壓力容器低溫低應(yīng)力工況原理及其溫度調(diào)整準則研究

崔慶豐，陸戴丁，陳 勇

(合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031)

0 引言

我國壓力容器標準規(guī)定設(shè)計溫度低于-20 ℃的碳鋼和低合金鋼制壓力容器為低溫壓力容器。為防止脆斷事故發(fā)生，低溫壓力容器需采用專門的低溫鋼制造。Q245R，Q345R及Q370R等碳鋼低合金鋼價格低廉、綜合力學(xué)性能優(yōu)良,是我國壓力容器行業(yè)使用廣泛的材料，但由于僅滿足-20 ℃沖擊韌性要求，因而無法直接應(yīng)用于低溫容器制造。為避免采用高檔材料增加成本，當(dāng)碳鋼低合金鋼使用溫度低于-20 ℃時，實際工程中常常應(yīng)用低溫低應(yīng)力工況予以解釋。例如GB/T 150—2011《壓力容器》規(guī)定：殼體或其受壓元件的設(shè)計溫度雖然低于-20 ℃，但設(shè)計應(yīng)力(在該設(shè)計條件下，容器元件設(shè)計承受的最大一次總體薄膜和彎曲應(yīng)力)小于或等于鋼材標準常溫屈服強度的1/6，且不大于50 MPa時，可按設(shè)計溫度加50 ℃(對于不要求焊后熱處理的容器，加40 ℃)后的溫度值選擇材料。分析設(shè)計標準JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標準(2005年確認)》中也有相似的表述：容器一次總體薄膜應(yīng)力不大于40 MPa的碳鋼和低合金鋼，其鋼材使用溫度下限為-45 ℃。以上標準規(guī)定中的低應(yīng)力局限于40～50 MPa等較低的應(yīng)力水平，僅相當(dāng)于歐美規(guī)范低溫低應(yīng)力條款的特例，這極大制約了碳鋼低合金鋼在低溫下使用。

考慮到極端環(huán)境低溫，TSG R0005—2011《移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定：中國境內(nèi)全區(qū)域使用的無保溫或者保冷結(jié)構(gòu)罐體設(shè)計溫度下限不得高于-40 ℃。GB/T 19905—2017《液化氣體汽車罐車》，NB/T 47057—2017《液化氣體罐式集裝箱》，NB/T 47058—2017《冷凍液化氣體汽車罐車》及NB/T 47059—2017《冷凍液化氣體罐式集裝箱》等汽車罐車與罐式集裝箱產(chǎn)品標準引用了法規(guī)相關(guān)條款，但標準推薦的碳鋼與低合金鋼數(shù)量少且最低使用溫度多為-20 ℃。例如GB/T 19905—2017中規(guī)定：罐體的最低設(shè)計金屬溫度不得高于-40 ℃。標準“罐體常用鋼板性能指標”表中推薦Q245R，Q345R，Q370R及16MnDR等4個碳鋼低合金鋼牌號，其中僅16MnDR屬于-40 ℃級別鋼材。盡管TSG R0005—2011指出罐體可適用低溫低應(yīng)力工況，但是受到GB/T 150—2011中的“低溫低應(yīng)力工況”限制，碳鋼低合金鋼在-40 ℃移動容器上的應(yīng)用將不得不接受過于嚴格的評定。目前，我國低溫液化氣體罐車及罐箱可選罐體材料種類單一，同時由于材料強度低導(dǎo)致罐體重量上升、產(chǎn)品經(jīng)濟性下降。

本文首先從ASME Ⅷ和EN 13445背景出發(fā)，厘清標準中低溫低應(yīng)力工況條款的理論基礎(chǔ)；其次應(yīng)用主曲線斷裂韌性模型，建立新的低溫低應(yīng)力溫度調(diào)整準則；最后結(jié)合我壓力容器規(guī)范現(xiàn)狀，討論限制我國壓力容器用碳鋼低合金鋼低溫下服役的主要影響因素。

1 ASME Ⅷ與EN 13445中“低溫低應(yīng)力工況”條款的理論背景

目前，ASME Ⅷ與EN 13445均發(fā)展了基于斷裂力學(xué)的防脆斷方法，其中的低溫低應(yīng)力工況條款更加科學(xué)合理。以下針對ASME Ⅷ-1，Ⅷ-2及EN 13445中的低應(yīng)力工況溫度調(diào)整準則的理論背景進行分析，為我國壓力容器標準相關(guān)條款的升級更新提供參考。

1.1 ASME Ⅷ-1中“低溫低應(yīng)力工況”條款的理論背景

圖1 ASME Ⅷ-1低應(yīng)力溫度調(diào)整曲線Fig.1 Temperature adjustment curve of low stresscondition in ASME Ⅷ-1

(1)

KⅠc=36.5+22.7835exp[0.036(T-RTNDT)]

(2)

KⅠc(RTNDT+33.3-ΔT)=RtsKⅠc(RTNDT+33.3)

(3)

1.2 ASME Ⅷ-2中“低溫低應(yīng)力工況”條款的理論背景

ASME Ⅷ-2中防脆斷條款的含缺陷結(jié)構(gòu)為含半橢圓內(nèi)表面裂紋圓筒[3]，將設(shè)計應(yīng)力表示為材料屈服強度σys的函數(shù)，缺陷深度a表示為板厚t的函數(shù)。令設(shè)計應(yīng)力下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強度因子小于材料的斷裂韌性，通過求解等式KⅠ(σyst)=KⅠc(TD)，可計算出最低設(shè)計溫度TD。限于篇幅，詳細計算過程不再贅述。溫度調(diào)整值ΔT等于設(shè)計應(yīng)力下TD(1)與低應(yīng)力工況下TD(Rts)之間差值，如式(4)所示。

ΔT(Rts)=TD(1)-TD(Rts)

(4)

為擺脫板厚相關(guān)性，ASME Ⅷ-2低應(yīng)力工況溫度調(diào)整曲線中規(guī)定t=2 in(50.8 mm)。如圖2所示，針對屈服強度345 MPa與450 MPa給出兩條調(diào)整曲線，同時考慮了焊后熱處理在降低殘余應(yīng)力方面的有益影響，將曲線分為焊態(tài)(AW)和焊后熱處理態(tài)(PWHT)兩類。ASME Ⅷ-2中許用應(yīng)力安全系數(shù)為2.4，因而圖2中低應(yīng)力下限取Rts=0.24。

(a)AW態(tài)

(b)PWHT態(tài)圖2 ASME Ⅷ-2低應(yīng)力溫度調(diào)整曲線Fig.2 Temperature adjustment curve of low stresscondition in ASME Ⅷ-2

圖2結(jié)果顯示溫度調(diào)整值ΔT與材料屈服強度相關(guān)，同一應(yīng)力比下，屈服強度345 MPa的溫度調(diào)整值ΔT高于屈服強度450 MPa的對應(yīng)值。二者間差距隨著Rts減小逐漸擴大，且PWHT曲線差距較AW曲線更大。溫度調(diào)整值ΔT隨屈服強度上升而降低的特性，將限制圖2曲線用于屈服強度高于450 MPa的材料。此外，ASME Ⅷ-2中建立低應(yīng)力工況溫度調(diào)整曲線時規(guī)定t=2 in(50.8 mm)，但與之配套使用的沖擊豁免曲線適用的厚度上限分別為：38 mm(AW態(tài))，102 mm(PWHT態(tài))。板厚t對溫度調(diào)整值ΔT的影響將在后文進一步分析。

1.3 EN 13445中“低溫低應(yīng)力工況”條款的理論背景

EN 13445中低應(yīng)力工況溫度調(diào)整值采用了與ASME Ⅷ-2相似的技術(shù)路線，僅在含缺陷結(jié)構(gòu)與應(yīng)力假設(shè)方面存在差異[4]。EN 13445以表格形式給出低應(yīng)力工況溫度調(diào)整值，針對PWHT態(tài)，應(yīng)力比范圍0.25

ΔT(Rts)=70-80Rts

(5)

EN 13445針對薄膜應(yīng)力50 MPa下AW態(tài)和PWHT態(tài)分別給出40 ℃與50 ℃的調(diào)整值。這些規(guī)定的工程背景在相關(guān)資料中鮮有提及，計算溫度調(diào)整值ΔT的板厚與強度參數(shù)目前尚不明確，為此筆者將根據(jù)EN 13445中防脆斷模型的基本假設(shè)厘清相關(guān)規(guī)定的制定依據(jù)。

考慮到防脆斷條款相互間的協(xié)調(diào)性，這里利用EN 13445中材料低溫設(shè)計圖線的強度與板厚參數(shù)進行檢驗。經(jīng)驗證EN 13445中低應(yīng)力工況溫度調(diào)整值采用的屈服強度值為550 MPa，AW態(tài)板厚為35 mm，PWHT態(tài)板厚為110 mm。如圖3所示，在0.25

ΔT(Rts)=46.4-50.2Rts

(6)

圖3 EN 13445低應(yīng)力溫度調(diào)整曲線Fig.3 Temperature adjustment curve of low stresscondition in EN 13445

2 基于主曲線法的低應(yīng)力工況溫度調(diào)整準則

由上述分析可知，低應(yīng)力工況溫度調(diào)整值與材料強度及板厚密切相關(guān)。建立新的溫度調(diào)整準則，必須以厘清σys及t對ΔT的影響規(guī)律為前提。圖4中以ASME Ⅷ-2為基礎(chǔ)繪制了針對屈服強度345 MPa的不同板厚的低應(yīng)力工況溫度調(diào)整曲線。在相同應(yīng)力比下，AW態(tài)與PWHT態(tài)曲線均顯示溫度調(diào)整值ΔT隨著板厚t增加而減小。隨著板厚增加，曲線相互之間的溫度差逐漸減小。如PWHT態(tài)曲線(見圖4(b))，相同應(yīng)力比Rts條件下,t=100 mm曲線與t=50 mm曲線之間溫度差明顯小于t=50 mm曲線與t=25 mm曲線之間的溫度差。不同板厚曲線之間的溫度差，隨著應(yīng)力比降低而逐漸增大。

ASME Ⅷ-2溫度調(diào)整曲線使用的板厚為t=2 in(50.8 mm)，與之配合的沖擊豁免曲線板厚上限：AW態(tài)為38 mm，PWHT態(tài)為100 mm。由于溫度調(diào)整值ΔT隨著板厚t增加而減小，當(dāng)進行最低設(shè)計溫度評定時，AW 態(tài)將出現(xiàn)過保守結(jié)果，PWHT態(tài)則出現(xiàn)非保守結(jié)果。由于板厚相差不大，圖4中，AW態(tài)t=38 mm曲線與t=50 mm曲線較為接近；但PWHT態(tài)t=100 mm曲線與t=50 mm曲線之間存在較大差異，例如Rts=0.45時，t=100 mm曲線的ΔT=31.9 ℃，t=50 mm曲線的ΔT=47.4 ℃，二者相差15.5 ℃。當(dāng)利用標準曲線確定板厚t=100 mm結(jié)構(gòu)的ΔT時，將得到一個偏大的數(shù)值，此時結(jié)構(gòu)將在超出其服役能力的低溫下工作。因此，ASME Ⅷ-2中溫度調(diào)整曲線規(guī)定t=2 in(50.8 mm)的做法并不合理。

缺鉬矯正技術(shù)：葉面噴施0.01%-0.1%濃度的鉬酸銨或鉬酸鈉溶液，一般在抽梢后的新葉期或幼果期進行噴施為宜。對酸性土壤，增施石灰，調(diào)節(jié)pH值，保持土壤pH5.5-6.5。

(a)AW態(tài) (b)PWHT態(tài)圖4 不同板厚低應(yīng)力工況溫度調(diào)整曲線Fig.4 Temperature adjustment curve of low stress condition with different plate thickness

以EN 13445溫度調(diào)整準則為基礎(chǔ)繪制了不同屈服強度的低應(yīng)力工況溫度調(diào)整曲線，如圖5所示?？梢钥闯觯瑧?yīng)力比Rts一定時，溫度調(diào)整值ΔT隨著屈服強度增大而逐漸降低，不同屈服強度的ΔT之間差距隨著Rts減小而逐漸增大。如AW態(tài)曲線(見圖5(a))，Rts=0.75時，屈服強度550 MPa的ΔT=9.5 ℃，屈服強度245 MPa的ΔT=13.9 ℃；Rts=0.4時，屈服強度550 MPa的ΔT=26.1 ℃，屈服強度245 MPa的ΔT=40.8 ℃。低應(yīng)力工況溫度調(diào)整值隨屈服強度增加而逐漸降低的這種特性，使得待評定材料的屈服強度不得高于建立溫度調(diào)整曲線所使用的屈服強度值。壓力容器規(guī)范通常選用防脆斷條款適用的最高屈服強度值建立溫度調(diào)整曲線，例如EN 13445中溫度調(diào)整曲線的屈服強度取值550 MPa，盡管針對低強度材料會給出稍偏保守的ΔT值，但卻極大提高曲線的簡潔性。ASME Ⅷ-2針對屈服強度345 MPa與450 MPa給出兩條溫度調(diào)整曲線，這種做法有利于減小低強度材料應(yīng)用曲線的保守性，但也限制了屈服強度大于450 MPa的材料使用低應(yīng)力工況溫度調(diào)整曲線。

通過上述分析可知，低應(yīng)力工況溫度調(diào)整值隨板厚與屈服強度增加而減小。低應(yīng)力工況溫度調(diào)整曲線必須能夠覆蓋防脆斷條款適用的板厚與材料強度范圍，同時兼具方便易用性。鑒于ΔT與板厚及強度的相關(guān)性，溫度調(diào)整曲線必然基于防脆斷條款適用的最大板厚及最高強度值建立。

低應(yīng)力工況溫度調(diào)整曲線利用斷裂韌性隨溫度變化模型在應(yīng)力與溫度之間建立聯(lián)系，ASME Ⅷ與EN 13445使用的斷裂韌性隨溫度變化模型年代久遠且源于工程經(jīng)驗。ASME Ⅷ-1斷裂韌性模型為參考韌性曲線，該曲線是對有限數(shù)量反應(yīng)堆壓力容器用鋼斷裂韌性數(shù)據(jù)的確定性分析，采用RTNDT作為特征溫度。ASME Ⅷ-2采用MPC模型[3]，由美國材料性能委員會提出，其特征溫度為沖擊功轉(zhuǎn)變溫度。EN 13445采用Sanz模型[5]，利用沖擊功估算特征溫度。為便于工程應(yīng)用，以上斷裂韌性模型特征溫度均直接或間接與沖擊功相關(guān)，期望利用沖擊功預(yù)測斷裂韌性。由于存在諸多差異，沖擊功與斷裂韌性極難建立聯(lián)系。目前工程界仍然缺少通用的轉(zhuǎn)換關(guān)系，相關(guān)的關(guān)系式均屬于經(jīng)驗性且僅針對特定材料的特定溫度區(qū)間成立。

主曲線法采用概率統(tǒng)計方法描述鐵素體鋼在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的斷裂韌性分布，參考溫度由斷裂韌性測試確定是材料斷裂韌性的特征溫度[6]。該方法已制定成熟的測試標準ASTM E1921，同時被API 579,BS 7910,R6等規(guī)范所采納用于結(jié)構(gòu)完整性評價，發(fā)達國家開展了廣泛的核反應(yīng)堆壓力容器用鋼的適用性驗證工作。ASME Ⅺ通過CodeCase的形式正逐步采納主曲線法用于壓力容器的輻照脆化評定，2007年ASME Ⅷ-2改版時也曾考慮應(yīng)用主曲線法[7]，2009版的EN 13445低溫設(shè)計圖線中已經(jīng)采用了該方法[5]。主曲線法關(guān)系式如下：

(7)

式中，B為斷裂韌性試樣厚度;Pf為失效概率。

(a)AW態(tài) (b)PWHT態(tài)圖6 基于主曲線法的溫度調(diào)整曲線與ASME Ⅷ-2及EN 13445曲線對比Fig.6 Comparison of temperature adjustment curve based on Master Curve Method with ASME Ⅷ-2 and EN 13445

圖6顯示新溫度調(diào)整曲線位于ASME Ⅷ-2與EN 13445曲線之間，需要指出的是，圖中的ASME Ⅷ-2曲線是筆者在ASME Ⅷ-2標準曲線基礎(chǔ)上取屈服強度550 MPa計算得到的。ASME Ⅷ-2與EN 13445中溫度調(diào)整曲線的工程適用性已經(jīng)過多年實踐檢驗，圖6中結(jié)果驗證了本文溫度調(diào)整曲線的正確性。通過對應(yīng)力比0.25～0.75之間數(shù)據(jù)線性擬合，獲得基于主曲線法的低應(yīng)力工況溫度調(diào)整關(guān)系式，如式(8)(9)所示。

ΔT(Rts)=46-50.3Rts(AW態(tài))

(8)

ΔT(Rts)=63.7-71.6Rts(PWHT態(tài))

(9)

3 討論

針對ASME規(guī)范將Q345R歸入豁免曲線A問題，國內(nèi)學(xué)者開展了Q345R的最低設(shè)計溫度研究。SHU等[11]統(tǒng)計分析了數(shù)千組Q345R低溫沖擊功數(shù)據(jù)，指出曲線A太過保守，Q345R完全滿足曲線B的要求。CUI等[12]實測了Q345R的低溫斷裂韌性，失效評定結(jié)果顯示Q345R可以在曲線D給出的最低設(shè)計溫度下安全服役。通過積累數(shù)據(jù)以及相關(guān)研究機構(gòu)積極與ASME協(xié)商，2019版ASME Ⅷ-1將非正火態(tài)Q345R歸入豁免曲線B，正火態(tài)Q345R歸入曲線D。圖7顯示豁免曲線B板厚小于13.5 mm，以及曲線D板厚小于50 mm的最低設(shè)計溫度小于-20 ℃，這表明ASME規(guī)范允許Q345R在-20 ℃以下溫度服役，但這顯然與GB/T 150—2011規(guī)定的Q345R使用溫度下限-20 ℃相抵觸，同時對國內(nèi)ASME持證廠家的容器選材工作造成一定困擾。以上事例表明，我國壓力容器用鋼的低溫性能足以保障材料在更低溫度下安全服役，但壓力容器規(guī)范缺乏科學(xué)合理的材料最低設(shè)計溫度確定方法是限制鋼材在低溫下使用的根本原因。

圖7 ASME Ⅷ-1沖擊豁免曲線Fig.7 Impact test exemption curves in ASME Ⅷ-1

HG 20585—1998《鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)定》曾參考ASME Ⅷ-1低應(yīng)力工況溫度調(diào)整曲線(見圖1)制定了設(shè)計溫度調(diào)整值表，表中數(shù)值與ASME Ⅷ-1曲線基本一致，但考慮應(yīng)力安全系數(shù)差別，調(diào)低了應(yīng)力水平。需要特別指出的是，低應(yīng)力工況溫度調(diào)整值是以材料最低設(shè)計溫度為基礎(chǔ)的，也就是說，低應(yīng)力工況溫度調(diào)整曲線必須搭配最低設(shè)計溫度曲線使用。由于GB/T 150—2011中缺少材料最低設(shè)計溫度曲線，因而HG 20585—1998以ASME Ⅷ-1曲線配合GB/T 150—2011中的-20 ℃低溫限的做法是不恰當(dāng)?shù)?。新版HG/T 20585—2011已將相關(guān)內(nèi)容從正文中刪除。

為滿足TSG R0005—2011中關(guān)于無隔熱結(jié)構(gòu)罐體元件最低設(shè)計金屬溫度不得高于-40 ℃的要求，國內(nèi)鋼鐵廠家在原-20 ℃壓力容器用鋼基礎(chǔ)上研制-40 ℃低溫鋼。例如，某廠在Q420R基礎(chǔ)上研制了-40 ℃級別的Q420DR，但二者的落錘試驗和低溫沖擊試驗結(jié)果并無顯著差異[13-14]。前已述及，我國壓力容器用鋼在低溫下限制使用并非由于材料性能不達標，而是缺乏科學(xué)合理的最低設(shè)計溫度評判方法。類似于在Q420R基礎(chǔ)上研發(fā)Q420DR的做法并不可取，不但無法滿足實際工程各種復(fù)雜環(huán)境對低溫鋼的需求，同時增加了用戶的采購成本，造成資源浪費。

本文建立低應(yīng)力工況溫度調(diào)整曲線，較GB/T 150—2011低溫低應(yīng)力工況拓寬了低應(yīng)力范圍，提高了曲線的工程適用性。應(yīng)用該曲線可滿足移動式低溫罐車/罐箱用碳鋼低合金鋼的-40 ℃服役要求，從而緩解罐車/罐箱無材可選的局面。根據(jù)式(9)計算結(jié)果，-20 ℃鋼材只要應(yīng)力比低于0.6，調(diào)整后的設(shè)計溫度即可低至-40 ℃。值得注意的是，本文曲線使用的材料屈服強度為550 MPa，板厚AW態(tài)為38 mm、PWHT態(tài)為100 mm，使用曲線時不得超出以上限值。高強度材料厚板結(jié)構(gòu)的低應(yīng)力溫度調(diào)整值必須通過斷裂力學(xué)評定，并結(jié)合結(jié)構(gòu)試驗加以判定。

4 結(jié)語

本文從我國壓力容器規(guī)范中“低溫低應(yīng)力工況”的規(guī)定現(xiàn)狀出發(fā)，分析了ASME Ⅷ與EN 13445中相關(guān)規(guī)定的理論背景，研究了板厚與強度對低應(yīng)力溫度調(diào)整值的影響規(guī)律，建立了基于主曲線法的低應(yīng)力溫度調(diào)整曲線，討論了限制我國壓力容器用鋼最低設(shè)計溫度的原因。主要結(jié)論如下。

(1)低應(yīng)力工況溫度調(diào)整值隨板厚及材料強度增加而增大，應(yīng)采用壓力容器規(guī)范防脆斷條款適用的最大厚度與最高強度建立低應(yīng)力工況溫度調(diào)整曲線。

(2)選擇主曲線作為斷裂韌性模型建立低應(yīng)力工況溫度調(diào)整準則，溫度調(diào)整曲線與ASME Ⅷ-2及EN 13445基本相當(dāng)，科學(xué)合理的材料最低設(shè)計溫度是低應(yīng)力工況溫度調(diào)整的基礎(chǔ)。

(3)我國壓力容器用鋼實際性能足以保障材料在更低溫度下安全服役，壓力容器規(guī)范缺乏科學(xué)合理的材料最低設(shè)計溫度評判準則是限制鋼材在低溫下使用的根本原因。