ASME低溫用鋼國內應用探討

談劍榮

(上海工程化學設計院有限公司)

ASME低溫用鋼國內應用探討

談劍榮*

(上海工程化學設計院有限公司)

低溫容器用途日益廣泛。由于國內低溫用鋼可選擇性差等一些因素，ASME低溫用鋼在國內項目中被大量使用。隨著新容規（TSG R0004—2009）及其實施意見的頒發，對低溫容器設計有了更高更具體的要求。對選用ASME低溫用鋼而按國內標準設計的情況進行了探討，分析了ASME與國內標準體系的不同處，指出設計時對材料本體需注意的一些問題并提出解決方案，同時也對設計ASME低溫用鋼容器會遇到的一些問題作了提醒和解釋。關鍵詞 壓力容器 ASME 低溫 碳鋼 低合金鋼 國內

0 概述

低溫容器應用越來越廣泛。由于它工況特殊，其結構、選材、檢驗等均有特別之處，需要對現有規范標準有更透徹的理解才能設計合理安全的結構。同時國內低溫用鋼存在可選擇性較差、應用歷史較短等問題，現國內大量工程應用國外低溫用鋼，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監察規程》 （以下簡稱 《固容》）及其實施意見的頒發，對低溫容器設計有了更高更具體的要求，尤其是使用國外低溫用鋼時。這又要求設計人員對ASME標準和材料有一個較為清晰的理解，才能符合國內標準規范的要求。另外由于國內外低溫材料研究和應用的先進性不同，標準制定的科學性不同，需要我們作更多的研究和探討。下面簡單介紹ASME鋼材標準，其特性同樣適用于ASME低溫用鋼。

ASME壓力容器用鋼材標準是一個完整體系，而不是簡單的合訂本。ASME鋼材標準是市場經濟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準，同時也是壓力容器規范的一個組成部分。在使用ASME鋼材標準時，一般均有用戶采購技術規范來補充、完善。鋼材標準中有相當多的條款是為采購 （合同）和用戶檢查驗收所用的，如訂貨須知、外觀、檢查、拒收和復審、質量證明文件、產品標志、包裝等。這對國內壓力容器設計人員提出了更高的要求。

1 分析與討論

1.1 ASME與國內標準的低溫界限和沖擊試驗

首先對GB150附錄C中低溫容器設計的低溫界限進行說明。我國標準將低溫限統一定為-20℃并沒有科學依據，只是根據經驗人為地劃定一個界限，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材料組別、厚度、應力水平和材料熱處理狀態，通過計算確定材料允許的最低設計金屬溫度(MDMT)的方法。若容器的使用溫度低于允許的MDMT，則屬低溫范圍，要求進行沖擊試驗。這種方法建立在大量實驗研究的基礎上，它運用斷裂力學的判據，針對每種材料的性能、厚度、熱處理狀態分別確定低溫限，是比較科學的方法。這種方法與我國目前的標準有著明顯的區別。

一般ASME容器，是按每個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的交點落在曲線上方是豁免，落在下方就要做沖擊試驗，但有時候落在下方也可以不做沖擊試驗，因為UCS-66的曲線圖是在滿應力情況下測試得來的，實際情況是所設計的容器并不在滿應力下工作，所以有個比值，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進行低溫設計同時采用ASME低溫用鋼，則必須做沖擊試驗 （不考慮低溫低應力工況）。這時必須注意，在UCS-66中有一條注說：應用UCS-66中免做沖擊試驗的規定，并不確保這些材料作沖擊試驗時，其結果能滿足UG-84的沖擊能量的要求。在GB150低溫設計中，對焊縫和熱影響區的低溫夏比 （V形缺口）沖擊試驗取樣方法和合格指標完全按母材的要求確定，這點比ASME嚴格。在ASME中除了UG-20(f)的免試規定外，還有很多情況也可以免做焊縫和熱影響區的沖擊試驗，詳見UCS-67。

1.2 ASME與國內標準材料的使用溫度下限

ASME規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-最低試驗溫度關系。比如說SA516-70（正火或淬火加回火狀態，≤25mm）有-46℃時作沖擊試驗的要求，也就是說SA516-70可以使用到這個溫度。假設和鋼廠簽定合同說明了試驗溫度及沖擊功要求，若鋼廠在-55℃的時候讓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。當然也有另外一種觀點認為，標準中的最低沖擊試驗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溫度下可滿足沖擊要求，但焊縫不一定能達到這個沖擊功。

國內關于使用溫度下限陳述的標準規范列于表1。最新的 《固容》實施意見對使用溫度下限有了明確數值，低溫鋼材使用溫度下限即為最低沖擊試驗溫度。

表1 使用溫度下限的有關規范

1.3 ASME材料要求與國內標準規范的差距

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

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）用于設計溫度低于-20℃并且標準抗拉強度下限值小于540 MPa的鋼材，P≤0.025%、S≤0.012%；

2.3.2 （4）用于設計溫度低于-20℃并且標準抗拉強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 條中規定，殼體的鋼板厚度大于20 mm時，應逐張進行超聲檢測，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針對介質危害高、濕H2S腐蝕、高壓等情況也提出了逐張超聲檢測的要求。按GB150材料篇調質狀態使用的低溫鋼超聲要求為不低于Ⅱ級， 《固容》實施意見特別指出，大于16 mm的調質鋼板超聲檢測質量等級須符合Ⅰ級。

（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用鋼時對其化學成分磷、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。

1）若ASME鋼板標準中斷后伸長率指標高于《固容》表2-2規定的，還應當符合相應鋼板標準規定。

2）采用不同尺寸試樣的斷后伸長率指標，應當按照GB/T 17600.1《鋼的伸長率換算第1部分：碳素鋼和低合金鋼》進行換算，換算后的指標應當符合 《固容》表2-2的規定值及相應鋼板標準規定的要求?，F舉例如下。

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

對照 《固容》鋼板標準抗拉強度下限值小于等于420 MPa的斷后伸長率為大于等于23%，所以該鋼板滿足 《容規》要求。

ASME對材料標準試樣的制備和要求按SA-20和SA-370中的規定。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，這樣才能知道究竟是否滿足 《容規》的要求。

（5）ASME材料要求與國內標準規范有所不同。為方便設計，表2羅列了按國內規范標準設計而選用ASME低溫用鋼時對材料本體須添加或注意的一些內容。

表2 選用ASME低溫用鋼時須注意的事項

2 國內標準設計應用ASME低溫用鋼存在的問題

（1）由于現有標準的限制，對于液氨儲罐設計人員往往以Q345R作為首選的設計材料。但事實上，由于Q345R材料的最低抗拉強度接近于540 MPa，在低溫下其抗拉強度更高，在液氨應力腐蝕生成的環境下很容易形成應力腐蝕裂紋，這在制冷行業是有很多經驗和教訓的。建議改選強度較低的Q245R，這樣就不會有明顯的應力腐蝕的危險了。同理，在選用國外材料時也應注意不宜選用強度較高的SA516-70級別的材料。

（2）HG20585-1998《鋼制低溫壓力容器技術規定》的4.0.11條規定，采用國外低溫壓力容器用鋼材進行設計或施工者，也必須符合本規定 （4.0.4條）對材料的相應要求，材料的許用應力按GB150規定的安全系數計取。

筆者認為，ASME的抗拉強度的安全系數（3.5）較GB150（3.0）大，既然應用了ASME的鋼材標準，若在使用國內標準設計時采用GB150或 《固容》的抗拉強度安全系數 （2.7），即假設材料的許用應力是由抗拉強度的安全系數決定的，這樣就提高了材料的許用應力，設備反而變得不安全。不能認為國內規范的安全系數也適用于國外材料，除非為了更安全起見而應用于安全系數較GB150低的情況。材料的力學性能，尤其是許用應力，是和材料的化學成分、失效模式等相關的，即使是力學性能相近的國內外材料，其化學成分也是存在差別的。

（3）在GB151換熱器強度脹接的適用范圍中只提到設計溫度小于等于300℃，沒說是否適用于低溫容器。實際上低溫鋼溫度越低，強度越大，且由于強度脹管板材料須大于換熱管強度，開槽又助長了應力集中，管板和換熱管均易在使用中產生微裂紋。由于脹接時的加工硬化，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。所以當材料低溫使用其抗拉強度接近于540 MPa時，尤其是應用于對應力敏感的介質時，不宜用強度脹。一些ASME低溫用鋼最低沖擊試驗溫度值較低，而最高抗拉強度遠大于540 MPa，如SA-203 D級最低沖擊試驗溫度為-101℃，當設備使用于該低溫工況下管板開槽處時，其實際的應力值就更高了，所以更要避免強度脹。

（4）由于ASME對材料生產廠家資格沒有任何要求，不比生產ASME鋼印產品需要認證手續，采購材料時外商往往層層轉包，導致產品質量有時無法保障，在國內復驗若不合格再行國外訂購則會打亂工程周期，損失巨大。為防意外，注明大家公認的ASME低溫用鋼材料生產國或生產商是有必要的。

3 總結

ASME低溫用鋼標準總體上與 《固容》及其實施意見的要求有一定差距，但由于它在業內具有長期不可動搖的地位，因此ASME低溫用鋼是很多用戶的首選。當我們采用國內標準設計而選用ASME低溫鋼時，只要認真研究其內容，并結合國內不斷更新的標準規范和具體設備情況提出必要的補充要求，就可以設計制造出各方滿意的產品。反之，則適得其反。

[1]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.TSG R0004-2009.固定式壓力容器安全技術監察規程[S].2009.

[2]ASMEⅧ-Ⅰ.壓力容器建造規則：第一冊[S].2004.

[3]王非，林英.化工設備用鋼[M].北京：化學工業出版社，2004.

[4]國家石油和化學工業局.HG 20585-1998.鋼制低溫壓力容器技術規定[S].1998.

[5]國家技術監督局.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)