ASME低溫沖擊試驗(yàn)及金屬降低溫度計(jì)算

壓力容器在進(jìn)行低溫操作時(shí)可能會發(fā)生低溫脆裂現(xiàn)象，低溫脆裂的發(fā)生并不是因?yàn)椴牧仙袭a(chǎn)生的應(yīng)力超過了許用應(yīng)力導(dǎo)致的，而是由于材料機(jī)械性能而導(dǎo)致的。為了避免這種情況的發(fā)生，在制造過程中如果是使用在低溫環(huán)境下的容器就需要做低溫沖擊試驗(yàn)。

 1989年前根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)定義統(tǒng)一劃定-30℃為低溫容器，凡不低于-30℃時(shí)，滿足材料標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定夏比V沖擊功后由實(shí)際經(jīng)驗(yàn)證實(shí)不致發(fā)生低溫脆斷，可不作為低溫容器，否則，應(yīng)作為低溫容器而由容器制造廠另加在MDMT下的沖擊試驗(yàn)并滿足其評定要求。

 經(jīng)驗(yàn)發(fā)也并不是完全合理的，夏比V沖擊功只說明斷裂后斷口是脆斷還是延性斷裂，未和元件所受應(yīng)力水平以及低溫脆斷相聯(lián)系，未計(jì)及元件可能存在的缺陷及其大小，和壓力容器元件通常所承受的靜載應(yīng)力有區(qū)別。

 對于現(xiàn)在的ASME標(biāo)準(zhǔn)來說，彌補(bǔ)了之前的不足，對于不同的材料和不同的厚度，ASME標(biāo)準(zhǔn)中加入了判別圖，來計(jì)算材料的MDMT。

 首先如果滿足UG-20(f)節(jié)內(nèi)容可以免除沖擊試驗(yàn)，但是如果不滿足此節(jié)內(nèi)容，也不一定要進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，那就需要用判別圖進(jìn)行判別才可以確定。在ASME標(biāo)準(zhǔn)中，把一些常用的材料分為了四組（A、B、C、D）如圖：

 對于大于0.35的比值來說可以根據(jù)上圖查出可以降低多少溫度，這個(gè)溫度可以疊加到由UCS-66圖中查得的MDMT值，但是和不能低于-48℃，否則無效，必須沖擊試驗(yàn)。對于比值小于0.35情況下，只要材料使用的溫度高于-105℃，就可以不用做沖擊試驗(yàn)。

ASME低溫沖擊的判定（摘錄)

在ASME Ⅷ-1規(guī)范中通常以取得豁免條件來判斷材料是否做沖擊試驗(yàn)的依據(jù)。碳鋼、低合金鋼制壓力容器殼體、封頭、接管、人孔、補(bǔ)強(qiáng)板、法蘭、管板、平蓋板以及永久保留的焊接襯墊和焊接到受壓元件上的對容器的結(jié)構(gòu)完整性必不可少的附件等零件取得“沖擊試驗(yàn)豁免”的條件總結(jié)如下：

第一步：按UG-20(f)判斷

(1)設(shè)計(jì)溫度范圍為-29℃≤T≤345℃；（注：由于低溫季節(jié)大氣溫度的影響，操作溫度偶然低于-29℃是允許的）；

(2)容器不存在熱沖擊、機(jī)械沖擊或循環(huán)載荷；

(3)容器制造完畢后按照UG-99(b)或UG-99(C)進(jìn)行液壓試驗(yàn)，一般容器是做液壓試驗(yàn)的，除非結(jié)構(gòu)等原因采用UG-100進(jìn)行氣壓試驗(yàn)；

(4)對于P-No.1.1或P-No.1.2組材料：

①按UCS-66屬曲線A的材料，其控制厚度不超過13mm，常見曲線A材料有：SA-283、SA-285-C、SA-36、SA-515-70等；

②按UCS-66屬曲線B、C或D材料，其控制厚度不超過25mm，常見曲線B、C、D材料有：SA-516-70、SA-105、SA-106-B等。

如同時(shí)滿足上述要求時(shí)，材料可免除沖擊試驗(yàn)，否則，只要有一條不滿足，轉(zhuǎn)入第二步進(jìn)行判斷。

第二步：直接取得沖擊試驗(yàn)豁免的條件

(1)最低設(shè)計(jì)金屬溫度高于50℃，任何組別材料的任何厚度均不需要沖擊試驗(yàn)；

(2)設(shè)計(jì)金屬溫度不低于-48℃，且厚度不大于2.5mm的不需要沖擊試驗(yàn)；

(3)采用UCS-66曲線A的材料制造金屬保留墊板，且厚度不大于6mm，若最低設(shè)計(jì)金屬溫度不低于-29℃時(shí)不需要沖擊試驗(yàn)；

(4)選擇以下標(biāo)準(zhǔn)法蘭，如最低設(shè)計(jì)金屬溫度不低于-29℃時(shí)，可免做沖擊試驗(yàn)；

①    ASME B16.5鐵素體鋼法蘭;

②    ASME B16.47鐵素體鋼法蘭;

③    SA-216 Gr WCB剖分式松式法蘭，級別不大于150磅或300磅。

(5)當(dāng)最低設(shè)計(jì)金屬溫度低于-48℃且不低于-105℃時(shí)，比值S=trE/(tn-c)≤0.35時(shí)，免做沖擊試驗(yàn);

 (6)對于DN≤100mm，且為P-No.1組材料的管子，其最低設(shè)計(jì)金屬溫度不低于-105℃，只要材料厚度不大于下表所列最低屈服強(qiáng)度對應(yīng)的厚度值，可免做沖擊試驗(yàn)。

最低屈服強(qiáng)度(MPa)

厚度(mm)

140～240       6

250～310       3.2

≥320              2.5

(7) 當(dāng)ASME Ⅷ-1規(guī)范中未要求強(qiáng)制熱處理而進(jìn)行熱處理的P-No.1組材料，允許最低設(shè)計(jì)溫度可降低17℃，即便此時(shí)溫度已低于-48℃。

(8)對于螺栓、螺母免做沖擊試驗(yàn)的最低設(shè)計(jì)金屬溫度詳見ASME Ⅷ-1篇UCS-66總注(c)的規(guī)定。

第三步：按UCS-66(a)進(jìn)行判斷

按此條進(jìn)行判斷時(shí)一定要準(zhǔn)確計(jì)算出元件的“控制厚度”。當(dāng)最低設(shè)計(jì)金屬溫度和材料控制厚度的相交點(diǎn)落在對應(yīng)材料曲線上或者上方，可免做沖擊試驗(yàn)，如果相交點(diǎn)落在對應(yīng)曲線的下方，則需要進(jìn)行第四步判斷。

第四步：按UCS-66(b)進(jìn)行判斷

按照UCS-66(a)未得到免除沖擊的元件，如果比值S=trE/(tn-c)＜1，且元件的最低設(shè)計(jì)金屬溫度不低于-48℃時(shí)，可繼續(xù)按本條進(jìn)行判斷，并計(jì)算MDMT降低值，當(dāng)降低后得到的溫度低于所要求的MDMT，則此元件材料免做沖擊試驗(yàn)。

MDMT降低值可根據(jù)比值S按照UCS-66(b)中圖表查出，當(dāng)降低值不超過22℃時(shí)，可按下面公式計(jì)算：MDMT降低值=(1- S)×56℃，對于不承受總體一次薄膜拉伸應(yīng)力的元件，如平封頭、平蓋、管板和法蘭(包括螺栓和螺母)，比值S為最大設(shè)計(jì)壓力與最大許用壓力之比。

通過上述四步篩選，如果沖擊試驗(yàn)還不能豁免，別無選擇，容器所用材料只能進(jìn)行MDMT下的沖擊試驗(yàn)，沖擊功滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。

因?yàn)闆_擊試驗(yàn)對壓力容器制造廠來說是一項(xiàng)較大的花費(fèi)，所以，設(shè)計(jì)者應(yīng)該盡一切努力來避免它。可以通過增加元件的控制厚度或選用韌性較好、級別較高材料的方法來避免沖擊試驗(yàn)，但此時(shí)應(yīng)考慮設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，為避免沖擊試驗(yàn)，增加這些費(fèi)用是否值得。

新版ASME壓力容器規(guī)范沖擊試驗(yàn)要求的歸納和探討

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