碳钢、低合金钢与低温压力容器
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【摘要】：钢材由于低温因素的影响而发生脆断，会引起设备整个结构的破坏。因此，对于钢材在低温下的力学性能、工艺性能、钢材脆断本质以及影响脆断的各项因素，予以分析和探讨，具有一定的意义。
【关键词】： 钢材 压力容器 低温 力学性能 脆断 焊接接头 临界温度
在低温条件下工作的压力容器称为低温压力容器，是低温工业过程中的关键设备。
在目前的工业生产活动中，气体的液化、分离以及液化气体的生产、贮运和应用日趋普遍，低温技术的发展促进了各种低温压力容器的运用。例如：
液氢装置 -253℃
液态空气及其他气体的制取 -196℃
乙烯装置深冷分离中脱甲烷系统 -160℃
乙烯低温存贮 -104℃
石油精练中二氧化硫脱蜡 -60℃
液态乙烯存贮 -40℃
1、低温压力容器的脆裂
一般碳钢、低合金钢制压力容器，由于环境低温或介质低温的影响，在温度降低到某一温度时，容器设备的某一部分会出现突然的脆性破环，而与其相连的其他部件都完好无缺的现象。
脆性破坏前容器结构不出现或是只有局部的极小塑性变形，而在结构的大范围内没有宏观的整体屈服迹象或其他明显征兆，因此这种脆性破坏会造成出奇不意的极大危害。
2、钢材的低温脆断
2.1低温脆性断裂的基本特征。（1）低温脆断事故的发生总是与结构、材料的使用温度降低密切连系在一起的，当然不同材料的低温脆断发生在各自不同的低温范围内。（2）低温脆断破坏时的材料其塑性很低，韧性很差，材料处于脆性状态，在压力的作用下，很容易断裂，故称为低温脆性断裂。（3）低温脆断破坏时，结构元件内部的应力水平很低，通常低于材料的屈服强度，甚至低于材料的设计应力（材料的许用应力），所以也可称为低应力脆性断裂。
2.2低温韧脆转变。当温度逐渐降低时，材料的破坏型式将由延性断裂转变为脆性断裂，其转变点的温度称为韧脆转变温度。这是材料低温韧性的重要指标。影响材料低温韧性的因素有以下几点：
（1）晶体结构因素。体心立方结构的铁素体钢脆性转变温度较高，脆性断裂倾向较大；面心立方结构金属如铜、铝、镍和奥氏体钢则没有这种温度效应，即不产生低应力脆断。
（2）化学成分的影响。对低温压力容器而言，增加含碳量将增大材料的脆性，提高脆性转变温度，低温用钢含碳量不超过0.2%。锰、镍改善钢材低温韧性，少量V、Ti、Nb、Al弥散析出碳化物和氮化物，进行沉淀强化改善钢材低温韧性。
（3）晶粒度的影响。晶粒尺寸是影响钢低应力脆断重要因素。细晶粒使金属有较高断裂强度，且使脆性转变温度降低。
（4）夹杂物的影响。磷易产生晶界偏析，钢中的氧以各种氧化物的形式在晶界析出，显著提高钢的脆性转变温度，导致低应力脆断。
（5）热处理和显微组织影响。对钢的低应力脆断有很大影响。调质处理可以改善钢材低温韧性，但回火温度不应过高；正火处理用得最多；退火处理组织粗大，一般不采用。
（6）冷变形的影响。冷变形使钢的韧性降低，应变时效使低温韧性恶化，脆性转变温度升高。
（7）应力状态的影响。焊接接头中有裂纹存在又具有残余应力时，低应力脆断性质更为明显。
2.3夏比V型缺口冲击试验。冲击试验是条件性极强的一种材料对比试验，其含义是在指定的温度下，测定材料在缺口和冲击载荷共同作用下的脆化趋势及其脆化程度的试验方法。
用规定高度的摆锤对置于简支梁上的标准缺口试样，进行一次性打击，测量试样折断时所吸收的功。以AKV表示V型缺口试样的冲击吸收功，单位为焦耳（J）。
冲击吸收功的工程含义是指在指定温度下，材料在缺口和冲击加载的共同作用下，对材料的脆化趋势和（或）脆化程度的度量。冲击吸收功的大小直接反映了材料的韧性，对材料的内在质量的变异非常敏感（如：化学成分，纯净度，晶粒尺寸，轧制或锻造工艺，冶金缺陷等）。同时冲击试验的方法简单，数据重复性好，因此，冲击吸收功这一材料韧性指标在压力容器的建造中得到了充分利用，并积累了丰富的数据资料和工程评价经验。
3、低温压力容器选材
大部分国家将低温容器设计重点放在选材上，并在制造、结构上加以某些限制。早期的ASME规范，对于低碳钢及某些低合金钢制成的容器，在低温工作时要求其材料的夏比（V形缺口）冲击试验冲击功不小于20J。
该规定是建立在大量的破坏事故及其材料试验基础上的，对当时规范所推荐钢板的大量夏比（V形缺口）冲击试验结果中，发现起裂型钢板的最大冲击功约为14J，传裂型钢板最大冲击功不超过18J，大于27J的均属于止裂型。基于当时的研究结果，将V形缺口冲击试验中冲击功AKV=20J作为材料在其最低使用温度下的韧性考核指标。到了1953年，由于使用了较高强度的钢种，其临界转变温度基点转移到AKV冲击功曲线的较高位置上去了，20J的AKV冲击功指标并不能避免脆断的发生。因而对高强度钢而言，不同的钢种应分别对指标进行校正（或附加侧向膨胀量≥0.38mm）。
目前国外容器规范采用20J作为低碳钢在最低工作温度或设计温度下钢材缺口韧性唯一判据的有：美国ASMEⅧ-1及Ⅷ-2，法国规范等。
GB150参考采用了ASMEⅧ-1的有关规定，以20J作为低碳钢强度级别的钢材的验收判据。对钢板来讲国内要求横向取样，其冲击功要求并不低于国外规则对钢材的韧性要求。
4、低温压力容器的设计
对低温压力容器的设计，应根据室温抗拉强度或屈服强度所决定的许用应力进行设计。同时确定需要的韧性水平，允许存在一定的缺陷，但应能防止开裂。在焊接部位一般来说存在缺陷较多且韧性较差。而断裂总是从缺陷和韧性较差的地方开始的。因此必须测定热影响区和熔合线的性能。要求韧性最差的地方能承受外载荷所产生的应变。 5、低温压力容器的制造
低温用钢的焊接关键是要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，因此要求严格控制焊接线能量。在施焊前应进行焊接工艺评定，对焊接接头进行低温夏比V型缺口冲击试验，要求焊缝金属和热影响区的低温冲击功都要达到标准规定，最终确定一份用于指导容器生产的焊接工艺指导书（WPS〕。 在制造的焊接过程中，必须严格按照焊接工艺指导书的要求，对焊工进行专门培训，使其了解低温钢的特点并掌握各焊接工艺条件的控制要领。 6、低温压力容器的检验
低温压力容器焊接接头（包括对接接头和角接接头）应严格避免焊接缺陷，如弧坑或焊缝成形不良，不得有未焊透、未熔合、裂纹、气孔、咬边等缺陷，同时尽量减小余高，不得有凸形角焊缝。要求焊缝表面呈圆滑过渡，不应有急剧形状变化。在低温条件下钢材结构处或缺陷处的应力集中敏感性加大，从而加大了低温脆性破坏倾向。 低温压力容器的对接焊缝，应按照相应的规范和技术要求进行射线检测。
选用与设备材料具有相同标准，相同牌号，相同厚度，相同热处理工艺的钢板，与设备焊接同时进行，制备产品焊接试板，再同时与设备经过焊后消除应力热处理（如果有）后。对焊接接头的进行低温冲击试验，要求焊接接头金属、熔合线、热影响区低温冲击功要求应符合规定。