低溫壓力容器設計中的關鍵問題

李長龍 楊博

摘 要：在工業生產中，低溫壓力容器的使用非常普遍，低溫壓力容器的安全穩定運行對于工業生產具有非常重要的意義。在對其進行設計的過程中，應該在選材方面給予足夠的重視，要對材料的性能和各項指標范圍進行確定，保證在溫度下降的情況下，材料的脆變溫度在自身的承受范圍內，不會因為超出限度而發生脆斷。文章從金屬溫度、材料的選擇、結構設計以及焊接等方面進行了闡述，對于低溫壓力容器的設計具有非常重要的意義。

關鍵詞：低溫壓力容器；設計溫度；結構

低溫壓力容器由于其設計的環境溫度較低，而且在操作過程中其壁溫處在一個較低的溫度下運行，所以對其鋼材的抗拉強度及屈服點等都有嚴格的要求。目前低溫壓力容器在石油化工企業的生產、貯運等環節中中得到廣泛的應用，其為生產企業提來一定便利的同時，由于其自身工作溫度較低，容器材料脆性較差，所以在拉應力作用下極易發生脆性破壞。低溫壓力容器由于其元件在拉應力作用下，一旦超出材料自身屈服強度，則會發生脆性破壞，而且在低溫壓力容器發生脆性破壞前，其容器結構并不會有大范圍的整體屈伸跡象及明顯的征兆，通常不會出現或是只會出現極小的局部塑性變形，對生產的安全性帶來較大的影響。所以在進行低溫壓力容器設計時，其具有較高的要求及標準。

1 金屬溫度的確定

設計溫度是低溫壓力容器設計中非常關鍵的一個因素，所以需要對設計溫度進行確定，因為不同的設計溫度其在設計、選材和制造方面的影響也會有所不同。所以需要在實際設計工作中，根據設計的載荷條件、環境溫度、介質的溫度和保溫、保冷的要求等多方面對具體問題進行分析，從而對設計溫度進行確定。

1.1 低溫壓力容器金屬溫度的確定，其理論上是指沿截面厚度的溫度平均值，但元件金屬兩側的流體溫度不同時，其可以通過流體與壁面間的給熱、污垢熱阻和元件金屬的熱量傳導等利用傳熱計算來對金屬的表面溫度進行確定，但在實際設計工作中，由于介質傳熱系數和給熱系數的值不容易確定，所以實際計算都是以經驗值來進行的。

1.2 以物料溫度確定金屬溫度。低溫壓力容器其受壓元件與工作介質直接接觸時，而且壓力容器外部具有良好的保溫或是保冷設施時，這時壁體的與環境溫度極為接近，或是殼體壁溫與物料溫度接近時，這時在設計時就可以將金屬溫度取為物流溫度。

1.3 而對于一些已經在生產運行當中進行應用的低溫壓力容器，由于其屬于同類，所以在設計時對其金屬溫度進行確定時，則直接通過實際測定來確定即可。

1.4 部分車間或是廠房內部分容器處于露天或無采暖的情況下進行放置，這時容器由于處于自然溫度下，所以其殼體的金屬溫度在設計時要對其低溫環境下受到氣溫條件的影響因素進行充分的考慮。

2 低溫壓力容器材料的選擇

低溫壓力容器由于具有其特殊性，所以在選材上需要對其設計溫度、材料的韌性、壁厚、拉應力、焊接等問題進行充分的考慮，同時還需要對低溫壓力容器的用途、使用條件和安全要求等進行補充要求的提出，從而確保選材的科學性。

2.1 低溫容器受壓元件用鋼材應是鎮靜鋼，承受載荷的非受壓元件也應該是具有相當韌性且焊接性能良好的鋼材。

2.2 對于低溫狀態下的用鋼，都需要經過正火處理，因為經過正文處理后的鋼不僅可以有效的減少終軋溫度和冷卻速率不同而引起的顯微組織不均勻，，同時對鋼材無塑性轉變溫度也會有所降低。

2.3 對低溫用碳素鋼和低合金鋼各類鋼材，除因材料截面尺寸太小，必須按HG20585標準要求進行低溫夏比V型缺口沖擊試驗。

2.4 對于低溫容器用碳素鋼和低合金鋼殼體鋼板，當鋼板厚度8>20mm時，應按JB/T4730逐張進行超聲波檢測，合格級別為Ⅲ級。

2.5 奧氏體高合金鋼螺栓材料使用在一100℃以下時，可以考慮經應變硬化處理以保證需要的強度。奧氏體高合金鋼使用在一196℃以下，還應考慮某些附加材料試驗要求。

2.6 使用溫度在-100℃到-70℃區間的低合金鋼材料，目前國內尚無適用的鋼材產品，可以選用國外的適用材料，或是直接選用奧氏體高合金鋼。

2.7 焊接材料的選擇比較關鍵，應該按照母材的成分和性能進行選擇，盡量選擇相近的材料，并且具有低溫韌性。選擇焊條時，以低氫堿性為佳，埋弧焊的焊劑以堿性或者中性為佳。

3 低溫壓力容器的結構設計

低溫壓力容器要進行結構設計時，需要避免出現應力集中、尖角等情況發生，確保結構具有一定的韌性，所以需要在設計工作中對一些問題進行特別關注。盡可能的確保結構簡單化，減少焊接件受到約束程度，各截面的溫度梯度要盡可以的減小，在結構拐角及過渡處應避免出現應力集中的情況，確保容器元件的各個部分都能夠圓滑過渡；對于容器在耳座、鞍座及支腿等部位，在焊接時需要利用墊板和連接板，避免直接與容器殼體進行焊接；在進行非受壓元件及附件焊接時，其焊縫在采用連續焊；利用整體補強和厚壁管進行接管補強，合理的對焊縫進行布置，避免出現集中和交叉的情況；對于一些載荷復雜的附件在焊后不能整體進行熱處理時，需要進行單獨的熱處理。A類焊縫和B類焊縫需要采用全焊透對接焊縫，而對于C類和D類焊縫則采用截面全焊透結構即可。

4 低溫壓力容器的焊接

低溫壓力容器施焊前應按JB4708進行焊接工藝評定試驗，應嚴格控制焊接線能量，選用較小的的焊接線能量，以多道施焊為宜。不得在母材的非焊縫區內引弧，焊接接頭（包括對接接頭和角接接頭）應嚴格避免焊接缺陷，要求焊縫表面呈圓滑過渡，不應有急劇形狀變化。焊后消除應力處理可以減小接頭區域內的焊接殘余應力，從而降低了在低溫條件下的脆斷傾向。每臺低溫壓力容器都應制備產品焊接試板。

5 檢驗

5.1 對于A、B類對接接頭，容器設計溫度低于-40℃；容器設計溫度雖高于或等于-40℃，但接頭厚度大于25mm；根據“容規”劃為第三類的壓力容器；根據設計壓力和介質的燃、爆、毒性等工作條件由設計文件規定作100%檢測的容器等需要進行射線或超聲檢測。

5.2 作局部射線或超聲檢測的對接接頭，其檢測長度不少于50%接頭總長，且不少于250mm。

5.3 對下列焊接接頭作表面磁粉或滲透檢測：對符合第1條容器的焊接接頭，而無法進行射線或超聲檢測者；對于要求做100%射線或超聲檢測的容器，其全部C、D類焊接接頭的各種焊縫以及受壓元件與非受壓元件的連接焊縫。

6 結束語

低溫壓力容器由于其具有特殊性，而且使用范圍也較廣，所以需要在其設計和制造過程中嚴格按照低溫壓力容器的相關規定標準來進行，不僅需要明確介質和環境的溫度，而且還要對容器材質的拉應力大小進行計算，對于是否是低溫壓力容器進行正確的決定，避免浪費制造和檢驗費用。

參考文獻

[1]魏紅利.低溫壓力容器設計探討[J].科技情報開發與經濟，2009，19（24）.

[2]劉衛平，周嵐，徐慶山.低溫壓力容器的設計[J].化學工程師，2005，19（3）.

[3]孟雅薇，葛志強.關于低溫壓力容器設計的若干問題的分析[J].科技創新與應用，2012（32）.