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(新地能源工程技术有限公司， 河北 廊坊 065000)

标准化

GB150-2011与ASMEBPVC.Ⅷ.1-2015在碳钢、低合金钢冷成形受压件成形后热处理方面的差异解析

谷海林，王文书

(新地能源工程技术有限公司， 河北 廊坊 065000)

对GB 150.1～150.4—2011《压力容器》与ASME BPVC.Ⅷ.1—2015《Rules for Construction of Pressure Vessels Division 1》在碳钢、低合金钢冷成形受压件成形后热处理方面的规定进行了详细的对比解释与分析，以期更好地理解标准规范中的要求，并对压力容器设计、制造工作提供一些帮助。

GB 150； ASME Ⅷ.1; 冷成形； 热处理； 比较

GB 150.1～150.4—2011《压力容器》(以下简称GB 150—2011)[1]是国内压力容器设计、制造及检验的核心基础标准，是国内各类容器标准，例如GB/T 151—2014《热交换器》、NB/T 47041—2014《塔式容器》、NB/T 47042—2014《卧式容器》[2-4]的规范性引用文件。美国机械工程师协会(ASME)发布的2015版压力容器建造规则共有3册，分别为ASME Boiler and Pressure Vessel Code 2015 Edition Ⅷ Rules for Construction of Pressure Vessels Division 1(简称ASME BPVC.Ⅷ.1—2015)；Division 2 Alternative Rules；Division 3 Alternative Rules for Construction of High Pressure[5-7]，ASME压力容器规范多年来一直在世界范围内得到了广泛的应用和认可。

GB 150—2011在内容上借鉴和吸收了包括ASME Ⅷ-1在内的国际先进标准，做到了与国际接轨，但同时也保持了中国压力容器设计、制造的特色。笔者在工作中发现二者在碳钢、低合金钢冷成形受压件成形后热处理方面的规定存在一些差异，本文对其进行对比解析，希望能对压力容器设计、制造工作提供一些帮助。

1 碳钢、低合金钢冷成形受压元件成形后是否需进行热处理

碳钢、低合金钢受压元件在冷压成形之后会出现冷作硬化现象，冷作硬化不仅给后续加工生产造成某些不便，更主要的是会对材料的力学性能产生不利影响[8，9]。如果这种影响达到一定程度就需要采取一些手段予以消除，GB 150—2011和ASME BPVC.Ⅷ.1—2015都采用热处理的手段来消除此种不利影响。

GB 150—2011和ASME BPVC.Ⅷ.1—2015都采用变形率(ASME BPVC.Ⅷ.1—2015称之为纤维伸长率)的大小作为衡量冷成形受压件是否需要热处理的主要指标，二者认为当变形率达到一定数值时就需要对受压件进行热处理。GB 150—2011将此种热处理称之为“恢复性能热处理”，ASME BPVC.Ⅷ.1—2015并没有对这种热处理进行单独定义，通称之为“热处理”，但明确要求采用焊后热处理工艺。

2 对碳钢、低合金钢冷成形受压件成形后热处理的规定

GB 150—2011和ASME BPVC.Ⅷ.1—2015在众多的条款规定上有许多的相似之处，但是在一些细节处理上细微的差别也导致了二者在执行起来会有明显的差异。

2.1GB 150—2011

GB 150.4—2011中 8.1条对冷成形受压元件的恢复性能热处理进行了规定，具体规定内容主要如下。

8.1 成形受压元件的恢复性能热处理

8.1.1 钢板冷成形受压元件，当符合下列a)～d)中的任意条件之一，且变形率超过表4的范围(注：按表4碳钢、低合金钢冷成形件变形率控制指标为5%，表4其余内容略)，应于成形后进行相应热处理恢复材料的性能。

a) 盛装毒性为极度或高度危害介质的容器；

b) 图样注明有应力腐蚀的容器；

c) 对碳钢、低合金钢，成形前厚度大于16 mm者；

d) 对碳钢、低合金钢，成形后减薄量大于10%者；

2.2ASME BPVC.Ⅷ.1—2015

ASME BPVC.Ⅷ.1—2015 UCS-79(d)对冷成形受压元件的热处理进行了规定，具体的规定内容如下(括号中的中文译文参考了文献[10]，并且略作了修改)。

UCS-79 FORMING PRESSURE PARTS (受压件成形)

(d) Except when made of P-No. 1, Group Nos. 1 and 2; and P-No. 15E materials, all vessel shell sections, heads, and other pressure parts fabricated by cold forming shall be heat treated subsequently (see UCS-56) when the resulting extreme fiber elongation exceeds 5% from the supplied condition. For P-No. 1, Group Nos. 1 and 2, this subsequent heat treatment is required when the extreme fiber elongation exceeds 40%, or if the extreme fiber elongation exceeds 5% and any of the following conditions exist:(冷成形的所有容器筒节、封头和其他受压元件，除了由P-No.1 Gr. Nos.1、P-No.1 Gr. Nos.2和P-No.15E材料制造以外，当最大纤维伸长率超过5%时，应当随后进行热处理(见UCS-56)。对于P-No.1 Gr. Nos.1和2的材料，当最大纤维伸长率超过40%，或者最大纤维伸长率超过5%且存在以下任一情况时，需要进行热处理：)

(1) The vessel will contain lethal substances either liquid or gaseous (see UW-2).(容器将会贮存致死介质，无论是液体还是气体(见UW-2)。)

(2) The material is not exempt from impact testing by the rules of this Division or impact testing is required by the material specification.(根据本册规则材料不能免除冲击试验，或材料标准要求进行冲击试验。)

(3) The thickness of the part before cold forming exceeds 5/8 in. (16 mm).(冷成形之前零件的厚度超过5/8 in(16 mm)。)

(4) The reduction by cold forming from the as‐rolled thickness is more than 10% at any location where the extreme fiber elongation exceeds 5%.(冷成形后任何最大纤维伸长率超过5%的部位厚度减薄量大于10%。)

(5) The temperature of the material during forming is in the range of 250 ℉ to 900 ℉ (120 ℃to 480 ℃).(材料成形温度范围为250～900 ℉(120～480 ℃)。)

The extreme fiber elongation shall be determined by the equations in Table UG-79-1.(最大纤维伸长率按表UG-79-1中的公式确定。)

3 对比解析

3.1碳钢、低合金钢冷成形受压元件成形后需进行热处理的条件

GB 150—2011和ASME BPVC.Ⅷ.1—2015都采用了通过热处理的方式来消除冷成形对受压件材料性能的影响。对比本文第2条引用条款可以发现，二者在需要进行热处理的条件方面非常相近，即可以认为二者考虑的原则和出发点大体相同，但是一些用词的差异导致了二者执行起来的结果会有明显不同。

3.1.1GB 150—2011

按照GB 150—2011，所有碳钢和低合金钢冷成形受压元件需同时满足两个条件才需要进行热处理，即变形率超过5%且符合8.1.1(a)～(d)中任一条，也就是说变形率大于等于5%和8.1.1 (a)(b)(c)(d)中任一条需同时满足才需要进行热处理，否则不需要。

3.1.2ASME BPVC.Ⅷ.1—2015

按ASME BPVC.Ⅷ.1—2015，对P-No.1 Gr.Nos.1、P-No.1 Gr.Nos.2和P-No. 15E材料(P-No.15E为蠕变强度增强型铁素体钢，与本文讨论主题无关，不作讨论)，如Q345R(根据板厚不同，Q345R材料分组为P-No.1 Gr.Nos.1或2)，冷成形后有两种情况需要进行热处理，其一为最大纤维伸长率超过40%，其二为最大纤维伸长量超过5%且存在UCS 79(d)(1)～(5)中任一情况。

按ASME BPVC.Ⅷ.1—2015，对除了P-No.1 Gr.Nos.1、P-No.1 Gr.Nos.2和 P-No.15E的其它材料，如15CrMoR(15CrMoR材料分组为P-No.4 Gr.Nos.1)，只要最大变形率超过了5%即需要进行热处理。

Q345R和15CrMoR的材料分组可查询ASME Boiler and Pressure Vessel Code 2015 Edition Ⅸ Welding, Brazing, and Fusing Qualifications(简称ASME BPVC.Ⅸ—2015)[11]。

3.1.3比较分析

在碳钢、低合金钢冷成形受压元件成形后需进行热处理的条件方面，ASME BPVC.Ⅷ.1—2015对材料组别进行了区分，对不同组别材料的要求不同，而GB 150—2011则未作区分。

对最常用的P-No.1 Gr.Nos.1及P-No.1 Gr.Nos.2材料，如Q345R, ASME BPVC.Ⅷ.1—2015的规定要严于GB 150—2011。

ASME BPVC.Ⅷ.1—2015规定了两种需要进行热处理的情况，其一为最大纤维伸长率超过40%，其二为最大纤维伸长量超过5%且存在UCS 79(d)(1)～(5)中任一情况。这里的第二种情况与GB 150—2011的规定比较类似，但是第一种情况GB 150—2011中并没有涉及。

对除了P-No.1 Gr.Nos.1、P-No.1 Gr.Nos.2和P-No.15E以外的其他材料，如15CrMoR(材料分组为P-No.4 Gr.Nos.1)，ASME BPVC.Ⅷ.1—2015规定更为严格，只要最大纤维伸长率超过5%就需要热处理，不需要附加任何其他条件。而按GB 150—2011还需要同时满足8.1.1(a)～(d)中任一条才需要热处理。

同时通过对比二者条款也可发现，GB 150—2011考虑了应力腐蚀的影响，参见GB 150—2011 8.1.1(b)，而ASME BPVC.Ⅷ.1—2015在UCS-79中未涉及。ASME BPVC.Ⅷ.1—2015考虑了冲击要求的影响，参见UCS-79(d)(2)，而GB 150—2011中未考虑。

3.1.4举例对比分析

3.1.4.1示例1

某台压力容器，介质非极度或高度危害，无应力腐蚀倾向，其筒节材料为15CrMoR，板材厚度16 mm。筒体成形方式冷成形， 成形后最大减薄率为1%，成形后最大变形率为5.1%。

按照GB 150—2011的规定，由于不满足8.1.1(a)～(d)中的任一条，故筒节成形后不需要进行热处理。

按照ASME BPVC.Ⅷ.1—2015的规定，因其纤维伸长率超过了5%，且15CrMoR的材料分组为P-No.4 Gr.Nos.1，既不是P-No.1 Gr.Nos.1也不是P-No.1 Gr.Nos.2，故筒节成形之后需要进行热处理。

3.1.4.2示例2

某台压力容器，介质非极度或高度危害，无应力腐蚀倾向，其接管材料为SA-106 Gr.B，规格(外径×厚度)为Ø33.4 mm×3.38 mm, 接管为冷弯成形的弯管，成形后最大减薄量为10%，弯管最大变形率为41%。

按照GB 150—2011中的相关规定，由于不满足8.1.1(a)～(d)中任一条，故接管成形后不需要进行热处理。

按ASME BPVC.Ⅷ.1—2015中的相关规定，因最大纤维伸长率超过了40%，故接管成形后需进行热处理。

3.1.4.3示例3

某台压力容器，介质非极度或高度危害，无应力腐蚀倾向，其筒节材料为Q345R，按设计标准规定材料需进行冲击试验，板材厚度16 mm。筒节成形方式冷成形，成形后最大减薄率为1%，成形后最大变形率为5.1%，

按GB 150—2011，由于不满足8.1.1(a)～(d)中任一条，故筒节成形后不需要进行热处理。

按ASME BPVC.Ⅷ.1—2015，虽然板厚为16mm的Q345R材料分组为P-No.1 Gr. Nos.2，但因其最大纤维伸长率超过了5%，且属于UCS-79 (d)(2)的情况，故筒节成形后需进行热处理。

3.1.4.4示例4

某台压力容器，介质非极度或高度危害，非致死介质，介质有应力腐蚀倾向，其筒节材料为SA-516 Gr.70，板材厚度16 mm。筒体成形方式为冷成形，成形后最大减薄率为1%，成形后最大变形率为5.1%，按设计标准规定材料不需进行冲击试验。

查询ASME材料标准ASME Boiler and Pressure Vessel Code 2015 Edition Ⅱ Materials Part A Ferrous Material Specifications(简称ASME BPVC.Ⅱ.A—2015)[12]SA-516及SA-20篇可以知道，材料标准未对SA-516 Gr.70材料提出强制性的冲击试验要求。

按GB 150—2011，由于满足8.1.1(b)条，且变形率超过了5%，故成形后需要进行热处理。

按ASME BPVC.Ⅷ.1—2015，SA-516 Gr.70材料分组为P-No.1 Gr.Nos.2，虽然最大纤维伸长率超过了5%，但不存在UCS-79(d)(1)～(5)条中任一情况，同时其纤维伸长率也未超过40%，故成形后不需进行热处理。

3.2碳钢、低合金钢冷成形受压元件成形后进行热处理的种类

碳钢、低合金钢冷成形受压件成形后会出现冷作硬化现象，冷作硬化对材料性能的影响可以通过随后的热处理加以改善，GB 150—2011和ASME BPVC.Ⅷ.1—2015都对符合限制条件的冷成形受压件提出了热处理要求，但是进行何种热处理，二者的规定有着明显的差异。

3.2.1GB 150—2011

按GB 150.4—2011中8.1条的规定，符合限定条件的受压元件应进行恢复性能热处理，但GB 150—2011并没有给出此种热处理的具体定义，也没有规定具体的热处理要求，进行何种热处理就需要设计或热处理工程师去确定。作为参考，也可以通过 GB 150—2011《压力容器》标准释义[13]和GB 150—2011《压力容器》问题解答及算例[14]去理解恢复性能热处理的含义。

文献[13]对恢复性能热处理的释义为“对于碳素钢、低合金钢进行恢复性能热处理是指进行再结晶温度退火，消除残余应力、应变硬化等不良影响”。

文献[14]问题4-14解释为“对于碳钢和低合金钢恢复材料性能热处理可以和焊后热处理合并为一次，但如果焊后热处理不能完全恢复性能的(如变形量较大)，应在焊制容器前进行恢复性能热处理”。

按照文献[13]和文献[14]的解释，对于一般情况，GB 150—2011的恢复性能热处理应可以采用焊后热处理工艺，这样做的好处是可以和设备的焊后热处理合并执行。对于特殊情况，如文献[14]所提到的变形量较大，则需要设计人员去综合考虑，如采用正火、固溶等热处理工艺。

同时也需要注意，文献[13]和文献[14]在其前言中都已说明二者均为参考文献，不具备法律效力，所以最终热处理工艺制定的合理性需要由设计、热处理工程师或制造单位负责，GB 150—2011并没有给出明确的要求。

3.2.2ASME BPVC.Ⅷ.1—2015

ASME BPVC.Ⅷ.1—2015的规定则比较明确，其规定符合UCS-79(d)限制条件的受压件冷成形后需进行热处理，热处理工艺按UCS-56，即焊后热处理工艺。

3.2.3比较分析

碳钢、低合金钢受压元件冷成形后进行热处理的种类，GB 150—2011要求进行恢复性能热处理，但并没给出明确和清晰的定义和要求。而ASME BPVC.Ⅷ.1—2015则明确要求采用焊后热处理工艺(按UCS-56)，相对来讲比较清晰，可执行性较强。

从ASME BPVC.Ⅷ.1—2015的规定可以看出，其认为按焊后热处理工艺进行的热处理即可将冷成形对材料性能的影响消除到可接受范围，这样当设备本身需要进行焊后热处理时，冷成形受压件成形后的热处理完全可与焊后热处理合并进行，可以减少一次热处理，经济性较好。

3.3碳钢、低合金钢冷成形受压元件成形后热处理是否需要带母材热处理试件

前述已经讨论了碳钢、低合金钢冷成形受压元件成形后进行热处理的条件和热处理的种类，由此可知，任何热处理都会对材料的力学性能产生一定程度的影响。为了验证热处理后的材料性能仍符合标准要求，GB 150—2011和ASME BPVC.Ⅷ.1—2015 都对母材热处理试件(ASME BPVC.Ⅷ.1—2015称之为材料热处理试件)进行了规定，但是二者的差异也比较明显。GB 150—2011的思路是将需要带试件的条件一一列出，见GB 150.4—2011中 9.2.1.1(a),(b),(c)。ASME BPVC.Ⅷ.1—2015则规定所有经过焊后热处理或高于下转变温度的热处理的材料均需带试件，然后给出了一些豁免条款。

关于母材热处理试件的差异，可以参阅《GB 150.1～150.4—2011与ASME Ⅷ-1—2013关于母材热处理试件的差异比较及举例分析》[15]一文作进一步的了解。

4 结语

笔者长期从事压力容器设计和制造工艺编制工作，曾多次按GB 150、 ASME BPVC.Ⅷ.1、ASME BPVC.Ⅷ.2及国内外工程规范进行压力容器设计、产品制造工艺编制的工作。在总结以往经验的基础上形成了本文内容，希望能使读者更好地理解碳钢、低合金钢冷成形受压件成形后热处理的要求，以及GB 150—2011和ASME BPVC.Ⅷ.1—2015在此方面的差异。

[1] GB 150.1～150.4—2011，压力容器[S].

(GB 150.1～150.4—2011， Pressure Vessels [S].)

[2] GB/T 151—2014，热交换器[S].

(GB/T 151—2014， Heat Exchangers [S].)

[3] NB/T 47041—2014，塔式容器[S].

(NB/T 47041—2014， Vertical Vessels Supported by Skirt [S].)

[4] NB/T 47042—2014，卧式容器[S].

(NB/T 47042—2014，Horizontal Vessels on Saddle Supports [S].)

[5] ASME Boiler and Pressure Vessel Code 2015 Edition Ⅷ Rules for Construction of Pressure Vessels Division 1 [S].

[6] ASME Boiler and Pressure Vessel Code 2015 Edition Ⅷ Rules for Construction of Pressure Vessels Division 2 Alternative Rules [S].

[7] ASME Boiler and Pressure Vessel Code 2015 Edition Ⅷ Rules for Construction of Pressure Vessels Division 3 Alternative Rules for Construction of High Pressure[S].

[8] 李世玉. 压力容器设计工程师培训教程[M]. 北京：新华出版社，2005:330-331.

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[11] ASME Boiler and Pressure Vessel Code 2015 Edition Ⅸ Welding, Brazing, and Fusing Qualifications [S].

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[15] 谷海林，赫莉. GB 150—2011与ASME Ⅷ-1—2013关于母材热处理试件的差异比较及举例分析[J].石油化工设备，2016，45(4)：51-57.

(GU Hai-lin，HE Li. Comparison of Base Metal Heat Treatment Specimen by Example between GB 150—2011 and ASME Ⅷ-1—2013 [J]. Petro-chemical Equipment，2016，45(4)：51-57.)

(许编)

ComparisonaboutHeatTreatmentRulesofCarbonandLowAlloySteelsPartsFabricatedbyColdFormingbetweenGB150—2011andASMEBPVC.Ⅷ.1—2015

GUHai-lin，WANGWen-shu

(Xindi Energy Engineering Technology Co. Ltd., Langfang 065000, China)

The difference of heat treatment rules of carbon and low alloy steels parts fabricated by cold forming between GB 150—2011PressureVesseland ASME BPVC.Ⅷ.1—2015RulesforConstructionofPressureVesselsDivision1 was introduced by comparison and example, hopefully which can help the reader to understand the rules better.

GB 150; ASME Ⅷ.1; cold forming; heat treatment; comparison

TQ050.1； T-651； T-652.1

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.01.010

1000-7466(2017)01-0053-05

2016-08-27

谷海林(1983-)，男，辽宁大连人，工程师，学士，从事压力容器设计及生产制造的技术工作。