基于斷裂力學(xué)的低溫容器防脆斷設(shè)計(jì)

桂樂樂 壽比南

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

基于斷裂力學(xué)的低溫容器防脆斷設(shè)計(jì)

桂樂樂 壽比南

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

對(duì)世界各國(guó)低溫防脆斷設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了對(duì)比，重點(diǎn)介紹了ASME VIII-1、2和EN 13445中防脆斷設(shè)計(jì)的理論背景，提出我國(guó)低溫壓力容器設(shè)計(jì)的發(fā)展思路。

斷裂力學(xué) 低溫防脆斷 ASME VIII EN 13445 深冷

壓力容器用鋼在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)隨溫度降低，斷裂韌性急劇下降。因此，低溫環(huán)境下服役的壓力容器在應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度的情況下也極易發(fā)生脆斷，進(jìn)而引發(fā)災(zāi)難性事故。鑒于此，世界各國(guó)的壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范均對(duì)低溫壓力容器提出更高的設(shè)計(jì)要求，來防止低應(yīng)力脆斷事故的發(fā)生。目前，我國(guó)的壓力容器相關(guān)規(guī)范采用基于使用經(jīng)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變溫度法，而歐美規(guī)范則基本遵循與斷裂力學(xué)相關(guān)的防脆斷低溫設(shè)計(jì)理念，采用線彈性斷裂、彈塑性斷裂或雙判據(jù)等失效準(zhǔn)則，其基本思想是：假設(shè)一個(gè)缺陷，在參考應(yīng)力作用下，基于一定的韌性準(zhǔn)則和失效判據(jù)對(duì)構(gòu)件在低溫下能否安全運(yùn)行進(jìn)行評(píng)定。影響脆斷的因素有：溫度、應(yīng)力、厚度、缺陷和熱處理狀態(tài)等。顯然，這種基于斷裂力學(xué)的防脆斷低溫設(shè)計(jì)方法較我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)更加完善和先進(jìn)。本文針對(duì)當(dāng)前在壓力容器設(shè)計(jì)領(lǐng)域最常用的三類規(guī)范：美國(guó)ASME VIII-1/2規(guī)范、歐盟EN 13445規(guī)范以及我國(guó)GB 150規(guī)范中低溫防脆斷設(shè)計(jì)背景展開分析和比較，探討其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。

1 低溫的界定

早期的ASME壓力容器規(guī)范采用以使用經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)變溫度法，并以-30℃作為劃分常溫和低溫容器的界限，只有屬于低溫容器時(shí)才需另加沖擊試驗(yàn)。ASME VIII-1一直沿用這一思想至1996年版，我國(guó)規(guī)范除在低溫容器的界定溫度值以及沖擊功合格值上略有不同外（GB 150和JB 4732低溫容器的界定溫度值分別為-20℃和0℃），總體上和ASME VIII-1的思想一致。日本JIS B8243規(guī)范對(duì)低溫界限的劃分標(biāo)準(zhǔn)為-10℃，德國(guó)AD規(guī)范對(duì)低溫界限的劃分標(biāo)準(zhǔn)為-10℃，法國(guó)CODAP“非直接受壓設(shè)備設(shè)計(jì)”規(guī)范對(duì)低溫界限的劃分標(biāo)準(zhǔn)為-20℃，英國(guó)BS 5500規(guī)范對(duì)低溫界限的劃分標(biāo)準(zhǔn)為0℃以下。表1給出了世界上主要壓力容器規(guī)范中關(guān)于低溫壓力容器的溫度界限[3]。

表1 世界各主要壓力容器規(guī)范中的低溫壓力容器溫度界限

顯然，這種基于使用經(jīng)驗(yàn)的防脆斷措施和壓力容器的實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)，特別是隨著中高強(qiáng)度、高強(qiáng)度鋼在壓力容器中的廣泛應(yīng)用，強(qiáng)度高、延性差的材料和強(qiáng)度低、延性好的材料在沖擊功的顯示上可能不相上下，但二者的防脆斷能力卻很可能相差甚遠(yuǎn)。因此，采用夏比沖擊功作為衡量材料防脆斷能力的指標(biāo)，其不足之處日益暴露。

2 ASME VIII-1防脆斷理念

從1989年版起，ASME VIII-1開始引入以線彈性斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的防脆斷措施，并根據(jù)斷裂韌度KIC和V型夏比沖擊功之間的關(guān)系而在形式上仍以V型夏比沖擊功作為合格指標(biāo)。斷裂力學(xué)的基本出發(fā)點(diǎn)是承認(rèn)材料或結(jié)構(gòu)中不可避免地存在缺陷，只要控制這些缺陷不發(fā)生擴(kuò)展，則壓力容器仍被認(rèn)為是安全的。線彈性斷裂力學(xué)引入應(yīng)力強(qiáng)度因子的概念，給出斷裂準(zhǔn)則[4]：

式中：

KI——應(yīng)力強(qiáng)度因子；

σ ——名義應(yīng)力；

a ——缺陷尺寸；

KIC—— 是材料的斷裂韌性。

2.1 失效判據(jù)

只有當(dāng)裂紋尖端滿足小范圍屈服時(shí)線彈性斷裂力學(xué)方才適用，ASTM E—399《金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》對(duì)此給出了滿足裂紋尖端小范圍屈服的上限條件[5]：

式中：

βIC——量綱一參數(shù)；

t ——元件厚度；

σys——材料屈服強(qiáng)度。

βIC越大，意味著裂紋尖端屈服區(qū)加大，材料韌性也越大。當(dāng)βIC增大到1．5時(shí)，則達(dá)到所謂的未爆先漏（LBB）。為了防止過于保守，ASME VIII-1采用Corten的建議，給出了元件不發(fā)生脆性斷裂的判據(jù)為[6]：

2.2 斷裂韌度與溫度關(guān)系

ASME VIII-1采用了Oldfield方法，采用式（4）來估算其在溫度T下的斷裂韌度。值得注意的是，這里的斷裂韌度采用的是動(dòng)態(tài)斷裂韌度[7]。

式中：

σys——材料的最低屈服強(qiáng)度；

CR=66oF，為常數(shù)；

T ——材料最低使用溫度；

T0——參考溫度。對(duì)于ASME VIII-1沖擊豁免曲線中的A、B、C、D這4類材料，T0分別為114oF、76oF、38oF和12oF。

KIC與KId之間的溫度偏移關(guān)系為：

式中：

ΔTS為KIC與KId之間的溫度偏移量，根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度選取不同值：

當(dāng)36ksi＜σys≤140ksi時(shí)，有

當(dāng)σys＞140ksi時(shí)，

式（3）變形可得：

將KId代替KIC代入式（8），保守得到：

式（9）變形可得：

ASME以式（10）為基礎(chǔ)導(dǎo)出沖擊豁免曲線（即UCS66，見圖1），并根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了調(diào)整。需要說明的是，由于ASME VIII-1中斷裂力學(xué)模型的局限性，它并沒有考慮焊態(tài)及焊后熱處理態(tài)中殘余應(yīng)力的影響差異。

圖1 UCS 66沖擊豁免曲線[8]

3 ASME VIII-2防脆斷理念

ASME VIII-2中的沖擊豁免曲線是應(yīng)用API 579-1/ASME FFS-1中應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋驅(qū)動(dòng)力的參考解，以及利用失效評(píng)定圖對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行彈塑性修正等最新的斷裂力學(xué)原理對(duì)UCS66中沖擊豁免曲線的理解、更正和升級(jí)[9-10]。

3.1 假設(shè)缺陷和參考應(yīng)力

ASEM VIII-2假設(shè)了一個(gè)橢圓形表面裂紋。該模型源于WRC 175中關(guān)于早期射線檢測(cè)對(duì)于缺陷的檢測(cè)能力而建立的（見圖2）。

圖2 缺陷模型

對(duì)于未經(jīng)焊后熱處理的部件：

對(duì)于經(jīng)過焊后熱處理的部件：

3.2 材料的韌性準(zhǔn)則

基于FAD的斷裂力學(xué)方法的韌性比計(jì)算如下：

聯(lián)立上面兩式，得到如下表達(dá)式：

3.3 斷裂韌度與溫度關(guān)系及豁免曲線的推導(dǎo)

ASME VIII-2規(guī)范豁免曲線的推導(dǎo)采用了美國(guó)材料性能委員會(huì)（MPC）推薦的斷裂韌性與溫度關(guān)系模型。該模型基于兩點(diǎn)假設(shè)：1）材料強(qiáng)度不隨溫度變化而改變；2）斷裂韌性只與溫度、屈服強(qiáng)度有關(guān)，給定溫度下斷裂韌性與屈服強(qiáng)度成正比。該模型有如下形式

值得注意的是，該模型使用的韌性參量也是動(dòng)態(tài)斷裂韌性。為了獲取靜態(tài)斷裂韌性與溫度的關(guān)系模型，ASME規(guī)范推薦利用溫度平移的方法對(duì)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)斷裂韌性進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

式中：

ΔTS=75oF（42℃）。

將式（19）變形得到，就得到ASME VIII-2中的豁免曲線（見圖3）：

圖3 ASME VIII-2沖擊試驗(yàn)豁免曲線

4 EN 13445的低溫防脆斷設(shè)計(jì)

EN 13445的低溫設(shè)計(jì)曲線，源于歐盟主要成員國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。由于歐盟各成員國(guó)在工業(yè)基礎(chǔ)、技術(shù)水平等方面參差不齊，因此其低溫設(shè)計(jì)曲線是在對(duì)各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)和借鑒基礎(chǔ)上做出的。早期的低溫設(shè)計(jì)曲線主要參考瑞典標(biāo)準(zhǔn)，但在小于10mm厚度材料的最低使用溫度的規(guī)定以及不同強(qiáng)度水平的沖擊功合格值等方面仍參考英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)[1，12]。

4.1 假設(shè)缺陷和參考應(yīng)力

EN 13445也假設(shè)了一個(gè)和ASME VIII-2一樣的橢圓形表面裂紋模型，但在尺寸上有所差異：

焊態(tài)結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力用材料的真實(shí)屈服強(qiáng)度σys表示：

式（24）中的1．4表示與名義屈服強(qiáng)度相比實(shí)測(cè)值的分散性：

一次應(yīng)力：

二次應(yīng)力：

4.2 材料的韌性準(zhǔn)則

EN 13445采用了由Sanz提出的斷裂韌度-溫度關(guān)系模型[13]：

式中：

K0、β——常數(shù)，其值分別為和1/60℃；

TD——最低設(shè)計(jì)溫度；

KIC0——某一溫度TKIC0時(shí)材料的斷裂韌度；

ΔT(t)——對(duì)厚度的溫度補(bǔ)償。

將式（28）變形得到EN 13445的低溫設(shè)計(jì)曲線。

需要說明，歐盟技術(shù)委員會(huì)在對(duì)比分析各國(guó)規(guī)范的基礎(chǔ)上結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)理論模型做了進(jìn)一步修訂。因此，最終出版的低溫設(shè)計(jì)曲線與理論模型存在一定的偏差。

5 我國(guó)壓力容器規(guī)范的低溫防脆斷設(shè)計(jì)

GB 150《壓力容器》的低溫容器防脆斷設(shè)計(jì)主要參照早期的ASME VIII-1的思路，也采用以使用經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)變溫度法，但略為保守地以-20℃作為劃分低溫容器的溫度界限（奧氏體型鋼材制低溫壓力容器的溫度界限為-196℃），并針對(duì)不同強(qiáng)度級(jí)別的材料規(guī)定不同的沖擊功合格值指標(biāo)?？紤]到低應(yīng)力工況對(duì)防脆斷性能的改善，標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)規(guī)定，即便碳素鋼和低合金鋼制容器的設(shè)計(jì)溫度低于-20℃，但只要當(dāng)殼體或受壓元件實(shí)際承受的最大一次薄膜和彎曲應(yīng)力小于或等于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服強(qiáng)度的1/6，且不大于50MPa時(shí)，若最低設(shè)計(jì)溫度加50℃（對(duì)于不要求焊后熱處理的容器，加40℃）后仍然不低于-20℃，除另有規(guī)定外，可不必遵循低溫容器的相關(guān)規(guī)范[14]。

JB 4732雖屬于按分析設(shè)計(jì)的規(guī)范，但防脆斷措施上和GB 150基本相同，仍舊采用以使用經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)變溫度法。和GB 150略有不同的是，JB 4732規(guī)定最低設(shè)計(jì)溫度低于0℃的碳鋼和低合金鋼，都要求在最低設(shè)計(jì)溫度下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)[15]。

6 結(jié)論

歐美壓力容器規(guī)范均采用斷裂力學(xué)的基本原理和方法（其中，ASME VIII與EN 13445采用了基于線彈性斷裂力學(xué)KIC準(zhǔn)則，JIS B8250、BS 5500、CODAP等采用彈塑性斷裂力學(xué)COD準(zhǔn)則），并綜合考慮了材料的組別、應(yīng)力水平、材料厚度等因素來判別是否需要進(jìn)行夏比沖擊驗(yàn)證試驗(yàn)以及試驗(yàn)溫度。我國(guó)在壓力容器規(guī)范上沿用ASME系統(tǒng)，但在低溫防脆斷設(shè)計(jì)思想上仍停留在早期的以使用經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)變溫度法，與現(xiàn)行的ASME VIII的設(shè)計(jì)理念存在較大差距。基于此，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“高參數(shù)承壓類特種設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)防控與治理關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2016YFC0801900）專門在課題2中設(shè)立子任務(wù)03：“基于斷裂力學(xué)的低溫壓力容器防脆斷設(shè)計(jì)技術(shù)研究”（任務(wù)編號(hào)：2016YFC0801902-03）。該任務(wù)以深冷壓力容器典型材料為研究對(duì)象，通過分析、對(duì)比、借鑒歐美低溫壓力容器防脆斷設(shè)計(jì)理念，結(jié)合國(guó)產(chǎn)低溫材料的產(chǎn)品特性和工程實(shí)踐，推導(dǎo)我國(guó)低溫壓力容器典型材料的低溫設(shè)計(jì)曲線。

[1] 崔慶豐，王昊 ，王仁榮，等．歐美規(guī)范中低溫設(shè)計(jì)曲線的由來[J]．中國(guó)特種設(shè)備安全，2013，29（11）：73-79．

[2] 阮黎祥．國(guó)內(nèi)外關(guān)于低溫壓力容器設(shè)計(jì)理念的比較[J]．壓力容器，2012，29（8）：22-25+54．

[3] 丁伯民．各有關(guān)規(guī)范防脆斷措施的比較和合理性分析[J]．化工設(shè)備設(shè)計(jì)，1997，34：8-18

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

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[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 壓力容器[S].

[15] JB 4732—2005 鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)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

X933．4

B

1673-257X（2017）03-0012-05

10．3969/j．issn．1673-257X．2017．03．001

桂樂樂(1982～)，男，博士，高級(jí)工程師，從事材料力學(xué)性能測(cè)試與研究工作。

2017-01-23）