论文部分内容阅读
铁素体钢随温度降低特有的韧脆转变现象,使得低温下服役的压力容器有发生脆断的风险。压力容器的脆断失效往往会造成极大的人员伤亡和经济损失,因此各国压力容器规范均制定了详细的条款来防止脆断的发生。目前欧美发达国家均发展了基于断裂力学的材料最低设计温度确定方法,我国压力容器规范仍单纯的依赖工程经验确定材料的最低设计温度。本文以我国常用压力容器用钢Q345R为研究对象,结合当代断裂力学的最新研究成果主曲线法,系统的研究了压力容器用铁素体钢的最低设计温度确定方法。主要研究内容和结论如下：(1)研究了ASME Ⅷ与EN13445防脆断条款的理论背景,分析了相关防脆断规定的合理性。Ⅷ-2防脆断模型中使用R/t=100的圆筒作为含缺陷结构能够涵盖最危险的情况,低应力温度修正曲线规定厚度50.8mm,对于AW态是过保守的,对于PWHT态是不够保守的。EN13445中低温设计曲线是通过后期调整后得到的,验证了规范中低应力温度修正方程的来源,明确了规范针对AW态温度修正的相关规定的保守性。(2)论述了ASME Ⅷ-2与EN13445中防脆断方法的本质均基于严密的断裂力学分析得到防脆断的断裂韧度要求,再结合经验公式将其转换成冲击功要求。经比较两者断裂韧度要求相差不大,具体条款的防脆断效果相当。(3)低温韧性测试结果显示,Q345R具有优秀的低温韧性,ASME Ⅷ将其归入曲线A大大低估了材料韧性。H10Mn2/SJ101配合制备的焊缝金属强度和韧性均与母材Q345R较为匹配,H10Mn2/HJ431配合制备的焊缝金属冲击功以及断裂韧度均明显低于母材Q345R,实际工程中应该依据容器使用场合区别对待两种配合。(4)借助于主曲线法,建立了以断裂韧度作为材料韧性要求的最低设计温度确定方法,该方法基于严密的断裂力学原理,便于铁素体钢材使用,摈弃了欧美规范方法的半经验性,无需大型结构试验验证。最低设计温度曲线,与ASME Ⅷ相比,其中未包含任何经验性假设；与EN13445相比,形式简洁,图表数量少。(5)阐明了ASME将Q345R归入曲线A的深层次原因,在于我国压力容器规范落后的防脆断条款限制了材料在更低温度下使用,材料标准对钢材的韧性要求不够严格造成钢材质量稳定性差。结合我国压力容器用钢现状,建立了基于材料使用经验的最低设计温度确定方法,针对性的提出改善我国压力容器用钢质量稳定性的建议。(6)建立了以冲击功作为材料韧性要求的最低设计温度确定方法,发现尽管基于冲击功与断裂韧度数值经验关系式可以得到与ASME Ⅷ-2相近的冲击功要求,但是由于转变温度区内冲击功与断裂韧度不存在固定的关系,因而基于冲击功的T_D值极有可能是非保守的。利用冲击功特征温度T27J和主曲线参考温度T0Mc经验关系式,建立基于T27J的最低设计温度曲线,经验证可以得到一个偏保守的T_D值。(7)研究了低应力与水压试验工况下的材料最低设计温度。发现现行GB150中的低温低应力工况的温度修正能够保证容器在低温下不发生脆断,但是压力容器在GB150规定的温度下进行水压试验仍有脆断失效的风险。基于本文的防脆断模型建立了低应力温度修正曲线,与ASME VIII-2曲线相比有着较弱的材料屈服强度相关性,与EN13445曲线也较为接近。推荐压力容器水压试验温度为：T_D+20℃。