asme规范规范材料材料性能许用应力

ASME规范规范材料材料性能许用应力ASME锅炉压力容器规范每三年改版一次，2004版规范在去年的8月已经公布。笔者对照上一版本（含增补），在ASME在中国2004NO4期上撰文关于2004年版ASME规范第II卷的A篇和D篇的翻译及与2001年版差异的说明，向读者介绍了第II卷的A篇铁基材料新版本的总体变动情况，本文将从6个方面具体介绍第II卷的D篇材料性能。笔者在翻译2004版第II卷的D篇的过程中，与2001年版相比，发现第II卷的D篇在各卷册中变动最大。通常了解规范各卷内容变更的方法是查阅卷前的“变更一览表”，而第II卷D篇新改版不提供“变更一览表”，只有在后2年发布规范“增补”时才能见到。尽管第II卷D篇每次增补变动量也不小，但总体上仅仅是页数的变化、各应力表格中钢种的增有减，以及对个别钢材的应力值的调整。而2004版D篇的变动已经远远超出这种程度，本人认为，造成2004版第II卷D篇发生很大变动的主要原因有以下几点12001版的II卷D篇出了2种单位制的版本，即美国习惯单位版本和公制单位版本。在公制单位版本中，无论是规格尺寸或厚度、长度尺寸，还有最大许用应力值S和设计应力强度值SM、各个温度下材料的抗拉强度和屈服强度值，以及对于材料的物理性能数据，都采用公制单位（SI单位）。首先，温度值不再使用华氏温度，而改变为摄氏温度；应力值或强度值不再使用PSI或KSI，而改用MPA。因此，在2004版第II卷D篇的名称上还特地示出为“PARTDPROPERTIES（METRIC）”。在长达近百年的ASME规范的出版历程中，出版使用国际单位（SI）制的材料性能数据还是首次。22004年版第II卷的D篇第一次针对规范第XII卷运输罐的建造和连续使用规则，给出了在设计锅炉及压力容器中所须引用到的规范规定材料的最大许用应力值S以及在规范产品上使用这些材料的过程中需要引用的“注解”。这是由于从2004版开始，第XII卷从原来由美国交通部管理转由ASME管理。3在D篇三个分篇中的第一分篇和第二分篇之前，都新增加了一份“前言”。在新增加的“前言”中不仅概述了分篇中的内容组成，还对如何应用作了提示。4对规范本文之后附加的附录，按“强制性”和“非强制性”进行区分。强制性附录按阿拉伯数字排列，而非强制性附录按英文字母排列。2001版原有的附录6在2004版中改为非强制性附录A。在附录7材料的多重性标志之后，新增加了附录9公式中使用的标准单位。5新增加了非强制性附录B，在应力表格和在力学性能和物理性能表格中查找材料。6新增加了非强制性附录C，在锅炉及压力容器规范中使用美国习惯单位和国际单位制的导则，对于“单位换算”上的规则作出了明确的说明。此外还将在设计锅炉及压力容器的过程中，所须引用到的规范规定材料的最大许用应力值S和设计应力强度值SM，材料的各种物理特性数据以及受外压或压缩载荷作用下确定部件壳体厚度用的线算图都收在第II卷的D篇中，这些都是锅炉及压力容器设计的重要依据。下面针对上述6个方面的变动作进一步的说明一、关于由原英制单位改用公制单位（SI单位）的说明这里，以近年来在锅炉及压力容器的设计中广泛应用的、公称成分为“9CR1MOV”的SA213T91的无缝管子为例加以说明。在2001版的D篇中第一分篇的应力表“表1A”中，对于该材料在不同温度下的许用应力值，读者可从2001版D篇的中译本第38页到41页的第30行查知。按华氏温度从900至1200的温度区间、并以KSI为单位所给出的许用应力值，如下900950100010501100115012009CR1MOVSA213T91191KSI178KSI163KSI140KSI103KSI70KSI43KSI而在2004版中，由于改为采用国际单位制，对于SA213T91的无缝管子（T75MM），在相当的温度区间给出的许用应力值，在2004版英文版的第38页到第41页的第15行，其许用应力值的数据如下4755005255505756006256509CR1MOVSA213T91134MPA126MPA117MPA107MPA885MPA650MPA455MPA289MPA对上述两种采用不同单位制给出的数据进行对比，可以看到除了温度和压力适用单位变动外，当华氏温度以每50为一挡时、摄氏温度是以每25为一挡；而以KSI和MPA给出的许用应力值有效位数有3位，且精确到小数点的第一位。除了在许用应力表格中的数据发生如上所述的变动之外，在表格中的其他栏目以及按“注解”栏目所引用附注中的尺寸也由IN改为MM，同时对于使用温度或热处理温度的引用值也作了转换。因此，可以说列在2004版第II卷D篇的第一分篇中的各种应力表格内的全部数据已与2001版完全不同。同样，由于采用不同单位制所引起的变化，还可从2004版第II卷的D篇新增加的附录9公式中使用的标准单位来把握，见下附的对照表（表9100）表9100公式中使用的标准单位量值美国习惯单位国际单位（SI）线性尺寸（即长度、高度、厚度、直径）英寸（IN）毫米（MM）面积平方英寸（IN2）平方毫米（MM2）容积立方英寸（IN2）立方毫米（MM2）截面模量立方英寸（IN2）立方毫米（MM2）截面的惯性矩英寸4（IN4）毫米4（MM4）质量（重量）磅重（LBM）公斤（KG）力（载荷）磅力（LBF）牛顿（N）弯矩英寸磅（INLB）牛顿米（NM）压力、应力、应力强度和弹性模量平方英寸磅（PSI）兆帕（MPA）能量（即夏比冲击值）英尺磅（FTLB）焦耳（J）温度华氏温度（）摄氏温度（）绝对温度RANKINE温度（R）KELVIN温度（K）断裂韧性平方根英寸KSI（KSIIN）平方米兆帕（MPAM）角度度或弧度度或弧度锅炉出力BTU/HR瓦特（W）二、关于规范第XII卷运输罐的建造和连续使用规则中许用应力的说明2004版第II卷的D篇，第一次针对规范第XII卷运输罐的建造和连续使用规则的建造，给出了在设计锅炉及压力容器中所须的最大许用应力值S。其适用表格共三个，它们分别是第一分篇中的表1A、表1B和表3。前面两个表格为铁基材料和非铁基材料的许用应力表，表3是针对螺栓材料。由于增加了规范第XII卷运输罐的建造和连续使用规则建造用许用应力，因此表1A、表1B和表3的标题作了相应变更。同时，在这三个表格中的“适用性和最高温度界限”栏目下新增加了第XII卷的代号“XII”。也就是说在2001版的该栏目下只能见到对于“I，III，VIII1”的适用性，而在2004版的该栏目下能见到的是每一种材料对“I，III，VIII1，XII”四个“产品卷”的适用性。三、关于第一分篇和第二分篇之前新增加“前言”的说明ASME规范自从1998版起将材料性能集中在一起，单独编辑为D篇以来，在第一分篇和第二分篇之前过去并没有“前言”，也就是没有提供任何有关这两个分篇内容以及如何使用的说明。这对于刚接触规范的使用者来说是不方便的。从本版起在第一分篇和第二分篇之前都新增加了“前言”，为使用者提供了方便。以下为读者介绍2004版这两份“前言”给出的重点内容1、2004版第一分篇之前新增加的“前言”该前言的标题为“关于应力表中提供资料的政策声明”。从这一份新增加的“前言”来看，使用者尤其需要注意的说明文字是1）该政策声明旨在明确在应力表格之中哪些资料是强制性的，而哪些资料是非强制性的。它明确指出了“当在产品型式、标准号、型号和级别、类别和状态以及回火、尺寸和厚度、以及外压线图栏提供了资料时，它们是强制性的。列在PNO号和组号栏内的资料也是强制性的”；“在最低抗拉强度和最低屈服强度栏目中给出的资料是强制性的”；“在适用性和最高使用温度极限值栏目中的资料是强制性的”。2）“在表1A和表2A中，材料的公称成分一栏是非强制性的，且仅供资料用途。然而，这些公称成分恰是这两个表格所用的主要分类依据。”它还明确了“对于没有列出材料类型或级别的标准，则其中的UNS合金编号是强制性的。特别是对于不锈钢，那些并未列出型式或级别的行的资料，示出的UNS合金编号即是材料的级别号”。3）其次，该声明指出“给出的最高使用温度极限值是临界温度，在并不需要使用所列出的许用应力或设计应力强度的温度下使用时，由特定的建造规程许可它。对于相同的材料及其状态，不同的建造规程常常具有并不相同的使用温度极限。进一步说，在这些应力表的SI单位制版本里，应力值可能列出在超过最高使用温度极限的温度处，提供出这些应力值是为了便于插值，用于确定与下面一个最低的温度之间的许用应力或设计应力强度值”。4）该声明还特别指出，使用者务必要认识到在表1A、表1B，表2A、表2B，表3和表4所列出的资料通常会有引述在注解一栏里的基本信息。而这些注解在构成上采用不同的代号，如下AEXX根据成功的运行经验定义出的一套数据。BGXX一般要求。CHXX热处理要求。DSXX规格尺寸要求。ETXX定义了一套随时间变化的性能数据。FWXX焊接要求。2、2004版第二分篇物理性能表之前新增加的“前言”该“前言”的主要内容如下首先，它指出了“第II卷D篇的第二分篇尽可能多地提供了在规范建造中所用的大多数合金的物理性能数据。包括在这分篇中的有热膨胀（瞬时的、平均以及线性的）、导热系数和热扩散系数，以及弹性模量。这些数值都是作为从20到900温度的函数排列。第2分篇还包括了非铁基材料用的密度、大约的熔融范围、在100下的比热、泊松比以及刚性模量”。其次，该“前言”还明确指出了“第二分篇提供的所有性能数据应认为是典型数据，它们既不是平均值也不是最小值。比起晶粒组织或热处理的影响而言，热物理性能诸如热膨胀、导热率和热扩散系数更多地受到合金含量的影响。由于组成合金元素的允许范围，在表TE1至表TE5以及表TCD中叙述的热物理性能应考虑到附带有正、负10的不确定性。在表NF2中可见的比热数值也应估计到具有正、负10的不确定性”。此外，该“前言”还提示了“对于那些还没有被放入在第二分篇里的合金，为了获知所需资料，本规范的使用者可使用其他有权威性的资料来源。在这种情况下，鼓励本规范的使用者把有关资料提交给ASME锅炉及压力容器委员会供研究，以便于它们可被加入到第二分篇之中”。无庸置疑，这些提示或说明内容对于规范的使用者都是十分重要的。四、关于2004版第三分篇外压线图变动的说明第三分篇外压线图中的变动比较单纯，主要集中在温度和压力单位的转换上；其中，还包括对第三分篇图的注解中的单位转换。至于其他变动则与以往的变动类似，例如，由于材料有变动而新增加或删除个别外压线图，以及个别线图编号因此发生变更。五、关于2004版附录部分变动的说明1、强制性附录部分从2004版起，第II卷的D篇正文后的附录按强制性和非强制性分为两个部分。强制性附录部分一律使用阿拉伯数字排序。其中，附录1、2、3、4、5和7除了在附录名称上增加“强制性”3个字外，附录本身的名称未变化，同时，在附录内容上的变化也不大。只是因为2004版采用国际单位，所以，当其中涉及到温度以及强度或应力值时，其数值和所用单位作了相应调整。此外，由于在对附录作强制性和非强制性区分的过程中，将原附录6冶金现象改为了非强制性附录A；所以造成在附录5和附录7之间不连号。在附录7之后，由于在2004版中已经采用了国际单位的缘故而不再需要原附录8线性内插法用于第II卷D篇中的表来确定公制值，因而被删除掉。强制性附录9公式中使用的标准单位，是2004版新增加的附录。在该附录中以列表方式示出了对不同物理量值、美国习惯单位和国际单位制中所采用的标准单位。由于原附录8被删除，又新增加了附录9，所以造成在附录7和附录9之间不连号。2、非强制性附录部分2004版附录部分的主要变动是在非强制性附录上。除了附录A是由原附录6转化过来外。其他二份附录是2004版新增加的附录。它们是A、非强制性附录B在应力表格和在力学性能和物理性能表格中查找材料；B、非强制性附录C在锅炉及压力容器规范中使用美国习惯单位和国际单位制的导则。从附录A、B和C的内容来看，它们对于任何正确使用和了解规范第II卷D篇都具有特殊的意义。附录A的标题为冶金现象，分标题以字符“A”起首，后接3位数阿拉伯数字例如在A300高合金钢和不锈钢分标题之后，从A310到A370依次为组织、晶间腐蚀、应力腐蚀裂纹、相脆化、奥氏体铬镍钢的热处理、475脆化和奥氏体材料的冷成形。其中的内容不仅对于钢厂的读者有参考价值，对于从事锅炉及压力容器设计工作的读者也十分重要。附录B对于如何使用第II卷D篇中的各种表格给出了有权威性的说明。稍后，再为读者作补充解释。新增加的非强制性附录C，则对于“单位换算”上的规则作出了明确的说明。其中提出了文本中的单位换算多数情况下使用硬SI换算进行，然而也有根据不同情况，适当进行某些软换算的情况。后一种情况是通过对SI单位值做圆整，直至与现有的美国习惯单位所含精度的有效数字的数值相当而得以完善。同样对于附录C的内容，稍后再为读者作补充解释。1对附录B的补充解释。附录B在编写体例上，与附录A相似。而且，为了便于对表格的排列作说明，每一节对应D篇中的一份表格。例如编号B210之后的分标题为表1A。由于节号采用了3位数阿拉伯数字，所以百位数相同的章节是同类的。例如B200应力表之后，从B210起到B260共6节分别对应于表1A、表1B、表2A、表2B、表3和表4。如附录B序言所述，它旨在“帮助第II卷D篇的使用者从应力表格（表1A，1B，2A，2B，3和4），力学性能表格（表U，U2，Y1和Y3），以及物理性能表格（表TE1至表TE5，表TCD，TM1至TM5，NF1和NF2）中寻找出材料”。附录B定义了将材料放在这些表格中的条理，它按不同的表格分别列出。如使用过D篇的读者所知，表1A，1B和表3包含的是许用应力，而表2A，2B和表4包含的是设计应力强度。以下列出的是B210表1A和B220表1B节下的主要内容1）B210表1A节下的主要内容该节为读者指明“表1A提供了供第I卷，第III卷、第1册的2级和3级设备，第VIII卷、第1册以及第XII卷用的铁基材料。在表1A中，当订购材料时第一步是使用它们的公称成分。这些公称成分，与对于每一种合金或合金类别可以接受的成分特征或广泛认可的标志符相比，并没有别的什么。这些公称成分排列如下A碳钢；B添加少量的铌、钛和钒的碳钢（微合金钢）；CC05MO钢；D铬钢，包括铁素体不锈钢，按铬含量递增（05CR，075CR，1CR，125CR，225CR，3CR，5CR，9CR，11CR，12CR，13CR，15CR，17CR，（包括17CR4NI4CU和17CR4NI6MN），18CR，26CR，27CR和29CR；锰钢（MN025MO，MN05MO，MN05NI和MNV）；E硅钢（15SI05MO）；F镍钢（05NI，075NI，1NI，125NI，2NI，225NI，275NI，3NI，35NI，4NI，5NI，8NI和9NI）；G其他高镍钢（25NI15CR2TI（660级）和29NI20CR3CU2MO（CN7M级）；H高合金钢，包括双相不锈钢；按铬含量的增加排列（从16CR9MN2NIN开始，随后16CR12NI2MO（316L），等），接着，在给定的铬和其他合金含量的范围内，按镍含量的增加排列（18CR8NI，18CR8NIN，18CR10NICB（首先是S34700，之后是S34709，S34800和S34809），18CR10NITI，18CR10NITI，18CR11NI，等，以25CR22NI2MON结束）”。I在B210表1A中还它指出了“多数材料标准并未给出材料的公称成分并且没有这种资料。对于列在表1A中的一个特定材料，可能不知道它的公称成分。如果知道标准编号，以及知道合金级别或类型标号，那么一个方法是查规范第IX卷中的表QW/QB422，并找出其相应的公称成分”。“对于一个给定的公称成分，表1A是按抗拉强度递增排列的。对于一个给定公称成分和抗拉强度，应力行是按标准编号递增排列的。有时，对于给定的公称成分，抗拉强度，屈服强度和标准编号以及级别或类型，可能有多于一行的应力行。此时，排列在表1A的每一页的第二页面上的引用注解，将定义它是有两行或更多行，以及每一行的适用性。”。2）B220表1B节下的主要内容该节指出“表1B提供了供第I卷，第III卷、第1册的2级和3级设备，第VIII卷、第1册以及第XII卷用的非铁基材料。附录B220指出包括在表1B中的材料，首先是铝合金（UNSAXXXXX材料），接着是铜合金（UNSCXXXXX材料），镍合金（UNSNXXXXX材料），以及活性的和耐溶性的金属和合金（UNSRXXXXX材料）。在最近的列表当中，还包括有如下材料A铬合金（R2XXXX）；B钴合金（R3XXXX）；C钛合金（R5XXXX）；D锆合金（R6XXXX）”。附录B220还为读者指明了在这些材料类别的每一种材料当中，应力行首先是按照UNS（合金的统一编号系列）编号排列的。目前的非铁基材料标准在示出这些UNS编号的同时，还示出了材料级别标号。然后，对于一给定的UNS编号，应力行接着按强度排列首先是抗拉强度，随后是屈服强度。最终，对于一给定的UNS编号、抗拉强度和屈服强度，应力行按材料标准编号的递增排列。同样地，即便是它们的UNS编号、抗拉强度，屈服强度和标准编号相同，有些材料可能有两行或更多行的应力行。注解提供了对每一行应力的适用性的说明。对于那些材料标准中并未示出UNS编号及其合金级别的材料，获知这些资料的一个方法还是参考规范第IX卷中的表QW/QB422。篇幅关系，这里不再对其他表格的应用作说明。如上所述，这是ASME到目前为止对于应力表格的排列规则所给出的最具权威性的说明。建议规范的使用者做设计时，在查取具体材料某一温度下的应力值之前，一定先花些时间阅读该附录，通过它了解所需应用表格的排列规则。相信它能够帮助使用者更快地找到相应的应力行。2对附录C的补充解释。附录C的编写方式与附录A和附录B相似，它以字符“C”起首，后接3位数阿拉伯数字，编码之后有每一节的分标题。附录C在C100节中，首先指出“保证使用适当的单位乃是做计算的个体或组织的责任。无论美国习惯单位或SI单位都可以用作有一致性的成套数据。用于计算和建造的其他用途时，如果选择使用SI单位，引用标准中的美国习惯单位值均可换算为至少3位有效数字的SI单位值。”接着，在C200导出SI单位制公式用的导则一节中提出了关于“硬换算”和“软换算”两种换算方法的应用规则。它指出“在多数情况下，文本中的单位换算使用硬SI换算进行，根据不同情况，适当进行某些软换算。这是通过对SI单位值做圆整，直至与现有的美国习惯单位所含精度的有效数字的数字相当而得以完善。例如，3,000PSI具有一位有效数的内在精度，因而，在换算成为SI单位时，典型的是换算为20,000KPA，也是一位有效数。它与“精确”换算或软换算为20,68427KPA相比，相差约3。然而，换算时的精度是由委员会在根据情况不同灵活处理的基础之上确定的。如果其中有问题，大多数的有效数字已经包括在SI单位的当量值以内。在第II卷D篇中的许用应力值之中，通常包含3位有效数字。”。关于“硬换算”和“软换算”两种换算方法在阅读国外文献时也能见到，单从字面理解很容易把“圆整处理”理解为就是“软换算”，实际则不然。在附录C的C600中提供了下列“软”换算因数表格美国习惯单位SI换算因数注解INMM254FTM03048IN2MM264516FT2M2009290304IN3MM316387064FT3M3002831685USM30003785412USLITER3785412PSIMPA00068948在公式中不用PSIMPA6894757只用在文本和铭牌上FTLBJ13558185/9X（32）不用于温度差5/9X只用在温度差上RK5/9绝对温度LBMKG04535924LBFN4448222INLBNMM11298484在公式中不用FTLBNM13558181只用在文本中KSIINMPAM10988434BTU/HRW02928104用于锅炉出力和热处理LB/FT3KG/M316018463附录C的C600一节指出在换算过程中，“把美国习惯单位值乘以给出的换算因数可得出SI值。与此相仿，SI值除以给出的换算因数可得出美国习惯单位值。在大多数情况下，把得数圆整为3位有效数字是合适的”。在对物理量值进行圆整处理的过程中，作为具有典型性的示例，在C200一节中，就针对以一英寸的分数表示的最小厚度和弯曲半径值的“软换算”给出了如下的换算表分数，IN建议换算的SI值，MM相差，1/3208083/6412081/1615553/3225501/83555/324083/165507/3255101/46555/168083/810507/1611101/213249/1614205/8160811/1617263/419037/8221012516然而，对于工程上得到大量应用的“公称管”，情况有所不同。在北美国家中习惯使用的是“NPS”规格号，而在国际单位中采用“DN”规格号。以下是在该节中给出的对于公称钢管尺寸所采用的关系数据，它们是美国习惯单位SI单位美国习惯单位SI单位NPS1/8DN6NPS20DN500NPS1/4DN8NPS22DN550NPS3/8DN10NPS24DN600NPS1/2DN15NPS26DN650NPS3/4DN20NPS28DN700NPS1DN25NPS30DN750NPS11/4DN32NPS32DN800NPS11/2DN40NPS34DN850NPS2DN50NPS36DN900NPS21/2DN65NPS38DN950NPS3DN80NPS40DN1000NPS31/2DN90NPS42DN1050NPS4DN100NPS44DN1100NPS5DN125NPS46DN1150NPS6DN150NPS48DN1200NPS8DN200NPS50DN1250NPS10DN250NPS52DN1300NPS12DN300NPS54DN1350NPS14DN350NPS56DN1400NPS16DN400NPS58DN1450NPS18DN450NPS60DN1500除了公称管以外，在单位换算处理上比较复杂的是关于温度以及压力或强度值的换算。同样是在C200一节中指出“尽管计算用的压力总应是MPA，但是，在本文中有时也使用其他单位。例如，KPA被用于较低的压力。还有，在大多数情况下，圆整到一位有效数字（多数为两位数）。”例如147PSI换算为101KPA。而对于“以PSI或KSI表达的材料性能（例如，许用应力，屈服强度和抗拉强度，弹性模量）一般换算为MPA，3位有效数。”，例如95000PSI换算为655MPA。其次，对于温度值的换算，它指出在对数据进行“软换算”的过程中，“在大多数情况下，温度（例如，焊后热处理用途）圆整到最接近的5。根据温度的默认精度，有的圆整到最接近的1或10，甚至25。比0还要低的温度（负值）一般圆整到最接近的1”。然而，对于焊后热处理时间，在换算处理上是特殊的。在附录C的C600焊后热处理时间用的特殊要求一节中指出“通常，把每英寸厚度的小时数的焊后热处理时间，如下转换为每毫米厚度的分钟数A）1HR/IN2MIN/MM。尽管这一结果在热处理时，对254MM厚度的截面为51MIN，但是可以认为是在美国习惯单位要求的预期精度范围以内。B）15MIN/IN05MIN/MM。尽管转换加圆整后，将得出06MIN/MM的结果，为了与圆整为1HR/IN相一致，而需使用05”。在附录C中，还首次给出供计算用的有关公式中出现的常数项的说明以及对计算用公式作量纲分析的方法和举例。在C300公式的校核一节中，有如下的一段说明性文字“当提供的是单一公式时，是已使用尺寸分析作了校核过的，以验证无论是用美国习惯单位或SI单位所得到的结果是相当的。当在这些公式之中所使用的常数并不是无量纲的常数项时，则对每一种单位制提供不同的常数，否则提供公式的美国习惯单位和SI单位版本。然而，在所有情况下，规范的使用者应对公式的尺寸一致性进行校核”。在C300公式的校核一节之后，是C400量纲分析的举例节。在ASME规范的各个卷册中纳入有