基于材料力學性能的最低設計金屬溫度曲線分析

(華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237)

0 引言

鐵素體制壓力容器廣泛地應用于石化和核電領域。在低溫條件下鐵素體鋼有明顯的韌脆轉變現象，即存在一個韌脆轉變區(qū)間，在此溫度范圍內，很小的溫度降可以導致韌性的急劇降低[1-3]。為了防止鐵素體鋼在低溫工況下發(fā)生脆斷，ASME B&PV Code，Section Ⅷ中給出了沖擊豁免曲線，用來估計鐵素體鋼的最低設計金屬溫度。ASME于2007年發(fā)表了改進版的ASME B&PV Code，Section Ⅷ。該版本中針對于焊態(tài)和焊后熱處理態(tài)分別給出了如圖1，2所示的最低設計金屬溫度曲線[4]。當材料的厚度與設計溫度所確定的坐標點位于對應曲線及以上時，可保證材料在該溫度下安全使用，即可以免除沖擊試驗；當坐標點位于對應曲線的下方時，則需要進行沖擊功試驗，保證材料在其設計溫度下滿足沖擊功要求。

圖1 ASME焊態(tài)下的4條沖擊豁免曲線

圖2 ASME焊后熱處理態(tài)下的4條沖擊豁免曲線

最低設計金屬溫度曲線可以方便地估計材料的最低設計金屬溫度。但在沖擊豁免曲線的制定過程中，存在較多的人為因素。如每條曲線人為假定一個沖擊功轉變溫度，從A曲線到D曲線分別為T0=114,76,38，12 ℉[5]。在計算過程中將材料的屈服強度規(guī)定為552 MPa，且豁免曲線中所包含的材料屈服強度不得超過該規(guī)定值。在ASME Ⅷ-2中沖擊豁免曲線對應的材料分配表中，根據材料斷裂韌性的高低并結合使用經驗，將常用材料劃分到A～D四條曲線中，理論上每條曲線中包含了多種韌性相近的材料。但根據已有的研究表明，該分類方法使得有些材料的韌性被低估。舒翔宇[6]通過對比低溫條件下的沖擊功得出將Q345R歸類于A類沖擊豁免曲線，使得材料的低溫韌性被嚴重低估；崔慶豐等[7-8]研究發(fā)現，將Q345R劃分到A類沖擊豁免曲線極大地低估了材料的低溫韌性，正火態(tài)的Q345R可以被歸類到D類沖擊豁免曲線。

ASME(2007版)中的沖擊豁免曲線對應的材料分配表從標準頒布至今未曾更新，而在這十多年的時間里，材料的性能以及鋼鐵冶煉水平都有了一定的提高。因此，本文基于材料實際的屈服強度σys與參考溫度T0，按照ASME中沖擊豁免曲線的計算方法，計算得到對應材料的最低設計金屬溫度曲線，并與對應的豁免曲線進行對比，定量地分析ASME中豁免曲線的保守性，對ASME中沖擊豁免曲線和材料分配表的更新具有一定的推動作用。在保證材料安全的前提下，該研究對材料韌性等級的合理分配以及材料韌性充分利用具有重要意義。

1 計算方法

1.1 參考缺陷

為了計算裂紋驅動力，ASME規(guī)范中采用徑厚比Ri/t=100的圓筒作為含缺陷結構?？紤]到當時射線檢測水平，相關研究者假定缺陷為半橢圓型表面裂紋,其中裂紋長度為2c，深度為a,且c/a=3。

(1)

式中t——壁厚，mm。

1.2 應力水平

ASME中假定一次膜應力的表達式如式(2)所示，針對焊態(tài)和焊后熱處理態(tài)分別給出了式(3),(4)所示不同殘余膜應力表達式。

(2)

(3)

(4)

1.3 斷裂韌性

在API 597-1/ASME FFS-1中，失效評定圖廣泛應用于含缺陷壓力容器和管道的失效評定。韌性比Kr和載荷比Lr分別為失效評定圖中的縱坐標和橫坐標。在失效評定過程中，根據實際結構以及缺陷尺寸、材料性能和承受的載荷，計算韌性比和載荷比。在失效評定圖中根據計算的數值可確定一點，若該點落在失效評定曲線及以下，則該部件可以繼續(xù)安全使用，否則說明該部件在使用過程中存在失效的風險，必須進行維修或替換。韌性比Kr根據API 597-1/ASME FFS-1中第9.4.3.2.1節(jié)，由式(5)給出；失效評定圖中的失效評定曲線方程如式(6)所示。

(5)

(6)

將式(6)代入式(5)得到防止斷裂所要求的材料斷裂韌性表達式，如式(7)所示。在式(7)中，所要求的材料斷裂韌性是厚度t的函數。

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

動態(tài)斷裂韌性KId可由式(12)確定，其中參數T0為夏比沖擊中的參考溫度。

(12)

σys——屈服強度，ksi;

T——溫度，℉；

C——鋼材的轉變溫度區(qū)半寬度，℉。

其中:對于ASME中曲線A，T0=114 ℉；對于ASME中曲線B，T0=76 ℉；對于ASME中曲線C，T0=38 ℉；對于ASME中曲線D，T0=12 ℉；C=66 ℉。

令式(7)中要求的斷裂韌度Kmat(t)等于動態(tài)斷裂韌度KId，則得到最低設計金屬溫度的表達式如下：

(13)

2 材料性能

為了對比A～D四條沖擊豁免曲線與基于材料實際屈服強度和參考溫度確定的曲線之間的差異，從ASME中的A,B,C，D豁免曲線中分別選取Q345R,SA533B,SA516Gr.60，SA508-3四種材料。材料的化學成分和常溫下的力學性能分別如表1,2所示，沖擊功曲線如圖3所示。按照ASME中沖擊豁免曲線的計算方法，基于材料實際的屈服強度σys和參考溫度T0，計算得到材料在不同狀態(tài)(焊態(tài)和焊后熱處理態(tài))下的最低使用溫度曲線，其結果如圖4所示。

表1 4種鐵素體鋼的化學成分

表2 4種鐵素體鋼常溫下的力學性能

圖3 4種材料的沖擊功曲線

如圖4所示，所選取的4種材料的最低設計金屬溫度曲線均低于對應的A～D曲線，ASME中4條沖擊豁免曲線所確定的最低設計金屬溫度具有較大的保守性。表3中定量地列出了基于材料實際的力學性能得到的最低設計金屬溫度與ASME中對應曲線之間的差值。

根據表3的統(tǒng)計結果可以看出，除SA508-3外，其他3種材料與對應曲線之間的最低設計金屬溫度差值較大，其差值都高于60 ℃。Q345R和SA533B兩種材料與對應曲線之間的溫度差相對較大，說明ASME中將Q345R和SA533B分別劃分到A曲線和B曲線，可能低估了材料的低溫斷裂韌性。表3中的溫度差值也反映出ASME中沖擊豁免曲線具有極大的保守性，這在一定程度上會造成材料韌性的浪費。

(a)焊態(tài) (b)焊后熱處理態(tài)

圖4 4種材料在不同狀態(tài)下的最低設計金屬溫度曲線

表3 材料的最低設計金屬溫度與對應曲線之間的差值 ℃

此外，圖4中Q345R和SA508-3基于材料自身性能確定的最低設計金屬溫度曲線基本一致，而ASME中的材料分配表將兩種材料分別劃分到了A曲線和D曲線。材料具有相近的低溫斷裂韌性無法被分配到相同的沖擊豁免曲線中，使得在實際應用中的保守性不一致，對于Q345R，其韌性被低估。

3 結論

針對ASME中的A～D四條沖擊豁免曲線，對應地選取了4種材料，按照ASME中豁免曲線的計算方法，并基于材料本身的屈服強度和參考溫度，計算得到了每種材料的最低設計金屬溫度曲線。經過本文的研究，得到如下結論。

(1)基于本文所研究的材料，對比了基于材料自身力學性能所確定的最低設計金屬溫度曲線以及ASME中對應的豁免曲線，發(fā)現除SA508-3外，其他3種材料的溫度差值都在60 ℃以上。對于本文所研究的材料，ASME中所給出的沖擊豁免曲線保守性較大。

(2)根據本文得到的計算結果，Q345R和SA508-3的最低設計金屬溫度曲線基本一致。ASME中將Q345R和SA508-3分別劃分到A曲線和D曲線，使得實際韌性接近的材料在確定最低設計金屬溫度時的保守性卻不同，對于Q345R其韌性可能被低估。