2.4　我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)GB 150在材料、安全系數(shù)和防脆斷措施方面的主要區(qū)別

我國(guó)在2009年公布的《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》對(duì)規(guī)則設(shè)計(jì)方法（即理解為對(duì)GB 150）中鋼材的安全系數(shù)規(guī)定由原來(lái)的nb=3.0和ns=1.5調(diào)低為nb=2.7和ns=1.5，2016年版的《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》仍為此值。GB 150（2011年版）已據(jù)此做了調(diào)整。

和ASME Ⅷ-1對(duì)由于受壓力而產(chǎn)生應(yīng)力的組件都稱為受壓件不同，《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》還把受壓件劃為主要受壓組件和非主要受壓組件，而開孔補(bǔ)強(qiáng)圈并不屬于主要受壓組件，且在其釋義中表示：在主要受壓組件中，去掉了開孔補(bǔ)強(qiáng)圈，原因是應(yīng)力分析表明，開孔補(bǔ)強(qiáng)圈本身的應(yīng)力很小，主要是局部區(qū)域的應(yīng)力集中。

在防脆斷措施方面［9］，原GB 150《鋼制壓力容器》在原理上參照了1989年版以前的ASME Ⅷ-1，即以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的方法，僅是將ASME Ⅷ-1對(duì)低溫容器的界定溫度由-30℃改為-20℃。當(dāng)屬于低溫容器時(shí)，對(duì)碳鋼和低合金鋼，在符合鋼材標(biāo)準(zhǔn)所要求的CVN以外，還要在設(shè)計(jì)溫度下另加沖擊試驗(yàn)，并滿足規(guī)定的沖擊功合格值。但在低應(yīng)力工況時(shí)（指殼體或其受壓組件的設(shè)計(jì)溫度雖然低于或等于-20℃，但其環(huán)向應(yīng)力小于或等于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服點(diǎn)的1/6，且不大于50MPa時(shí)的工況），若其設(shè)計(jì)溫度加50℃后，高于-20℃時(shí)，可不必作為低溫容器。這一方法和ASME Ⅷ-1所采用的以斷裂力學(xué)分析為基礎(chǔ)的方法完全不同，它并未計(jì)及組件中實(shí)際上可能存在的缺陷及其大小，即組件厚度；也未計(jì)及組件所承受的應(yīng)力水平不同時(shí)對(duì)抗脆斷性能的不同影響，完全是以20世紀(jì)中期以中低強(qiáng)度鋼在低溫時(shí)發(fā)生脆斷的經(jīng)驗(yàn)而確定的方法。

2011年修改后的GB 150《壓力容器》對(duì)碳鋼和低合金鋼低溫容器的界定溫度由原GB 150《鋼制壓力容器》（1998年版）調(diào)低，即對(duì)碳鋼和低合金鋼，在等于-20℃時(shí)不再屬于低溫容器，設(shè)計(jì)溫度在低于-20℃時(shí)才屬低溫容器； 對(duì)奧氏體不銹鋼，則規(guī)定設(shè)計(jì)溫度在低于-196℃時(shí)才屬低溫容器。相應(yīng)地，對(duì)碳鋼和低合金鋼（例如Q345R等），在材料篇中規(guī)定的最低允許使用溫度下限都為-20℃，意指凡是低溫容器，都只能采用低溫用鋼或奧氏體不銹鋼等。當(dāng)為低溫、低應(yīng)力工況時(shí)，則可按設(shè)計(jì)溫度加50℃的條件選材，并鑒于原規(guī)定以殼體或其受壓組件的環(huán)向應(yīng)力值來(lái)判定低應(yīng)力工況對(duì)某些組件缺乏可操作性（因除圓筒、錐殼和球殼外，確定組件厚度的最大應(yīng)力不一定是環(huán)向應(yīng)力），所以對(duì)低溫、低應(yīng)力工況由原規(guī)定改為：是指殼體或其受壓組件的設(shè)計(jì)溫度雖然低于-20℃，但設(shè)計(jì)應(yīng)力（在該設(shè)計(jì)條件下，容器組件實(shí)承受的最大一次總體薄膜和彎曲應(yīng)力）小于或等于鋼材標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服強(qiáng)度的1/6，且不大于50MPa時(shí)的工況。這一修改對(duì)某些組件仍然缺乏可操作性。因?yàn)閷?duì)一些組件，例如碟形或橢圓形封頭，確定其壁厚的最大總應(yīng)力在過(guò)渡轉(zhuǎn)角區(qū)附近，此最大總應(yīng)力是由殼體的無(wú)力矩理論導(dǎo)得的薄膜應(yīng)力以及因封頭直邊段和封頭殼體間的結(jié)構(gòu)不連續(xù)由有力矩理論所導(dǎo)得的邊緣應(yīng)力相疊加所組成，難以確定其最大一次總體薄膜和彎曲應(yīng)力；對(duì)于平板，更無(wú)法求得其最大彎曲應(yīng)力；對(duì)于法蘭，更不知道是由哪個(gè)部位的應(yīng)力對(duì)法蘭設(shè)計(jì)起決定性作用。有鑒于此，所以ASME Ⅷ-1在圖UCS-66.2的第三步、UCS-66（b）（1）（-b）和（i）（2）節(jié)中說(shuō)明，對(duì)此可用trE*/（tn-c）表示組件所處的應(yīng)力水平。規(guī)范說(shuō)明這一規(guī)定也可用于不承受總體一次薄膜拉伸應(yīng)力的組件，例如平封頭、平蓋、管板和法蘭（包括螺栓和螺母）；且對(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，它不用厚度，而常用額定壓力表示其所能承載的能力，則該圖的縱坐標(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)一般組件，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)際上也代表了其所承受的應(yīng)力水平，不可能也并非直接用最大一次總體薄膜和彎曲應(yīng)力來(lái)表示其實(shí)際所承受的應(yīng)力水平。GB 150在其標(biāo)準(zhǔn)釋義中對(duì)用“在該設(shè)計(jì)條件下，容器組件實(shí)承受的最大一次總體薄膜和彎曲應(yīng)力”解釋為：除了對(duì)容器組件進(jìn)行一次總體薄膜應(yīng)力的核定外，還應(yīng)對(duì)承受一次彎曲應(yīng)力的容器組件進(jìn)行考查，如平封頭、管板、法蘭等，ASME Ⅷ-1中UCS-66（b）（1）（b）有著類似的規(guī)定。這些表述，恐怕是對(duì)（2010年版）ASME Ⅷ-1 UCS-66（b）（1）（b）和（i）（2）節(jié)上述這些說(shuō)明的曲解，且也未仔細(xì)參閱圖UCS-66.2的第三步說(shuō)明所致。這一修改，使原已落后于國(guó)外相關(guān)規(guī)范的內(nèi)容更加拉大了距離。

由于這些區(qū)別，GB 150不可能如ASME Ⅷ-1那樣列出整個(gè)容器的最低允許金屬溫度。在其標(biāo)準(zhǔn)釋義中，表示為：與設(shè)計(jì)溫度不同，最低設(shè)計(jì)金屬溫度是考察制成后的容器（或組件）可以承受的最低溫度，其確定原則參考了美國(guó)ASME Ⅷ-1的相關(guān)規(guī)定。釋義對(duì)最低設(shè)計(jì)金屬溫度的這些解釋，確是與ASME Ⅷ-1關(guān)于整個(gè)容器的最低允許金屬溫度相符合。但問(wèn)題是，其一，雖然標(biāo)準(zhǔn)釋義說(shuō)是其確定原則參考了美國(guó)ASME Ⅷ-1的相關(guān)規(guī)定，但是由GB 150對(duì)低溫容器的規(guī)定卻無(wú)法列出這一溫度；其二，標(biāo)準(zhǔn)釋義中的這一對(duì)最低設(shè)計(jì)金屬溫度的說(shuō)明和標(biāo)準(zhǔn)正文通用要求4.3.4設(shè)計(jì)溫度的確定d）分節(jié)中所提及的最低設(shè)計(jì)金屬溫度并非是同一者，前者確是ASME Ⅷ-1的整個(gè)容器的最低允許金屬溫度，后者卻是由操作條件所確定的最低設(shè)計(jì)金屬溫度，僅供劃定該容器是否屬于低溫容器之用，標(biāo)準(zhǔn)釋義和正文對(duì)此含義完全不同的兩個(gè)術(shù)語(yǔ)都用同一“最低設(shè)計(jì)金屬溫度”表示，使用戶不知所以。因此，在壓力試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)溫度的規(guī)定，即對(duì)Q345R、Q370R、07MnMoVR制容器進(jìn)行液壓試驗(yàn)時(shí)液體溫度不得低于5℃的規(guī)定，對(duì)并非用單一材料制成的整個(gè)容器，或同樣材料但厚度不同，或所處應(yīng)力水平不同時(shí)，或無(wú)法執(zhí)行，或按某主體組件的材料執(zhí)行時(shí)，對(duì)其他組件可能會(huì)引起意外脆斷。

ASME Ⅷ-1已接受了我國(guó)的Q345R可以用于建造蓋U鋼印容器的材料，但將該鋼材的有關(guān)要求都大大提高，例如將允許使用的高溫溫度降低，許用應(yīng)力降低，對(duì)防止脆性斷裂按照抗脆斷性能最差的材料分類，對(duì)焊后熱處理也按要求最高的材料對(duì)待等，見(jiàn)本書2.2節(jié)。即使這樣，由規(guī)范圖UCS-66（即本書圖2-3）及其說(shuō)明可知，經(jīng)細(xì)晶化和正火處理，即按曲線B判別時(shí)，不經(jīng)過(guò)另加的低溫沖擊試驗(yàn)，厚度為10mm及以下的板材也可用至-28℃，厚度為12mm者則可用至-21℃而不需另做沖擊，即使未經(jīng)細(xì)晶化和正火處理，按照規(guī)范圖UG-84.1（即本書圖2-6）所規(guī)定的沖擊功合格值，只要在最低設(shè)計(jì)金屬溫度下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)并滿足20J，不大于35mm厚的板材即可用至該最低設(shè)計(jì)金屬溫度。而對(duì)未經(jīng)細(xì)晶化和正火處理的150mm厚材，即按曲線A判別時(shí)，即使在48℃也有可能發(fā)生脆斷；經(jīng)細(xì)晶化和正火處理，即按曲線B判別時(shí)，在40℃也有可能發(fā)生脆斷。GB 150則規(guī)定液壓試驗(yàn)時(shí)液體溫度不得低于5℃，這對(duì)厚材而言可能會(huì)帶來(lái)不安全。雖然列有“由于板厚等因素造成材料無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度升高，則需相應(yīng)提高試驗(yàn)溫度”的條文，一般不會(huì)引起用戶關(guān)注，且缺乏可操作性。

GB 151直接引用了原GB 150的這一規(guī)定，而2014年版的GB/T 151則對(duì)低溫?fù)Q熱器予以回避。