對(duì)改寫SA-105材料沖擊豁免曲線的理解

楊建良，楊湖

（無(wú)錫化工裝備股份有限公司，江蘇 無(wú)錫 214131）

壓力容器受壓元件的韌性對(duì)壓力容器的安全運(yùn)行有著至關(guān)重要的意義。在低溫下，隨著溫度的降低，碳素鋼和低合金鋼的強(qiáng)度提高，韌性降低。其沖擊功值隨溫度下降呈S 形曲線變化，且具有下平臺(tái)區(qū)，韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)和上平臺(tái)區(qū)[1]。當(dāng)溫度低于某一值時(shí)，沖擊功值開始大幅度地下降，材料從韌性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈浴Ｐ枰⒁獾氖遣⒉皇撬械慕饘俨牧隙紩?huì)產(chǎn)生明顯的低溫變脆現(xiàn)象，一般來(lái)說(shuō)，具有體心立方晶格的金屬材料，如碳素鋼和低合金鋼，都會(huì)產(chǎn)生明顯的低溫變脆現(xiàn)象；而具有面心立方晶格的金屬，如奧氏體不銹鋼、有色金屬，沖擊功值隨溫度的變化很小，在很低的溫度下仍具有較高的韌性[2]。

在壓力載荷作用下，受壓元件中的裂紋常會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到某一臨界尺寸時(shí)就會(huì)發(fā)生斷裂，稱之為脆性斷裂[1]。壓力容器受壓元件的脆性斷裂與材料所受的應(yīng)力水平、加載速率、載荷大小、材料中缺陷的形狀和大小、熱處理狀態(tài)、材料的厚度，材料的組織以及殘余應(yīng)力等因素有關(guān)[3-6]。故ASME規(guī)范[7-8]對(duì)受壓元件所選用材料規(guī)定了除需要遵循相應(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn)的要求外，還需對(duì)壓力容器在低溫下操作提出了防止脆性斷裂的相應(yīng)要求[9]。

1 SA-105材料沖擊豁免曲線及供貨狀態(tài)

根據(jù)2019 版ASME Ⅷ-1，圖UCS-66 中注（2）（a），SA-105 鍛制法蘭，按細(xì)化晶粒制造，并且在鍛造后經(jīng)歷了正火、正火和回火或淬火和回火熱處理才劃分為B 曲線。如果僅是鍛造狀態(tài)供貨，按圖UCS-66 中注（1）（c）劃分為A 曲線。而2017 版ASME Ⅷ-1規(guī)范則無(wú)需考慮SA-105 材料的供貨狀態(tài)，統(tǒng)一劃分為B 曲線[10]。

此外，2019 版ASME Ⅷ-1，UCS-66（c）章節(jié)規(guī)定用于ASME B16.5 和ASME B16.47 標(biāo)準(zhǔn)管法蘭的鐵素體鋼鍛件只有按細(xì)化晶粒制造，并且在鍛造后經(jīng)歷了正火、正火和回火或淬火和回火熱處理的才可以用到-29 ℃且不需要做沖擊試驗(yàn)。如果僅是鍛造狀態(tài)供貨，只能在不做沖擊試驗(yàn)的條件下用到-18 ℃。而2017 版ASME Ⅷ-1，UCS-66（c）章節(jié)不用考慮鐵素體鋼鍛件的供貨狀態(tài)，在不做沖擊試驗(yàn)的條件下就可以用到-29 ℃[10]。

2019 版ASME Ⅷ-2 規(guī)范對(duì)SA-105 材料沖擊豁免曲線的修改亦如ASME Ⅷ-1 規(guī)范，此處不再重復(fù)敘述。2017 版ASME Ⅷ-2 規(guī)范也是不必考慮SA-105 材料的供貨狀態(tài)，統(tǒng)一劃分為B 曲線[11]。

2 SA-105材料沖擊豁免曲線改寫原因

在2016 年4 月于西雅圖召開的美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)B31.3 工藝管道規(guī)范委員會(huì)會(huì)議上，福陸公司的Barry Messer 就煉鋼實(shí)踐的變化導(dǎo)致一些碳鋼管道部件（諸如SA-105 法蘭、SA-234 管件以及SA-106 無(wú)縫接管等）在環(huán)境溫度下表現(xiàn)為脆性，而不是韌性這一問(wèn)題向委員會(huì)成員作了介紹，以提醒委員會(huì)成員注意這一問(wèn)題。

委員會(huì)獲悉，脆性斷裂是發(fā)生在新建造的設(shè)備水壓試驗(yàn)期間，在過(guò)去5 年中發(fā)生了數(shù)十起這樣的脆性斷裂事故。典型的水壓試驗(yàn)溫度為10 ℃，但東南亞的一些管道在較高的水壓試驗(yàn)溫度下仍然發(fā)生脆性斷裂。發(fā)生脆性斷裂的材料在21.1 ℃下的夏比V形缺口沖擊功僅有4 J，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于此溫度下的正常沖擊功54 J。

這與上世紀(jì)90 年代一些國(guó)家制造的法蘭出現(xiàn)的問(wèn)題不同，對(duì)這些脆性斷裂的分析結(jié)果表明，與制造地或原產(chǎn)國(guó)沒(méi)有明顯的相關(guān)性。

造成沖擊韌性低的原因是鋼材的化學(xué)成分從5年前的正常情況逐漸改變。錳元素含量對(duì)鐵素體固溶強(qiáng)化效果最為顯著，故在煉鋼過(guò)程中添加錳元素以提高鋼材的穩(wěn)定性、韌性和強(qiáng)度，但鋼廠為了降低煉鋼成本，錳元素含量被降低到規(guī)范允許的下限值，并被微量元素（如釩、鈮、鈦和硼）取代，以提高鋼材的強(qiáng)度和可成形性。為了使碳鋼具有足夠的韌性，在20 世紀(jì)50 年代鋼鐵工業(yè)規(guī)定，碳鋼材料在-6.7 ℃下的沖擊功最小值為27 J，錳元素與碳元素的比值（Mn：C）要大于等于5。例如SA-105 材料，最大碳含量為0.35%，允許錳含量范圍為0.6% ～ 1.05%，允許的最低錳碳比值低至1.7，這導(dǎo)致了鋼材的韌性差，在水壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生脆性斷裂事故。此外，鈮、釩、鈦和硼元素的添加會(huì)進(jìn)一步降低鋼材的韌性，在水壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生脆性斷裂事故也與添加的鈮、釩、鈦和硼元素有關(guān)。尤其是硼元素，會(huì)引起在100 晶面上30°～45°方向向管子軸向定向再結(jié)晶，導(dǎo)致在45°至管子或管件軸向處的韌性非常低；這恰恰是在壓力下管道出現(xiàn)最大剪切載荷的方向，并且因?yàn)樵摼w定向排列，縱向或周向的沖擊試樣并不能確定材料具有低韌性。然而，鋼材的化學(xué)成分的這些變化對(duì)材料的可焊性沒(méi)有影響。

雖然脆性斷裂事故對(duì)管道來(lái)說(shuō)是一個(gè)新問(wèn)題，但15 年前，由于雜質(zhì)元素和微量元素的加入，板材也出現(xiàn)了類似的問(wèn)題。ASTM 通過(guò)修改A-20（板材通用規(guī)范）來(lái)限制雜質(zhì)元素和微量元素的使用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。長(zhǎng)期來(lái)看，A105、A106、A234 和其他碳鋼材料規(guī)范需要修改，以類似的方式控制錳碳比、晶粒尺寸和微量元素添加，但這需要時(shí)間。由于對(duì)A-20進(jìn)行了修改，以確保鋼板具有良好的韌性，因此由板材通過(guò)兩半焊接制成的管件不會(huì)出現(xiàn)這種脆性斷裂現(xiàn)象。A53 電阻焊管（ERW）也是如此。

按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)[12]設(shè)計(jì)的壓力容器或元件并不存在這類問(wèn)題，因?yàn)檫@些材料在任何情況下都需要進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

鑒于在水壓試驗(yàn)期間管道元件出現(xiàn)了脆性斷裂事故，為了將水壓試驗(yàn)期間脆性破壞的風(fēng)險(xiǎn)降至最低，ASME 委員會(huì)修改了SA-105 材料在ASME Ⅷ-1圖UCS-66 中的沖擊豁免曲線。對(duì)于SA-105 鍛制法蘭，只有經(jīng)過(guò)細(xì)化晶粒制造，并且在鍛造后經(jīng)歷了正火、正火和回火或淬火和回火熱處理才能將其沖擊豁免曲線劃分為B 曲線。對(duì)于不符合上述要求的SA-105 材料，將劃為A 曲線，同時(shí)將其最低使用溫度從-29 ℃提高到-18 ℃。ASME 委員會(huì)對(duì)SA-105材料在ASME Ⅷ-2 規(guī)范中也采用了同樣的修改。

3 避免脆性斷裂的工程實(shí)踐

除了ASME 規(guī)范的要求外，以下的三種工程實(shí)踐將進(jìn)一步提高SA-105 材料的韌性，避免其在操作和水壓試驗(yàn)期間出現(xiàn)脆性破壞。

3.1 工程實(shí)踐一

（1） 碳 含 量 不 得 超 過(guò)0.23% 且 碳 當(dāng) 量CE ≤0.43，[Mn]/[C]≥5；

（2）微量合金元素限制在表1 的范圍內(nèi)；

表1 微量合金元素限制范圍Table 1 Limitation of micro alloying elements

（3）按ASTM E112 規(guī)定的粒度為7 級(jí)或更細(xì)；

（4）鍛造后的正火溫度為（910±10） ℃；每25 mm 保溫時(shí)間為1 h，最小保溫時(shí)間為1 h；正火后需要在靜止的空氣中冷卻。

3.2 工程實(shí)踐二

（1）0.15%≤[C]≤0.23%，碳當(dāng)量CE ≤0.43，[Mn]≥0.6%；

（2）微量合金元素[Al]≥0.02%且[Al] + [Ti]＞3[N]（N 元素在ISO 10474-3.1 或EN 10204-3.1 證書中體現(xiàn)）；

（3）微量合金元素[Al] +[Ti]≥0.03%（N 元素沒(méi)有在ISO 10474-3.1 或EN 10204-3.1 證書中體現(xiàn)）；

（4）鍛造后的正火溫度為（910±10） ℃；每25 mm 保溫時(shí)間為1 h，最小保溫時(shí)間為1 h；正火后需要在靜止的空氣中冷卻。

3.3 工程實(shí)踐三

（1）用于鍛造的鋼坯或鋼錠按SA-350 LF2 出具ISO 10474-3.1 或EN 10204-3.1 證書；

（2）鍛造后的正火溫度為（910±10） ℃；每25 mm 保溫時(shí)間為1 h，最小保溫時(shí)間為1 h；正火后需要在靜止的空氣中冷卻。

4 對(duì)庫(kù)存材料使用的建議

按照正常的煉鋼實(shí)踐，鋼材在水壓試驗(yàn)時(shí)是不會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂失效的，但是鋼廠為了節(jié)約煉鋼成本，將錳元素含量控制在標(biāo)準(zhǔn)允許的下限值，并以添加其他微量元素來(lái)填補(bǔ)缺失的錳元素，這樣材料的強(qiáng)度性能雖然能夠得到保證，但是材料的韌性大幅度下降，造成新建造的設(shè)備在水壓試驗(yàn)期間發(fā)生脆性斷裂事故。ASME 委員會(huì)改寫SA-105 材料的沖擊豁免曲線正是基于這點(diǎn)出發(fā)的。但是根據(jù)福陸公司的研究表明，發(fā)生脆性斷裂的不僅僅是SA-105 材料，SA-106管子和SA-234 管件在水壓試驗(yàn)期間也會(huì)發(fā)生脆性斷裂失效，ASME 委員會(huì)并沒(méi)有在2019 版規(guī)范中修改這兩種材料的沖擊豁免曲線，這似有不妥，存在安全隱患。為避免設(shè)備在運(yùn)行及建造過(guò)程中出現(xiàn)脆性斷裂失效，筆者建議制造廠在采購(gòu)這兩種材料時(shí)參考3.1 和3.2 對(duì)其補(bǔ)充采購(gòu)要求，以保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn) 行。

此外， 2019 版ASME 規(guī)范將于2020 年1 月1 日起強(qiáng)制執(zhí)行，鍛件廠可能會(huì)有庫(kù)存材料剩余，為使庫(kù)存材料能夠用于按2019 版規(guī)范建造的容器，筆者建議鍛件廠對(duì)庫(kù)存SA-105 鍛件按ASTM E112 的規(guī)定檢測(cè)晶粒度，只要其晶粒度為7 級(jí)或更細(xì)，由于SA-105 鍛件通常在正火狀態(tài)下供貨，這樣材料仍然可以使用。另外，鍛件廠也可在SA-105 機(jī)械性能試樣上取沖擊試樣，只要其在-29 ℃的沖擊性能能夠滿足規(guī)范的要求，材料也可以用在按2019 版規(guī)范建造的容器上。