應(yīng)道宴

（全國(guó)化工設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站，上海 200040）

1 “碳鋼”——可焊低碳強(qiáng)度鋼

“碳鋼”是壓力管道工程中使用最為廣泛的金屬材料，占到整個(gè)管道元件用鋼量的百分之八十以上。本文所述的“碳鋼”包括的鋼材品種相當(dāng)廣泛，就國(guó)內(nèi)的鋼材標(biāo)準(zhǔn)而言，包括：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（如GB/T 700 的Q215A、Q235A）、優(yōu)質(zhì)碳素鋼（如GB/T 699 的10、20）、低合金結(jié)構(gòu)鋼（如GB/T 1591 的Q345）、以及管線鋼（如GB/T 9711 的L290/X42 ～L555/X80）。至于在具體的鋼管、鍛件、鑄件以及管件等材料標(biāo)準(zhǔn)中“碳鋼”的表達(dá)型式和型號(hào)更為五花八門，本文不再一一列舉。

“碳鋼”在ASME 鍋爐壓力容器和管道規(guī)范體系中， 則包括了：C、C—Si、C—Mn、C—Mn—Si、C—Mn—Si（Nb、V、Ti、N）等， 以碳或碳錳為主要強(qiáng)化元素的可焊低碳強(qiáng)度鋼。

由于壓力管道的“碳鋼”， 絕大多數(shù)都以焊接為主要的不可拆連接型式，因此本文習(xí)慣以焊接的母材類別號(hào)和組別號(hào)來(lái)區(qū)分。國(guó)內(nèi)承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47014 的“碳鋼”母材分類方法與ASME BPV 規(guī)范第Ⅸ篇基本相同，都將上述“碳鋼”材料歸納在第一類，并根據(jù)抗拉強(qiáng)度以及熱處理狀態(tài)劃分為四個(gè)組別，如表1 所示。表1 還把GB/T 20801.2—2020[1]中列入的“碳鋼”，包括低溫“碳鋼”，分別列入相應(yīng)的類別和組別號(hào)。

表1 ASME BPV 規(guī)范笫Ⅸ篇（NB/T 47014） “碳鋼” 母材分類及對(duì)應(yīng)的管道元件材料牌號(hào)Table 1 ASME BPV Code Section IX (NB/T 47014) “Carbon Steel” base metal classification and the corresponding pipe element material grades

歐盟各國(guó)執(zhí)行的承壓設(shè)備“碳鋼”材料焊接分類方法與中美不同，如表2 所示。由表2 可見(jiàn)，與材料的交貨狀態(tài)有很大關(guān)聯(lián)。筆者認(rèn)為對(duì)高屈強(qiáng)比的管線鋼而言，ISO 15608 的母材分類是較為合理的，好在高屈強(qiáng)比的管線鋼工程大多執(zhí)行的焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際通行的API 1104（GB/T 31032—2014[2]），API 1104 強(qiáng)調(diào)每一種母材及填充材料的組合要單獨(dú)進(jìn)行評(píng)定， 實(shí)際上取消了母材及填充材料類別和組別號(hào)的覆蓋范圍。由于工業(yè)壓力管道中使用高強(qiáng)度高屈強(qiáng)比鋼的案例較少，本文不予深入解讀。

表2 EN/ISO15608 承壓設(shè)備“碳鋼”材料焊接分類Table 2 EN/ISO15608 “Carbon Steel” material welding classification for pressure equipment

2 壓力管道中”碳鋼” 材料標(biāo)準(zhǔn)

2.1 壓力設(shè)備用鋼與結(jié)構(gòu)鋼

鍋爐、壓力容器及壓力管道用鋼對(duì)嚴(yán)密性、完整性的要求，與一般鋼結(jié)構(gòu)相比，有其更高、更專業(yè)性的質(zhì)量要求。因此在眾多的材料標(biāo)準(zhǔn)中單獨(dú)列出一類，體現(xiàn)其專業(yè)特質(zhì)。其標(biāo)志性的質(zhì)量保證項(xiàng)目就是壓力試驗(yàn)。通過(guò)壓力試驗(yàn)這樣一個(gè)最直觀，又極具綜合性的檢驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)驗(yàn)證其承壓強(qiáng)度和完整性。如壓力管道用鋼管（包括焊管）都無(wú)一例外地把壓力試驗(yàn)列為標(biāo)志性的質(zhì)量保證項(xiàng)目；閥門制造廠無(wú)論是外購(gòu)或自制，同樣必需把閥體鑄鋼件的壓力試驗(yàn)作為逐件必檢項(xiàng)目。如法蘭鍛件、對(duì)焊或鍛制管件、板材等難以在產(chǎn)品交貨狀態(tài)進(jìn)行液壓試驗(yàn)者，則通過(guò)管道安裝完成后的壓力試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性。

隨著壓力設(shè)備安全性以及風(fēng)險(xiǎn)控制意識(shí)的不斷提高，相應(yīng)的壓力管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和法規(guī)中日益強(qiáng)調(diào)壓力設(shè)備應(yīng)當(dāng)選用專業(yè)的壓力設(shè)備用鋼。但這樣的觀點(diǎn)在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平下，筆者認(rèn)為還應(yīng)顧及到下列幾點(diǎn)：

（1）部分風(fēng)險(xiǎn)較低的管道領(lǐng)域，如GC3，允許有限制地使用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼；

（2）管道元件中的閥門內(nèi)件、管道支承件、緊固件等所謂壓力邊界外的結(jié)構(gòu)元件，在合乎使用要求的前提下，尤其是國(guó)內(nèi)目前尚未制訂相應(yīng)的壓力設(shè)備用結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)（如閥桿、閥門內(nèi)件、彈簧等）的現(xiàn)狀，允許且應(yīng)當(dāng)使用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 細(xì)晶粒與粗晶粒

最初提出壓力設(shè)備用鋼概念的是百余年前的蒸汽鍋爐。根據(jù)當(dāng)時(shí)的冶煉水平以及對(duì)鍋爐用鋼的認(rèn)知，認(rèn)為粗晶粒鋼的高溫長(zhǎng)期強(qiáng)度可能優(yōu)于細(xì)晶粒鋼。而在低溫韌性方面，則細(xì)晶粒鋼明顯地優(yōu)于粗晶粒鋼。因此，在ASME BPV 規(guī)范體系的碳鋼材料標(biāo)準(zhǔn)中出現(xiàn)了粗、細(xì)晶粒兩個(gè)鋼材標(biāo)準(zhǔn)體系。典型的代表作就是：SA516（細(xì)晶粒）；SA515、SA299（粗晶粒），標(biāo)準(zhǔn)名稱的另一種表達(dá)方式是：中（常）溫及低溫用，或中（常）高溫用。

但數(shù)十年來(lái)，國(guó)際同行的研究， 至今未證實(shí)細(xì)晶粒碳鋼的高溫長(zhǎng)期強(qiáng)度遜色于粗晶粒鋼，因此體現(xiàn)在許用應(yīng)力（包括在蠕變溫度范圍）以及使用溫度上限，兩者是完全一致的。但在低溫韌性方面，細(xì)晶粒鋼卻明顯優(yōu)于粗晶粒鋼。這個(gè)觀點(diǎn)不但在碳鋼領(lǐng)域內(nèi)如此，在鉻鉬耐熱鋼領(lǐng)域內(nèi)同樣得到認(rèn)證。P91 就是細(xì)晶粒的強(qiáng)韌性熱強(qiáng)鋼。美國(guó)動(dòng)力協(xié)會(huì)（EPRI）的有關(guān)P11、P12、P22 文件中也證實(shí)了該論點(diǎn)。筆者二十余年前試制臨氫設(shè)備用鉻鉬鋼大鍛件時(shí)，就采用了加鋁和碳脫氧的細(xì)晶粒精煉工藝，解決了步冷試驗(yàn)后的沖擊韌性要求。

此外關(guān)于晶粒度檢驗(yàn)中有幾個(gè)經(jīng)常混淆的認(rèn)知偏差。其一是，ASME 鋼材標(biāo)準(zhǔn)（SA20）中的晶粒度是采用滲碳法測(cè)定的鐵素體鋼的奧氏體本質(zhì)晶粒度，而不是產(chǎn)品的實(shí)際晶粒度。而且是以本質(zhì)晶粒度5 級(jí)為粗細(xì)分界線，晶粒度序號(hào)數(shù)越大， 晶粒越細(xì)。而工程上則是測(cè)定產(chǎn)品實(shí)際晶粒度，一般以6 級(jí)為分界線，6 級(jí)及6 級(jí)以上為細(xì)晶粒鋼。

另一個(gè)應(yīng)注意的是，由于產(chǎn)品晶粒度受鋼水凝固、結(jié)晶、鍛軋加工、冷卻、取樣方向等多種因素影響，產(chǎn)品的晶粒分布是不均勻的，有明顯的方向性，因此，仔細(xì)閱讀一下GB/T 6394《金屬平均晶粒度測(cè)定法》，就能正確理解并處理工程中遇到的晶粒度爭(zhēng)議問(wèn)題。無(wú)論釆用比較法或是面積法、截點(diǎn)法， 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或采購(gòu)要求上， 通常規(guī)定的是一個(gè)金相視野中的平均晶粒度，而不是實(shí)際晶粒度范圍或最大、最小晶粒度。如果材料有明顯方向性時(shí)， 還應(yīng)注意取樣部位及方向?qū)е碌恼`判。

2.3 碳鋼管道元件材料標(biāo)準(zhǔn)

（1） 管道元件的材料標(biāo)準(zhǔn)

在本節(jié)論述之前， 首先要明確一個(gè)觀念，即本文（包括GB/T 20801—2020）指的是壓力管道元件的材料標(biāo)準(zhǔn)，而不是管道元件的坯料原材料標(biāo)準(zhǔn)。長(zhǎng)期以來(lái)，這個(gè)觀念在壓力管道行業(yè)內(nèi)是混沌不清的，其典型的代表就是管件材料標(biāo)準(zhǔn)和焊管材料標(biāo)準(zhǔn)。其起因在于鍋爐和壓力容器行業(yè)屬單件非標(biāo)產(chǎn)品， 習(xí)慣把鋼板、鍛件等原材料稱為材料，而將鍋爐和壓力容器作為產(chǎn)品； 而壓力管道行業(yè)卻與此不同， 壓力管道元件絕大多數(shù)是批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化定型產(chǎn)品， 其型式參數(shù)和規(guī)格要求相當(dāng)于產(chǎn)品施工圖紙， 而其材料標(biāo)準(zhǔn)的含義是管道元件產(chǎn)品，包括材料、加工工藝、質(zhì)量控制、檢驗(yàn)檢測(cè)等全部制造技術(shù)要求。因此， 決非原材料標(biāo)準(zhǔn)可以涵蓋。

前幾年，對(duì)焊管件及板焊管材料標(biāo)準(zhǔn)， 采用制造對(duì)焊管件的坯料——鋼管或鋼板，或制造焊管用的坯料——鋼板或鋼帶， 頂替作為管件或焊管的材料牌號(hào)， 在管件及焊管生產(chǎn)過(guò)程中， 外購(gòu)的原材料（坯料）需經(jīng)改制、冷加工、熱加工、焊接，冷熱加工后或焊后的熱處理、無(wú)損檢驗(yàn)等工藝過(guò)程，但產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有相應(yīng)的表征產(chǎn)品理化性能的檢測(cè)要求。因此這種觀念實(shí)際上是放棄了對(duì)產(chǎn)品制作過(guò)程的質(zhì)量控制和檢驗(yàn)要求。對(duì)焊管件制造企業(yè)僅需將外購(gòu)原材料質(zhì)保書(shū)上的理化性能數(shù)據(jù)抄寫(xiě)到管道元件產(chǎn)品質(zhì)保書(shū)上即可，管道元件制造廠的理化檢驗(yàn)質(zhì)保體系形同虛設(shè)。隨著GB/T 13401—2017《鋼制對(duì)焊管件技術(shù)規(guī)范》 、GB/T 9711 和GB/T 20801—2020 的制修訂及其在壓力管道行業(yè)內(nèi)的正確理解并貫徹執(zhí)行， 上述弊端及質(zhì)量管理盲區(qū)才有可能逐步消除， 堵塞質(zhì)量管理漏洞。

（2） 管道元件材料標(biāo)準(zhǔn)分類

壓力管道中“碳鋼”材料標(biāo)準(zhǔn)主要包括：鋼管、對(duì)焊管件、鍛件、鑄件四大類。其中最明顯的特點(diǎn)是沒(méi)有板材標(biāo)準(zhǔn)，其原因就如上述所述， 板材在壓力管道元件中（除法蘭蓋及盲板外）僅作為焊管和對(duì)焊管件的原材料， 已被焊管及對(duì)焊管件材料標(biāo)準(zhǔn)及牌號(hào)覆蓋， 所以沒(méi)有必要再以單獨(dú)的板材標(biāo)準(zhǔn)及牌號(hào)出現(xiàn)。其次， 如本文2.1 節(jié)（2）所述， GB/T 20801 和本文也未包括壓力邊界外的結(jié)構(gòu)元件用材料標(biāo)準(zhǔn)。

最近有多人詢問(wèn)GB/T 20801.2—2006 版中關(guān)于Q235B 的使用限制，為什么在GB/T 20801.2—2020版中已被刪除？

筆者的回答是： Q235B 在工業(yè)管道中的應(yīng)用大致有兩個(gè)。作為焊制對(duì)焊管件以及低壓流體輸送用焊接鋼管的鋼板原材料牌號(hào)。 由于GB/T 13401—2017《鋼制對(duì)焊管件技術(shù)規(guī)范》的制訂， 采用原材料牌號(hào)作為對(duì)焊管件的管件材料牌號(hào)，已退出國(guó)內(nèi)壓力管道元件質(zhì)量管理的歷史舞臺(tái)，因此，Q235B 已無(wú)存在的空間。

Q235B 在工業(yè)管道中的另一應(yīng)用領(lǐng)域是： 在GB/T 3091 以及SY/T 5037 中作為電阻焊或直縫埋弧焊的焊管牌號(hào)，并已在該鋼管標(biāo)準(zhǔn)中列入。

筆者的觀點(diǎn)是： 盡管GB/T 3091 以及SY/T 5037中已列入了Q235B，但縱觀這兩個(gè)焊管標(biāo)準(zhǔn)中，焊接工藝評(píng)定以及焊管質(zhì)量控制要求中沒(méi)有任何體現(xiàn)出有別于Q235A 的技術(shù)要求。因此， 無(wú)論其使用什么等級(jí)的坯料，其焊管產(chǎn)品的質(zhì)量等級(jí)也只能歸納為A 級(jí)。由 此 可 見(jiàn)， Q235B 在GB/T 20801.2—2020 已失去了引用的必要性。

① 鋼管

鋼管根據(jù)專業(yè)的制管工藝有許多方式，可區(qū)分為兩大類，即無(wú)縫及有縫（焊接）。無(wú)縫鋼管的制管工藝有多種，除熟知的軋制（包括熱軋、熱擴(kuò)、冷軋、冷拔、擠壓、鍛軋）外，還包括動(dòng)力管道主蒸汽管道用鍛造高壓厚壁管、核電管道以及筆者日前曾接到咨詢二硫化碳生產(chǎn)裝置的高溫（700 ℃）HK40 離心鑄管等制管工藝。但GB/T 20801—2020 尚未包括這些專業(yè)的鋼管。

有縫鋼管的制管工藝就更多。GB/T 20801 中僅列入直縫的高頻電阻焊和埋弧焊兩種工藝。鋼管的制管工藝以及眾多碳鋼鋼管標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求和質(zhì)量管理措施的差異，導(dǎo)致用戶以及安全監(jiān)察部門對(duì)其鋼管質(zhì)量等級(jí)和可靠性的認(rèn)知差別。這就是工業(yè)管道標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)察規(guī)程確定相應(yīng)使用限制的根本原因。

②對(duì)焊管件

如前所述，GB/T 13401—2017 實(shí)施之前，國(guó)內(nèi)沒(méi)有對(duì)焊管件的材料及質(zhì)量控制（規(guī)格和尺寸偏差除外）標(biāo)準(zhǔn)的。制訂GB/T 13401—2017 的主要目的有下列三個(gè)：

其一，建立管件完整的質(zhì)量控制體系，改變過(guò)去只強(qiáng)調(diào)原材料，而忽視制造工藝和成品的質(zhì)量管理漏洞。

其二，全面與ASME A234、A420、A403、A105、A182、A350 等管件材料標(biāo)準(zhǔn)接軌。

其三，通過(guò)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度等級(jí)和沖擊韌性要求，適應(yīng)工業(yè)管道分級(jí)和低溫碳鋼管道設(shè)計(jì)選配要求。

由于GB/T 20801.2—2020 中列入了X42～X80 長(zhǎng)輸管道高屈強(qiáng)度比鋼， 因此GB/T 20801—2020 也對(duì)應(yīng)列入高質(zhì)量要求的管線X42～X80 GB/T 29168.2 長(zhǎng)輸管道對(duì)焊管件標(biāo)準(zhǔn)。

③ 鍛件

由于目前尚未制訂壓力管道用鍛件標(biāo)準(zhǔn)，為此，GB/T 20801.2—2020 中仍套用了閥門用鍛件（GB/ T 12228）和壓力容器用鍛件標(biāo)準(zhǔn)（NB/T 47008，47009）。其實(shí)GB/T 13401—2017 的管件材料及質(zhì)量要求中已涵蓋了采用各種坯料， 通過(guò)管子或板材的冷熱加工成型、焊接、機(jī)加工以及鍛造的管件技術(shù)要求，但礙于標(biāo)準(zhǔn)名稱“對(duì)焊管件用”阻隔了該標(biāo)準(zhǔn)在其他鍛制管道元件，如承插和螺紋管件、支管座、法蘭，閥門中的應(yīng)用。其后，管路附件標(biāo)委會(huì)修訂的GB/T 32294—2015（鍛制承插焊和螺紋活接頭）、GB/T 14383—2021（鍛制承插焊和螺紋管件）、GBT 19326—2021（鍛制支管座）中， 不得不重復(fù)增添了與GB/T 13401—2017 完全相同的鍛制管道元件用材料牌號(hào)和技術(shù)要求。

筆者認(rèn)為， 上述GB/T 13401、14383、19326、32294 中列入的管道元件鍛件材料牌號(hào)和技術(shù)要求符合工業(yè)管道領(lǐng)域內(nèi)各種鍛制管道元件，包括對(duì)焊管件、鍛制管件，法蘭、閥門的技術(shù)要求，與A 105、A182、A350 等ASME 管件和閥門用鍛件材料標(biāo)準(zhǔn)接軌。唯一的遺憾在于受標(biāo)準(zhǔn)名稱所礙， 對(duì)設(shè)計(jì)選用及設(shè)計(jì)文件的標(biāo)志帶來(lái)眾多困惑。但在目前標(biāo)準(zhǔn)管理體制下， 只能今后逐步協(xié)調(diào)。

鑒于同樣理由， GB/T 20801.2—2020 標(biāo)準(zhǔn)中列入了與管線鋼X42～X80 對(duì)應(yīng)的F290（F42） ～F555（F80）GB/T 29168.3 長(zhǎng)輸管道對(duì)焊法蘭鋼。

④ 鑄件

GB/T 20801.2—2020 中引用的管道元件用鑄件標(biāo)準(zhǔn)，基本上盡量套用閥門標(biāo)委會(huì)主編的閥門鑄鋼件標(biāo)準(zhǔn)。GB/T 12228 （WCA，WCB，WCC） 和JB/T 7248 （LCB， LCC） 。應(yīng)當(dāng)注意， GB/T 20801.2 列入的上述閥門鑄鋼件標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)按JB/T 7927 進(jìn)行外觀檢查，且不低于B 級(jí)要求，鑄件質(zhì)量系數(shù)取0.8。

對(duì)需要進(jìn)行附加無(wú)損檢測(cè)的鑄件可取表3 中的鑄件質(zhì)量系數(shù)，但鑄件質(zhì)量系數(shù)φC的改變并不影響管道組成件的壓力-溫度額定值。

表3 鑄件質(zhì)量系數(shù)φC 及附加無(wú)損檢測(cè)要求Table 3 Casting quality coefficient φC and additional NDT requirements

⑤ 根據(jù)目前工業(yè)管規(guī)的安全監(jiān)管要求， 上述管道元件材料標(biāo)準(zhǔn)分類中， 安裝單位自制的焊接鋼管，包括蝦米彎，彎管等不列入管道元件范疇，而納入安裝制作范圍進(jìn)行質(zhì)量控制。而管道元件制造企業(yè)從事上述產(chǎn)品的制造，通常將納入相應(yīng)管道元件或元件組合裝置、工廠化預(yù)制管段的質(zhì)量管理范圍。

3 碳鋼的低溫韌性

筆者從上世紀(jì)六十年代中葉參加工作，有幸從16Mn（901）、15M nTi（902）開(kāi)始，參于見(jiàn)證了國(guó)內(nèi)低合金強(qiáng)韌鋼-40℃ 16Mn、-70℃ 09Mn2 V、-110℃06AlNbCuN 低溫鋼開(kāi)發(fā)的全過(guò)程。這些低合金鋼（除16Mn 外，現(xiàn)改稱為Q345）至今都己銷聲匿跡。為此， 筆者在上世紀(jì)九十年代壓力容器學(xué)會(huì)的低溫鋼專業(yè)會(huì)議上曾有過(guò)一次發(fā)言：

三十年來(lái)國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)低溫鋼的技術(shù)路線走岔了，國(guó)內(nèi)在冶金裝備及技術(shù)落后的狀況下， 走的是合金化的道路，其實(shí)踐結(jié)果是：質(zhì)量不穩(wěn)定，低溫韌性的裕量不大，規(guī)格局限性大，近縫區(qū)性能下降明顯等。反觀歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家走的是另一條道路，總結(jié)歸納于下列幾個(gè)要點(diǎn)：

①首先是純凈化，純凈鋼的概念不僅是硫、磷、更在于氧、氫、氮等氣體含量。尤其對(duì)大截面的鋼材氣體含量更為關(guān)鍵。即使是硫磷，也并非標(biāo)準(zhǔn)成分表中低于0.030，0.020 的水平。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)是至少應(yīng)達(dá)到：硫0.010%、磷0.015%以下。

②第二個(gè)因素是細(xì)晶粒，要改硅脫氧為鋁脫氧。由于鋁易燒損，爐內(nèi)加鋁，得率不穩(wěn)定，通常需在爐外精煉過(guò)程喂絲控鋁。成品晶粒度要求6 級(jí)至8 級(jí)。

③第三個(gè)要點(diǎn)就是熱處理，即正火。所謂正火的定義是：鋼材加熱至AC3 以上，在靜止空氣中冷卻。

但在實(shí)際生產(chǎn)中還是會(huì)發(fā)生各種歧義。如鋼管在連續(xù)熱處理后未經(jīng)充分的冷卻排架冷卻，而挨個(gè)并列一起；或鋼板熱軋后的堆垛冷卻， 都將導(dǎo)致冷卻速度過(guò)低，正火效果達(dá)不到， 而接近退火， 繼而韌性下 降。

另外，當(dāng)鋼材截面較大時(shí)，需鼓風(fēng)甚至噴霧、噴水以期加快冷卻速度。近年來(lái)歐盟及美國(guó)等鋼材標(biāo)準(zhǔn)都將熱機(jī)械軋制、正火軋制、控軋控冷等專業(yè)熱處理名稱引入， 作為標(biāo)準(zhǔn)允許的代替正火的熱處理工 藝。

用戶應(yīng)當(dāng)注意， 這些新穎的熱處理工藝必需以相應(yīng)的裝備以及嚴(yán)格的工藝管理和控制保證作為前提，否則“控軋”實(shí)質(zhì)上淪為熱軋， “控軋”只能理解為制造商的營(yíng)銷噱頭。

④此外，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限415、485 MPa的碳鋼來(lái)講，除控制錳碳比外，一般無(wú)需添加其他合金元素就能將常規(guī)使用的20號(hào)鋼和Q345用于-46℃，甚至在厚度不大于25 mm 時(shí)的-50℃低溫用鋼。

4 抗拉強(qiáng)度下限415、485 MPa碳鋼的特點(diǎn)

表4 及表5 所列為ASME 和GB 標(biāo)準(zhǔn)中管道元件用抗拉強(qiáng)度下限415、485 MPa 碳鋼， 包括低溫碳鋼（不低于-46 ℃） 的化學(xué)成份和機(jī)械性能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 值。

表4 ASME/ASTM/GB 抗拉強(qiáng)度下限415 MPa 碳鋼，包括低溫碳鋼（不低于-46℃）Table 4 Chemical composition and mechanical properties of steel pipes and fittings with lower limit of tensile strength of 415 MPa carbon steel in ASME / ASTM / GB, including low temperature carbon steel (not less than -46 ℃)

表5 ASME/ASTM/GB 抗拉強(qiáng)度下限485 MPa 碳鋼， 包括低溫碳鋼（不低于-46℃）Table 5 Chemical composition and mechanical properties of forgings and steel plates with lower limit of tensile strength of 485MPa carbon steel in ASME / ASTM / GB, including low temperature carbon steel (not less than -46 ℃)

了解了上述第3 節(jié)的4 個(gè)要點(diǎn)，就可理解ASTM A20（A516-60、70 鋼板）、鍛件A105/A350 LF2、鋼管A106-B/A333-6、管件A234 WPB/A420 WPL6、鑄件A216 WCB/A352 LCB、LCC 中， 非低溫用與低溫用鋼板、鋼管、管件、鍛件、鑄件的化學(xué)成分和機(jī)械性能基本相同，唯一的差別在于后者增加了低溫沖擊和明確的成品交貨熱處理要求。

同樣也可理解ASTM 標(biāo)準(zhǔn)近年來(lái)在化學(xué)成分表中都增添了允許降碳增錳的注解。就此既解決了ASME/ASTM 低碳鋼與歐標(biāo)碳錳鋼的成分差異的協(xié)調(diào)對(duì)應(yīng)，又通過(guò)提高錳碳比，提升了低溫韌性的可靠性。此外降碳升錳對(duì)碳當(dāng)量的影響可忽略不計(jì)。ASME/ASTM 與EN/DIN 對(duì)壓力設(shè)備包括低溫碳鋼的成分設(shè)計(jì)差別在于ASME/ASTM 注重于碳對(duì)抗拉強(qiáng)度的作用，而EN/DIN 注重于錳對(duì)提高屈強(qiáng)比的作用。

筆者認(rèn)為：EN/DIN 將此類鋼定義為鋼結(jié)構(gòu)用鋼。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，包括壓力設(shè)備是偏重于以屈服強(qiáng)度為依據(jù)的，因此盡可能提高錳碳比以期提高屈服是其首選。而ASME/ASTM 將此類鋼定義為壓力設(shè)備用鋼， 在溫度不高于250℃的中低溫條件下， 碳鋼壓力設(shè)備（長(zhǎng)輸管道除外）的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力是以抗拉強(qiáng)度為依據(jù)的。

而國(guó)內(nèi)在壓力設(shè)備用碳鋼材料標(biāo)準(zhǔn)中沿用了EN/DIN 的思路， 但鍋爐壓力容器的建造規(guī)范卻基本上沿用了ASME 的框架。因此，深入分析一下表4 及表5 就反映了制訂GB/T 20801 工業(yè)壓力管道用碳鋼，包括低溫碳鋼相應(yīng)規(guī)定的基本思路。

（1）工業(yè)壓力管道用碳鋼鋼管及對(duì)焊管件的基本常用強(qiáng)度級(jí)別為415 MPa，而鑄鍛件及大口徑板焊管的基本強(qiáng)度級(jí)別為485 MPa。國(guó)內(nèi)與ASME 規(guī)范的思路是基本相同的。雖然目前抗拉強(qiáng)度級(jí)別為485 MPa 的GB 碳鋼鋼管及鍛件標(biāo)準(zhǔn)（長(zhǎng)輸管道除外）沿用了EN/DIN 的思路， 但管道規(guī)范編制時(shí)還是將其對(duì)應(yīng)于相同抗拉強(qiáng)度級(jí)別的ASME/ASTM 材料標(biāo)準(zhǔn)。

（2）基于發(fā)達(dá)國(guó)家的冶金水平及實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)表明，ASME 壓力設(shè)備用碳鋼的韌性要求定位在豁免曲線的B 級(jí)，因此當(dāng)焊接厚度（鑄鍛件非焊接承載截面厚度不大于50 mm）不大于12.7 mm 時(shí)， 常規(guī)碳鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度不高于-30 ℃。因此對(duì)大多數(shù)場(chǎng)合的工業(yè)管道而言，ASME B31.3 并未把沖擊韌性要求列為碳鋼管道元件的必報(bào)項(xiàng)目， 僅將厚度及溫度組合超越曲線B 覆蓋范圍時(shí)，ASME B31.3 管道規(guī)范才提出進(jìn)行相應(yīng)溫度下的沖擊檢驗(yàn)要求。

（3）由于管道系統(tǒng)用鋼涉及的規(guī)格品種繁多，數(shù)量不大而且分散，ASME 為便于組織批量生產(chǎn)，碳鋼的低溫沖擊溫度歸并為-46 ℃一個(gè)等級(jí)（除API 5L 管線管外）?？紤]到國(guó)內(nèi)冶金水平及質(zhì)量管理等因素，筆者在參與GB 150—1989，1998 以及GB/T 20801—2006，2020 的編制時(shí)，將碳鋼豁免曲線B的-30 ℃提高至-20 ℃。而普通碳素結(jié)構(gòu)鋼還是沿用豁免曲線A 的規(guī)定。而且設(shè)計(jì)溫度低于-20 ℃時(shí)，取消豁免曲線C 和D，將低溫沖擊作為管道規(guī)范對(duì)碳鋼鋼管及對(duì)焊管件的必檢項(xiàng)目。

設(shè)計(jì)者應(yīng)明確， 設(shè)計(jì)選材的依據(jù)是GB/T 20801規(guī)范要求（包括豁免及允許降低使用溫度）的沖擊試驗(yàn)溫度與沖擊功， 規(guī)范要求可不同于材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)溫度與沖擊功；前者是壓力管道規(guī)范的要求；后者是供方根據(jù)材料標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品質(zhì)量控制要求和承諾保證， 材料標(biāo)準(zhǔn)的要求應(yīng)不低于管道規(guī)范的要求。若材料標(biāo)準(zhǔn)的要求低于管道規(guī)范的要求時(shí)， 需方必須在相應(yīng)的采購(gòu)合同的附加技術(shù)要求中予以補(bǔ)充提高，保證不低于管道規(guī)范的要求。此外，必要時(shí)經(jīng)供需雙方協(xié)商同意，也可以采購(gòu)附加要求的形式提出低于規(guī)范允許使用溫度下限或高于規(guī)范沖擊功要求的采購(gòu)附加要求。

（4）ASME BPV Code Ⅷ-1 UG84 （b）（2） 也允許沖擊試驗(yàn)溫度低于材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)溫度。考慮到化工介質(zhì)的閃蒸溫度以及沖擊實(shí)驗(yàn)條件的溫差等工程實(shí)際情況， 表6（ASME BPV Code Ⅷ-1 表 UG-84.4 ） 為MDMT（材料最低使用溫度）允許低于沖擊試驗(yàn)溫度的溫度差Δ （℃）。

表6 MDMT（材料最低使用溫度）允許低于沖擊試驗(yàn)溫度差ΔTable 6 Allowable temperature difference between MDMT(Minimum design metal temperature) and impact test temperature

（5）考慮到我國(guó)北方地區(qū)環(huán)境溫度低于-20 ℃的實(shí)際情況，在新修訂的GB/T 20801—2020 工業(yè)管道規(guī)范中，根據(jù)ASME BPV 規(guī)范及B31.3 的規(guī)定，增加了降應(yīng)力工況（80%許用應(yīng)力水平），將豁免曲線B 降低11 ℃，以擴(kuò)大壁厚等級(jí)不大于XS（加厚）的20 碳鋼管道元件低溫使用范圍。

（6）API 579-1—2007“壓力設(shè)備適用性評(píng)估”第三部分 脆性斷裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中給出了眾多碳鋼焊接壓力設(shè)備系統(tǒng)的規(guī)避脆性斷裂的工程建議。

① P1-1 及P1-2 組碳鋼（沖擊豁免曲線B）焊縫厚度小于19 mm（規(guī)范未規(guī)定進(jìn)行焊后熱處理）的管道，如增加了焊后熱處理要求者，其最低金屬使用溫度可降低17 ℃。API 給出的額外PWHT 有益效應(yīng)是降低了焊接區(qū)域的殘余應(yīng)力水平以及改善了近縫區(qū)的淬硬組織，而焊后熱處理對(duì)提高熱影響區(qū)沖擊韌性卻并非一定是正面效果。必須注意，上述降溫效果僅限于曲線B 對(duì)應(yīng)的豁免溫度。

② API571-1 還強(qiáng)調(diào)了液壓試驗(yàn)對(duì)壓力管道提高抗脆斷能力的有效作用，其裨益在于液壓試驗(yàn)時(shí)，超額的應(yīng)力水平導(dǎo)致壓力系統(tǒng)中可能潛在的裂紋，在超額（大于正常工作狀態(tài)）的應(yīng)力導(dǎo)致裂紋尖端的屈服而鈍化，從而提高了隨后系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下（相對(duì)于液壓試驗(yàn)的較低應(yīng)力水平）的抗脆斷能力。

同時(shí)，為規(guī)避液壓試驗(yàn)時(shí)壓力系統(tǒng)的脆斷風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)控制液壓試驗(yàn)時(shí)設(shè)備處于塑性狀態(tài)，通常應(yīng)高于壓力設(shè)備最低允許工作溫度MDMT 17 ℃。

圖1 所示為API 571-1 提出的對(duì)在役壓力設(shè)備和管道進(jìn)行脆性斷裂評(píng)估時(shí)適用的水壓試驗(yàn)溫度與壓力系統(tǒng)最低使用溫度的允許溫度差。圖1 中縱座標(biāo)為工作狀態(tài)與液壓試驗(yàn)的壓力比，橫座標(biāo)為壓力設(shè)備MDMT 與水壓試驗(yàn)溫度的允許降溫差。

圖1 壓力設(shè)備MDMT 的允許降溫差Fig.1 Allowable temperature difference of pressure equipment MDMT

③ 圖2 所示為ASME B31.3 壓力管道規(guī)范規(guī)定的工藝管道MDMT 的允許降溫差， 與低溫工作條件下壓力系統(tǒng)切向薄膜應(yīng)力與許用應(yīng)力比（縱座標(biāo)） 的關(guān)系圖。

圖2 工藝管道MDMT 的允許降溫差 （ASME B31.3）Fig.2 Allowable temperature difference of process piping MDMT (ASME B31.3)

（7）GB/T 20801.2—2020 與ASME B31.3—2016關(guān)于低溫降應(yīng)力工況和低溫低應(yīng)力工況碳鋼管道免除沖擊試驗(yàn)適用情況的比較。

表7 所示為低溫低應(yīng)力工況，碳鋼管道適用情況的比較； 表8 所示為低溫降應(yīng)力工況，碳鋼管道適用情況的比較。由表可見(jiàn)，GB/T 20801.2—2020考慮到國(guó)內(nèi)的碳鋼材料國(guó)際接軌的進(jìn)程、質(zhì)量水平以及國(guó)內(nèi)相關(guān)部門的使用習(xí)慣及認(rèn)知慣性，對(duì)低溫降、低應(yīng)力工況下，碳鋼管道材料沖擊試驗(yàn)豁免溫度或材料最低使用溫度（MDMT）的降溫幅度均比ASME B31.3 的規(guī)定更為嚴(yán)苛?？陀^地講，近十年來(lái)ASME B31.3 關(guān)于降、低應(yīng)力工況下的適用條件和降溫幅度的規(guī)定，每個(gè)版本搖擺變動(dòng)頻繁，一時(shí)難以揣摩用意。表7、表8 所示暫以2016 版為例進(jìn)行比較。

表7 低溫低應(yīng)力工況碳鋼管道免除沖擊試驗(yàn)適用情況的比較Table 7 Comparison of application of exemption from impact test for carbon steel pipes under low temperature and low stress conditions

表8 低溫降應(yīng)力工況碳鋼管道免除沖擊試驗(yàn)適用情況的比較Table 8 Comparison of application of exemption from impact test for carbon steel pipes under low temperature stress reduction condition

（8）ASME 壓力容器和壓力管道規(guī)范 低溫降低應(yīng)力工況， MDMT 的允許降溫幅度

早在五六十余年前. 筆者剛走出校園參加1963版ASME 壓力容器規(guī)范翻譯工作時(shí)， ASME 壓力容器規(guī)范 Ⅷ-1 卷 UCS 章就規(guī)定， 只要應(yīng)力水平低至十分之一的抗拉強(qiáng)度， 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼免除沖擊韌性試驗(yàn)就能使用至-196 ℃。其依據(jù)可能是當(dāng)時(shí)流行的派林尼的斷裂分析圖以及鑄鐵等脆性材料在壓力設(shè)備中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。直至上世紀(jì)七十年代， ASME 根據(jù)斷裂韌性實(shí)驗(yàn)和斷裂力學(xué)理論的推導(dǎo)， 并在九十年代逐漸成熟后修訂規(guī)范， 形成了圖3 所示的應(yīng)力水平對(duì)MDMT 的降低關(guān)系圖以及ASME Ⅷ-1 卷和B31.3 工藝管道規(guī)范的A、B、C、D 代表碳鋼不同質(zhì)量（韌性）水平的四條沖擊試驗(yàn)豁免曲線。

圖3 的縱座標(biāo)代表低溫工作條件下壓力系統(tǒng)切向薄膜應(yīng)力與許用應(yīng)力比， 橫座標(biāo)為壓力設(shè)備MDMT 的允許降溫差。圖中注2 為抗拉安全系數(shù)為4 的ASME 鍋爐規(guī)范； 圖中注3 為抗拉安全系數(shù)為3.5的ASME 鍋爐規(guī)范Ⅷ-1 卷壓力容器規(guī)范； 圖中注4為抗拉安全系數(shù)為3 的ASME B31.3 工藝管道規(guī)范，亦即與圖2 所示相同。由圖3 可見(jiàn)：

圖3 ASME 壓力容器和壓力管道規(guī)范 低溫降低應(yīng)力工況，MDMT 的允許降溫幅度，℃（ASME BPV Code Ⅰ、Ⅷ-1、Ⅷ-2、B31.3）Fig.3 Allowable cooling range of MDMT under low temperature reduction and low stress conditions in ASME BPV code I, VIII - 1, VIII - 2, B31.3

（1）低溫低應(yīng)力工況均為應(yīng)力比R小于等于十分之一抗拉強(qiáng)度的水平：

低溫低應(yīng)力工況下， 鍋爐規(guī)范， 抗拉安全系數(shù)為4， 應(yīng)力比R小于等于40%，MDMT 允許降溫幅度約60℃；

ASME Ⅷ-1 卷容器規(guī)范， 抗拉安全系數(shù)為3.5，應(yīng)力比R 小于等于35%，MDMT 允許降溫幅度約78 ℃；

ASME B31.3 管道規(guī)范， 抗拉安全系數(shù)為3， 應(yīng)力比R 小于等于30%，MDMT 允許降溫幅度約120 ℃；

（2） 應(yīng)力比R≥0.65 的降應(yīng)力工況下， 應(yīng)力比R與降溫幅度20 ℃， 接近線性關(guān)系， 可采用內(nèi)插法取之；

（3） 必須說(shuō)明， 由于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較為悠久，ASME對(duì)于低溫低應(yīng)力工況適用較為寬松， 但比較60 年前已將MDMT 最低-196 ℃提高至-104 ℃； 但對(duì)于低溫降應(yīng)力工況， 由于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較短， 僅依據(jù)有限的斷裂韌性實(shí)驗(yàn)和斷裂力學(xué)理論推導(dǎo)， 因此， MDMT 最低適用溫度不低于-48 ℃， 并規(guī)定了較多的附加條件。