談劍榮

(上海工程化學(xué)設(shè)計(jì)院有限公司)

ASME低溫用鋼國內(nèi)應(yīng)用探討

談劍榮*

(上海工程化學(xué)設(shè)計(jì)院有限公司)

低溫容器用途日益廣泛。由于國內(nèi)低溫用鋼可選擇性差等一些因素，ASME低溫用鋼在國內(nèi)項(xiàng)目中被大量使用。隨著新容規(guī)（TSG R0004—2009）及其實(shí)施意見的頒發(fā)，對低溫容器設(shè)計(jì)有了更高更具體的要求。對選用ASME低溫用鋼而按國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的情況進(jìn)行了探討，分析了ASME與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)體系的不同處，指出設(shè)計(jì)時(shí)對材料本體需注意的一些問題并提出解決方案，同時(shí)也對設(shè)計(jì)ASME低溫用鋼容器會(huì)遇到的一些問題作了提醒和解釋。關(guān)鍵詞 壓力容器 ASME 低溫 碳鋼 低合金鋼 國內(nèi)

0 概述

低溫容器應(yīng)用越來越廣泛。由于它工況特殊，其結(jié)構(gòu)、選材、檢驗(yàn)等均有特別之處，需要對現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)有更透徹的理解才能設(shè)計(jì)合理安全的結(jié)構(gòu)。同時(shí)國內(nèi)低溫用鋼存在可選擇性較差、應(yīng)用歷史較短等問題，現(xiàn)國內(nèi)大量工程應(yīng)用國外低溫用鋼，尤其是ASME低溫用碳鋼和低合金鋼及鎳系低溫鋼。隨著TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》 （以下簡稱 《固容》）及其實(shí)施意見的頒發(fā)，對低溫容器設(shè)計(jì)有了更高更具體的要求，尤其是使用國外低溫用鋼時(shí)。這又要求設(shè)計(jì)人員對ASME標(biāo)準(zhǔn)和材料有一個(gè)較為清晰的理解，才能符合國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。另外由于國內(nèi)外低溫材料研究和應(yīng)用的先進(jìn)性不同，標(biāo)準(zhǔn)制定的科學(xué)性不同，需要我們作更多的研究和探討。下面簡單介紹ASME鋼材標(biāo)準(zhǔn)，其特性同樣適用于ASME低溫用鋼。

ASME壓力容器用鋼材標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)完整體系，而不是簡單的合訂本。ASME鋼材標(biāo)準(zhǔn)是市場經(jīng)濟(jì)模式下由供需雙方共同編制的，它是以反映鋼材使用者的要求為主的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是壓力容器規(guī)范的一個(gè)組成部分。在使用ASME鋼材標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，一般均有用戶采購技術(shù)規(guī)范來補(bǔ)充、完善。鋼材標(biāo)準(zhǔn)中有相當(dāng)多的條款是為采購 （合同）和用戶檢查驗(yàn)收所用的，如訂貨須知、外觀、檢查、拒收和復(fù)審、質(zhì)量證明文件、產(chǎn)品標(biāo)志、包裝等。這對國內(nèi)壓力容器設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求。

1 分析與討論

1.1 ASME與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的低溫界限和沖擊試驗(yàn)

首先對GB150附錄C中低溫容器設(shè)計(jì)的低溫界限進(jìn)行說明。我國標(biāo)準(zhǔn)將低溫限統(tǒng)一定為-20℃并沒有科學(xué)依據(jù)，只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)人為地劃定一個(gè)界限，對于有些材料具有不合理性。而目前ASME對于低溫容器采用了根據(jù)材料組別、厚度、應(yīng)力水平和材料熱處理狀態(tài)，通過計(jì)算確定材料允許的最低設(shè)計(jì)金屬溫度(MDMT)的方法。若容器的使用溫度低于允許的MDMT，則屬低溫范圍，要求進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。這種方法建立在大量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，它運(yùn)用斷裂力學(xué)的判據(jù)，針對每種材料的性能、厚度、熱處理狀態(tài)分別確定低溫限，是比較科學(xué)的方法。這種方法與我國目前的標(biāo)準(zhǔn)有著明顯的區(qū)別。

一般ASME容器，是按每個(gè)受壓元件是否考慮沖擊來確定的。第一步是看容器是否可以依照UG-20（f）這條豁免沖擊，如果直接豁免了，后面的就不用考慮了。第二步，如果沒有豁免就使用UCS-66查表，厚度與MDMT的交點(diǎn)落在曲線上方是豁免，落在下方就要做沖擊試驗(yàn)，但有時(shí)候落在下方也可以不做沖擊試驗(yàn)，因?yàn)閁CS-66的曲線圖是在滿應(yīng)力情況下測試得來的，實(shí)際情況是所設(shè)計(jì)的容器并不在滿應(yīng)力下工作，所以有個(gè)比值，就是按圖UCS-66.2對MDMT值予以降低，最終得出MDMT來判斷是否豁免。而若按GB150進(jìn)行低溫設(shè)計(jì)同時(shí)采用ASME低溫用鋼，則必須做沖擊試驗(yàn) （不考慮低溫低應(yīng)力工況）。這時(shí)必須注意，在UCS-66中有一條注說：應(yīng)用UCS-66中免做沖擊試驗(yàn)的規(guī)定，并不確保這些材料作沖擊試驗(yàn)時(shí)，其結(jié)果能滿足UG-84的沖擊能量的要求。在GB150低溫設(shè)計(jì)中，對焊縫和熱影響區(qū)的低溫夏比 （V形缺口）沖擊試驗(yàn)取樣方法和合格指標(biāo)完全按母材的要求確定，這點(diǎn)比ASME嚴(yán)格。在ASME中除了UG-20(f)的免試規(guī)定外，還有很多情況也可以免做焊縫和熱影響區(qū)的沖擊試驗(yàn)，詳見UCS-67。

1.2 ASME與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)材料的使用溫度下限

ASME規(guī)范沒有明確說明某種材料可以使用的最低溫度，但是它給出了類別-厚度-最低試驗(yàn)溫度關(guān)系。比如說SA516-70（正火或淬火加回火狀態(tài)，≤25mm）有-46℃時(shí)作沖擊試驗(yàn)的要求，也就是說SA516-70可以使用到這個(gè)溫度。假設(shè)和鋼廠簽定合同說明了試驗(yàn)溫度及沖擊功要求，若鋼廠在-55℃的時(shí)候讓SA516-70的材料沖擊功滿足了ASME的要求，那這批材料就是可以使用到-55℃的。當(dāng)然也有另外一種觀點(diǎn)認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)中的最低沖擊試驗(yàn)溫度就是材料的使用溫度下限，理由是母材在最低沖擊試驗(yàn)溫度下可滿足沖擊要求，但焊縫不一定能達(dá)到這個(gè)沖擊功。

國內(nèi)關(guān)于使用溫度下限陳述的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范列于表1。最新的 《固容》實(shí)施意見對使用溫度下限有了明確數(shù)值，低溫鋼材使用溫度下限即為最低沖擊試驗(yàn)溫度。

表1 使用溫度下限的有關(guān)規(guī)范

1.3 ASME材料要求與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的差距

（1）隨著《固容》及其實(shí)施意見的頒布，其對低溫容器的設(shè)計(jì)、材料等方面的要求更趨嚴(yán)格。將其應(yīng)用于ASME低溫用鋼時(shí)， 《固容》中須注意的條款有如下幾項(xiàng) （以下引用時(shí)仍保留原 《固容》中的章節(jié)序號(hào)）：

2.2 熔煉方法 （此處不引述）；

2.3.1 用于焊接的碳素鋼和低合金鋼C≤0.25%；

2.3.2 （3）用于設(shè)計(jì)溫度低于-20℃并且標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值小于540 MPa的鋼材，P≤0.025%、S≤0.012%；

2.3.2 （4）用于設(shè)計(jì)溫度低于-20℃并且標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值大于或者等于540 MPa的鋼材，P≤0.020%、 S≤0.010%；

2.4.1 沖擊功 （此處不引述）；

2.4.2 斷后伸長率 （此處不引述）；

2.9 境外牌號(hào)材料的使用 （此處不引述）。

（2）需要特別注意的是在GB150附錄C的

2.1.3 條中規(guī)定，殼體的鋼板厚度大于20 mm時(shí)，應(yīng)逐張進(jìn)行超聲檢測，而 《固容》新增的2.5.1條中對厚度≥12 mm的碳素鋼和低合金鋼鋼板用于壓力容器殼體時(shí)針對介質(zhì)危害高、濕H2S腐蝕、高壓等情況也提出了逐張超聲檢測的要求。按GB150材料篇調(diào)質(zhì)狀態(tài)使用的低溫鋼超聲要求為不低于Ⅱ級(jí)， 《固容》實(shí)施意見特別指出，大于16 mm的調(diào)質(zhì)鋼板超聲檢測質(zhì)量等級(jí)須符合Ⅰ級(jí)。

（3）ASME低溫用碳鋼和低合金鋼的磷、硫含量基本都不符合 《固容》的要求，而碳含量部分能滿足，所以在選用ASME用鋼時(shí)對其化學(xué)成分磷、硫、碳含量都需對比 《固容》并提出要求。

（4） 對 《固容》 的 “2.4.2斷后伸長率” 條款需注意下述2點(diǎn)。

1）若ASME鋼板標(biāo)準(zhǔn)中斷后伸長率指標(biāo)高于《固容》表2-2規(guī)定的，還應(yīng)當(dāng)符合相應(yīng)鋼板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2）采用不同尺寸試樣的斷后伸長率指標(biāo)，應(yīng)當(dāng)按照GB/T 17600.1《鋼的伸長率換算第1部分：碳素鋼和低合金鋼》進(jìn)行換算，換算后的指標(biāo)應(yīng)當(dāng)符合 《固容》表2-2的規(guī)定值及相應(yīng)鋼板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。現(xiàn)舉例如下。

例 1:ASME SA516-60級(jí) 40 mm（寬）×10 mm（厚）、標(biāo)距200 mm的試樣，伸長率為25%（滿足SA516-60級(jí)規(guī)定值21%），換算成標(biāo)距為A，即5.65(S0)0.5的伸長率。答案是：根據(jù)GB/T 17600.1表4換算為A=25%×1/0.796=31.41%，修約到31%。

對照 《固容》鋼板標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值小于等于420 MPa的斷后伸長率為大于等于23%，所以該鋼板滿足 《容規(guī)》要求。

ASME對材料標(biāo)準(zhǔn)試樣的制備和要求按SA-20和SA-370中的規(guī)定。對伸長率要求的修正見SA-20。由以上舉例說明可知，對具體特定厚度的ASME材料的伸長率要求必須換算為 《固容》的尺寸試樣指標(biāo)，這樣才能知道究竟是否滿足 《容規(guī)》的要求。

（5）ASME材料要求與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有所不同。為方便設(shè)計(jì)，表2羅列了按國內(nèi)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)而選用ASME低溫用鋼時(shí)對材料本體須添加或注意的一些內(nèi)容。

表2 選用ASME低溫用鋼時(shí)須注意的事項(xiàng)

2 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)應(yīng)用ASME低溫用鋼存在的問題

（1）由于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的限制，對于液氨儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)人員往往以Q345R作為首選的設(shè)計(jì)材料。但事實(shí)上，由于Q345R材料的最低抗拉強(qiáng)度接近于540 MPa，在低溫下其抗拉強(qiáng)度更高，在液氨應(yīng)力腐蝕生成的環(huán)境下很容易形成應(yīng)力腐蝕裂紋，這在制冷行業(yè)是有很多經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的。建議改選強(qiáng)度較低的Q245R，這樣就不會(huì)有明顯的應(yīng)力腐蝕的危險(xiǎn)了。同理，在選用國外材料時(shí)也應(yīng)注意不宜選用強(qiáng)度較高的SA516-70級(jí)別的材料。

（2）HG20585-1998《鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)定》的4.0.11條規(guī)定，采用國外低溫壓力容器用鋼材進(jìn)行設(shè)計(jì)或施工者，也必須符合本規(guī)定 （4.0.4條）對材料的相應(yīng)要求，材料的許用應(yīng)力按GB150規(guī)定的安全系數(shù)計(jì)取。

筆者認(rèn)為，ASME的抗拉強(qiáng)度的安全系數(shù)（3.5）較GB150（3.0）大，既然應(yīng)用了ASME的鋼材標(biāo)準(zhǔn)，若在使用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)采用GB150或 《固容》的抗拉強(qiáng)度安全系數(shù) （2.7），即假設(shè)材料的許用應(yīng)力是由抗拉強(qiáng)度的安全系數(shù)決定的，這樣就提高了材料的許用應(yīng)力，設(shè)備反而變得不安全。不能認(rèn)為國內(nèi)規(guī)范的安全系數(shù)也適用于國外材料，除非為了更安全起見而應(yīng)用于安全系數(shù)較GB150低的情況。材料的力學(xué)性能，尤其是許用應(yīng)力，是和材料的化學(xué)成分、失效模式等相關(guān)的，即使是力學(xué)性能相近的國內(nèi)外材料，其化學(xué)成分也是存在差別的。

（3）在GB151換熱器強(qiáng)度脹接的適用范圍中只提到設(shè)計(jì)溫度小于等于300℃，沒說是否適用于低溫容器。實(shí)際上低溫鋼溫度越低，強(qiáng)度越大，且由于強(qiáng)度脹管板材料須大于換熱管強(qiáng)度，開槽又助長了應(yīng)力集中，管板和換熱管均易在使用中產(chǎn)生微裂紋。由于脹接時(shí)的加工硬化，低溫下材料塑性變差，管板和換熱管能否緊密貼合也值得懷疑。所以當(dāng)材料低溫使用其抗拉強(qiáng)度接近于540 MPa時(shí)，尤其是應(yīng)用于對應(yīng)力敏感的介質(zhì)時(shí)，不宜用強(qiáng)度脹。一些ASME低溫用鋼最低沖擊試驗(yàn)溫度值較低，而最高抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于540 MPa，如SA-203 D級(jí)最低沖擊試驗(yàn)溫度為-101℃，當(dāng)設(shè)備使用于該低溫工況下管板開槽處時(shí)，其實(shí)際的應(yīng)力值就更高了，所以更要避免強(qiáng)度脹。

（4）由于ASME對材料生產(chǎn)廠家資格沒有任何要求，不比生產(chǎn)ASME鋼印產(chǎn)品需要認(rèn)證手續(xù)，采購材料時(shí)外商往往層層轉(zhuǎn)包，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量有時(shí)無法保障，在國內(nèi)復(fù)驗(yàn)若不合格再行國外訂購則會(huì)打亂工程周期，損失巨大。為防意外，注明大家公認(rèn)的ASME低溫用鋼材料生產(chǎn)國或生產(chǎn)商是有必要的。

3 總結(jié)

ASME低溫用鋼標(biāo)準(zhǔn)總體上與 《固容》及其實(shí)施意見的要求有一定差距，但由于它在業(yè)內(nèi)具有長期不可動(dòng)搖的地位，因此ASME低溫用鋼是很多用戶的首選。當(dāng)我們采用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)而選用ASME低溫鋼時(shí)，只要認(rèn)真研究其內(nèi)容，并結(jié)合國內(nèi)不斷更新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和具體設(shè)備情況提出必要的補(bǔ)充要求，就可以設(shè)計(jì)制造出各方滿意的產(chǎn)品。反之，則適得其反。

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.TSG R0004-2009.固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].2009.

[2]ASMEⅧ-Ⅰ.壓力容器建造規(guī)則：第一冊[S].2004.

[3]王非，林英.化工設(shè)備用鋼[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[4]國家石油和化學(xué)工業(yè)局.HG 20585-1998.鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)定[S].1998.

[5]國家技術(shù)監(jiān)督局.GB 150-1998.鋼制壓力容器 （附錄C）：低溫壓力容器[S].1998.

Analysis of ASME Cryogenic Steel Apply in Domestic

Tan Jianrong

As the growing of domestic cryogenic vessel and there are a few kinds of cryogenic steel in domestic，the ASME cryogenic steel have been applied in more and more Chinese chemical enterprise.We should perfect the technical specification to the cryogenic vessel with the issue of the“Supervision Regulation on Safety Technology for Stationary Pressure Vessel(TSG R0004-2009)”.In this paper we debate upon the situation that the ASME cryogenic steel selected using in our country and analyze the difference between ASME and domestic code,then point out the problems we often meet and propose the solutions,meanwhile give some tips when we design the cryogenic vessels.

Pressure vessel;ASME;Cryogenic;Carbon steel;Low-alloy steel;Domestic

TQ 050.4+1

*談劍榮，男，1972年11月生，工程師。上海市，200235。

2011-04-02)