焊后热处理的情况分别用两组曲线表示，见参考文献［2］图3.3M和图3.4M。根据图中曲线可知，对同样厚度的同种材料，经过焊后热处理者其冲击功合格值低于未经焊后热处理的材料。

4　豁免冲击试验的判定步骤

根据前述，ASME对于材料是否需要进行防脆断措施是采用断裂力学原理进行判定的，但是标准对判定的论述在通用要求、材料、焊接、水压试验等方面都有说明，对某种材料在标准的某一条款中要求做冲击试验，但有可能在其他条款中被免除。也就是说，应进行冲击试验的判定不一定是最终的结果，而豁免冲击试验的判定则是最终的结论。［3］鉴于标准前后引用，条款规定繁多，为便于实际操作，将ASMEⅧ－Ⅰ中对材料的豁免冲击试验判定步骤总结如下：

第一步，直接取得豁免冲击试验的条件。

1）最低设计温度高于50℃时，任何厚度的材料均可豁免冲击试验。

2）采用参考文献［1］图UCS－66曲线A的材料作为金属保留垫板时，若厚度≤6mm，MDMT≥－29℃，可豁免冲击试验。

3）当最低设计金属温度低于－48℃时，只有下面两种情况可豁免冲击试验：

b.按ASMEⅧ－Ⅰ中规定不要求进行热处理而进行了额外热处理的P－No.1组材料，最低设计金属温度比豁免冲击试验的最低温度低0～17℃时，可豁免冲击试验。

4）选择以下标准法兰，在最低设计温度不低于－29℃时可豁免冲击试验：

a.ASME B 16.5。

b.ASME B 16.47。

c.材料为SA－216 Gr.WCB的松式法兰且级别为150LB和300LB。

5）厚度不大于2.5mm的材料，最低设计温度不低于－48℃时可豁免冲击试验。

第二步，按UG－20（f）判定。

第三步，按UCS－66（a）判定。

第四步，按UCS－66（b）判定。

通过以上四步的层层筛选，材料仍然未得到豁免冲击时就必须进行冲击试验。

5 结语

ASME标准采用断裂力学的原理有效防止了材料的脆性断裂，本文仅对碳素钢和低合金钢是否进行豁免冲击判定时标准规定的不同进行总结。要避免容器出现脆性断裂，除按标准中的规定进行判定外，还应对设备的结构、制造要求等进行相关的规定，才能有效防止材料脆性断裂。

注释：

①tr：根据UG－27公式的计算厚度；tn：容器的名义厚度；E：焊接接头系数；C：厚度附加量

参考文献：

［1］ASME锅炉及压力容器委员会.ASME锅炉及压力容器规范：国际性规范Ⅷ－Ⅰ压力容器建造规则［S］.CACI，译.2013版.北京：中国石化出版社，2013.

［2］ASME锅炉及压力容器委员会.ASME锅炉及压力容器规范：国际性规范Ⅷ－Ⅱ压力容器建造另一规则［S］.CACI，译.2013版.北京：中国石化出版社，2013.

［3］丁伯民.ASME压力容器规范分析与应用［M］.北京：化学工业出版社，2009.

（责任编辑 姚虹）

Method，Measure，and Immunity of the ASME Standard for Anti－brittle Fracture Thoughts，Methods and Absolution Steps of ASME Code for Anti－Brittle Fracture

CHENG Tao－tao，HUANG Ming－song

（Henan Chemical Design Institute Branch，Wison Engineering Co.Ltd.，Zhengzhou 450018，China）

Abstract：This paper introduces the general idea and measures of preventing the low temperature brittle fracture in ASME standard，and analyzes the measures；it contrasts the main differences between ASMEⅧ－Ⅰand ASMEⅧ－Ⅱin preventing the low temperature brittle fracture；it lists the specific steps of impact test exemption of ASME.

Key words：low temperature brittle fracture；ASMEⅧ；MDMT；fracture mechanics；impact test exemption

作者简介：程涛涛（1985—），男，河南鲁山人，工学硕士，惠生工程（中国）有限公司河南化工设计院分公司助理工程师，主要从事石油化工压力容器设计工作。

收稿日期：2015－08－16

文章编号：1008－3715（2015）05－0125－04

文献标识码：A

中图分类号：TH49

DOI：10.13783／j.cnki.cn41－1275／g4.2015.05.26