GB 150-2011與ASME BPVC.Ⅷ.1-2015在碳鋼、低合金鋼冷成形受壓件成形后熱處理方面的差異解析

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(新地能源工程技術(shù)有限公司， 河北 廊坊 065000)

標(biāo)準(zhǔn)化

GB150-2011與ASMEBPVC.Ⅷ.1-2015在碳鋼、低合金鋼冷成形受壓件成形后熱處理方面的差異解析

谷海林，王文書

(新地能源工程技術(shù)有限公司， 河北 廊坊 065000)

對GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》與ASME BPVC.Ⅷ.1—2015《Rules for Construction of Pressure Vessels Division 1》在碳鋼、低合金鋼冷成形受壓件成形后熱處理方面的規(guī)定進行了詳細(xì)的對比解釋與分析，以期更好地理解標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的要求，并對壓力容器設(shè)計、制造工作提供一些幫助。

GB 150； ASME Ⅷ.1; 冷成形； 熱處理； 比較

GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》(以下簡稱GB 150—2011)[1]是國內(nèi)壓力容器設(shè)計、制造及檢驗的核心基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，是國內(nèi)各類容器標(biāo)準(zhǔn)，例如GB/T 151—2014《熱交換器》、NB/T 47041—2014《塔式容器》、NB/T 47042—2014《臥式容器》[2-4]的規(guī)范性引用文件。美國機械工程師協(xié)會(ASME)發(fā)布的2015版壓力容器建造規(guī)則共有3冊，分別為ASME Boiler and Pressure Vessel Code 2015 Edition Ⅷ Rules for Construction of Pressure Vessels Division 1(簡稱ASME BPVC.Ⅷ.1—2015)；Division 2 Alternative Rules；Division 3 Alternative Rules for Construction of High Pressure[5-7]，ASME壓力容器規(guī)范多年來一直在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。

GB 150—2011在內(nèi)容上借鑒和吸收了包括ASME Ⅷ-1在內(nèi)的國際先進標(biāo)準(zhǔn)，做到了與國際接軌，但同時也保持了中國壓力容器設(shè)計、制造的特色。筆者在工作中發(fā)現(xiàn)二者在碳鋼、低合金鋼冷成形受壓件成形后熱處理方面的規(guī)定存在一些差異，本文對其進行對比解析，希望能對壓力容器設(shè)計、制造工作提供一些幫助。

1 碳鋼、低合金鋼冷成形受壓元件成形后是否需進行熱處理

碳鋼、低合金鋼受壓元件在冷壓成形之后會出現(xiàn)冷作硬化現(xiàn)象，冷作硬化不僅給后續(xù)加工生產(chǎn)造成某些不便，更主要的是會對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響[8，9]。如果這種影響達(dá)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都采用熱處理的手段來消除此種不利影響。

GB 150—2011和ASME BPVC.Ⅷ.1—2015都采用變形率(ASME BPVC.Ⅷ.1—2015稱之為纖維伸長率)的大小作為衡量冷成形受壓件是否需要熱處理的主要指標(biāo)，二者認(rèn)為當(dāng)變形率達(dá)到一定數(shù)值時就需要對受壓件進行熱處理。GB 150—2011將此種熱處理稱之為“恢復(fù)性能熱處理”，ASME BPVC.Ⅷ.1—2015并沒有對這種熱處理進行單獨定義，通稱之為“熱處理”，但明確要求采用焊后熱處理工藝。

2 對碳鋼、低合金鋼冷成形受壓件成形后熱處理的規(guī)定

GB 150—2011和ASME BPVC.Ⅷ.1—2015在眾多的條款規(guī)定上有許多的相似之處，但是在一些細(xì)節(jié)處理上細(xì)微的差別也導(dǎo)致了二者在執(zhí)行起來會有明顯的差異。

2.1GB 150—2011

GB 150.4—2011中 8.1條對冷成形受壓元件的恢復(fù)性能熱處理進行了規(guī)定，具體規(guī)定內(nèi)容主要如下。

8.1 成形受壓元件的恢復(fù)性能熱處理

8.1.1 鋼板冷成形受壓元件，當(dāng)符合下列a)～d)中的任意條件之一，且變形率超過表4的范圍(注：按表4碳鋼、低合金鋼冷成形件變形率控制指標(biāo)為5%，表4其余內(nèi)容略)，應(yīng)于成形后進行相應(yīng)熱處理恢復(fù)材料的性能。

a) 盛裝毒性為極度或高度危害介質(zhì)的容器；

b) 圖樣注明有應(yīng)力腐蝕的容器；

c) 對碳鋼、低合金鋼，成形前厚度大于16 mm者；

d) 對碳鋼、低合金鋼，成形后減薄量大于10%者；

2.2ASME BPVC.Ⅷ.1—2015

ASME BPVC.Ⅷ.1—2015 UCS-79(d)對冷成形受壓元件的熱處理進行了規(guī)定，具體的規(guī)定內(nèi)容如下(括號中的中文譯文參考了文獻[10]，并且略作了修改)。

UCS-79 FORMING PRESSURE PARTS (受壓件成形)

(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節(jié)、封頭和其他受壓元件，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，當(dāng)最大纖維伸長率超過5%時，應(yīng)當(dāng)隨后進行熱處理(見UCS-56)。對于P-No.1 Gr. Nos.1和2的材料，當(dāng)最大纖維伸長率超過40%，或者最大纖維伸長率超過5%且存在以下任一情況時，需要進行熱處理：)

(1) The vessel will contain lethal substances either liquid or gaseous (see UW-2).(容器將會貯存致死介質(zhì)，無論是液體還是氣體(見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.(根據(jù)本冊規(guī)則材料不能免除沖擊試驗，或材料標(biāo)準(zhǔn)要求進行沖擊試驗。)

(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過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%.(冷成形后任何最大纖維伸長率超過5%的部位厚度減薄量大于10%。)

(5) The temperature of the material during forming is in the range of 250 ℉ to 900 ℉ (120 ℃to 480 ℃).(材料成形溫度范圍為250～900 ℉(120～480 ℃)。)

The extreme fiber elongation shall be determined by the equations in Table UG-79-1.(最大纖維伸長率按表UG-79-1中的公式確定。)

3 對比解析

3.1碳鋼、低合金鋼冷成形受壓元件成形后需進行熱處理的條件

GB 150—2011和ASME BPVC.Ⅷ.1—2015都采用了通過熱處理的方式來消除冷成形對受壓件材料性能的影響。對比本文第2條引用條款可以發(fā)現(xiàn)，二者在需要進行熱處理的條件方面非常相近，即可以認(rèn)為二者考慮的原則和出發(fā)點大體相同，但是一些用詞的差異導(dǎo)致了二者執(zhí)行起來的結(jié)果會有明顯不同。

3.1.1GB 150—2011

按照GB 150—2011，所有碳鋼和低合金鋼冷成形受壓元件需同時滿足兩個條件才需要進行熱處理，即變形率超過5%且符合8.1.1(a)～(d)中任一條，也就是說變形率大于等于5%和8.1.1 (a)(b)(c)(d)中任一條需同時滿足才需要進行熱處理，否則不需要。

3.1.2ASME BPVC.Ⅷ.1—2015

按ASME BPVC.Ⅷ.1—2015，對P-No.1 Gr.Nos.1、P-No.1 Gr.Nos.2和P-No. 15E材料(P-No.15E為蠕變強度增強型鐵素體鋼，與本文討論主題無關(guān)，不作討論)，如Q345R(根據(jù)板厚不同，Q345R材料分組為P-No.1 Gr.Nos.1或2)，冷成形后有兩種情況需要進行熱處理，其一為最大纖維伸長率超過40%，其二為最大纖維伸長量超過5%且存在UCS 79(d)(1)～(5)中任一情況。

按ASME BPVC.Ⅷ.1—2015，對除了P-No.1 Gr.Nos.1、P-No.1 Gr.Nos.2和 P-No.15E的其它材料，如15CrMoR(15CrMoR材料分組為P-No.4 Gr.Nos.1)，只要最大變形率超過了5%即需要進行熱處理。

Q345R和15CrMoR的材料分組可查詢ASME Boiler and Pressure Vessel Code 2015 Edition Ⅸ Welding, Brazing, and Fusing Qualifications(簡稱ASME BPVC.Ⅸ—2015)[11]。

3.1.3比較分析

在碳鋼、低合金鋼冷成形受壓元件成形后需進行熱處理的條件方面，ASME BPVC.Ⅷ.1—2015對材料組別進行了區(qū)分，對不同組別材料的要求不同，而GB 150—2011則未作區(qū)分。

對最常用的P-No.1 Gr.Nos.1及P-No.1 Gr.Nos.2材料，如Q345R, ASME BPVC.Ⅷ.1—2015的規(guī)定要嚴(yán)于GB 150—2011。

ASME BPVC.Ⅷ.1—2015規(guī)定了兩種需要進行熱處理的情況，其一為最大纖維伸長率超過40%，其二為最大纖維伸長量超過5%且存在UCS 79(d)(1)～(5)中任一情況。這里的第二種情況與GB 150—2011的規(guī)定比較類似，但是第一種情況GB 150—2011中并沒有涉及。

對除了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(材料分組為P-No.4 Gr.Nos.1)，ASME BPVC.Ⅷ.1—2015規(guī)定更為嚴(yán)格，只要最大纖維伸長率超過5%就需要熱處理，不需要附加任何其他條件。而按GB 150—2011還需要同時滿足8.1.1(a)～(d)中任一條才需要熱處理。

同時通過對比二者條款也可發(fā)現(xiàn)，GB 150—2011考慮了應(yīng)力腐蝕的影響，參見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考慮了沖擊要求的影響，參見UCS-79(d)(2)，而GB 150—2011中未考慮。

3.1.4舉例對比分析

3.1.4.1示例1

某臺壓力容器，介質(zhì)非極度或高度危害，無應(yīng)力腐蝕傾向，其筒節(jié)材料為15CrMoR，板材厚度16 mm。筒體成形方式冷成形， 成形后最大減薄率為1%，成形后最大變形率為5.1%。

按照GB 150—2011的規(guī)定，由于不滿足8.1.1(a)～(d)中的任一條，故筒節(jié)成形后不需要進行熱處理。

按照ASME BPVC.Ⅷ.1—2015的規(guī)定，因其纖維伸長率超過了5%，且15CrMoR的材料分組為P-No.4 Gr.Nos.1，既不是P-No.1 Gr.Nos.1也不是P-No.1 Gr.Nos.2，故筒節(jié)成形之后需要進行熱處理。

3.1.4.2示例2

某臺壓力容器，介質(zhì)非極度或高度危害，無應(yīng)力腐蝕傾向，其接管材料為SA-106 Gr.B，規(guī)格(外徑×厚度)為?33.4 mm×3.38 mm, 接管為冷彎成形的彎管，成形后最大減薄量為10%，彎管最大變形率為41%。

按照GB 150—2011中的相關(guān)規(guī)定，由于不滿足8.1.1(a)～(d)中任一條，故接管成形后不需要進行熱處理。

按ASME BPVC.Ⅷ.1—2015中的相關(guān)規(guī)定，因最大纖維伸長率超過了40%，故接管成形后需進行熱處理。

3.1.4.3示例3

某臺壓力容器，介質(zhì)非極度或高度危害，無應(yīng)力腐蝕傾向，其筒節(jié)材料為Q345R，按設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定材料需進行沖擊試驗，板材厚度16 mm。筒節(jié)成形方式冷成形，成形后最大減薄率為1%，成形后最大變形率為5.1%，

按GB 150—2011，由于不滿足8.1.1(a)～(d)中任一條，故筒節(jié)成形后不需要進行熱處理。

按ASME BPVC.Ⅷ.1—2015，雖然板厚為16mm的Q345R材料分組為P-No.1 Gr. Nos.2，但因其最大纖維伸長率超過了5%，且屬于UCS-79 (d)(2)的情況，故筒節(jié)成形后需進行熱處理。

3.1.4.4示例4

某臺壓力容器，介質(zhì)非極度或高度危害，非致死介質(zhì)，介質(zhì)有應(yīng)力腐蝕傾向，其筒節(jié)材料為SA-516 Gr.70，板材厚度16 mm。筒體成形方式為冷成形，成形后最大減薄率為1%，成形后最大變形率為5.1%，按設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定材料不需進行沖擊試驗。

查詢ASME材料標(biāo)準(zhǔn)ASME Boiler and Pressure Vessel Code 2015 Edition Ⅱ Materials Part A Ferrous Material Specifications(簡稱ASME BPVC.Ⅱ.A—2015)[12]SA-516及SA-20篇可以知道，材料標(biāo)準(zhǔn)未對SA-516 Gr.70材料提出強制性的沖擊試驗要求。

按GB 150—2011，由于滿足8.1.1(b)條，且變形率超過了5%，故成形后需要進行熱處理。

按ASME BPVC.Ⅷ.1—2015，SA-516 Gr.70材料分組為P-No.1 Gr.Nos.2，雖然最大纖維伸長率超過了5%，但不存在UCS-79(d)(1)～(5)條中任一情況，同時其纖維伸長率也未超過40%，故成形后不需進行熱處理。

3.2碳鋼、低合金鋼冷成形受壓元件成形后進行熱處理的種類

碳鋼、低合金鋼冷成形受壓件成形后會出現(xiàn)冷作硬化現(xiàn)象，冷作硬化對材料性能的影響可以通過隨后的熱處理加以改善，GB 150—2011和ASME BPVC.Ⅷ.1—2015都對符合限制條件的冷成形受壓件提出了熱處理要求，但是進行何種熱處理，二者的規(guī)定有著明顯的差異。

3.2.1GB 150—2011

按GB 150.4—2011中8.1條的規(guī)定，符合限定條件的受壓元件應(yīng)進行恢復(fù)性能熱處理，但GB 150—2011并沒有給出此種熱處理的具體定義，也沒有規(guī)定具體的熱處理要求，進行何種熱處理就需要設(shè)計或熱處理工程師去確定。作為參考，也可以通過 GB 150—2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)釋義[13]和GB 150—2011《壓力容器》問題解答及算例[14]去理解恢復(fù)性能熱處理的含義。

文獻[13]對恢復(fù)性能熱處理的釋義為“對于碳素鋼、低合金鋼進行恢復(fù)性能熱處理是指進行再結(jié)晶溫度退火，消除殘余應(yīng)力、應(yīng)變硬化等不良影響”。

文獻[14]問題4-14解釋為“對于碳鋼和低合金鋼恢復(fù)材料性能熱處理可以和焊后熱處理合并為一次，但如果焊后熱處理不能完全恢復(fù)性能的(如變形量較大)，應(yīng)在焊制容器前進行恢復(fù)性能熱處理”。

按照文獻[13]和文獻[14]的解釋，對于一般情況，GB 150—2011的恢復(fù)性能熱處理應(yīng)可以采用焊后熱處理工藝，這樣做的好處是可以和設(shè)備的焊后熱處理合并執(zhí)行。對于特殊情況，如文獻[14]所提到的變形量較大，則需要設(shè)計人員去綜合考慮，如采用正火、固溶等熱處理工藝。

同時也需要注意，文獻[13]和文獻[14]在其前言中都已說明二者均為參考文獻，不具備法律效力，所以最終熱處理工藝制定的合理性需要由設(shè)計、熱處理工程師或制造單位負(fù)責(zé)，GB 150—2011并沒有給出明確的要求。

3.2.2ASME BPVC.Ⅷ.1—2015

ASME BPVC.Ⅷ.1—2015的規(guī)定則比較明確，其規(guī)定符合UCS-79(d)限制條件的受壓件冷成形后需進行熱處理，熱處理工藝按UCS-56，即焊后熱處理工藝。

3.2.3比較分析

碳鋼、低合金鋼受壓元件冷成形后進行熱處理的種類，GB 150—2011要求進行恢復(fù)性能熱處理，但并沒給出明確和清晰的定義和要求。而ASME BPVC.Ⅷ.1—2015則明確要求采用焊后熱處理工藝(按UCS-56)，相對來講比較清晰，可執(zhí)行性較強。

從ASME BPVC.Ⅷ.1—2015的規(guī)定可以看出，其認(rèn)為按焊后熱處理工藝進行的熱處理即可將冷成形對材料性能的影響消除到可接受范圍，這樣當(dāng)設(shè)備本身需要進行焊后熱處理時，冷成形受壓件成形后的熱處理完全可與焊后熱處理合并進行，可以減少一次熱處理，經(jīng)濟性較好。

3.3碳鋼、低合金鋼冷成形受壓元件成形后熱處理是否需要帶母材熱處理試件

前述已經(jīng)討論了碳鋼、低合金鋼冷成形受壓元件成形后進行熱處理的條件和熱處理的種類，由此可知，任何熱處理都會對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生一定程度的影響。為了驗證熱處理后的材料性能仍符合標(biāo)準(zhǔn)要求，GB 150—2011和ASME BPVC.Ⅷ.1—2015 都對母材熱處理試件(ASME BPVC.Ⅷ.1—2015稱之為材料熱處理試件)進行了規(guī)定，但是二者的差異也比較明顯。GB 150—2011的思路是將需要帶試件的條件一一列出，見GB 150.4—2011中 9.2.1.1(a),(b),(c)。ASME BPVC.Ⅷ.1—2015則規(guī)定所有經(jīng)過焊后熱處理或高于下轉(zhuǎn)變溫度的熱處理的材料均需帶試件，然后給出了一些豁免條款。

關(guān)于母材熱處理試件的差異，可以參閱《GB 150.1～150.4—2011與ASME Ⅷ-1—2013關(guān)于母材熱處理試件的差異比較及舉例分析》[15]一文作進一步的了解。

4 結(jié)語

筆者長期從事壓力容器設(shè)計和制造工藝編制工作，曾多次按GB 150、 ASME BPVC.Ⅷ.1、ASME BPVC.Ⅷ.2及國內(nèi)外工程規(guī)范進行壓力容器設(shè)計、產(chǎn)品制造工藝編制的工作。在總結(jié)以往經(jīng)驗的基礎(chǔ)上形成了本文內(nèi)容，希望能使讀者更好地理解碳鋼、低合金鋼冷成形受壓件成形后熱處理的要求，以及GB 150—2011和ASME BPVC.Ⅷ.1—2015在此方面的差異。

[1] GB 150.1～150.4—2011，壓力容器[S].

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

[2] GB/T 151—2014，熱交換器[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，臥式容器[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. 壓力容器設(shè)計工程師培訓(xùn)教程[M]. 北京：新華出版社，2005:330-331.

(LI Shi-yu. Pressure Vessel Design Engineer Training Course [M]. Beijing: Xinhua Press，2005:330-331.)

[9] 葉文幫，張建榮，曹文輝，等. 壓力容器設(shè)計指導(dǎo)手冊[M]. 昆明：云南科技出版社，2006： 152-153.

(YE Wen-bang，ZHANG Jian-rong，CAO Wen-hui，et al. Pressure Vessel Design Guiding Manual [M]. Kunming：Yunnan Science & Technology Press，2006: 152-153.)

[10] 中石協(xié)ASME規(guī)范產(chǎn)品專業(yè)委員會(CACI). ASME BPVC.Ⅷ.1—2013譯文[M]. 北京：中國石化出版社，2014.

(China Cooperation Network of ASME Code Items. Translation of ASME BPVC.Ⅷ.1—2013 [M]. Beijing：China Petrochemical Press Co. Ltd.，2014.)

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

[12] ASME Boiler and Pressure Vessel Code 2015 Edition Ⅱ MaterialsPart AFerrous Material Specifications [S].

[13] 壽比南，楊國義，徐鋒，等. GB 150—2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)釋義[M]. 北京：新華出版社，2012：234-236.

(SHOU Bi-nan，YANG Guo-yi，XU Feng， et al. GB 150—2011 Pressure Vessels Interpretations [M]. Beijing: Xinhua Press，2012: 234-236.)

[14] 陳朝暉，徐鋒，楊國義. GB 150—2011《壓力容器》問題解答及算例[M]. 北京：新華出版社，2012：45-46.

(CHEN Zhao-hui，XU Feng，YANG Guo-yi. GB 150—2011 Pressure Vessels Question Answered and Calculation Example [M]. Beijing: Xinhua Press，2012: 45-46.)

[15] 谷海林，赫莉. GB 150—2011與ASME Ⅷ-1—2013關(guān)于母材熱處理試件的差異比較及舉例分析[J].石油化工設(shè)備，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.)

(許編)

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，遼寧大連人，工程師，學(xué)士，從事壓力容器設(shè)計及生產(chǎn)制造的技術(shù)工作。