压力容器的防脆断设计

（学习笔记，有误还请指正）

钢材脆性断裂的危险性在于，在名义应力很低（不是实际应力）的情况下，内部裂纹迅速扩展，发生断裂，断口的塑性变形很小（或几乎不发生），吸收的能量很小[1]。高强度钢制容器、低温条件下服役的容器、中低强度钢制的厚壁容器等，都可能出现脆性断裂[2]。

原因分别为：

1 高强钢的屈强比都较大，材料的韧性较差；

2 温度下降，材料的强度增强，屈强比变大，韧性下降；

3 钢板厚度较厚，裂纹尖端的应力场由平面应力状态向平面应变状态转变，裂纹尖端性变形受到限制，容易发生脆断[1]。

另外，需要指出的是，任何材料和工程结构都不可避免存在裂纹等缺陷，它们是材料固有的，或者是加工制造或使用过程中造成的损伤[2]。

压力容器设计应先确定容器最有可能发生的失效形式，选择合适的失效判据和设计准则。而传统的设计准则，如弹性失效设计准则等，假设材料是均匀、连续的，无法考虑脆性断裂。所以，对上述可能出现脆性断裂的压力容器，除保证足够的强度之外，还应采用断裂失效设计准则，进行“防脆断设计”，可按断裂力学原理限制缺陷的尺寸，或提出材料的韧性指标[3]。

1989年之前版本的ASME VIII-1规定，-30℃以下的容器，应保证其夏比V型缺口试样的冲击功（CVN值）不小于20J。这样单纯地以CVN值作为防脆断能力的指标，对中低强度钢来说是合适的，但在中高强度钢、高强度钢制容器上暴露了不足。例如，强度高、延塑性差的材料和强度低、延塑性好的材料，两者的冲击功相近，但它们的防脆断能力差别很大。[4]

ASME VIII-1从1989年版开始引入以线弹性断裂力学为基础的防脆断措施。按照断裂力学的观点，材料和焊接接头中，一定厚度范围内的、规定尺寸范围的缺陷是允许存在的，关键在于控制这些缺陷不发生扩展。若应力强度因子K_I小于临界应力强度因子K_IC，则可认为缺陷不会扩展，容器是安全的。[4] [5]

K_I与名义应力、裂纹尺寸有关，而在规定的制造工艺和无损检测要求及合格评定条件下，裂纹尺寸与材料的厚度成比例。而K_IC为材料的固有特性，表征材料的断裂韧性，与材料的厚度、使用温度及加载速度有关。但K_IC的测定复杂，基于K_IC与CVN值在数值上的对应关系，将K_IC转化为CVN值，所以形式上仍以CVN值来评定材料的抗脆断能力。[4] [5]

ASME VIII-1的防脆断设计如下[4][6]：

1 按图UCS-66，以元件的厚度、最低设计金属温度，及材料类型，判断是否需要采取防脆断措施，如要求进行冲击试验，并限定其合格的CVN值；

2 在图UCS-66.1M中计及了较低的实际应力水平对防脆断能力的提高，以所需厚度与名义厚度的比值，代表实际应力水平；

3 UCS-68(C)考虑了焊后热处理对金属组织的改善，及降低残余应力，对防脆断能力的提高；

4 UCS-84(C)考虑了试样尺寸较小时对冲击试验调整；

5 加载速度不同的影响，见UG-84一节；

6 冲击功的合格指标按UG-84(C)(4)确定。

GB/T150-2011的防脆断设计与1989年版以前的ASME VIII-1相似，在理念上与如今的ASME版本有着一定的差距[5]。

参考文献

[1] 武延民. 低温下结构钢材脆性断裂发生条件下的试验分析. 低温建筑技术, 2003(4)

[2] 郦正能. 工程断裂力学. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2012

[3] 王志文, 蔡仁良. 化工设备设计(第三版). 北京: 化学工业出版社, 2005

[4] 丁伯民. ASME VIII压力容器规范分析. 北京: 化学工业出版社, 2014

[5] 阮黎祥. 国内外关于低温压力容器设计理念的比较. 压力容器, 2012,29(8)