压力容器强度计算是以材料屈服强度作为设计依据,因为传统设计不包含脆性强度概念,没有考虑温度、加载速度、钢板厚度、三向应力状态等引起的脆断因素,所以这种设计不能避免结构脆性断裂。
工程中,脆性断裂时的名义应力往往在低于设计应力时发生,脆性断裂分开裂和裂纹扩展两个阶段,当开裂发生后,裂纹以极高速度扩展断裂,属于无任何征兆的突发性破坏。脆性破坏事故一般发生在较低温度下,而且总是由结构中的缺陷或应力集中处开始。工程上通常通过冲击韧性试验来考核材料的抗脆性断裂能力。
冲击韧性试验发展于1905年左右,最初有各种形式的冲击试验,如夏比锁形冲击试验、夏比V形冲击试验和梅氏冲击试验等。夏比冲击试验是由法国工程师夏比建立起来的,虽然试验中测定的冲击吸收功fl k值缺乏明确的物理意义,不能作为表征金属制件实际抵抗冲击载荷能力的韧性判据,但其试样加工简便、试验时间短,试验数据对材料组织结构、冶金缺陷等敏感而成为评价金属材料冲击韧性应用最广泛的一种传统力学性能试验。通过夏比冲击试验可以评价材料对大能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感性,检查和控制材料的冶金质量和热加工质量,评定材料在高、低温条件下的韧脆转变特性。1968年后,在ASME规范中改用标准夏比V形试样,试验机和试样均已标准化,其具有试验方法简便易行、费用低等优点。
ASMEVIQ早期的防脆断措施,是美国国家标准局对二战期间上百起船舶在低温环境下失效事故分析后得出的结论,要求材料夏比V形冲击功CCVN偷必须保持在20)以上,我国GB 150也采用夏比V形冲击试验方法判定压力容器的低温冲击性能。然而,随着断裂力学的发展,逐渐认识到以断裂力学分析既定材料在既定应力水平、既定尺寸缺陷时会否引起脆性断裂的方法,远比建立在既有经验基础上的CVN值在15ft-lb(20J)以上的方法更为合理、科学。根据断裂力学原理对于具有尺寸a的穿透性裂纹材料,在拉伸应力二作用下,当裂纹尖端的应力场强度因子ICI达到材料的临界应力强度因子I}IC时,该裂纹就失稳扩展,使材料脆性断裂。但由于I}IC值的试验确定过程十分复杂,且耗资巨大。为此,基于前人在一定条件下得到的I}IC值和夏比冲击功CVN值在数值上的对应关系,将I}IC值换成CVN值,在规范中仍沿用测量和评定CVN值方法。ASMEVIQ-1在1987年增补时开始采用这一方法,并于1989年起纳入规范正文。
ASME II卷中碳钢和低合金钢制造条件中并不提供具体材料冲击性能指标,若容器根据其工作温度等因素对材料韧性指标有要求时,则采购规范上应附加冲击要求。而我国国标和ASME标准对冲击性能的要求又不尽相同。为预防碳素钢或低合金钢制压力容器发生脆性破坏,规定碳素钢或低合金钢材的冲击功最低值(见表D。我国GB 150-1989(以及随后的GB150-1998)对压力容器用碳素钢和低合金钢材C板、钢管和钢锻伟及其焊接接头的冲击功指标作出规定,标准GB 150-2011强调了最低值不仅仅包括钢板、钢管、钢锻件,还包括焊接接头捍缝中心和焊接热影响D。
GB 150-2011规定,对R、随厚度增大而降低的钢材,按该钢材最小厚度范围的R、确定冲击功指标。
一、ASME中冲击功最低值的规定
ASME中的冲击试验值按照UG84执行,对于碳钢和低合金钢,不同公称厚度,不同抗拉强度的材料其要求的冲击韧性指标也不同现图D。
二、ASME与GB150冲击功要求的比较
GB 150中冲击功要求参照当时的ASME规范第VIQ卷,第一篇中的相应规定执行。上世纪80年代,ASME规范第V}卷,第一篇中确定碳素钢和低合金钢C板、钢管和钢锻伴许用应力的安全系
图1对表UCS-23中规定的最小抗拉强度低于95ksi的碳钢及低合金钢全尺寸试样夏比V型缺口冲击试验要求数ni为4.0,而我国GB150-1989中ni为3.0。一般对应较低的安全系数应规定较高的冲击指标,但当时限于国内压力容器用钢材的实际质量水平,只能规定表中的冲击功指标。
ASME用抗拉强度和公称厚度的组合确定材料的冲击韧性,而GB150则根据屈服强度来确定材料冲击功的平均值,对于不同厚度的同种材料,按最小厚度的屈服强度选取冲击功,不同材料的冲击功和使用温度各不相同。因此,ASME较GB150的规定更加经济合理。
在材料采购验收中需要注意,中国、美国和国际标准(ISO)均有金属夏比(V型缺)冲击试验标准。标准中有两项关键内容,第一是试样要求,第二是试验机。三个标准对V型口夏比试样的规定基本相同。国标和ISO标准的冲击试验机参数基本相同,摆锤刀刃半径为2 mm和8 mm,美国标准中摆锤刀刃半径为8 mm,不同于国标。因此按照国标和美标试验得到的冲击值不能直接比较。此外,ASME与GB150对产品焊接试板的试验要求也不相同,ASMEVIQ-1中规定的产品焊接试板的试验项目只有冲击试验,对冲击试验的方法、试验温度及合格指标均有明确规定。GB150中焊接试板的试验项目主要有拉伸、弯曲和冲击试验等。http://www.zhsysb.net