ASME和GB标准中锅炉管压扁试验对比分析及应用(摘要)
The Comparison Analysis and Utilization of Flattening Test Requirements for Boiler Tubes Specified in ASME Codes and GB Standards

敬仕煜,刘盛波,曾 辉,刘学政,邓国霞东方锅炉(集团)股份有限公司
Jing Shiyu, Liu Shengbo, Zeng Hui, Liu Xuezheng, Deng Guoxia     Dongfang Boiler Group Co., Ltd.

本文比较分析了ASME SA-1016、SA-213和GB5310-2008、GB/T246有关锅炉管压扁试验的规定,认为ASME压扁试验主要针对材料塑性,GB则是材料工艺性能的综合检验方法之一;二者差
异由各自体系所决定。文中也示例分析了按ASME规范对表面缺陷引发开裂的评判。
This paper comparatively analyzes the regulations of flattening test for boiler tubes specified in ASME SA-1016, SA-213 and GB5310-2008, GB/T246. It is believed that there were some differences between the tests in ASME and GB, depending on their self systems. The test in ASME mainly checks the material’s plastics, and test in GB is a comprehensive test method for material’s forming properties. A case for the judgment on cracks caused by surface imperfection according to ASME regulations is also presented.

锅炉管;压扁试验;GB5310;ASME SA-1016
Boiler Tube; Flattening Test; GB5310; ASME SA-1016

前言

1.压扁试验,是用来检验金属管压扁到规定尺寸的变形性能、并显示其缺陷的一种试验方法。试验时,将试样置于两个平行板之间,用压力机或其它方法,均匀地压至管子技术条件规定高度,检查试样是否完整、是否有裂缝或裂口等。试样分为圆形和“C”形二种,最常见的是圆形压扁试验。

由于压扁试验简单、易于操作,且能在一定程度上反映钢管的工艺性能,故在钢管的质量控制上得到了广泛应用。对承压用锅炉钢管(管子的上限尺寸有限制),如我国的GB5310-2008,ASME的相应管子规范,欧洲的EN10216,印度的IBR规范等都对锅炉管压扁试验做出了规定。

我国锅炉行业实践中,高压锅炉用小口径管的生产、制造、验收大多采用国家标准和美国标准:GB5310高压锅炉用无缝钢管;ASME SA-213[1]、SA-209[2]、SA-210[3]、SA-106[4]及其引用标准(如SA-450[5]、SA-1016以及SA-530[6])。对于压扁试验,GB5310包含了检验规则和验收规定,仅引用了GB/T246[7的]试验方法部分(与产品标准合用);而ASME SA-450、SA-1016则作为通用要求被产品标准如SA-213等引用,对压扁试验方法和验收规定做出了要求。

由于国际交流、合作不断深入,中国标准也逐步采纳了国际通行标准的部分内容,如新发布的GB5310-2008关于压扁试验的规定也向SA-1016和SA-450靠拢。但由于体系不同,二者仍有一定差异。

由于SA-450和SA-1016除了涉及的钢种有所不同外,其余要求基本类同。故本文仅以SA-1016(管子通用标准)及SA-213(管子产品标准)作为论述对象,对GB5310-2008与ASME SA-1016、SA-213标准中关于压扁试验的差异进行分析和比较、并示例说明,期望有助于力学试验人员更好的理解标准,并在检验工作中正确运用标准进行判断。

2.GB5310和SA-1016(SA-213)压扁试验比较

锅炉用小口径钢管的主要规格多处于外径D≤76mm,且3mm<壁厚S≤25.4mm范围内,以下以此规格范围为例,来分析压扁试验主要规定及差异。又因为两标准的试验方法部分和完整性试验的合格判据部分相同,所以重点对取样部位、数量和延性试验阶段的合格判据进行分析。

2.1.取样部位及数量

表1中列出了GB5310-2008和SA-1016(SA-213)中关于取样的描述。

表1 取样部位和数量

项目 GB5310-2008 SA-1016(SA-213)
取样部位和数量

1)按批号,每批在两根钢管上各取一个试样。

2)“批”的数量限制,≤200根。

1)按批号,在一根管子的两端各取一个,但不是作扩口试验的那一根。

2)最终热处理为连续式时,“批”≤50或75根;

政府采购时,压扁取样视管子数量,可整批至46个。一般10%左右。


从表1可以看出,ASME标准更严谨,取样要求更严格,特别是最终热处理为连续式炉处理时。

2.2.合格判据

表2中列出了GB5310-2008和SA-1016中关于第一步延性试验后,钢管的合格判据的规定。

表2 延性试验后的合格判据

项目
GB5310-2008
SA-1016(SA-213)
合格判据

1)试样上不允许存在裂缝或裂口。

2)但下述情况不作为不合格与否的判定依据:

a.试样表面缺陷引起的无金属光泽的裂缝或裂口;

b.当S/D>0.1时,试样6点钟(底)和12点钟(顶)位置处内表面的裂缝或裂口。

1)在无缝管试样的内、外表面或端部表面,不得有裂纹或破裂。

2)但下列情况须另外考虑:

a.试样在压扁前有表面缺陷,但在试验的第一步被发现,则根据成品管的要求判断。

b.由试样表面缺陷引起的肤裂,不得作为拒收的理由。

c.当对D/t较小的管状产品进行试验时,由于几何原因使顶、底两处的管子内表面应变不合理地高,因此,当D/t小于10时,不能因该处的破裂而予拒收。

 

总体看,两个标准中的合格判据均是试样的内、外表面不得有裂纹或破裂;但两者在细节上仍有细微的差异。

从GB5310-2008的表述可知,裂缝或裂口的判断以是否可见金属光泽为界;作为判据的例外考虑之一,表面缺陷引发的、但有金属光泽的裂缝或裂口仍不合格。

在ASME SA-1016中,除了内外表面开裂外,还增加了端部表面开裂的限制,其裂纹或破裂的判断以肤裂为界、而非金属光泽。从SA-1016的表述可知,由试样表面缺陷引起的肤裂(无论是否有金属光泽),不得拒收。即便表面缺陷引起的裂纹或破裂在一定条件下也允许。这是在压扁试验方面,ASME与我国GB5310的最重要差别之一。

2.3.讨论分析

由于两体系的标准在合格判据上存在一定差异,特别是关于表面缺陷引起开裂的规定不同,这将严重影响到试验人员对压扁试验结果的判定。因而下面深入讨论分析。

按GB5310的规定,任何有金属光泽的裂缝和裂口(包括表面缺陷引发的)均为不合格。

而按SA-1016的规定,除表面缺陷引起的肤裂被允许外,表面缺陷引起的裂纹或破裂在一定条件下被允许,要根据成品管标准判断。成品管标准如SA-213、SA-210、SA-209、SA-106仍然引用的是SA-1016(或SA-450),表面缺陷的判定转入了该标准中的25条“无损探伤”。

“无损探伤”25条10款规定,除不能辩识、裂纹或类裂纹外,诸如表面檫伤、表面粗糙、勾缝、矫直划痕、松散开的内径表面焊珠或切削、钢模划痕、管子减径皱纹或不整齐的飞边修整等表面缺陷是许可的,要由目视下表面缺陷严重程度,或探伤设备产生的信号类型,或同时以两者为依据,可以合格验收或者拒收。25.10.3中进一步规定,缺陷深度超过0.1mm或规定最小壁厚的12.5%(二者取大者)时,应予以拒收。简单地说,如果压扁第一步发现表面缺陷引起的裂纹或破裂,最直接的办法是进行探伤,当发现探伤信号波超过标准刻槽时,才能判断该批钢管不合格。另外,不合格的管子允许通过修磨而合格验收。

上述分析的基本结论是:SA-1016把压扁试验几乎完全限定在针对材料塑性的检验,缺陷的判定则交给了水压试验或探伤试验。只要材料本身塑性指标合格(含压扁通过),缺陷在探伤合格标准内,那么,在工程应用上就是安全的。笔者认为,通常,ASME都努力避免不同学科之间的交叉检验,让每一学科专注其所长,这符合ASME的一贯精神。这就提示试验人员,如果压扁试样出现裂纹或破裂,在作出不合格判定之前,必须弄清楚试样开裂的原因。如果不是由表面缺陷引起的,则应判为不合格;反之,则应根据表面缺陷的性质和深度、结合探伤试验才能进一步判断。

而对于GB5310,压扁试验是对钢管工艺性能的综合检验,既包括塑性,也包括表面缺陷对塑性(一定程度上还包括了强韧性)的影响,尽管表面缺陷已经被水压或探伤标准所规定。从某种意义上说,GB5310的压扁试验更严厉。

3.按ASME验收的压扁试验案例

3.1.实例和处理

从国外进口的ASME SA-213 T92,规格为Φ50.8×4.5的冷拔钢管,在压扁试验达到第一步延性试验规定高度H=29时,发现试样3点种和9点种位置均出现直线状开裂,如图1。

在一个压扁试样的破裂位置取金相试样,编号为A,进行截面金相观察,见图2。

然后对另一试样继续压扁,直至贴合,从破裂处打开断口,编号B,进行断口扫描电镜SEM观察、能谱EDS分析,见图3和图4。

同时,在该批钢管原取样邻近位置另取一组共两个压扁试样,编号为C1、C2。对C1外表面进行酸洗照相并对C2截面的缺陷深度进行测量,分别见图5和图6。

3.2.分析

A试样,如图2所示,试样自表面启裂后(原始缺陷深度为0.08 mm,压扁后扩展0.12 mm),开裂处迅速钝化,说明该钢管有较好塑性。

B试样,如图3的SEM和图4的EDS。结果表明,裂源为试样外表面的细线状缺陷,缺陷表面的附着物经EDS分析为氧化物;裂口扩展区为层状断口,断口微观形貌多数为韧窝状,塑性变形明显,属延性断裂,进一步表明钢管仍有较好的塑性。

C1和C2试样,如图5、图6显示,钢管外表面沿轴向分布着大量深度不超过0.1mm(个别达到0.13mm)的细线状划痕,这应是冷拔制管的拔模划伤所致。

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