低温压力容器设计的若干问题试论

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【摘 要】由于低温压力容器和非低温压力容器不同，其是在较低温度（-20℃）下进行工作，如容器内存在较高的局部应力时，其可能会发生脆性破裂而导致灾难性事故发生。为此，在设计低温压力容器时，应严格控制其设计温度、材料、结构设计、焊接和检验等等环节的质量，以确保所设计的压力容器符合设计要求。

【关键词】低温压力容器；设计

0.前言

低温压力容器是指设计温度低于-20℃，且工作时壁温在-20℃以下的一种压力容器。由于低温压力容器是在较低温度下进行工作，如容器中存在因缺陷、残余应力、应力集中等因素引起的较高局部应力时，容器就可能在没有出现明显塑性变形的情况下发生脆性破裂而酿成灾难性事故。为此，对低温压力容器在设计时应注意的若干问题，如设计温度的确定、材料的选择、结构设计、焊接的要求以及检验标准等进行详细的分析，显得尤为重要。

1.低温压力容器设计时应注意的若干问题

1.1设计温度的确定

由于设计温度高于或者低于-20℃，压力容器的结构设计、选材、焊接、制造等方面的要求是截然不同的，因此在设计低温压力容器时首先要确定其设计温度。一般，设计温度的确定须考虑介质温度和环境温度等。

在工程上，一般采用以下方法来确定低温压力容器的设计温度

（1）当元件金属两侧的流体温度不同时，设计温度的确定应综合考虑流体与壁面间的给热、 污垢热阻以及元件金属的热量传导等，然后通过计算求得元件两侧金属表面的温度。

（2）若容器内流体温度接近环境温度，或是外部环境有保冷、保温设施时，或是有传热条件使壳体壁温接近物料温度时，此时壳体温度可取为物料温度。

（3）如已有生产运行的同类容器，可通过实际测定确定受压元件的金属温度。

（4）若容器是放置在露天下或是无采暖的厂房内，其壳体的金属温度应考虑在低温环境中受到的气温条件的影响。

1.2低温下的选材

压力容器的材料应包括钢材、钢管、锻件、螺栓、螺母、法兰密封垫片及焊条等。由于是在低温（设计温度

（1）钢材的选择。

低温压力容器常用的钢材有I6MnR，I6MnDR，15MnNiDR，09MnNiDR，CF-62等，以及镍系低温钢材1.5Ni，2.5Ni，3.5Ni，5Ni，9Ni钢等。

在选择钢材时，应考虑几点：1）要求钢材具有足够的低温韧性且焊接性能良好；2）钢材必须按规范要求进行无损检测，不允许有任何的夹层、夹杂和裂纹等内部及表面缺陷；3）钢材的使用状态：低温钢材为正火（N） 状态，镍系低温钢及部分高强度低温钢为正火+回火（N+T） 或调质（Q+T） 状态。4）对低温用碳素钢和低合金钢各类钢材，应按要求进行低温夏比V型缺口冲击试验，且当钢板厚度δ>20mm时，应逐张进行超声波检测，合格级别按标准或图样规定。5）为保证钢材的塑性储备，钢材的屈强比（σslσb）宜小不宜大。

（2）锻件的选材具体见表1。

（3）螺栓、螺母应采用35CrMoA、30CrMoA，使用状态为调质，并应进行低温冲击试验。

（4）法兰密封垫片的选择：1）若选用金属材料的密封垫片，要求垫片的缠绕金属带、外壳或是孔隙、实心的金属垫片，其材料的选择应选用低温低于-40℃奥氏体不锈钢、铜、铝等在低温下无明显转变特性的金属材料。2）若选用非金属材料的密封垫片，要求其在低温下具备良好的弹性，如石棉、柔性石墨、聚四氟乙烯等。

（5）焊条的选择：应选用化学成分和力学性能与母材相近的具有较好低温韧性的低氢碱性焊条，且应按复验药皮含水量或熔敷金属扩散氢含量。

1.3结构设计

（1）结构应尽量简单，减少约束；避免形状突变减小局部高应力。

（2）容器元件的各个部分所形成的T形接头、角接接头焊缝和各类角焊缝，以及接管、凸缘端部都应修磨成圆角，使其内、外拐角圆滑过渡。

（3）结构各部分截面应避免产生过大的温度梯度。

（4）容器的鞍座、支座、支腿应设置垫板或连接板，不能直接焊在容器壳体上。

（5）接管DN

（6）设计压力≥2.45MPa或≥1.57MPa，介质易燃、有毒时，应采用对焊法兰。

（7）对于易燃、有毒介质，设计压力≥0.59MPa，或一般介质，设计压力≥1.57MPa，均需采用方头螺栓。

（8）对于易燃、有毒介质，若设计压力≥1.57MPa，厚度>30mm，或设计压力>0.59MPa的平盖和管板，均应采用锻件。

1.4焊接要求

在焊接时，应根据低温钢的特点来控制焊接工艺。一般，低温压力容器的焊接要求如下：

（1）不应使用不连续的焊缝或点焊连接焊缝。

（2）在焊接时应严格控制焊接线能量，以避免焊缝金属及热影响区形成粗晶组织而导致低温韧性降低。一般，在焊接工艺所确定的范围内，宜尽量选用较小的焊接线能量。

（3）焊缝表面不得有裂纹、气孔和咬边等缺陷，应尽量打磨光滑。

（4）不得在母材的非焊接部位引弧，焊接接头应严格避免焊接缺陷，不得有未焊透、未熔合、裂纹、气孔、咬边等缺陷，同时要尽量减小对接焊缝的余高，其应不大于3mm。

（5）为避免压力容器在低温条件下发生脆断的几率，在焊后应进行消除应力热处理，以消除接头区域内的焊接残余应力。对于厚度大于16mm的焊接接头，在进行热处理后，要求其温度不应超过钢材的回火温度。

1.5检验标准

（1）用于制造低温压力容器简体、封头的钢板，当其钢板厚度超过标准时，应进行超声波探伤，合格级别为Ⅲ级。

（2）对接焊缝凡符合下列情况之一者，应经100%的射线探伤或超声波探伤：1）设计压力>0.59MPa，介质为易燃、有毒；2）设计压力>1.57MPa；3）低碳钢及碳锰钢板设计温度≥-40℃，但接头厚度>25mm；4）铁素体钢设计温度355MPa，或合金元素含量>3%；6）厚度>38mm的碳素钢，厚度>30mm的16MnR，厚度>25mm的15MnVR及奥氏体不锈钢，厚度>16mm的12CrMo、15CrMo。

（3）若对接接头采用局部射线探伤，要求其检测长度不得小于各条焊缝长度的50%且不小于250mm。

（4）采用100%的磁粉探伤或渗透探伤的部位有：1）进行过100%射线探伤或超声波探伤的容器的T型接头、对接焊缝和角焊缝；2）σs>390MPa的高强钢壳体上全部焊缝及热影响区表面；3）壳体上拆除临时附件后的焊痕及补焊的表面；4）温度1.57MPa的法兰用螺栓。

2.结束语

总之，低温压力容器是一种工作在-20℃环境下的压力容器，这就决定了其设计方法与普通压力容器有很大的区别。因此，在进行低温压力容器设计、制造及检验时，必须遵照《压力容器（ GB150.1～150.4-2011）》的标准及要求，通过实际情况处理低温压力容器中常见的问题，以不断提高低温压力容器的质量，防止压力容器在低温操作过程中发生脆性断裂事故。

【参考文献】

[1]龙纪.低温压力容器设计中应注意的问题[J].贵州化工，2010（5）.

[2]魏红利.低温压力容器设计探讨[J].科技情报开发与经济，2009（24）.