GB150與ASMEⅧ-1低溫沖擊試驗(yàn)比較分析
1.GB150與ASMEⅧ-1規(guī)范關(guān)于沖擊試驗(yàn)判斷的區(qū)別
我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)GB150和ASME Ⅷ-1規(guī)范在是否做沖擊試驗(yàn)的判斷條件上存在不同之處。GB150.1-2011規(guī)定:設(shè)計(jì)溫度低于-20℃的碳素鋼、低合金鋼、雙相不銹鋼和鐵素體不銹鋼制容器為低溫容器。低溫容器用材料必須做夏比V型缺口沖擊試驗(yàn),其試驗(yàn)溫度不高于設(shè)計(jì)溫度,沖擊功應(yīng)滿足該溫度下標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)值,此時沖擊試驗(yàn)唯一豁免的條件是:容器處于“低溫低應(yīng)力工況”,具體“低溫低應(yīng)力”概念詳見GB150.3-2011附錄E規(guī)定,不過“低溫低應(yīng)力工況”不適用于鋼材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值Rm≥540MPa的材料以及螺栓材料。
對于設(shè)計(jì)溫度在-20℃~0℃范圍內(nèi)的容器,由于我國板材及鍛件在出廠前只做0℃沖擊試驗(yàn),所以在材料采購時需提出-20℃沖擊試驗(yàn)要求,以滿足容器在-20℃~0℃溫度下的韌性要求,其沖擊功指標(biāo)不低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定0℃沖擊功值。GB150.2-2011規(guī)定:對于Q245R、Q345R 、13MnNiMoR鋼板,20、16Mn、20MnMo鍛件,如需規(guī)定進(jìn)行-20℃沖擊試驗(yàn)時,應(yīng)在設(shè)計(jì)文件中注明。
另外,材料厚度不同所呈現(xiàn)的韌性也不同,因此GB150.2-2011中規(guī)定:殼體厚度大于60mm的鋼板應(yīng)進(jìn)行V型缺口沖擊試驗(yàn)。
ASMEⅧ-1規(guī)范1989版至現(xiàn)行版本,取消了低溫容器的概念,是否做沖擊試驗(yàn)由材料組別、控制厚度及最低設(shè)計(jì)金屬溫度共同決定,試驗(yàn)溫度不得高于最低設(shè)計(jì)金屬溫度,沖擊功滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定即可。
2.相比GB150而言,ASMEⅧ-1規(guī)范有如下特點(diǎn):
(1)沒有一個固定溫度值來判斷是否做沖擊試驗(yàn);
(2)設(shè)計(jì)溫度低于-20℃不一定必須做沖擊試驗(yàn),而設(shè)計(jì)溫度高于-20℃甚至0℃以上也不一定免除沖擊試驗(yàn);
(3)同一組別材料,相同控制厚度,不同設(shè)計(jì)溫度,或相同設(shè)計(jì)溫度,不同控制厚度,是否需要沖擊試驗(yàn)的情況也是不同的;
(4)在某一條款中要求做沖擊試驗(yàn),可能在其它條款中被免除,也就是說“應(yīng)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)”的判定不一定是最終結(jié)果,而“沖擊試驗(yàn)豁免”的判定才是最終的結(jié)論。
3.ASMEⅧ-1規(guī)范中沖擊豁免的步驟
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:
3.1.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。
如同時滿足上述要求時,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。
3.2.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,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,比值S=trE/(tn-c)≤0.35時,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。
3.3.第三步:按UCS-66(a)進(jìn)行判斷
按此條進(jìn)行判斷時一定要準(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。
3.4.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,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,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。
4.結(jié)語
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。
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