GB150与ASMEⅧ-1规范压力容器冲击试验豁免的判断及影响因素

1、前言

    容器选材除考虑材料具有一定的强度、良好工艺性及焊接性是不够的，有时还需考虑低温工况下材料具有足够的韧性，目前评价材料低温韧性最常见的方法是夏比V型缺口冲击试验法，由于容器在低温工况下容易产生脆性断裂，危害较大，因此判断材料是否需要冲击试验对设备安全性而言有着举足轻重的作用。

2 、GB150与ASMEⅧ-1规范关于冲击试验判断的区别

我国压力容器标准GB150和ASME Ⅷ-1规范在是否做冲击试验的判断条件上存在不同之处。

GB150.1-2011规定：设计温度低于-20℃的碳素钢、低合金钢、双相不锈钢和铁素体不锈钢制容器为低温容器^[1]。低温容器用材料必须做夏比V型缺口冲击试验，其试验温度不高于设计温度，冲击功应满足该温度下标准要求的数值，此时冲击试验唯一豁免的条件是：容器处于“低温低应力工况”，具体“低温低应力”概念详见GB150.3-2011附录E规定，不过“低温低应力工况”不适用于钢材标准抗拉强度下限值R_m≥540MPa的材料以及螺栓材料。

    对于设计温度在-20℃～0℃范围内的容器，由于我国板材及锻件在出厂前只做0℃冲击试验，所以在材料采购时需提出-20℃冲击试验要求，以满足容器在-20℃～0℃温度下的韧性要求，其冲击功指标不低于标准规定0℃冲击功值。GB150.2-2011规定：对于Q245R、Q345R 、13MnNiMoR钢板，20、16Mn、20MnMo锻件,如需规定进行-20℃冲击试验时，应在设计文件中注明。

    另外，材料厚度不同所呈现的韧性也不同，因此GB150.2-2011中规定：壳体厚度大于60mm的钢板应进行V型缺口冲击试验。

    ASMEⅧ-1规范1989版至现行版本，取消了低温容器的概念，是否做冲击试验由材料组别、控制厚度及最低设计金属温度共同决定，试验温度不得高于最低设计金属温度，冲击功满足标准规定即可。

相比GB150而言，ASMEⅧ-1规范有如下特点：

(1)没有一个固定温度值来判断是否做冲击试验；

(2)设计温度低于-20℃不一定必须做冲击试验，而设计温度高于-20℃甚至0℃以上也不一定免除冲击试验；

(3)同一组别材料，相同控制厚度，不同设计温度，或相同设计温度，不同控制厚度，是否需要冲击试验的情况也是不同的；

(4)在某一条款中要求做冲击试验，可能在其它条款中被免除，也就是说“应进行冲击试验”的判定不一定是最终结果，而“冲击试验豁免”的判定才是最终的结论。

3、ASMEⅧ-1规范冲击试验豁免的判断

在ASME Ⅷ-1规范中通常以取得豁免条件来判断材料是否做冲击试验的依据。碳钢、低合金钢制压力容器壳体、封头、接管、人孔、补强板、法兰、管板、平盖板以及永久保留的焊接衬垫和焊接到受压元件上的对容器的结构完整性必不可少的附件等零件取得“冲击试验豁免”的条件总结如下：

第一步：按UG-20(f)判断

(1)设计温度范围为-29℃≤T≤345℃；（注：由于低温季节大气温度的影响，操作温度偶然低于-29℃是允许的）；

(2)容器不存在热冲击、机械冲击或循环载荷；

(3)容器制造完毕后按照UG-99(b)或UG-99(C)进行液压试验，一般容器是做液压试验的，除非结构等原因采用UG-100进行气压试验；

(4)对于P-No.1.1或P-No.1.2组材料：

① 按UCS-66属曲线A的材料，其控制厚度不超过13mm，常见曲线A材料有：SA-283、SA-285-C、SA-36、SA-515-70等；

② 按UCS-66属曲线B、C或D材料，其控制厚度不超过25mm，常见曲线B、C、D材料有：SA-516-70、SA-105、SA-106-B等。

如同时满足上述要求时，材料可免除冲击试验，否则，只要有一条不满足，转入第二步进行判断。

第二步：直接取得冲击试验豁免的条件

(1)最低设计金属温度高于50℃，任何组别材料的任何厚度均不需要冲击试验；

(2)设计金属温度不低于-48℃，且厚度不大于2.5mm的不需要冲击试验；

(3)采用UCS-66曲线A的材料制造金属保留垫板，且厚度不大于6mm，若最低设计金属温度不低于-29℃时不需要冲击试验；

(4)选择以下标准法兰，如最低设计金属温度不低于-29℃时，可免做冲击试验；

①  ASME B16.5铁素体钢法兰;

②  ASME B16.47铁素体钢法兰;

③  SA-216 Gr WCB剖分式松式法兰，级别不大于150磅或300磅。

(5)当最低设计金属温度低于-48℃且不低于-105℃时，比值S=t_rE/(t_n-c)≤0.35时，免做冲击试验;

 (6)对于DN≤100mm，且为P-No.1组材料的管子，其最低设计金属温度不低于-105℃，只要材料厚度不大于下表所列最低屈服强度对应的厚度值，可免做冲击试验。

(7) 当ASME Ⅷ-1规范中未要求强制热处理而进行热处理的P-No.1组材料，允许最低设计温度可降低17℃，即便此时温度已低于-48℃。

(8)对于螺栓、螺母免做冲击试验的最低设计金属温度详见ASME Ⅷ-1篇UCS-66总注(c)的规定。

第三步：按UCS-66(a)进行判断

按此条进行判断时一定要准确计算出元件的“控制厚度”。当最低设计金属温度和材料控制厚度的相交点落在对应材料曲线上或者上方，可免做冲击试验，如果相交点落在对应曲线的下方，则需要进行第四步判断。

第四步：按UCS-66(b)进行判断

按照UCS-66(a)未得到免除冲击的元件，如果比值S=t_rE/(t_n-c)＜1，且元件的最低设计金属温度不低于-48℃时，可继续按本条进行判断，并计算MDMT降低值，当降低后得到的温度低于所要求的MDMT，则此元件材料免做冲击试验。

MDMT降低值可根据比值S按照UCS-66(b)中图表查出，当降低值不超过22℃时，可按下面公式计算：MDMT降低值=(1- S)×56℃，对于不承受总体一次薄膜拉伸应力的元件，如平封头、平盖、管板和法兰(包括螺栓和螺母)，比值S为最大设计压力与最大许用压力之比。

通过上述四步筛选，如果冲击试验还不能豁免，别无选择，容器所用材料只能进行MDMT下的冲击试验，冲击功满足标准规定要求。

因为冲击试验对压力容器制造厂来说是一项较大的花费，所以，设计者应该尽一切努力来避免它。可以通过增加元件的控制厚度或选用韧性较好、级别较高材料的方法来避免冲击试验，但此时应考虑设备的经济性，为避免冲击试验，增加这些费用是否值得。

4、影响冲击试验豁免的主要因素

(1)应力水平的影响

根据UCS-66(b)曲线可判断，随着比值S（代表设计应力与材料许用应力之比）的降低，同一组别材料允许的最低设计金属温度也随之降低，当S≤0.35时，免做冲击试验的最低设计金属温度可达-105℃，因此说，应力水平降低，元件所允许的最低设计金属温度也随之降低，材料冲击试验豁免的可能性就越大。

（2）材料厚度的影响

材料厚度不同，所呈现的韧性也不同，同一材料，较薄时，由于材料两自由表面不受约束，在拉伸时易产生垂直板表面的变形而不存在垂直于板表面方向的应力，处于二向应力状态^[3]，较厚时，材料除表面外其余部分由于受到相邻材料的约束存在垂直板表面方向的应力，处于三向应力状态^[3]，因此较厚材料的韧性低于较薄材料。从UCS-66(a)表可看出，在同一曲线上，厚度越薄所允许的最低设计金属温度就越低，材料冲击试验豁免的可能性就越大。

在这点上GB150.2-2011表4中也有相应的体现，同样做0℃冲击的Q345R钢板，厚度小于20mm时，最低使用温度可达-20℃；厚度大于25mm时，最低使用温度只能用在0℃。

(3)材料强度的影响

对于中低强度材料，抗拉和屈服强度低，发生脆性断裂的趋势小，相反，强度越高发生脆性断裂的机会就越大，因此ASMEⅧ-1规范中明确规定最小屈服强度大于450MPa的材料必须做冲击试验^[2]。

(1)热处理的影响

由于热处理改善材料金相组织，细化晶粒，减少残余应力，提高材料韧性，改善材料的防脆断能力，因此ASMEⅧ-1规范中对同样厚度的同组别材料，正火状态的材料比非正火状态的材料所允许最低设计金属温度低；另外规范中未要求强制热处理而进行热处理的P-No.1组材料，允许最低温度可降低17℃，免冲击试验温度可低于-48℃^[2]。

5、结束语

容器发生脆性断裂的危害性较大，作为设计者正确选材及准确判断是否需要冲击试验尤为重要，GB150与ASMEⅧ-1规范在冲击试验要求上有所不同，因此我们应全面理解规范，理清思路，才能得出正确、合理的结论。

符号说明:

R_m－材料抗拉强度，MPa；

t_r －对所有载荷（UG-22所列载荷）并根据焊接接头系数在腐蚀下所需的厚度，mm；

E－焊接接头系数；

t_n－未扣除腐蚀裕量元件的公称厚度，mm；

c－腐蚀裕量，mm。