2.3　防止低溫操作脆性斷裂的總體思路、措施及其相關(guān)規(guī)定的制定依據(jù)［6］

為防止壓力容器組件發(fā)生脆性斷裂，對(duì)壓力容器用鋼都要由鋼廠進(jìn)行V形缺口夏比沖擊試驗(yàn)并滿足規(guī)定的沖擊功要求。本節(jié)所述是指容器在低溫操作經(jīng)判別而有必要時(shí)由容器制造廠另做的防脆斷措施。

2.3.1　防止低溫操作脆性斷裂的歷史沿革

2.3.1.1　以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的方法

最早的ASME Ⅷ并未涉及防止容器的低溫操作脆性斷裂。在實(shí)際工程中，特別是在進(jìn)行壓力試驗(yàn)時(shí)發(fā)生了多起脆性斷裂事故才逐步地引起注意，見圖2-1，文獻(xiàn)［6］列舉了在1954～1984年間，容器在4～25℃進(jìn)行液壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生脆性斷裂的典型事故。首次列入低溫操作的防脆斷措施是根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)局對(duì)第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)生的上百起船舶在低溫環(huán)境下失效事故所得出的分析，為防止船舶和壓力容器低溫下的脆性斷裂，要求材料制造廠將材料的V形缺口夏比試樣的沖擊功（CVN值）保持在15ft·lb（20J）以上，即采用傳統(tǒng)的V形缺口夏比試樣沖擊試驗(yàn)結(jié)果作為應(yīng)對(duì)材料防脆斷能力的指標(biāo)。但隨著容器使用溫度的降低，這一規(guī)定尚不足以應(yīng)對(duì)材料的抗低溫脆斷，所以又規(guī)定操作溫度低于-30℃的碳鋼和低合金鋼材料由容器制造廠在容器的最低設(shè)計(jì)溫度下另行沖擊，并按材料抗拉強(qiáng)度值的高低，列出V形缺口夏比試樣的合格沖擊功值。考慮到容器各組件所受應(yīng)力水平較低時(shí)其抗脆斷性能較好，所以又規(guī)定容器的操作溫度雖然低于-30℃，但用2.5倍設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)的容器，不需要由容器制造廠另做沖擊試驗(yàn)。在當(dāng)時(shí)，壓力容器用材一般都屬于中低強(qiáng)度鋼，和船舶用材基本相似，所以這一措施在一段時(shí)期內(nèi)為防止壓力容器的脆斷起到了一定作用。

隨著中高強(qiáng)度、高強(qiáng)度鋼在壓力容器中的使用，采用傳統(tǒng)的V形缺口夏比試樣沖擊試驗(yàn)結(jié)果作為對(duì)材料防脆斷能力的指標(biāo)這一做法的不足之處日益暴露，顯然，強(qiáng)度高、延塑性差的材料和強(qiáng)度低、延塑性好的材料在沖擊功的顯示上可能不相上下，但兩者的防脆斷能力可能相差很大。見圖2-2，曲線OABC分別為材料Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的沖擊力和試樣受沖擊時(shí)所引起的撓度的關(guān)系曲線，該曲線下所包圍的面積即為沖擊功。由圖可見，高強(qiáng)度鋼在斷裂前的彈性變形功較大，但在斷裂過程中的塑性變形功和阻止裂紋開裂并撕裂的功則比較小，而中、低強(qiáng)度鋼恰好相反，結(jié)果三種材料的沖擊功相近，但高、低強(qiáng)度鋼的防脆斷能力卻相當(dāng)懸殊，前者遠(yuǎn)不如后者。

此外，由彈性力學(xué)中關(guān)于平面應(yīng)力和平面應(yīng)變狀態(tài)的分析可知，對(duì)于同一材料，當(dāng)其較薄時(shí)，由于兩自由表面不受約束，受載時(shí)在板表面附近的大部分材料在厚度方向容易變形，為兩向應(yīng)力即平面應(yīng)力狀態(tài)，呈現(xiàn)較好的防脆斷性能；當(dāng)其較厚時(shí)，除接近兩自由表面處的少量材料外，離表面一定距離的大多數(shù)材料都受約束，受載時(shí)大部分材料在厚度方向不容易變形，為三向應(yīng)力即平面應(yīng)變狀態(tài)，呈現(xiàn)較差的防脆斷性能，這一現(xiàn)象對(duì)中、低強(qiáng)度鋼表現(xiàn)得較為明顯。所以，原來采用傳統(tǒng)的V形缺口夏比試樣沖擊試驗(yàn)結(jié)果作為對(duì)材料防脆斷能力的指標(biāo)并不能如實(shí)地反映材料厚薄對(duì)防脆斷能力的影響，從這一點(diǎn)看，也不盡合理。

2.3.1.2　以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的方法

隨著斷裂力學(xué)分析方法的日益進(jìn)展，人們認(rèn)識(shí)到以斷裂力學(xué)原理來分析既定材料在既定溫度和應(yīng)力水平、在冷加工后或焊接后進(jìn)行熱處理的情況、在既定尺寸的缺陷時(shí)是否會(huì)引起脆性斷裂的方法，遠(yuǎn)比建立在既有經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的控制CVN值在15ft·lb（20J）以上、以及當(dāng)操作溫度低于-30℃時(shí)要另加沖擊試驗(yàn)的方法更合理、科學(xué)。

根據(jù)斷裂力學(xué)原理，對(duì)于具有尺寸a的穿透性裂紋材料，在和裂紋長(zhǎng)度方向相垂直的拉伸應(yīng)力σ作用下，當(dāng)裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI達(dá)到材料在相應(yīng)溫度時(shí)的臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KIC時(shí)，該裂紋就開裂并失穩(wěn)擴(kuò)展，使材料脆性斷裂。應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI可表示為

式中　σ——材料（組件）所受的拉伸應(yīng)力；

a——在材料（組件）上和拉伸應(yīng)力相垂直方向的裂紋尺寸。

在規(guī)范中，是由規(guī)范的制定者在規(guī)定的制造工藝和無損檢測(cè)要求及其合格評(píng)定條件下，通過大量的經(jīng)驗(yàn)積累和工程調(diào)查，認(rèn)定在既定厚度的材料（組件）上，總是有其大小為厚度某一比值的裂紋。

材料的臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KIC是材料的固有力學(xué)性能，和溫度有關(guān)，可以由專門的試驗(yàn)測(cè)定。如果某一材料（組件）裂紋尖端處的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI小于其相應(yīng)溫度時(shí)臨界的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KIC，則說明裂紋不致開裂，該組件不可能發(fā)生低溫脆斷，所以不必對(duì)材料、結(jié)構(gòu)、制造等采取防脆斷措施，即雖然它在某一低溫下操作，只要滿足壓力容器用鋼的常規(guī)沖擊功要求，也不必另行采取防脆斷措施；如其KI大于KIC，則說明該組件即使操作溫度不是很低，在滿足壓力容器用鋼的常規(guī)沖擊功要求后還是有可能發(fā)生低溫脆斷，必須采取包括測(cè)量并評(píng)定KIC在內(nèi)另加的防脆斷措施，并在結(jié)構(gòu)和制造、檢測(cè)和檢驗(yàn)等方面全面按照低溫容器的要求。但由于由試驗(yàn)確定KIC的過程甚為復(fù)雜，且KIC值也和溫度有關(guān)，要測(cè)量不同溫度下材料的KIC值不僅耗資巨大，還給工程應(yīng)用帶來諸多不便。為此，基于前人在一定條件下所得KIC值和V形缺口夏比沖擊功CVN值在數(shù)值上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可見ASME Ⅷ-3 D-600，將KIC值換算成CVN值，仍然用測(cè)量并評(píng)定CVN值的形式出現(xiàn)。

對(duì)低溫操作時(shí)另由容器制造廠采取防脆斷措施的這一思想，最早出現(xiàn)于ASME Ⅲ和ASME Ⅷ-2，隨后，ASME Ⅷ-1的1987年增補(bǔ)版也采用了這一思想，并于1989年起納入規(guī)范正文，一直至今。

2.3.2　ASME Ⅷ-1的低溫操作防脆斷措施分析［7］

此處主要介紹碳鋼和低合金鋼的防脆斷措施。

2.3.2.1　是否采取防脆斷措施的判斷以及沖擊試驗(yàn)溫度的確定

（1）未經(jīng)各項(xiàng)調(diào)整時(shí)的判斷　根據(jù)上述以斷裂力學(xué)原理的ASME Ⅷ-1是否需要采取防脆斷措施的分析，從思路上說，可以由材料種類、組件厚度（代表缺陷尺寸）、最低金屬設(shè)計(jì)溫度、應(yīng)力水平（滿強(qiáng)度時(shí)以材料的許用應(yīng)力值表示），計(jì)算出該帶缺陷組件的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI，并將KI和同溫度時(shí)材料的固有力學(xué)性能KIC相對(duì)比，看KI是大于還是不大于KIC，以判別要還是不要采取防脆斷措施。規(guī)范已根據(jù)這一思路，作出了是否采取防脆斷措施的判別圖，見圖2-3。該圖以設(shè)計(jì)組件時(shí)的最低設(shè)計(jì)金屬溫度MDMT（minimum design metal temperature）為縱坐標(biāo)，組件的控制厚度為橫坐標(biāo)，A、B、C、D四條曲線代表四組不同類型的材料，其防脆斷性能的優(yōu)良程度依順序遞增。可以由組件的最低設(shè)計(jì)金屬溫度MDMT、控制厚度查找相應(yīng)材料的曲線，當(dāng)MDMT和控制厚度組合的相交點(diǎn)位于相應(yīng)材料曲線上或上方時(shí)，說明該材料在此溫度時(shí)不會(huì)發(fā)生脆斷，所以在滿足由材料生產(chǎn)廠所做的沖擊試驗(yàn)并滿足規(guī)定的沖擊功后，不必由容器制造廠另行采取防脆斷措施，在規(guī)范中謂之可以免除（exemption，豁免）沖擊試驗(yàn)；相反，當(dāng)MDMT和控制厚度的相交點(diǎn)位于相應(yīng)材料曲線的下方時(shí)，則說明該材料有可能發(fā)生脆斷，故必須由容器制造廠采取包括在該MDMT時(shí)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)在內(nèi)的相應(yīng)的防脆斷措施。并根據(jù)要求KI小于其臨界的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KIC的原理，對(duì)不同材料規(guī)定了相應(yīng)的CVN合格值。

將能用于建造按ASME Ⅷ-1規(guī)范的所有碳鋼和低合金鋼，按其防脆斷性能的優(yōu)劣分別劃歸為不同的曲線并說明，某些材料如經(jīng)細(xì)晶化和正火處理，因防脆斷性能改善而可以升高一檔。

（2）計(jì)及各項(xiàng)措施時(shí)判斷溫度和沖擊試驗(yàn)溫度的調(diào)整　上述（1）中所述未經(jīng)各項(xiàng)調(diào)整時(shí)的判斷并未計(jì)及受壓組件的某些實(shí)際情況，例如，組件一般不至于在滿強(qiáng)度時(shí)操作，同樣材料，在低于滿強(qiáng)度的應(yīng)力水平下操作，其發(fā)生脆性斷裂的可能性必然比在滿強(qiáng)度應(yīng)力水平下操作時(shí)小；進(jìn)行了焊后熱處理的組件，其防脆斷性能會(huì)有所改善；對(duì)同樣材料，厚材和薄材會(huì)呈現(xiàn)出不同的防脆斷性能；對(duì)某些中、低強(qiáng)度材料，由于其防脆斷性能較好，所以可予以免除沖擊試驗(yàn)的條件可以略有不同；沖擊試驗(yàn)總是在快速加載條件下完成的，實(shí)際上和測(cè)定KIC的慢速加載條件略有區(qū)別等。由于這些實(shí)際存在的情況，所以應(yīng)對(duì)這些情況逐一進(jìn)行考慮，或?qū)Π磮D2-3的判斷溫度做出調(diào)整，或?qū)_擊試驗(yàn)溫度或允許使用的最低溫度做出調(diào)整。

①計(jì)及組件所處應(yīng)力水平高低對(duì)判斷溫度的調(diào)整。由應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI的表達(dá)式可知，組件所處應(yīng)力水平的高低直接影響到KI值的大小。上述（1）的判斷是在組件處于滿強(qiáng)度時(shí)做出的，當(dāng)組件處于低應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，無疑可以改善其防脆斷性能，也就是需要進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的判別溫度可以調(diào)低。規(guī)范規(guī)定，對(duì)于MDMT不低于-48℃的組件，已做出了隨著組件應(yīng)力水平的降低、需要進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的判別溫度可予以降低多少值的關(guān)系圖，見圖2-4。圖中以組件所需要的厚度對(duì)有效厚度之比trE*/（tn-c）為縱坐標(biāo)，tr為該組件按規(guī)范規(guī)定計(jì)算所得的需要厚度，tn為該組件的名義厚度，兩者之比即代表組件所處的應(yīng)力水平；以溫度值為橫坐標(biāo)，表示需要進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的判別溫度可予以降低的值，對(duì)此規(guī)定，也可理解為如確定組件厚度的最大一次總體薄膜應(yīng)力能直接求得者，例如內(nèi)壓圓筒、錐殼和球殼，則為該組件的最大一次總體薄膜應(yīng)力與其材料在設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力之比。對(duì)于不是以厚度而是以最大許用壓力（MAP）表示其所能承載能力的組件，例如法蘭，則不用厚度，而常用額定壓力表示其所能承載的能力，則圖2-4的縱坐標(biāo)用設(shè)計(jì)條件的MDMT時(shí)組件最大設(shè)計(jì)壓力P對(duì)標(biāo)志在銘牌上MDMT時(shí)組件最大許用壓力（MAP）之比表示；對(duì)一般不承受總體一次薄膜應(yīng)力的組件，例如平封頭、管板等，和法蘭相同，也用組件最大設(shè)計(jì)壓力P對(duì)MAP之比表示，此時(shí)其MAP的定義是，以該組件的有效厚度并取在銘牌上許用溫度時(shí)的許用應(yīng)力代入設(shè)計(jì)公式所求得的壓力，它實(shí)際上也代表了元件所承受的應(yīng)力水平。規(guī)范在其UCS-66（b）（1）（-b）節(jié)和圖UCS-66.2中對(duì)此有詳細(xì)說明。

某些中、低強(qiáng)度的碳鋼和低合金鋼，在滿足規(guī)范規(guī)定的全部條件時(shí)，沖擊試驗(yàn)不是強(qiáng)制性的。這些條件包括材料類別、元件厚度、必須按規(guī)范的規(guī)定完成壓力試驗(yàn)以及交變或沖擊性載荷不作為在設(shè)計(jì)中起決定性作用的載荷等，具體可見ASME Ⅷ-1 UG-20（f）。其實(shí)該節(jié)的規(guī)定是原來所采用經(jīng)驗(yàn)法對(duì)某些中、低強(qiáng)度鋼仍然適用的保留。

如經(jīng)調(diào)整后不需做沖擊試驗(yàn)，則不存在沖擊試驗(yàn)溫度，但該組件的最低允許使用溫度可按所調(diào)低的值降低；如經(jīng)調(diào)整后仍要求做沖擊試驗(yàn)，則仍在設(shè)計(jì)條件給定的MDMT時(shí)做沖擊試驗(yàn)，該組件的最低允許使用溫度也可按所調(diào)低的值降低。

如MDMT低于-48℃，除非按圖2-4所得的應(yīng)力水平小于0.35，或按下面②進(jìn)行額外的焊后熱處理，否則所有材料都應(yīng)做沖擊試驗(yàn)。

應(yīng)力水平小于0.35時(shí)，如MDMT低于-48℃但不低于-105℃，則所有碳鋼和低合金鋼無須做沖擊試驗(yàn)。

②當(dāng)對(duì)承壓焊縫進(jìn)行了不是由于規(guī)范規(guī)定所要求的（即額外的）焊后熱處理時(shí)，在一定條件下免除沖擊試驗(yàn)的溫度可予以降低。焊后熱處理可以改善材料的金相組織，并降低甚至消除因冷、熱加工所引起的殘余應(yīng)力，從而提高其防脆斷性能。所以在UCS-68（c）中規(guī)定對(duì)P-No.1材料，其免除沖擊試驗(yàn)的最低溫度可降低30℉，得出的免試溫度可以低于-55℉（-48℃）。

③采用小尺寸試樣時(shí)對(duì)沖擊試驗(yàn)溫度的調(diào)整。鑒于材料的厚材和薄材在抗脆斷性能上的不同表現(xiàn)，為避免用戶故意對(duì)厚材制作非標(biāo)準(zhǔn)尺寸小試樣以獲取虛高的CVN值，所以規(guī)定故意采用小尺寸試樣時(shí)應(yīng)對(duì)沖擊試驗(yàn)溫度進(jìn)行調(diào)整。

規(guī)范在UG-84（c）（5）中規(guī)定，凡組件厚度足以制作截面為10mm×10mm的標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣時(shí)，應(yīng)制作10mm×10mm的標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣。對(duì)于最小抗拉強(qiáng)度小于655MPa的材料，當(dāng)組件厚度等于或大于10mm，但所制作試樣的寬度不足8mm時(shí)，則試驗(yàn)溫度應(yīng)比設(shè)計(jì)時(shí)采用的最低溫度（MDMT）低，其所低的值由表2-4確定；當(dāng)組件厚度小于10mm時(shí)，規(guī)定所制作的最大V形缺口試樣其寬度不小于材料公稱厚度的80%時(shí)才不要求對(duì)沖擊試驗(yàn)溫度進(jìn)行調(diào)整，如制作的最大V形缺口試樣其寬度小于組件厚度的80%，則規(guī)定試驗(yàn)溫度應(yīng)比設(shè)計(jì)時(shí)采用的最低溫度（MDMT）低，其所低的值等于組件實(shí)際厚度由表2-4對(duì)應(yīng)的溫度降低值與試樣實(shí)際寬度由表2-4對(duì)應(yīng)的溫度降低值之差；這一調(diào)整反映了因所取試樣較薄、鋼材呈現(xiàn)出防脆斷性能有所改善而對(duì)試驗(yàn)溫度所做的調(diào)低，以沖抵對(duì)同一材料因采用小尺寸試樣所得CVN值的偏高，這一規(guī)定避免了人為地故意制作小尺寸試樣而導(dǎo)致CVN值的虛高。

舉例說，如材料厚度為7.5mm，現(xiàn)取試樣不小于7.5mm的80%即6mm，則由上面規(guī)定，試驗(yàn)溫度不必調(diào)低。但如試樣取為5mm，則7.5mm時(shí)由表UG-84.2所得的降低值為3℃，但試樣為5mm，則由規(guī)范中表UG-84.2按5mm查得降低值為11℃，按本節(jié)規(guī)定，材料厚度為7.5mm但所做試樣為5mm時(shí)，則沖擊試驗(yàn)溫度應(yīng)按11℃-3℃=8℃降低。

規(guī)范在UG-84（c）（3）中規(guī)定，若制作時(shí)獲得的V形缺口夏比沖擊試樣寬度小于2.5mm時(shí)，則不要求做沖擊韌性試驗(yàn)，但其設(shè)計(jì)金屬溫度不得低于-48℃。

④沖擊試驗(yàn)和靜加載試驗(yàn)加載速度不同的影響。容器的承載和測(cè)量KIC時(shí)的靜加載基本上不存在加載速度的差別，但用沖擊試驗(yàn)測(cè)量CVN值的加載速度和容器承載或測(cè)量KIC時(shí)的靜載則差別很大。以斷裂力學(xué)原理來確定是否采取防脆斷措施的思路是以材料的臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KIC來判別的，只是由于測(cè)量KIC值既費(fèi)時(shí)又不經(jīng)濟(jì)，所以才采用在數(shù)值上和KIC值有一定關(guān)系的沖擊試驗(yàn)CVN值表示。對(duì)于高強(qiáng)度鋼，由于其抗脆斷性能較差，所以加載速度的差別對(duì)材料所呈現(xiàn)的防脆斷性能差別并不太明顯，但對(duì)于延性甚好的中、低強(qiáng)度鋼，由于其抗脆斷性能較好，則慢速加載時(shí)會(huì)呈現(xiàn)比快速加載時(shí)更高的CVN值。所以，對(duì)于中、低強(qiáng)度鋼，為調(diào)整因采用沖擊試驗(yàn)所得CVN值和慢速加載時(shí)所得KIC值之間的差異，應(yīng)將沖擊試驗(yàn)溫度適當(dāng)提高，即提高其CVN值以彌補(bǔ)兩者間的差異。規(guī)范根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度值，列出了沖擊試驗(yàn)溫度可以高于最低設(shè)計(jì)金屬溫度的值，見表2-5。

除上述這些規(guī)定外，規(guī)范對(duì)螺栓的沖擊試驗(yàn)要求另在圖UCS-66的下方用列表方式表示；對(duì)標(biāo)準(zhǔn)法蘭的沖擊試驗(yàn)要求在UCS-66（c）節(jié)表示；并規(guī)定對(duì)厚度不大于2.5mm的碳鋼和低合金鋼，不要求做沖擊試驗(yàn)，但其設(shè)計(jì)金屬溫度不得低于-48℃；除螺栓材料外，最小屈服強(qiáng)度大于450MPa的碳鋼和低合金鋼，必須做沖擊試驗(yàn)，但如處于低應(yīng)力狀態(tài)，其允許的最低設(shè)計(jì)金屬溫度可按以下所述予以降低：當(dāng)由圖2-4所得的相應(yīng)比值為0.35或更小時(shí)，應(yīng)不低于-104℃，當(dāng)相應(yīng)比值高于0.35時(shí)，應(yīng)不低于沖擊試驗(yàn)溫度減去在圖2-4中所允許的降低值，且都不應(yīng)低于-104℃；規(guī)范在UCS-66（g）節(jié)規(guī)定，某些碳鋼和低合金鋼［列于規(guī)范中圖UG-84.1注（c）］，按其標(biāo)準(zhǔn)要求生產(chǎn)并做沖擊試驗(yàn)者，當(dāng)其MDMT不比材料標(biāo)準(zhǔn)要求的沖擊試驗(yàn)溫度低3℃時(shí)，可免除沖擊試驗(yàn)。據(jù)此規(guī)定可理解為，如MDMT和材料標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)溫度相比低3℃以上時(shí)，則也應(yīng)按UCS-66的規(guī)定判別，必要時(shí)由容器制造廠另做沖擊試驗(yàn)。

某些中、低強(qiáng)度的碳鋼和低合金鋼，在滿足規(guī)范規(guī)定的全部條件時(shí)，沖擊試驗(yàn)不是強(qiáng)制性的。這些條件列在規(guī)范UG-20（f）中。例如，對(duì)P-No.1的1或2組材料，當(dāng)為圖2-3中A曲線的材料時(shí)，如厚度不大于13mm，當(dāng)為圖2-3中B、C、D曲線的材料時(shí)，如厚度不大于25mm，若設(shè)計(jì)溫度不高于345℃、不低于-29℃，沖擊載荷和交變載荷不作為控制性的設(shè)計(jì)要求，且對(duì)完工容器進(jìn)行了液壓試驗(yàn)，則沖擊試驗(yàn)不是強(qiáng)制性的，這些規(guī)定實(shí)際上是對(duì)原來經(jīng)驗(yàn)方法的部分保留。

如材料厚度大于圖2-4所表示的極限值（即150mm），且MDMT低于該圖所表示的上限值（即48℃）時(shí)，所有材料都應(yīng)做沖擊試驗(yàn)。

現(xiàn)以容器中某厚度的元件1、采用B曲線表示的材料為例，說明規(guī)范在防脆斷措施上的應(yīng)用，并以圖2-5表示。

設(shè)計(jì)容器時(shí)所取的最低設(shè)計(jì)金屬溫度（MDMT），即未經(jīng)調(diào)整的判別溫度分別用水平線表示。如MDMT1位于B曲線上或上方時(shí)，則可以免除沖擊試驗(yàn)；如MDMT2位于B曲線以下時(shí)，則需要進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，但如果屬低應(yīng)力狀態(tài)或規(guī)范對(duì)承壓焊縫并未要求焊后熱處理而實(shí)際上進(jìn)行了焊后熱處理時(shí)，則對(duì)是否進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的判別溫度可以由曲線的相交點(diǎn)予以調(diào)低，即相當(dāng)于將材料曲線向下平移，如果經(jīng)調(diào)整后判定不需做沖擊試驗(yàn)，則不存在沖擊試驗(yàn)溫度；如果經(jīng)調(diào)整后判定仍然需做沖擊試驗(yàn)，除下面所述要對(duì)沖擊試驗(yàn)溫度進(jìn)行調(diào)整外，組件的沖擊試驗(yàn)溫度仍然為該MDMT2，其示意見圖2-5右側(cè)的沖擊試驗(yàn)溫度。如果經(jīng)各種調(diào)整后判別不需或仍然需要做沖擊試驗(yàn)，則都以經(jīng)各種調(diào)整后的判別溫度作為元件1所允許的（或稱許用的）最低設(shè)計(jì)金屬溫度，即體現(xiàn)了因低應(yīng)力或經(jīng)額外的焊后熱處理改善了防脆斷性能而允許用于更低的溫度。

當(dāng)采用小尺寸非標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，沖擊試驗(yàn)溫度應(yīng)按表2-4調(diào)低；當(dāng)屬于中、低強(qiáng)度鋼時(shí)，沖擊試驗(yàn)溫度可按表2-5調(diào)高。如屬此種情況，都應(yīng)以調(diào)整后的沖擊試驗(yàn)溫度進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。其示意見圖2-5中右側(cè)沖擊試驗(yàn)溫度的調(diào)低或調(diào)高。

類似地，對(duì)元件2或元件3也可以由其控制厚度及材料曲線做出同樣的判別，經(jīng)各種調(diào)整后的判別溫度作為元件2所允許的（或稱許用的）最低設(shè)計(jì)金屬溫度，并相應(yīng)地確定沖擊試驗(yàn)溫度或調(diào)整后的沖擊試驗(yàn)溫度。

最后，取該容器各組件所允許的最低設(shè)計(jì)金屬溫度中的最高值作為該整個(gè)容器的所允許的最低設(shè)計(jì)金屬溫度并標(biāo)志在容器銘牌上，意指為防止發(fā)生脆斷，該容器的操作溫度不允許低于此值。在進(jìn)行壓力試驗(yàn)時(shí)，也以此容器所允許的最低設(shè)計(jì)金屬溫度并適當(dāng)予以提高（加17℃）為進(jìn)行壓力試驗(yàn)溫度的最低值。作為特例，UCS-160規(guī)定了操作時(shí)可以低于此值的條件，但即便如此，操作溫度也不得低于-105℃。

2.3.2.2　沖擊功的合格值

各種不同的材料，其沖擊功的合格值各不相同。ASME Ⅷ-1在UG-84（C）（4）（-a）中規(guī)定，對(duì)于最小抗拉強(qiáng)度小于655MPa的材料，由10mm×10mm標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣所得的沖擊功CVN合格值由圖2-6確定，由小尺寸非標(biāo)準(zhǔn)試樣（包括元件厚度不足以制作標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣而做了尺寸小試樣，或雖然元件厚度足夠，但由于種種原因而做了小尺寸試樣的）所得的沖擊功合格值都可由標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣的合格沖擊功值乘以試樣寬度對(duì)全尺寸試樣寬度（10mm）的比值確定。

對(duì)高強(qiáng)度碳鋼和低合金鋼（最小抗拉強(qiáng)度≥655MPa的UCS材料）以及經(jīng)熱處理提高材料抗拉性能的鐵素體鋼（UHT材料），由圖2-2的示意可知，雖然CVN值較高，但其中斷裂前彈性變形功所占比例較大，而使裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展的塑性變形功和撕裂功則較小，為保證防止裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展的塑性變形功和撕裂功也有一定值，所以規(guī)范規(guī)定不是以V形缺口夏比沖擊功值而應(yīng)按UHT-6進(jìn)行試驗(yàn)，其合格指標(biāo)并非CVN，而為缺口對(duì)面的最小側(cè)（橫）向膨脹值。在UG-84（C）（4）（-b）中規(guī)定，對(duì)于最小抗拉強(qiáng)度等于大于655MPa的材料，在沖擊斷裂后缺口對(duì)面部位處的最小側(cè)向膨脹的合格值應(yīng)按UHT-6（a）（3）和UHT-6（a）（4）的要求，即按圖2-7確定（歷版譯文對(duì)lateral expansion opposite the notch都表示為缺口相對(duì)部位處而不是缺口對(duì)面處，使執(zhí)行者難以理解）。相應(yīng)地，在UHT-6（a）（2）中表示，此時(shí)對(duì)試樣的試驗(yàn)方法，試樣尺寸、位置和方向等均和中、低強(qiáng)度鋼的要求相同。但因?yàn)楦邚?qiáng)度鋼采用按圖2-7的值評(píng)定其合格與否，所以對(duì)中、低強(qiáng)度鋼因采用小尺寸非標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)要求對(duì)沖擊試驗(yàn)溫度的調(diào)低不再適用；此外，考慮到加載速度對(duì)低強(qiáng)度材料防脆斷性能影響的、按表2-5將沖擊試驗(yàn)溫度予以調(diào)高的措施也不再適用，為此規(guī)范在其UHT-5（c）節(jié)中規(guī)定，試驗(yàn)溫度不應(yīng)高于最低設(shè)計(jì)溫度且不高于0℃，并隨后對(duì)低應(yīng)力水平時(shí)相應(yīng)允許的最低設(shè)計(jì)金屬溫度作了規(guī)定。規(guī)范也未提及如做小尺寸非標(biāo)準(zhǔn)試樣時(shí)按圖2-7評(píng)定斷裂后缺口背面部位處的側(cè)向膨脹合格值和試樣尺寸的關(guān)系，圖2-7的橫坐標(biāo)由0作起、而圖2-6的橫坐標(biāo)則由10mm作起并說明是全尺寸試樣的合格值，據(jù)此可理解為都按圖2-7評(píng)定，與試樣尺寸無關(guān)。

對(duì)高合金鋼，規(guī)范在其UHA-51節(jié)中表示，當(dāng)需要做沖擊試驗(yàn)時(shí)，也以缺口對(duì)面部位處的最小側(cè)向膨脹值進(jìn)行判別。

ASME Ⅷ-1中關(guān)于最低設(shè)計(jì)金屬溫度（MDMT）的表述對(duì)國內(nèi)初學(xué)者來說可能是比較“含糊”的，它把各種不同情況下各具有不同含義的MDMT都用同一符號(hào)表示，使用戶難以區(qū)分。筆者理解，規(guī)范所涉及的MDMT主要有如下四個(gè)含義。

一是由設(shè)計(jì)條件給定的，即該容器使用的MDMT（即供判別要否沖擊試驗(yàn)用的，包括低應(yīng)力和經(jīng)額外焊后熱處理時(shí)的調(diào)整），如經(jīng)調(diào)整或未調(diào)整的判別要求做沖擊試驗(yàn)，則都在設(shè)計(jì)條件給定的MDMT溫度下沖擊，該元件就可用于該MDMT。

二是各元件允許使用溫度（MDMT），可按上述調(diào)整值予以降低；如調(diào)整判別后不需沖擊，則允許使用溫度可按調(diào)整值降低；如調(diào)整前經(jīng)判別不需做沖擊試驗(yàn)，經(jīng)調(diào)整后當(dāng)然不需沖擊，其允許使用溫度MDMT也可按調(diào)整值降低。

三是各元件沖擊試驗(yàn)的MDMT［指對(duì)上述一給定的、經(jīng)判別要求做沖擊試驗(yàn)的，包括故障做小試樣的調(diào)低和低強(qiáng)度鋼調(diào)高后的］，如經(jīng)判別或調(diào)整判別不需沖擊，也就不存在沖擊試驗(yàn)的MDMT。

四是上述二中各元件允許使用的MDMT（經(jīng)調(diào)整或未調(diào)整的）中的最高值，作為打在容器銘牌上（整個(gè)容器的）和MAWP共存的MDMT，此值一般都低于上述一由設(shè)計(jì)條件給定的MDMT，但不允許高于它。

舉例說，ASME Ⅷ-1在UCS-66（b）（1）（-b）中有一段，涉及兩個(gè)不同含義的MDMT，如不加區(qū)分，會(huì)引起誤導(dǎo)。原文為：The ratio used in step 3 of Fig.UCS-66.2 shall be the ratio of maximum design pressure at the MDMT to the maximum allowable pressure（MAP）of the component at the MDMT.此處前一個(gè)MDMT是指作為設(shè)計(jì)條件的MDMT，后一個(gè)則是標(biāo)志在該組件銘牌上的MDMT。

在確定容器的最大許用工作壓力（MAWP）以及和操作壓力或最大許用工作壓力相對(duì)應(yīng)的容器的最低允許設(shè)計(jì)金屬溫度（MDMT）時(shí)，都要根據(jù)整個(gè)容器各個(gè)組件所能承受的最大壓力以及所能允許的最低使用溫度來確定，規(guī)范雖然對(duì)“整個(gè)容器各個(gè)組件”究竟指哪一些并未說明，但筆者認(rèn)為應(yīng)理解為包括開孔接管在內(nèi)，也就是說如對(duì)圓筒上的開孔接管，若在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)圓筒或接管采用了比所需厚度大的厚度，則對(duì)圓筒和接管所能承受的最大壓力必較設(shè)計(jì)壓力為高，因?yàn)榻档土藨?yīng)力水平，所以其最低允許設(shè)計(jì)金屬溫度必然比最低設(shè)計(jì)溫度低，但如果開孔接管處的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)并無裕量，即它只能承受設(shè)計(jì)壓力和相應(yīng)的最低設(shè)計(jì)溫度，則盡管其他各組件都可調(diào)高其所能承受的最大壓力并調(diào)低其最低允許設(shè)計(jì)金屬溫度，整個(gè)容器的最大許用工作壓力只能是設(shè)計(jì)壓力，其最低允許設(shè)計(jì)金屬溫度也只能是最低設(shè)計(jì)溫度。實(shí)際上，和其他組件在設(shè)計(jì)中總會(huì)有或大或小的裕量相似，在開孔接管處的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也會(huì)有或大或小的裕量，所以也可根據(jù)因存在裕量而可承受較高的壓力、允許在更低的溫度下操作的原理來確定其所能承受的最大壓力以及所能允許的最低使用溫度。對(duì)此，規(guī)范僅在其UCS-66（b）（1）（-b）中提及：此時(shí)組件的低應(yīng)力水平應(yīng)是在設(shè)計(jì)條件下的MDMT的最大設(shè)計(jì)壓力對(duì)標(biāo)志在該組件銘牌上的MDMT時(shí)的最大許用壓力（MAP）之比。并在其圖UCS-66.2的注8中提及，MAP的定義是：以該部件名義厚度減去腐蝕裕量并用在設(shè)計(jì)條件下的MDMT時(shí)許用應(yīng)力代入設(shè)計(jì)公式所求得的壓力。對(duì)開孔接管結(jié)構(gòu)，其“設(shè)計(jì)公式”即為由補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)所規(guī)定的滿足補(bǔ)強(qiáng)的條件。ASME Ⅷ-1的等面積補(bǔ)強(qiáng)法雖然未提及這一點(diǎn)，但是在ASME Ⅷ-2的壓力面積應(yīng)力法開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中，則規(guī)定了可按開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)原理來確定其最大許用工作壓力的方法，即是據(jù)此而得，可見本書17.2節(jié)。由此可見，對(duì)此如確如筆者的這一理解，在確定容器的最大許用工作壓力（MAWP）以及和操作壓力或最大許用工作壓力相對(duì)應(yīng)的容器的最低允許設(shè)計(jì)金屬溫度（MDMT）時(shí)，對(duì)容器各組件都進(jìn)行逐一計(jì)算是極為繁復(fù)的。

要指出的是，此處所指的低溫操作也包括了在室溫附近的壓力試驗(yàn)操作，由圖2-3的判別曲線可知，對(duì)于曲線A的材料且厚度甚大時(shí)，甚至在48℃左右都有可能發(fā)生脆斷，所以規(guī)范對(duì)壓力試驗(yàn)時(shí)的金屬溫度作了嚴(yán)格的限定：要求保持在銘牌上所表示容器允許的最低設(shè)計(jì)金屬溫度并加17℃，但不需超過48℃，即出于保護(hù)容器在壓力試驗(yàn)時(shí)不致發(fā)生脆斷的目的。所以，對(duì)于并非低溫操作的一般容器，在對(duì)各組件選定材料并確定厚度后，也要對(duì)各組件按本章的規(guī)定逐一確定其最低允許的金屬溫度，并取各件中的最高值作為容器允許的最低設(shè)計(jì)金屬溫度（MDMT），和容器的最高允許工作壓力（MAWP）一起蓋在銘牌上，以便在壓力試驗(yàn)時(shí)作為控制值。

2.3.2.3　從防脆斷出發(fā)的有關(guān)配套措施

按判斷需要由容器制造廠進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的容器，意指該容器屬于“低溫容器”，除對(duì)材料的防脆斷性能有所要求外，還應(yīng)對(duì)容器的結(jié)構(gòu)、制造和試驗(yàn)規(guī)定以相應(yīng)的配套措施。

（1）結(jié)構(gòu)方面的限定　UW-2（b）對(duì)這類容器的焊接接頭作出以下限定：碳鋼和低合金鋼容器的所有A類接頭應(yīng)是（1）型接頭，即采用雙面焊或能達(dá)到從內(nèi)外面熔敷焊縫金屬同等質(zhì)量的其他方法焊接的對(duì)接接頭。所有B類接頭應(yīng)是（1）型或（2）型對(duì)接接頭。所有C類接頭應(yīng)是貫穿整個(gè)接頭截面的全焊透焊縫（對(duì)接或角接）。所有D類接頭應(yīng)是貫穿容器或接管壁整個(gè)厚度的全焊透焊縫（對(duì)接或角接）。

（2）制造方面的限定　UCS-68（b）規(guī)定，當(dāng)MDMT低于-48℃且由低應(yīng)力狀態(tài)定義的應(yīng)力水平比值大于或等于0.35時(shí)，或當(dāng)本冊(cè)其他規(guī)則有要求時(shí)，焊接接頭應(yīng)按規(guī)定的熱處理工藝進(jìn)行焊后熱處理，以改善接頭組織并消除殘余應(yīng)力。

UCS-67規(guī)定，在該節(jié)所列出的情況時(shí)，焊接工藝評(píng)定中應(yīng)包括對(duì)焊縫和其熱影響區(qū)的沖擊試驗(yàn)。

UCS-79（d）規(guī)定，除了對(duì)P-No.1和P-No.2以及P-No.15E材料外，冷作成形的碳鋼和低合金鋼筒節(jié)、封頭和其他承壓部件，當(dāng)最大纖維伸長(zhǎng)率比軋制狀態(tài)大5%者，應(yīng)進(jìn)行成形后熱處理，以消除殘余應(yīng)力，雖然這一規(guī)定并不專門針對(duì)“低溫容器”，但顯然對(duì)此類容器尤應(yīng)關(guān)注。例如，對(duì)P-No.15E碳鋼和低合金鋼，在冷成形后根據(jù)規(guī)范表UCS-79-1所示的最大纖維伸長(zhǎng)率以確定熱處理。

（3）壓力試驗(yàn)方面的限定　UG-99（h）、UG-100（c）規(guī)定，在液壓或氣壓試驗(yàn)期間，金屬溫度應(yīng)至少保持在允許的最低設(shè)計(jì)金屬溫度以上17℃，但無須超過48℃，以減小脆性破壞的危險(xiǎn)。液壓或氣壓試驗(yàn)期間金屬溫度應(yīng)至少保持在允許的最低設(shè)計(jì)金屬溫度以上是為防止發(fā)生意外斷裂而為之，并加17℃是出于在試驗(yàn)狀態(tài)時(shí)應(yīng)力高于設(shè)計(jì)狀態(tài)而留出的安全裕度。由圖2-3可見，對(duì)于各種材料和厚度，在48℃時(shí)已不致發(fā)生脆斷，所以規(guī)定試驗(yàn)時(shí)的金屬溫度無須超過48℃。

2.3.2.4　是否采取防脆斷措施時(shí)所用控制厚度的確定

在按照?qǐng)D2-3沖擊試驗(yàn)免除曲線進(jìn)行判斷時(shí)，對(duì)殼體、封頭、接管、人孔、補(bǔ)強(qiáng)板、法蘭、管板、平蓋板、永久保留的焊接襯墊和焊接到受壓組件上的對(duì)容器的結(jié)構(gòu)完整性必不可少的連接件等組件均須作為單獨(dú)組件對(duì)待，由其控制厚度tg（governing thickness）、設(shè)計(jì)時(shí)采用的MDMT以及相應(yīng)的材料曲線進(jìn)行判別。

（1）焊接件的控制厚度［規(guī)范UCS-66（a）（1）節(jié)］　對(duì)接接頭（不包括平封頭和管板的對(duì)接接頭）：為最厚焊接接頭的名義厚度（歷版譯文對(duì)nominal thickness of the thickest welded joint都表示為最厚件的公稱厚度，而不是最厚焊接接頭的公稱厚度，導(dǎo)致在按圖2-8確定焊接件的控制厚度時(shí)完全出錯(cuò)），見圖2-8。

由圖2-8可見，對(duì)組件A（封頭），如為無縫結(jié)構(gòu)，則僅有和筒體對(duì)接的一個(gè)接頭①，圖中已說明tg1=tA，故其控制厚度即為tA；如為拼接結(jié)構(gòu)，則包括了封頭的對(duì)接拼接以及和筒體對(duì)接的兩個(gè)接頭，但兩個(gè)接頭的名義厚度相同，都可用①表示，所以和無縫結(jié)構(gòu)相同，圖中已說明tg1=tA，故其控制厚度也為tA。對(duì)組件B（筒體），如為無縫結(jié)構(gòu)，則僅有和封頭對(duì)接的一個(gè)接頭①，圖中已說明tg1=tA，故其控制厚度即為tA；如為拼接結(jié)構(gòu)，則包括了筒體的對(duì)接拼接接頭②以及和封頭的對(duì)接接頭①，故按上述為最厚焊接接頭名義厚度的規(guī)定，應(yīng)取tg2=tB。

角接接頭、填角接頭或搭接接頭以及上面所提及的對(duì)容器的結(jié)構(gòu)完整性必不可少的連接件：為相焊件中較薄的厚度，見圖2-9。

由圖2-9可見，如以殼體對(duì)接管之間的角接接頭①為例，圖中已說明tg1=tA或tC中的較薄者；對(duì)接管和補(bǔ)強(qiáng)圈之間的角接接頭②以及補(bǔ)強(qiáng)圈和殼體之間的填角接頭③，也可按圖中的說明確定各接頭的控制厚度。由各接頭的控制厚度可以對(duì)各組件進(jìn)行判別并確定各組件允許的最低設(shè)計(jì)金屬溫度。由于此例中涉及三個(gè)組件，規(guī)范對(duì)此又規(guī)定：對(duì)兩個(gè)以上的焊接組件（如接管與殼體帶補(bǔ)強(qiáng)板的接頭），應(yīng)確定每個(gè)單獨(dú)焊接接頭的控制厚度和允許的最低設(shè)計(jì)金屬溫度，以各允許的最低設(shè)計(jì)金屬溫度中的最高值作為該焊接組件允許的最低設(shè)計(jì)金屬溫度。

（2）鑄件的控制厚度［UCS-66（a）（1）（-b）］　為它的最大名義厚度。

（3）平的非焊接件，如螺栓連接的法蘭、管板和平封頭［UCS-66（a）（1）（-c）］　為平板件厚度的1/4。

（4）非焊接連接帶法蘭的凸形封頭［UCS-66（a）（1）（-d）］　為1/4法蘭環(huán)厚度或封頭曲面部分最小厚度中的較大者。

在ASME PTB-4-2013的實(shí)例手冊(cè)中［8］，對(duì)常用元件、組件是否進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的判別，以及確定其許用MDMT列出了詳細(xì)流程。

2.3.3　對(duì)理解規(guī)范關(guān)于防脆斷措施相關(guān)規(guī)定時(shí)的注意點(diǎn)

由上可知，規(guī)范的現(xiàn)行防脆斷措施是指在滿足由材料制造廠進(jìn)行的壓力容器用鋼常規(guī)沖擊功要求后，在低溫（并未劃定溫度界限）操作時(shí)由容器最低設(shè)計(jì)金屬溫度、受載件應(yīng)力水平、受載件厚度、材料類別等所確定的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI進(jìn)行判別，視其是否達(dá)到臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子（和溫度有關(guān)）KIC而判斷是否需要由容器制造廠另加在該溫度時(shí)的沖擊試驗(yàn)。所以ASME Ⅷ-1將最為常用的碳鋼和低合金鋼的防脆斷措施列在UCS-65起的“低溫操作”中，相應(yīng)地，對(duì)低溫的溫度也未劃定界限，當(dāng)然更無“低溫容器”一說（由上面的分析可知，對(duì)碳鋼和低合金鋼，只要在48℃以下，都要按UCS-66節(jié)的規(guī)定實(shí)施）。