編者按：本文是2000年5月Domenic A.Canonico先生在NB/ASME鍋爐壓力容器規范聯合大會上所做的報告，2001年2月在ASMENET上發表。Adjust

編者按：本文是2000年5月Domenic A.Canonico先生在NB/ASME鍋爐壓力容器規范聯合大會上所做的報告，2001年2月在ASMENET上發表。

Adjusting the Boiler Code

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

Domenic A.Canonico

ASME鍋爐壓力容器規范的一個變化是降低了在第I卷（動力鍋爐）和第VIII卷1冊（壓力容器）用于計算許用應力的材料設計系數（material design factor）.新的系數從原來的4降到3.5，出現于1999年7月1日出版的1998年版規范的1999年增補中。安全系數4用了半個多世紀。過去55年，由于煉鋼技術、無損檢測和斷裂韌性評價技術的進展，使這一過時的系數發生了變化。

許用應力值的計算是把材料的抗拉強度除以材料的設計系數。自從1914版鍋爐壓力容器規范第一版問世以來，許用應力的這種計算方法一直沒有改變。在1914版中用于計算承壓件最高許用工作壓力（MAWP）的公式是：MAWP=（TS）x (t) x (E)/(R) x (FS), 當時把材料設計系數叫做安全系數（factor of safety），即公式中的FS，現在把它改為材料設計系數是避免誤解為只有它才是安全系數。

1. 把系數4 降到3.5在技術上有根據而且是安全的

1914版的鍋爐規范上述公式中的系數為5，一直沿用到1944年從5 降到4，使許用應力提高20%（規范案例968）是鑒于焊接技術的巨大進展，從而水壓試驗的壓力也從2倍降到1.5倍。

那時降低材料設計系數的唯一理由就是焊接技術的改進，在技術上并沒有確立的依據，可以說是感情用事，或是由于要滿足戰爭的需要（節約材料）。戰后，材料設計系數一度又返回到5，一直到1951年。在1950年才決定把它永久地定為4（見1951年增補）。材料設計系數4用了幾十年。1955年，第VIII卷主席提出對這個系數的詢問。為此，PVRC做了改變系數4是否可行的研究。到1996年得出結論：把系數4 進一步降到3.5，在技術有根據，而且是安全的。

2. 焊接和無損檢測技術的進步

1944年以來，焊接技術的進步非常突出，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。

焊接采用電子電源也給人以深刻印象。如今，焊接設備的電源無一不是固態電路，后者使電弧的電特性十分穩定，它大大減少了焊接引起的缺陷。1944年，在電子電路中采用真空管是很時髦的，一直到50年代中期發明了半導體之后，它才被后者所代替。焊接時，母材局部是暴露在高溫之下的，這一現象很早就發現了，故規范要求要消除在焊件中由于溫差引起的殘留應力。1944年，斷裂韌性的概念還停留在實驗室中，而焊后熱處理（PWHT）的概念還沒有產生。一直到1962年的ASME鍋爐壓力容器規范，無論在第I卷或第VIII卷中，都還沒有焊后熱處理的內容。如今，在第I、III和VIII卷中，所有焊件，除非滿足特殊規則，都要做焊后熱處理了。

自從發現了氫致裂紋，人們開始認識到預熱的重要。如今，在規范的I、III、VIII卷中，預熱雖然還不是強制性的，但在非強制性的附錄中給出對預熱的建議。

在1944年唯一的無損檢測方法是射線檢測。

在1931年版的規范中，把焊接厚度限制在4英寸以下，因為當時射線檢測的最大厚度是這個厚度。

30年代后，射線檢測技術有了進展，可以查出夾渣、未焊透等缺陷。

40年代開發了高能射線檢測技術。但，射線檢測的分辨率約2%，所以，5in.厚（127mm）的材料中，缺陷尺寸小于2/32in.（2.4mm）的就查不出來，反之，超聲波檢測很容易查出來。但只要在1947年開發出斜探頭后，超聲波檢測才有實用價值。渦流檢測法能探出極小的缺陷，在50年代后獲得商業應用。

3. 斷裂力學的概念引入實用

二次世界大戰后，對材料斷裂韌性的概念加深了。脆性斷裂常見于體心結晶（bcc）組織的鐵素體材料中。此時，材料中的瑕疵（imperfection）成為應力集中點。材料在存在應力集中點的情況下，對斷裂失效的抗力叫做缺口韌度（從缺口試樣做沖擊試驗時量得）。

一般，隨著溫度的降低，體心結晶的材料對脆性破壞就更為敏感。幾個大型結構的失效，例如：美國商船在應力遠低于屈服強度下的失效；它清楚地表明：對于材料的性能，除了要考慮抗拉強度外，還要考慮別的性能。

過去，有80艘左右的船體被斷裂成一分為二，大約發現在1000艘船的甲板上存在很長的脆性斷裂裂紋。為此，美國政府主持了對脆性斷裂原因的研究。研究發現，很多裂紋是在鉚釘處停止的，而焊縫則為裂紋提供了一條連續的通道。如果鋼中碳、磷、鉬、砷的含量較高，則其轉變溫度要增高，而鎳、硅、錳、銅的效應則相反。1944年對缺口韌度的作用是不甚了解的。

40年代末，開發了落錘試驗。斷裂力學的概念在1944年還是實驗室的奇跡。當核能和平利用誕生時，上述兩個工具才起到作用。

1967年，在美國橡樹嶺研究所的一份出版物中才對這種方法深加討論。這份文件導致成立“厚截面鋼技術”計劃，后者使斷裂力學的概念引入實用。

4. 煉鋼技術的進步使鋼的純凈度和韌性大大提高

硫影響鋼的純凈度，從而，影響到鋼的缺口韌度，使轉變溫度提高，上平臺能量下降。

在50年代末、60年代帶初，鋼板中硫含量一般是0.02%，現在則降到0.002%。對存在的硫再用稀土元素控制它的形態。碳和磷對鋼的缺口韌度影響也很大?，F在由于采用堿性吹氧煉鋼，磷可降低到小于0.01%。

鋼的熔煉技術在過去55年有很大改進，從而，使煉出的鋼更加純凈，缺口韌度更好。主要的熔煉方法是電弧爐和堿性吹氧，其中包括真空除氣、電渣重熔和氬氧除氣等，其效果是可以控制鋼的氣體含量（低氧、低氫）、低硫、顯微潔凈度（除去有害的非金屬雜質）、更好地控制鋼的成分變化和夾雜的形態，并提高了鋼的力學性能。

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：錳對于控制硫的有害影響十分有效，特別是在焊接的時候。從1942年賓夕法尼亞一家電廠高溫蒸汽管線上的脆性失效了解到，只要在碳鋼里面加入少量的鉬，就可以防止鋼的石墨化，而這家電廠的失效事故是由于亞穩碳化鐵長時間處于850oF以上的高溫條件下分解為石墨和鐵引起的。同時也弄清楚，采用細晶粒度的熔煉法（例如：鋁鎮靜化）可以大大提高鋼的韌性。

材料設計系數調整后，SA-516 70在650 °F（343 °C）下的許用應力增加7.4%；同一溫度下，SA-299的許用應力只增加5.3%。SA-213 T12和T22亦然。1998和1999年增補對此兩個合金在900 °F（480 °C）下的許用應力之差分別為3.6%和0%。

5. 對公眾安全的保證

1944年以來技術各個方面的進步，對壓力設備的安全建造、試驗和運行的影響是革命性的。

如今我們已經知道如何去煉制純凈鋼、我們可以保證焊件具有好的質量，我們可以判斷結構對于脆性斷裂是否具有敏感性。而1944年這些手段都不具備。

第I卷和第VIII卷1冊的保守性仍舊是很重要的。材料設計系數從4變為3.5并不是對安全性的妥協?；?b>屈服強度計算的許用應力所用系數并沒有改變，仍然是1.5。

壓力設備由于過應力狀態失效的幾率是非常小的。在室溫下，基于結構材料抗拉強度和極限強度的許用應力的變化最多增加5%。鑒于過去55年技術進步幅度之大，應力的這一微小變化則是微不足道的。

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