ASME锅炉规范材料设计系数从4.0降为3.5的技术依据

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。

Adjusting the Boiler Code

- Technological Basis for Reducing the Material Design Factor From 4.0 to 3.5

Domenic A.Canonico

ASME锅炉压力容器规范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。

1. 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，使许用应力提高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。

2. 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突出，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、III和VIII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。

在1944年唯一的无损检测方法是射线检测。

在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。

3. 断裂力学的概念引入实用

二次世界大战后，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。

4. 炼钢技术的进步使钢的纯净度和韧性大大提高

硫影响钢的纯净度，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：锰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钼，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 °F（343 °C）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-213 T12和T22亦然。1998和1999年增补对此两个合金在900 °F（480 °C）下的许用应力之差分别为3.6%和0%。

5. 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。而1944年这些手段都不具备。

第I卷和第VIII卷1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。

往期精彩：

太空救援之低温脆断以及低温水压试验造成的悲剧

焊接接头系数和排孔削弱系数

水压试验改气压试验要注意什么

变形率的计算及故事

去工业化的后果