基于断裂力学的低温容器防脆断设计

2017-04-20桂乐乐寿比南

中国特种设备安全 2017年3期

关键词：韧度屈服低温

桂乐乐寿比南

（中国特种设备检测研究院北京 100029）

基于断裂力学的低温容器防脆断设计

桂乐乐寿比南

（中国特种设备检测研究院北京 100029）

对世界各国低温防脆断设计理念进行了对比，重点介绍了ASME VIII-1、2和EN 13445中防脆断设计的理论背景，提出我国低温压力容器设计的发展思路。

断裂力学低温防脆断 ASME VIII EN 13445 深冷

压力容器用钢在韧脆转变区内随温度降低，断裂韧性急剧下降。因此，低温环境下服役的压力容器在应力远低于屈服强度的情况下也极易发生脆断，进而引发灾难性事故。鉴于此，世界各国的压力容器设计规范均对低温压力容器提出更高的设计要求，来防止低应力脆断事故的发生。目前，我国的压力容器相关规范采用基于使用经验的转变温度法，而欧美规范则基本遵循与断裂力学相关的防脆断低温设计理念，采用线弹性断裂、弹塑性断裂或双判据等失效准则，其基本思想是：假设一个缺陷，在参考应力作用下，基于一定的韧性准则和失效判据对构件在低温下能否安全运行进行评定。影响脆断的因素有：温度、应力、厚度、缺陷和热处理状态等。显然，这种基于断裂力学的防脆断低温设计方法较我国相关标准更加完善和先进。本文针对当前在压力容器设计领域最常用的三类规范：美国ASME VIII-1/2规范、欧盟EN 13445规范以及我国GB 150规范中低温防脆断设计背景展开分析和比较，探讨其技术发展趋势[1-2]。

1 低温的界定

早期的ASME压力容器规范采用以使用经验为基础的转变温度法，并以-30℃作为划分常温和低温容器的界限，只有属于低温容器时才需另加冲击试验。ASME VIII-1一直沿用这一思想至1996年版，我国规范除在低温容器的界定温度值以及冲击功合格值上略有不同外（GB 150和JB 4732低温容器的界定温度值分别为-20℃和0℃），总体上和ASME VIII-1的思想一致。日本JIS B8243规范对低温界限的划分标准为-10℃，德国AD规范对低温界限的划分标准为-10℃，法国CODAP“非直接受压设备设计”规范对低温界限的划分标准为-20℃，英国BS 5500规范对低温界限的划分标准为0℃以下。表1给出了世界上主要压力容器规范中关于低温压力容器的温度界限[3]。

表1 世界各主要压力容器规范中的低温压力容器温度界限

显然，这种基于使用经验的防脆断措施和压力容器的实际情况相差甚远，特别是随着中高强度、高强度钢在压力容器中的广泛应用，强度高、延性差的材料和强度低、延性好的材料在冲击功的显示上可能不相上下，但二者的防脆断能力却很可能相差甚远。因此，采用夏比冲击功作为衡量材料防脆断能力的指标，其不足之处日益暴露。

2 ASME VIII-1防脆断理念

从1989年版起，ASME VIII-1开始引入以线弹性断裂力学为基础的防脆断措施，并根据断裂韧度KIC和V型夏比冲击功之间的关系而在形式上仍以V型夏比冲击功作为合格指标。断裂力学的基本出发点是承认材料或结构中不可避免地存在缺陷，只要控制这些缺陷不发生扩展，则压力容器仍被认为是安全的。线弹性断裂力学引入应力强度因子的概念，给出断裂准则[4]：

式中：

KI——应力强度因子；

σ ——名义应力；

a ——缺陷尺寸；

KIC—— 是材料的断裂韧性。

2.1 失效判据

只有当裂纹尖端满足小范围屈服时线弹性断裂力学方才适用，ASTM E—399《金属材料平面应变断裂韧度的标准测试方法》对此给出了满足裂纹尖端小范围屈服的上限条件[5]：

式中：

βIC——量纲一参数；

t ——元件厚度；

σys——材料屈服强度。

βIC越大，意味着裂纹尖端屈服区加大，材料韧性也越大。当βIC增大到1．5时，则达到所谓的未爆先漏（LBB）。为了防止过于保守，ASME VIII-1采用Corten的建议，给出了元件不发生脆性断裂的判据为[6]：

2.2 断裂韧度与温度关系

ASME VIII-1采用了Oldfield方法，采用式（4）来估算其在温度T下的断裂韧度。值得注意的是，这里的断裂韧度采用的是动态断裂韧度[7]。

式中：

σys——材料的最低屈服强度；

CR=66oF，为常数；

T ——材料最低使用温度；

T0——参考温度。对于ASME VIII-1冲击豁免曲线中的A、B、C、D这4类材料，T0分别为114oF、76oF、38oF和12oF。

KIC与KId之间的温度偏移关系为：

式中：

ΔTS为KIC与KId之间的温度偏移量，根据材料的屈服强度选取不同值：

当36ksi＜σys≤140ksi时，有

当σys＞140ksi时，

式（3）变形可得：

将KId代替KIC代入式（8），保守得到：

式（9）变形可得：

ASME以式（10）为基础导出冲击豁免曲线（即UCS66，见图1），并根据使用经验进行了调整。需要说明的是，由于ASME VIII-1中断裂力学模型的局限性，它并没有考虑焊态及焊后热处理态中残余应力的影响差异。

图1 UCS 66冲击豁免曲线[8]

3 ASME VIII-2防脆断理念

ASME VIII-2中的冲击豁免曲线是应用API 579-1/ASME FFS-1中应力强度因子和裂纹驱动力的参考解，以及利用失效评定图对残余应力进行弹塑性修正等最新的断裂力学原理对UCS66中冲击豁免曲线的理解、更正和升级[9-10]。

3.1 假设缺陷和参考应力

ASEM VIII-2假设了一个椭圆形表面裂纹。该模型源于WRC 175中关于早期射线检测对于缺陷的检测能力而建立的（见图2）。

图2 缺陷模型

对于未经焊后热处理的部件：

对于经过焊后热处理的部件：

3.2 材料的韧性准则

基于FAD的断裂力学方法的韧性比计算如下：

联立上面两式，得到如下表达式：

3.3 断裂韧度与温度关系及豁免曲线的推导

ASME VIII-2规范豁免曲线的推导采用了美国材料性能委员会（MPC）推荐的断裂韧性与温度关系模型。该模型基于两点假设：1）材料强度不随温度变化而改变；2）断裂韧性只与温度、屈服强度有关，给定温度下断裂韧性与屈服强度成正比。该模型有如下形式

值得注意的是，该模型使用的韧性参量也是动态断裂韧性。为了获取静态断裂韧性与温度的关系模型，ASME规范推荐利用温度平移的方法对动态和静态断裂韧性进行关联。

式中：

ΔTS=75oF（42℃）。

将式（19）变形得到，就得到ASME VIII-2中的豁免曲线（见图3）：

图3 ASME VIII-2冲击试验豁免曲线

4 EN 13445的低温防脆断设计

EN 13445的低温设计曲线，源于欧盟主要成员国的相关标准。由于欧盟各成员国在工业基础、技术水平等方面参差不齐，因此其低温设计曲线是在对各国标准的协调和借鉴基础上做出的。早期的低温设计曲线主要参考瑞典标准，但在小于10mm厚度材料的最低使用温度的规定以及不同强度水平的冲击功合格值等方面仍参考英国标准[1，12]。

4.1 假设缺陷和参考应力

EN 13445也假设了一个和ASME VIII-2一样的椭圆形表面裂纹模型，但在尺寸上有所差异：

焊态结构中最大应力用材料的真实屈服强度σys表示：

式（24）中的1．4表示与名义屈服强度相比实测值的分散性：

一次应力：

二次应力：

4.2 材料的韧性准则

EN 13445采用了由Sanz提出的断裂韧度-温度关系模型[13]：

式中：

K0、β——常数，其值分别为和1/60℃；

TD——最低设计温度；

KIC0——某一温度TKIC0时材料的断裂韧度；

ΔT(t)——对厚度的温度补偿。

将式（28）变形得到EN 13445的低温设计曲线。

需要说明，欧盟技术委员会在对比分析各国规范的基础上结合工程经验，对理论模型做了进一步修订。因此，最终出版的低温设计曲线与理论模型存在一定的偏差。

5 我国压力容器规范的低温防脆断设计

GB 150《压力容器》的低温容器防脆断设计主要参照早期的ASME VIII-1的思路，也采用以使用经验为基础的转变温度法，但略为保守地以-20℃作为划分低温容器的温度界限（奥氏体型钢材制低温压力容器的温度界限为-196℃），并针对不同强度级别的材料规定不同的冲击功合格值指标。考虑到低应力工况对防脆断性能的改善，标准同时规定，即便碳素钢和低合金钢制容器的设计温度低于-20℃，但只要当壳体或受压元件实际承受的最大一次薄膜和弯曲应力小于或等于钢材标准常温屈服强度的1/6，且不大于50MPa时，若最低设计温度加50℃（对于不要求焊后热处理的容器，加40℃）后仍然不低于-20℃，除另有规定外，可不必遵循低温容器的相关规范[14]。

JB 4732虽属于按分析设计的规范，但防脆断措施上和GB 150基本相同，仍旧采用以使用经验为基础的转变温度法。和GB 150略有不同的是，JB 4732规定最低设计温度低于0℃的碳钢和低合金钢，都要求在最低设计温度下进行冲击试验[15]。

6 结论

欧美压力容器规范均采用断裂力学的基本原理和方法（其中，ASME VIII与EN 13445采用了基于线弹性断裂力学KIC准则，JIS B8250、BS 5500、CODAP等采用弹塑性断裂力学COD准则），并综合考虑了材料的组别、应力水平、材料厚度等因素来判别是否需要进行夏比冲击验证试验以及试验温度。我国在压力容器规范上沿用ASME系统，但在低温防脆断设计思想上仍停留在早期的以使用经验为基础的转变温度法，与现行的ASME VIII的设计理念存在较大差距。基于此，国家重点研发计划项目“高参数承压类特种设备风险防控与治理关键技术研究”（项目编号：2016YFC0801900）专门在课题2中设立子任务03：“基于断裂力学的低温压力容器防脆断设计技术研究”（任务编号：2016YFC0801902-03）。该任务以深冷压力容器典型材料为研究对象，通过分析、对比、借鉴欧美低温压力容器防脆断设计理念，结合国产低温材料的产品特性和工程实践，推导我国低温压力容器典型材料的低温设计曲线。

[1] 崔庆丰，王昊，王仁荣，等．欧美规范中低温设计曲线的由来[J]．中国特种设备安全，2013，29（11）：73-79．

[2] 阮黎祥．国内外关于低温压力容器设计理念的比较[J]．压力容器，2012，29（8）：22-25+54．

[3] 丁伯民．各有关规范防脆断措施的比较和合理性分析[J]．化工设备设计，1997，34：8-18

[4] 王友杰，朱红松，翟金国．ASME VIII-1-2013防脆性断裂理论背景介绍[J]．石油化工设备，2015，44（4）：57-61．

[5] ASTM E-399-1990 Standard Test Method for Plane-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials[S].

[6] Corten HT. Fracture Toughness Considerations Underpinning New Toughness Rulesin Section VIII, Division 1[G]. WRC Bulletin 528 annex A.

[7] Oldfield W．Development of Fracture Toughness Reference Curves[J]．Journal of Engineering Materials and Technology，1980，102：107-117．

[8] ASME VIII-1-2013 Rules for Construction of Pressure Vessels[S].

[9] David A. Osage, Martin Prager. Technical Basis of Material Toughness Requirements in the ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Division 2. Journal of Pressure Vessel Technology，2012，134：031001-1+13.

[10] ASME VIII-2-2013 Rules for Construction of Pressure Vessels[S].

[11] API 579-1/ASME FFS-1, 2007, Fitness-For-Service, American Society of Mechanical Engineers, New York.

[12] EN 13445:2009 Unifired Pressure Vessels[S].

[13] Sanz G.Attempts to introduce a quantitative method of choosing steel quality with reference to the risk of brittle fracture. Rev Metall CIT 1980，77：621-42．

[14] GB 150—2011 压力容器[S].

[15] JB 4732—2005 钢制压力容器-分析设计标准[S].

[国家重点研发计划项目：2016YFC0801902]

Fracture Mechanics Based Brittle Fracture-resisting Design for Low Temperature Vessels

Gui Lele Shou Binan
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

The low temperature brittle fracture-resisting design ideas of various countries are compared, theoretical backgrounds of brittle fracture-resisting design in ASME VIII-1,2 and EN 13445 are especially introduced, and the development ideas of low temperature pressure vessel of China are also proposed.

Fracture mechanics Low temperature brittle fracture-resisting ASME VIII EN 13445 Cryogenic