探究壓力容器低溫低應(yīng)力工況原理及其溫度調(diào)整準(zhǔn)則研究

鞠晶

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院泰州分院泰興所，江蘇 泰州 225400）

低溫壓力容器也稱為低溫管殼換熱器，主要就是設(shè)計溫度低于或者等于-20℃，或者在環(huán)境等因素的影響之下，殼體金屬溫度低于或者等于-20℃，在對其進(jìn)行操作處理中，容器壁溫始終處于低溫狀態(tài)的壓力容器。在一般狀態(tài)下，低溫壓力容器主要材質(zhì)為鐵素體鋼，此種材料在溫度低到特定溫度狀態(tài)中，鋼韌性會出現(xiàn)快速下降的狀態(tài)，進(jìn)而出現(xiàn)冷脆現(xiàn)象。壓力容器長期在此環(huán)節(jié)中影響，如果容器存在缺陷等問題，則會優(yōu)化局部應(yīng)力，進(jìn)而出現(xiàn)破裂，導(dǎo)致出現(xiàn)安全事故隱患。

1 壓力容器低溫低應(yīng)力工況原理

基于ASMEⅧ以EN13445背景分析，了解在標(biāo)準(zhǔn)中低溫低應(yīng)力工況的理論基礎(chǔ)，根據(jù)主曲線斷裂韌性模型，構(gòu)建全新的低溫低應(yīng)力溫度調(diào)整的準(zhǔn)則，綜合壓力容器的規(guī)范顯著，對壓力容器在碳鋼低合金鋼低溫下應(yīng)用的影響因素。主要應(yīng)用GB/T150.1～GB/T150.4-2011或ASMEⅧ-1對其進(jìn)行設(shè)計以及制造低溫壓力容器的分析，應(yīng)用第一強度理論對其進(jìn)行分析計算，根據(jù)計算公式進(jìn)行分析，在常規(guī)狀態(tài)下，可以有效地滿足安全性能的基本要求。

1.1 ASMEⅧ與EN13445中理論背景

在早期的低溫低應(yīng)力溫度調(diào)整值主要就是綜合DWT，ESSO、寬板COD等相關(guān)結(jié)構(gòu)的試驗數(shù)據(jù)分析。綜合落錘試驗結(jié)果表明在含穿透裂紋結(jié)果的應(yīng)力水平在35～55MPa的影響下，即便是溫度低于無塑性轉(zhuǎn)變溫度（NDT）之下，裂紋并不會出現(xiàn)擴(kuò)展性的變化。應(yīng)力水平在降低的狀態(tài)中，結(jié)果斷裂也呈現(xiàn)下降的傾向，對應(yīng)的材料在斷裂后，其韌性性能也會呈現(xiàn)下降的趨勢，則意味著在更低的溫度下整體結(jié)構(gòu)也可以繼續(xù)應(yīng)用。因此，在應(yīng)力水平?jīng)]有結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)力高的狀態(tài)下，材料的最低服役溫度則可是進(jìn)行向下的調(diào)整的。但是，在早期的規(guī)則中并沒有對低應(yīng)力水平下的設(shè)計溫度的調(diào)整進(jìn)行全面的分析。目前，ASMEⅧ與EN13445都在不同程度出現(xiàn)了變化，發(fā)展了在基于斷裂力學(xué)角度的防脆斷方式，低溫低應(yīng)力工況下的約束相對來說更為科學(xué)合理。

1.2 ASMEⅧ-1理論

在ASMEⅧ-1中對低應(yīng)力工況中的溫度進(jìn)行了調(diào)整，其準(zhǔn)則為假定在任意的應(yīng)力條件下，含有裂紋結(jié)果的應(yīng)力強度因子以及相關(guān)材料的斷裂韌性的比值并不會出現(xiàn)變化，也就是在任意的應(yīng)力水平狀態(tài)下，材料自身的韌性儲備不變，通過計算則可以確定任意應(yīng)力比下的低應(yīng)力溫度調(diào)整參數(shù)。

為了有效地解決在核反應(yīng)堆中壓力容器出現(xiàn)的斷裂評定的相關(guān)問題，在規(guī)范中通過對壓力容器應(yīng)用的鋼斷裂韌性數(shù)據(jù)下的包絡(luò)線進(jìn)行處理，進(jìn)行材料韌性預(yù)測分析。低應(yīng)力溫度調(diào)整曲線直接受到參考韌性曲線的影響，并不會受到裂紋、荷載等因素的影響。同時，溫度對應(yīng)的基準(zhǔn)斷裂韌性決定容器無論是在何種的缺陷因素的影響下，在工程應(yīng)用中容器缺陷的類型以及應(yīng)力變化較大，而其應(yīng)力強度因子甚至?xí)哂诖嘶鶞?zhǔn)參數(shù)，這時則會增加斷裂的風(fēng)險隱患。

1.3 ASMEⅧ-2中理論

在ASMEⅧ-2中的放脆斷條款中含有的缺陷結(jié)構(gòu)主要為包含半橢圓內(nèi)表面裂紋圓筒結(jié)構(gòu)。其中設(shè)計應(yīng)力主要就是通過其材料屈服強度σys的函數(shù)進(jìn)行表示；而其缺陷深度則是通過板厚t的函數(shù)進(jìn)行表示。在設(shè)計應(yīng)力下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力強度因子要低于材料斷裂韌性，通過求解等式進(jìn)行計算，則可以確定最低的設(shè)計溫度TD。

為了有效地降低板厚相關(guān)性因素的影響，ASMEⅧ-2中的低應(yīng)力工況溫度調(diào)整曲線中要求定t=2in（50.8mm）。根據(jù)屈服強度345MPa與450MPa分析2條調(diào)整曲線，綜合焊后熱處理對于降低殘余應(yīng)力產(chǎn)生的影響，將曲線劃分為焊態(tài)以及焊后熱處理態(tài)兩種類型。其中應(yīng)力安全系數(shù)的參數(shù)為2.4，因此，其低應(yīng)力下線參數(shù)為Rts=0.24。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)溫度調(diào)整值ΔT受到材料屈服強度等因素的影響，在相同的應(yīng)力比下，屈服強度為345MPa則要高于屈服強度參數(shù)為450MPa的溫度調(diào)整參數(shù)的對應(yīng)值。二者之間隨著Rts的逐漸減少差距會逐漸地增加，而PWHT曲線相對于AW曲線來說更大。而溫度調(diào)整值在屈服強度的上升變化中會呈現(xiàn)逐漸地降低影響。而在此中建立低應(yīng)力工況溫度調(diào)整曲線時，要規(guī)定t的參數(shù)為2in（50.8mm），但是，要保障其配套應(yīng)用的沖擊豁免曲線在AW態(tài)中的厚度上限參數(shù)為38mm，在PWHT態(tài)中的厚度上限為102mm。

1.4 EN13445理論

在此理論中，低應(yīng)力工況溫度的調(diào)整支持與ASMEⅧ-2中的技術(shù)路線類似，僅僅在缺陷結(jié)構(gòu)以及應(yīng)力假設(shè)方面存在一定的不同?；诒∧?yīng)力參數(shù)為50MPa時，在AW態(tài)中的調(diào)整值為40℃，而在PWHT態(tài)中其調(diào)整值則為50℃。為了有效地避免在防脆斷條款中出現(xiàn)相互的協(xié)調(diào)性，要通過用EN13445的低溫設(shè)計圖線強度以及板厚的參數(shù)對其進(jìn)行檢驗調(diào)整。通過分析可以確定在EN13445中的低應(yīng)力工況溫度調(diào)整值主要應(yīng)用的區(qū)分強度參數(shù)為550MPa，而在AW態(tài)以及PWHT態(tài)下的板厚參數(shù)分別為35mm、110mm。

2 壓力容器低溫低應(yīng)力溫度調(diào)整準(zhǔn)則

2.1 壓力容器低溫低應(yīng)力溫度調(diào)整準(zhǔn)則

低應(yīng)力工況的溫度調(diào)整值在實踐中受到材料的強度、板厚參數(shù)的影響，因此在建立新的溫度調(diào)整準(zhǔn)則中，要了解σys及t對ΔT的影響規(guī)律。根據(jù)ASMEⅧ-2為基礎(chǔ)進(jìn)行屈服強度參數(shù)為度345MPa的不同板厚狀態(tài)下的調(diào)整曲線分析，在相同的應(yīng)力比參數(shù)下，AW態(tài)與PWHT態(tài)下的曲線表明了在板厚增加狀態(tài)中溫度調(diào)整值逐漸地減小。而如果板厚增加，增曲線之間的溫度差異也呈現(xiàn)減小的狀態(tài)。在不同的板厚曲線之間，存在的溫度差都在應(yīng)力比的下降而呈現(xiàn)逐漸增大的狀態(tài)。

在ASMEⅧ-2中應(yīng)用的板厚參數(shù)為t=2in（50.8mm），其配套的沖擊豁免曲線板厚的AW態(tài)以及PWHT態(tài)的上限參數(shù)為38mm、100mm。因為溫度調(diào)整值在板厚的增加中會呈現(xiàn)減少的狀態(tài)，在對其進(jìn)行最低設(shè)計溫度評定分析中，AW態(tài)的結(jié)果過于保守，但是，PWHT態(tài)的結(jié)果則并非保守?；贓N13445準(zhǔn)則進(jìn)行在不同曲服強度下的低應(yīng)力工況溫度調(diào)整曲線的繪制分析，可以發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力比一定的時候，溫度調(diào)整值則會受到屈服強度增大而出現(xiàn)不同程度的降低，而在不同屈服強度下的調(diào)整值距離則會受到應(yīng)力比的減少而出現(xiàn)增大的狀態(tài)。低應(yīng)力工況中溫度調(diào)整值則會受到屈服強度的增加而出現(xiàn)不同程度的下降，此種特性決定了在進(jìn)行材料屈服強度評定中其不得高于建立溫度調(diào)整曲線應(yīng)用的屈服強度值。壓力容器規(guī)范則要應(yīng)用防脆斷條款應(yīng)用的最高區(qū)分強度參數(shù)進(jìn)行溫度調(diào)整曲線的建立。

ASMEⅧ-2對屈服強度分別為345MPa以及450MPa的材質(zhì)給出了兩條溫度調(diào)整曲線參數(shù)，此種方式可以有效地減少最低強度材料應(yīng)用曲線整體的保守性特征，但是也在一定程度上限制了高于450MPa的材料應(yīng)用低應(yīng)力工況中的溫度調(diào)整曲線。

綜上所示，低應(yīng)力工況溫度調(diào)整值在板厚以及屈服強度的增加狀態(tài)中會呈現(xiàn)減小的變化。而低應(yīng)力工況的溫度調(diào)整曲線則要保障其可以對整個防脆斷條款應(yīng)用的板厚以及材料的強度范圍進(jìn)行全面覆蓋處理，要具有便捷易用的特征。而綜合板厚、強度等相關(guān)因素，要保障溫度調(diào)整曲線要在放脆斷條款基礎(chǔ)上應(yīng)用的最大板厚以及其最高強度的參數(shù)進(jìn)行建立。

低應(yīng)力工況中的溫度調(diào)整曲線應(yīng)用斷裂韌性隨溫度變化模型，進(jìn)行應(yīng)力與溫度的分析，建立關(guān)系，而受到多種因素的影響，沖擊功與斷裂韌性無法建立有效的聯(lián)系，主要就是缺乏通用性的轉(zhuǎn)換關(guān)系，其對應(yīng)的關(guān)系屬于經(jīng)驗性，但是，僅僅是對于特定的材料，在特定的溫度區(qū)間中建立。主曲線法主要就是應(yīng)用概率統(tǒng)計的方式進(jìn)行鐵素體鋼在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)域中的分布狀態(tài)分析，其主要參考溫度受到斷裂韌性測試，確定為材料斷裂韌性產(chǎn)生的特征溫度變化。此種方式已經(jīng)進(jìn)行了完整性評價，在發(fā)達(dá)國家中對其進(jìn)行實用性的驗證分析?；跉W美國家的相關(guān)技術(shù)，綜合缺陷結(jié)構(gòu)以及應(yīng)力假設(shè)，應(yīng)用主曲線法進(jìn)行斷裂韌性模板分析，進(jìn)行低應(yīng)力工況溫度調(diào)整曲線的建立，如圖1所示。通過分析，各種參數(shù)均符合應(yīng)用需求。

圖1 基于主曲線法溫度調(diào)整曲線對比分析

2.2 分析討論

可見，基于ASMEⅧ與EN13445等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行分析，我國壓力容器規(guī)范放脆斷條款技術(shù)主要為轉(zhuǎn)變溫度法。此種方式在應(yīng)用中將材料的韌性作為唯一的考量因素，并沒有對板厚參數(shù)、缺陷以及應(yīng)力等相關(guān)因素對材料最低設(shè)計溫度產(chǎn)生的影響進(jìn)行全面分析。根據(jù)研究分析，我國壓力容器應(yīng)用鋼的低溫性能可以充分地保障各種材料在相對較低的溫度中應(yīng)用安全性，但是，總的來說，壓力容器規(guī)范還是存在一定的缺陷性，其中，缺乏科學(xué)合理的材料，最低設(shè)計溫度確定方法是限制材料在低溫狀態(tài)下直接應(yīng)用的主要因素。

在HG20585-1998《鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)定》中，綜合考ASMEⅧ-1低應(yīng)力工況下的溫度調(diào)整曲線，并且制定了設(shè)計溫度的參數(shù)表，其各項數(shù)值與曲線整體保持一致，但是，綜合應(yīng)力安全系數(shù)的差異性，在一定程度上調(diào)低了應(yīng)力的綜合水平，低應(yīng)力工況溫度調(diào)整值主要就是基于材料最低設(shè)計溫度為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，因此低應(yīng)力工況溫度的調(diào)整曲線要配合最低設(shè)計溫度曲線進(jìn)行應(yīng)用。因此，在最新的版本中已經(jīng)刪除了相關(guān)內(nèi)容。

通過分析低應(yīng)力工況溫度調(diào)整曲線，綜合低溫低應(yīng)力工況的標(biāo)準(zhǔn)拓寬應(yīng)用范圍，可以在一定程度上增強曲線整體的實用性?？梢杂行M足在移動式低溫罐車以及罐箱用碳鋼低合金鋼中在-40℃中的應(yīng)用需求，在一定程度上有效地滿足了實際的需求。

其中，曲線應(yīng)用材料的屈服強度參數(shù)為550MPa，板厚在AW態(tài)中的參數(shù)為38mm；而在PWHT態(tài)中的參數(shù)為100mm，在曲線應(yīng)用中，要避免其高于各項參數(shù)的上限值。高強度材料厚板結(jié)構(gòu)材料的低應(yīng)力溫度調(diào)整參數(shù)則要根據(jù)實際狀況進(jìn)行斷裂力學(xué)評定分析，基于結(jié)構(gòu)試驗對其進(jìn)行判定處理。

2.3 結(jié)論

基于我國壓力容器規(guī)范要求的，低溫低應(yīng)力工況規(guī)定要求進(jìn)行分析，研究了相對理論知識，對板厚以及強度對低應(yīng)力溫度調(diào)整值的規(guī)律進(jìn)行分析，建立在曲線法上的低應(yīng)力溫度調(diào)整曲線，對主要結(jié)論如下：

（1）低應(yīng)力工況溫度調(diào)整值在板厚以及材料強度的增加中而出現(xiàn)增大的變化；應(yīng)用壓力容器規(guī)范進(jìn)行防脆斷調(diào)控應(yīng)用的最大厚度以及其最高強度要建立在低應(yīng)力工況溫度下的調(diào)整曲線。

（2）應(yīng)用主曲線進(jìn)行斷裂韌性模型建立基礎(chǔ)，進(jìn)行低應(yīng)力工況溫度調(diào)整準(zhǔn)則的分析，要根據(jù)實際狀況科學(xué)合理的選材，最低設(shè)計溫度則是整個基礎(chǔ)性要求。

（3）我國的壓力容器應(yīng)用鋼的性能可以充分地保障材料在相對更低的溫度中安全應(yīng)用，在壓力容器規(guī)范中缺乏對材料合理應(yīng)用的最低設(shè)計溫度評判的要求是限制其應(yīng)用的主要因素。

3 結(jié)語

低溫壓力容器的使用在工業(yè)中具有重要的作用，通過科學(xué)的方式分析研究壓力容器低溫低應(yīng)力工況原理及其溫度調(diào)整準(zhǔn)則，可以有效地了解低溫壓力容器的各項因素以及性能，進(jìn)而達(dá)到在設(shè)計中優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)的目的，充分地凸顯其在工業(yè)生產(chǎn)中的優(yōu)勢，這樣才可以為我國工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。