锅炉规范的调整
----材料设计系数从4.0降为3.5的技术依据

Adjusting the Boiler Code----Technological Basis for Reducing the Material Design Factor From 4.0 to 3.5
多曼尼克 A. 坎农尼柯 Domenic A.Canonico

编者按:本文是2000年5月Domenic A.Canonico先生在NB/ASME锅炉压力容器规范联合大会上所做的报告,2001年2月在ASMENET上发表。现由编者进行摘译,把题目改为现在的名称并加上小标题。

        ASME
锅炉压力容器规范最近的一个变化是降低了在第I卷(动力锅炉)和第VIII卷1册(压力容器)用于计算许用应力的材料设计系数(material design factor).新的系数从原来的4降到3.5,出现于1999年7月1日出版的1998年版规范的1999年增补中。安全系数4用了半个多世纪。过去55年,由于炼钢技术、无损检测和断裂韧性评价技术的进展,使这一过时的系数发生了变化。
        许用应力值的计算是把材料的抗拉强度除以材料的设计系数。自从1914版锅炉压力容器规范第一版问世以来,许用应力的这种计算方法一直没有改变。在1914版中用于计算承压件最高许用工作压力(MAWP)的公式是: MAWP=(TS)x (t) x (E)/(R) x (FS), 当时把材料设计系数叫做安全系数(factor of safety),即公式中的FS,现在把它改为材料设计系数是避免误解为只有它才是安全系数。

把系数4 降到3.5在技术上有根据而且是安全的
         1914版的锅炉规范上述公式中的系数为5,一直沿用到1944年从5 降到4,使许用应力降低20%(规范案例968)是鉴于焊接技术的巨大进展,从而水压试验的压力也从2倍降到1.5倍。那时降低材料设计系数的唯一理由就是焊接技术的改进,在技术上并没有确立的依据,可以说是感情用事,或是由于要满足战争的需要(节约材料)。战后,材料设计系数一度又返回到5,一直到1951年。在1950年才决定把它永久地定为4(见1951年增补)。材料设计系数4用了几十年。1955年,第VIII卷主席提出对这个系数的询问。为此,PVRC做了改变系数4是否可行的研究。到1996年得出结论:把系数4 进一步降到3.5,在技术有根据,而且是安全的。

焊接和无损检测技术的进步
        1944年以来,焊接技术的进步非常特出,而1931年版之前,BPVC是不接受熔化焊接法的,直到13年后才接受。
        焊接采用电子电源也给人以深刻印象。如今,焊接设备的电源无一不是固态电路,后者使电弧的电特性十分稳定,它大大减少了焊接引起的缺陷。1944年,在电子电路中采用真空管是很时髦的,一直到50年代中期发明了半导体之后,它才被后者所代替。焊接时,母材局部是暴露在高温之下的,这一现象很早就发现了,故规范要求要消除在焊件中由于温差引起的残留应力。1944年,断裂韧性的概念还停留在实验室中,而焊后热处理(PWHT)的概念还没有产生。一直到1962年的ASME锅炉压力容器规范,无论在第I卷或第VIII卷中,都还没有焊后热处理的内容。如今,在第I、IIIVIII卷中,所有焊件,除非满足特殊规则,都要做焊后热处理了。
        自从发现了氢致裂纹,人们开始认识到预热的重要。如今,在规范的I、III、VIII卷中,预热虽然还不是强制性的,但在非强制性的附录中给出对预热的建议。
        1944年唯一的无损检测方法是射线检测
        1931年版的规范中,把焊接厚度限制在4英寸以下,因为当时射线检测的最大厚度是这个厚度。30年代后,射线检测技术有了进展,可以查出夹渣、未焊透等缺陷。40年代开发了高能射线检测技术。但,射线检测的分辨率约2%,所以,5in.厚(127mm)的材料中,缺陷尺寸小于2/32in.(2.4mm)的就查不出来,反之,超声波检测很容易查出来。但只要在1947年开发出斜探头后,超声波检测才有实用价值。涡流检测法能探出极小的缺陷,在50年代后获得商业应用。

断裂力学的概念引入实用
        二次大战后,对材料断裂韧性的概念加深了。脆性断裂常见于体心结晶(bcc)组织的铁素体材料中。此时,材料中的瑕疵(imperfection)成为应力集中点。材料在存在应力集中点的情况下,对断裂失效的抗力叫做缺口韧度(从缺口试样做冲击试验时量得)。
        一般,随着温度的降低,体心结晶的材料对脆性破坏就更为敏感。几个大型结构的失效,例如:美国商船在应力远低于屈服强度下的失效;它清楚地表明:对于材料的性能,除了要考虑抗拉强度外,还要考虑别的性能。过去,有80艘左右的船体被断裂成一分为二,大约发现在1000艘船的甲板上存在很长的脆性断裂裂纹。为此,美国政府主持了对脆性断裂原因的研究。研究发现,很多裂纹是在铆钉处停止的,而焊缝则为裂纹提供了一条连续的通道。如果钢中碳、磷、钼、砷的含量较高,则其转变温度要增高,而镍、硅、锰、铜的效应则相反。1944年对缺口韧度的作用是不甚了解的。
        40年代末,开发了落锤试验。断裂力学的概念在1944年还是实验室的奇迹。当核能和平利用诞生时,上述两个工具才起到作用。1967年,在美国橡树岭研究所的一份出版物中才对这种方法深加讨论。这份文件导致成立“厚截面钢技术”计划,后者使断裂力学的概念引入实用。

炼钢技术的进步使钢的纯净度和韧性大大提高
        
影响钢的纯净度,从而,影响到钢的缺口韧度,使转变温度提高,上平台能量下降。在50年代末、60年代带初,钢板中硫含量一般是0.02%,现在则降到0.002%。对存在的硫再用稀土元素控制它的形态。碳和磷对钢的缺口韧度影响也很大。现在由于采用碱性吹氧炼钢,磷可降低到小于0.01%。
        钢的熔炼技术在过去55年有很大改进,从而,使炼出的钢更加纯净,缺口韧度更好。主要的熔炼方法是电弧炉和碱性吹氧,其中包括真空除气、电渣重熔和氩氧除气等,其效果是可以控制钢的气体含量(低氧、低氢)、低硫、显微洁净度(除去有害的非金属杂质)、更好地控制钢的成分变化和夹杂的形态,并提高了钢的力学性能。
        40年代末、50年代初的研究表明:某些合金元素是有利的。例如:对于控制硫的有害影响十分有效,特别是在焊接的时候。从1942年宾夕法尼亚一家电厂高温蒸汽管线上的脆性失效了解到,只要在碳钢里面加入少量的,就可以防止钢的石墨化,而这家电厂的失效事故是由于亚稳碳化铁长时间处于850oF以上的高温条件下分解为石墨和铁引起的。同时也弄清楚,采用细晶粒度的熔炼法(例如:铝镇静化)可以大大提高钢的韧性。
材料设计系数调整后,SA-516-70在650 oF(343 oC)下的许用应力增加7.4%;同一温度下,SA-299的许用应力只增加5.3%。SA-213T12T22亦然。1998和1999年增补对此两个合金在900 oF(480 oC)下的许用应力之差分别为3.6%和0%。

对公众安全的保证
        1944年以来技术各个方面的进步,对压力设备的安全建造、试验和运行的影响是革命性的。如今我们已经知道如何去炼制纯净钢、我们可以保证焊件具有好的质量,我们可以判断结构对于脆性断裂是否具有敏感性。1944年这些手段都不具备。第I卷和第VIII1册的保守性仍旧是很重要的。材料设计系数从4变为3.5并不是对安全性的妥协。基于屈服强度计算的许用应力所用系数并没有改变,仍然是1.5。压力设备由于过应力状态失效的几率是非常小的。在室温下,基于结构材料抗拉强度和极限强度的许用应力的变化最多增加5%。鉴于过去55年技术进步幅度之大,应力的这一微小变化则是微不足道的。
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